【導讀】信號之間的時間關(guān)系對數(shù)字設計的可靠運行至關(guān)重要。對于同步設計,時鐘信號相對于數(shù)據(jù)信號的時間尤為重要。使用混合信號示波器,可以輕松確定多個邏輯輸入和時鐘信號之間的時間關(guān)系。建立和保持時間觸發(fā)器自動確定時鐘與數(shù)據(jù)時間關(guān)系。
信號之間的時間關(guān)系對數(shù)字設計的可靠運行至關(guān)重要。對于同步設計,時鐘信號相對于數(shù)據(jù)信號的時間尤為重要。使用混合信號示波器,可以輕松確定多個邏輯輸入和時鐘信號之間的時間關(guān)系。建立和保持時間觸發(fā)器自動確定時鐘與數(shù)據(jù)時間關(guān)系。
建立時間是指在有效時鐘邊緣發(fā)生之前,輸入數(shù)據(jù)信號保持穩(wěn)定(高或低)的時間。保持時間是指在有效時鐘邊緣發(fā)生之后,輸入數(shù)據(jù)信號保持穩(wěn)定(高或低)的時間。同步器件(如觸發(fā)器)的元件數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定了設置和保持時間。必須滿足設置和保持時間的要求,才能確保元件能夠正確可靠地工作。
混合信號示波器(MSO)由于能夠捕捉信號的模擬和數(shù)字表示并以時間關(guān)聯(lián)的格式顯示它們,非常適合驗證數(shù)字信號的信號完整性和調(diào)試數(shù)字電路。本文以5系列MSO為例說明,2、4、5和6系列MSO操作方式相同。MSO2000和MSO5000系列示波器遵循相同的原理,但用戶界面有所不同。它們都結(jié)合了專業(yè)級示波器的性能和邏輯分析儀的基本功能。3系列MDO、MDO3000和MDO4000系列混合域示波器也提供16通道邏輯分析儀功能。這里,MSO中提到的任何功能或能力也適用于MDO產(chǎn)品。
MSO設置
理解數(shù)字時間分辨率(數(shù)字采樣率)
一個重要的MSO采集規(guī)格是用于捕獲數(shù)字信號的時間分辨率。采樣率在不同的MSO型號之間有所不同。在進行建立和保持時間測量時,了解時間測量分辨率非常重要。
數(shù)字采樣率和記錄長度
表1列出了集成電路的建立和保持時間規(guī)格,通常為幾納秒或更短。當使用MSO的數(shù)字邏輯輸入測試它們時,必須考慮邏輯輸入的時間分辨率。
圖1.使用自動測量快速驗證邏輯信號幅度。
設置數(shù)字閾值
混合信號示波器的數(shù)字通道像數(shù)字電路一樣,將數(shù)字信號視為邏輯高或邏輯低。這意味著只要振鈴、過沖和地彈不引起邏輯轉(zhuǎn)換,這些模擬特性對MSO來說就不是問題。與邏輯分析儀一樣,MSO使用用戶指定的閾值電壓來確定信號是邏輯高還是邏輯低。
MSO的模擬通道可以快速檢查數(shù)字信號的邏輯擺幅。在圖1中,示波器自動測量數(shù)字信號的幅度約為3.6V。對于具有對稱電壓擺幅的邏輯系列,如CMOS,閾值為信號幅度的一半。然而,對于具有非對稱電壓擺幅的邏輯系列,如TTL(晶體管-晶體管邏輯),通常需要參考組件數(shù)據(jù)表并將閾值定義為邏輯器件的最大低電平輸入電壓(TTLVIL=0.8V)和最小高電平輸入電壓(TTLVIH=2.0V)之間的中點(TTLV閾值=1.4V)。
圖2.在同一個TLP058數(shù)字邏輯探頭組上設置混合邏輯系列(TTL和CMOS)的閾值。
大多數(shù)泰克MSO提供每通道閾值設置,這對于調(diào)試具有混合邏輯系列的電路非常有用。圖2顯示了5系列MSO使用8通道TLP058探頭測量多個邏輯信號。TTL信號閾值設置為1.7V,3.3VCMOS信號閾值設置為1.65V,5VCMOS信號閾值設置為2.5V,從而能夠可靠地同時采集各種邏輯信號。
對于3系列MDO、MSO2000和MDO3000系列,閾值是按探頭組(一個8通道的組)調(diào)整的,因此TTL信號將在一個探頭組上,而LVPECL信號將在第二個探頭組上。
圖3.探頭顏色編碼與波形顏色編碼相匹配,使得更容易看到哪個信號對應哪個測試點。
解讀彩色編碼數(shù)字波形顯示
數(shù)字定時波形與模擬波形非常相似,只顯示邏輯高和低電平。為了簡化分析,TektronixMDO/MSO示波器將邏輯低電平顯示為藍色,邏輯高電平顯示為綠色,即使過渡不可見,也能看到邏輯值。波形標簽的顏色還與探頭的顏色編碼相匹配,使得更容易看到哪個信號對應哪個測試點,如圖3所示。
圖4.在MDO/MSO系列上的定時采集示例。定義了三條并行總線,并利用器件的時鐘信號對其進行解碼。
數(shù)字定時波形可以組合成一個總線。一個數(shù)字信號被定義為最低有效位,其他數(shù)字信號代表二進制值的其他位,直至最高有效位。然后,示波器將總線解碼為二進制或十六進制值。
圖5.模擬通道與數(shù)字通道時間對齊。
消除通道之間的時間偏移
每臺Tektronix MDO或MSO系列示波器都有兼容的邏輯探頭。為了簡化數(shù)字測量,示波器會補償邏輯探頭的傳播延遲。因此,不需要進行數(shù)字通道探頭的相差校正。
然而,為了更好地進行模擬和數(shù)字波形之間的時間關(guān)聯(lián)測量,重要的是消除模擬到數(shù)字的時間偏移。在圖5所示的示例中,為了將模擬通道與數(shù)字通道對齊,模擬波形的2V(50%幅度)位置與在2V閾值處發(fā)生的數(shù)字信號過渡時間對齊。手動調(diào)整相差值以將模擬通道對齊到數(shù)字通道。此相差校正過程需要對任何其他模擬通道重復進行。
當更換模擬探頭時,應檢查模擬通道的偏移;當測量不同的邏輯系列時,應檢查數(shù)字閾值。配置好閾值和偏移后,示波器便可以用于驗證和調(diào)試數(shù)字電路。
圖7.這個74HCT74觸發(fā)器看起來按預期工作。
圖6.觸發(fā)器行為示例。
觸發(fā)器時間測量
最簡單的同步邏輯器件是觸發(fā)器。D輸入的邏輯狀態(tài)只有在時鐘上升沿之后(經(jīng)過D觸發(fā)器傳播延遲后)才會出現(xiàn)在Q輸出上。MSO是驗證觸發(fā)器工作狀態(tài)和調(diào)試數(shù)字電路的理想工具。
乍一看,如圖7所示,觸發(fā)器似乎按預期工作。數(shù)據(jù)信號在時鐘上升沿之前已經(jīng)穩(wěn)定了幾納秒,并且在時鐘邊沿之后保持穩(wěn)定了幾納秒。從時鐘邊沿到Q輸出的傳播延遲大約是6納秒。
圖8. 74HCT74觸發(fā)器上的建立時間違規(guī)導致Q輸出未改變。
在圖8中,數(shù)據(jù)信號在時鐘邊沿之前僅300ps發(fā)生變化,遠低于15ns的建立時間規(guī)范——這是一個建立時間違規(guī)。注意,Q輸出沒有如預期那樣改變狀態(tài)。
注意圖8中信號過渡周圍的灰色區(qū)域。MSO顯示這些區(qū)域以指示與數(shù)字采樣率相關(guān)的時間不確定性。
圖9. 74HCT74觸發(fā)器上的保持時間違規(guī)導致Q輸出未改變。
圖9顯示了一個數(shù)據(jù)信號在時鐘邊沿后大約300ps發(fā)生變化的實例。這遠低于3ns的保持時間規(guī)范——這是一個保持時間違規(guī)。再次注意,Q輸出沒有如預期那樣改變狀態(tài)。
圖10.在74LVCG74觸發(fā)器上的自動建立和保持時間違規(guī)觸發(fā)捕獲了許多錯誤。
捕獲建立和保持時間違規(guī)
MSO具有一種專門的觸發(fā)模式,旨在自動捕獲每個建立和/或保持時間違規(guī)。建立和保持時間觸發(fā)器測量時鐘信號與數(shù)據(jù)信號(或某些MSO上的數(shù)據(jù)信號)之間的時間關(guān)系,并在建立時間或保持時間低于規(guī)范時捕獲信號。這種功能簡化了調(diào)試工作,還可以用于設計的無人值守監(jiān)控。
在查閱74LVCG74組件數(shù)據(jù)表后,將建立和保持時間觸發(fā)參數(shù)分別設置為2納秒和1納秒,以捕獲任何違規(guī)情況,如圖10所示。MSO會自動觸發(fā)在第一個違反指定參數(shù)的輸入條件上。
圖11.脈沖寬度觸發(fā)器在74LS74觸發(fā)器的輸出上捕獲到一個窄脈沖故障。
在上一個例子中,建立和保持觸發(fā)器用于觸發(fā)觸發(fā)器的輸入。另一種方法是觸發(fā)設備輸出的信號錯誤,并捕獲輸入信號進行分析。
在下一個例子中,一個基于74LS74低功耗肖特基TTL技術(shù)的舊設計出現(xiàn)了間歇性錯誤。高電平的最低輸出電壓為2.4V,因此所有高電平輸出信號應至少達到該電壓。該設計基于20MHz時鐘(周期50ns),因此所有輸出脈沖的寬度應至少達到這個周期的一半。
掌握這些信息后,示波器可以快速確定輸出信號是否按預期工作,并在不正常時捕獲輸入和輸出信號。圖11顯示了脈沖寬度觸發(fā)器捕獲到的一個窄脈沖故障,即脈沖寬度小于該設計預期的最小脈沖寬度的一半。
圖12. 窄脈沖觸發(fā)器輕松捕獲了74LS74觸發(fā)器輸出上的低幅度窄脈沖。
不僅僅是在觸發(fā)器的輸出上出現(xiàn)了間歇性故障,一些故障還表現(xiàn)出低幅度。圖12顯示了一個窄脈沖觸發(fā)器捕獲到的低幅度脈沖,這些脈沖不符合組件的規(guī)范。
圖13. 在74LVCG74觸發(fā)器上的建立時間違規(guī)觸發(fā)的光標測量。
使用這些觸發(fā)設置中的任何一個,您都可以捕獲輸入和輸出信號。圖13顯示了使用光標進行的建立時間測量,清晰地指示了建立時間違規(guī)(大約6ns,遠低于20ns的最小值)。混合信號示波器結(jié)合了基本的邏輯分析儀功能和示波器的模擬信號分析功能。
Tektronix MSO和MDO系列包括建立和保持時間觸發(fā)、脈沖觸發(fā)以及高分辨率數(shù)字采樣,以便于快速數(shù)字調(diào)試。
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