当红小生一混合信号示波器

摘要：随着混合信号逐渐在电子设计中占据重要位置，工程师对混合信号测试的需求变得越来越强烈，这就催生了混合信号示波器的出现以及流行。本文将为您带来混合信号示波器的最新发展趋势和选型指南。

关键词：混合信号示波器；MSO；安捷伦；泰克；力科；横河电机

DOI：10.3969／j.issn.1005-5517.2010.03.006

灌含信号的时代

上世纪60年代之前的电子技术属于模拟时代，然后随着半导体技术的发展开始逐步迈人数字时代，现在电子技术已经走进全新的时代一一数字信号与模拟信号紧密结合的混合信号时代。

二十一世纪90年代以来，信息产业在其内核集成电路(Ic)的簇拥下获得了高速发展。深亚微米技术的发展，促使芯片设计与制造由分离Ic向SoC转变。混合信号设计可以减少成本、电路尺寸和外形，并提供更好的功能。进入90年代中后期，具有极大市场而更新换代很快的无线通信及多媒体消费电子类为代表的信息产品给了混合信号集成电路(mixed-signal Ic)的发展提供了强劲动力。早期的SoC源于数字AsIc设计，其主要部件包括处理器、存储器、外部接口和相应的嵌入式软件。而混合信号SoC的发展动力主要来源于一些需要体积小、功能强、性能高的诸如移动类消费Ic。与早期的SoC的差别在于：混合信号soc芯片内除常规的数字系统外还包含了复杂的模拟混合电路。这是完整意义上的系统集成技术，已成为Ic设计者所关注的重要目标。可以说未来的大型soc芯片大部分将是模拟与数字信号并存的混合信号系统，并且将成为半导体技术的主流。

随着具有混合信号功能的芯片越来越多地出现在人们的生活中。通讯领域的MODEM(如ADSL)，CODEC和飞速发展的手机芯片，视频处理器领域的MPEG、DVD芯片。都是具有混合信号功能的芯片，其特点是处理速度高、覆盖的频率范围宽，芯片的升级换代周期日益缩短。这就要求测试仪器具有更高的性能和更宽的频带范围，而且需要灵活的架构来应对不断升级的芯片测试需求，以便有效降低新器件的测试成本。此外，混合信号芯片种类繁多，各种具有混合信号的芯片已经广泛运用到生产和生活的各个领域，而不同的应用领域，其工作的频率和所要求的精度也各不相同，这就要求在对混合信号进行测试时，抓住其共眭来提出测试方案。

示波器的演进

示波器是电子工程师观测信号最常用的工具，几乎每一位电子工程师的工作台上都应该有一台适合自己的示波器，应对混合信号测试最好有能够测试混合信号的单台示波器。

20世纪40年代是电子示波器兴起的时代，雷达和电视的开发需要性能良好的波形观察工具，带宽100MHz的同步示波器开发成功，这是近代示波器的基础。随着半导体和电子计算机的问世，60年代美国、日本、英国、法国在电子示波器开发方面各有不同的贡献，出现带宽6GHz的取样示波器、带宽6GHz的多功能插件式示波器，标志着当肘科学技术的高水平，为测试数字电路又增添逻辑示波器和数字波形记录器。模拟示波器从此没有更大的进展，开始让位于数字示波器。

模拟示波器要提高带宽，需要示波管、垂直放大和水平扫描全面推进，数字示波器要改善带宽只需要提高前端的A／D转换器的性能，对示波管和扫描电路没有特殊要求，加上数字示波管能充分利用记忆、存储和处理，以及多种触发和超前触发能力。20世纪80年代数字示波器(DsO)异军突起，在技术和市场的双重推动下，模拟示波器从前台退到后台，数字示波器成为主流。

上世纪90年代诞生的混合信号示波器(MSO)是将DSO和模拟示波器或逻辑分析仪或数字万用表(DMM)等两、三种仪器有机组合在同一机箱中的混合型仪器，它集成了多台仪器的功能和优点，以此满足用户的更多更高的测试要求。第一个将MS0作为产品名称前缀的是安捷伦(Agilent)1996年的54645D，而当时泰克也拥有一些典型的组合型示波器。

MS0的崛起

混合信号示波器从1996年开始正式出现名称之后，发展一直处于不温不火的状态，一方面因为市场对这个新产品的整体接受程度不高，另一方面则是当时的数字示波器已经基本满足大部分测试的需求，混合信号开发的测试需求还不够旺盛。此外由于市场上几乎没有公开竞争对手，安捷伦也未在混合信号示波器产品的后续开发和产品规划上投入过多精力，许多先进的示波器功能未能在混合信号示波器上体现，进一步拉开混合信号示波器和数字示波器的技术差距。

这种情况的改变因为嵌入式系统的普及和性能提升而发生变化。随着电子技术的发展，电路设计变得越来越复杂，单纯的数字信号已经不能满足设计需求。如今，无论是在计算机、通信还是消费类电子领域，当你信手捻来一块电路板时，就会发现其中所使用的器件是多样性的，往往是混合着模拟器件和数字器件。泰克亚太区市场开发经理孙志强认为，电于数据吞吐量需求的增加，不管是串行或并行技术，都相应增加了通道数量。同时，信号的种类也变得复杂，比如在单一系统中往往既有数字信号、模拟信号，又有高速和低速之分，有的系统还包括了基带信号、中频和高频信号。比如服务器、网络设备和消费电子，都有如上特征。这往往要求设计和测试工具能够高效地、集成式地、准确地定位故障信号，隔离问题和进行一致性兼容测试。但现有的设计测试工具往往只能解决单一侧面问题，对于上述系统信号往往都是相互作用、相互关联的，所以必须有一种全新的、全面的方案一一能同时查看多通道(大于4)、又能关联模拟特征和数字特征、在有些应用还必须能解决基带、中频乃至高频射频信号系统。越来越多的高速串行设计、高性能嵌入式数字系统和RT应用都需要进行混合信号调试，如果没有混合信号示波器，设计人员不得不利用一台示波器加上一台逻辑分析仪来进行测试，这不仅为操作带来许多麻烦，更降低了开发效率。因而，高采样率、长存储和高数字精度的混合示波器就应运而生了。

鉴于此，泰克公司在2006年以MS04000为标志公开进入混合信号示波器的市场，自此拉开了混合信号示波器的市场竞争。2007年力科公司推出自己的混合信号示波器产品，2008年横河电机也发布自己的混合信号示波器，至此四家技术领先的示波器厂商悉数加入混合信号示波器的市场竞争中。

如果比较2006年以来几大厂商发布的混合信号示波器新品占示波器新品总量比例的变化就可以发现它究竟有多红。2005年混合信号示波器新品比例仅为不足5％，到2009年这个数字是30％，据悉2010年泰克和安捷伦的示波器产品线中混合信号示波器的

比例将接近半数，足见厂商对其重视程度。从最初的只是数字示波器的补充，到现在许多最先进的示波器应用经常首先应用于混合示波器，其在市场中的地位已经不逊色于数字示波器。目前，泰克已经将混合信号示波器的带宽提升到20GHz，而安捷伦最新的InfiniiVision 7000 B则将军用模块测试功能总线直接加入混合信号示波器中，并且大幅提升其功能覆盖度。

深入剖析混合信号示波器

相比于数字示波器加逻辑分析仪的组合，有些用户把混合信号示波器和数码相机做了个比较，发现有很多相似之处，例如：有广角镜头能力，能捕获全方位景色，拍下突发事件时，也记录下周围的人物和环境。混合信号示波器可全方位捕获模拟和混合信号多达18路或20路，判知异常信号和其他多路数字信号或模拟信号有没有关系。像素高，一次成像，不仅可记下全景，而且可以对局部细节进行放大而不失真。混合信号示波器标准配置有快响应深存储，可在一个屏幕上同时捕获并显示多达18路信号或20个通道，对每一路的信号都是深度捕获，能够放大几万倍来观察和分析细节。快门抓拍瞬间与所关注的焦点同步。灵活的触发功能可以让您把混合信号示波器和被测对象的运行状态同步起来，比如可与12C、sPi等串行总线协议同步，还可与sDRAM控制命令、PcI总线命令、LCD驱动电路命令等同步。

其实混合示波器的概念本身，也有三种说法。最流行的说法是，混合信号示波器是一台仪器(不是两台或多台)，如果有机会拆开仪器，你会发现示波器模拟采集电路和逻辑分析仪电路被集成到一个采集板中，但从功能上来讲，示波器具备“数字示波器”的所有元素。换句话说，可以替代同等规格的数字示波器，通常只具备逻辑分析仪的一部分功能，比如不支持反汇编、c语言、不支持状态采集(但支持状态触发，有的支持状态显示)，触发功能简单，不像逻辑分析仪可以支持多达12级的复杂触发。我们今天关于混合信号示波器的讨论，主要是基于这一种。 　 第二种说法是，一台基于Windows平台的示波器，利用其USB或其它PC接口，和外部一个逻辑分析仪小盒子相连，将逻辑分析仪小盒子采集到的波形通过PC接口传递到示波器显示屏和示波器波形一起显示。

第三种说法是，一台示波器外加一台逻辑分析仪，通过电缆或时间相关夹具，将示波器波形传递到逻辑分析仪的屏幕上显示，示波器具备所有示波器元素，逻辑分析仪具备所有逻辑分析仪元素。

安捷伦亚太区示波器市场经理杜吉伟认为，普遍意义的混合信号示波器和数字示波器相比，其优势主要体现在以下几点。

1　更多的输入通道：混合信号示波器在具备示波器所有元素的基础上，多出来16个逻辑分析仪通道，可同时观察多达20路的信号。

2　更多的触发条件可能：比如码型触发，可以同时使用示波器和逻辑通道设置条件。

3　时间相关地显示模拟信号和逻辑信号：示波器通道和逻辑分析通道共用一个时基，方便多路信号之间的时序测量。

混合信号示波器最典型的应用是嵌入式设计的验证和测试，有以下几方面值得一提。

1　单片机(MCU)：一般的单片机都有多路I／O数字信号，您可以用示波器通道观察关键的模拟信号，用逻辑通道同时观察I／o信号，测量时序关系。

2　FPGA：FPGA内部有很多信号需要测量，有的混合信号示波器厂家，如安捷伦科技，提供FPGA内部节点自动切换测试功能，如被测对象上能引出16个被测点。则混合信号示波器可以一次测量到1024甚至2048个FPGA内部节点信号。

3　串行总线：串行总线的应用越来越普遍，但这些设计中，往往只是利用这些总线传输数据或指令，仍有其他关键信号需要同时被测试验证，使用混合信号示波器的逻辑通道来完成串行信号的触发、解码，从而可以让示波器通道观察分析更重要的信号。

4　并行总线：嵌入式设计中的多路I／O，可能是地址信号、控制信号、也可能是数据信号，通常都超过4路，数字示波器无法同时一次监测所有信号，混合信号示波器正好满足这一要求。

MSO选受参考

对使用示波器的工程师来说，对示波器的选型应该完全基于实际应用。力科高级市场经理李海龙介绍。首先是考虑性能指标是否满足，包括带宽、采样率、可分析存储、以及足够快的深存储波形处理速度。比如，最新的USB3.0(5Gb／s)总线测试需要13GHz以上示波器，而10G以太网测试就需要25GHz以上示波器，这时力科waveMaster 8Zi系列可能就是仅有的方案。另一方面，示波器还必须能提供满足工程师需要的应用软件包，比如，对pcI Express总线分析，既需要从debug的层面进行眼图和抖动分析，又需要按照标准规范进行物理层一致性测试，还需要在链路层进行8B／10B解码，以及协议层解码，示波器能否提供全面的解决方案是工程师选型的主要因素之一。

具体而言，信号速度决定示波器的主要指标，比如带宽。在数字信号分析中，推荐使用数字信号的边沿斜率，进行反算到所需频率和示波器带宽。值得注意的是，混合信号示波器的模拟带宽和其数字性能不能“划等号”。比如，目前市场上提供的一些混合信号示波器，尽管模拟带宽是4GHz或更高，但其数字性能仅仅能支持几百兆的信号分析，原因是其数字性能并不匹配器模拟性能。最慢速的信号决定示波器的存储要求。使用混合信号示波器同时分析高速和低速信号，必须有足够长的存储，才能在如此高速的捕获频率下，获得足够长的时间信号。此外，信号布局决定了示波器的探测方案。最后，信号的种类决定了示波器的分析需要。