隨著電子系統複雜性不斷增加，現代的混合訊號設計已成為設計人員必須嚴陣以待的難題；而嵌入式設計工程師也不得不身兼數職，以便有效地針對最新設計進行疑難排解和除錯，這意味著須要處理工作涵蓋設計電源供應器等活動、量測電源效率、將無線電技術納入設計，或必須追蹤可能威脅預期操作的雜訊源。
更重要的是，若要針對當今的設計進行除錯，工程師須要在混合域環境(從直流到射頻)中處理類比和數位訊號，以及串列和並列匯流排。在不久之前，這還需要一套完整的儀器工作台，而且各個儀器均有各自的使用者介面和設定需求。
但正如嵌入式測試需求發生變化，測試儀器也日新月異，其中最引人注目的就是整合式示波器的推出。從示波器使用者的調查中發現，除了示波器外，工程師每個月偶爾也須要使用下列儀器：數位伏特計(DVM)、函數產生器、頻譜分析儀、邏輯分析儀及通訊協定分析儀。
這表示示波器(大多數設計工作台的中心儀器)須要為設計師提供更全面的功能和特性，以支援高效的嵌入式設計驗證和除錯作業。為了滿足這種需求，測試設備製造商現在已經開始提供整合式示波器，這類示波器將多種儀器結合在單一的小型可攜式套件，以深入了解時域和頻域所提供的資訊。
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| 圖1 整合式示波器已將六種儀器整合至一個可攜式套件 |
市場上最新的整合式示波器如結合了六項儀器的太克(Tektronix)MDO3000(圖1)，其內建獨立射頻擷取系統；其他功能還包括邏輯分析儀、通訊協定分析儀、任意函數產生器和數位伏特計。但這樣的儀器實際上如何運作？是否真的可以取代多部獨立的儀器？為了試圖解決這些問題，這裡使用這台全新的整合式示波器來執行五個常見任務，例如尋找異常訊號、驗證串列和並列匯流排設計、搜尋雜訊源、針對具有雜訊的訊號進行邊際測試，以及驗證切換式電源供應器設計。
與往常一樣，實際的情況可能會根據當時的需要和要求而有所不同，所以務必仔細查看產品規格表是否符合自身的目標應用。
發現訊號中的異常
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| 圖2 使用溫度顯示進行異常訊號的FastAcq擷取作業 |
探索並擷取異常訊號是除錯過程中最困難的挑戰之一。一個訊號上的微小或偶發異常，即可能成為設計可靠與否的差異。
一般情況下，在電路板上探測訊號時，波形上偶爾可見淡淡的痕跡，這代表偶發和突發事件(看起來不像數位訊號)。採用強度等級顯示，有助於確認訊號上是否存在偶發的異常，但這些異常會迅速消失而無法量測。雖然在查看單一訊號時可使用無限持續累積顯示畫面，但這個方法並不適用於在電路板上進行快速探測。
若要在探測設計時發現訊號異常，並了解異常的發生頻率，可啟用示波器的顏色等級快速擷取模式。此擷取模式可加速波形擷取速率，高達每秒超過280,000個波形，速度夠快以擷取任何異常(圖2)，溫度顯示指示紅色(圖中圈圈即顯示紅色)是發生最頻繁的訊號，而藍色(圖中橢圓內的線條即為藍色)是發生頻率最低的訊號。在這個3.3伏特(V)的數位訊號中偶爾會出現窄脈衝或突波。低振幅的矮波脈衝(略微超過1伏特)也會以藍色顯示。接下來的步驟是使用矮波觸發來隔離和擷取每個矮波脈衝。
但矮波脈衝多久發生一次？前面板控制功能可讓使用者存取手動和自動波形導覽工具，例如平移和放大等功能，即使是長時間的擷取作業，仍可輕鬆進行檢查。然而，手動導覽長時間的訊號擷取作業可能極為乏味且容易出錯。在手動捲動數百萬個資料點時，可能不小心就會錯過感興趣的事件。當手動導覽訊號時，使用者如何能找出所有發生的事件？
解決方法是自動搜尋指定事件所有實例的訊號。指定搜尋事件與指定觸發事件類似。示波器之後將會自動標記每一個事件，讓使用者能使用前面板箭頭按鈕，在標記之間導覽，輕鬆找出這些事件。
在這種情況下，矮波脈衝觸發設定會複製至自動搜尋設定，即會在所擷取的訊號中發現三個矮波脈衝(間隔大約3.25毫秒)。有了這些資訊，使用者能將在此速度所發生的事件建立關聯，並找出訊號異常的原因。
驗證串列和並列匯流排設計
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| 圖3 利用串列觸發擷取B0十六進制資料封包來穩定混合訊號顯示 |
若要除錯嵌入式系統，包括具有並列和串列匯流排的儀器，整合式示波器提供各種實用工具，包括可處理串列匯流排的通訊協定分析儀，以及可處理並列匯流排的邏輯分析儀。
在這個例子的串列端上，設計是使用序列周邊介面(SPI)匯流排。由於這是一個簡單的匯流排，示波器僅須擷取三個訊號，即可補足SPI匯流排。
在簡單地定義數個序列匯流排參數(如數位臨界值位準和串列訊號配置)後，示波器將會自動解碼匯流排資料，而毋須手動解碼，可有效節省寶貴的時間並避免代價高昂的錯誤。
此SPI匯流排會驅動串列並列轉換器。若要驗證串列和並列匯流排之間的時序關係，數位通道會擷取八個並列匯流排訊號。在定義數個匯流排參數後，並列匯流排將會自動解碼並顯示。
示波器可同時解碼和顯示多達兩個並列或串列匯流排。利用兩條匯流排的同步顯示功能，串列和並列匯流排資料之間的時序關係即變得明顯。在大多數情況下，在串列資料包傳送後，並列匯流排值將設為串列匯流排上的資料值。
為了便於進行除錯任務，可將串列觸發設為穩定顯示並擷取特定序列事件。在這種情況下，觸發器會設為在每次串列匯流排上傳輸十六進制資料值B0時即擷取訊號。如圖3所示，當傳輸串列值B0(十六進制)時並列匯流排值並未變動；進一步的研究表明，設計並未如預期般運作。
搜尋嵌入式設計中的雜訊源
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| 圖4 在FPGA偵測到強大的900MHz輻射 |
另一種常見的任務是追蹤設計中的雜訊源。整合式頻譜分析儀讓使用者採用一台儀器即可進行混合域除錯。在此例中，當圍繞電路板的探測時，發現非常高頻的訊號纏繞在低頻訊號上。若在時域顯示中使用游標量測，便可在約900MHz處看到主要雜訊。
若切換至整合式頻譜分析儀，近場光探棒可用於擷取輻射訊號。頻譜分析儀的中心頻率設定為900MHz和頻距設為2MHz；專用的前面板鍵盤可用於設定這些和其他射頻參數。然後近場電磁干擾(EMI)環形天線會慢慢移過電路板，在900MHz尋找最高的訊號位準。此外，可在現場可編程閘陣列(FPGA)中的時脈產生器電路輸出處發現最強的訊號(圖4)。
為進一步分析，工程師可使用頻譜圖顯示來監測隨時間的變化。在這種情況下，訊號似乎相當穩定。檢查FPGA布局後，確定訊號對應於100MHz乙太網路時脈的第九諧波，由此可見，不良的電路板布局會導致與設計中的其他訊號發生磁性耦合。
進行邊際測試與雜訊訊號檢測
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| 圖5 在串列接收器的輸出處擷取遺失的串列封包，指示位元錯誤。 |
邊際測試是另一個日常任務。對於建立可用於邊際測試特定設計的可編程激發而言，訊號產生器是一個重要的工具。
在此例中，控制區域網路(CAN)匯流排串列接收器電路的雜訊邊際，使用了整合式示波器進行特性分析。首先，現場的CAN訊號以示波器上的類比通道擷取，並載入至整合的任意波形/函數產生器的編輯記憶體。
然後會使用任意波形產生器(ARB)來重複地輸出所擷取的串列激發訊號以驅動接收器電路的輸入。之後再利用示波器通道3擷取接收器電路的串列輸出，而解碼的串列輸出即顯示。在本例中，這可用於增加一個匯流排觸發，以穩定顯示器。
接著再將高斯雜訊(Gaussian Noise)，加入串列訊號，並監測接收器電路的解碼輸出，尋找
資料封包是否開始改變或消失(表示位元錯誤)，如圖5所示。
透過監視接收器的解碼輸出會發現，若雜訊位準低於串列訊號振幅的40%時，接收器設計可正常運作，但當雜訊位準到達訊號振福的45?50%時，將會出現顯著的錯誤。這種測試方法在快速檢驗接收器設計的雜訊邊際上十分有效。
驗證切換式電源設計
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| 圖6 使用DVM監控直流輸出電壓。交流輸入電壓波形顯示為黃色，而電流波形則為藍色。 |
以示波器為基礎的電源量測，讓任何使用者皆能快速獲得與電源專家相同的精確和可重複結果，即使他們很少處理電源量測作業。這個例子顯示常見的電源量測，以及如何利用整合式示波器(使用自動電源量測)、整合式DVM，以及差動式和電流探棒來完成。
圖6顯示來自交流電(AC)轉直流電(DC)轉換器的輸入電壓(a)和電流(b)。之後開啟整合式4位DVM以監視直流輸出電壓。在DVM顯示器右側的量測統計表示輸出電壓非常穩定，且圖形讀值提供電壓變化的視覺指示。接著，使用電源量測以進行輸入電源品質量測，包括功率、波峰因數和功率因數，分析交流電源供應器上的供電影響。此處會使用電流諧波量測，同時以圖形和表格的格式提供輸入電流的頻域分析。
另一個重要的電源量測是切換式裝置中的切換損耗，這是電源供應器效率中的主要限制。在這種情況下，將會量測金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)兩端的差動電壓，以及流過切換式裝置的電流，然後會產生瞬間功率波形，並顯示切換損耗功率和能量量測。
最後，安全操作區量測可在不同的輸入和負載條件下，執行自動監測和切換行為的通過/失敗測試。此量測會將切換式裝置的電壓、電流和瞬間功率位準與裝置的最大額定值進行比較，以確保裝置的可靠性將不會因這些條件超過規格而受到損害。
整合式示波器滿足多元需求
最值得注意的是，由於增加無線功能，使得現代嵌入式系統的設計瞬息萬變。今天大部分生產或發展中的系統設計均至少包括一種形式的無線功能，如無線區域網路(Wi-Fi)、藍牙(Bluetooth)或ZigBee。從輸入裝置(如滑鼠和鍵盤)，到智慧家庭和串流媒體盒，消費者無一不倚賴無線的便利性。若要測試這些系統，設計人員必須能在從直流到射頻的混合域環境中，處理類比和數位訊號，以及串列和並列匯流排。
為了滿足這種需求，測試設備供應商也相應推出整合式示波器，在單一可攜式套件內提供一套完整的桌上型儀器。這種示波器能處理各種常見的除錯與驗證任務，從偵測輻射電磁干擾的來源，到驗證切換式電源的設計。
(本文作者為太克中階示波器產品線產品行銷經理)