使用混合信号示波器调试数字电路的技巧
应用指南
引言
随着电子产品速度越来越快、越来越复杂，其设计、检 泰克MSO2000、MSO3000和MSO4000系列混合信号
验和调试的难度也越来越大。设计人员必须全面检验设 示波器不仅提供了泰克示波器的完美性能，还融合了16
计，才能保证产品可靠运行。在发生问题时，设计人员 通道逻辑分析仪的基本功能，包括并行/串行总线协议
必需迅速了解根本原因，以便解决问题。通过同时分析 解码和触发。MSO系列提供了首选工具，可以采用强大
信号的模拟表示方式和数字表示方式，许多数字问题的 的数字触发、高分辨率采集功能和分析工具，迅速调试
根本原因都可以迎刃而解，因此，混合信号示波器 数字电路。本应用指南重点介绍检验和调试技巧，帮助
(MSO)为检验和调试数字电路提供了理想的解决方案。 您使用泰克MSO系列更高效地实现数字设计。
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图1. 同一个MSO4000数字探头适配夹上的混合逻辑家族 图2. MSO系列上的定时采集实例，它使用设备的时钟信号定
(TTL & LVPECL)门限设置。上面三条通道是TTL信号，门限 义和解码4条并行总线。
为1.40 V；下面两条通道是LVPECL信号，门限为2.00 V。
设置数字门限 定时采集和状态采集
混合信号示波器的数字通道把数字信号视为逻辑值高或 主要数字采集技术有两种。第一种技术是定时采集，其
逻辑值低，与数字电路查看信号的方式一模一样。也就 中MSO以MSO采样率确定的距离相等的时间对数字
是说，只要振铃、过冲和地电平反弹不导致逻辑跳变， 信号采样。在每个样点上，MSO存储信号的逻辑状态，
那么这些模拟特点对MSO就不是问题。与逻辑分析仪 创建信号的时序图。
一样，MSO使用门限电压，确定信号是逻辑值高还是
第二种数字采集技术是状态采集。状态采集规定了数字
逻辑值低。
信号逻辑状态有效稳定的特殊时间，这在同步和时钟输
MSO4000系列可以为每条通道独立设置门限，适合调 入数字电路中十分常见。时钟信号规定了信号状态有效
试带有混合逻辑家族的电路。图1显示了MSO4000在 的时间。例如，对采用上升沿时钟的D触发装置来说，
其中一个数字探头适配夹上测量五个逻辑信号，它同时 输入信号稳定时间在时钟上升沿周围。对采用上升沿时
测量三个TTL (晶体管- 晶体管逻辑)信号和两个 钟的D触发装置来说，输出信号稳定时间在时钟下降沿
LVPECL (低压正发射器-耦合逻辑)信号。 周围。由于同步电路的时钟周期可能并不是固定的，因
此状态采集之间的时间可能并不均匀，这一点是它与定
MSO2000和MSO3000系列则为每个探头适配夹设置
时采集的不同点。
门限(一组8条通道)，因此TTL信号将位于第一个适配
夹上，而LVPECL信号则位于第二个适配夹上。 逻辑分析仪同时提供了定时采集功能和状态采集功能。
混合信号示波器数字通道采集信号的方式与逻辑分析仪
在定时采集模式下采集信号的方式类似，如图2所示。
泰克MSO系列把定时采集解码成时钟输入总线显示画
面(图2)和事件表(图3)，其与逻辑分析仪的状态采集显
示画面类似，在调试过程中为您提供重要信息。
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图3. 在事件表中显示解码的数据，这与逻辑分析仪的状态采 图4. 探头色码与波形色码一致，可以更简便地查看哪些信号
集显示画面类似。 与哪个测试点对应。
带色码的数字波形显示 态。这意味着只显示总线上有效的跳变，而不包括数据
无效时发生的任何跳变。对非时钟输入解码，MSO在每
数字定时波形看上去与模拟波形非常类似，但有一点除
个样点上解码总线，显示总线上的每个跳变。在MSO使
外，即它只显示逻辑值高和低。定时采集分析的重点通
用时钟输入解码时，解码的总线显示画面和事件表与逻
常是确定具体时点的逻辑值，测量一个或多个波形上边
辑分析仪的状态显示画面非常类似。由于总线解码是采
沿跳变之间的时间。为使分析变得更简便，泰克MSO
集后流程，因此您可以在分析过程中灵活地改变解码格
系列在数字波形上用蓝色显示逻辑值低，用绿色显示逻
式。
辑值低，即使看不见跳变时，用户仍能查看逻辑值。波
形标记颜色还与探头色码一致，可以更简便地查看哪个 泰克MSO系列同时解码最多两条或四条总线，具体视
信号与哪个测试点对应，如图4所示。 型号而定。总线定义为并行或串行(I2C, SPI, CAN, LIN,
FlexRay, RS-232/422/485/UART和I2S/LJ/RJ/TDM)。
数字定时波形可以分组，建立一条总线。一个数字信号
并行总线由数字通道D0-D15中的任意一条通道组成。
被定义为最低有效位，其它数字信号表示二进制数值的
串行总线由模拟通道1 - 4和数字通道D0 - D15中的
其它位，直到最高有效位。然后MSO把总线解码成二
任意一条通道组成。MSO系列一次显示最多4条模拟通
进制值或十六进制值。泰克MSO系列还建立一个事件
道、4个参考波形、1个数学运算波形、4条总线和16
表，把逻辑状态显示为二进制值或十六进制值。每种状
条数字通道，可以最大限度地了解电路行为。
态都带有时间标记，简化了时序测量工作。
泰克MSO系列使用时钟输入格式或非时钟输入格式解
码并行总线。对时钟输入解码，MSO确定指定作为时
钟的信号的上升沿、下降沿或两个沿上总线的逻辑状
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图5. 使用测量统计功能迅速检验5 V CMOS信号幅度。 图6. 对5 V COMOS信号，把MSO数字门限设置为2.5 V。
准备进行数字采集
在MSO准备进行数字采集时，基本任务有两项。第一， 从图6中可以看到同一信号模拟波形和数字波形上升沿
与逻辑分析仪一样，需要为被测的逻辑家族配置MSO 之间的时间偏移。模拟波形位于数字波形前面。为准确
数字通道门限，以保证采集正确的逻辑电平。第二，需 地进行测量，必需去掉模拟到数字时间偏移，以在模拟
要调节模拟通道的偏移，以在模拟通道和数字通道之间 波形和数字波形之间更好地实现时间相关。泰克MSO
实现准确的时间相关。 系列提供了可以调节的模拟探头偏移校正功能，使模拟
通道相对对准，并使模拟通道与数字通道对准。模拟通
可以使用MSO的模拟通道，迅速检查数字信号的逻辑
道偏移校正设置补偿不同模拟探头的传播延迟。
摆幅。在图5中，MSO使用多个采集中的测量统计数
据，自动测量5 V CMOS信号幅度。对电压摆幅对称的 泰克MSO系列中每台示波器都带有一只逻辑探头。为
逻辑家族，如CMOS，门限是信号幅度的一半。在图6 简化数字测量，示波器会补偿逻辑探头的传播延迟，因
中，数字通道门限设置为2.5 V，是5 V CMOS信号幅 此没有数字通道探头偏移校正调节功能。例如，
度的一半。但对逻辑摆不对称的逻辑家族，如TTL，一 MSO4000数字通道的通道间偏移指标典型值是60 ps。
般需要查阅元件产品技术资料，把逻辑设备最大低电平
输入电压值(TTL V = 0.8V)和最小高电平输入电压值
IL
(TTL V = 2.0V)的一半(TTL V = 1.4V)作为门限。
IH threshold
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为把模拟通道与数字通道对准，CMOS模拟波形上的
2.5 V位置需要与2.5 V门限上发生的CMOS逻辑跳变
在时间上对准。如图7所示，我们使用-1.60 ns偏移校
正功能，把模拟通道与数字通道对准。对其它模拟通道，
重复这个偏移校正过程。
在模拟探头变化时，应检查模拟通道偏移，在测量不同
的逻辑家族时，应检查数字门限。通过配置门限和偏移，

内容描述： 本应用指南详细阐述了如何有效地利用混合信号示波器（HSO）来调试和分析复杂的数字电路。混合信号示波器作为电子测试工具，不仅能够捕捉模拟信号的波形，还具备处理和显示数字信号的能力，这对于现代集成 circuits（如微控制器、FPGA、ASIC等）的设计与故障排查至关重要。 在本指南中，我们将涵盖以下关键主题： 1. **理解混合信号示波器的基本原理**：介绍混合信号示波器的工作原理，包括其前端的模拟输入通道和后端的数字逻辑分析功能。 2. **设置与配置**：讲解如何正确配置示波器的触发源、触发模式、采样速率、位深度以及数字化触发等功能，以便捕获到所需频率范围内的有效数字信号波形。 3. **探头与接口技术**：介绍各类探针和适配器的使用方法，以确保模拟和数字信号的准确采集。 4. **数字信号分析技巧**：探讨如何解析并解读示波器上呈现的脉冲宽度调制（PWM）、 SPI、I²C、UART 等常见数字通信协议的波形特征，以及异常情况下的信号诊断。 5. **故障排除实例**：通过实际案例演示如何运用混合信号示波器进行时序图比较、信号抖动测量、噪声分析及寄生参数影响识别等步骤，帮助读者掌握解决数字电路问题的方法。 6. **最佳实践与注意事项**：总结调试过程中应注意的关键点，如噪声抑制、信号耦合选择以及实时观察的重要性等，以提升工作效率并避免误判。 总之，《混合信号示波器调试数字电路的技巧 应用指南》为工程师提供了全方位指导，使其能够在日常工作中更娴熟地利用混合信号示波器这一强大的工具来诊断和优化各种复杂的数字电路系统。