De system som utvecklas tenderar att bli allt mer komplexa. Ett modernt inbäddat system innehåller ofta flera analoga signaler, seriell digital kommunikation och mikroprocessorbussar. Seriella protokoll som I2C och SPI används ofta för kommunikation mellan kretsar, men kan inte ersätta parallella bussar i alla tillämpningar. Mikroprocessorer, FPGA-kretsar, A/D- och D/A-omvandlare är exempel på integrerade kretsar som kräver unika mätlösningar i inbyggda system. Konstruktören måste kunna avkoda en SPI-buss mellan två kretsar samtidigt som A/D-enhetens in- och utdata övervakas, på samma systemkort.

Trevor Smith är ansvarig för marknadsutveckling i Europa av oscilloskop och signalkällor. Han har arbetat 21 år på Tektronix med allt från halvledartestare till utvecklingsverktyg för programvara.

Felsökning av maskinvara i ett system med blandade signaler är en komplicerad process som är svår att genomföra med ett konventionellt 4-kanalsoscilloskop, vilket gör att många tekniker använder flera oscilloskop för att mäta på flera signaler samtidigt. Logikanalysatorer kan hantera flera samtidiga digitala signaler, men felsökningens komplexitetsgrad motiverar sällan det initialarbete och den inlärningskurva som är förknippad med en logikanalysator. En bättre lösning är att använda ett blandsignaloscilloskop, eller MSO.

Blandsignaloscilloskopet är en kombination av tre funktionsområden: ett avancerat realtidsoscilloskop, en logikanalysator och en vågformssökmotor. Oscilloskopet kan ta in både analoga och digitala signaler, och visar signalerna som tidskorrelerade vågformer på en och samma display. Teknikern kan alltså visualisera och analysera digitala och analoga signaler med ett och samma instrument.

Logikanalysatorn i MSO-instrumentet har två lägen för insamling av digitala vågformsdata. I normalläget läser enheten 10 miljoner punkter med hastigheten 500 MSa/s (2 ns upplösning). Dessutom finns ett högupplösningsläge (MagniVu) som läser 10 000 punkter med hastigheter upp till 16 GSa/s (60,6 ps upplösning). Både normalläget och MagniVu-läget spelar in vågformen vid varje triggtillfälle. Vågformen kan visas repetitiv eller som ett engångsförlopp.

MSO-oscilloskopet har dessutom en uppsättning lättanvända verktyg för att visa, navigera och analysera vågformsdata. Hanteringen av upp till 20 kanaler, där varje kanal har en inspelningslängd på 10 miljoner punkter, förenklas avsevärt tack vare automatiserad panorering och zoomning, användardefinierade markörer och intelligenta söklägen.

Digitala vågformer ritas upp med färger som identifierar logiska tillstånd: hög signal ger grön vågform, och låg signal ger blå vågform. Den här funktionen är särskilt användbar när användaren zoomar in på en punkt där en digital kanal har samma tillstånd längs hela displayen.

Instrumentet har även hårdvara för detektering av instabila flanker. Om systemet känner av instabila flanker visas ett vitt fält på displayen, vilket betyder att det finns mer information tillgänglig. Informationen kan visas genom zoomning eller snabbare samplingshastigheter. I de flesta situationer visar zoomningen en puls som inte syntes i det tidigare visningsläget. Om den vita kanten fortfarande visas efter maximal inzoomning kan samplingshastigheten höjas, vilket ger mer information vid nästa inspelning (bild 2).

Oscilloskopet kan läsa upp till 10 miljoner punkter i var och en av de två eller fyra analoga kanalerna, samt i var och en av de 16 digitala kanalerna. Det stora inspelningsminnet är avgörande för att det ska gå att analysera längre serier i hög upplösning, men samtidigt innebär informationsmängden vissa utmaningar. Det finns trots allt ingen poäng med att samla in informationsmängder som räcker till tusentals skärmbilder om det inte finns några verktyg för att arbeta med informationen. Instrumentet har ett flertal praktiska verktyg som kan användas för längre inspelningar:

•Zoomning och panorering med ett dubbelvred på panelen som ger precis och intuitiv styrning.

•Uppspelning och pausning. En knapp på frontpanelen används för att bläddra genom vågformen så att användaren kan identifiera avvikelser och felaktigheter.

•Markörer, där ett eller flera ”bokmärken” kan anges för särskilda punkter längs vågformen.

•Sökmarkörer, där instrumentet söker igenom en lång sekvens efter händelser baserat på användardefinierade villkor, till exempel pulsbredd, logiskt tillstånd eller innehåll i parallell- eller seriebuss. Alla förekomster av händelsen framhävs med sökmarkörer, vilket gör det enklare att jämföra flera olika delar av inspelningen.

Många tekniker lägger ned timmar på att avkoda systembussens aktivitet med oscilloskopet, vilket ofta innefattar att gå igenom datatillstånd och adresser vid varje pulsflank. MSO:ns möjligheter att skapa parallella bussar gör det här momentet mycket enklare. Genom att ange vilka kanaler som innehåller klocka och vilka som innehåller data, kan användaren skapa en parallell bussdisplay som automatiskt avkodar bussens innehåll (bild 3).

Med den här metoden kan upp till fyra parallella bussar definieras och visas samtidigt, vilket gör det mycket enklare att visa avkodade parallellbussdata korrelerade över tid. Användaren kan också använda bussens tillstånd för triggning, samtidigt som sökfunktionerna gör det lättare att identifiera intressanta analoga och digitala händelser.

Seriebussar som I2C, SPI, RS-232 och CAN är vanligt förekommande i moderna inbyggda system, och används för kommunikation mellan enheter, avläsning av temperatur, styrning av fläkthastighet och för initiering av olika komponenter. Felsökning på systemnivå med en eller flera seriebussar tar ofta mycket lång tid, vilket beror på de svårigheter som är förknippade med att isolera den relevanta trafiken på bussen och det tidskrävande arbetet med att avkoda meddelanden manuellt en bit i taget.

Med ett blandsignaloscilloskop kan användaren enkelt definiera instrumentets ingångar som en I2C-, SPI-, RS-232- eller CAN-buss. Den här metoden har tre signifikanta fördelar:

1.Användare kan trigga på information på paketnivå, till exempel på specifika adresser, data, identifierare eller felaktiga kvittenser (bild 4).

2.Varje definierad buss avkodas automatiskt, och allt paketinnehåll presenteras grafisk i ett lättläst format på displayen.

3.Sökfunktionen kan användas för att söka igenom stora seriella datamängder efter relevanta händelser.

När en buss visas på instrumentet kan händelsetabeller aktiveras för att visa aktivitet på bussen. Händelsetabeller är ett sätt att visa avkodade parallell- eller seriebussdata i ett listformat. En lista gör det enklare och snabbare att hitta viktiga händelser i vågformen (bild 5). Varje paket tidsmärks, vilket gör det enklare att följa händelserna.

Blandsignaloscilloskopet kan användas av program- och hårdvaruutvecklare för övervakning av upp till fyra bussar (I2C, SPI, RS-232, CAN och parallella bussar). Till exempel kan flera I2C-bussar övervakas med triggersignal från en FPGA-krets. Möjligheten att skapa en godtycklig kombination av serie- och parallellbussar ger användaren stor flexibilitet när det gäller att visualisera den aktuella komponentens funktionalitet. Med det fristående hjälpprogrammet FPGAView kan felsökningen i FPGA-konstruktioner underlättas väsentligt.

I många protokoll, inklusive I2C och SPI, finns det en eller flera dataledningar och en klockledning. Det är klockledningen som ska klocka in data i mottagaren. Det förutsätter att nivåerna på dataledningarna legat stabila under en viss tid, setup-tiden. Efter att data har klockats in, behöver nivån ligga stabil under en viss tid. Denna tid kallas hold-tiden. Om dessa villkor ej uppfylls missas data. Felsökning av dessa tillstånd har ofta varit tidsödande eftersom de flesta oscilloskop bara kan kontrollera en dataledning i taget.

Detta kan vara fullt tillräckligt för en vanlig J/K-vippa. Skall man kolla en 8- eller 16-bitarsbuss innebär det att varje bit på databussen måste kontrolleras individuellt. Detta kan vara ganska tidsödande. Med ett blandsignaloscilloskop kan användaren testa hela parallellbussen på en gång i stället för varje bit för sig. (bild 6). När man mäter sitt tidsprotokoll behöver man säkerställa att kommunikationen verkligen ligger inom marginalen, så att specifikationen på setup- och hold-tider uppfylls.

Probning är ett viktigt steg för att få optimala mätresultat. Vissa typer av kretskort har färdiga testpunkter, men ofta krävs lödning för att få tillgång till kritiska signaler. Idag finns särskilda mätinstrument tillgängliga som är särskilt utformade för blandade signalmiljöer. Proben består av koaxialkablar som går från oscilloskopets ingång till probens spets. Kabeln har mycket hög signalintegritet och en minsta belastning på 3 pF. Varje ingång till åttakanalsgrupperna avslutas med en hylsa som gör det enklare att ansluta ledarna till den komponent som ska testas. Den gemensamma jordningen använder en typ av kontakt som gör det enklare att skapa egna jordningar.

Vissa blandsignaloscilloskop tillåter bara en enda logisk tröskel över åtta digitala kanaler. Detta innebär att även om instrumentet har 16 digitala kanaler, kan det inte användas för att proba fler än två logikfamiljer, om inte konstruktionen använder endast en eller två logikfamiljer. Ett sådant instrument kan till exempel inte visa alla signaler i en konstruktion med 3,3 V och 5 V CMOS-kretsar och TTL samtidigt.

I modernare instrument kan användaren ange en individuell tröskel per kanal, vilket gör det mycket enklare att hitta och åtgärda problem. De kanalspecifika trösklarna gör blandsignaloscilloskopet mer flexibelt och användbart för felsökning av komplexa system (bild 7). För att underlätta anslutning till mätobjektet finns både de analoga och de digitala probarna nära varandra på oscilloskopets frontpanel.

Det oscilloskop som beskrivs i den här artikeln än en mångsidig och flexibel lösning för felsökning och konstruktion av inbäddade system med blandade signalmiljöer. Instrumentet är en vidareutveckling av en beprövad plattform, med användarvänliga funktioner och intuitiva kontroller. Oscilloskopet kan hantera 16 digitala kanaler och bussavkodning utan att komplexitetsnivån höjs på samma sätt som när logikanalysatorer används. Höga prestanda i kombination med omfattande stöd för övervakning, triggning och samtidig avkodning av parallella och seriella bussar gör MSO:n till ett kraftfullt verktyg för den som arbetar med att konstruera, felsöka och testa inbyggda system.    n