作者丨鼎陽科技 張一慧

引言

數字電路測試是數字電路設計的重要環節，用于驗證數字電路功能是否按照所期望的方式工作。在數字電路測試中，通常使用示波器進行數字電路輸出信號的檢測，從而進行故障查找或確定電路性能和參數，不同的示波器具有不同的帶寬和采樣率，可以為多種類型的電路提供合適的測量解決方案。本文將為大家介紹如何使用示波器進行典型數字電路的調試。

1、意義

隨著科學技術的進步與發展，電子電路的設計逐步復雜化，從而導致數字電子電路的測試越來越困難。科學合理的測試方案無疑在電路設計和制造過程中具有重要意義，主要體現在以下幾個方面：

驗證電路功能：通過輸入特定的信號并觀察輸出，可以確保電路在各種工作條件下都能正確執行其功能，這對于確保產品的可靠性和性能至關重要。

發現設計缺陷：在測試過程中，可能會發現電路設計中存在的缺陷或錯誤，例如邏輯錯誤或元件故障，通過及時發現并修復這些錯誤，可以避免在產品發布后出現嚴重問題，從而提高產品質量。

優化電路設計：通過測試，可以獲得電路的實際性能數據，如功耗、速度、穩定性等。這些數據可以用于評估電路性能，并為優化電路設計提供依據。

2、解決方案

異常事件和特定事件的捕獲

示波器在設計和調試數字電路的過程中，可以幫助工程師迅速發現問題，捕獲異常波形信號，搜索關心的特定事件，從而方便用戶分析電路特點并解決問題。

想要找到和看到問題，首先需要一臺能夠輕松捕獲到低概率異常事件的示波器，它可以讓用戶在幾秒內看到毛刺或者其它偶發瞬態事件，揭示電路問題的真正特點。

除此之外，鼎陽示波器具有余輝顯示功能，余輝開啟后，示波器用新采集的波形更新顯示，但并不立即清除之前采集的波形。已采集的波形將以亮度較低的顏色顯示，而新采集的波形則以正常顏色和亮度顯示，結合高波形刷新率和余輝功能，某些情況下用戶無須進行復雜的觸發設置，即可在較短的時間內發現波形中的異常，提高測試效率。

若需要了解異常信號相對于正常信號發生的頻次，可開啟色溫功能，波形出現的頻率越大，顏色越暖，出現的頻率越小，顏色越冷，以此判斷異常信號出現的概率。

圖1  快速捕獲異常信號

若想要在長波形記錄中找到一個特定事件，可開啟搜索和導航功能。通過指定條件，對波形進行自動搜索，并把符合條件的事件用白色三角符號標識出來，結合導航功能，快速定位到感興趣的事件，省去了手動搜索的耗時和不便。

圖2 快速找到關注事件并進行標記

多路數字信號測量

在復雜的數字電路中，工程師們可能需要捕獲多個串行或并行數字信號，觀測被測信號的時序關系，鼎陽科技多款示波器可搭配SPL2016邏輯探頭實現16路數字通道的采集功能， 16路數字信號可分為兩組，每組可自定義命名，兩組信號在邏輯分析儀探頭中可獨立設置閾值電平，這樣用戶可以使用同一個探頭同時觀察兩種不同的數字邏輯電平信號。

數字通道與模擬通道相結合，以實現混合信號采集與分析功能，快速解決模數混合信號的設計與分析等問題。在數字通道參數區，可快捷設置數字通道波形顯示區域的高度范圍和位移。

圖4 數字通道與模擬通道同時顯示

數字信號的測量分析

數字信號是用來傳達特定數字值的信號，最簡單、常見的是二進制信號，示波器判定過程為低于門限的值表示為“0”，高于門限的值表示為“1”，門限電平決定著怎樣判決輸入信號。

圖5：數字信號判決過程

鼎陽科技示波器產品系列的數字通道功能可進行自定義邏輯門限設置，除此之外，可設置的邏輯電平包括TTL、CMOS、LVCMOS 3.3V、LVCMOS 2.5V。

圖6 邏輯門限設置

捕獲了數字信號后，用戶需要分析信號，更好地了解底層原因，鼎陽科技多款示波器的自動測量、統計和光標等波形分析工具可以協助快速了解事件特點、診斷問題。

串行總線解碼

在數字電路測試中，解碼是將捕獲的數字信號轉換為可讀的信號表示形式的過程，這有助于工程師更好地理解電路中的數據傳輸和處理方式，進而對電路的功能和性能進行分析和評估。

示波器在數字電路測試中扮演著關鍵角色，它不僅能夠捕獲電路中的數字信號，還能通過內置的解碼功能將信號轉換為可讀的格式，這大大簡化了工程師對信號的分析過程，提高了測試效率。

鼎陽科技示波器可提供多種總線協議的觸發與解碼功能，例如I2C、SPI、UART、CAN、LIN協議等，其能夠準確地捕獲接口總線上的電信號，并以波形的方式直觀展示出來，可同時觀察多個信號線的總線系統，進行信號間的時序關系分析，更加深入地了解接口總線的通信情況，確保接口的穩定性和性能達到設計要求。

圖7 SPI解碼結果

數字電路設計中的抖動測量

抖動(Jitter)是信號沿相對其理想位置的偏移量，在高速數字電路測量中，通常關心的是高頻抖動。

抖動是數字信號，特別是高速數字信號非常重要的一個概念，越是高速的信號，其周期越短，對于抖動的要求就越嚴格。

對于復雜的數字信號來說，除了關心其抖動的RMS值以及峰峰值以外，還會關心該抖動的不同組成成分，因為不同成分的抖動對于數字電路的影響是不一樣的，相應的應對手段也不一樣，比如很多高速總線都會對高速數字信號的隨機抖動成分、周期性抖動、數據相關抖動等進行進一步的分解和研究。

鼎陽科技部分示波器系列產品可提供抖動分析選件，可以對數字信號的多種抖動參數進行測量，并且基于TIE數據對抖動進行分解，對各種抖動分量進行時域和頻域上的解析。

圖8 抖動的分解

抖動分解完成后，在對RJ估計正確的情況下，可以通過有限樣本的抖動測量值來估計任意誤碼率下的TJ，以節省測試時間；對各組成分量的形成原因的分析，可以在測量到某分量時反推到形成原因，有利于快速定位問題。

圖9 示波器抖動分析界面

總結

鼎陽科技示波器的多款功能在數字電路測試中可以發揮重要作用，特別是高帶寬、高采樣率產品，即使在測量高頻信號時，也能保證信號的真實還原，捕獲高速瞬態信號，從而快速、準確地發現和定位問題。

此外，鼎陽科技示波器也能夠捕獲和分析異常事件和特定事件、同時測量多路數字信號、分析數字信號的參數以及解碼串行總線信號，能夠分析和評估數字通信系統中信號的抖動特性，提高系統性能。通過合理設置示波器的參數和使用其高級功能，可以大大提高數字電路測試的效率和準確性。

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