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示波器的信号完整性

  在自然界中,不论是海浪、地震、音爆或者爆炸,声音通过空气传播,或是人体运动的自然频率,这些声音都是以正弦波的形式运动。能量、振动粒子及其他看不见的力都分散在我们周围的物理空间中。即使是光线也有基础频率,可以利用波来作为色彩进行观察。对于设计、制造或维修电子设备的任何工程师来说,示波器都是一种不可或缺的工具。在目前快节奏的世界中,工程师需要最好的工具,来迅速准确地解决面临的量测挑战。作为工程师的眼睛,示波器在迎接目前棘手的量测挑战方面至关重要。


  无穷无尽的示波器应用


  一般来说,传感器可以将这些力转换成电信号,然后可以使用示波器观察和分析这些信号。透过使用示波器,科学家、工程师、教育工作者就可以“看到”随时间变化的事件。事实上,示波器的用途并不仅限于电子领域。在安装适当的传感器时,示波器可以量测各类现象。传感器是一种针对物理激励产生电信号的装置,例如声音、机械压力、压力、光或热等。麦克风就是一种传感器,它将声音转换成电信号。从物理学家到维修技师,每个人都离不开示波器。汽车工程师使用示波器,将来自传感器的类比资料与来自引擎控制单元的串行资料关联起来。医学研究人员则可使用示波器量测脑电波。由此看来,示波器的用途可以说是无穷无尽的。


  信号完整性的重要性


  对任何常用的示波器系统来说,准确重建波形的能力都是关键,这种能力称为信号完整性。示波器类似于一台摄影机,它捕获信号影像,然后可以观察和解释信号影像。示波器不同的系统和效能功能结合在一起,影响着其提供最高信号完整性的能力。此外,探棒也影响着量测系统的信号完整性。信号完整性影响着许多电子设计学科。但直到几年前,它对数字设计人员来说还不是什么大问题。设计人员可以依赖逻辑电路,像布林电路一样操作。在当时,有噪声的、不确定的信号发生在高速电路中,RF设计人员还不用担心这些问题。数字系统切换速度慢,信号以可预测的方式稳定。


  然而,此后的处理器时脉速率提高了几个量级。而3D影像、视讯和服务器I/O 等计算机应用也需要大量的频宽。目前大部分电讯设备都以数字方式为基础,同样要求大规模的频宽。数字高画质电视也不例外。新一代微处理器装置以高达2GS/s、3GS/s、甚至5GS/s (千兆样点/秒) 的速率处理资料,某些DDR3储存设备则使用2GHz以上的时脉,及上升时间为35ps的资料信号。更重要的是,汽车、消费电子、机械控制装置及各类常使用IC装置的应用,对速度的要求也愈来愈高。


  在以20MHz时脉速率运行的处理器中,信号的上升时间与800 MHz处理器中的信号类似。设计人员已经超越了效能门槛,事实上,几乎每种设计都是高速设计。如果没有某些预防性措施,高速问题可能会钻进其他传统数字设计中。如果电路经历间歇性故障,或在极端电压和温度时遇到错误,那么可能存在某些隐藏的信号完整性问题。这些问题会影响产品开发周期、产品可靠性、EMI合规性等。这些高速问题还可能会影响系统中串列资料串流的完整性,要求某种方法,将资料中的特定码型与高速波形中观察到的特性关联起来。


  信号完整性的问题在哪里


  在了解信号完整性的重要性之前,必须要先知道目前数字设计中信号劣化的部分具体成因。为什么现在这些问题比过去几年来得严重了呢?答案就是速度。在“低速的旧时代”,保持可以接受的数字信号完整性只需注意细节就可以了,例如时脉分配、信号路径设计、噪声容许度、负载影响、传输线效应、总线终端、解耦和配电。在过去,所有这些规则仍然适用,但是到了今天,总线周期时间比20年前快了1000倍。过去需要几微秒的异动处理,现在只需要几奈秒。为实现这种改进,边缘速度也已经加快,这比20年前快了100倍。


  这一切还还算好。然而,某些实际物理状况使得电路板技术不能跟上发展步伐。芯片间总线的传输时间在过去几十年中几乎一直没有变化。当然,尽管其尺寸已经缩小,但仍需要为IC装置、连接器、被动式装置、当然还有总线轨迹本身提供电路板空间。这些空间汇聚成距离,而距离则意味着时间,这正是速度的天敌。


  必需了解的地方是,数字信号的边缘速度,也就是上升时间承载的频率成分,可以高于其重复速率表示的频率。基于这一原因,某些设计人员故意寻求上升时间相对“较慢”的IC装置。集总电路模型一直是预测电路中信号特性使用的大多数计算的依据。但是,在边缘速度比信号路径延迟快4~6倍时,简单的集总模型将不再适用。在使用边缘速率不到4~6奈秒的信号驱动时,不管周期速率是多少,长仅6英吋的电路板轨迹变成了传输线。事实上,其建立了新的信号路径。这些无形的连接并没有画在示意图上,然而却对信号造成了相互影响且无法预测的问题。


  有时候,即使是探棒或仪器的组合,所引入的错误也可能会为待测信号带来重大影响。但是,透过对实测值应用“平方和的均方根”公式,可以确定待测装置是否接近上升时间或下降时间的故障。此外,最新的示波器工具采用专用滤波技术,以嵌入量测系统对信号的影响,来显示边缘时间及其他信号特性。


  同时,预计的信号路径并没有以预计的方式工作。地平面和电压层(例如信号轨迹)变成电感,工作方式类似于传输线,电源解耦的效果大大降低。通常来说,EMI上升,因为边缘速度越快,相对于总线长度产生的波长越短,串音越高。此外,快速边缘速度需要整体产生更高的电流。更高的电流一般会导致地电平弹跳,特别是在一次切换多个信号的宽总线上。而且,更高的电流会提高辐射的磁能量及串音。


  透过示波器简化除错过程


  数字信号与类比性号有哪些共同点呢?一般来说,它们都是典型的类比现象。为了解决信号完整性问题,数字设计人员便需要跨入类比领域。为迈出这一步,他们需要能够显示数字信号和类比信号如何相互影响的工具。


  数字错误通常源于类比信号完整性问题。为追踪数字问题的成因,通常必须打开示波器,示波器可以显示波形细节、边缘和噪声,可以侦测和显示瞬时信号,可以用来协助工程师准确量测时序关系,如建立和保持时间。透过触发并行或串行数据流中的具体码型,显示在时间上与特定事件对应的类比信号,现代示波器可以协助简化除错过程。了解示波器内部的每个系统及如何应用这些系统,将有助于工程师更有效率地应用示波器,来处理具体的量测挑战。


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