論在評(píng)估示波器中次要技術(shù)指標(biāo)的重要性

時(shí)間：2005-01-04 00:52:00

關(guān)鍵字：示波器帶寬儀器工程師

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[導(dǎo)讀]設(shè)備之間的信令速度和技術(shù)并沒有明顯變化。為什么呢？因?yàn)檫^去的I/O信令結(jié)構(gòu)足以完成工作，而實(shí)現(xiàn)變動(dòng)的底層技術(shù)還沒有到位。

　　近幾年來(lái)，隨著半導(dǎo)體集成度和功能的穩(wěn)步提高、模擬模型的不斷改進(jìn)、結(jié)構(gòu)不斷變化等等，電子系統(tǒng)的性能正在不斷提高。但是，設(shè)備之間的信令速度和技術(shù)并沒有明顯變化。為什么呢？因?yàn)檫^去的I/O信令結(jié)構(gòu)足以完成工作，而實(shí)現(xiàn)變動(dòng)的底層技術(shù)還沒有到位。
　　在過去5年左右的時(shí)間中，工程師一直把重點(diǎn)更多地放在低壓差分信令上，以明顯提高系統(tǒng)性能。數(shù)據(jù)速率已經(jīng)以幾何級(jí)數(shù)提高，推動(dòng)著設(shè)備之間的通信更廣泛地采用復(fù)雜的串行協(xié)議，如PCI Express、Infiniband、XAUI等等。這些環(huán)境涵蓋了各種數(shù)據(jù)速率和傳輸結(jié)構(gòu)，但所有這些數(shù)據(jù)速率和傳輸結(jié)構(gòu)都需要嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)方法。
　　這使得示波器等測(cè)試設(shè)備的重要性大大提高。工程師依賴示波器分析串行設(shè)備設(shè)計(jì)的性能，支持檢驗(yàn)和調(diào)試工作。他們的任務(wù)包括精確進(jìn)行參數(shù)測(cè)量、檢修和信號(hào)完整性分析。在開發(fā)流程后期，他們轉(zhuǎn)向示波器，生成眼圖進(jìn)行一致性測(cè)試。
　　選擇示波器的工程師經(jīng)常只考慮產(chǎn)品手冊(cè)和雜志廣告標(biāo)題中列明的技術(shù)指標(biāo)。人們最熟知的指標(biāo)是帶寬、取樣速率和記錄長(zhǎng)度。盡管衡量示波器性能的這些指標(biāo)也非常重要，但它們并不能全面表明儀器在實(shí)際日常使用環(huán)境中的效果。例如，帶寬指標(biāo)僅指明了示波器的大體頻率范圍，而幾乎與儀器可靠地檢測(cè)和捕獲快速異常事件的能力沒有關(guān)系。
　　因此，在評(píng)估示波器時(shí)，領(lǐng)會(huì)主要指標(biāo)的言外之意非常重要。這個(gè)建議實(shí)際有兩層含義：第一，最好深入分析廠商大肆宣傳的技術(shù)指標(biāo)后面所隱藏的細(xì)微差別；第二，記住要研究某些功能，這些功能可能不如市場(chǎng)上最經(jīng)常吹捧的功能那樣光彩奪目，但它們可能會(huì)明顯影響設(shè)計(jì)人員工作的效果，甚至?xí)绊懝ぷ鞯挠行浴?BR>　　帶寬界定
　　帶寬指標(biāo)當(dāng)然非常重要。對(duì)不斷挑戰(zhàn)高速串行總線結(jié)構(gòu)極限的設(shè)計(jì)人員來(lái)說，在購(gòu)買示波器時(shí)，帶寬一直是其最首要的考慮因素。
　　但是，帶寬本身只是描述儀器頻響的一個(gè)指標(biāo)(正弦波滾降-3 dB的頻率)。擁有相同額定帶寬的兩臺(tái)示波器可能會(huì)擁有非常不同的上升時(shí)間，對(duì)復(fù)雜波形的響應(yīng)完全不同。是不是需要認(rèn)真推敲部分指標(biāo)或功能，以更好地促進(jìn)購(gòu)買者決策呢？
　　有兩個(gè)方面可以回答這個(gè)問題，一個(gè)是示波器真正的上升時(shí)間性能，另一個(gè)是儀器在數(shù)字信號(hào)處理(DSP)模式下的行為。
　　模擬上升時(shí)間是示波器帶寬的函數(shù)。它試圖使用教科書中的公式，從帶寬中簡(jiǎn)單地計(jì)算上升時(shí)間，這是某些公布的上升時(shí)間指標(biāo)的基礎(chǔ)?？陀^測(cè)得的上升時(shí)間為測(cè)量提供了更好的基礎(chǔ)，包括帶有或不帶DSP增強(qiáng)功能。每名工程師都了解上升時(shí)間響應(yīng)的重要意義。衡量測(cè)得的上升時(shí)間與計(jì)算得出的上升時(shí)間之間的差異就是領(lǐng)會(huì)言外之意。
　　可以使用DSP濾波，擴(kuò)展示波器的凈帶寬，使其頻響平坦化，在通道之間提供更好的匹配。在被測(cè)設(shè)備采用高速多通路串行傳輸環(huán)境時(shí)，這些都是關(guān)鍵功能。但是，DSP會(huì)引入某些誤差，其一般會(huì)與超過實(shí)際模擬帶寬的頻率范圍部分成比例提高。
　　什么時(shí)候應(yīng)該使用DSP呢？在測(cè)量低于納秒的上升時(shí)間或眼圖時(shí)(圖1)，從示波器中獲取最大帶寬至關(guān)重要。很明顯，這有利于DSP方法。最快速的測(cè)量幾乎一直需要最高的帶寬。
　　但有時(shí)可以通過某種方式旁路DSP擴(kuò)展技術(shù)，僅使用儀器本身的模擬帶寬和上升時(shí)間。例如，某些研究人員使用專用DSP算法，需要處理示波器中的原始數(shù)據(jù)。在這種情況下，DSP旁路功能非常重要。這類指標(biāo)可能并不會(huì)被廠商大肆宣傳，但在選擇高性能示波器時(shí)是一個(gè)重要考慮因素。
　　示波器觸發(fā)與信號(hào)復(fù)雜性
　　"高速測(cè)量"一詞在低于納秒的邊沿和快速時(shí)鐘速率方面有各種各樣的含義。有時(shí)人們忽略了這些高速測(cè)量通常是復(fù)雜性非常高的測(cè)量。捕獲數(shù)據(jù)流中的某個(gè)碼要涉及判斷、運(yùn)氣、估算、猜測(cè)…或正確選擇觸發(fā)功能。
　　示波器觸發(fā)決定著使用儀器可以捕獲、查看和測(cè)量的項(xiàng)目，這一功能與帶寬和取樣速率一樣重要。觸發(fā)系統(tǒng)有自己不同的一套技術(shù)指標(biāo)。觸發(fā)通路一般是主輸入信號(hào)通路的支路，應(yīng)該體現(xiàn)許多相同的環(huán)境特點(diǎn)，如靈敏度、抖動(dòng)等等。觸發(fā)性能的另一個(gè)指標(biāo)是觸發(fā)類型的范圍，也就是在發(fā)生觸發(fā)時(shí)可以定義的條件。
　　當(dāng)然，觸發(fā)系統(tǒng)有自己的主要指標(biāo)。選擇示波器測(cè)量快速串行信號(hào)的設(shè)計(jì)人員可能會(huì)認(rèn)為觸發(fā)通路的帶寬與儀器規(guī)定的帶寬相同。事實(shí)上，相關(guān)的指標(biāo)是觸發(fā)靈敏度。這一指標(biāo)體現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的問題：在捕獲頻率范圍頂部附近的信號(hào)時(shí)，幅度要求是什么？在許多示波器中，觸發(fā)靈敏度與模擬采集帶寬是不匹配的。
　　即使信號(hào)的正常成分完全落在觸發(fā)器的性能指標(biāo)范圍內(nèi)，但是如果高速時(shí)的觸發(fā)靈敏度不足，仍可能會(huì)檢測(cè)不到窄毛刺或截?cái)嗟拿}沖。幸運(yùn)的是，硅鍺(SiGE)觸發(fā)電路拓?fù)涞葎?chuàng)新技術(shù)已經(jīng)開始克服了這種限制。
　　工程師通常把示波器的觸發(fā)功能視為"一定的"，認(rèn)為他們一直使用的邊沿和毛刺觸發(fā)是足夠的。但事實(shí)上，為有效完成實(shí)際工作，觸發(fā)靈敏度也是儀器的主要指標(biāo)。
　　每臺(tái)示波器都具有邊沿觸發(fā)功能，大多數(shù)高端儀器還具有"高級(jí)"觸發(fā)功能。邊沿觸發(fā)技術(shù)簡(jiǎn)單地檢測(cè)超出電壓門限的事件，高級(jí)觸發(fā)則應(yīng)用與電壓、定時(shí)或邏輯條件等有關(guān)的更多指標(biāo)。在以串行方式傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)領(lǐng)域中，高級(jí)觸發(fā)正變得越來(lái)越重要。
　　在某些情況下，高級(jí)觸發(fā)設(shè)置可能是觸發(fā)感興趣的實(shí)際信號(hào)的唯一方式。例如，處理多通路Infiniband設(shè)備的設(shè)計(jì)人員必須保證通路時(shí)間落在特定容許誤差范圍內(nèi)，不僅要符合標(biāo)準(zhǔn)，還要能夠正常運(yùn)行。
　　應(yīng)對(duì)這一測(cè)量挑戰(zhàn)的普通方式是觸發(fā)一條數(shù)據(jù)流中的一個(gè)特點(diǎn)，然后測(cè)量不同通路之間的偏移或時(shí)間位移。測(cè)量結(jié)果會(huì)匯總某個(gè)時(shí)點(diǎn)上的偏移值，這提供了有用的信息，但通常不足以保證儀器在長(zhǎng)期內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。
　　最近，采用全功能雙觸發(fā)技術(shù)的示波器已經(jīng)明顯簡(jiǎn)化了在不同時(shí)間觀察這些偏移變化的復(fù)雜任務(wù)?？梢远x兩種高級(jí)觸發(fā)功能，并可以從完整的觸發(fā)條件菜單中選擇每種功能。在數(shù)據(jù)特點(diǎn)激發(fā)第一個(gè)觸發(fā)器時(shí)，第二個(gè)觸發(fā)器可以找到設(shè)定期間內(nèi)的偏移誤差，或重新裝備第一個(gè)觸發(fā)器，再次啟動(dòng)搜索，如圖2所示。在必要時(shí)，可以設(shè)置成用幾天時(shí)間等待發(fā)生誤差組合。
　　在評(píng)估示波器時(shí)，觸發(fā)指標(biāo)很少放在優(yōu)先考慮的位置上。但是，觸發(fā)系統(tǒng)在檢測(cè)和捕獲復(fù)雜事件或間歇性事件方面是一個(gè)重要的配套指標(biāo)。在長(zhǎng)期內(nèi)以無(wú)人值守的方式進(jìn)行偏移測(cè)量可以節(jié)約大量的時(shí)間，這要比認(rèn)真推敲觸發(fā)指標(biāo)強(qiáng)得多！
　　相關(guān)的"次要"指標(biāo)
　　到目前為止，我們討論的技術(shù)指標(biāo)通常要次于帶寬、取樣速率等主要指標(biāo)。但事實(shí)上，在示波器評(píng)估過程中經(jīng)常被視為次要問題的許多其它參數(shù)，可能會(huì)促進(jìn)或阻礙緊張的工程時(shí)間表。
　　對(duì)許多串行標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說，嵌入式時(shí)鐘恢復(fù)是示波器眼圖分析的基礎(chǔ)，它還為時(shí)鐘到數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR如圖3所示)等測(cè)量提供支持。處理嵌入式時(shí)鐘信號(hào)的設(shè)計(jì)人員除了要考察主要指標(biāo)外，還要考慮示波器可以通過哪些方式使時(shí)鐘恢復(fù)得更快、更簡(jiǎn)便、更靈活、可重復(fù)性更高。
　　應(yīng)用需求一直引導(dǎo)著選擇方向。示波器能否用于檢修或一致性測(cè)量？有哪些時(shí)鐘恢復(fù)機(jī)制？示波器能不能實(shí)時(shí)恢復(fù)時(shí)鐘，顯示動(dòng)態(tài)眼圖特點(diǎn)？
　　大多數(shù)高端示波器都提供了兩種時(shí)鐘恢復(fù)中的一種方法，即基于軟件的時(shí)鐘恢復(fù)或基于硬件的時(shí)鐘恢復(fù)。軟件時(shí)鐘恢復(fù)從存儲(chǔ)的采集數(shù)據(jù)中生成。對(duì)采用TDSRT-Eye自動(dòng)化一致性測(cè)試和分析軟件等程序的一致性測(cè)試，軟件方法是公認(rèn)的首選工具。
　　可以使用基于鎖相環(huán)(PLL)的時(shí)鐘恢復(fù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)眼圖采集，但這里也需要認(rèn)真推敲指標(biāo)：PLL (可以是軟件恢復(fù)或硬件恢復(fù))能不能適應(yīng)當(dāng)前串行標(biāo)準(zhǔn)中演變的時(shí)鐘頻率？有些能，有些不能，因此必須了解其間的差異。
　　眼圖測(cè)量是設(shè)計(jì)人員需要使用示波器進(jìn)行的某些最復(fù)雜的程序，另一個(gè)實(shí)例是抖動(dòng)測(cè)量。在這兩種情況下，設(shè)計(jì)人員都可以從示波器上運(yùn)行的應(yīng)用軟件的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)中受益。軟件工具最大限度地減少了學(xué)習(xí)時(shí)間，明顯降低了設(shè)置、測(cè)量和分析時(shí)間，如圖3所示。但是，這些工具從沒有出現(xiàn)在主要指標(biāo)清單內(nèi)。工程師必須自己下功夫，透過主要指標(biāo)，保證提供適當(dāng)?shù)墓ぞ摺?BR>　　探頭指標(biāo)
　　還需要討論探頭指標(biāo)。這里介紹的所有采集和分析功能都取決于信號(hào)在被測(cè)設(shè)備與示波器本身之間的真實(shí)傳輸。許多新型高速接口標(biāo)準(zhǔn)基于差分信令，而不是人們比較熟悉的單端通信。
　　盡管探頭解決方案有自己的主要指標(biāo)，特別是在帶寬和負(fù)荷方面，但還應(yīng)了解示波器和探頭作為一個(gè)系統(tǒng)使用時(shí)產(chǎn)生的影響。示波器系統(tǒng)是否提供了真正的差分探頭工具？如果沒有，那么有必要使用兩個(gè)單端探頭和機(jī)載數(shù)學(xué)運(yùn)算，排除某些測(cè)量類型。此外，共模抑制、靈敏度、響應(yīng)精度和本底噪聲等問題都影響著探頭對(duì)信號(hào)的影響。在測(cè)量當(dāng)前高速信號(hào)時(shí)，這些參數(shù)很小的差異，都可能會(huì)導(dǎo)致很大的探頭負(fù)荷失真。
　　探頭連接方法很少被放到示波器主要指標(biāo)中，但它們?cè)诿宽?xiàng)測(cè)量中都非常重要。某些被測(cè)設(shè)備裝有SMA測(cè)試點(diǎn)，其它設(shè)備則要求接觸微小的表面封裝設(shè)備上的各個(gè)針腳。示波器的系列探頭解決方案能否滿足所有這些需求？
　　總結(jié)
　　主要指標(biāo)一直是比較示波器的公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)。但是，精明的工程師會(huì)透過主要指標(biāo)，仔細(xì)考察影響日常任務(wù)的底層性能。從整體上看，采集、觸發(fā)、分析工具和探測(cè)中的某些不太顯著的指標(biāo)可能會(huì)和描述帶寬、取樣速率和記錄長(zhǎng)度的"主打"指標(biāo)一樣重要。一切應(yīng)以工作為中心，即使最次要的指標(biāo)有時(shí)也會(huì)決定著成敗。