示波器基础知识——信号完整性意义

　  对任何优秀的示波器系统来说,准确重建波形的能力都是关键,这种能力称为信号完整性。泰克示波器类似于一台摄像机;它捕获信号图像,然后可以观察和解释信号图像。信号完整性的核心有几个关键问题：

　　在拍摄时,拍到的是不是实际发生事件的准确图像

　　图像清楚还是模糊?

　　每秒可以拍摄多少张这么准确的图片

　　示波器不同的系统和性能功能结合在一起,影响着其提供最高信号完整性的能力。探头也影响着测量系统的信号完整性。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,像布尔电路一样操作。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。数字系统开关速度慢,信号以可预测的方式稳定。此后,处理器的时钟速率提高了几个量级。三维图像、视频和服务器I/O等计算机应用需要大量的带宽。当前大部分电信设备都基于数字方式,类似地要求大规模的带宽。数字高清电视也不例外。当前一代微处理器设备以高达2GS/、3GS/、甚至5GS/s(千兆样点秒)的速率处理数据,某些DDR3存储设备则使用2GHz以上的时钟及上升时间为35ps的数据信号。重要的是,速度的提高一直渗透到汽车、消费电子、机械控制装置及各类应用使用的常用IC器件。

在以20MHz时钟速率运行的处理器中,信号的上升时间与800MHz处理器中的信号类似。设计人员已经超越了性能门限,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它传统数字设计中。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、等等。这些高速问题还可能会影响系统中串行数据流的完整性,要求某种方法,把数据中的特定码型与高速波形中观察到的特点关联起来。

让我们看一下当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盛行得多了呢?

答案是速度。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,比如时钟分配、信号路径设计、噪声余量、负荷影响、传输线效应、总线端接、解耦和配电。所有这些规则仍然适用,但是今天,总线周期时间比20年前快了100倍!过去需要几微秒的事务处理现在只需要几纳秒。为实现这种改进,边沿速度也已经加快,其比20年前快了100倍。这一切还好。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。芯片间总线的传播时间在过去几十年中几乎一直没有变化。当然,其尺寸已经缩小,但仍需要为C器件、连接器、无源器件、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。

必需指出的是,数字信号的边沿速度上升时间承载的频率成分可以高于其重复速率表明的频率。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C器件。集总电路模型一直是预测电路中信号特点使用的大多数计算的依据。但是,在边沿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。

在使用边沿速率不到4-6纳秒的信号驱动时,不管周期速率是多少,长仅6英寸的电路板轨迹变成了传输线。事实上,其创建了新的信号路径。这些无形连接并没有画在示意图上,然而却为信号提供了以不可预测的方式相互影响的手段。

有时候,即使是探头/仪器组合引入的错误也可能会给被测信号带来重大影响。但是,通过对实测值应用“平方和的均方根”公式,可以确定被测器件是否接近上升时间/下降时间故障。此外,最新的示波器工具采用专用滤波技术,反嵌测量系统对信号的影响,显示边沿时间及其它信号特点。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(如上述信号轨迹)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。EMI上升,因为边沿速度越快,相对于总线长度产生的波长越短,串扰越高。此外,快速边沿速度要求整体更高的生成电流。更高的电流一般会导致地电平弹跳,特别是在一次开关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扰。

这些特点有哪些共同点呢?它们都是典型的模拟现象。为解决信号完整性问题,数字设计人员需要步入模拟领域。为迈出这一步,他们需要工具能够显示数字信号和模拟信号怎样相互影响。数字错误通常源于模拟信号完整性问题。为追踪数字问题的成因,通常必需打开示波器,示波器可以显示波形细节、边沿和噪声,可以检测和显示瞬态信号,可以帮助您精确地测量定时关系,如建立时间和保持时间。通过触发并行或串行数据流中的具休码型,显示在时间上与指定事件对应的模拟信号,现代示波器可以帮助简化调试过程。了解示波器内部的每个系统及怎样应用这些系统,有助于有效地应用示波器,处理具体的测量挑战。本文内容由西安安泰仪器维修中心网整理发布，更多有关示波器维修知识欢迎访问西安安泰仪器维修网（www.pijournals.com）