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逻辑分析仪当关 讯号完整性问题迎刃而解
一次解决高速讯号设计挑战

【作者: 王岫晨】2018年10月09日 星期二

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自从PC与手机在20多年前问世,已经从当时的技术创新变成为生活的必需品了。随着时代变迁,这些产品的发展趋势却维持不变,要求更多的功能与服务,并需要更高的频宽。早期的PC让使用者建立一个简单的表格而感到兴奋。但到了今天,使用者需要的是精致的绘图、高品质的音讯、以及更快速的视讯串流。此外,手机也不再仅只是满足於人们的沟通需求,消费者周围的世界越来越多依赖於快速的资讯、以及可靠的传递。这正是一个以资讯相互依存、互相交织为基础的资讯时代。


当然,时至如今,半导体技术正持续突破,在PC汇流排架构、网路基础设施、以及数位无线通讯等方面都已有广泛的应用。PC应用特别是伺服器的处理器速度,已经来到GHz等级,同时记忆体的传输量和内部汇流排速度也不断提升。 高速的资料传输技术将可以支援更强大的电脑应用,例如3D游戏或者电脑辅助设计程式等。电脑技术只是宽频资讯时代的一个环节。现在数位通讯设备或设计工程师正开始采用40Gb/s的高速资料传输技术。


与此同时,在数位高画质的视讯技术领域,新一代的高画质传输、互动视讯的设备正被开发中。这些新技术正不断驱动资料传输率更快速,新兴的串列汇流排也正在打破平行汇流排的技术瓶颈。某些情况下,设计人员会刻意增加系统时脉抖动来减少意外的辐射干扰。更小、更密集的电路板,以及采用球栅阵列封装与埋孔设计,这些都已成为IC晶片供应商最大限度地提高密度,并尽可能减少路径长度设计方式。


高速数位系统的设计挑战

在今日,数位频宽的速度提升,也必须要带来创新思维。现今的汇流排周期比20年前要快上1000多倍。过去以毫秒时间来计算的资料互动,现在必须要以奈秒来考量。为了满足如此的高速,讯号的边缘速度必须比以往任何时候都快100倍以上。只不过,电路板的技术由於物理限制,未能跟上讯号频宽的发展脚步。晶片的传输时间大致没有改变,尽管尺寸微缩,但电路板上仍需要足够的空间来容纳IC装置、I/O接头、被动元件,以及还有汇流排本身。空间正意味着距离,而距离也代表着延迟,这正是高速讯号设计的最重要的挑战。


不论是边缘速度或上升时间,数位讯号都可以携带比自身重复频率更高频的能量。在实际应用上,这些高频能量可用於建构理想的快速转换数位讯号。然而讯号完整性问题会在高频时更被凸显出来。而传输线的阻抗影响也是很重要的,若沿着布线的阻抗不连续,将会增加讯号的反射,减慢讯号的边缘,并增加串音。当电路板的地平面和电源层呈现电感时,将使原有的电源去耦功用大打折扣。


越来越快的边缘,所产生的讯号波长将越来越短,当波长和布线长度相近时,会产生辐射电磁干扰(EMI)。这些辐射的能量可能会导致串音和数位装置EMC(电磁相容)的测试失败。此外,更快的速度也意味着更大的电流消耗,非常容易引起地弹效应,尤其在多个讯号同时出现暂态的状况下。而较高的电流会产生更多的电磁辐射能量,也将引起串音的发生。


一旦随着资料传输率提升到GHz的范围以後,数位设计师将会面对一连串来自高频的设计挑战。理想的数位脉冲时间与振幅应该保持一致,没有偏差与抖动,并呈现快速乾净的暂态。但随着系统速度的提高,将难以维持理想的讯号特性,因此必须认真考虑讯号完整性的问题。


逻辑分析仪与示波器

逻辑分析仪是强大的量测工具,可用於协助工程师撷取并分析数位讯号。在今日,高阶的逻辑分析仪可同时撷取上千个测试点的讯号,并且显示讯号的数位脉冲与讯号间的时间关系。只不过,一般常规类型的逻辑分析仪,在波形上较难区分振幅的错误与突波,也可能将不正确的资料视为有效的逻辑位准。此时必须透过资料清单的显示来发现异常的资料。许多状况下,若没有进一步的措施来侦测讯号,单靠逻辑分析仪很难找到逻辑错误的发生原因。


此时,若可以深入探测讯号的类比行为,看到数位讯号的类比缺陷,就可让许多数位讯号的问题会变得清楚。许多时候,虽然可能只出现了一个错误的数位脉冲,但往往问题会归结於讯号类比的特性。数位讯号的类比特性异常,将可能导致逻辑故障,例如讯号振幅过低,或者上升时间缓慢等,会变成不正确的逻辑状态。因此,同时观测一个数位讯号脉冲与其类比特性,将是追踪并解决问题的第一步。


示波器可以模拟讯号的特性,经常用於寻找讯号完整性问题的根本原因。透过示波器可以显示波形的细节、边缘和杂讯,并可用於侦测与显示瞬变的故障。示波器具备强大的触发和分析功能,往往可以协助工程师追踪类比特性的异常,并解决电路的故障问题。


讯号完整性量测

直接观察并量测讯号,是发现讯号完整性相关问题的根本解决之道,透过正确的量测工具将可简化测试任务。在实验室中,能够发现组成讯号完整性的量测系统主要仪器,包括逻辑分析仪和示波器,甚至还有频谱分析仪。此外需再搭配探棒与应用软体,例如抖动分析软体等。讯号源可提供失真讯号,应用於压力测试和评估新的设备与系统。而时域反射仪(TDR)则可用於测试并解决讯号的路径阻抗问题,如阻抗不匹配等。


使用逻辑分析仪可发现逻辑讯号的故障。基本上,逻辑分析仪是排除数位讯号疑难杂症的首选工具,特别是复杂的系统汇流排,逻辑分析仪能够进行多通道讯号撷取,并连续地显示逻辑资讯,以查明问题。


逻辑分析仪可侦测讯号通过叁考位准的状态。在逻辑分析仪所显示的数位波形明确且稳定,可以快速进行资料比较,以确定该装置是否运作正常。这些波形通常作为寻求讯号完整性问题的起点。


逻辑分析仪可提供两种不同的资料方式,分别是状态分析与定时分析。状态分析(同步分析)所撷取的是待测系统的状态讯号,可根据待测系统的时脉来完成讯号的取样。来自待测物的讯号会规定何时撷取资料,以及多久撷取一次。所撷取的输入时脉讯号可以是设备时脉,或者是汇流排上的控制讯号,也可以是导致待测物改变状态的讯号。资料在活动边缘上取样时,就表示是逻辑讯号稳定时的状况。


至於定时分析(非同步分析)则是撷取讯号时序资讯并创建时序图。在定时分析模式下,是使用逻辑分析仪内部时脉来进行资料取样。在待测系统和逻辑分析仪撷取的资料间没有固定的时间关系。定时模式经常需要逻辑分析仪高准确 度,以及长时间的连续记录资料。


结语

讯号完整性根据定义,「完整性」是指完整且无减损。相同的,一个具有良好完整性的数位讯号,会有乾净快速的上升边缘、稳定与有效的逻辑位准、准确的时间位置与且没有任何暂态。对於系统开发者来说,不断发展的技术深度,将使得系统开发、生产和维护完整、无减损讯号完整性的数位系统,越来越成为挑战。在这样的状况下,透过逻辑分析仪这样的仪器来进行讯号完整性的量测与评估,将可以收到事半功倍的效用。


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罗德史瓦兹RTB2000/RTM3000/RTA4000数位示波器

台湾罗德史瓦兹:「这是物超所值的数位示波器!」


R&S RTB2000/RTM3000/RTA4000 此三款是R&S新一代示波器系列,以「Power of Ten」10位元垂直解析度、10.1寸显示萤幕、10倍数的撷取记忆体等为设计概念。频宽选择从70MHz到1GHz ,提供灵活的选择;同时亦提供多种升级选项,包括16个数位通道的整合逻辑分析仪(MSO) 、多种协议解码和触发选项、任意波形及讯号产生器。R&S RTC1000 除了示波器标准功能外,更整合了数位电表、元件测试仪、函数产生器等多种功能;精简的机构设计同时拥有九种功能於一体,让使用者在占用最少空间的情况下进行各种测试,是一款物超所值的数位示波器。



图1 : 罗德史瓦兹RTB2000数位示波器
图1 : 罗德史瓦兹RTB2000数位示波器图片来源:rohde-schwarz.com

太克科技TLA7000逻辑分析仪

太克科技大中华区产品技术总监陈湘俊:「我们的仪器拥有业界最快的撷取速度!」


使用太克的逻辑分析仪,工程师可以透过业界的最高撷取速度来撷取快速边缘。依指定应用程式来调整的支援套件,可更轻松地使用探棒、撷取、解码、分析及确认微处理器、FPGA或记忆体设计的效能。


陈湘俊说,经济型的TLA6400系列逻辑分析仪提供侦错、验证和最隹化数位系统功能所需效能。使用完整的讯号完整性侦错工具组合,可快速隔离、找出及辨识捉摸不定和难以找到的问题。至於模组式TLA7000系列逻辑分析仪,则提供撷取最快速微处理器和记忆体设计上,逻辑详细资讯所需的速度和弹性。透过相同的探棒找出捉摸不定错误的来源并使用易於阅读的大型显示器、快速资料输送量以及类比和数位讯号时序关联的检视,来掌握所有可视性。



图2 : 太克科技TLA7000逻辑分析仪
图2 : 太克科技TLA7000逻辑分析仪图片来源:tektronix.com

是德科技逻辑分析仪

是德科技台湾区总经理张志铭:「这一系列逻辑分析仪可满足最严格的数位除错需求。」


是德科技逻辑分析仪提供最准确可靠的量测结果,让您能清楚观察系统特性,以大幅减轻开发专案的风险。


· U41XX系列模组化逻辑分析仪(安装在AXIe机箱中)具备高达4Gb/s的状态撷取速率、136 个通道/模组和高达200M的记忆体深度,提供同类产品中最高的效能和最隹的长期价值


· 16860系列可携式逻辑分析仪提供业界最快的时序分析功能与深度记忆体,可快速对数位系统进行除错。充分利用 2.5 GHz 时序撷取和高达 128 M 的取样记忆体;高达 1.4 GHz 的触发定序器(可进行状态和时序撷取);单端和差动探量选项


· 16900系列模组化逻辑分析仪能够灵活地配置系统。使用者可以先购买目前需要的功能与配件,然後随着需求增加将仪器升级


· 16800系列可携式逻辑分析仪以经济实惠的价格,提供结合高效能逻辑分析仪和码型产生器於一机的固定配置机型。您可在采购产品时或是将来需求增加後,将状态速率和记忆体深度升级



图3 : 是德科技逻辑分析仪
图3 : 是德科技逻辑分析仪图片来源:keysight.com

NI PXI架构逻辑分析器/数位波型产生器

国家仪器技术行销经理潘建安:「我们的仪器提供弹性强大的软硬体功能!」


NI逻辑分析器与数位波形产生器组合,可针对数位IC与电子的设计、测试、除错作业,满足相关的分析与产生需求。此组合并具备 NI LabVIEW SignalExpress 互动式软体,不需程式设计即可建立应用;另包含 NI 6542 或 NI 6552 数位波型产生器/分析器。


且多种组合均提供 PCI、PXI,或PXIe规格。NI 6542组合具备32个通道,且可相容於5.0V、3.3V、2.5V,与1.8V逻辑,可从电路或系统中驱动输入或撷取输出。若需要弹性的电压准位 (以10mV为调整间隔,-2.0 V ~ 5.5 V);针对激发响应应用,於各个周期控制通道方向;并以低负载被动探测电路的功能,均可使用 NI 6552 组合。这些组合提供弹性且强大的软硬体功能,可让工程师透过短版仪器,进行复杂的波型产生、时脉/状态行为分析,与报表产生作业。



图4 : NI PXI架构仪器
图4 : NI PXI架构仪器图片来源:NI
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