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邏輯分析儀當關 訊號完整性問題迎刃而解
一次解決高速訊號設計挑戰

【作者: 王岫晨】   2018年10月09日 星期二

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自從PC與手機在20多年前問世,已經從當時的技術創新變成為生活的必需品了。隨著時代變遷,這些產品的發展趨勢卻維持不變,要求更多的功能與服務,並需要更高的頻寬。早期的PC讓使用者建立一個簡單的表格而感到興奮。但到了今天,使用者需要的是精緻的繪圖、高品質的音訊、以及更快速的視訊串流。此外,手機也不再僅只是滿足於人們的溝通需求,消費者周圍的世界越來越多依賴於快速的資訊、以及可靠的傳遞。這正是一個以資訊相互依存、互相交織為基礎的資訊時代。


當然,時至如今,半導體技術正持續突破,在PC匯流排架構、網路基礎設施、以及數位無線通訊等方面都已有廣泛的應用。PC應用特別是伺服器的處理器速度,已經來到GHz等級,同時記憶體的傳輸量和內部匯流排速度也不斷提升。 高速的資料傳輸技術將可以支援更強大的電腦應用,例如3D遊戲或者電腦輔助設計程式等。電腦技術只是寬頻資訊時代的一個環節。現在數位通訊設備或設計工程師正開始採用40Gb/s的高速資料傳輸技術。


與此同時,在數位高畫質的視訊技術領域,新一代的高畫質傳輸、互動視訊的設備正被開發中。這些新技術正不斷驅動資料傳輸率更快速,新興的串列匯流排也正在打破平行匯流排的技術瓶頸。某些情況下,設計人員會刻意增加系統時脈抖動來減少意外的輻射干擾。更小、更密集的電路板,以及採用球柵陣列封裝與埋孔設計,這些都已成為IC晶片供應商最大限度地提高密度,並儘可能減少路徑長度設計方式。


高速數位系統的設計挑戰

在今日,數位頻寬的速度提升,也必須要帶來創新思維。現今的匯流排週期比20年前要快上1000多倍。過去以毫秒時間來計算的資料互動,現在必須要以奈秒來考量。為了滿足如此的高速,訊號的邊緣速度必須比以往任何時候都快100倍以上。只不過,電路板的技術由於物理限制,未能跟上訊號頻寬的發展腳步。晶片的傳輸時間大致沒有改變,儘管尺寸微縮,但電路板上仍需要足夠的空間來容納IC裝置、I/O接頭、被動元件,以及還有匯流排本身。空間正意味著距離,而距離也代表著延遲,這正是高速訊號設計的最重要的挑戰。


不論是邊緣速度或上升時間,數位訊號都可以攜帶比自身重複頻率更高頻的能量。在實際應用上,這些高頻能量可用於建構理想的快速轉換數位訊號。然而訊號完整性問題會在高頻時更被凸顯出來。而傳輸線的阻抗影響也是很重要的,若沿著佈線的阻抗不連續,將會增加訊號的反射,減慢訊號的邊緣,並增加串音。當電路板的地平面和電源層呈現電感時,將使原有的電源去耦功用大打折扣。


越來越快的邊緣,所產生的訊號波長將越來越短,當波長和佈線長度相近時,會產生輻射電磁干擾(EMI)。這些輻射的能量可能會導致串音和數位裝置EMC(電磁相容)的測試失敗。此外,更快的速度也意味著更大的電流消耗,非常容易引起地彈效應,尤其在多個訊號同時出現暫態的狀況下。而較高的電流會產生更多的電磁輻射能量,也將引起串音的發生。


一旦隨著資料傳輸率提升到GHz的範圍以後,數位設計師將會面對一連串來自高頻的設計挑戰。理想的數位脈衝時間與振幅應該保持一致,沒有偏差與抖動,並呈現快速乾淨的暫態。但隨著系統速度的提高,將難以維持理想的訊號特性,因此必須認真考慮訊號完整性的問題。


邏輯分析儀與示波器

邏輯分析儀是強大的量測工具,可用於協助工程師擷取並分析數位訊號。在今日,高階的邏輯分析儀可同時擷取上千個測試點的訊號,並且顯示訊號的數位脈衝與訊號間的時間關係。只不過,一般常規類型的邏輯分析儀,在波形上較難區分振幅的錯誤與突波,也可能將不正確的資料視為有效的邏輯位準。此時必須透過資料清單的顯示來發現異常的資料。許多狀況下,若沒有進一步的措施來偵測訊號,單靠邏輯分析儀很難找到邏輯錯誤的發生原因。


此時,若可以深入探測訊號的類比行為,看到數位訊號的類比缺陷,就可讓許多數位訊號的問題會變得清楚。許多時候,雖然可能只出現了一個錯誤的數位脈衝,但往往問題會歸結於訊號類比的特性。數位訊號的類比特性異常,將可能導致邏輯故障,例如訊號振幅過低,或者上升時間緩慢等,會變成不正確的邏輯狀態。因此,同時觀測一個數位訊號脈衝與其類比特性,將是追蹤並解決問題的第一步。


示波器可以模擬訊號的特性,經常用於尋找訊號完整性問題的根本原因。透過示波器可以顯示波形的細節、邊緣和雜訊,並可用於偵測與顯示瞬變的故障。示波器具備強大的觸發和分析功能,往往可以協助工程師追蹤類比特性的異常,並解決電路的故障問題。


訊號完整性量測

直接觀察並量測訊號,是發現訊號完整性相關問題的根本解決之道,透過正確的量測工具將可簡化測試任務。在實驗室中,能夠發現組成訊號完整性的量測系統主要儀器,包括邏輯分析儀和示波器,甚至還有頻譜分析儀。此外需再搭配探棒與應用軟體,例如抖動分析軟體等。訊號源可提供失真訊號,應用於壓力測試和評估新的設備與系統。而時域反射儀(TDR)則可用於測試並解決訊號的路徑阻抗問題,如阻抗不匹配等。


使用邏輯分析儀可發現邏輯訊號的故障。基本上,邏輯分析儀是排除數位訊號疑難雜症的首選工具,特別是複雜的系統匯流排,邏輯分析儀能夠進行多通道訊號擷取,並連續地顯示邏輯資訊,以查明問題。


邏輯分析儀可偵測訊號通過參考位準的狀態。在邏輯分析儀所顯示的數位波形明確且穩定,可以快速進行資料比較,以確定該裝置是否運作正常。這些波形通常作為尋求訊號完整性問題的起點。


邏輯分析儀可提供兩種不同的資料方式,分別是狀態分析與定時分析。狀態分析(同步分析)所擷取的是待測系統的狀態訊號,可根據待測系統的時脈來完成訊號的取樣。來自待測物的訊號會規定何時擷取資料,以及多久擷取一次。所擷取的輸入時脈訊號可以是設備時脈,或者是匯流排上的控制訊號,也可以是導致待測物改變狀態的訊號。資料在活動邊緣上取樣時,就表示是邏輯訊號穩定時的狀況。


至於定時分析(非同步分析)則是擷取訊號時序資訊並創建時序圖。在定時分析模式下,是使用邏輯分析儀內部時脈來進行資料取樣。在待測系統和邏輯分析儀擷取的資料間沒有固定的時間關係。定時模式經常需要邏輯分析儀高準確 度,以及長時間的連續記錄資料。


結語

訊號完整性根據定義,「完整性」是指完整且無減損。相同的,一個具有良好完整性的數位訊號,會有乾淨快速的上升邊緣、穩定與有效的邏輯位準、準確的時間位置與且沒有任何暫態。對於系統開發者來說,不斷發展的技術深度,將使得系統開發、生產和維護完整、無減損訊號完整性的數位系統,越來越成為挑戰。在這樣的狀況下,透過邏輯分析儀這樣的儀器來進行訊號完整性的量測與評估,將可以收到事半功倍的效用。


解決方案

羅德史瓦茲RTB2000/RTM3000/RTA4000數位示波器

台灣羅德史瓦茲:「這是物超所值的數位示波器!」



圖1 : 羅德史瓦茲RTB2000數位示波器
圖1 : 羅德史瓦茲RTB2000數位示波器圖片來源:rohde-schwarz.com

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吋顯示螢幕、10倍數的擷取記憶體等為設計概念。頻寬選擇從70MHz到1GHz ,提供靈活的選擇;同時亦提供多種升級選項,包括16個數位通道的整合邏輯分析儀(MSO) 、多種協議解碼和觸發選項、任意波形及訊號產生器。R&S RTC1000 除了示波器標準功能外,更整合了數位電表、元件測試儀、函數產生器等多種功能;精簡的機構設計同時擁有九種功能於一體,讓使用者在占用最少空間的情況下進行各種測試,是一款物超所值的數位示波器。


太克科技TLA7000邏輯分析儀

太克科技大中華區產品技術總監陳湘俊:「我們的儀器擁有業界最快的擷取速度!」



圖2 : 太克科技TLA7000邏輯分析儀
圖2 : 太克科技TLA7000邏輯分析儀圖片來源:tektronix.com

使用太克的邏輯分析儀,工程師可以透過業界的最高擷取速度來擷取快速邊緣。依指定應用程式來調整的支援套件,可更輕鬆地使用探棒、擷取、解碼、分析及確認微處理器、FPGA或記憶體設計的效能。


陳湘俊說,經濟型的TLA6400系列邏輯分析儀提供偵錯、驗證和最佳化數位系統功能所需效能。使用完整的訊號完整性偵錯工具組合,可快速隔離、找出及辨識捉摸不定和難以找到的問題。至於模組式TLA7000系列邏輯分析儀,則提供擷取最快速微處理器和記憶體設計上,邏輯詳細資訊所需的速度和彈性。透過相同的探棒找出捉摸不定錯誤的來源並使用易於閱讀的大型顯示器、快速資料輸送量以及類比和數位訊號時序關聯的檢視,來掌握所有可視性。


是德科技邏輯分析儀

是德科技台灣區總經理張志銘:「這一系列邏輯分析儀可滿足最嚴格的數位除錯需求。」



圖3 : 是德科技邏輯分析儀
圖3 : 是德科技邏輯分析儀圖片來源:keysight.com

是德科技邏輯分析儀提供最準確可靠的量測結果,讓您能清楚觀察系統特性,以大幅減輕開發專案的風險。


‧ U41XX系列模組化邏輯分析儀(安裝在AXIe機箱中)具備高達4Gb/s的狀態擷取速率、136 個通道/模組和高達200M的記憶體深度,提供同類產品中最高的效能和最佳的長期價值


‧ 16860系列可攜式邏輯分析儀提供業界最快的時序分析功能與深度記憶體,可快速對數位系統進行除錯。充分利用 2.5 GHz 時序擷取和高達 128 M 的取樣記憶體;高達 1.4 GHz 的觸發定序器(可進行狀態和時序擷取);單端和差動探量選項


‧ 16900系列模組化邏輯分析儀能夠靈活地配置系統。使用者可以先購買目前需要的功能與配件,然後隨著需求增加將儀器升級


‧ 16800系列可攜式邏輯分析儀以經濟實惠的價格,提供結合高效能邏輯分析儀和碼型產生器於一機的固定配置機型。您可在採購產品時或是將來需求增加後,將狀態速率和記憶體深度升級


NI PXI架構邏輯分析器/數位波型產生器

國家儀器技術行銷經理潘建安:「我們的儀器提供彈性強大的軟硬體功能!」



圖4 : NI PXI架構儀器
圖4 : NI PXI架構儀器圖片來源:NI

NI邏輯分析器與數位波形產生器組合,可針對數位IC與電子的設計、測試、除錯作業,滿足相關的分析與產生需求。此組合並具備 NI LabVIEW SignalExpress 互動式軟體,不需程式設計即可建立應用;另包含 NI 6542 或 NI 6552 數位波型產生器/分析器。


且多種組合均提供 PCI、PXI,或PXIe規格。NI 6542組合具備32個通道,且可相容於5.0V、3.3V、2.5V,與1.8V邏輯,可從電路或系統中驅動輸入或擷取輸出。若需要彈性的電壓準位 (以10mV為調整間隔,-2.0 V ~ 5.5 V);針對激發響應應用,於各個週期控制通道方向;並以低負載被動探測電路的功能,均可使用 NI 6552 組合。這些組合提供彈性且強大的軟硬體功能,可讓工程師透過短版儀器,進行複雜的波型產生、時脈/狀態行為分析,與報表產生作業。


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