| ---在過去幾十年中,數(shù)字設(shè)計(jì)人員一直依賴邏輯分析儀,作為系統(tǒng)檢驗(yàn)的主要工具。近年來,時(shí)鐘速率的加快,已經(jīng)迫使設(shè)計(jì)人員考慮系統(tǒng)所有部分的信號(hào)完整性,包括測(cè)試能力。邏輯分析儀探頭不再是任意連接到系統(tǒng)上就能夠保證成功,而是必須考察探頭位置、負(fù)荷及與傳輸線的鄰近程度等因素。本文考察了在探測(cè)高速數(shù)字系統(tǒng)時(shí)設(shè)計(jì)人員遇到的部分常見問題,另外本文還討論了探頭的負(fù)荷模型及探測(cè)位置的影響。最后,本文討論了把探頭連接到高速系統(tǒng)最常用的技術(shù)：短線探測(cè)和阻尼電阻器探測(cè)。 邏輯分析儀探頭的負(fù)荷模型
---任何類型的探頭的目標(biāo)都是盡可能對(duì)系統(tǒng)提供最小的電負(fù)荷。如果探頭對(duì)系統(tǒng)性能的變動(dòng)太大,那么探頭將不能幫助設(shè)計(jì)人員檢驗(yàn)系統(tǒng),因?yàn)楣收显蚩赡芡耆怯商筋^引起的。隔離故障對(duì)有效檢驗(yàn)故障非常重要。因此,設(shè)計(jì)人員必須能夠預(yù)測(cè)探頭對(duì)系統(tǒng)的影響,而不管其是可以忽略不計(jì),還是占主導(dǎo)地位。
 ---預(yù)測(cè)被探測(cè)的系統(tǒng)性能的最精確方式是在系統(tǒng)模擬中包括一個(gè)探頭負(fù)荷模型。邏輯分析儀廠商提供RLC電路,直到預(yù)定的頻率(通常是6 GHz)建立探頭負(fù)荷模型。模擬不僅提供了最精確的探頭影響模型,而且它們提供了一種方式,可以改變變量,監(jiān)測(cè)每個(gè)變量的影響。這些變量包括探頭在傳輸線上的位置和/或從傳輸線到探針的探頭短線長(zhǎng)度。一般來說,邏輯分析儀的探頭負(fù)荷模型如下：
---在較低頻率上,電阻器會(huì)主導(dǎo)探頭阻抗,對(duì)目標(biāo)的影響最小。這是因?yàn)樘筋^阻抗一般在20kΩ,而目標(biāo)一般在50 ～75 Ω。兩個(gè)阻抗并聯(lián),會(huì)產(chǎn)生最接近的目標(biāo)阻抗。在頻率提高時(shí),探頭開始引入電容,其阻抗開始滾降。一旦阻抗達(dá)到目標(biāo)阻抗的數(shù)量級(jí)上,來自探頭的反射會(huì)成為重要問題。
---在超高頻率上,探頭會(huì)引入電感,阻抗將提高。探頭負(fù)荷的電容和電感特點(diǎn)會(huì)形成諧振。邏輯分析儀探頭的目標(biāo)是盡可能提高諧振的頻率。此外,諧振的阻抗應(yīng)盡可能高。如果探頭阻抗下降到10～20Ω范圍內(nèi),探頭將分流出目標(biāo)系統(tǒng)較高的頻率成分。對(duì)每種探頭形狀,廠商將提供精確的負(fù)荷模型及阻抗與頻率關(guān)系曲線。
---為迅速估算探頭的影響,可以使用集總電容探頭模型。邏輯分析儀探頭廠商對(duì)每種探頭形狀提供了估算的集總電容。在使用等效集總電容時(shí),可以確定時(shí)間常數(shù),支持端接電阻或傳輸線的阻抗。然后可以在系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)的RMS之和中使用這種等效電容。一旦確定整體系統(tǒng)時(shí)間常數(shù),可以把其轉(zhuǎn)換成上升時(shí)間和帶寬,預(yù)測(cè)探頭對(duì)系統(tǒng)整體系統(tǒng)的影響。 探測(cè)位置的影響
 ---由于探頭是電路的一部分,而電路又是探頭的一部分,因此可以預(yù)測(cè)兩個(gè)感興趣的點(diǎn)上的影響 (即接收機(jī)和探針)。探頭的影響中一個(gè)主要變量是其在目標(biāo)傳輸線上的位置。通過其在傳輸線上的相對(duì)位置,可以確定探頭導(dǎo)致的反射。反射影響的嚴(yán)重程度取決于目標(biāo)系統(tǒng)(即軌跡長(zhǎng)度、端接方案、電壓余量等。圖2是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)傳輸線系統(tǒng),其中列出了連接邏輯分析儀探頭的最常用位置。 負(fù)荷端接系統(tǒng)
---在負(fù)荷端接系統(tǒng)中,負(fù)荷端接電阻器僅用于傳輸線設(shè)計(jì)中。引入的反射被吸收到接收機(jī)上的端接電阻器中。如果這些反射和入射波或后續(xù)波同時(shí)到達(dá),它們本身會(huì)表現(xiàn)為上升時(shí)間劣化或碼間干擾(ISI)。在把邏輯分析儀探頭連接到系統(tǒng)上時(shí),探頭將表現(xiàn)為電容不連續(xù)點(diǎn)。把探頭插入這類系統(tǒng)中的最佳位置是信號(hào)源。首先,探頭反射會(huì)即時(shí)發(fā)生在驅(qū)動(dòng)裝置上。然后這種反射會(huì)再次反射離開低阻抗驅(qū)動(dòng)裝置,并與入射波一起沿著傳輸線傳送。收到的波形會(huì)經(jīng)歷上升時(shí)間劣化,但二次反射最小。其次,為降低電容負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)的影響,探頭形成的RC時(shí)間常數(shù)應(yīng)盡可能低。不能改變探頭的電容,但時(shí)間常數(shù)的電阻/阻抗取決于探頭的位置。通過在信號(hào)源插入探頭,時(shí)間常數(shù)的電阻/阻抗是低阻抗驅(qū)動(dòng)裝置與傳輸線阻抗的并聯(lián)組合。這種組合在系統(tǒng)中產(chǎn)生了最低的電阻/阻抗,進(jìn)而產(chǎn)生了最低的RC時(shí)間常數(shù)。
源端接系統(tǒng)
---在源端接系統(tǒng)中,僅使用圖2中的源端子。入射波在源端接電阻和傳輸線阻抗之間進(jìn)行幅度劃分。半幅度波傳導(dǎo)到接收機(jī)上,在這里,其被100%正反射。這種反射本身會(huì)與入射波疊加在一起,產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)裝置的原始幅度。反向傳導(dǎo)反射會(huì)傳回驅(qū)動(dòng)裝置,然后它被吸收到源端接電阻器中。源端子采用相應(yīng)的結(jié)構(gòu),使得在除接收機(jī)之外的傳輸線任何位置上,觀察到的波形都呈現(xiàn)出梯級(jí)形狀。通過把其與用戶定義的門限電壓(通常以電壓擺幅為中心)進(jìn)行比較,邏輯分析儀確定被探測(cè)的信號(hào)是1還是0。這意味著如果邏輯分析儀探頭位于直接接收機(jī)之外的任何地方,都將觀察到這種梯級(jí)波形形狀。在波形位于擺幅中間的時(shí)長(zhǎng)內(nèi),邏輯分析儀將不能確定邏輯電平。這直接影響著分析儀的定時(shí)性能。對(duì)源端接系統(tǒng),邏輯分析儀探頭的位置應(yīng)盡可能接近接收機(jī)。 雙端接系統(tǒng)
---在雙端接系統(tǒng)中,傳輸線中同時(shí)使用源電阻器和端接電阻器。在這種系統(tǒng)中,由于源端接電阻器和負(fù)荷端接電阻器形成的電阻分路器,只有一半的原始信號(hào)會(huì)到達(dá)接收機(jī)。邏輯分析儀探頭一般會(huì)放在這類系統(tǒng)上任何地方。主要考慮因素是探頭的RC時(shí)間常數(shù)。但是,在系統(tǒng)的任何位置上,電阻/阻抗將是線路特性阻抗的1/2 (即50Ω//50Ω)。由于在探針上只能觀察到一半的原始電壓電平,設(shè)計(jì)人員必須保證滿足邏輯分析儀的最小電壓擺幅規(guī)范。 短線探測(cè)
---短線探測(cè)是指探針不能直接放在目標(biāo)的傳輸線上。探針和目標(biāo)信號(hào)之間敷設(shè)的軌跡長(zhǎng)度稱為短線。短線可以由PCB軌跡、導(dǎo)線或連接器引線組成。由于PCB上的布局限制,很難避免短線探測(cè)。問題是探針離傳輸線的距離必須有多近、同時(shí)仍能在系統(tǒng)和邏輯分析儀中實(shí)現(xiàn)可以接受的性能？
---在談?wù)搨鬏斁�時(shí),使用的經(jīng)驗(yàn)法則也適用于邏輯分析儀短線。經(jīng)驗(yàn)法則取決于系統(tǒng)上升時(shí)間。對(duì)邏輯分析儀,建議短線的電長(zhǎng)度不超過系統(tǒng)上升時(shí)間的20%。對(duì)小于系統(tǒng)上升時(shí)間20%的電長(zhǎng)度,可以把短線視作阻尼電阻,而不是分布式傳輸線。但是,在短線長(zhǎng)度提高時(shí),電容會(huì)大幅度提高。在某一點(diǎn)上,電容會(huì)超過探頭的總電容。
---下面的實(shí)例說明了特定上升時(shí)間可以接受的最大短線長(zhǎng)度。這一實(shí)例使用150ps/inch的傳播速度,這在FR4介電PCB中非常典型。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)50 Ω, FR4微帶傳輸線,單位電容一般是3pF/inch。 實(shí)例
---如果我們看一下通過1英寸短線連接到傳輸線負(fù)荷上的邏輯分析儀探頭,我們可以說明上面的實(shí)例（見圖3、4）。圖說明了在探測(cè)負(fù)荷時(shí)1英寸短線探頭對(duì)負(fù)荷端接傳輸線的影響,其中顯示了四個(gè)上升時(shí)間。150ps、250ps和500ps上升時(shí)間把1英寸短線視為不可接受,而1000ps上升時(shí)間則能夠正常運(yùn)行。從這一圖中可以明顯看出,1000ps上升時(shí)間的特點(diǎn)要明顯好于150ps上升時(shí)間。
---下圖說明了1英寸短線探頭探針上的信號(hào)。再次可以明顯看出,1000ps上升時(shí)間的特點(diǎn)要好于150ps上升時(shí)間。
---這些圖說明了在高速信號(hào)中,成功的邏輯分析必須考慮接收機(jī)和探針上的信號(hào)質(zhì)量。 阻尼電阻器探測(cè)
---很明顯,在探針和被探測(cè)的系統(tǒng)之間增加一條短傳輸線會(huì)嚴(yán)重影響目標(biāo)接收機(jī)和邏輯分析儀探針上的信號(hào)質(zhì)量。在探針不能直接放在目標(biāo)系統(tǒng)上時(shí),改善探頭和系統(tǒng)性能的方式之一是采用“阻尼電阻器探測(cè)”方法。通過直接在目標(biāo)上插入一個(gè)阻尼電阻器,可以在探針上容忍更長(zhǎng)的一段短線。阻尼電阻器有兩種用途。首先,它把目標(biāo)系統(tǒng)與短線探頭的電容負(fù)荷隔開。此外,它消耗短線上的反射能量,從而使得邏輯分析儀能夠觀察到更清楚的信號(hào)。
---為說明使短線長(zhǎng)度達(dá)到最小的重要意義及阻尼電阻器的作用,看一下下面的實(shí)例。安捷倫科技的E5387A軟接觸邏輯分析儀探頭通過長(zhǎng)0.5英寸的短線連接到負(fù)荷端接系統(tǒng)上。通過使用信號(hào)完整性工具“Eye Scan”,可以繪制被探測(cè)信號(hào)的眼圖,并在探針上直接查看眼圖。被探測(cè)的波形是一個(gè)500Mb/s, 400mVpp 信號(hào)。左圖說明了使用邏輯分析儀通過0.5英寸短線觀察到的信號(hào)完整性。右圖說明了在觸點(diǎn)上插入一個(gè)125 Ω 阻尼電阻器時(shí),邏輯分析儀觀察到的信號(hào)完整性。
---這些眼圖（見圖5）明確說明了阻尼電阻器對(duì)邏輯分析儀查看的信號(hào)的影響。在某個(gè)時(shí)點(diǎn)上,邏輯分析儀幾乎不能使用信號(hào)。通過簡(jiǎn)單插入一個(gè)阻尼電阻器,信號(hào)質(zhì)量得到改進(jìn),使得短線可以忽略不計(jì)。
 ------ 
---在包含信號(hào)完整性工具(如安捷倫科技的“Eye Scan”)的現(xiàn)代邏輯分析儀中,探測(cè)技術(shù)要更加重要。邏輯分析儀可以從模擬角度查看被探測(cè)的信號(hào)特點(diǎn)。為利用這種模擬信息,探頭本身不得使顯示的波形失真。如果可以使探頭負(fù)荷達(dá)到最小,那么可以把產(chǎn)生的眼圖視作系統(tǒng)中發(fā)生的情況的真實(shí)模擬表示。這為調(diào)試信號(hào)完整性問題提供了一個(gè)非常強(qiáng)大的工具。邏輯分析儀信號(hào)完整性工具的主要優(yōu)點(diǎn)是,它能夠在許多信道中同時(shí)進(jìn)行模擬測(cè)量。通過使用Eye Scan及安捷倫科技最新的一套邏輯分析儀模塊(16753A, 54A, 55A和56A),可以觀察最多340個(gè)信號(hào)。這些新工具可以從全新的角度查看信號(hào)完整性及進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。但是,如圖5所示,探測(cè)對(duì)成功的測(cè)量至關(guān)重要。 結(jié)論
---本文說明了使用邏輯分析儀成功地探測(cè)高速數(shù)字系統(tǒng)的考慮因素。從本文中可以看出,探頭在目標(biāo)上產(chǎn)生了負(fù)荷,具體取決于探頭固有的負(fù)荷及探頭在傳輸線上的位置。還說明了目標(biāo)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和寄生信號(hào)會(huì)使探針上觀察的信號(hào)完整性劣化。在使用邏輯分析時(shí),這兩個(gè)因素都應(yīng)該考慮在內(nèi)。 |
