評估示波器：要深挖細找次要技術(shù)指標

多年以來，電子系統(tǒng)的性能隨著半導體集成度及功能的穩(wěn)步提高、仿真模型的改進、體系結(jié)構(gòu)的變化等等而在同步提高。盡管有這些提高，但設(shè)備之間的信號傳輸速度和技術(shù)卻沒有發(fā)生明顯改變，因為I/O信號傳輸體系結(jié)構(gòu)足以勝任工作，而支持變動的技術(shù)還沒有就緒。
　　在過去的大約5年中，為了在系統(tǒng)性能上獲得驚人的提高，工程師更加專注于LVDS（低壓差分信號傳輸）。數(shù)據(jù)速率提高了一個數(shù)量級，從而推動適用于設(shè)備間通信的復雜串行協(xié)議被廣泛采納。這些協(xié)議包括PCI Express、InfiniBand以及XAUI（10吉比特附屬單元接口）。這些環(huán)境擁有多種多樣的數(shù)據(jù)速率和傳輸體系結(jié)構(gòu)，不過全都需要嚴格的設(shè)計和驗證方法。
　　這種要求使得諸如示波器等測試設(shè)備比以往更加重要。工程師依靠示波器來分析其串行設(shè)備設(shè)計的性能，并支持驗證和調(diào)試工作。工程師的任務(wù)包括精確的參數(shù)測量、故障檢修以及信號完整性分析。在開發(fā)過程的后期，工程師改用示波器來為一致性測試生成眼圖顯示。
　　選擇示波器的工程師只考慮那些出現(xiàn)在產(chǎn)品手冊和雜志廣告的標題中列出的技術(shù)指標，這種情況太普遍了。在這些主要的技術(shù)指標中，眾所周知的是帶寬、采樣率和記錄長度。衡量示波器性能的這些指標雖然很重要，但不能全面地反映示波器在日常使用中的效能。例如，帶寬值只說明示波器的大致頻率范圍，幾乎不能說明示波器可靠地檢測并捕獲快速異�，F(xiàn)象的能力。
　　因此，在評估示波器時，領(lǐng)會主要技術(shù)規(guī)格的言外之意是很重要的。這個忠告實際上具有兩方面的含意。首先，這是一種告誡，應(yīng)該深入分析廠商大肆宣傳的技術(shù)指標背后所隱藏的細微差別。其次，這是一種提醒，應(yīng)該研究那些對設(shè)計師工作的效果甚至有效性有很大影響的特性，盡管那些特性與廠商最經(jīng)常在市場上宣傳的相比不太引人注意。
　　帶寬的定義與再定義
　　帶寬指標理所當然非常重要。對于提高高速串行總線體系結(jié)構(gòu)極限的設(shè)計師來說，在購買示波器時，凈帶寬一直是示波器特性的首要考慮因素。但是，帶寬本身只不過是描述儀器頻響的一個技術(shù)指標，也就是正弦波滾降3 dB的頻率。兩臺具有相同額定帶寬的示波器對復雜波形可能具有不同的上升時間和完全不同的響應(yīng)。有沒有一個具有言外之意的、更好體現(xiàn)購買者決心的技術(shù)指標或特性呢？這個問題的答案有兩個方面：示波器的真正上升時間性能和示波器在DSP模式下的性能。
　　模擬上升時間是示波器帶寬的函數(shù)。利用教課書上的公式從帶寬中簡單計算上升時間是很吸引人的，這種計算也是某些公布的上升時間技術(shù)指標的基礎(chǔ)。不論是否具有DSP增強功能，客觀測得的上升時間為測量提供了更好的基礎(chǔ)。每一位工程師都懂得上升時間響應(yīng)的重要性。權(quán)衡上升時間測量值與計算值之差異就是領(lǐng)會言外之意的一個例子。
　　你可以利用DSP濾波來擴展示波器的凈帶寬，使示波器頻響平坦化，并在通道間提供更好的匹配。當被測設(shè)備采用了高速多通道串行傳輸環(huán)境時，這些性能非常關(guān)鍵。但是，DSP會引入誤差，而這些誤差往往與實際模擬帶寬之外的頻率擴展成正比地增加。

圖1，眼圖分析取決于示波器的主要技術(shù)指標，例如帶寬。但是，眼圖分析還取決于時鐘恢復、探測、觸發(fā)等功能。透過主要技術(shù)指標進行考察是確保高效而精確測量的最佳方法。
　　在測量低于200PS上升時間或眼圖（圖1）時，應(yīng)該使用DSP。在這些情況下，從示波器中提取最大帶寬是必不可少的。很明顯，這一要求對DSP方法有利。最快的測量幾乎總是要求最高的帶寬。但是，具有一種規(guī)避DSP擴展并只使用示波器的固有模擬帶寬和上升時間進行測量的方法在某些時候也非常有用。例如，一些研究人員使用專用的DSP算法，并需要處理示波器的原始數(shù)據(jù)。在這樣的情況下，DSP規(guī)避特性非常重要。這種技術(shù)指標可能不會被廠商大肆宣揚，但卻是選擇高性能示波器的一個重要考慮因素。
　　信號的復雜性不僅僅是速度
　　就不到1納秒的脈沖邊沿和令人眼花繚亂的快速時鐘速率而言，“高速測量”這個詞有各種含義。設(shè)計師有時候會忽略這些高速測量通常是復雜性非常高的測量這種情況。捕獲數(shù)據(jù)流中的一個符號可能涉及到判斷、運氣、估計、猜測或者對觸發(fā)特性的正確選擇。
　　示波器觸發(fā)決定了你利用示波器能夠捕獲、觀看和測量的信號，這一功能如帶寬和采樣率一樣重要。觸發(fā)系統(tǒng)具有自己的一套技術(shù)指標。觸發(fā)路徑通常是主信號路徑的一個支路，應(yīng)該體現(xiàn)很多相同的環(huán)境屬性：靈敏度、抖動等。觸發(fā)性能的另一個指標是觸發(fā)類型的范圍——為確定何時發(fā)生觸發(fā)而可以定義的條件。
　　當然，觸發(fā)系統(tǒng)具有自己的主要技術(shù)指標。選用示波器來測量快速串行信號的設(shè)計師可能會假設(shè)觸發(fā)路徑具有與示波器的規(guī)定帶寬相同的帶寬。事實上，相關(guān)的指標是“觸發(fā)靈敏度”。這個技術(shù)指標體現(xiàn)了一個簡單的問題：在頻率范圍頂部附近捕獲信號時，對信號振幅的要求是什么？在許多示波器中，觸發(fā)靈敏度與模擬采樣帶寬并不匹配。
　　即使信號的正常內(nèi)容充分地處在觸發(fā)性能指示范圍之內(nèi)，如果高速時的觸發(fā)靈敏度不夠，你也可能檢測不到窄毛刺或截斷的脈沖。幸運的是，諸如SiGe（鍺硅）觸發(fā)電路拓撲等創(chuàng)新技術(shù)已經(jīng)開始克服這種限制。工程師通常將示波器的觸發(fā)特性看作是給定的特性，并假定他們一直使用的邊沿觸發(fā)和毛刺觸發(fā)會滿足要求。事實上，就進行實際工作而言，觸發(fā)靈敏度也是儀器的主要技術(shù)指標。
　　每臺示波器都具有邊沿觸發(fā)功能，大多數(shù)高端的儀器還具有“高級”觸發(fā)功能。邊沿觸發(fā)可簡單地檢測超出電壓門限的事件，而高級觸發(fā)則采用多得多的與電壓、定時或邏輯條件等有關(guān)的條件。高級觸發(fā)對于串行傳輸?shù)臄?shù)字信號正變得日益重要。
　　在某些情況下，高級觸發(fā)裝置可能是觸發(fā)有關(guān)信號的唯一方法。例如，利用一臺多通道InfiniBand設(shè)備的設(shè)計師必須確保各個通道時間校準在特定容差以內(nèi)——也就是，說各個通道不僅需要符合標準，而且還要能夠正常運行。
　　處理這個測量難題的正規(guī)方法是對數(shù)據(jù)流中的一個字符進行觸發(fā)，并且測量通道之間的時滯，即時間偏移。測量結(jié)果可概括某個時刻的時滯值。測量結(jié)果常常是暫時良好，但還不足以預(yù)測長期的穩(wěn)定工作。
　　最近，具有全功能雙觸發(fā)的示波器已大大簡化了在不同時間觀察這些時滯變化的復雜任務(wù)。你可以根據(jù)觸發(fā)條件整個菜單定義兩個高級觸發(fā)器。在數(shù)據(jù)字符激發(fā)第一個觸發(fā)器之后，第二觸發(fā)器可在一段時間內(nèi)查找時滯誤差，或者重新配置第一個觸發(fā)器來再次啟動搜索（圖2）。必要的話，這種設(shè)置可以為一個誤差組合的發(fā)生等待數(shù)日。

圖2，一個雙觸發(fā)的屏幕截圖顯示了高速串行通道的時滯損傷。請注意觸發(fā)復位條件；如果在第二個事件發(fā)生之前時限期滿，序列本身就會重新啟動。
　　在評估示波器時，觸發(fā)器技術(shù)指標很少放在優(yōu)先考慮的位置上。但是，在檢測和捕獲復雜的或間歇的事件時，觸發(fā)系統(tǒng)起全面的輔助作用。你在進行未被注意的長期時滯測量時節(jié)省的時間足以補償花在領(lǐng)會觸發(fā)器技術(shù)指標的言外之意上的時間。
　　更多“次要”技術(shù)指標
　　帶寬、采樣率等主要技術(shù)指標使迄今為止本文討論的技術(shù)指標處于次要地位。在這一方面，這些“次要”技術(shù)指標并不是孤立的。在評估示波器時，設(shè)計師常常會將其它參數(shù)看作次要問題，但是這些問題可能使你達到或錯過某個緊急的工程期限。
　　嵌入式時鐘恢復是符合很多串行標準的示波器眼圖分析的基礎(chǔ)，并且還支持諸如CDR（時鐘數(shù)據(jù)恢復，圖3）的測量。利用嵌入式時鐘信號的設(shè)計師除了必須考慮主要的技術(shù)指標外，還必須仔細考慮為了使時鐘恢復更快、更方便、更靈活、更具有重復性，示波器能夠做些什么。
　　與往常一樣，應(yīng)用系統(tǒng)的要求指導著設(shè)計師的選擇。你必須問一問自己：你是將示波器用來進行故障排除還是用來進行一致性測量？什么樣的時鐘恢復機制是可以使用的？示波器是否能實時恢復時鐘，使其能顯示動態(tài)眼圖特性？
　　大多數(shù)高端示波器要么提供基于軟件的時鐘恢復，要么提供基于硬件的時鐘恢復。你可以通過存儲的采集數(shù)據(jù)產(chǎn)生軟件時鐘恢復�；�于軟件的時鐘恢復法是一種使用應(yīng)用軟件（如Tektronix公司TDSRT（實時）-Eye自動化一致性測試與分析軟件）的公認的一致性測試工具。
　　你可以使用基于PLL（鎖相環(huán)）的時鐘恢復來獲得實時眼圖，但是這里還存在另一個領(lǐng)會言外之意的問題：不論是軟件恢復還是硬件恢復，PLL能否適應(yīng)目前串行標準中不斷演進的時鐘頻率？有些PLL能適應(yīng)，有些PLL則不能。嚴格地說，要了解這種差別就得付出代價。
　　眼圖測量例證了設(shè)計師需要用示波器進行的一些最復雜的程序；另一個例子是抖動測量。在這兩種情況下，設(shè)計師可能得益于在示波器上運行的應(yīng)用軟件的專業(yè)知識。軟件工具將學習曲線降到最低限度，并大大縮短了安裝時間、測量時間和分析時間（圖3）。然而，這些軟件工具決不會出現(xiàn)在主要技術(shù)指標清單之中。工程師必須自己下功夫，透過主要指標確保提供合適的工具。

圖3，眼圖分析應(yīng)用軟件可簡化復雜的測量，但卻極少出現(xiàn)在示波器主要技術(shù)指標清單中。
　　超越探頭指標
　　探測問題引出了又一次技術(shù)指標討論。本文介紹的所有采集和分析功能全都取決于信號在被測設(shè)備和示波器本身之間的可靠傳輸。許多新的高速接口標準均采用差分信號傳輸，而不是比較熟悉的單端通信。
　　盡管探測方法具有自己的主要技術(shù)指標，尤其是帶寬和載荷方面的技術(shù)指標，了解示波器和探頭作為一個系統(tǒng)共同工作的含義也是非常重要的。示波器系統(tǒng)是否提供真正的差分探測工具？如果示波器沒有使用這些工具，那么除了某些特定類型的測量之外，你必須使用兩個單端探頭和單板計算工具。此外，諸如共模抑制、靈敏度、響應(yīng)精度和本底噪聲等問題全都會使探頭對信號產(chǎn)生影響。在測量目前的高速信號時，這些參數(shù)上的細微差別可能會導致巨大的探頭負載失真。
　　在示波器的主要技術(shù)指標中，探頭連接方法極少能夠列入，但它們在每次測量中卻是極其重要的。一些制造商給被測設(shè)備安裝有SMA 測試點，而另一些制造商則要求能觸及微型表面安裝器件上的一根根引腳。要確定示波器的探頭系列是否能滿足所有這些要求。
　　簡言之，主要技術(shù)指標仍然是示波器之間進行比較的公認標準。但是，為了仔細考察影響日常工作的基本性能，精明的工程師應(yīng)該透過主要指標領(lǐng)會言外之意。如果從總體上考慮，一些有關(guān)采集、觸發(fā)、分析工具和探測方面的不太起眼的技術(shù)指標卻與描述帶寬、采樣率和記錄長度的重大數(shù)據(jù)同樣重要。這些都與完成工作有關(guān)，就連最不起眼的技術(shù)指標有時候也能決定著成功與失敗。

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