用數(shù)字示波器對(duì)系統(tǒng)總線實(shí)時(shí)抖動(dòng)測(cè)試不失為實(shí)用可靠之方法

　　1、問題的引出

　　在研發(fā)項(xiàng)目中常遇到下列幾種情況：第一、隨著計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)總線速度的顯著提高，特別是各種不同的采用內(nèi)嵌時(shí)鐘技術(shù)的高速串行總線日益普及，定時(shí)抖動(dòng)已經(jīng)成為影響其性能的基本因素;第二、在一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)中，電源噪聲有多種不同的來源，即隨機(jī)噪聲與來自于開關(guān)電源或其他數(shù)字電路的數(shù)字毛刺，就會(huì)造成信號(hào)質(zhì)量的降低;再則，又如DVD普遍于國(guó)內(nèi)外伴隨的品質(zhì)控制-抖動(dòng)問題又成為用戶關(guān)注的焦點(diǎn)。

　　如何面對(duì)關(guān)系到系統(tǒng)成敗關(guān)鍵的上述領(lǐng)域所具有共性的抖動(dòng)測(cè)量技術(shù)與方法是我們應(yīng)研討的方案。

　　往常對(duì)計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)與DVD品質(zhì)控制的測(cè)試中，較多的采用二種方法：其一、使用專用測(cè)量設(shè)備，如誤碼儀(BERT)或LE 1875抖動(dòng)分析測(cè)量?jī)x， 在技術(shù)上采用了數(shù)字時(shí)間取樣和處理技術(shù)(TIA)，配合一個(gè)全彩色LCD顯示屏，可以提供快速、全面和精確的分析，便于研制、生產(chǎn)、品質(zhì)控制部門對(duì)DVD-RAM進(jìn)行跟蹤檢測(cè);其二、為了衡量一個(gè)時(shí)鐘源對(duì)于電源噪聲的抑制能力，我們將一個(gè)正弦信號(hào)注入到電源，然后在各單一頻點(diǎn)測(cè)量確定性抖動(dòng)?？梢圆捎枚喾N不同的設(shè)備完成這種測(cè)試，例如數(shù)字示波器、時(shí)間間隔分析儀(TIA)，或者頻譜分析儀。

　　上述用專用誤碼儀或抖動(dòng)分析測(cè)量?jī)x迸行測(cè)量方法是可行的，但對(duì)每一個(gè)項(xiàng)目中的不同類型的抖動(dòng)去購(gòu)買不同類型專用設(shè)備是價(jià)格昂貴功能單一，并不適合設(shè)計(jì)人員和調(diào)試人員。而作為一個(gè)研發(fā)來說，直接使用DS1000數(shù)字存儲(chǔ)示波器對(duì)實(shí)時(shí)高速串行總線抖動(dòng)測(cè)試不失為實(shí)用可靠之方法。

　　2、高速串行總線抖動(dòng)測(cè)量技術(shù)

　　2.1全面有效的測(cè)試和分析抖動(dòng)是必須的

　　越來越多的高速計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)開始采用高速串行總線在芯片間，背板間和系統(tǒng)設(shè)備間傳送高速數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，任何微小的高速時(shí)鐘和數(shù)據(jù)抖動(dòng)都會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響，在這種情況下，抖動(dòng)已經(jīng)成為設(shè)計(jì)高速數(shù)字系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。其最典型的例如：PXI模塊化系統(tǒng)串行高速總線實(shí)時(shí)抖動(dòng)測(cè)試。

　　PXl是一種專為工業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)化應(yīng)用度身定制的模塊化儀器平臺(tái)，具備機(jī)械、電氣與軟件等多方面的專業(yè)特性。PXl(PCIextensions for lnstrumentation)充分利用了當(dāng)前最普及的臺(tái)式計(jì)算機(jī)高速標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)-PCI。PXl規(guī)范是CompactPCI規(guī)范的擴(kuò)展。CompactPCI定義了封裝堅(jiān)固的工業(yè)版PCI總線架構(gòu)，在硬件模塊易于裝卸的前提下提供優(yōu)秀的機(jī)械整合性。

　　其PXI系統(tǒng)機(jī)箱為系統(tǒng)提供了堅(jiān)固的模塊化封裝結(jié)構(gòu)。按尺寸不同，機(jī)箱有4槽到18槽不等，機(jī)箱具有高性能PXI背板，它包括PCI總線，定時(shí)和觸發(fā)總線，并且還可以有一些專門特性，如DC電源和集成式信號(hào)調(diào)理。 PXl在背板上結(jié)合了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的PCI總線和測(cè)量與自動(dòng)化系統(tǒng)專用的定時(shí)與觸發(fā)特性高級(jí)及同步擴(kuò)展。

　　需指出的是，傳統(tǒng)的33M PCI并行總線正在被采用高速串行技術(shù)的PCI-Express取代，而它的最新標(biāo)準(zhǔn)支持的數(shù)據(jù)率已經(jīng)到5Gb/S，一個(gè)U1的寬度僅200ps。實(shí)際上對(duì)PXI模塊化系統(tǒng)串行高速總線實(shí)時(shí)抖動(dòng)測(cè)試。就是對(duì)高速串行技術(shù)的PCIBus實(shí)時(shí)抖動(dòng)的測(cè)試。

　　因?yàn)樗鼈內(nèi)魏挝⑿〉亩秳?dòng)都會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。從當(dāng)前各種高速串行總線和數(shù)據(jù)鏈路的定時(shí)余量規(guī)范中表明，在數(shù)字系統(tǒng)中嚴(yán)格地控制抖動(dòng)是必須的。只有全面有效的測(cè)試和分析抖動(dòng)，其根本原因才能被隔離，從而針對(duì)引起系統(tǒng)抖動(dòng)的原因來減少抖動(dòng)，提高PXI系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。

　　2.2 DS1000數(shù)字示波器對(duì)PXI模塊化系統(tǒng)進(jìn)行的高速串行總線系統(tǒng)實(shí)時(shí)抖動(dòng)測(cè)試方法

　　由于DS1000數(shù)字示波器具有因更深的1MB存儲(chǔ)深度可提供很高的采樣率高(實(shí)時(shí)采樣率400 MSa/s，等效采樣率高達(dá)25 GSa/s)，采集頻帶寬(25-100MHz)、再加上顯示屏畫面清晰醒目及靈敏度高的特征，故用于高速串行總線抖動(dòng)此的測(cè)量是不失為實(shí)用而又可靠之方法，它是迸行實(shí)時(shí)抖動(dòng)測(cè)試方法并探討影響抖動(dòng)測(cè)試結(jié)果的關(guān)鍵因素。由此可見它們均為實(shí)用簡(jiǎn)易而可靠之裝置。

　　常用的測(cè)試方法是采用DS1000數(shù)字示波器的實(shí)時(shí)捕獲模式，單次分析和抖動(dòng)分解得到每一個(gè)抖動(dòng)分量，幫助設(shè)計(jì)和測(cè)試人員分析抖動(dòng)產(chǎn)生的原因，甚至通過抖動(dòng)分解估算系統(tǒng)的誤碼率。例如，在有關(guān)抖動(dòng)和信號(hào)完整性方法論用DS1000數(shù)字示波器器配合抖動(dòng)分析軟件進(jìn)行抖動(dòng)測(cè)試和分析。以下作抖動(dòng)測(cè)試與精度分析。

　　2.3基于高采樣率的抖動(dòng)測(cè)試

　　由于DS1000數(shù)字示波器具有豐富的觸發(fā)功能：邊沿、視頻、脈寬、斜率、交替、碼型和持續(xù)時(shí)間觸發(fā)等功能，為抖動(dòng)測(cè)試提供極為方便的條件。抖動(dòng)可以描述為相鄰脈：中邊沿、甚至非相鄰脈;中邊沿周期或相位的定時(shí)變化。這些指標(biāo)適合檢定長(zhǎng)期和短期的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。通過更加深入地分析抖動(dòng)指標(biāo)，利用抖動(dòng)測(cè)試結(jié)果，預(yù)測(cè)復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸性能。

　　周期抖動(dòng)用來衡量時(shí)鐘或數(shù)據(jù)周期樣點(diǎn)的邊沿到邊沿定時(shí)。例如，通過測(cè)量1000個(gè)時(shí)鐘周期上升沿之間的時(shí)間，可以對(duì)統(tǒng)計(jì)的周期取樣，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)會(huì)告訴您信號(hào)的質(zhì)量。標(biāo)準(zhǔn)偏差等價(jià)于RMS周期抖動(dòng)，最大周期減去最小周期，得到峰到峰周期抖動(dòng)。每個(gè)不同周期測(cè)量的精度決定著抖動(dòng)測(cè)量的精度。

　　相位抖動(dòng)用來衡量被測(cè)信號(hào)邊沿相對(duì)于一個(gè)參考信號(hào)邊沿的時(shí)間偏差，從而可以檢測(cè)到信號(hào)相位中的任何變化。這一指標(biāo)在許多方面不同于周期測(cè)量指標(biāo)。第一，它單獨(dú)使用每個(gè)邊沿，而沒有使用period周期測(cè)量，它可以測(cè)量大的時(shí)間位移。邊沿相位可以偏離幾百或幾千度，但仍可以以非常高的精度進(jìn)行測(cè)量(360度等于一個(gè)周期或循環(huán)時(shí)間)。測(cè)量相位誤差常用的指標(biāo)是時(shí)間間隔誤差(TIE)，測(cè)量結(jié)果用相對(duì)于度的秒來表示。TIE把信號(hào)邊沿與參考邊沿匹配起來，對(duì)各邊沿之差相加計(jì)算總和。在比較了大量的邊沿之后，可以為分析提供一個(gè)樣點(diǎn)集合。與上面的周期測(cè)量一樣，標(biāo)準(zhǔn)偏差變成RMS TIE，最大時(shí)間減最小時(shí)間得到峰到峰值(peak-to-peak)TIE等等。

　　2.4清晰顯示抖動(dòng)測(cè)試波形與參數(shù)

　　TIE測(cè)試精度取決于構(gòu)成樣點(diǎn)集合的各個(gè)測(cè)量的精度。而其波形和上升時(shí)間的描繪都是通過實(shí)時(shí)采樣電路和高速A/D變換器獲得波形數(shù)據(jù)，再通過插值運(yùn)算得到的。由于DS1000數(shù)字示波器是5.7’64K色TFT彩色液晶屏 使對(duì)一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的不同抖動(dòng)測(cè)試波形與參數(shù)顯示更加清晰，見圖2示意所示。

　　2.5良好的定時(shí)穩(wěn)定度與Sin(X)/X正弦內(nèi)插技術(shù)是測(cè)試精度的保證

　　對(duì)于具有定量指標(biāo)要求的參數(shù)精度的測(cè)量非常重要關(guān)，而這方面所選用的示波器是否具有良好的定時(shí)穩(wěn)定度與Sin(X)/X正弦內(nèi)插技術(shù)有很重要的關(guān)系。特別對(duì)抖動(dòng)測(cè)的精度更是如此，只有這樣才能以保證足夠的容許誤差和測(cè)量余量。這是為什么?

　　因其內(nèi)插誤差是指由在實(shí)際電壓樣點(diǎn)之間進(jìn)行線性內(nèi)插導(dǎo)致的誤差。在測(cè)量100ps上升時(shí)間的信號(hào)、示波器以25GSa/s采樣率在50%電壓門限上進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，這一誤差要小于0.3ps RMS。值此應(yīng)用DS1000數(shù)字示波器較高的Sin(X)/X正弦內(nèi)插技術(shù)減小誤差。在大多數(shù)情況下，這一原因?qū)е碌恼`差會(huì)遠(yuǎn)小于其它誤差源，則通過使用如Sin(X)/X內(nèi)插，可以進(jìn)一步減小這一誤差較為合適，當(dāng)然也可有其它方法亦可改善。

　　而良好的定時(shí)穩(wěn)定度主要取決于包括DS1000示波器的抗干擾性能、定時(shí)穩(wěn)定度、取樣噪聲、儀器幅度本底噪聲和內(nèi)插誤差等因素。通過測(cè)定此DS1000數(shù)字示波器在這方面是能以良好的性能獲得了實(shí)時(shí)抖動(dòng)測(cè)試的精度。由于DSl000數(shù)字示波器集成USB Host，支持U盤存儲(chǔ)、USB接口打印和直接系統(tǒng)升級(jí)功能，在軟件測(cè)試方面有較好的支持，故對(duì)示波器上所顯示的波形進(jìn)行存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸并通過打印機(jī)直接打印。