評估示波器：要深挖細(xì)找次要技術(shù)指標(biāo)
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作者：Colin Shepard,Tektronix公司
時間：2005-09-05
來源：EDN電子設(shè)計技術(shù)
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評估示波器：要深挖細(xì)找次要技術(shù)指標(biāo)
領(lǐng)會主要技術(shù)指標(biāo)——帶寬、采樣率及記錄長度——的言外之意，深入分析那些影響你設(shè)計效率甚至有效性的細(xì)微差別和不大引人注意的特性。
多年以來，電子系統(tǒng)的性能隨著半導(dǎo)體集成度及功能的穩(wěn)步提高、仿真模型的改進(jìn)、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(fù)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(yán)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(biāo)題中列出的技術(shù)指標(biāo)，這種情況太普遍了。在這些主要的技術(shù)指標(biāo)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(biāo)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(biāo)背后所隱藏的細(xì)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(biāo)理所當(dāng)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(biāo)，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(fù)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(biāo)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(biāo)的基礎(chǔ)。不論是否具有DSP增強(qiáng)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(kuò)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(dāng)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(kuò)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(biāo)，例如帶寬。但是，眼圖分析還取決于時鐘恢復(fù)、探測、觸發(fā)等功能。透過主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)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(kuò)展并只使用示波器的固有模擬帶寬和上升時間進(jìn)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(biāo)可能不會被廠商大肆宣揚(yáng)，但卻是選擇高性能示波器的一個重要考慮因素。
信號的復(fù)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(fù)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(yùn)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(biāo)。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(biāo)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(dāng)然，觸發(fā)系統(tǒng)具有自己的主要技術(shù)指標(biāo)。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(biāo)是“觸發(fā)靈敏度”。這個技術(shù)指標(biāo)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(yùn)的是，諸如SiGe（鍺硅）觸發(fā)電路拓?fù)涞葎?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(jìn)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(biāo)。
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(zhǔn)在特定容差以內(nèi)——也就是，說各個通道不僅需要符合標(biāo)準(zhǔn)，而且還要能夠正常運(yùn)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(jìn)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(fù)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。
多年以來，電子系統(tǒng)的性能隨著半導(dǎo)體集成度及功能的穩(wěn)步提高、仿真模型的改進(jìn)、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(fù)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(yán)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(biāo)題中列出的技術(shù)指標(biāo)，這種情況太普遍了。在這些主要的技術(shù)指標(biāo)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(biāo)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(biāo)背后所隱藏的細(xì)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(biāo)理所當(dāng)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(biāo)，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(fù)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(biāo)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(biāo)的基礎(chǔ)。不論是否具有DSP增強(qiáng)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(kuò)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(dāng)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(kuò)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(biāo)，例如帶寬。但是，眼圖分析還取決于時鐘恢復(fù)、探測、觸發(fā)等功能。透過主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)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(kuò)展并只使用示波器的固有模擬帶寬和上升時間進(jìn)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(biāo)可能不會被廠商大肆宣揚(yáng)，但卻是選擇高性能示波器的一個重要考慮因素。
信號的復(fù)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(fù)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(yùn)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(biāo)。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(biāo)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(dāng)然，觸發(fā)系統(tǒng)具有自己的主要技術(shù)指標(biāo)。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(biāo)是“觸發(fā)靈敏度”。這個技術(shù)指標(biāo)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(yùn)的是，諸如SiGe（鍺硅）觸發(fā)電路拓?fù)涞葎?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(jìn)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(biāo)。
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(zhǔn)在特定容差以內(nèi)——也就是，說各個通道不僅需要符合標(biāo)準(zhǔn)，而且還要能夠正常運(yùn)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(jìn)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(fù)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。
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