论在评估示波器中次要技术指标的重要性

2007-03-09

近几年来，随着半导体集成度和功能的稳步提高、模拟模型的不断改进、结构不断变化等等，电子系统的性能正在不断提高。但是，设备之间的信令速度和技术并没有明显变化。为什么呢？因为过去的I/O信令结构足以完成工作，而实现变动的底层技术还没有到位。　　在过去5年左右的时间中，工程师一直把重点更多地放在低压差分信令上，以明显提高系统性能。数据速率已经以几何级数提高，推动着设备之间的通信更广泛地采用复杂的串行协议，如PCI Express、Infiniband、XAUI等等。这些环境涵盖了各种数据速率和传输结构，但所有这些数据速率和传输结构都需要严格的设计和检验方法。　　这使得示波器等测试设备的重要性大大提高。工程师依赖示波器分析串行设备设计的性能，支持检验和调试工作。他们的任务包括精确进行参数测量、检修和信号完整性分析。在开发流程后期，他们转向示波器，生成眼图进行一致性测试。　　选择示波器的工程师经常只考虑产品手册和杂志广告标题中列明的技术指标。人们最熟知的指标是带宽、取样速率和记录长度。尽管衡量示波器性能的这些指标也非常重要，但它们并不能全面表明仪器在实际日常使用环境中的效果。例如，带宽指标仅指明了示波器的大体频率范围，而几乎与仪器可靠地检测和捕获快速异常事件的能力没有关系。　　因此，在评估示波器时，领会主要指标的言外之意非常重要。这个建议实际有两层含义：第一，最好深入分析厂商大肆宣传的技术指标后面所隐藏的细微差别；第二，记住要研究某些功能，这些功能可能不如市场上最经常吹捧的功能那样光彩夺目，但它们可能会明显影响设计人员工作的效果，甚至会影响工作的有效性。　　带宽界定　　带宽指标当然非常重要。对不断挑战高速串行总线结构极限的设计人员来说，在购买示波器时，带宽一直是其最首要的考虑因素。　　但是，带宽本身只是描述仪器频响的一个指标(正弦波滚降-3 dB的频率)。拥有相同额定带宽的两台示波器可能会拥有非常不同的上升时间，对复杂波形的响应完全不同。是不是需要认真推敲部分指标或功能，以更好地促进购买者决策呢？　　有两个方面可以回答这个问题，一个是示波器真正的上升时间性能，另一个是仪器在数字信号处理(DSP)模式下的行为。　　模拟上升时间是示波器带宽的函数。它试图使用教科书中的公式，从带宽中简单地计算上升时间，这是某些公布的上升时间指标的基础。客观测得的上升时间为测量提供了更好的基础，包括带有或不带DSP增强功能。每名工程师都了解上升时间响应的重要意义。衡量测得的上升时间与计算得出的上升时间之间的差异就是领会言外之意。　　可以使用DSP滤波，扩展示波器的净带宽，使其频响平坦化，在通道之间提供更好的匹配。在被测设备采用高速多通路串行传输环境时，这些都是关键功能。但是，DSP会引入某些误差，其一般会与超过实际模拟带宽的频率范围部分成比例提高。　　什么时候应该使用DSP呢？在测量低于纳秒的上升时间或眼图时(图1)，从示波器中获取最大带宽至关重要。很明显，这有利于DSP方法。最快速的测量几乎一直需要最高的带宽。　　但有时可以通过某种方式旁路DSP扩展技术，仅使用仪器本身的模拟带宽和上升时间。例如，某些研究人员使用专用DSP算法，需要处理示波器中的原始数据。在这种情况下，DSP旁路功能非常重要。这类指标可能并不会被厂商大肆宣传，但在选择高性能示波器时是一个重要考虑因素。　　[b]示波器触发与信号复杂性 [/b]　　"高速测量"一词在低于纳秒的边沿和快速时钟速率方面有各种各样的含义。有时人们忽略了这些高速测量通常是复杂性非常高的测量。捕获数据流中的某个码要涉及判断、运气、估算、猜测…或正确选择触发功能。　　示波器触发决定着使用仪器可以捕获、查看和测量的项目，这一功能与带宽和取样速率一样重要。触发系统有自己不同的一套技术指标。触发通路一般是主输入信号通路的支路，应该体现许多相同的环境特点，如灵敏度、抖动等等。触发性能的另一个指标是触发类型的范围，也就是在发生触发时可以定义的条件。　　当然，触发系统有自己的主要指标。选择示波器测量快速串行信号的设计人员可能会认为触发通路的带宽与仪器规定的带宽相同。事实上，相关的指标是触发灵敏度。这一指标体现了一个简单的问题：在捕获频率范围顶部附近的信号时，幅度要求是什么？在许多示波器中，触发灵敏度与模拟采集带宽是不匹配的。　　即使信号的正常成分完全落在触发器的性能指标范围内，但是如果高速时的触发灵敏度不足，仍可能会检测不到窄毛刺或截断的脉冲。幸运的是，硅锗(SiGE)触发电路拓扑等创新技术已经开始克服了这种限制。　　工程师通常把示波器的触发功能视为"一定的"，认为他们一直使用的边沿和毛刺触发是足够的。但事实上，为有效完成实际工作，触发灵敏度也是仪器的主要指标。　　每台示波器都具有边沿触发功能，大多数高端仪器还具有"高级"触发功能。边沿触发技术简单地检测超出电压门限的事件，高级触发则应用与电压、定时或逻辑条件等有关的更多指标。在以串行方式传输的数字信号领域中，高级触发正变得越来越重要。　　在某些情况下，高级触发设置可能是触发感兴趣的实际信号的唯一方式。例如，处理多通路Infiniband设备的设计人员必须保证通路时间落在特定容许误差范围内，不仅要符合标准，还要能够正常运行。　　应对这一测量挑战的普通方式是触发一条数据流中的一个特点，然后测量不同通路之间的偏移或时间位移。测量结果会汇总某个时点上的偏移值，这提供了有用的信息，但通常不足以保证仪器在长期内稳定运行。　　最近，采用全功能双触发技术的示波器已经明显简化了在不同时间观察这些偏移变化的复杂任务。可以定义两种高级触发功能，并可以从完整的触发条件菜单中选择每种功能。在数据特点激发第一个触发器时，第二个触发器可以找到设定期间内的偏移误差，或重新装备第一个触发器，再次启动搜索，如图2所示。在必要时，可以设置成用几天时间等待发生误差组合。　　在评估示波器时，触发指标很少放在优先考虑的位置上。但是，触发系统在检测和捕获复杂事件或间歇性事件方面是一个重要的配套指标。在长期内以无人值守的方式进行偏移测量可以节约大量的时间，这要比认真推敲触发指标强得多！　　相关的"次要"指标　　到目前为止，我们讨论的技术指标通常要次于带宽、取样速率等主要指标。但事实上，在示波器评估过程中经常被视为次要问题的许多其它参数，可能会促进或阻碍紧张的工程时间表。　　对许多串行标准来说，嵌入式时钟恢复是示波器眼图分析的基础，它还为时钟到数据恢复(CDR如图3所示)等测量提供支持。处理嵌入式时钟信号的设计人员除了要考察主要指标外，还要考虑示波器可以通过哪些方式使时钟恢复得更快、更简便、更灵活、可重复性更高。　　应用需求一直引导着选择方向。示波器能否用于检修或一致性测量？有哪些时钟恢复机制？示波器能不能实时恢复时钟，显示动态眼图特点？　　大多数高端示波器都提供了两种时钟恢复中的一种方法，即基于软件的时钟恢复或基于硬件的时钟恢复。软件时钟恢复从存储的采集数据中生成。对采用TDSRT-Eye自动化一致性测试和分析软件等程序的一致性测试，软件方法是公认的首选工具。　　可以使用基于锁相环(PLL)的时钟恢复，进行实时眼图采集，但这里也需要认真推敲指标：PLL (可以是软件恢复或硬件恢复)能不能适应当前串行标准中演变的时钟频率？有些能，有些不能，因此必须了解其间的差异。　　眼图测量是设计人员需要使用示波器进行的某些最复杂的程序，另一个实例是抖动测量。在这两种情况下，设计人员都可以从示波器上运行的应用软件的专业经验中受益。软件工具最大限度地减少了学习时间，明显降低了设置、测量和分析时间，如图3所示。但是，这些工具从没有出现在主要指标清单内。工程师必须自己下功夫，透过主要指标，保证提供适当的工具。　　探头指标　　还需要讨论探头指标。这里介绍的所有采集和分析功能都取决于信号在被测设备与示波器本身之间的真实传输。许多新型高速接口标准基于差分信令，而不是人们比较熟悉的单端通信。　　尽管探头解决方案有自己的主要指标，特别是在带宽和负荷方面，但还应了解示波器和探头作为一个系统使用时产生的影响。示波器系统是否提供了真正的差分探头工具？如果没有，那么有必要使用两个单端探头和机载数学运算，排除某些测量类型。此外，共模抑制、灵敏度、响应精度和本底噪声等问题都影响着探头对信号的影响。在测量当前高速信号时，这些参数很小的差异，都可能会导致很大的探头负荷失真。　　探头连接方法很少被放到示波器主要指标中，但它们在每项测量中都非常重要。某些被测设备装有SMA测试点，其它设备则要求接触微小的表面封装设备上的各个针脚。示波器的系列探头解决方案能否满足所有这些需求？　　总结　　主要指标一直是比较示波器的公认标准。但是，精明的工程师会透过主要指标，仔细考察影响日常任务的底层性能。从整体上看，采集、触发、分析工具和探测中的某些不太显著的指标可能会和描述带宽、取样速率和记录长度的"主打"指标一样重要。一切应以工作为中心，即使最次要的指标有时也会决定着成败。