評估示波器：要深挖細找次要技術(shù)指標
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作者：Colin Shepard,Tektronix公司
時(shí)間：2005-09-05
來(lái)源：EDN電子設計技術(shù)
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評估示波器：要深挖細找次要技術(shù)指標
領(lǐng)會(huì )主要技術(shù)指標——帶寬、采樣率及記錄長(cháng)度——的言外之意，深入分析那些影響你設計效率甚至有效性的細微差別和不大引人注意的特性。
多年以來(lái)，電子系統的性能隨著(zhù)半導體集成度及功能的穩步提高、仿真模型的改進(jìn)、體系結構的變化等等而在同步提高。盡管有這些提高，但設備之間的信號傳輸速度和技術(shù)卻沒(méi)有發(fā)生明顯改變，因為I/O信號傳輸體系結構足以勝任工作，而支持變動(dòng)的技術(shù)還沒(méi)有就緒。
在過(guò)去的大約5年中，為了在系統性能上獲得驚人的提高，工程師更加專(zhuān)注于LVDS（低壓差分信號傳輸）。數據速率提高了一個(gè)數量級，從而推動(dòng)適用于設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據速率和傳輸體系結構，不過(guò)全都需要嚴格的設計和驗證方法。
這種要求使得諸如示波器等測試設備比以往更加重要。工程師依靠示波器來(lái)分析其串行設備設計的性能，并支持驗證和調試工作。工程師的任務(wù)包括精確的參數測量、故障檢修以及信號完整性分析。在開(kāi)發(fā)過(guò)程的后期，工程師改用示波器來(lái)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(cháng)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(shuō)明示波器的大致頻率范圍，幾乎不能說(shuō)明示波器可靠地檢測并捕獲快速異?，F象的能力。
因此，在評估示波器時(shí)，領(lǐng)會(huì )主要技術(shù)規格的言外之意是很重要的。這個(gè)忠告實(shí)際上具有兩方面的含意。首先，這是一種告誡，應該深入分析廠(chǎng)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，應該研究那些對設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(chǎng)商最經(jīng)常在市場(chǎng)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(xiàn)體系結構極限的設計師來(lái)說(shuō)，在購買(mǎi)示波器時(shí)，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(guò)是描述儀器頻響的一個(gè)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(shí)間和完全不同的響應。有沒(méi)有一個(gè)具有言外之意的、更好體現購買(mǎi)者決心的技術(shù)指標或特性呢？這個(gè)問(wèn)題的答案有兩個(gè)方面：示波器的真正上升時(shí)間性能和示波器在DSP模式下的性能。
模擬上升時(shí)間是示波器帶寬的函數。利用教課書(shū)上的公式從帶寬中簡(jiǎn)單計算上升時(shí)間是很吸引人的，這種計算也是某些公布的上升時(shí)間技術(shù)指標的基礎。不論是否具有DSP增強功能，客觀(guān)測得的上升時(shí)間為測量提供了更好的基礎。每一位工程師都懂得上升時(shí)間響應的重要性。權衡上升時(shí)間測量值與計算值之差異就是領(lǐng)會(huì )言外之意的一個(gè)例子。
你可以利用DSP濾波來(lái)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。當被測設備采用了高速多通道串行傳輸環(huán)境時(shí)，這些性能非常關(guān)鍵。但是，DSP會(huì )引入誤差，而這些誤差往往與實(shí)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(shí)鐘恢復、探測、觸發(fā)等功能。透過(guò)主要技術(shù)指標進(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(shí)間或眼圖（圖1）時(shí)，應該使用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，具有一種規避DSP擴展并只使用示波器的固有模擬帶寬和上升時(shí)間進(jìn)行測量的方法在某些時(shí)候也非常有用。例如，一些研究人員使用專(zhuān)用的DSP算法，并需要處理示波器的原始數據。在這樣的情況下，DSP規避特性非常重要。這種技術(shù)指標可能不會(huì )被廠(chǎng)商大肆宣揚，但卻是選擇高性能示波器的一個(gè)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(shí)鐘速率而言，“高速測量”這個(gè)詞有各種含義。設計師有時(shí)候會(huì )忽略這些高速測量通常是復雜性非常高的測量這種情況。捕獲數據流中的一個(gè)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(guān)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(gè)支路，應該體現很多相同的環(huán)境屬性：靈敏度、抖動(dòng)等。觸發(fā)性能的另一個(gè)指標是觸發(fā)類(lèi)型的范圍——為確定何時(shí)發(fā)生觸發(fā)而可以定義的條件。
當然，觸發(fā)系統具有自己的主要技術(shù)指標。選用示波器來(lái)測量快速串行信號的設計師可能會(huì )假設觸發(fā)路徑具有與示波器的規定帶寬相同的帶寬。事實(shí)上，相關(guān)的指標是“觸發(fā)靈敏度”。這個(gè)技術(shù)指標體現了一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題：在頻率范圍頂部附近捕獲信號時(shí)，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。
即使信號的正常內容充分地處在觸發(fā)性能指示范圍之內，如果高速時(shí)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(kāi)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(huì )滿(mǎn)足要求。事實(shí)上，就進(jìn)行實(shí)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，大多數高端的儀器還具有“高級”觸發(fā)功能。邊沿觸發(fā)可簡(jiǎn)單地檢測超出電壓門(mén)限的事件，而高級觸發(fā)則采用多得多的與電壓、定時(shí)或邏輯條件等有關(guān)的條件。高級觸發(fā)對于串行傳輸的數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設備的設計師必須確保各個(gè)通道時(shí)間校準在特定容差以?xún)取簿褪?，說(shuō)各個(gè)通道不僅需要符合標準，而且還要能夠正常運行。
處理這個(gè)測量難題的正規方法是對數據流中的一個(gè)字符進(jìn)行觸發(fā)，并且測量通道之間的時(shí)滯，即時(shí)間偏移。測量結果可概括某個(gè)時(shí)刻的時(shí)滯值。測量結果常常是暫時(shí)良好，但還不足以預測長(cháng)期的穩定工作。
最近，具有全功能雙觸發(fā)的示波器已大大簡(jiǎn)化了在不同時(shí)間觀(guān)察這些時(shí)滯變化的復雜任務(wù)。你可以根據觸發(fā)條件整個(gè)菜單定義兩個(gè)高級觸發(fā)器。在數據字符激發(fā)第一個(gè)觸發(fā)器之后，第二觸發(fā)器可在一段時(shí)間內查找時(shí)滯誤差，或者重新配置第一個(gè)觸發(fā)器來(lái)再次啟動(dòng)搜索（圖2）。必要的話(huà)，這種設置可以為一個(gè)誤差組合的發(fā)生等待數日。
多年以來(lái)，電子系統的性能隨著(zhù)半導體集成度及功能的穩步提高、仿真模型的改進(jìn)、體系結構的變化等等而在同步提高。盡管有這些提高，但設備之間的信號傳輸速度和技術(shù)卻沒(méi)有發(fā)生明顯改變，因為I/O信號傳輸體系結構足以勝任工作，而支持變動(dòng)的技術(shù)還沒(méi)有就緒。
在過(guò)去的大約5年中，為了在系統性能上獲得驚人的提高，工程師更加專(zhuān)注于LVDS（低壓差分信號傳輸）。數據速率提高了一個(gè)數量級，從而推動(dòng)適用于設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據速率和傳輸體系結構，不過(guò)全都需要嚴格的設計和驗證方法。
這種要求使得諸如示波器等測試設備比以往更加重要。工程師依靠示波器來(lái)分析其串行設備設計的性能，并支持驗證和調試工作。工程師的任務(wù)包括精確的參數測量、故障檢修以及信號完整性分析。在開(kāi)發(fā)過(guò)程的后期，工程師改用示波器來(lái)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(cháng)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(shuō)明示波器的大致頻率范圍，幾乎不能說(shuō)明示波器可靠地檢測并捕獲快速異?，F象的能力。
因此，在評估示波器時(shí)，領(lǐng)會(huì )主要技術(shù)規格的言外之意是很重要的。這個(gè)忠告實(shí)際上具有兩方面的含意。首先，這是一種告誡，應該深入分析廠(chǎng)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，應該研究那些對設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(chǎng)商最經(jīng)常在市場(chǎng)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(xiàn)體系結構極限的設計師來(lái)說(shuō)，在購買(mǎi)示波器時(shí)，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(guò)是描述儀器頻響的一個(gè)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(shí)間和完全不同的響應。有沒(méi)有一個(gè)具有言外之意的、更好體現購買(mǎi)者決心的技術(shù)指標或特性呢？這個(gè)問(wèn)題的答案有兩個(gè)方面：示波器的真正上升時(shí)間性能和示波器在DSP模式下的性能。
模擬上升時(shí)間是示波器帶寬的函數。利用教課書(shū)上的公式從帶寬中簡(jiǎn)單計算上升時(shí)間是很吸引人的，這種計算也是某些公布的上升時(shí)間技術(shù)指標的基礎。不論是否具有DSP增強功能，客觀(guān)測得的上升時(shí)間為測量提供了更好的基礎。每一位工程師都懂得上升時(shí)間響應的重要性。權衡上升時(shí)間測量值與計算值之差異就是領(lǐng)會(huì )言外之意的一個(gè)例子。
你可以利用DSP濾波來(lái)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。當被測設備采用了高速多通道串行傳輸環(huán)境時(shí)，這些性能非常關(guān)鍵。但是，DSP會(huì )引入誤差，而這些誤差往往與實(shí)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(shí)鐘恢復、探測、觸發(fā)等功能。透過(guò)主要技術(shù)指標進(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(shí)間或眼圖（圖1）時(shí)，應該使用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，具有一種規避DSP擴展并只使用示波器的固有模擬帶寬和上升時(shí)間進(jìn)行測量的方法在某些時(shí)候也非常有用。例如，一些研究人員使用專(zhuān)用的DSP算法，并需要處理示波器的原始數據。在這樣的情況下，DSP規避特性非常重要。這種技術(shù)指標可能不會(huì )被廠(chǎng)商大肆宣揚，但卻是選擇高性能示波器的一個(gè)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(shí)鐘速率而言，“高速測量”這個(gè)詞有各種含義。設計師有時(shí)候會(huì )忽略這些高速測量通常是復雜性非常高的測量這種情況。捕獲數據流中的一個(gè)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(guān)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(gè)支路，應該體現很多相同的環(huán)境屬性：靈敏度、抖動(dòng)等。觸發(fā)性能的另一個(gè)指標是觸發(fā)類(lèi)型的范圍——為確定何時(shí)發(fā)生觸發(fā)而可以定義的條件。
當然，觸發(fā)系統具有自己的主要技術(shù)指標。選用示波器來(lái)測量快速串行信號的設計師可能會(huì )假設觸發(fā)路徑具有與示波器的規定帶寬相同的帶寬。事實(shí)上，相關(guān)的指標是“觸發(fā)靈敏度”。這個(gè)技術(shù)指標體現了一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題：在頻率范圍頂部附近捕獲信號時(shí)，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。
即使信號的正常內容充分地處在觸發(fā)性能指示范圍之內，如果高速時(shí)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(kāi)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(huì )滿(mǎn)足要求。事實(shí)上，就進(jìn)行實(shí)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，大多數高端的儀器還具有“高級”觸發(fā)功能。邊沿觸發(fā)可簡(jiǎn)單地檢測超出電壓門(mén)限的事件，而高級觸發(fā)則采用多得多的與電壓、定時(shí)或邏輯條件等有關(guān)的條件。高級觸發(fā)對于串行傳輸的數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設備的設計師必須確保各個(gè)通道時(shí)間校準在特定容差以?xún)取簿褪?，說(shuō)各個(gè)通道不僅需要符合標準，而且還要能夠正常運行。
處理這個(gè)測量難題的正規方法是對數據流中的一個(gè)字符進(jìn)行觸發(fā)，并且測量通道之間的時(shí)滯，即時(shí)間偏移。測量結果可概括某個(gè)時(shí)刻的時(shí)滯值。測量結果常常是暫時(shí)良好，但還不足以預測長(cháng)期的穩定工作。
最近，具有全功能雙觸發(fā)的示波器已大大簡(jiǎn)化了在不同時(shí)間觀(guān)察這些時(shí)滯變化的復雜任務(wù)。你可以根據觸發(fā)條件整個(gè)菜單定義兩個(gè)高級觸發(fā)器。在數據字符激發(fā)第一個(gè)觸發(fā)器之后，第二觸發(fā)器可在一段時(shí)間內查找時(shí)滯誤差，或者重新配置第一個(gè)觸發(fā)器來(lái)再次啟動(dòng)搜索（圖2）。必要的話(huà)，這種設置可以為一個(gè)誤差組合的發(fā)生等待數日。
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