論在評估示波器中次要技術(shù)指標的重要性

 

近幾年來(lái)，隨著(zhù)半導體集成度和功能的穩步提高、模擬模型的不斷改進(jìn)、結構不斷變化等等，電子系統的性能正在不斷提高。但是，設備之間的信令速度和技術(shù)并沒(méi)有明顯變化。為什么呢？因為過(guò)去的I/O信令結構足以完成工作，而實(shí)現變動(dòng)的底層技術(shù)還沒(méi)有到位。
　　在過(guò)去5年左右的時(shí)間中，工程師一直把重點(diǎn)更多地放在低壓差分信令上，以明顯提高系統性能。數據速率已經(jīng)以幾何級數提高，推動(dòng)著(zhù)設備之間的通信更廣泛地采用復雜的串行協(xié)議，如PCI Express、Infiniband、XAUI等等。這些環(huán)境涵蓋了各種數據速率和傳輸結構，但所有這些數據速率和傳輸結構都需要嚴格的設計和檢驗方法。
　　這使得示波器等測試設備的重要性大大提高。工程師依賴(lài)示波器分析串行設備設計的性能，支持檢驗和調試工作。他們的任務(wù)包括精確進(jìn)行參數測量、檢修和信號完整性分析。在開(kāi)發(fā)流程后期，他們轉向示波器，生成眼圖進(jìn)行一致性測試。
　　選擇示波器的工程師經(jīng)常只考慮產(chǎn)品手冊和雜志廣告標題中列明的技術(shù)指標。人們最熟知的指標是帶寬、取樣速率和記錄長(cháng)度。盡管衡量示波器性能的這些指標也非常重要，但它們并不能全面表明儀器在實(shí)際日常使用環(huán)境中的效果。例如，帶寬指標僅指明了示波器的大體頻率范圍，而幾乎與儀器可靠地檢測和捕獲快速異常事件的能力沒(méi)有關(guān)系。
　　因此，在評估示波器時(shí)，領(lǐng)會(huì )主要指標的言外之意非常重要。這個(gè)建議實(shí)際有兩層含義：第一，最好深入分析廠(chǎng)商大肆宣傳的技術(shù)指標后面所隱藏的細微差別；第二，記住要研究某些功能，這些功能可能不如市場(chǎng)上最經(jīng)常吹捧的功能那樣光彩奪目，但它們可能會(huì )明顯影響設計人員工作的效果，甚至會(huì )影響工作的有效性。
　　帶寬界定
　　帶寬指標當然非常重要。對不斷挑戰高速串行總線(xiàn)結構極限的設計人員來(lái)說(shuō)，在購買(mǎi)示波器時(shí)，帶寬一直是其最首要的考慮因素。
　　但是，帶寬本身只是描述儀器頻響的一個(gè)指標(正弦波滾降-3 dB的頻率)。擁有相同額定帶寬的兩臺示波器可能會(huì )擁有非常不同的上升時(shí)間，對復雜波形的響應完全不同。是不是需要認真推敲部分指標或功能，以更好地促進(jìn)購買(mǎi)者決策呢？
　　有兩個(gè)方面可以回答這個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是示波器真正的上升時(shí)間性能，另一個(gè)是儀器在數字信號處理(DSP)模式下的行為。
　　模擬上升時(shí)間是示波器帶寬的函數。它試圖使用教科書(shū)中的公式，從帶寬中簡(jiǎn)單地計算上升時(shí)間，這是某些公布的上升時(shí)間指標的基礎?？陀^(guān)測得的上升時(shí)間為測量提供了更好的基礎，包括帶有或不帶DSP增強功能。每名工程師都了解上升時(shí)間響應的重要意義。衡量測得的上升時(shí)間與計算得出的上升時(shí)間之間的差異就是領(lǐng)會(huì )言外之意。
　　可以使用DSP濾波，擴展示波器的凈帶寬，使其頻響平坦化，在通道之間提供更好的匹配。在被測設備采用高速多通路串行傳輸環(huán)境時(shí)，這些都是關(guān)鍵功能。但是，DSP會(huì )引入某些誤差，其一般會(huì )與超過(guò)實(shí)際模擬帶寬的頻率范圍部分成比例提高。
　　什么時(shí)候應該使用DSP呢？在測量低于納秒的上升時(shí)間或眼圖時(shí)(圖1)，從示波器中獲取最大帶寬至關(guān)重要。很明顯，這有利于DSP方法。最快速的測量幾乎一直需要最高的帶寬。
　　但有時(shí)可以通過(guò)某種方式旁路DSP擴展技術(shù)，僅使用儀器本身的模擬帶寬和上升時(shí)間。例如，某些研究人員使用專(zhuān)用DSP算法，需要處理示波器中的原始數據。在這種情況下，DSP旁路功能非常重要。這類(lèi)指標可能并不會(huì )被廠(chǎng)商大肆宣傳，但在選擇高性能示波器時(shí)是一個(gè)重要考慮因素。
　　示波器觸發(fā)與信號復雜性
　　"高速測量"一詞在低于納秒的邊沿和快速時(shí)鐘速率方面有各種各樣的含義。有時(shí)人們忽略了這些高速測量通常是復雜性非常高的測量。捕獲數據流中的某個(gè)碼要涉及判斷、運氣、估算、猜測…或正確選擇觸發(fā)功能。
　　示波器觸發(fā)決定著(zhù)使用儀器可以捕獲、查看和測量的項目，這一功能與帶寬和取樣速率一樣重要。觸發(fā)系統有自己不同的一套技術(shù)指標。觸發(fā)通路一般是主輸入信號通路的支路，應該體現許多相同的環(huán)境特點(diǎn)，如靈敏度、抖動(dòng)等等。觸發(fā)性能的另一個(gè)指標是觸發(fā)類(lèi)型的范圍，也就是在發(fā)生觸發(fā)時(shí)可以定義的條件。
　　當然，觸發(fā)系統有自己的主要指標。選擇示波器測量快速串行信號的設計人員可能會(huì )認為觸發(fā)通路的帶寬與儀器規定的帶寬相同。事實(shí)上，相關(guān)的指標是觸發(fā)靈敏度。這一指標體現了一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題：在捕獲頻率范圍頂部附近的信號時(shí)，幅度要求是什么？在許多示波器中，觸發(fā)靈敏度與模擬采集帶寬是不匹配的。
　　即使信號的正常成分完全落在觸發(fā)器的性能指標范圍內，但是如果高速時(shí)的觸發(fā)靈敏度不足，仍可能會(huì )檢測不到窄毛刺或截斷的脈沖。幸運的是，硅鍺(SiGE)觸發(fā)電路拓撲等創(chuàng )新技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始克服了這種限制。
　　工程師通常把示波器的觸發(fā)功能視為"一定的"，認為他們一直使用的邊沿和毛刺觸發(fā)是足夠的。但事實(shí)上，為有效完成實(shí)際工作，觸發(fā)靈敏度也是儀器的主要指標。
　　每臺示波器都具有邊沿觸發(fā)功能，大多數高端儀器還具有"高級"觸發(fā)功能。邊沿觸發(fā)技術(shù)簡(jiǎn)單地檢測超出電壓門(mén)限的事件，高級觸發(fā)則應用與電壓、定時(shí)或邏輯條件等有關(guān)的更多指標。在以串行方式傳輸的數字信號領(lǐng)域中，高級觸發(fā)正變得越來(lái)越重要。
　　在某些情況下，高級觸發(fā)設置可能是觸發(fā)感興趣的實(shí)際信號的唯一方式。例如，處理多通路Infiniband設備的設計人員必須保證通路時(shí)間落在特定容許誤差范圍內，不僅要符合標準，還要能夠正常運行。
　　應對這一測量挑戰的普通方式是觸發(fā)一條數據流中的一個(gè)特點(diǎn)，然后測量不同通路之間的偏移或時(shí)間位移。測量結果會(huì )匯總某個(gè)時(shí)點(diǎn)上的偏移值，這提供了有用的信息，但通常不足以保證儀器在長(cháng)期內穩定運行。
　　最近，采用全功能雙觸發(fā)技術(shù)的示波器已經(jīng)明顯簡(jiǎn)化了在不同時(shí)間觀(guān)察這些偏移變化的復雜任務(wù)?？梢远x兩種高級觸發(fā)功能，并可以從完整的觸發(fā)條件菜單中選擇每種功能。在數據特點(diǎn)激發(fā)第一個(gè)觸發(fā)器時(shí)，第二個(gè)觸發(fā)器可以找到設定期間內的偏移誤差，或重新裝備第一個(gè)觸發(fā)器，再次啟動(dòng)搜索，如圖2所示。在必要時(shí)，可以設置成用幾天時(shí)間等待發(fā)生誤差組合。
　　在評估示波器時(shí)，觸發(fā)指標很少放在優(yōu)先考慮的位置上。但是，觸發(fā)系統在檢測和捕獲復雜事件或間歇性事件方面是一個(gè)重要的配套指標。在長(cháng)期內以無(wú)人值守的方式進(jìn)行偏移測量可以節約大量的時(shí)間，這要比認真推敲觸發(fā)指標強得多！
　　相關(guān)的"次要"指標
　　到目前為止，我們討論的技術(shù)指標通常要次于帶寬、取樣速率等主要指標。但事實(shí)上，在示波器評估過(guò)程中經(jīng)常被視為次要問(wèn)題的許多其它參數，可能會(huì )促進(jìn)或阻礙緊張的工程時(shí)間表。
　　對許多串行標準來(lái)說(shuō)，嵌入式時(shí)鐘恢復是示波器眼圖分析的基礎，它還為時(shí)鐘到數據恢復(CDR如圖3所示)等測量提供支持。處理嵌入式時(shí)鐘信號的設計人員除了要考察主要指標外，還要考慮示波器可以通過(guò)哪些方式使時(shí)鐘恢復得更快、更簡(jiǎn)便、更靈活、可重復性更高。

　　應用需求一直引導著(zhù)選擇方向。示波器能否用于檢修或一致性測量？有哪些時(shí)鐘恢復機制？示波器能不能實(shí)時(shí)恢復時(shí)鐘，顯示動(dòng)態(tài)眼圖特點(diǎn)？