評(píng)估示波器：要深挖細(xì)找次要技術(shù)指標(biāo)

多年以來(lái)，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(hào)傳輸速度和技術(shù)卻沒(méi)有發(fā)生明顯改變，因?yàn)镮/O信號(hào)傳輸體系結(jié)構(gòu)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(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(hào)傳輸）。數(shù)據(jù)速率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，從而推動(dòng)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(guò)全都需要嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法。
　　這種要求使得諸如示波器等測(cè)試設(shè)備比以往更加重要。工程師依靠示波器來(lái)分析其串行設(shè)備設(shè)計(jì)的性能，并支持驗(yàn)證和調(diào)試工作。工程師的任務(wù)包括精確的參數(shù)測(cè)量、故障檢修以及信號(hào)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(cè)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(cè)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(zhǎng)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(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(cè)并捕獲快速異常現(xiàn)象的能力。
　　因此，在評(píng)估示波器時(shí)，領(lǐng)會(huì)主要技術(shù)規(guī)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(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(duì)設(shè)計(jì)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(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(biāo)理所當(dāng)然非常重要。對(duì)于提高高速串行總線體系結(jié)構(gòu)極限的設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，在購(gòu)買示波器時(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(biāo)，也就是正弦波滾降3 dB的頻率。兩臺(tái)具有相同額定帶寬的示波器對(duì)復(fù)雜波形可能具有不同的上升時(shí)間和完全不同的響應(yīng)。有沒(méi)有一個(gè)具有言外之意的、更好體現(xiàn)購(gòu)買者決心的技術(shù)指標(biāo)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(shù)。利用教課書(shū)上的公式從帶寬中簡(jiǎn)單計(jì)算上升時(shí)間是很吸引人的，這種計(jì)算也是某些公布的上升時(shí)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(cè)得的上升時(shí)間為測(cè)量提供了更好的基礎(chǔ)。每一位工程師都懂得上升時(shí)間響應(yīng)的重要性。權(quán)衡上升時(shí)間測(cè)量值與計(jì)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(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(cè)設(shè)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(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(shí)鐘恢復(fù)、探測(cè)、觸發(fā)等功能。透過(guò)主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行考察是確保高效而精確測(cè)量的最佳方法。
　　在測(cè)量低于200PS上升時(shí)間或眼圖（圖1）時(shí)，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(duì)DSP方法有利。最快的測(cè)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(shí)間進(jìn)行測(cè)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(huì)被廠商大肆宣揚(yáng)，但卻是選擇高性能示波器的一個(gè)重要考慮因素。
　　信號(hào)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(shí)鐘速率而言，“高速測(cè)量”這個(gè)詞有各種含義。設(shè)計(jì)師有時(shí)候會(huì)忽略這些高速測(cè)量通常是復(fù)雜性非常高的測(cè)量這種情況。捕獲數(shù)據(jù)流中的一個(gè)符號(hào)可能涉及到判斷、運(yùn)氣、估計(jì)、猜測(cè)或者對(duì)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(cè)量的信號(hào)，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(hào)路徑的一個(gè)支路，應(yīng)該體現(xiàn)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(biāo)是觸發(fā)類型的范圍——為確定何時(shí)發(fā)生觸發(fā)而可以定義的條件。
　　當(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(lái)測(cè)量快速串行信號(hào)的設(shè)計(jì)師可能會(huì)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(shí)上，相關(guān)的指標(biāo)是“觸發(fā)靈敏度”。這個(gè)技術(shù)指標(biāo)體現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題：在頻率范圍頂部附近捕獲信號(hào)時(shí)，對(duì)信號(hào)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(hào)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(shí)的觸發(fā)靈敏度不夠，你也可能檢測(cè)不到窄毛刺或截?cái)嗟拿}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(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(biāo)。
　　每臺(tái)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(jí)”觸發(fā)功能。邊沿觸發(fā)可簡(jiǎn)單地檢測(cè)超出電壓門限的事件，而高級(jí)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(jí)觸發(fā)對(duì)于串行傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)正變得日益重要。
　　在某些情況下，高級(jí)觸發(fā)裝置可能是觸發(fā)有關(guān)信號(hào)的唯一方法。例如，利用一臺(tái)多通道InfiniBand設(shè)備的設(shè)計(jì)師必須確保各個(gè)通道時(shí)間校準(zhǔn)在特定容差以內(nèi)——也就是，說(shuō)各個(gè)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(gè)測(cè)量難題的正規(guī)方法是對(duì)數(shù)據(jù)流中的一個(gè)字符進(jìn)行觸發(fā)，并且測(cè)量通道之間的時(shí)滯，即時(shí)間偏移。測(cè)量結(jié)果可概括某個(gè)時(shí)刻的時(shí)滯值。測(cè)量結(jié)果常常是暫時(shí)良好，但還不足以預(yù)測(cè)長(zhǎng)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(jiǎn)化了在不同時(shí)間觀察這些時(shí)滯變化的復(fù)雜任務(wù)。你可以根據(jù)觸發(fā)條件整個(gè)菜單定義兩個(gè)高級(jí)觸發(fā)器。在數(shù)據(jù)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(nèi)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，這種設(shè)置可以為一個(gè)誤差組合的發(fā)生等待數(shù)日。

圖2，一個(gè)雙觸發(fā)的屏幕截圖顯示了高速串行通道的時(shí)滯損傷。請(qǐng)注意觸發(fā)復(fù)位條件；如果在第二個(gè)事件發(fā)生之前時(shí)限期滿，序列本身就會(huì)重新啟動(dòng)。
　　在評(píng)估示波器時(shí)，觸發(fā)器技術(shù)指標(biāo)很少放在優(yōu)先考慮的位置上。但是，在檢測(cè)和捕獲復(fù)雜的或間歇的事件時(shí)，觸發(fā)系統(tǒng)起全面的輔助作用。你在進(jìn)行未被注意的長(zhǎng)期時(shí)滯測(cè)量時(shí)節(jié)省的時(shí)間足以補(bǔ)償花在領(lǐng)會(huì)觸發(fā)器技術(shù)指標(biāo)的言外之意上的時(shí)間。
　　更多“次要”技術(shù)指標(biāo)
　　帶寬、采樣率等主要技術(shù)指標(biāo)使迄今為止本文討論的技術(shù)指標(biāo)處于次要地位。在這一方面，這些“次要”技術(shù)指標(biāo)并不是孤立的。在評(píng)估示波器時(shí)，設(shè)計(jì)師常常會(huì)將其它參數(shù)看作次要問(wèn)題，但是這些問(wèn)題可能使你達(dá)到或錯(cuò)過(guò)某個(gè)緊急的工程期限。
　　嵌入式時(shí)鐘恢復(fù)是符合很多串行標(biāo)準(zhǔn)的示波器眼圖分析的基礎(chǔ)，并且還支持諸如CDR（時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)，圖3）的測(cè)量。利用嵌入式時(shí)鐘信號(hào)的設(shè)計(jì)師除了必須考慮主要的技術(shù)指標(biāo)外，還必須仔細(xì)考慮為了使時(shí)鐘恢復(fù)更快、更方便、更靈活、更具有重復(fù)性，示波器能夠做些什么。
　　與往常一樣，應(yīng)用系統(tǒng)的要求指導(dǎo)著設(shè)計(jì)師的選擇。你必須問(wèn)一問(wèn)自己：你是將示波器用來(lái)進(jìn)行故障排除還是用來(lái)進(jìn)行一致性測(cè)量？什么樣的時(shí)鐘恢復(fù)機(jī)制是可以使用的？示波器是否能實(shí)時(shí)恢復(fù)時(shí)鐘，使其能顯示動(dòng)態(tài)眼圖特性？
　　大多數(shù)高端示波器要么提供基于軟件的時(shí)鐘恢復(fù)，要么提供基于硬件的時(shí)鐘恢復(fù)。你可以通過(guò)存儲(chǔ)的采集數(shù)據(jù)產(chǎn)生軟件時(shí)鐘恢復(fù)�；�于軟件的時(shí)鐘恢復(fù)法是一種使用應(yīng)用軟件（如Tektronix公司TDSRT（實(shí)時(shí)）-Eye自動(dòng)化一致性測(cè)試與分析軟件）的公認(rèn)的一致性測(cè)試工具。
　　你可以使用基于PLL（鎖相環(huán)）的時(shí)鐘恢復(fù)來(lái)獲得實(shí)時(shí)眼圖，但是這里還存在另一個(gè)領(lǐng)會(huì)言外之意的問(wèn)題：不論是軟件恢復(fù)還是硬件恢復(fù)，PLL能否適應(yīng)目前串行標(biāo)準(zhǔn)中不斷演進(jìn)的時(shí)鐘頻率？有些PLL能適應(yīng)，有些PLL則不能。嚴(yán)格地說(shuō)，要了解這種差別就得付出代價(jià)。
　　眼圖測(cè)量例證了設(shè)計(jì)師需要用示波器進(jìn)行的一些最復(fù)雜的程序；另一個(gè)例子是抖動(dòng)測(cè)量。在這兩種情況下，設(shè)計(jì)師可能得益于在示波器上運(yùn)行的應(yīng)用軟件的專業(yè)知識(shí)。軟件工具將學(xué)習(xí)曲線降到最低限度，并大大縮短了安裝時(shí)間、測(cè)量時(shí)間和分析時(shí)間（圖3）。然而，這些軟件工具決不會(huì)出現(xiàn)在主要技術(shù)指標(biāo)清單之中。工程師必須自己下功夫，透過(guò)主要指標(biāo)確保提供合適的工具。

圖3，眼圖分析應(yīng)用軟件可簡(jiǎn)化復(fù)雜的測(cè)量，但卻極少出現(xiàn)在示波器主要技術(shù)指標(biāo)清單中。
　　超越探頭指標(biāo)
　　探測(cè)問(wèn)題引出了又一次技術(shù)指標(biāo)討論。本文介紹的所有采集和分析功能全都取決于信號(hào)在被測(cè)設(shè)備和示波器本身之間的可靠傳輸。許多新的高速接口標(biāo)準(zhǔn)均采用差分信號(hào)傳輸，而不是比較熟悉的單端通信。
　　盡管探測(cè)方法具有自己的主要技術(shù)指標(biāo)，尤其是帶寬和載荷方面的技術(shù)指標(biāo)，了解示波器和探頭作為一個(gè)系統(tǒng)共同工作的含義也是非常重要的。示波器系統(tǒng)是否提供真正的差分探測(cè)工具？如果示波器沒(méi)有使用這些工具，那么除了某些特定類型的測(cè)量之外，你必須使用兩個(gè)單端探頭和單板計(jì)算工具。此外，諸如共模抑制、靈敏度、響應(yīng)精度和本底噪聲等問(wèn)題全都會(huì)使探頭對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響。在測(cè)量目前的高速信號(hào)時(shí)，這些參數(shù)上的細(xì)微差別可能會(huì)導(dǎo)致巨大的探頭負(fù)載失真。
　　在示波器的主要技術(shù)指標(biāo)中，探頭連接方法極少能夠列入，但它們?cè)诿看螠y(cè)量中卻是極其重要的。一些制造商給被測(cè)設(shè)備安裝有SMA 測(cè)試點(diǎn)，而另一些制造商則要求能觸及微型表面安裝器件上的一根根引腳。要確定示波器的探頭系列是否能滿足所有這些要求。
　　簡(jiǎn)言之，主要技術(shù)指標(biāo)仍然是示波器之間進(jìn)行比較的公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)。但是，為了仔細(xì)考察影響日常工作的基本性能，精明的工程師應(yīng)該透過(guò)主要指標(biāo)領(lǐng)會(huì)言外之意。如果從總體上考慮，一些有關(guān)采集、觸發(fā)、分析工具和探測(cè)方面的不太起眼的技術(shù)指標(biāo)卻與描述帶寬、采樣率和記錄長(zhǎng)度的重大數(shù)據(jù)同樣重要。這些都與完成工作有關(guān)，就連最不起眼的技術(shù)指標(biāo)有時(shí)候也能決定著成功與失敗。

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