評估示波器：要深挖細找次要技術指標

評估示波器：要深挖細找次要技術指標

多年以來，電子系統的性能隨著半導體集成度及功能的穩步提高、仿真模型的改進、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卻沒有發生明顯改變，因為I/O信號傳輸體系結構足以勝任工作，而支持變動的技術還沒有就緒。
　　在過去的大約5年中，為了在系統性能上獲得驚人的提高，工程師更加專注于LVDS（低壓差分信號傳輸）。數據速率提高了一個數量級，從而推動適用于設備間通信的復雜串行協議被廣泛采納。這些協議包括PCI Express、InfiniBand以及XAUI（10吉比特附屬單元接口）。這些環境擁有多種多樣的數據速率和傳輸體系結構，不過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。工程師的任務包括精確的參數測量、故障檢修以及信號完整性分析。在開發過程的后期，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在產品手冊和雜志廣告的標題中列出的技術指標，這種情況太普遍了。在這些主要的技術指標中，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象的能力。
　　因此，在評估示波器時，領會主要技術規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，應該深入分析廠商大肆宣傳的技術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，盡管那些特性與廠商最經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
　　帶寬指標理所當然非常重要。對于提高高速串行總線體系結構極限的設計師來說，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間和完全不同的響應。有沒有一個具有言外之意的、更好體現購買者決心的技術指標或特性呢？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。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指標的基礎。不論是否具有DSP增強功能，客觀測得的上升時間為測量提供了更好的基礎。每一位工程師都懂得上升時間響應的重要性。權衡上升時間測量值與計算值之差異就是領會言外之意的一個例子。
　　你可以利用DSP濾波來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境時，這些性能非常關鍵。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展成正比地增加。

圖1，眼圖分析取決于示波器的主要技術指標，例如帶寬。但是，眼圖分析還取決于時鐘恢復、探測、觸發等功能。透過主要技術指標進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間進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據。在這樣的情況下，DSP規避特性非常重要。這種技術指標可能不會被廠商大肆宣揚，但卻是選擇高性能示波器的一個重要考慮因素。
　　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鐘速率而言，“高速測量”這個詞有各種含義。設計師有時候會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符號可能涉及到判斷、運氣、估計、猜測或者對觸發特性的正確選擇。
　　示波器觸發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。觸發系統具有自己的一套技術指標。觸發路徑通常是主信號路徑的一個支路，應該體現很多相同的環境屬性：靈敏度、抖動等。觸發性能的另一個指標是觸發類型的范圍——為確定何時發生觸發而可以定義的條件。
　　當然，觸發系統具有自己的主要技術指標。選用示波器來測量快速串行信號的設計師可能會假設觸發路徑具有與示波器的規定帶寬相同的帶寬。事實上，相關的指標是“觸發靈敏度”。這個技術指標體現了一個簡單的問題：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性能指示范圍之內，如果高速時的觸發靈敏度不夠，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）觸發電路拓撲等創新技術已經開始克服這種限制。工程師通常將示波器的觸發特性看作是給定的特性，并假定他們一直使用的邊沿觸發和毛刺觸發會滿足要求。事實上，就進行實際工作而言，觸發靈敏度也是儀器的主要技術指標。
　　每臺示波器都具有邊沿觸發功能，大多數高端的儀器還具有“高級”觸發功能。邊沿觸發可簡單地檢測超出電壓門限的事件，而高級觸發則采用多得多的與電壓、定時或邏輯條件等有關的條件。高級觸發對于串行傳輸的數字信號正變得日益重要。
　　在某些情況下，高級觸發裝置可能是觸發有關信號的唯一方法。例如，利用一臺多通道InfiniBand設備的設計師必須確保各個通道時間校準在特定容差以內——也就是，說各個通道不僅需要符合標準，而且還要能夠正常運行。
　　處理這個測量難題的正規方法是對數據流中的一個字符進行觸發，并且測量通道之間的時滯，即時間偏移。測量結果可概括某個時刻的時滯值。測量結果常常是暫時良好，但還不足以預測長期的穩定工作。
　　最近，具有全功能雙觸發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雜任務。你可以根據觸發條件整個菜單定義兩個高級觸發器。在數據字符激發第一個觸發器之后，第二觸發器可在一段時間內查找時滯誤差，或者重新配置第一個觸發器來再次啟動搜索（圖2）。必要的話，這種設置可以為一個誤差組合的發生等待數日。

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