评估示波器：要深挖细找次要技术指标

多年以来，电子系统的性能随着半导体集成度及功能的稳步提高、仿真模型的改进、体系结构的变化等等而在同步提高。尽管有这些提高，但设备之间的信号传输速度和技术却没有发生明显改变，因为I/O信号传输体系结构足以胜任工作，而支持变动的技术还没有就绪。 　　在过去的大约5年中，为了在系统性能上获得惊人的提高，工程师更加专注于LVDS（低压差分信号传输）。数据速率提高了一个数量级，从而推动适用于设备间通信的复杂串行协议被广泛采纳。这些协议包括PCI Express、InfiniBand以及XAUI（10吉比特附属单元接口）。这些环境拥有多种多样的数据速率和传输体系结构，不过全都需要严格的设计和验证方法。 　　这种要求使得诸如示波器等测试设备比以往更加重要。工程师依靠示波器来分析其串行设备设计的性能，并支持验证和调试工作。工程师的任务包括精确的参数测量、故障检修以及信号完整性分析。在开发过程的后期，工程师改用示波器来为一致性测试生成眼图显示。 　　选择示波器的工程师只考虑那些出现在产品手册和杂志广告的标题中列出的技术指标，这种情况太普遍了。在这些主要的技术指标中，众所周知的是带宽、采样率和记录长度。衡量示波器性能的这些指标虽然很重要，但不能全面地反映示波器在日常使用中的效能。例如，带宽值只说明示波器的大致频率范围，几乎不能说明示波器可靠地检测并捕获快速异常现象的能力。 　　因此，在评估示波器时，领会主要技术规格的言外之意是很重要的。这个忠告实际上具有两方面的含意。首先，这是一种告诫，应该深入分析厂商大肆宣传的技术指标背后所隐藏的细微差别。其次，这是一种提醒，应该研究那些对设计师工作的效果甚至有效性有很大影响的特性，尽管那些特性与厂商最经常在市场上宣传的相比不太引人注意。 　[b]　带宽的定义与再定义 [/b]　　带宽指标理所当然非常重要。对于提高高速串行总线体系结构极限的设计师来说，在购买示波器时，净带宽一直是示波器特性的首要考虑因素。但是，带宽本身只不过是描述仪器频响的一个技术指标，也就是正弦波滚降3 dB的频率。两台具有相同额定带宽的示波器对复杂波形可能具有不同的上升时间和完全不同的响应。有没有一个具有言外之意的、更好体现购买者决心的技术指标或特性呢？这个问题的答案有两个方面：示波器的真正上升时间性能和示波器在DSP模式下的性能。 　　模拟上升时间是示波器带宽的函数。利用教课书上的公式从带宽中简单计算上升时间是很吸引人的，这种计算也是某些公布的上升时间技术指标的基础。不论是否具有DSP增强功能，客观测得的上升时间为测量提供了更好的基础。每一位工程师都懂得上升时间响应的重要性。权衡上升时间测量值与计算值之差异就是领会言外之意的一个例子。 　　你可以利用DSP滤波来扩展示波器的净带宽，使示波器频响平坦化，并在通道间提供更好的匹配。当被测设备采用了高速多通道串行传输环境时，这些性能非常关键。但是，DSP会引入误差，而这些误差往往与实际模拟带宽之外的频率扩展成正比地增加。 图1，眼图分析取决于示波器的主要技术指标，例如带宽。但是，眼图分析还取决于时钟恢复、探测、触发等功能。透过主要技术指标进行考察是确保高效而精确测量的最佳方法。 　　在测量低于200PS上升时间或眼图（图1）时，应该使用DSP。在这些情况下，从示波器中提取最大带宽是必不可少的。很明显，这一要求对DSP方法有利。最快的测量几乎总是要求最高的带宽。但是，具有一种规避DSP扩展并只使用示波器的固有模拟带宽和上升时间进行测量的方法在某些时候也非常有用。例如，一些研究人员使用专用的DSP算法，并需要处理示波器的原始数据。在这样的情况下，DSP规避特性非常重要。这种技术指标可能不会被厂商大肆宣扬，但却是选择高性能示波器的一个重要考虑因素。 　　[b]信号的复杂性不仅仅是速度 [/b]　　就不到1纳秒的脉冲边沿和令人眼花缭乱的快速时钟速率而言，“高速测量”这个词有各种含义。设计师有时候会忽略这些高速测量通常是复杂性非常高的测量这种情况。捕获数据流中的一个符号可能涉及到判断、运气、估计、猜测或者对触发特性的正确选择。 　　示波器触发决定了你利用示波器能够捕获、观看和测量的信号，这一功能如带宽和采样率一样重要。触发系统具有自己的一套技术指标。触发路径通常是主信号路径的一个支路，应该体现很多相同的环境属性：灵敏度、抖动等。触发性能的另一个指标是触发类型的范围——为确定何时发生触发而可以定义的条件。 　　当然，触发系统具有自己的主要技术指标。选用示波器来测量快速串行信号的设计师可能会假设触发路径具有与示波器的规定带宽相同的带宽。事实上，相关的指标是“触发灵敏度”。这个技术指标体现了一个简单的问题：在频率范围顶部附近捕获信号时，对信号振幅的要求是什么？在许多示波器中，触发灵敏度与模拟采样带宽并不匹配。 　　即使信号的正常内容充分地处在触发性能指示范围之内，如果高速时的触发灵敏度不够，你也可能检测不到窄毛刺或截断的脉冲。幸运的是，诸如SiGe（锗硅）触发电路拓扑等创新技术已经开始克服这种限制。工程师通常将示波器的触发特性看作是给定的特性，并假定他们一直使用的边沿触发和毛刺触发会满足要求。事实上，就进行实际工作而言，触发灵敏度也是仪器的主要技术指标。 　　每台示波器都具有边沿触发功能，大多数高端的仪器还具有“高级”触发功能。边沿触发可简单地检测超出电压门限的事件，而高级触发则采用多得多的与电压、定时或逻辑条件等有关的条件。高级触发对于串行传输的数字信号正变得日益重要。 　　在某些情况下，高级触发装置可能是触发有关信号的唯一方法。例如，利用一台多通道InfiniBand设备的设计师必须确保各个通道时间校准在特定容差以内——也就是，说各个通道不仅需要符合标准，而且还要能够正常运行。 　　处理这个测量难题的正规方法是对数据流中的一个字符进行触发，并且测量通道之间的时滞，即时间偏移。测量结果可概括某个时刻的时滞值。测量结果常常是暂时良好，但还不足以预测长期的稳定工作。 　　最近，具有全功能双触发的示波器已大大简化了在不同时间观察这些时滞变化的复杂任务。你可以根据触发条件整个菜单定义两个高级触发器。在数据字符激发第一个触发器之后，第二触发器可在一段时间内查找时滞误差，或者重新配置第一个触发器来再次启动搜索（图2）。必要的话，这种设置可以为一个误差组合的发生等待数日。 图2，一个双触发的屏幕截图显示了高速串行通道的时滞损伤。请注意触发复位条件；如果在第二个事件发生之前时限期满，序列本身就会重新启动。 　　在评估示波器时，触发器技术指标很少放在优先考虑的位置上。但是，在检测和捕获复杂的或间歇的事件时，触发系统起全面的辅助作用。你在进行未被注意的长期时滞测量时节省的时间足以补偿花在领会触发器技术指标的言外之意上的时间。 　　[b]更多“次要”技术指标 [/b]　　带宽、采样率等主要技术指标使迄今为止本文讨论的技术指标处于次要地位。在这一方面，这些“次要”技术指标并不是孤立的。在评估示波器时，设计师常常会将其它参数看作次要问题，但是这些问题可能使你达到或错过某个紧急的工程期限。 　　嵌入式时钟恢复是符合很多串行标准的示波器眼图分析的基础，并且还支持诸如CDR（时钟数据恢复，图3）的测量。利用嵌入式时钟信号的设计师除了必须考虑主要的技术指标外，还必须仔细考虑为了使时钟恢复更快、更方便、更灵活、更具有重复性，示波器能够做些什么。 　　与往常一样，应用系统的要求指导着设计师的选择。你必须问一问自己：你是将示波器用来进行故障排除还是用来进行一致性测量？什么样的时钟恢复机制是可以使用的？示波器是否能实时恢复时钟，使其能显示动态眼图特性？ 　　大多数高端示波器要么提供基于软件的时钟恢复，要么提供基于硬件的时钟恢复。你可以通过存储的采集数据产生软件时钟恢复。基于软件的时钟恢复法是一种使用应用软件（如Tektronix公司TDSRT（实时）-Eye自动化一致性测试与分析软件）的公认的一致性测试工具。 　　你可以使用基于PLL（锁相环）的时钟恢复来获得实时眼图，但是这里还存在另一个领会言外之意的问题：不论是软件恢复还是硬件恢复，PLL能否适应目前串行标准中不断演进的时钟频率？有些PLL能适应，有些PLL则不能。严格地说，要了解这种差别就得付出代价。 　　眼图测量例证了设计师需要用示波器进行的一些最复杂的程序；另一个例子是抖动测量。在这两种情况下，设计师可能得益于在示波器上运行的应用软件的专业知识。软件工具将学习曲线降到最低限度，并大大缩短了安装时间、测量时间和分析时间（图3）。然而，这些软件工具决不会出现在主要技术指标清单之中。工程师必须自己下功夫，透过主要指标确保提供合适的工具。 图3，眼图分析应用软件可简化复杂的测量，但却极少出现在示波器主要技术指标清单中。 　　超越探头指标 　　探测问题引出了又一次技术指标讨论。本文介绍的所有采集和分析功能全都取决于信号在被测设备和示波器本身之间的可靠传输。许多新的高速接口标准均采用差分信号传输，而不是比较熟悉的单端通信。 　　尽管探测方法具有自己的主要技术指标，尤其是带宽和载荷方面的技术指标，了解示波器和探头作为一个系统共同工作的含义也是非常重要的。示波器系统是否提供真正的差分探测工具？如果示波器没有使用这些工具，那么除了某些特定类型的测量之外，你必须使用两个单端探头和单板计算工具。此外，诸如共模抑制、灵敏度、响应精度和本底噪声等问题全都会使探头对信号产生影响。在测量目前的高速信号时，这些参数上的细微差别可能会导致巨大的探头负载失真。 　　在示波器的主要技术指标中，探头连接方法极少能够列入，但它们在每次测量中却是极其重要的。一些制造商给被测设备安装有SMA 测试点，而另一些制造商则要求能触及微型表面安装器件上的一根根引脚。要确定示波器的探头系列是否能满足所有这些要求。 　　简言之，主要技术指标仍然是示波器之间进行比较的公认标准。但是，为了仔细考察影响日常工作的基本性能，精明的工程师应该透过主要指标领会言外之意。如果从总体上考虑，一些有关采集、触发、分析工具和探测方面的不太起眼的技术指标却与描述带宽、采样率和记录长度的重大数据同样重要。这些都与完成工作有关，就连最不起眼的技术指标有时候也能决定着成功与失败。