账号:
密码:
CTIMES / 文章 /   
为讯号完整性把关 示波器迎接棘手测试挑战
扮演工程师的另一只眼

【作者: 王岫晨】2019年02月27日 星期三

浏览人次:【2266】
  

在自然界中,不论是海浪、地震、音爆或者爆炸,声音通过空气传播,或是人体运动的自然频率,这些声音都是以正弦波的形式运动。能量、振动粒子及其他看不见的力都分散在我们周围的物理空间中。即使是光线也有基础频率,可以利用波来作为色彩进行观察。对於设计、制造或维修电子设备的任何工程师来说,示波器都是一种不可或缺的工具。在目前快节奏的世界中,工程师需要最好的工具,来迅速准确地解决面临的量测挑战。作为工程师的眼睛,示波器在迎接目前棘手的量测挑战方面至关重要。


无穷无尽的示波器应用

一般来说,感测器可以将这些力转换成电讯号,然後可以使用示波器观察和分析这些讯号。透过使用示波器,科学家、工程师、教育工作者就可以「看到」随时间变化的事件。事实上,示波器的用途并不仅限於电子领域。在安装适当的感测器时,示波器可以量测各类现象。感测器是一种针对物理激励产生电讯号的装置,例如声音、机械压力、压力、光或热等。麦克风就是一种感测器,它将声音转换成电讯号。从物理学家到维修技师,每个人都离不开示波器。汽车工程师使用示波器,将来自感测器的类比资料与来自引擎控制单元的串列资料关联起来。医学研究人员则可使用示波器量测脑电波。由此看来,示波器的用途可以说是无穷无尽的。


讯号完整性的重要性

对任何常用的示波器系统来说,准确重建波形的能力都是关键,这种能力称为讯号完整性。示波器类似於一台摄影机,它捕获讯号影像,然後可以观察和解释讯号影像。示波器不同的系统和效能功能结合在一起,影响着其提供最高讯号完整性的能力。此外,探棒也影响着量测系统的讯号完整性。讯号完整性影响着许多电子设计学科。但直到几年前,它对数位设计人员来说还不是什麽大问题。设计人员可以依赖逻辑电路,像布林电路一样操作。在当时,有杂讯的、不确定的讯号发生在高速电路中,RF设计人员还不用担心这些问题。数位系统切换速度慢,讯号以可预测的方式稳定。


然而,此後的处理器时脉速率提高了几个量级。而3D影像、视讯和伺服器I/O 等电脑应用也需要大量的频宽。目前大部分电讯设备都以数位方式为基础,同样要求大规模的频宽。数位高画质电视也不例外。新一代微处理器装置以高达2GS/s、3GS/s、甚至5GS/s (千兆样点/秒) 的速率处理资料,某些DDR3储存设备则使用2GHz以上的时脉,及上升时间为35ps的资料讯号。更重要的是,汽车、消费电子、机械控制装置及各类常使用IC装置的应用,对速度的要求也愈来愈高。


在以20MHz时脉速率运行的处理器中,讯号的上升时间与800 MHz处理器中的讯号类似。设计人员已经超越了效能门槛,事实上,几??每种设计都是高速设计。如果没有某些预防性措施,高速问题可能会钻进其他传统数位设计中。如果电路经历间歇性故障,或在极端电压和温度时遇到错误,那麽可能存在某些隐藏的讯号完整性问题。这些问题会影响产品开发周期、产品可靠性、EMI合规性等。这些高速问题还可能会影响系统中串列资料串流的完整性,要求某种方法,将资料中的特定码型与高速波形中观察到的特性关联起来。


讯号完整性的问题在哪里

在了解讯号完整性的重要性之前,必须要先知道目前数位设计中讯号劣化的部分具体成因。为什麽现在这些问题比过去几年来得严重了呢?答案就是速度。在「低速的旧时代」,保持可以接受的数位讯号完整性只需注意细节就可以了,例如时脉分配、讯号路径设计、杂讯容许度、负载影响、传输线效应、汇流排终端、解耦和配电。在过去,所有这些规则仍然适用,但是到了今天,汇流排周期时间比20年前快了1000倍。过去需要几微秒的异动处理,现在只需要几奈秒。为实现这种改进,边缘速度也已经加快,这比20年前快了100倍。


这一切还还算好。然而,某些实际物理状况使得电路板技术不能跟上发展步伐。晶片间汇流排的传输时间在过去几十年中几??一直没有变化。当然,尽管其尺寸已经缩小,但仍需要为IC装置、连接器、被动式装置、当然还有汇流排轨迹本身提供电路板空间。这些空间汇聚成距离,而距离则意味着时间,这正是速度的天敌。


必需了解的地方是,数位讯号的边缘速度,也就是上升时间承载的频率成分,可以高於其重复速率表示的频率。基於这一原因,某些设计人员故意寻求上升时间相对「较慢」的IC装置。集总电路模型一直是预测电路中讯号特性使用的大多数计算的依据。但是,在边缘速度比讯号路径延迟快4~6倍时,简单的集总模型将不再适用。在使用边缘速率不到4~6奈秒的讯号驱动时,不管周期速率是多少,长仅6英寸的电路板轨迹变成了传输线。事实上,其建立了新的讯号路径。这些无形的连接并没有画在示意图上,然而却对讯号造成了相互影响且无法预测的问题。


有时候,即使是探棒或仪器的组合,所引入的错误也可能会为待测讯号带来重大影响。但是,透过对实测值应用「平方和的均方根」公式,可以确定待测装置是否接近上升时间或下降时间的故障。此外,最新的示波器工具采用专用滤波技术,以嵌入量测系统对讯号的影响,来显示边缘时间及其他讯号特性。


同时,预计的讯号路径并没有以预计的方式工作。地平面和电压层(例如讯号轨迹)变成电感,工作方式类似於传输线,电源解耦的效果大大降低。通常来说,EMI上升,因为边缘速度越快,相对於汇流排长度产生的波长越短,串音越高。此外,快速边缘速度需要整体产生更高的电流。更高的电流一般会导致地电平弹跳,特别是在一次切换多个讯号的宽汇流排上。而且,更高的电流会提高辐射的磁能量及串音。


透过示波器简化除错过程

数位信号与类比性号有哪些共同点呢?一般来说,它们都是典型的类比现象。为了解决讯号完整性问题,数位设计人员便需要跨入类比领域。为迈出这一步,他们需要能够显示数位讯号和类比讯号如何相互影响的工具。


数位错误通常源於类比讯号完整性问题。为追踪数位问题的成因,通常必须打开示波器,示波器可以显示波形细节、边缘和杂讯,可以侦测和显示暂态讯号,可以用来协助工程师准确量测时序关系,如建立和保持时间。透过触发并列或串列资料串流中的具体码型,显示在时间上与特定事件对应的类比讯号,现代示波器可以协助简化除错过程。了解示波器内部的每个系统及如何应用这些系统,将有助於工程师更有效率地应用示波器,来处理具体的量测挑战。


(本文叁考资料:太克科技 深入了解示波器入门手册)


太克科技DPO70000SX 70GHz ATI高效能示波器


图1 : 太克科技MSO70000系列混合讯号示波器
图1 : 太克科技MSO70000系列混合讯号示波器图片来源:tektronix.com

太克科技:「这是首见的高效能整合式MSO系列产品。」


太克科技推出MSO70000系列混合讯号示波器,该公司表示,此为首见的高效能整合式MSO系列产品。这部仪器拥有多达二十个量测通道,可以4~20GHz的类比频宽和80ps 的数位通道时序解析度进行撷取。随着MSO70000的推出,太克科技现在在市场上拥有完整的混合讯号示波器产品组合;提供十七款MSO机型,从可携式的MSO2000一直到市面上快速的 20GHz MSO72004混合讯号示波器。


MSO已成为嵌入式系统工程设计的首选工具,这个领域对建立类比与数位讯号的关联有强烈的需求。现今,网路交换器和资料伺服器等嵌入式系统正采用更快速的技术,因而需要更高效能的MSO。其他如高速串列与数位射频的应用领域,也需要完整的系统能见度。随着MSO70000系列的推出,太克科技提供了良好的类比/数位撷取效能与多样化的探测方案。


罗德史瓦兹RTP示波器


图2 : 罗德史瓦兹RTP示波器
图2 : 罗德史瓦兹RTP示波器图片来源:rohde-schwarz.com

台湾罗德史瓦兹:「我们正式进军高阶示波器市场!」


R&S RTP系列在开发过程中,特别着重於量测精准度、速度和新技术,并完整地结合多种仪器功能,是研发过程中故障排除的绝隹选择,例如测试具快速数位介面或宽频无线射频传输介面的嵌入式元件。R&S RTP高效能示波器结合了讯号完整性与高撷取速率,在标准撷取模式下,每秒可量测一百万个波形,比其他同类示波器快一千倍以上,能帮助使用者更快地发现零星错误,并可即时补偿讯号源到示波器之间的传输损耗。


此外,R&S RTP 可满足高频应用量测需求,举凡航空、国防、汽车、工业和通讯等领域;同时亦适用高速数位介面测试如高速汇流排(USB、PCI Express、MIPI)、无线电或雷达等射频介面、DDR记忆体介面、电源管理元件,及简单的控制和编程汇流排。R&S持续致力於示波器市场的创新,透过发表新一代R&S RTP系列,R&S宣告正式进军高阶示波器市场。


是德科技Infiniium V系列示波器


图3 : 是德科技Infiniium V系列示波器
图3 : 是德科技Infiniium V系列示波器图片来源:keysight.com

是德科技:「我们让开发工程师能够精准洞察所量测到的信号。」


全球示波器拥有12亿美元的市场规模,如此大的一块饼,当然也吸引了许多厂商竞相开发更好的产品,来获取更大的商机。而在高阶示波器市场上,是德科技也持续扮演着领导者的角色。面对高速数位讯号测试需求不断提升的情况下,是德科技也推出全新的Keysight Infiniium V系列示波器,来补足高阶示波器市场的最後一块拼图。


Keysight Infiniium V系列问世後,工程师便可又快又准确地执行所有测试,进而更快将新产品推出上市,并且增强对设计品质的自信度。


NI PXI架构高速示波器


图4 :  NI PXI架构示波器
图4 : NI PXI架构示波器图片来源:ni.com

国家仪器:「PXI架构可大幅缩短测试时间。」


NI高速示波器具有强大的仪器整合,再加上高输出PXI汇流排有助於缩短测试时间,非常适合高频宽自动化量测作业。NI高速示波器搭载了NI专利T-Clock同步化技术,可藉此建置高达34个相位同步1GS/s通道所组成的系统,并且进一步整合其他NI硬体,打造出完整的自动化混合式讯号测试系统。


大多数的自动化测试与多重工作台应用,均需要多类型的仪器,如示波器、讯号产生器、数位波形分析器、数位波形产生器,与切换器等。PXI与NI模组化仪器既有的时序与同步化功能,可同步上述的所有仪器,且不需额外接线。PXI的模组化特性大幅提升了速度,且使用者不需再耗时操作,进而提高效率。


相关文章
示波器探测执行效能最隹化的8大秘诀
汽车测试面临车辆复杂性的挑战
高频年代 网路分析仪的时代新任务
为讯号完整性把关 示波器迎接棘手测试挑战
为实现安全自动驾驶的迫切权衡
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新闻
» Anritsu:高频测试首要挑战 在於材料特性测试
» 中国工具机产业陷结构性矛盾 自身崛起刻不容缓
» 时代正快速融合 测试平台需可快速配合未来调整
» 高复杂度技术融合 将需要灵活性更高的测试平台
» 是德科技携手多家厂商於OFC 2019展示最新光学及高速数位测试解决方案
  相关产品
» 德国莱茵TUV透过是德科技eCall相符性测试解决方案提供测试与认证服务
» 罗德史瓦兹在MWC 2019展出强大的5G NR基地台测试解决方案
» 是德科技荣获GTI行动技术创新突破奖
» 是德科技Ixia部门推出远端站点及网路边缘运算解决方案
» 罗德史瓦兹展示支援IEEE 802.11 ax 2x2 MIMO技术的综合测试仪

AD


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2019 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29号11楼 / 电话 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw