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高速数位讯号测试的关键一步
功能强大高效率量测系统必不可少

【作者: 王岫晨】2018年07月10日 星期二

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5G行动网路、IoT物联网、8K超高清影像显示技术等相关科技正融入大众生活,也改变了我们。而隐藏在背後,支援这些应用的正是各种高速传输介面。超高清影像显示技术等相关基础建设正积极布局,促使高速传输介面迈向新的里程。


讯号完整性描述

讯号完整性是指完整和无减损。同样,一个具有良好的完整性的数位讯号有乾净、快速的上升边缘;稳定和有效的逻辑位准;准确的时间位置和没有任何的暂态。对於系统开发者而言,不断发展的技术,使得系统开发、生产和维护完整、无减损讯号的数位系统越来越困难。


回顾二十多年前出现的个人电脑和行动电话技术,已经从技术创新逐渐演变为生活必需品。这些产品的发展趋势保持不变:要求更多的功能和服务,需要更多的频宽。第一代个人电脑,使用者会为建立一个简单的电子表格而感到振奋。但到了现在,他们的需求详细的图形、高品质的音讯,以及快速的串流视讯。此外,行动电话也不再仅仅只是满足人们的交谈需求。我们周围的世界现在越来越多的依赖於资讯快速、可靠的传递。资讯时代便是用来形容这个新的相互交织、相互依存,以资料为基础的时代。


高速数位讯号

半导体技术上持续的突破,已经在PC汇流排架构、网路基础设施、数位无线通讯得到广泛的应用。在个人电脑,特别是在伺服器处理器的速度已经升级到GHz的范围内,同时记忆体的传输量和内部汇流排速度也随之上升。高速的资料传输技术支援更为强大的电脑应用,如3D游戏和电脑辅助设计程式。先进的三维图像需要大量的资料在CPU、记忆体、显示卡中进行传输。


电脑技术只是频宽资讯时代的一个部分。数位通讯设备设计工程师,特别是全力发展固网和行动网路的基础设施,正逐步采用40Gb/s资料传输技术。与此同时,在数位高画质视讯技术领域,正在设计下一代传输高画质、互动视讯的设备。


众多技术不断驱使资料传输率进步。新兴的串列汇流排正在打破平行汇流排构架的瓶颈。在一些情况下,故意增加系统时脉抖动以减少意外辐射。更小、更密集的电路板,采用球栅阵列封装和埋孔设计,这些都已成为IC晶片供应商寻求最大限度地提高密度,并尽量减少路径长度新的方式。


讯号测试的关键一步

在数位系统研发工程中,讯号完整性测试是至关重要的一步。在系统中的任何的故障隔离和消除都是工程师的责任。功能强大和高效率的量测系统是必不可少;一个具有高频宽效能和高效率的仪器能够准确的解决高速讯号的异常。这些工具包括数位萤光示波器、逻辑分析仪、即时频谱分析仪、时域反射仪、任意波形发生其和高保真度的探棒系统以及分析软体。


而随着电子产品变得更为快速复杂,其设计、验证与除错也变得更加困难。设计人员必须密集地验证其设计,以确保可靠的产品运作。问题发生时,设计人员需要迅速地深入了解问题的根源,以解决问题。藉由同时分析类比与数位呈现的讯号,更快速找出众多数位问题的根源,这让混合讯号示波器(MSO)非常适合用来进行数位电路的验证与除错。


时序和状态撷取

主要的数位撷取技术有两种。第一种技术是时序撷取,MSO会以一致地时间间隔(依MSO的取样率决定),进行数位讯号的取样。在每个取样点,MSO会储存讯号的逻辑状态,并建立讯号的时序图。


第二种数位撷取技术是状态撷取。状态撷取会定义数位讯号逻辑状态有效且稳定的特殊时间。这常见於同步时脉的数位电路。时脉讯号会决定讯号状态有效的时间。例如,输入讯号的稳定时间,约位於具上升边缘时脉功能D正反器的上升时脉边缘。输出讯号的稳定时间,则约位於D正反器的下降时脉边缘。由於同步电路的时脉周期可能不固定,状态撷取的间隔时间,可能不会像时序撷取时一样统一。



图1 :  主要的数位撷取技术有两种。第一种技术是时序撷取,第二种数位撷取技术是状态撷取。
图1 : 主要的数位撷取技术有两种。第一种技术是时序撷取,第二种数位撷取技术是状态撷取。

逻辑分析仪同时提供时脉与状态撷取功能。混合讯号示波器数位通道撷取讯号的方式,类似於逻辑分析仪在时序撷取模式中撷取讯号的方式,可在除错时提供重要资讯。


除了只显示逻辑高位与低位外,数位时序波形看起来与类比波形非常相似。时序撷取分析常着重於判定特定点的逻辑值,并量测一个以上波形的边缘转态间隔时间。数位时序波形可加以分组,创造出汇流排。一个数位讯号被定义为最低有效位数,其他数位讯号则代表一直到最高有效位数的其他二进位数字位数。MSO接着会将汇流排解码为二进位或十六进位数字。


准备MSO进行数位撷取有两项基本工作。首先,如同逻辑分析仪,针对要量测的逻辑系列设定MSO数位通道临界值,确保达到正确的逻辑准位。其次,调整类比通道的偏移,以建立类比通道与数位通道间的准确时间关联。MSO的类比通道是用来快速检查数位讯号的逻辑摆幅。而类比波形先行於数位波形,若要达成准确的量测,重要的是移除类比对数位时间偏移,以得到更理想的类比与数位波形间时间关联量测。


结语

一些创新的量测方案,例如高密的逻辑分析仪探棒、抖动自动化量测软体和逻辑分析仪、示波器整合的量测方案等,说明设计者处理各式各样的讯号完整性问题。使用这些强大的量测工具,工程师能够快速进行疑难排解,并追溯其来源。


直到现在,无法看到的讯号完整的新问题,时常会影响新产品的稳定性和专案开发的准确度。设计者会更加需要利用各种量测方案,去应对巨大的讯号完整性挑战。


(本文叁考资料:太克科技混合讯号示波器白皮书)


解决方案

罗德史瓦兹RTO示波器

台湾罗德史瓦兹:「RTO拥有最广泛的应用范围!」



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

罗德史瓦兹RTO示波器提供达128位元的序列资料触发,因此能提供精确的个别位元序列触发;透过升级时脉资料回复硬体选配,则成为嵌入式时脉讯号测试的理想选择。


RTO示波器系列的应用范围,还可以扩大至车用乙太网路介面测试。此外,由於在工业、资讯科技及汽车领域,都必须使用乙太网路交换技术,因此R&S也为RTO数位示波器系列提供了乙太网路介面自动化测试方案,其高动态范围将提供使用者精确的测试结果。


太克科技5系列MSO混合讯号示波器

太克科技大中华区产品技术总监陈湘俊:「这部仪器确立了效能、分析和整体使用者经验的新标准。」



图3 : 太克科技5系列MSO混合讯号示波器
图3 : 太克科技5系列MSO混合讯号示波器图片来源:tektronix.com

搭配优异且创新的滑动、缩放、触控式萤幕使用者介面、业界最大的高解析度萤幕显示器,以及4、6或8个可让工程人员量测一个类比或八个数位讯号的FlexChannel输入通道,5系列MSO已准备好迎接当下及未来最严竣的挑战。它确立了效能、分析和整体使用者经验的新标准。


是德科技MSOS804A高解析度示波器

是德科技台湾区总经理张志铭:「这部示波器拥有8GHz、4个类比通道和16个数位通道。」



图4 : 是德科技MSOS804A高解析度示波器
图4 : 是德科技MSOS804A高解析度示波器图片来源:keysight.com

MSOS804A高解析度示波器主要功能包括:8GHz频宽;4个类比通道和16个数位通道;20GSa/s最大取样率,每通道标配50Mpts记忆体,可撷取更长的信号轨迹;6.4位元系统有效位元(ENOB)和10位元类比数位转换器(ADC),可实现信号完整性;15寸多点触控电容式触控萤幕大幅提升易用性,标配的固态硬碟可加速开机并提高可靠度;可透过各种协定、相符性测试和分析软体提升测试效率等。


NI PXI架构高速示波器

国家仪器技术行销经理潘建安:「PXI架构可大幅缩短测试时间。」



图5 : NI PXI架构仪器
图5 : NI PXI架构仪器图片来源:ni.com

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。


此外,T-Clock同步化技术仅需单一PXI机箱达到136个同步化通道,或以多组机箱达到最多5,000个通道;当然,该技术亦可同步化不同类型的仪器。另外亦可挑选模组化PXI示波器搭配任意波形产生器,或数位波形产生器/分析仪,以建构完整的混合式讯号应用,可达到示波器与逻辑分析器的优点,而不会仅限於数位化功能的示波器。


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