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為訊號完整性把關 示波器迎接棘手測試挑戰
扮演工程師的另一隻眼

【作者: 王岫晨】   2019年01月14日 星期一

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感測器可以將力轉換成電訊號,然後可以使用示波器觀察和分析這些訊號。透過使用示波器,工程師就可以「看到」隨時間變化的事件。



在自然界中,不論是海浪、地震、音爆或者爆炸,聲音通過空氣傳播,或是人體運動的自然頻率,這些聲音都是以正弦波的形式運動。能量、振動粒子及其他看不見的力都分散在我們周圍的物理空間中。即使是光線也有基礎頻率,可以利用波來作為色彩進行觀察。對於設計、製造或維修電子設備的任何工程師來說,示波器都是一種不可或缺的工具。在目前快節奏的世界中,工程師需要最好的工具,來迅速準確地解決面臨的量測挑戰。作為工程師的眼睛,示波器在迎接目前棘手的量測挑戰方面至關重要。


無窮無盡的示波器應用

一般來說,感測器可以將這些力轉換成電訊號,然後可以使用示波器觀察和分析這些訊號。透過使用示波器,科學家、工程師、教育工作者就可以「看到」隨時間變化的事件。事實上,示波器的用途並不僅限於電子領域。在安裝適當的感測器時,示波器可以量測各類現象。感測器是一種針對物理激勵產生電訊號的裝置,例如聲音、機械壓力、壓力、光或熱等。麥克風就是一種感測器,它將聲音轉換成電訊號。從物理學家到維修技師,每個人都離不開示波器。汽車工程師使用示波器,將來自感測器的類比資料與來自引擎控制單元的串列資料關聯起來。醫學研究人員則可使用示波器量測腦電波。由此看來,示波器的用途可以說是無窮無盡的。


訊號完整性的核心有幾個關鍵問題:


● 在拍攝時,拍到的是不是實際發生事件的準確影像?


● 影像清楚還是模糊?


● 每秒可以拍攝多少張這麼準確的圖片?


訊號完整性的重要性

對任何常用的示波器系統來說,準確重建波形的能力都是關鍵,這種能力稱為訊號完整性。示波器類似於一台攝影機,它捕獲訊號影像,然後可以觀察和解釋訊號影像。示波器不同的系統和效能功能結合在一起,影響著其提供最高訊號完整性的能力。此外,探棒也影響著量測系統的訊號完整性。訊號完整性影響著許多電子設計學科。但直到幾年前,它對數位設計人員來說還不是什麼大問題。設計人員可以依賴邏輯電路,像布林電路一樣操作。在當時,有雜訊的、不確定的訊號發生在高速電路中,RF設計人員還不用擔心這些問題。數位系統切換速度慢,訊號以可預測的方式穩定。


然而,此後的處理器時脈速率提高了幾個量級。而3D影像、視訊和伺服器I/O 等電腦應用也需要大量的頻寬。目前大部分電訊設備都以數位方式為基礎,同樣要求大規模的頻寬。數位高畫質電視也不例外。新一代微處理器裝置以高達2GS/s、3GS/s、甚至5GS/s (千兆樣點/秒) 的速率處理資料,某些DDR3儲存設備則使用2GHz以上的時脈,及上升時間為35ps的資料訊號。更重要的是,汽車、消費電子、機械控制裝置及各類常使用IC裝置的應用,對速度的要求也愈來愈高。


在以20MHz時脈速率運行的處理器中,訊號的上升時間與800 MHz處理器中的訊號類似。設計人員已經超越了效能門檻,事實上,幾乎每種設計都是高速設計。如果沒有某些預防性措施,高速問題可能會鑽進其他傳統數位設計中。如果電路經歷間歇性故障,或在極端電壓和溫度時遇到錯誤,那麼可能存在某些隱藏的訊號完整性問題。這些問題會影響產品開發週期、產品可靠性、EMI合規性等。這些高速問題還可能會影響系統中串列資料串流的完整性,要求某種方法,將資料中的特定碼型與高速波形中觀察到的特性關聯起來。


訊號完整性的問題在哪裡

在瞭解訊號完整性的重要性之前,必須要先知道目前數位設計中訊號劣化的部分具體成因。為什麼現在這些問題比過去幾年來得嚴重了呢?答案就是速度。在「低速的舊時代」,保持可以接受的數位訊號完整性只需注意細節就可以了,例如時脈分配、訊號路徑設計、雜訊容許度、負載影響、傳輸線效應、匯流排終端、解耦和配電。在過去,所有這些規則仍然適用,但是到了今天,匯流排週期時間比20年前快了1000倍。過去需要幾微秒的異動處理,現在只需要幾奈秒。為實現這種改進,邊緣速度也已經加快,這比20年前快了100倍。


這一切還還算好。然而,某些實際物理狀況使得電路板技術不能跟上發展步伐。晶片間匯流排的傳輸時間在過去幾十年中幾乎一直沒有變化。當然,儘管其尺寸已經縮小,但仍需要為IC裝置、連接器、被動式裝置、當然還有匯流排軌跡本身提供電路板空間。這些空間彙聚成距離,而距離則意味著時間,這正是速度的天敵。


必需瞭解的地方是,數位訊號的邊緣速度,也就是上升時間承載的頻率成分,可以高於其重複速率表示的頻率。基於這一原因,某些設計人員故意尋求上升時間相對「較慢」的IC裝置。集總電路模型一直是預測電路中訊號特性使用的大多數計算的依據。但是,在邊緣速度比訊號路徑延遲快4~6倍時,簡單的集總模型將不再適用。在使用邊緣速率不到4~6奈秒的訊號驅動時,不管週期速率是多少,長僅6英吋的電路板軌跡變成了傳輸線。事實上,其建立了新的訊號路徑。這些無形的連接並沒有畫在示意圖上,然而卻對訊號造成了相互影響且無法預測的問題。


有時候,即使是探棒或儀器的組合,所引入的錯誤也可能會為待測訊號帶來重大影響。但是,透過對實測值應用「平方和的均方根」公式,可以確定待測裝置是否接近上升時間或下降時間的故障。此外,最新的示波器工具採用專用濾波技術,以嵌入量測系統對訊號的影響,來顯示邊緣時間及其他訊號特性。


同時,預計的訊號路徑並沒有以預計的方式工作。地平面和電壓層(例如訊號軌跡)變成電感,工作方式類似於傳輸線,電源解耦的效果大大降低。通常來說,EMI上升,因為邊緣速度越快,相對於匯流排長度產生的波長越短,串音越高。此外,快速邊緣速度需要整體產生更高的電流。更高的電流一般會導致地電平彈跳,特別是在一次切換多個訊號的寬匯流排上。而且,更高的電流會提高輻射的磁能量及串音。


透過示波器簡化除錯過程

數位信號與類比性號有哪些共同點呢?一般來說,它們都是典型的類比現象。為了解決訊號完整性問題,數位設計人員便需要跨入類比領域。為邁出這一步,他們需要能夠顯示數位訊號和類比訊號如何相互影響的工具。


數位錯誤通常源於類比訊號完整性問題。為追蹤數位問題的成因,通常必須打開示波器,示波器可以顯示波形細節、邊緣和雜訊,可以偵測和顯示暫態訊號,可以用來協助工程師準確量測時序關係,如建立和保持時間。透過觸發並列或串列資料串流中的具體碼型,顯示在時間上與特定事件對應的類比訊號,現代示波器可以協助簡化除錯過程。瞭解示波器內部的每個系統及如何應用這些系統,將有助於工程師更有效率地應用示波器,來處理具體的量測挑戰。


(本文參考資料:太克科技 深入瞭解示波器入門手冊)


太克科技DPO70000SX 70GHz ATI高效能示波器


圖1 : 太克科技MSO70000系列混合訊號示波器
圖1 : 太克科技MSO70000系列混合訊號示波器圖片來源:tektronix.com

太克科技:「這是首見的高效能整合式MSO系列產品。」


太克科技推出MSO70000系列混合訊號示波器,該公司表示,此為首見的高效能整合式MSO系列產品。這部儀器擁有多達二十個量測通道,可以4~20GHz的類比頻寬和80ps 的數位通道時序解析度進行擷取。隨著MSO70000的推出,太克科技現在在市場上擁有完整的混合訊號示波器產品組合;提供十七款MSO機型,從可攜式的MSO2000一直到市面上快速的 20GHz MSO72004混合訊號示波器。


MSO已成為嵌入式系統工程設計的首選工具,這個領域對建立類比與數位訊號的關聯有強烈的需求。現今,網路交換器和資料伺服器等嵌入式系統正採用更快速的技術,因而需要更高效能的MSO。其他如高速串列與數位射頻的應用領域,也需要完整的系統能見度。隨著MSO70000系列的推出,太克科技提供了良好的類比/數位擷取效能與多樣化的探測方案。


羅德史瓦茲RTP示波器


圖2 : 羅德史瓦茲RTP示波器
圖2 : 羅德史瓦茲RTP示波器圖片來源:rohde-schwarz.com

台灣羅德史瓦茲:「我們正式進軍高階示波器市場!」


R&S RTP系列在開發過程中,特別著重於量測精準度、速度和新技術,並完整地結合多種儀器功能,是研發過程中故障排除的絕佳選擇,例如測試具快速數位介面或寬頻無線射頻傳輸介面的嵌入式元件。R&S RTP高效能示波器結合了訊號完整性與高擷取速率,在標準擷取模式下,每秒可量測一百萬個波形,比其他同類示波器快一千倍以上,能幫助使用者更快地發現零星錯誤,並可即時補償訊號源到示波器之間的傳輸損耗。


此外,R&S RTP 可滿足高頻應用量測需求,舉凡航空、國防、汽車、工業和通訊等領域;同時亦適用高速數位介面測試如高速匯流排(USB、PCI Express、MIPI)、無線電或雷達等射頻介面、DDR記憶體介面、電源管理元件,及簡單的控制和編程匯流排。R&S持續致力於示波器市場的創新,透過發表新一代R&S RTP系列,R&S宣告正式進軍高階示波器市場。


是德科技Infiniium V系列示波器


圖3 : 是德科技Infiniium V系列示波器
圖3 : 是德科技Infiniium V系列示波器圖片來源:keysight.com

是德科技:「我們讓開發工程師能夠精準洞察所量測到的信號。」


全球示波器擁有12億美元的市場規模,如此大的一塊餅,當然也吸引了許多廠商競相開發更好的產品,來獲取更大的商機。而在高階示波器市場上,是德科技也持續扮演著領導者的角色。面對高速數位訊號測試需求不斷提升的情況下,是德科技也推出全新的Keysight Infiniium V系列示波器,來補足高階示波器市場的最後一塊拼圖。


Keysight Infiniium V系列問世後,工程師便可又快又準確地執行所有測試,進而更快將新產品推出上市,並且增強對設計品質的自信度。


NI PXI架構高速示波器


圖4 : NI PXI架構示波器
圖4 : NI PXI架構示波器圖片來源:ni.com

國家儀器:「PXI架構可大幅縮短測試時間。」


NI高速示波器具有強大的儀器整合,再加上高輸出PXI匯流排有助於縮短測試時間,非常適合高頻寬自動化量測作業。NI高速示波器搭載了NI專利T-Clock同步化技術,可藉此建置高達34個相位同步1GS/s通道所組成的系統,並且進一步整合其他NI硬體,打造出完整的自動化混合式訊號測試系統。


大多數的自動化測試與多重工作台應用,均需要多類型的儀器,如示波器、訊號產生器、數位波形分析器、數位波形產生器,與切換器等。PXI與NI模組化儀器既有的時序與同步化功能,可同步上述的所有儀器,且不需額外接線。PXI的模組化特性大幅提升了速度,且使用者不需再耗時操作,進而提高效率。


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