高速電路常用的信號(hào)完整性測(cè)試手段與仿真

2016-10-12 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

信號(hào)完整性設(shè)計(jì)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中越來(lái)越受到重視,而信號(hào)完整性的測(cè)試手段種類繁多,有頻域,也有時(shí)域的,還有一些綜合性的手段,比如誤碼測(cè)試。這些手段并非任何情況下都適合使用,都存在這樣那樣的局限性,合適選用,可以做到事半功倍,避免走彎路。本文對(duì)各種測(cè)試手段進(jìn)行介紹,并結(jié)合實(shí)際硬件開(kāi)發(fā)活動(dòng)說(shuō)明如何選用。

信號(hào)完整性的測(cè)試手段很多,涉及的儀器也很多,因此熟悉各種測(cè)試手段的特點(diǎn),以及根據(jù)測(cè)試對(duì)象的特性和要求,選用適當(dāng)?shù)臏y(cè)試手段,對(duì)于選擇方案、驗(yàn)證效果、解決問(wèn)題等硬件開(kāi)發(fā)活動(dòng),都能夠大大提高效率,起到事半功倍的作用。

信號(hào)完整性的測(cè)試手段

早期的時(shí)候,信號(hào)完整性分析的手段不多,但是時(shí)至今日,信號(hào)完整性分析的手段越來(lái)越多,不管是時(shí)域的還是頻域的,不管是波形還是眼圖,疑惑是誤碼率等等,只要你想要的,不久的將來(lái)各大廠商都能設(shè)計(jì)的出來(lái)。雖然現(xiàn)在有很多測(cè)試手段,但是這些手段既有優(yōu)點(diǎn),也存在局限性,實(shí)際上不可能全部都使用,下面對(duì)這些手段進(jìn)行一些說(shuō)明。

1、波形測(cè)試

波形測(cè)試是信號(hào)完整性測(cè)試中最常用的手段,一般是使用示波器進(jìn)行,主要測(cè)試波形幅度、邊沿和毛刺等,通過(guò)測(cè)試波形的參數(shù),可以看出幅度、邊沿時(shí)間等是否滿足器件接口電平的要求,有沒(méi)有存在信號(hào)毛刺等。由于示波器是極為通用的儀器,幾乎所有的硬件工程師都會(huì)使用,但并不表示大家都使用得好。波形測(cè)試也要遵循一些要求,才能夠得到準(zhǔn)確的信號(hào)。

首先是要求主機(jī)和探頭一起組成的帶寬要足夠?；旧蠝y(cè)試系統(tǒng)(一定要注意這是講的是系統(tǒng))的帶寬是測(cè)試信號(hào)帶寬的3倍以上就可以了。實(shí)際使用中,有一些工程師隨便找一些探頭就去測(cè)試,甚至是K公司的探頭插到T公司的示波器去,這種測(cè)試很難得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

其次要注重細(xì)節(jié)。比如測(cè)試點(diǎn)通常選擇放在接收器件的管腳,如果條件限制放不到上面去的,比如BGA封裝的器件,可以放到最靠近管腳的PCB走線上或者過(guò)孔上面。距離接收器件管腳過(guò)遠(yuǎn),因?yàn)樾盘?hào)反射,可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果和實(shí)際信號(hào)差異比較大;探頭的地線盡量選擇短地線等。

最后,需要注意一下匹配。這個(gè)主要是針對(duì)使用同軸電纜去測(cè)試的情況,同軸直接接到示波器上去,負(fù)載通常是50歐姆,并且是直流耦合,而對(duì)于某些電路,需要直流偏置,直接將測(cè)試系統(tǒng)接入時(shí)會(huì)影響電路工作狀態(tài),從而測(cè)試不到正常的波形。

2、眼圖測(cè)試

眼圖測(cè)試是常用的測(cè)試手段,特別是對(duì)于有規(guī)范要求的接口,比如USB、Ethernet、SATA、HDMI,還有光接口等。這些標(biāo)準(zhǔn)接口信號(hào)的眼圖測(cè)試,主要是用帶MASK(模板)的示波器,包括通用示波器,采樣示波器或者信號(hào)分析儀,這些示波器內(nèi)置的時(shí)鐘提取功能,可以顯示眼圖,對(duì)于沒(méi)有MASK的示波器,可以使用外接時(shí)鐘進(jìn)行觸發(fā)。使用眼圖測(cè)試功能,需要注意測(cè)試波形的數(shù)量,特別是對(duì)于判斷接口眼圖是否符合規(guī)范時(shí),數(shù)量過(guò)少,波形的抖動(dòng)比較小,也許有一下違規(guī)的情況,比如波形進(jìn)入MASK的某部部分,就可能采集不到,出現(xiàn)誤判為通過(guò),數(shù)量太多,會(huì)導(dǎo)致整個(gè)測(cè)試時(shí)間過(guò)長(zhǎng),效率不高,通常情況下,測(cè)試波形數(shù)量不少于2000,在3000左右為適宜。

目前有一些儀器,利用分析軟件,可以對(duì)眼圖中的違規(guī)詳細(xì)情況進(jìn)行查看,比如在MASK中落入了一些采樣點(diǎn),在以前是不知道哪些情況下落入的,因?yàn)樗械牟蓸狱c(diǎn)是累加進(jìn)去的,總的效果看起來(lái)就象是長(zhǎng)余暉顯示。而新的儀器,利用了其長(zhǎng)存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì),將波形采集進(jìn)來(lái)后進(jìn)行處理顯示,因此波形的每一個(gè)細(xì)節(jié)都可以保留,因此它可以查看波形的違規(guī)情況,比如波形是000010還是101010,這個(gè)功能可以幫助硬件工程師查找問(wèn)題的根源所在。

3、抖動(dòng)測(cè)試

抖動(dòng)測(cè)試現(xiàn)在越來(lái)越受到重視,因?yàn)閷Ｓ玫亩秳?dòng)測(cè)試儀器,比如TIA(時(shí)間間隔分析儀)、SIA3000,價(jià)格非常昂貴,使用得比較少。使用得最多是示波器加上軟件處理,如keysight的EZJIT,TEK的DPOJitter軟件。通過(guò)軟件處理,分離出各個(gè)分量,比如RJ和DJ,以及DJ中的各個(gè)分量。對(duì)于這種測(cè)試,選擇的示波器,長(zhǎng)存儲(chǔ)和高速采樣是必要條件,比如2M以上的存儲(chǔ)器,20GSa/s的采樣速率。不過(guò)目前抖動(dòng)測(cè)試,各個(gè)公司的解決方案得到結(jié)果還有相當(dāng)差異,還沒(méi)有哪個(gè)是權(quán)威或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

4、TDR測(cè)試

TDR測(cè)試目前主要使用于PCB(印制電路板)信號(hào)線、以及器件阻抗的測(cè)試,比如單端信號(hào)線,差分信號(hào)線,連接器線纜等。這種測(cè)試有一個(gè)要求,就是和實(shí)際應(yīng)用的條件相結(jié)合,比如實(shí)際該信號(hào)線的信號(hào)上升沿在300ps左右,那么TDR的輸出脈沖信號(hào)的上升沿也要相應(yīng)設(shè)置在300ps附近,而不使用30ps左右的上升沿,否則測(cè)試結(jié)果可能和實(shí)際應(yīng)用有比較大的差別。影響TDR測(cè)試精度有很多的原因,主要有反射、校準(zhǔn)、讀數(shù)選擇等,反射會(huì)導(dǎo)致較短的PCB信號(hào)線測(cè)試值出現(xiàn)嚴(yán)重偏差,特別是在使用TIP(探針)去測(cè)試的情況下更為明顯,因?yàn)門(mén)IP和信號(hào)線接觸點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致很大的阻抗不連續(xù),導(dǎo)致反射發(fā)生,并導(dǎo)致附近三、四英寸左右范圍的PCB信號(hào)線的阻抗曲線起伏。

5、時(shí)序測(cè)試

現(xiàn)在器件的工作速率越來(lái)越快,時(shí)序容限越來(lái)越小,時(shí)序問(wèn)題導(dǎo)致產(chǎn)品不穩(wěn)定是非常常見(jiàn)的,因此時(shí)序測(cè)試是非常必要的。測(cè)試時(shí)序通常需要多通道的示波器和多個(gè)探頭,示波器的邏輯觸發(fā)或者碼型和狀態(tài)觸發(fā)功能,對(duì)于快速捕獲到需要的波形,很有幫助,不過(guò)多個(gè)探頭在實(shí)際操作中,并不容易,又要拿探頭,又要操作示波器,那個(gè)時(shí)候感覺(jué)有孫悟空的三頭六臂就方便多了。邏輯分析儀用做時(shí)序測(cè)試并不多,因?yàn)樗饕饔檬欠治龃a型,也就是分析信號(hào)線上跑的是什么碼,和代碼聯(lián)系在一起,可以分析是哪些指令或者數(shù)據(jù)。在對(duì)于要求不高的情況下,可以用它來(lái)測(cè)試,它相對(duì)示波器來(lái)說(shuō),優(yōu)勢(shì)就是通道數(shù)多,但是它的劣勢(shì)是探頭連接困難,除非設(shè)計(jì)的時(shí)候就已經(jīng)考慮了連接問(wèn)題,否則飛線就是唯一的選擇,如果信號(hào)線在PCB的內(nèi)層,幾乎很難做到。

6、頻譜測(cè)試

對(duì)于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)前期,這種測(cè)試應(yīng)用相對(duì)比較少,但是對(duì)于后期的系統(tǒng)測(cè)試,比如EMC測(cè)試,很多產(chǎn)品都需要測(cè)試。通過(guò)該測(cè)試發(fā)現(xiàn)某些頻點(diǎn)超標(biāo),然后可以使用近場(chǎng)掃描儀(其中關(guān)鍵的儀器是頻譜儀),例如EMCSCANER,來(lái)分析板卡上面具體哪一部分的頻譜比較高,從而找出超標(biāo)的根源所在。不過(guò)這些設(shè)備相對(duì)都比較昂貴,中小公司擁有的不多,因此通常情況下都是在設(shè)計(jì)時(shí)仔細(xì)做好匹配和屏蔽,避免后面測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)信號(hào)頻譜超標(biāo),因?yàn)楹笃诎l(fā)現(xiàn)了問(wèn)題,很多情況下是很難定位的。

7、頻域阻抗測(cè)試

現(xiàn)在很多標(biāo)準(zhǔn)接口,比如E1/T1等,為了避免有太多的能量反射,都要求比較好地匹配,另外在射頻或者微波,相互對(duì)接,對(duì)阻抗通常都有要求。這些情況下,都需要進(jìn)行頻域的阻抗測(cè)試。阻抗測(cè)試通常使用網(wǎng)絡(luò)分析儀,單端端口相對(duì)簡(jiǎn)單,對(duì)于差分輸入的端口,可以使用Balun進(jìn)行差分和單端轉(zhuǎn)換。

8、傳輸線損耗測(cè)試

傳輸線損耗測(cè)試,對(duì)于長(zhǎng)的PCB走線,或者電纜等,在傳輸距離比較遠(yuǎn),或者傳輸信號(hào)速率非常高的情況下,還有頻域的串?dāng)_等,都可以使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)測(cè)試。同樣的,對(duì)于PCB差分信號(hào)或者雙絞線,也可是使用Balun進(jìn)行差分到單端轉(zhuǎn)換,或者使用4端口網(wǎng)絡(luò)分析來(lái)測(cè)試。多端口網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn),使用電子校準(zhǔn)件可以大大提高校準(zhǔn)的效率。

9、誤碼測(cè)試

誤碼測(cè)試實(shí)際上是系統(tǒng)測(cè)試,利用誤碼儀,甚至是一些軟件都可做,比如可以通過(guò)兩臺(tái)電腦,使用軟件,測(cè)試連接兩臺(tái)電腦間的網(wǎng)絡(luò)誤碼情況。誤碼測(cè)試可以對(duì)數(shù)據(jù)的每一位都進(jìn)行測(cè)試,這是它的優(yōu)點(diǎn),相比之下示波器只是部分時(shí)間進(jìn)行采樣,很多時(shí)間都在等待,因此漏過(guò)了很多細(xì)節(jié)。低誤碼率的設(shè)備的誤碼測(cè)試很耗費(fèi)時(shí)間,有的測(cè)試時(shí)間是一整天,甚至是數(shù)天。

實(shí)際中如何選用這上述測(cè)試手段,需要根據(jù)被測(cè)試對(duì)象進(jìn)行具體分析,不同的情況需要不同的測(cè)試手段。比如有標(biāo)準(zhǔn)接口的,就可以使用眼圖測(cè)試、阻抗測(cè)試和誤碼測(cè)試等,對(duì)于普通硬件電路,可以使用波形測(cè)試、時(shí)序測(cè)試,設(shè)計(jì)中有高速信號(hào)線,還可以使用TDR測(cè)試。對(duì)于時(shí)鐘、高速串行信號(hào),還可以抖動(dòng)測(cè)試等。

另外上面眾多的儀器,很多都可以實(shí)現(xiàn)多種測(cè)試,比如示波器,可以實(shí)現(xiàn)波形測(cè)試,時(shí)序測(cè)試,眼圖測(cè)試和抖動(dòng)測(cè)試等,網(wǎng)絡(luò)分析儀可以實(shí)現(xiàn)頻域阻抗測(cè)試、傳輸損耗測(cè)試等,因此靈活應(yīng)用儀器也是提高測(cè)試效率,發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在問(wèn)題的關(guān)鍵。

信號(hào)完整性仿真

信號(hào)完整性測(cè)試是信號(hào)完整性設(shè)計(jì)的一個(gè)手段,在實(shí)際應(yīng)用中還有信號(hào)完整性仿真,這兩個(gè)手段結(jié)合在一起,為硬件開(kāi)發(fā)活動(dòng)提供了強(qiáng)大的支持。

在需求分析和方案選擇階段,就可以應(yīng)用一些信號(hào)完整性測(cè)試手段和仿真手段來(lái)分析可行性,或者判斷哪種方案優(yōu)勝,比如測(cè)試一些關(guān)鍵芯片的評(píng)估板,看看信號(hào)的電平、速率等是否滿足要求,或者利用事先得到的器件模型,進(jìn)行仿真,看接口的信號(hào)傳輸距離是否滿足要求等。在平時(shí)利用測(cè)試手段,也可以得到一些器件的模型,比如電纜的傳輸模型,這種模型可以利用在仿真中,當(dāng)這些模型積累比較多,一些部分測(cè)試,包括設(shè)計(jì)完畢后的驗(yàn)證測(cè)試,可以用仿真來(lái)替代,這對(duì)于效率提高很有好處,因?yàn)橐粋€(gè)設(shè)計(jì)中的所有的信號(hào)都完全進(jìn)行測(cè)試,是比較困難的,也是很耗費(fèi)時(shí)間的。

在設(shè)計(jì)階段,通常是使用仿真手段,對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行分析,比如負(fù)載的個(gè)數(shù),PCB信號(hào)線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整,以便將大多數(shù)的信號(hào)完整性問(wèn)題解決在設(shè)計(jì)階段。

系統(tǒng)調(diào)試以及驗(yàn)證測(cè)試階段,主要是利用信號(hào)完整性測(cè)試手段,對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試,看是否設(shè)計(jì)的要求。如果發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重問(wèn)題,就要去解決,信號(hào)完整性的測(cè)試和仿真手段都將用來(lái)尋找問(wèn)題的根源,以及尋找適合的解決方案上面。

信號(hào)完整性測(cè)試和信號(hào)完整性仿真緊密結(jié)合,這是信號(hào)完整性設(shè)計(jì)的基本要求,但是現(xiàn)在很多公司在這一塊上面都存在很多的問(wèn)題,有的只有測(cè)試,有的則只依賴于仿真,當(dāng)然,這些歸根結(jié)底還是因?yàn)樨?cái)力和人力的不充足。

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