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全新PCB設(shè)計信號完整性快速定位法

      在高速電路設(shè)計中,定位信號完整性問題的傳統(tǒng)方法是采用硬件觸發(fā)來隔離事件,或利用深度采集存儲技術(shù)捕獲事件,然后再尋找問題。隨著高性能電路系統(tǒng)的速度和復(fù)雜程度的不斷提高,用示波器定位信號完整性問題的局限性也在逐步凸顯。
  隨著一種全新事件定位技術(shù)的出現(xiàn),這種局面將會有很大的改觀。最終,這種功能強大的事件定位系統(tǒng)將有效地幫助設(shè)計工程師快速而輕松地找出信號完整性問題。
  傳統(tǒng)的信號完整性問題定位方法
  傳統(tǒng)的硬件觸發(fā)/深度采集存儲方法在定位信號完整性問題方面有兩大優(yōu)勢。
  首先,利用硬件觸發(fā)鎖定某個相關(guān)事件時不存在死區(qū)時間。硬件觸發(fā)系統(tǒng)會使示波器采集系統(tǒng)一直不停地運行,直到找到目標(biāo)事件為止。一旦目標(biāo)事件被鎖定,硬件觸發(fā)電路將會觸發(fā),完成示波器的數(shù)據(jù)采集工作,同時在屏幕的中心顯示這個事件。這種方法確實非常方便。
  其次,采用深度采集存儲技術(shù),用戶無需知道目標(biāo)系統(tǒng)所面臨的信號完整性問題的種類,只需將示波器設(shè)為最大存儲模式,并將觸發(fā)模式設(shè)為邊沿觸發(fā),甚至是自動觸發(fā),然后讓示波器開始運行即可。示波器將會捕獲一段相對長的有關(guān)目標(biāo)系統(tǒng)執(zhí)行情況的截屏,然后用戶可以隨時分析這段數(shù)據(jù),判斷是否存在有問題的事件。這種技術(shù)也被稱之為“廣存廣查(swallow and wallow)”技術(shù)。
  這些利用示波器驗證設(shè)計的方法非常有效,并已在電子設(shè)計工程師社群中深入人心。但是與測試/測量行業(yè)的新興技術(shù)相比,這種方法還存在諸多局限性。
  定位信號完整性問題的新方法
  定位信號完整性問題的新方法是一種事件識別軟件。事件識別軟件本質(zhì)上來說是一種智能軟件,這種軟件掃描示波器所捕捉的波形,找出各種信號完整性問題或者信號有問題的事件。該方法不具備硬件觸發(fā)方法的“無死區(qū)時間”特性,這是因為在對以前捕捉的數(shù)據(jù)進行后處理時本來就有“死區(qū)時間”,它也沒有深度采集存儲技術(shù)能提供的“廣存廣查”能力。但事件識別軟件具有如下的一些獨特優(yōu)點,這些優(yōu)點正在吸引越來越多的示波器用戶。
  1.同時監(jiān)控多個事件:硬件觸發(fā)方法只能識別一個有問題的事件,硬件觸發(fā)電路被設(shè)置成在特定事件發(fā)生時觸發(fā),從根本上杜絕了同時監(jiān)控多個事件的可能性。而事件識別軟件不受這種限制的影響,該軟件可以通過編程設(shè)定為同時掃描任意一個通道或多個通道上的5個事件。這可極大地縮短用于逐步縮小信號完整性問題潛在原因的范圍、隔離錯綜復(fù)雜的相關(guān)事件所用的時間。
  2.找出同一事件多次出現(xiàn)的情況:硬件觸發(fā)電路每次捕捉只能識別一個事件的單次出現(xiàn)。實際上在這個事件被硬件隔離之前或之后,該事件還會重復(fù)多次出現(xiàn),但是硬件觸發(fā)方法無法發(fā)現(xiàn)這些重復(fù)出現(xiàn)的事件。事件識別軟件就可以做到這一點,它可以找出波形存儲器所捕捉的事件的所有出現(xiàn)次數(shù)。因此,設(shè)計工程師不但能發(fā)現(xiàn)第一次故障,還能發(fā)現(xiàn)第二次、第三次故障等。
  3.事件導(dǎo)航:一旦用戶通過深度存儲捕獲了很長的波形,接下來就是極其枯燥而且極易出錯的手動工作,即回放這些波形,檢查波形的每一段,并找出潛在的信號完整性問題。深度采集存儲技術(shù)可以采集10,000個屏幕的信息。手動審查所有這些信息是不切實際的。將這些示波器數(shù)據(jù)傳到一個控制器上,編寫定制的軟件來分析這些數(shù)據(jù)也是不現(xiàn)實的,而且非常耗時。事件識別軟件一旦識別出目標(biāo)事件的所有出現(xiàn)次數(shù),就可以用向DVD播放器一樣直觀的回放控制鍵,在這個事件的多次出現(xiàn)之間來回切換。圖1為采用Agilent DSO81304B示波器的一個測試實例。
  圖1:導(dǎo)航條(屏幕的下半部分)可以自動移到多達(dá)5個不同事件(在四個示波器通道的任意一個通道中)的任何一個事件上。圖中的示波器正在查找標(biāo)記為Ax和Bx的兩個通道中的脈寬差別。
  4.識別多種事件:一個典型的硬件觸發(fā)系統(tǒng)可以隔離大約10種不同類型的事件或觸發(fā)模式。但是開發(fā)一種新的硬件觸發(fā)模式對于示波器廠商來說非常麻煩,需要大量的開發(fā)資源和昂貴的IC生產(chǎn)成本。相比而言開發(fā)事件識別軟件的成本就會少很多。目前的事件識別軟件可以隔離出波形測量能測得的任何事件(現(xiàn)代示波器可以進行30多種波形測量),而且還可以發(fā)現(xiàn)由不正確的信號端子引起的非單調(diào)邊沿等有問題的事件。
  5.辨別事件的速度:硬件觸發(fā)電路的速度主要受其晶體管速度的影響,并且它采用的是模擬技術(shù)?,F(xiàn)在最高端的硬件觸發(fā)電路可以實現(xiàn)低至300ps的脈寬(或脈沖干擾)觸發(fā),以及3.25Gbps的序列觸發(fā)(serial triggering)。盡管這些指標(biāo)很優(yōu)異,但是硬件觸發(fā)電路的速度仍然跟不上如今頂級系統(tǒng)的8.5Gbps以上的速度。事件識別軟件只受示波器采樣速率的限制,本質(zhì)上采用的是數(shù)字技術(shù)。業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的示波器的采樣速率高達(dá)40GSps,通過軟件事件識別系統(tǒng)識別事件的速度比硬件觸發(fā)模式快很多。新技術(shù)可以觀察到脈寬為70ps的事件,并且其序列查找速度可達(dá)8.5Gbps(見圖2所示的另一個高速信號測試?yán)?。
 6.辨別事件的分辨率:硬件觸發(fā)電路的時間分辨率相對比較低,根據(jù)不同的觸發(fā)事件、波形信號特性以及導(dǎo)致觸發(fā)事件的特定波形活動,分辨率大約為幾十甚至上百皮秒。當(dāng)需要測量一些比較精確的指標(biāo)時,這個分辨率已不能滿足要求(即可能產(chǎn)生虛假故障)。由于軟件事件識別純粹的數(shù)字信號處理,可以采用像1到16采樣點插值算法這樣的DSP技術(shù),從而有效地提高事件分辨率。事件通過率的檢查可以提高到皮秒級。圖2顯示的是示波器識別36ps的上升沿的波形。
圖2:Agilent InfiniiScan軟件可以識別由單比特脈沖的符號間干擾(ISI)引起的、Ax和Bx之間的36ps超快上升時間。
  7.可見即可隔離:事件識別軟件最吸引人的地方在于其“區(qū)域探測器(Zone Finder)”功能。很多示波器用戶會看到屏幕上偶爾有間歇信號閃過,但卻來不及按下停止按鈕鎖定它們。通常在這種情況下,用戶會把示波器設(shè)為單次采集模式,然后不停地按單次觸發(fā)鍵(有時需要按非常多次),才能有效捕捉到一次事件。而大多數(shù)情況下,這樣做的結(jié)果只會讓你手指酸痛。區(qū)域探測器可以讓用戶在屏幕上畫一個區(qū)域,用戶可以在這個區(qū)域中觀察到間歇信號閃過,當(dāng)這個信號的波形下一次閃過這個區(qū)域時,示波器會自動停止,并清晰地顯示這個波形。圖3顯示的是一個包含兩塊區(qū)域的示例。這個功能通常非常有用。
  圖3:區(qū)間查找器功能可以隔離未進入第一個區(qū)域(左上角的方形區(qū)域),而同時需要進行第二個區(qū)域(下方中心位置的方形區(qū)域)的波形。圖中的示波器可以快速隔離前面有三個“0”位的單個“1”位。
  8.與硬件觸發(fā)同步:通過可編程的延時機制,事件識別軟件可以與硬件觸發(fā)機制配合使用。也就是說,這種方法可以捕捉到在定義的硬件事件之后延遲一段指定時間時發(fā)生的軟件定義事件。這種軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)可以生成一個觸發(fā)排序器(trigger sequencer),或者可以用硬件來限制軟件要檢查的波形,從而提高效率。


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