高速PCB電路設(shè)計中信號完整性問題的快速定位

　 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，和/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。

　　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。用硬件觸發(fā)電路觸發(fā)非單調(diào)邊沿這一類小波形現(xiàn)象幾乎是不可能的。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　事件識別軟件是對識別信號完整性問題的傳統(tǒng)硬件觸發(fā)或深度采集存儲方法的一個有效補充。當(dāng)示波器不存在“死區(qū)時間”問題時，也就是說事件的發(fā)生頻率大于每秒一次時(一秒鐘對于高速電路而言是一個相當(dāng)長的時間)，事件識別軟件這個新技術(shù)將成為定位電子設(shè)計中信號完整性問題的一個最有效且靈活的工具。