使用實(shí)時(shí)數(shù)字熒光示波器進(jìn)行驗(yàn)證——捕獲和分析

驗(yàn)證(Verification)，就是測(cè)試設(shè)計(jì)是否和它對(duì)應(yīng)的各種標(biāo)準(zhǔn)(行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或者自定義標(biāo)準(zhǔn))相符，以及有多少冗余量。驗(yàn)證和調(diào)試，是示波器的主要用途。

在使用示波器進(jìn)行調(diào)試時(shí)，我們關(guān)心的主要指標(biāo)是：

波形捕獲率——決定儀器能夠多快發(fā)現(xiàn)故障

觸發(fā)系統(tǒng)——決定儀器能夠多精確地定位故障

分析能力——決定儀器能夠從波形里提取出多少有用信息。

而在使用示波器進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，我們更關(guān)心的指標(biāo)是：信號(hào)保真度——決定采集的樣點(diǎn)是否能夠真實(shí)反映信號(hào)特性;采樣率和內(nèi)存深度——決定單次捕獲可以以多快的速度以及抓取多少樣點(diǎn)供驗(yàn)證測(cè)試;分析工具——決定深入分析的程度和準(zhǔn)確性。

信號(hào)保真度是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，涵蓋了示波器的帶寬、采樣率、內(nèi)插、抖動(dòng)噪底、本底噪聲、時(shí)間測(cè)量精度、探頭系統(tǒng)等多個(gè)方面。業(yè)界對(duì)此的討論很多，也有很多相關(guān)文章，所以本文不再做詳細(xì)分析，只強(qiáng)調(diào)示波器的頻率響應(yīng)對(duì)驗(yàn)證的影響。

頻率響應(yīng)，在示波器指標(biāo)上反映為帶寬和上升時(shí)間。帶寬表征的是示波器的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)能力，而上升時(shí)間是瞬態(tài)相應(yīng)。經(jīng)驗(yàn)上，帶寬和上升時(shí)間(10～90%)的乘積是一個(gè)常數(shù)，這個(gè)常數(shù)和示波器的放大器模型有關(guān)。如高斯響應(yīng)的放大器模型，這個(gè)常數(shù)是0.35;而高性能的示波器放大器模型比較復(fù)雜，該常數(shù)一會(huì)在0.4~0.55之間。當(dāng)然，從用戶的角度看，這個(gè)常數(shù)應(yīng)該越小越好：常數(shù)越小，則表示相同的帶寬(穩(wěn)態(tài)響應(yīng))下，該示波器的上升時(shí)間更快，也就是說(shuō)瞬態(tài)響應(yīng)更好;而上升時(shí)間一樣的情況下，乘積小的示波器需要的帶寬會(huì)相對(duì)低一些——而對(duì)示波器，帶寬和價(jià)格是正比的，也就是說(shuō)乘積小的示波器性價(jià)比更高。

我們驗(yàn)證測(cè)試對(duì)象一般都是脈沖(非正弦)信號(hào)，如通信信號(hào)、串行總線信號(hào)、高速脈沖信號(hào)、調(diào)制信號(hào)等等，所以示波器的瞬態(tài)響應(yīng)相比起來(lái)更加重要。泰克DPO示波器在相同帶寬下，能提供最快的上升時(shí)間，對(duì)于瞬態(tài)信號(hào)的測(cè)試非常有幫助。

另外一方面，高帶寬示波器的不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，也會(huì)影響到驗(yàn)證測(cè)試的正確性、精度和速度：

近幾年示波器帶寬不斷高速提升，如何在提升帶寬的同時(shí)，保證帶內(nèi)幅度響應(yīng)的平坦和相位響應(yīng)的線性，成了一個(gè)重要的問(wèn)題。有經(jīng)驗(yàn)的工程師都知道，要完全從硬件入手，是不可能得到理想的平坦幅度響應(yīng)和線性相位響應(yīng)的。所以在高性能示波器的放大器技術(shù)中，各大示波器生產(chǎn)商都在使用軟件提升帶寬和優(yōu)化響應(yīng)的DSP技術(shù)。DSP技術(shù)的使用，確實(shí)能得到比較理想的幅度和相位響應(yīng)，但是它并不是有利無(wú)害的。下圖是示波器對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)，藍(lán)色為完全的模擬響應(yīng)，而紅色是DSP處理后的響應(yīng)。

DSP 提升、修正幅度和相位響應(yīng)后，示波器可以更加精確地測(cè)量上升時(shí)間、眼圖冗余等指標(biāo)，有利于對(duì)數(shù)字通信信號(hào)、計(jì)算機(jī)總線信號(hào)等的驗(yàn)證測(cè)試。但是從紅色的波形可以看到：虛線框部分，我們叫做“預(yù)過(guò)沖”，是一種不存在于現(xiàn)實(shí)信號(hào)中“假波形”，是由DSP處理產(chǎn)生出來(lái)的失真——對(duì)于階躍信號(hào)來(lái)說(shuō)，沒有理由當(dāng)上升能量還沒有產(chǎn)生時(shí)，波形就開始振蕩。所以當(dāng)使用示波器測(cè)量高速脈沖、激光脈沖或類似信號(hào)時(shí)，DSP的處理就不再是測(cè)試人員期望的了——失真的波形錯(cuò)誤指示了各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的物理行為。

當(dāng)然，DSP還有其它一些問(wèn)題，如過(guò)驅(qū)動(dòng)的信號(hào)的錯(cuò)誤顯示、較低的數(shù)據(jù)吞吐速度、DSP之前的原始數(shù)據(jù)無(wú)法導(dǎo)出等。所以當(dāng)用戶需要觀測(cè)過(guò)驅(qū)動(dòng)信號(hào)(如脈沖頂端的過(guò)沖細(xì)節(jié))、需要使用示波器采集的原始數(shù)據(jù)做自定義分析(如激光脈沖測(cè)量)或者需要較高的處理速度時(shí)，都要求示波器不使用DSP功能。

泰克在所有2.5GHz帶寬以上的DPO中都使用了DSP的頻響修正和通道匹配功能，DPO72004還有DSP的帶寬提升功能。但是泰克公司也深知DSP功能的利弊，所以在其它公司“悄悄”使用DSP功能時(shí)，泰克唯一讓用戶有了“知情權(quán)”和“控制權(quán)”，即用戶可以知道示波器是否正在使用DSP功能，同時(shí)還可以根據(jù)需要打開或者關(guān)閉DSP提升功能。這樣，如進(jìn)行需要示波器原始采集數(shù)據(jù)的脈沖測(cè)試，用戶可以選擇關(guān)閉DSP功能;而進(jìn)行串行信號(hào)一致性測(cè)試時(shí)，泰克建議可以打開DSP功能。

除了應(yīng)用上需要注意以上這些事項(xiàng)以外，DSP功能還有一些要求。從上圖我們可以看到，DSP要求必須滿足奈奎斯特采樣率實(shí)時(shí)采樣。有一些廠家的示波器當(dāng)采樣率不滿足奈奎斯特帶寬時(shí)，會(huì)有難以預(yù)料的波形幅度失真，大多來(lái)自于這個(gè)原因。

同時(shí)，高性能示波器一般都是4通道。但是要在四個(gè)通道上同時(shí)實(shí)現(xiàn)標(biāo)定帶寬，還需要采樣率的支持。業(yè)界一般公認(rèn)2.5倍于帶寬的采樣率是保證帶寬的最低要求。這樣，如果使用8GHz以上的示波器做信號(hào)驗(yàn)證(一般都是單次采集)，泰克的DPO可以同時(shí)在4條通道同時(shí)提供全帶寬性能(每通道50G的采樣率可以有效保證最高20GHz的帶寬)，而采用共享放大器和ADC結(jié)構(gòu)的示波器最多只能在兩條通道上達(dá)到全帶寬指標(biāo)，有的甚至僅僅能保證一條通道的性能。

存儲(chǔ)深度方面，很多驗(yàn)證測(cè)試需要足夠的數(shù)據(jù)。如目前在高速串行信號(hào)的抖動(dòng)和眼圖測(cè)試過(guò)程中都要求一次捕獲大量的數(shù)據(jù)，以進(jìn)行精確的抖動(dòng)測(cè)量和預(yù)估，同時(shí)保證低誤碼率。以避免捕獲少量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的結(jié)果的偶然性和不確定性。類如HDMI測(cè)試規(guī)范(CTS1.2 a Page 15)要求捕獲1百萬(wàn)個(gè)比特?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行眼圖分析，則需要示波器兩通道在10Gs/S的采樣率下使用16M的存儲(chǔ)深度。FBD Sigtest(Release notes Page6)推薦捕獲1百萬(wàn)個(gè)比特?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行眼圖分析.PCIE 2.0的規(guī)范(Page239)規(guī)定強(qiáng)制要求捕獲1Mlillion數(shù)據(jù)進(jìn)行眼圖抖動(dòng)分析。則需要示波器單通道在40Gs/S的采樣率下使用8M的存儲(chǔ)深度。

另一個(gè)例子：為了減少EMI的串?dāng)_和輻射，在大多數(shù)高速串行信號(hào)中均使用了加入了擴(kuò)頻時(shí)鐘(spread spectrum clock),它可以使串行信號(hào)的速率在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)進(jìn)行漂移，從而使其頻譜在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)擴(kuò)散，尖峰值顯著降低，可以有效減少EMI問(wèn)題。例如 FBD規(guī)范(Page15)明確規(guī)定需要支持頻率很低的30-33K的頻率的擴(kuò)頻時(shí)鐘，其他如PCIE,SATAI,SATAII同樣要支持此功能。為了驗(yàn)證Motherboard上的諸如此類的串行信號(hào)是否支持?jǐn)U頻時(shí)鐘，而且確認(rèn)其調(diào)制頻率是否在30-33K之間。就必須一次捕獲足夠長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)進(jìn)行頻率抖動(dòng)分析。一次抓取的采樣點(diǎn)數(shù)可以用下面的公式計(jì)算：每個(gè)擴(kuò)頻周期約位1/33k=30uS，由于是捕獲高速串行信號(hào)，采樣率至少為40Gs/S,即采樣間隔為25pS，則捕獲單個(gè)周期的總采樣點(diǎn)數(shù)為30uS/25ps=1.2M,為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的擴(kuò)頻時(shí)鐘的測(cè)量，一般建議捕獲10個(gè)以上的擴(kuò)頻時(shí)鐘周期, 所以總的采樣點(diǎn)數(shù)為1.2M*10=12M.需要強(qiáng)調(diào)的是，此12M的存儲(chǔ)深度必須使用在40Gs/s或更高的采樣率下才有意義。

有些示波器設(shè)計(jì)時(shí)采用將高速采集前端(多達(dá)80顆ADC)和高速內(nèi)存在物理上用一顆SOC芯片實(shí)現(xiàn)，由于有太多功能在一個(gè)芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致片內(nèi)高速內(nèi)存容量的限制(在40GS/s下不大于2M)，而且無(wú)法對(duì)內(nèi)存擴(kuò)展升級(jí)。為了彌補(bǔ)這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的缺陷，這類示波器會(huì)采用在芯片外部添加低速存儲(chǔ)器彌補(bǔ)片內(nèi)高速內(nèi)存的限制，但外部存儲(chǔ)器不能在高采樣率下工作，一般只能提供2GS/s，樣點(diǎn)間隔500ps，無(wú)法在信號(hào)邊沿采集足夠樣點(diǎn)，甚至出現(xiàn)會(huì)出現(xiàn)混疊，所以它無(wú)法提供高精度時(shí)間測(cè)試結(jié)果。泰克DPO可以提供每通道200M的存儲(chǔ)深度，且無(wú)任何使用限制，是業(yè)界最高的能力。這一能力讓使用DPO進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試的工程師在工作里游刃有余。

在分析工具方面，工程師一般會(huì)按優(yōu)先順序考慮以下三個(gè)方面：第一是準(zhǔn)，即分析工具能夠精確地得出結(jié)果;第二是全，即分析工具能夠盡可能多地完成要求的測(cè)試項(xiàng);第三是快，即在保證“準(zhǔn)”和“全”的基礎(chǔ)上，分析工具還能迅速、自動(dòng)地工作，最好能夠生成標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試報(bào)告。

“ 準(zhǔn)”是第一要求，工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)文檔一般會(huì)推薦一些解決方案，這些解決方案通常是標(biāo)準(zhǔn)工作組正在使用的方案，當(dāng)然這類方案可以滿足“準(zhǔn)”的要求。還有一些所謂的“執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)”，就是在標(biāo)準(zhǔn)工作組推薦的多個(gè)方案中，主要廠商或者行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者選擇的方案。這類方案有最多的采用者，當(dāng)然使用這類方案，可以得到業(yè)界最主要廠商的認(rèn)同，所遇到的兼容性問(wèn)題也最小。

建立在“準(zhǔn)”基礎(chǔ)上的“全”也是一個(gè)重要條件。一種分析工具，如果能夠提供盡可能多的測(cè)試項(xiàng)，最好還能用戶自定義測(cè)試點(diǎn)，那么將會(huì)為工程師帶來(lái)很大的便利。行業(yè)規(guī)范以及業(yè)界認(rèn)可的設(shè)備對(duì)驗(yàn)證測(cè)試非常重要，不同廠家的設(shè)備雖然都對(duì)外宣稱可以支持某一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的一致性測(cè)試，但由于硬件平臺(tái)以及軟件實(shí)現(xiàn)方式的不同，使測(cè)試項(xiàng)目的完整性，覆蓋率以及測(cè)試結(jié)果存在很大差異。這種測(cè)試結(jié)果的差異會(huì)大大降低客戶對(duì)測(cè)試報(bào)告的認(rèn)可程度，對(duì)于OEM/ODM廠商這一點(diǎn)尤其需要重視。

“快”的要求，必須要建立在“準(zhǔn)”和“全”的基礎(chǔ)上——高效必須以質(zhì)量為前提。

以高速計(jì)算機(jī)總線測(cè)試為例，下表列出泰克的解決放案，其中大部分方