用數(shù)字示波器對(duì)系統(tǒng)總線實(shí)時(shí)抖動(dòng)測(cè)試不失為實(shí)用可靠之方

1、問(wèn)題的引出

　　在研發(fā)項(xiàng)目中常遇到下列幾種情況：第一、隨著計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)總線速度的顯著提高，特別是各種不同的采用內(nèi)嵌時(shí)鐘技術(shù)的高速串行總線日益普及，定時(shí)抖動(dòng)已經(jīng)成為影響其性能的基本因素；第二、在一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)中，電源噪聲有多種不同的來(lái)源，即隨機(jī)噪聲與來(lái)自于開(kāi)關(guān)電源或其他數(shù)字電路的數(shù)字毛刺，就會(huì)造成信號(hào)質(zhì)量的降低；再則，又如DVD普遍于國(guó)內(nèi)外伴隨的品質(zhì)控制-抖動(dòng)問(wèn)題又成為用戶關(guān)注的焦點(diǎn)。

　　如何面對(duì)關(guān)系到系統(tǒng)成敗關(guān)鍵的上述領(lǐng)域所具有共性的抖動(dòng)測(cè)量技術(shù)與方法是我們應(yīng)研討的方案。

　　往常對(duì)計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)與DVD品質(zhì)控制的測(cè)試中，較多的采用二種方法：其一、使用專(zhuān)用測(cè)量設(shè)備，如誤碼儀(BERT)或LE 1875抖動(dòng)分析測(cè)量?jī)x， 在技術(shù)上采用了數(shù)字時(shí)間取樣和處理技術(shù)(TIA)，配合一個(gè)全彩色LCD顯示屏，可以提供快速、全面和精確的分析，便于研制、生產(chǎn)、品質(zhì)控制部門(mén)對(duì)DVD-RAM進(jìn)行跟蹤檢測(cè)；其二、為了衡量一個(gè)時(shí)鐘源對(duì)于電源噪聲的抑制能力，我們將一個(gè)正弦信號(hào)注入到電源，然后在各單一頻點(diǎn)測(cè)量確定性抖動(dòng)?？梢圆捎枚喾N不同的設(shè)備完成這種測(cè)試，例如數(shù)字示波器、時(shí)間間隔分析儀(TIA)，或者頻譜分析儀。

　　上述用專(zhuān)用誤碼儀或抖動(dòng)分析測(cè)量?jī)x迸行測(cè)量方法是可行的，但對(duì)每一個(gè)項(xiàng)目中的不同類(lèi)型的抖動(dòng)去購(gòu)買(mǎi)不同類(lèi)型專(zhuān)用設(shè)備是價(jià)格昂貴功能單一，并不適合設(shè)計(jì)人員和調(diào)試人員。而作為一個(gè)研發(fā)來(lái)說(shuō)，直接使用DS1000數(shù)字存儲(chǔ)示波器對(duì)實(shí)時(shí)高速串行總線抖動(dòng)測(cè)試不失為實(shí)用可靠之方法。

2、高速串行總線抖動(dòng)測(cè)量技術(shù)

2.1全面有效的測(cè)試和分析抖動(dòng)是必須的

　　越來(lái)越多的高速計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)開(kāi)始采用高速串行總線在芯片間，背板間和系統(tǒng)設(shè)備間傳送高速數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，任何微小的高速時(shí)鐘和數(shù)據(jù)抖動(dòng)都會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響，在這種情況下，抖動(dòng)已經(jīng)成為設(shè)計(jì)高速數(shù)字系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。其最典型的例如：PXI模塊化系統(tǒng)串行高速總線實(shí)時(shí)抖動(dòng)測(cè)試。

　　PXl是一種專(zhuān)為工業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)化應(yīng)用度身定制的模塊化儀器平臺(tái)，具備機(jī)械、電氣與軟件等多方面的專(zhuān)業(yè)特性。PXl(PCIextensions for lnstrumentation)充分利用了當(dāng)前最普及的臺(tái)式計(jì)算機(jī)高速標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)-PCI。PXl規(guī)范是CompactPCI規(guī)范的擴(kuò)展。CompactPCI定義了封裝堅(jiān)固的工業(yè)版PCI總線架構(gòu)，在硬件模塊易于裝卸的前提下提供優(yōu)秀的機(jī)械整合性。

　　其PXI系統(tǒng)機(jī)箱為系統(tǒng)提供了堅(jiān)固的模塊化封裝結(jié)構(gòu)。按尺寸不同，機(jī)箱有4槽到18槽不等，機(jī)箱具有高性能PXI背板，它包括PCI總線，定時(shí)和觸發(fā)總線，并且還可以有一些專(zhuān)門(mén)特性，如DC電源和集成式信號(hào)調(diào)理。 PXl在背板上結(jié)合了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的PCI總線和測(cè)量與自動(dòng)化系統(tǒng)專(zhuān)用的定時(shí)與觸發(fā)特性高級(jí)及同步擴(kuò)展。

　　需指出的是，傳統(tǒng)的33M PCI并行總線正在被采用高速串行技術(shù)的PCI-Express取代，而它的最新標(biāo)準(zhǔn)支持的數(shù)據(jù)率已經(jīng)到5Gb/S，一個(gè)U1的寬度僅200ps。實(shí)際上對(duì)PXI模塊化系統(tǒng)串行高速總線實(shí)時(shí)抖動(dòng)測(cè)試。就是對(duì)高速串行技術(shù)的PCIBus實(shí)時(shí)抖動(dòng)的測(cè)試。

　　因?yàn)樗鼈內(nèi)魏挝⑿〉亩秳?dòng)都會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。從當(dāng)前各種高速串行總線和數(shù)據(jù)鏈路的定時(shí)余量規(guī)范中表明，在數(shù)字系統(tǒng)中嚴(yán)格地控制抖動(dòng)是必須的。只有全面有效的測(cè)試和分析抖動(dòng)，其根本原因才能被隔離，從而針對(duì)引起系統(tǒng)抖動(dòng)的原因來(lái)減少抖動(dòng)，提高PXI系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。

2.2 DS1000數(shù)字示波器對(duì)PXI模塊化系統(tǒng)進(jìn)行的高速串行總線系統(tǒng)實(shí)時(shí)抖動(dòng)測(cè)試方法

　　由于DS1000數(shù)字示波器具有因更深的1MB存儲(chǔ)深度可提供很高的采樣率高(實(shí)時(shí)采樣率400 MSa/s，等效采樣率高達(dá)25 GSa/s)，采集頻帶寬(25-100MHz)、再加上顯示屏畫(huà)面清晰醒目及靈敏度高的特征，故用于高速串行總線抖動(dòng)此的測(cè)量是不失為實(shí)用而又可靠之方法，它是迸行實(shí)時(shí)抖動(dòng)測(cè)試方法并探討影響抖動(dòng)測(cè)試結(jié)果的關(guān)鍵因素。由此可見(jiàn)它們均為實(shí)用簡(jiǎn)易而可靠之裝置。

　　常用的測(cè)試方法是采用DS1000數(shù)字示波器的實(shí)時(shí)捕獲模式，單次分析和抖動(dòng)分解得到每一個(gè)抖動(dòng)分量，幫助設(shè)計(jì)和測(cè)試人員分析抖動(dòng)產(chǎn)生的原因，甚至通過(guò)抖動(dòng)分解估算系統(tǒng)的誤碼率。例如，在有關(guān)抖動(dòng)和信號(hào)完整性方法論用DS1000數(shù)字示波器器配合抖動(dòng)分析軟件進(jìn)行抖動(dòng)測(cè)試和分析。以下作抖動(dòng)測(cè)試與精度分析。

2.3基于高采樣率的抖動(dòng)測(cè)試

　　由于DS1000數(shù)字示波器具有豐富的觸發(fā)功能：邊沿、視頻、脈寬、斜率、交替、碼型和持續(xù)時(shí)間觸發(fā)等功能，為抖動(dòng)測(cè)試提供極為方便的條件。抖動(dòng)可以描述為相鄰脈：中邊沿、甚至非相鄰脈；中邊沿周期或相位的定時(shí)變化。這些指標(biāo)適合檢定長(zhǎng)期和短期的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。通過(guò)更加深入地分析抖動(dòng)指標(biāo)，利用抖動(dòng)測(cè)試結(jié)果，預(yù)測(cè)復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸性能。

　　周期抖動(dòng)用來(lái)衡量時(shí)鐘或數(shù)據(jù)周期樣點(diǎn)的邊沿到邊沿定時(shí)。例如，通過(guò)測(cè)量1000個(gè)時(shí)鐘周期上升沿之間的時(shí)間，可以對(duì)統(tǒng)計(jì)的周期取樣，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)會(huì)告訴您信號(hào)的質(zhì)量。標(biāo)準(zhǔn)偏差等價(jià)于RMS周期抖動(dòng)，最大周期減去最小周期，得到峰到峰周期抖動(dòng)。每個(gè)不同周期測(cè)量的精度決定著抖動(dòng)測(cè)量的精度。

　　相位抖動(dòng)用來(lái)衡量被測(cè)信號(hào)邊沿相對(duì)于一個(gè)參考信號(hào)邊沿的時(shí)間偏差，從而可以檢測(cè)到信號(hào)相位中的任何變化。這一指標(biāo)在許多方面不同于周期測(cè)量指標(biāo)。第一，它單獨(dú)使用每個(gè)邊沿，而沒(méi)有使用period周期測(cè)量，它可以測(cè)量大的時(shí)間位移。邊沿相位可以偏離幾百或幾千度，但仍可以以非常高的精度進(jìn)行測(cè)量(360度等于一個(gè)周期或循環(huán)時(shí)間)。測(cè)量相位誤差常用的指標(biāo)是時(shí)間間隔誤差(TIE)，測(cè)量結(jié)果用相對(duì)于度的秒來(lái)表示。TIE把信號(hào)邊沿與參考邊沿匹配起來(lái)，對(duì)各邊沿之差相加計(jì)算總和。在比較了大量的邊沿之后，可以為分析提供一個(gè)樣點(diǎn)集合。與上面的周期測(cè)量一樣，標(biāo)準(zhǔn)偏差變成RMS TIE，最大時(shí)間減最小時(shí)間得到峰到峰值(peak-to-peak)TIE等等。

2.4清晰顯示抖動(dòng)測(cè)試波形與參數(shù)

　　TIE測(cè)試精度取決于構(gòu)成樣點(diǎn)集合的各個(gè)測(cè)量的精度。而其波形和上升時(shí)間的描繪都是通過(guò)實(shí)時(shí)采樣電路和高速A/D變換器獲得波形數(shù)據(jù)，再通過(guò)插值運(yùn)算得到的。由于DS1000數(shù)字示波器是5.7’64K色TFT彩色液晶屏 使對(duì)一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的不同抖動(dòng)測(cè)試波形與參數(shù)顯示更加清晰，見(jiàn)圖2示意所示。

2.5良好的定時(shí)穩(wěn)定度與Sin(X)／X正弦內(nèi)插技術(shù)是測(cè)試精度的保證

　　對(duì)于具有定量指標(biāo)要求的參數(shù)精度的測(cè)量非常重要關(guān)，而這方面所選用的示波器是否具有良好的定時(shí)穩(wěn)定度與Sin(X)／X正弦內(nèi)插技術(shù)有很重要的關(guān)系。特別對(duì)抖動(dòng)測(cè)的精度更是如此，只有這樣才能以保證足夠的容許誤差和測(cè)量余量。這是為什么？

　　因其內(nèi)插誤差是指由在實(shí)際電壓樣點(diǎn)之間進(jìn)行線性內(nèi)插導(dǎo)致的誤差。在測(cè)量100ps上升時(shí)間的信號(hào)、示波器以25GSa／s采樣率在50％電壓門(mén)限上進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，這一誤差要小于0.3ps RMS。值此應(yīng)用DS1000數(shù)字示波器較高的Sin(X)／X正弦內(nèi)插技術(shù)減小誤差。在大多數(shù)情況下，這一原因?qū)е碌恼`差會(huì)遠(yuǎn)小于其它誤差源，則通過(guò)使用如Sin(X)／X內(nèi)插，可以進(jìn)一步減小這一誤差較為合適，當(dāng)然也可有其它方法亦可改善。

　　而良好的定時(shí)穩(wěn)定度主要取決于包括DS1000示波器的抗干擾性能、定時(shí)穩(wěn)定度、取樣噪聲、儀器幅度本底噪聲和內(nèi)插誤差等因素。通過(guò)測(cè)定此DS1000數(shù)字示波器在這方面是能以良好的性能獲得了實(shí)時(shí)抖動(dòng)測(cè)試的精度。由于DSl000數(shù)字示波器集成USB Host，支持U盤(pán)存儲(chǔ)、USB接口打印和直接系統(tǒng)升級(jí)功能，在軟件測(cè)試方面有較好的支持，故對(duì)示波器上所顯示的波形進(jìn)行存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸并通過(guò)打印機(jī)直接打印。

3、歸納

　　一般來(lái)說(shuō)， 數(shù)字示波器中的時(shí)基穩(wěn)定性包括參考時(shí)鐘、倍頻器、計(jì)數(shù)器等相關(guān)電路的穩(wěn)定性。應(yīng)該說(shuō)直接影響著定時(shí)測(cè)量精度的DC1000數(shù)字示波器中采樣系統(tǒng)中定時(shí)元件的穩(wěn)定性較好。所以精確度較好。如果時(shí)基有誤差，那么基于該時(shí)基進(jìn)行的測(cè)量會(huì)具有同等或更大的誤差。

　　DS1000數(shù)字示波器是一種非常強(qiáng)大的工具，它可應(yīng)對(duì)工程師們來(lái)說(shuō)使用其非常先進(jìn)的測(cè)量和分析功能。它可應(yīng)用于數(shù)字設(shè)計(jì)和調(diào)試、視頻設(shè)計(jì)和調(diào)試、考察瞬變現(xiàn)象、功率測(cè)量及DVD分折，熟悉示波器的任何人都可以使用，其簡(jiǎn)便易用可大大提高了生產(chǎn)效率。

　　上述是對(duì)以基于PCI高速串行總線的PXI系統(tǒng)抖動(dòng)測(cè)試技術(shù)與和方法為例作重點(diǎn)介紹。這僅是基本理念，具體如何測(cè)量與分析要根據(jù)不同的總線系統(tǒng)和不同的應(yīng)用場(chǎng)合與精度來(lái)選定與運(yùn)作。

4、用示波器與邏輯分析儀對(duì)系統(tǒng)電源檢測(cè)

　　檢測(cè)參數(shù)包括：開(kāi)關(guān)損耗，紋波波動(dòng)；對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘應(yīng)檢測(cè)頻率、邊沿、信號(hào)完整性與傳播時(shí)延；見(jiàn)圖1上半部所示。 用示波器與邏輯分析儀對(duì)關(guān)鍵控制信號(hào)檢測(cè)沿到沿，信號(hào)完整性；對(duì)處理器內(nèi)核檢測(cè)復(fù)位、引導(dǎo)、存儲(chǔ)器訪問(wèn)與外設(shè)訪問(wèn)。使用邏輯分析儀進(jìn)行定時(shí)分析為：沿到沿信號(hào)關(guān)系，需要查看4條以上的通道，一般包括10-30個(gè)信號(hào)，還有觸發(fā)功能，隔離問(wèn)題以及精確的邊沿位置；信號(hào)完整性，隔離常見(jiàn)的SI問(wèn)題與查看相關(guān)的模擬／數(shù)字信號(hào)；以及準(zhǔn)確地采集信號(hào)。

　　其邏輯分析儀功能還可對(duì)內(nèi)核的檢驗(yàn)，包括二項(xiàng)內(nèi)容：定時(shí)，即控制信號(hào)交互和狀態(tài)，即處理器／總線執(zhí)行；信號(hào)完整性的調(diào)試。見(jiàn)圖1下半部所示。從中看出邏輯分析儀需求為；“查看4個(gè)以上信號(hào)的關(guān)系”，“需要查看徽處理器或總線正在進(jìn)行哪些操作”，“需要比示波器生成的觸發(fā)更復(fù)雜的觸發(fā)！”，”需要從多條通道中識(shí)別信號(hào)完整性問(wèn)題！”，“需要查看兩條以上的總線相互影響！”，“需要監(jiān)測(cè)以實(shí)時(shí)速度運(yùn)行的軟件源代碼！”。

關(guān)于邏輯分析儀操作說(shuō)明

　　使用四個(gè)簡(jiǎn)單的步驟，快速獲得結(jié)果。第1步為連接，第2步為設(shè)置，第3步為采集，第4步為分析和顯示。

　　基本功能檢驗(yàn)應(yīng)作演示。其演示項(xiàng)目包括：基本定時(shí)采集使用連接探頭查看信號(hào)活動(dòng)；時(shí)鐘檢查的內(nèi)容為時(shí)鐘頻率、占空比、脈寬、峰到峰幅度及上升時(shí)間與下降時(shí)間；驗(yàn)證(iVerify)分析，以確定總線信號(hào)質(zhì)量；毛刺觸發(fā)，即拖放毛刺；顯示(iView)，查看相關(guān)模擬視圖。既然在基本功能檢驗(yàn)有邏輯分析儀毛刺觸發(fā)演示，值此作調(diào)試毛刺說(shuō)明。

關(guān)于調(diào)試毛刺

　　查找窄脈沖(毛刺)可能會(huì)非常困難，正因如此，邏輯分析儀提供了為檢測(cè)毛刺而設(shè)計(jì)的毛刺觸發(fā)功能。但是，令分析儀觸發(fā)毛刺只是剛剛開(kāi)始。我們還需要知道哪條通道有毛刺，毛刺發(fā)生的頻次，什么時(shí)候發(fā)生毛刺，等等。

　　邏輯分析儀(如TLA5000B和TLA7000或Agilentl6800)的一種獨(dú)特功能是可以存儲(chǔ)毛刺發(fā)生的位置。在圖2中，看到用紅色標(biāo)出毛刺的樣點(diǎn)位置。觸發(fā)毛刺當(dāng)然很好，但如果不知道哪條通道有毛刺，那么只能說(shuō)是距解決問(wèn)題稍微走近了一點(diǎn)點(diǎn)而已。

　　通過(guò)毛刺存儲(chǔ)器，我們現(xiàn)在知道哪條通道有毛刺，我們距確定毛刺原因的距離大大拉近。但是，還有其它信息，可以進(jìn)一步指向毛刺的起因。知道每條通道上發(fā)生多少個(gè)毛刺及其發(fā)生頻次會(huì)很有裨益。

　　拖放測(cè)量在幾秒鐘內(nèi)提供了這些信息。您只需把Violation Count圖標(biāo)拖到感興趣的軌跡上，查看該通道上的毛刺數(shù)量即可。