用綜合測試方法解決信號(hào)完整性問題

　　設(shè)計(jì)人員比以往任何時(shí)候都更關(guān)注信號(hào)的完整性了。在當(dāng)前的數(shù)字系統(tǒng)中,可靠地、逐個(gè)芯片地獲取信號(hào)的困難與日俱增。信號(hào)完整性問題在Rambus和DDR一類高速總線中是不言而喻的,即使在較低速,總線,它也會(huì)影響設(shè)計(jì)。為了避免這類問題,工程人員不只需要新的設(shè)計(jì)技術(shù)和技巧,他們需要新的測量功能和測試方法。他們還需要驗(yàn)證功能,確保產(chǎn)品有足夠的設(shè)計(jì)容限,以便能順利地進(jìn)行生產(chǎn)。



　　數(shù)字信號(hào)質(zhì)量是信號(hào)以可靠地傳輸數(shù)字信息內(nèi)容的方式從數(shù)字電路的一部分分布至另一部分的保證�！皵�(shù)字信號(hào)質(zhì)量”使人聯(lián)想起親身能觀察到的信號(hào)異�，F(xiàn)象:包括振鈴、低頻干擾、反射、抖動(dòng)、EMI(電磁干擾)、接地反彈、電源噪聲、串?dāng)_、以及其它諸多噪聲。相關(guān)的設(shè)計(jì)問題涉及時(shí)鐘分布、信號(hào)路徑設(shè)計(jì)、短線、噪聲容限、負(fù)載分析、傳輸線效應(yīng)、終端、去錮,以及電源分布式設(shè)計(jì)。



　　信號(hào)質(zhì)量測量對(duì)調(diào)試工作十分重要,設(shè)計(jì)人員在調(diào)試過程中要發(fā)現(xiàn)明顯故障的原因。這些測量對(duì)驗(yàn)證也十分重要,使設(shè)計(jì)有足夠的容限來適應(yīng)產(chǎn)品的壽命期間可能遇到的元件特性、制作工藝和工作條件的變化。



　　當(dāng)產(chǎn)品不能按預(yù)想工作日才,確定其根本原因會(huì)耗費(fèi)寶貴的時(shí)間,使整個(gè)項(xiàng)目停滯不前。由于很多問題的根源與邏輯時(shí)序、功能、信號(hào)質(zhì)量,甚至軟件有關(guān),因此僅僅在數(shù)字系統(tǒng)中去尋找就要花費(fèi)大量的時(shí)間。



　　在便攜式設(shè)計(jì)中,為什么信號(hào)質(zhì)量問題日益突出,這有幾個(gè)原因。首要的是,邊沿速度越來越快。信號(hào)質(zhì)量問題是邊沿速度,而不是時(shí)鐘速度的函數(shù)。邊沿速度比以往快得多,在某些場合,甚至比需要的速度還快(即使時(shí)鐘速度不快,但邊沿速度卻很快)。邊沿速度快不是便攜式設(shè)計(jì)的性質(zhì)決定的,由于同種半導(dǎo)體工藝的進(jìn)展,生產(chǎn)的器件更小、更便宜、集成度更高(便攜式設(shè)計(jì)使用的器件的全部寶貴屬性),也必然使生產(chǎn)的器件具有更快的邊沿。



　　使各類信號(hào)質(zhì)量問題逐步升級(jí)的主要因素是系統(tǒng)中信號(hào)邊沿速度的激增,而總線并未成比例地縮短。



　　很多實(shí)例表明,存在信號(hào)質(zhì)量問題的新設(shè)計(jì)無非是改用新的、較快速的器件的結(jié)果。在一種場合,設(shè)計(jì)人員選用了一個(gè)低傳播時(shí)延的PAL,實(shí)際上就意昧著選用了一個(gè)比先前使用的邊沿更快、驅(qū)動(dòng)阻抗更低的器件。在另一種場合,多年來工作一直十分正常的設(shè)計(jì)突然不能工作,究其原因,雖然目前能提供的器件在功能上是兼容的,但其邊沿比設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)能使用的任何器件都要快。



　　由于邊沿速度(或叫上升時(shí)間川吃表的是數(shù)字信號(hào)的頻率分量,頻率提高后,電路模型極大地復(fù)雜化了。這些例子包括:



　　·出現(xiàn)新的信號(hào)路徑。


　　·原有的信號(hào)路徑無法工作。由于連接器件的平面變成感應(yīng)或傳輸線,器件去娟的原有規(guī)則因邊沿加快而失去作用。


　　·相對(duì)于總線長度而言,快速邊沿產(chǎn)生更短的波長,使電磁輻射增加。


　　·串?dāng)_隨邊沿加快而增加。


　　·邊沿速率與信號(hào)路徑傳播時(shí)延之比決定了對(duì)模擬行為建模的復(fù)雜度。當(dāng)邊沿速度超過信號(hào)路徑延時(shí)的4~6倍時(shí),簡單的集中參數(shù)模型不再適用。這就是說,當(dāng)邊沿速率小于4~6ns時(shí),6in或更長的PC板銅線變成了傳輸線,即使在低時(shí)鐘速率,也容易產(chǎn)生大量的信號(hào)質(zhì)量問題。


　　·當(dāng)兼有快速的邊沿與快速的時(shí)鐘速率(縮短的總線周期)時(shí),即使邊沿不產(chǎn)生其它問題,由于信號(hào)的穩(wěn)定時(shí)間變短,也會(huì)引起附加的問題。


　　·較快的邊沿速度通常反映了較大的輸出電流,這會(huì)進(jìn)一步增加接地反彈,尤其在寬總線上。較大的電流甚至?xí)�增加串�(dāng)_。


　　·某些設(shè)計(jì)人員力圖選用對(duì)其應(yīng)用足夠快,而又不比要求快的元器件。在不需要過高速度的場合,通過這種簡單的處理,可回避這些問題。



　　便攜設(shè)計(jì)還存在其它特性,使它們特別容易引起信號(hào)質(zhì)量問題。例如,便攜設(shè)計(jì)常常盡可能地降低功耗。較低的電壓擺幅意味著較小的噪聲容限,且并行終端用于寬總線時(shí)會(huì)消費(fèi)過太的功率。有一些設(shè)計(jì)為了適應(yīng)電池工作,其工作電壓變化的范圍較大(進(jìn)一步降低了噪聲容限)。電池充電,放電或老化時(shí),電池間的電壓變化都會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量。



　　便攜設(shè)計(jì)常常盡可能地降低生產(chǎn)成本。從而,減少PC板分層意味著接地噪聲加大,或傳輸線質(zhì)量降低。最后,很多設(shè)計(jì)需要在變化較大的環(huán)境條件下工作,包括溫度、濕度和高度。其中某些設(shè)備既要適應(yīng)變化較大的條件,又要應(yīng)付快速的變化率,比如經(jīng)常進(jìn)進(jìn)出出,或EMI,即攜帶的便攜式設(shè)備經(jīng)過靠近變壓器或發(fā)射機(jī)的噪聲環(huán)境。



　　許多數(shù)字應(yīng)用,尤其是那些備有并行總線的應(yīng)用,信號(hào)眾多,光憑單個(gè)示波器是監(jiān)測不了的。在更復(fù)雜的并行,總線中,必須同時(shí)分析幾個(gè)信號(hào)才能確定總線的狀態(tài)和其它信號(hào)時(shí)序的正確性。要是設(shè)計(jì)人員預(yù)先能知道所尋找的信號(hào)特征,他們通�？稍诋惓５那闆r下觸發(fā)示波器;但當(dāng)數(shù)字系統(tǒng)間歇性地發(fā)生故障時(shí),設(shè)計(jì)人員就束手無策,不知道該觀察什么,從什么地方著手尋找。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),有關(guān)它的邏輯內(nèi)容的觸發(fā)功能,以及隨后觀察相關(guān)信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量的功能,有助于設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)問題的原因。



　　使用邏輯分析儀是追蹤整個(gè)數(shù)字系統(tǒng)的一條途徑。數(shù)字系統(tǒng)可以是寬并行總線、獨(dú)立的邏輯電路、或兩者的組合。邏輯分析儀非常適合這類任務(wù),可在復(fù)雜的邏輯行為下觸發(fā)。然后,設(shè)計(jì)人員再用邏輯分析儀去觸發(fā)一個(gè)外部示波器,或觸發(fā)邏輯分析系統(tǒng)中的示波器模塊,在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻捕捉到信號(hào)質(zhì)量。市場上有簡化交叉觸發(fā)特殊功能的示波器,也有帶示波器模塊的TLA邏輯分析儀,自動(dòng)地與同一顯示上的數(shù)據(jù)相關(guān)。這樣,可讓設(shè)計(jì)人員在發(fā)生邏輯故障時(shí)觸發(fā)并詳細(xì)觀察產(chǎn)生該行為的信號(hào)質(zhì)量。也可以在有問題信號(hào)后,立即用示波器模塊去觸發(fā)邏輯分析儀,觀察數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流,來確定觸發(fā)異常模擬信號(hào)是否真的影響了系統(tǒng)的邏輯行為。



　　使用這種解決方案在較大系統(tǒng)中是十分普遍的,比如計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備的設(shè)計(jì)。在這些應(yīng)用中,通常不存在電路板的占位問題。這些環(huán)境中的設(shè)計(jì)人員深知,為邏輯分析儀設(shè)計(jì)一個(gè)接人點(diǎn)是十分有價(jià)值的。但在便攜設(shè)計(jì)中,由于有限的幾何尺寸,帶集成存儲(chǔ)器的SoC處理器,使之難以提供追蹤代碼執(zhí)行所需的多個(gè)信號(hào)訪問點(diǎn)。即使如此,使用邏輯分析儀的好處也是很多的,尤其是信號(hào)質(zhì)量影響整個(gè)系統(tǒng)邏輯主功能的前后關(guān)系時(shí)。隨著信號(hào)質(zhì)量重要性的增加,綜合解決方案有助于進(jìn)度表的計(jì)劃性,而假想的解決方案則是零敲碎打,隨意性較大。



　　為了測試信號(hào)質(zhì)量,在挑選產(chǎn)品時(shí)應(yīng)考慮下列幾個(gè)特性：



　　·示波器帶寬,350MHz示波器將顯示1m上升時(shí)間數(shù)字信號(hào)的近似邊沿。而帶寬為1GHz或更高的示波器能表示同一個(gè)信號(hào)的過沖、振鈴與反射的細(xì)節(jié)。


　　·數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)相關(guān)的能力。確定邏輯分析儀掃跡與示波器掃跡的相關(guān)性,最好不要用計(jì)算的方法。使用帶集成模塊或單獨(dú)示波器的邏輯分析儀能提供同等水平的相關(guān)性。倘若儀器需用手動(dòng)調(diào)節(jié)或測量來驗(yàn)證精度,那未就應(yīng)向供應(yīng)商詢問清楚相關(guān)性的精度。


　　·觸發(fā)功能對(duì)邏輯分析儀和示波器都是十分重要的。確認(rèn)示波器能在時(shí)間受限的異常波形條件下進(jìn)行觸發(fā),從而儀器容易相互交叉觸發(fā)。



　　技術(shù)的飛速進(jìn)步,以及消費(fèi)市場對(duì)便攜式產(chǎn)品的需求日益增長,使生產(chǎn)廠不斷面臨產(chǎn)品上市的緊迫時(shí)限。對(duì)設(shè)計(jì)人員來說,信號(hào)質(zhì)量問題使上市時(shí)間難題更加復(fù)雜化,信號(hào)質(zhì)量涉及快速的邊沿速度、功耗的限制、以及操作的靈活性。越來越多的設(shè)計(jì)組認(rèn)識(shí)到,有必要為解決信號(hào)質(zhì)量問題研發(fā)專門的技術(shù),以確保信號(hào)在芯片間可靠地傳送。選用綜合測試解決方案是實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的有效途徑,并最終將產(chǎn)品及時(shí)地推向市場。


摘自：儀器儀表自動(dòng)化(2002年7月)