高速邏輯分析儀探測(cè)

在過(guò)去幾十年中，數(shù)字設(shè)計(jì)人員一直把邏輯分析儀作為系統(tǒng)檢驗(yàn)的主要工具。近年來(lái)，隨著時(shí)鐘速率的加快，迫使設(shè)計(jì)人員不得不考慮系統(tǒng)所有部分的信號(hào)完整性，包括測(cè)試能力。邏輯分析儀探頭已不再象以往那樣任意連接到系統(tǒng)上，就能夠保證成功，而是必須考察探頭位置、負(fù)荷及與傳輸線的鄰近程度等因素。本文考察了在探測(cè)高速數(shù)字系統(tǒng)時(shí)設(shè)計(jì)人員遇到的部分常見問(wèn)題和探頭的負(fù)荷模型以及探測(cè)位置的影響。最后，本文還討論了把探頭連接到高速系統(tǒng)最常用的技術(shù)：短線探測(cè)和阻尼電阻器探測(cè)。

圖 1  簡(jiǎn)化的邏輯分析儀探頭負(fù)荷模型

邏輯分析儀探頭的負(fù)荷模型
任何類型探頭的目標(biāo)都是盡可能對(duì)系統(tǒng)提供最小的電負(fù)荷。如果探頭對(duì)系統(tǒng)性能的影響太大，那么探頭將不能幫助設(shè)計(jì)人員檢驗(yàn)系統(tǒng)，因?yàn)楣收显蚩赡芡耆怯商筋^引起的。隔離故障對(duì)有效檢驗(yàn)故障非常重要，因此，設(shè)計(jì)人員必須能夠預(yù)測(cè)探頭對(duì)系統(tǒng)的影響，而不管其是可以忽略不計(jì)，還是占主導(dǎo)地位。
預(yù)測(cè)被探測(cè)系統(tǒng)性能的最精確方式是在系統(tǒng)模擬中包括一個(gè)探頭負(fù)荷模型。模擬不僅提供了最精確的探頭影響模型，而且提供了一種方式，可以改變變量，監(jiān)測(cè)每個(gè)變量的影響。這些變量包括探頭在傳輸線上的位置和/或從傳輸線到探針的探頭短線長(zhǎng)度。一般來(lái)說(shuō)，邏輯分析儀的探頭負(fù)荷模型如圖1所示。
在較低頻率上，電阻器會(huì)主導(dǎo)探頭阻抗，此時(shí)對(duì)目標(biāo)的影響最小。這是因?yàn)樘筋^阻抗一般在20kW，而目標(biāo)一般在50~75W。兩個(gè)阻抗并聯(lián)，會(huì)產(chǎn)生最接近目標(biāo)的阻抗。在頻率提高時(shí)，探頭開始引入電容，其阻抗開始滾降。一旦阻抗達(dá)到目標(biāo)阻抗的數(shù)量級(jí)上，來(lái)自探頭的反射會(huì)成為重要問(wèn)題。
此外，在超高頻率上，探頭會(huì)引入電感，阻抗將提高。探頭負(fù)荷的電容和電感會(huì)形成諧振。邏輯分析儀探頭的目標(biāo)是盡可能提高諧振的頻率。此外，諧振的阻抗應(yīng)盡可能高，如果探頭阻抗下降到10~20W范圍內(nèi)，探頭將分流出目標(biāo)系統(tǒng)較高的頻率成分。對(duì)每種探頭形狀，廠商將提供精確的負(fù)荷模型及阻抗與頻率關(guān)系曲線。
為迅速估算探頭的影響，可以使用集總電容探頭模型。邏輯分析儀探頭廠商對(duì)每種探頭形狀提供了估算的集總電容。在使用等效集總電容時(shí)，可以確定時(shí)間常數(shù)，支持端接電阻或傳輸線的阻抗。然后可以在系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)的均方根之和中使用這種等效電容。一旦確定整體系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)，可以把其轉(zhuǎn)換成上升時(shí)間和帶寬，預(yù)測(cè)探頭對(duì)系統(tǒng)整體的影響。

圖2  標(biāo)準(zhǔn)傳輸線的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

探測(cè)位置的影響
由于探頭是電路的一部分，而電路也是探頭的一部分，因此可以預(yù)測(cè)兩個(gè)感興趣的點(diǎn)的影響 (即接收機(jī)和探針)。探頭的影響中一個(gè)主要變量是其在目標(biāo)傳輸線上的位置。通過(guò)其在傳輸線上的相對(duì)位置，可以確定探頭導(dǎo)致的反射。反射影響的嚴(yán)重程度取決于目標(biāo)系統(tǒng)(即軌跡長(zhǎng)度、端接方案、電壓余量等)。圖2是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)傳輸線系統(tǒng)，其中列明了連接邏輯分析儀探頭的最常用位置。
負(fù)荷端接系統(tǒng)
在負(fù)荷端接系統(tǒng)中，負(fù)荷端接電阻器僅用于傳輸線設(shè)計(jì)中，引入的反射被吸收到接收機(jī)上的端接電阻器。如果這些反射、入射波或后續(xù)波同時(shí)到達(dá)，它們本身會(huì)表現(xiàn)為上升時(shí)間劣化或碼間干擾(ISI)，在把邏輯分析儀探頭連接到系統(tǒng)上時(shí)，探頭將表現(xiàn)為電容不連續(xù)點(diǎn)。把探頭插入這類系統(tǒng)中的最佳位置是信號(hào)源。首先，探頭反射會(huì)即時(shí)發(fā)生在驅(qū)動(dòng)裝置上，然后這種反射會(huì)再次反射離開低阻抗驅(qū)動(dòng)裝置，并與入射波一起沿著傳輸線傳送。這樣收到的波形會(huì)經(jīng)歷上升時(shí)間劣化，但二次反射最小。其次，為降低電容負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)的影響，探頭形成的RC時(shí)間常數(shù)應(yīng)盡可能低。雖然探頭的電容不可改變，但時(shí)間常數(shù)的電阻/阻抗取決于探頭的位置，時(shí)間常數(shù)的電阻/阻抗是低阻抗驅(qū)動(dòng)裝置與傳輸線阻抗的并聯(lián)組合。這種組合在系統(tǒng)中產(chǎn)生了最低的電阻/阻抗，通過(guò)在信號(hào)源插入探頭，將會(huì)產(chǎn)生最低的RC時(shí)間常數(shù)。
源端接系統(tǒng)
在源端接系統(tǒng)中，僅使用圖2中的源端子。入射波在源端接電阻和傳輸線阻抗之間進(jìn)行幅度劃分：半幅度波傳到接收機(jī)上，在這里，被正反射，這種反射與入射波疊加在一起，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)裝置的原始幅度。同時(shí)反射通過(guò)反向傳導(dǎo)會(huì)傳回驅(qū)動(dòng)裝置，然后被吸收到源端接電阻器中。源端子采用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，使得在除接收機(jī)之外的傳輸線任何位置上，觀察到的波形都呈現(xiàn)出階梯形。通過(guò)把其與用戶定義的門限電壓(通常以電壓擺幅為中心)進(jìn)行比較，邏輯分析儀確定被探測(cè)的信號(hào)是‘1’還是‘0’。這意味著如果邏輯分析儀探頭位于直接接收機(jī)之外的任何地方，都將觀察到這種階梯狀波形。在波形位于擺幅中間的時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，邏輯分析儀將不能確定邏輯電平。這直接影響著分析儀的定時(shí)性能。因此對(duì)源端接系統(tǒng)，邏輯分析儀探頭的位置應(yīng)盡可能接近接收機(jī)。
雙端接系統(tǒng)
在雙端接系統(tǒng)中，傳輸線中同時(shí)使用源電阻器和端接電阻器。由于源端接電阻器和負(fù)荷端接電阻器形成的電阻分路器，只有一半的原始信號(hào)會(huì)到達(dá)接收機(jī)。邏輯分析儀探頭一般會(huì)放在這類系統(tǒng)上任何地方，主要考慮因素是探頭的RC時(shí)間常數(shù)。但是，在系統(tǒng)的任何位置上，電阻/阻抗將是線路特性阻抗的1/2。由于在探針上只能觀察到一半的原始電壓電平，因此設(shè)計(jì)人員必須保證滿足邏輯分析儀的最小電壓擺幅規(guī)范。

短線探測(cè)
探針和目標(biāo)信號(hào)之間敷設(shè)的軌跡長(zhǎng)度稱為短線。短線探測(cè)是指探針不能直接放在目標(biāo)的傳輸線上。短線可以由PCB軌跡、導(dǎo)線或連接器引線組成。由于PCB上的布局限制，很難避免短線探測(cè)。問(wèn)題是探針離傳輸線的距離必須有多近，同時(shí)仍能在系統(tǒng)和邏輯分析儀中實(shí)現(xiàn)可以接受的性能。
在談?wù)搨鬏斁€時(shí)使用的經(jīng)驗(yàn)法則也適用于邏輯分析儀短線。經(jīng)驗(yàn)法則取決于系統(tǒng)上升時(shí)間，對(duì)邏輯分析儀，建議短線的電長(zhǎng)度不超過(guò)系統(tǒng)上升時(shí)間的20%。此時(shí)可以把短線視作阻尼電阻，而不是分布式傳輸線。但是，在短線長(zhǎng)度提高時(shí)，電容會(huì)大幅度提高，在某一點(diǎn)上，電容會(huì)超過(guò)探頭的總電容。

阻尼電阻器探測(cè)
很明顯，在探針和被探測(cè)的系統(tǒng)之間增加一條短傳輸線會(huì)嚴(yán)重影響目標(biāo)接收機(jī)和邏輯分析儀探針上的信號(hào)質(zhì)量。在探針不能直接放在目標(biāo)系統(tǒng)上時(shí)，改善探頭和系統(tǒng)性能的方式之一是采用“阻尼電阻器探測(cè)”的方法。通過(guò)直接在目標(biāo)上插入一個(gè)阻尼電阻器，可以在探針上容忍更長(zhǎng)的一段短線。阻尼電阻器有兩種用途：首先，它把目標(biāo)系統(tǒng)與短線探頭的電容負(fù)荷隔開。其次，它消耗短線上的反射能量，從而使得邏輯分析儀能夠觀察到更清楚的信號(hào)。
在包含信號(hào)完整性工具(如安捷倫科技的“Eye Scan”)的現(xiàn)代邏輯分析儀中，探測(cè)技術(shù)將更加重要。邏輯分析儀可以從模擬角度查看被探測(cè)的信號(hào)特點(diǎn)。為利用這種模擬信息，探頭本身不得使顯示的波形失真。如果可以使探頭負(fù)荷達(dá)到最小，那么可以把產(chǎn)生的眼圖視作系統(tǒng)中發(fā)生情況的真實(shí)模擬表示。這為調(diào)試信號(hào)完整性問(wèn)題提供了一個(gè)非常強(qiáng)大的工具。邏輯分析儀信號(hào)完整性工具的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠在許多信道中同時(shí)進(jìn)行模擬測(cè)量。通過(guò)使用Eye Scan及安捷倫科技最新的一套邏輯分析儀模塊(16753A、54A、55A和56A)，可以觀察多達(dá)340個(gè)信號(hào)。這些新工具可以從全新的角度查看信號(hào)完整性及進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。但是，如以上所說(shuō)，探測(cè)對(duì)成功的測(cè)量至關(guān)重要。

結(jié)語(yǔ)
本文分析了使用邏輯分析儀成功地探測(cè)高速數(shù)字系統(tǒng)的考慮因素。從中可以看出，探頭在目標(biāo)上產(chǎn)生了負(fù)荷，具體大小取決于探頭固有的負(fù)荷及探頭在傳輸線上的位置。此外，本文還說(shuō)明了目標(biāo)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和寄生信號(hào)會(huì)使探針上觀察的信號(hào)完整性劣化。在使用邏輯分析時(shí)，這兩個(gè)因素都應(yīng)該考慮在內(nèi)?！?br/>