示波器中次要技術指標的重要性    

    近幾年來，隨著半導體集成度和功能的穩(wěn)步提高、模擬模型的不斷改進、結構不斷變化等等，電子系統(tǒng)的性能正在不斷提高。但是，設備之間的信令速度和技術并沒有明顯變化。為什么呢？因為過去的I/O信令結構足以完成工作，而實現(xiàn)變動的底層技術還沒有到位。
　　在過去5年左右的時間中，工程師一直把重點更多地放在低壓差分信令上，以明顯提高系統(tǒng)性能。數(shù)據(jù)速率已經以幾何級數(shù)提高，推動著設備之間的通信更廣泛地采用復雜的串行協(xié)議，如PCI Express、Infiniband、XAUI等等。這些環(huán)境涵蓋了各種數(shù)據(jù)速率和傳輸結構，但所有這些數(shù)據(jù)速率和傳輸結構都需要嚴格的設計和檢驗方法。
　　這使得示波器等測試設備的重要性大大提高。工程師依賴示波器分析串行設備設計的性能，支持檢驗和調試工作。他們的任務包括精確進行參數(shù)測量、檢修和信號完整性分析。在開發(fā)流程后期，他們轉向示波器，生成眼圖進行一致性測試。
　　選擇示波器的工程師經常只考慮產品手冊和雜志廣告標題中列明的技術指標。人們最熟知的指標是帶寬、取樣速率和記錄長度。盡管衡量示波器性能的這些指標也非常重要，但它們并不能全面表明儀器在實際日常使用環(huán)境中的效果。例如，帶寬指標僅指明了示波器的大體頻率范圍，而幾乎與儀器可靠地檢測和捕獲快速異常事件的能力沒有關系。
　　因此，在評估示波器時，領會主要指標的言外之意非常重要。這個建議實際有兩層含義：第一，最好深入分析廠商大肆宣傳的技術指標后面所隱藏的細微差別；第二，記住要研究某些功能，這些功能可能不如市場上最經常吹捧的功能那樣光彩奪目，但它們可能會明顯影響設計人員工作的效果，甚至會影響工作的有效性。
　　帶寬界定
　　帶寬指標當然非常重要。對不斷挑戰(zhàn)高速串行總線結構極限的設計人員來說，在購買示波器時，帶寬一直是其最首要的考慮因素。
　　但是，帶寬本身只是描述儀器頻響的一個指標(正弦波滾降-3 dB的頻率)。擁有相同額定帶寬的兩臺示波器可能會擁有非常不同的上升時間，對復雜波形的響應完全不同。是不是需要認真推敲部分指標或功能，以更好地促進購買者決策呢？
　　有兩個方面可以回答這個問題，一個是示波器真正的上升時間性能，另一個是儀器在數(shù)字信號處理(DSP)模式下的行為。
　　模擬上升時間是示波器帶寬的函數(shù)。它試圖使用教科書中的公式，從帶寬中簡單地計算上升時間，這是某些公布的上升時間指標的基礎�？陀^測得的上升時間為測量提供了更好的基礎，包括帶有或不帶DSP增強功能。每名工程師都了解上升時間響應的重要意義。衡量測得的上升時間與計算得出的上升時間之間的差異就是領會言外之意。
　　可以使用DSP濾波，擴展示波器的凈帶寬，使其頻響平坦化，在通道之間提供更好的匹配。在被測設備采用高速多通路串行傳輸環(huán)境時，這些都是關鍵功能。但是，DSP會引入某些誤差，其一般會與超過實際模擬帶寬的頻率范圍部分成比例提高。
　　什么時候應該使用DSP呢？在測量低于納秒的上升時間或眼圖時(圖1)，從示波器中獲取最大帶寬至關重要。很明顯，這有利于DSP方法。最快速的測量幾乎一直需要最高的帶寬。
　　但有時可以通過某種方式旁路DSP擴展技術，僅使用儀器本身的模擬帶寬和上升時間。例如，某些研究人員使用專用DSP算法，需要處理示波器中的原始數(shù)據(jù)。在這種情況下，DSP旁路功能非常重要。這類指標可能并不會被廠商大肆宣傳，但在選擇高性能示波器時是一個重要考慮因素。
　　示波器觸發(fā)與信號復雜性
　　"高速測量"一詞在低于納秒的邊沿和快速時鐘速率方面有各種各樣的含義。有時人們忽略了這些高速測量通常是復雜性非常高的測量。捕獲數(shù)據(jù)流中的某個碼要涉及判斷、運氣、估算、猜測…或正確選擇觸發(fā)功能。
　　示波器觸發(fā)決定著使用儀器可以捕獲、查看和測量的項目，這一功能與帶寬和取樣速率一樣重要。觸發(fā)系統(tǒng)有自己不同的一套技術指標。觸發(fā)通路一般是主輸入信號通路的支路，應該體現(xiàn)許多相同的環(huán)境特點，如靈敏度、抖動等等。觸發(fā)性能的另一個指標是觸發(fā)類型的范圍，也就是在發(fā)生觸發(fā)時可以定義的條件。
　　當然，觸發(fā)系統(tǒng)有自己的主要指標。選擇示波器測量快速串行信號的設計人員可能會認為觸發(fā)通路的帶寬與儀器規(guī)定的帶寬相同。事實上，相關的指標是觸發(fā)靈敏度。這一指標體現(xiàn)了一個簡單的問題：在捕獲頻率范圍頂部附近的信號時，幅度要求是什么？在許多示波器中，觸發(fā)靈敏度與模擬采集帶寬是不匹配的。
　　即使信號的正常成分完全落在觸發(fā)器的性能指標范圍內，但是如果高速時的觸發(fā)靈敏度不足，仍可能會檢測不到窄毛刺或截斷的脈沖。幸運的是，硅鍺(SiGE)觸發(fā)電路拓撲等創(chuàng)新技術已經開始克服了這種限制。
　　工程師通常把示波器的觸發(fā)功能視為"一定的"，認為他們一直使用的邊沿和毛刺觸發(fā)是足夠的。但事實上，為有效完成實際工作，觸發(fā)靈敏度也是儀器的主要指標。
　　每臺示波器都具有邊沿觸發(fā)功能，大多數(shù)高端儀器還具有"高級"觸發(fā)功能。邊沿觸發(fā)技術簡單地檢測超出電壓門限的事件，高級觸發(fā)則應用與電壓、定時或邏輯條件等有關的更多指標。在以串行方式傳輸?shù)臄?shù)字信號領域中，高級觸發(fā)正變得越來越重要。
　　在某些情況下，高級觸發(fā)設置可能是觸發(fā)感興趣的實際信號的唯一方式。例如，處理多通路Infiniband設備的設計人員必須保證通路時間落在特定容許誤差范圍內，不僅要符合標準，還要能夠正常運行。
　　應對這一測量挑戰(zhàn)的普通方式是觸發(fā)一條數(shù)據(jù)流中的一個特點，然后測量不同通路之間的偏移或時間位移。測量結果會匯總某個時點上的偏移值，這提供了有用的信息，但通常不足以保證儀器在長期內穩(wěn)定運行。
　　最近，采用全功能雙觸發(fā)技術的示波器已經明顯簡化了在不同時間觀察這些偏移變化的復雜任務�？梢远�義兩種高級觸發(fā)功能，并可以從完整的觸發(fā)條件菜單中選擇每種功能。在數(shù)據(jù)特點激發(fā)第一個觸發(fā)器時，第二個觸發(fā)器可以找到設定期間內的偏移誤差，或重新裝備第一個觸發(fā)器，再次啟動搜索，如圖2所示。在必要時，可以設置成用幾天時間等待發(fā)生誤差組合。
　　在評估示波器時，觸發(fā)指標很少放在優(yōu)先考慮的位置上。但是，觸發(fā)系統(tǒng)在檢測和捕獲復雜事件或間歇性事件方面是一個重要的配套指標。在長期內以無人值守的方式進行偏移測量可以節(jié)約大量的時間，這要比認真推敲觸發(fā)指標強得多！
　　相關的"次要"指標
　　到目前為止，我們討論的技術指標通常要次于帶寬、取樣速率等主要指標。但事實上，在示波器評估過程中經常被視為次要問題的許多其它參數(shù)，可能會促進或阻礙緊張的工程時間表。
　　對許多串行標準來說，嵌入式時鐘恢復是示波器眼圖分析的基礎，它還為時鐘到數(shù)據(jù)恢復(CDR如圖3所示)等測量提供支持。處理嵌入式時鐘信號的設計人員除了要考察主要指標外，還要考慮示波器可以通過哪些方式使時鐘恢復得更快、更簡便、更靈活、可重復性更高。
　　應用需求一直引導著選擇方向。示波器能否用于檢修或一致性測量？有哪些時鐘恢復機制？示波器能不能實時恢復時鐘，顯示動態(tài)眼圖特點？
　　大多數(shù)高端示波器都提供了兩種時鐘恢復中的一種方法，即基于軟件的時鐘恢復或基于硬件的時鐘恢復。軟件時鐘恢復從存儲的采集數(shù)據(jù)中生成。對采用TDSRT-Eye自動化一致性測試和分析軟件等程序的一致性測試，軟件方法是公認的首選工具。
　　可以使用基于鎖相環(huán)(PLL)的時鐘恢復，進行實時眼圖采集，但這里也需要認真推敲指標：PLL (可以是軟件恢復或硬件恢復)能不能適應當前串行標準中演變的時鐘頻率？有些能，有些不能，因此必須了解其間的差異。
　　眼圖測量是設計人員需要使用示波器進行的某些最復雜的程序，另一個實例是抖動測量。在這兩種情況下，設計人員都可以從示波器上運行的應用軟件的專業(yè)經驗中受益。軟件工具最大限度地減少了學習時間，明顯降低了設置、測量和分析時間，如圖3所示。但是，這些工具從沒有出現(xiàn)在主要指標清單內。工程師必須自己下功夫，透過主要指標，保證提供適當?shù)墓ぞ摺?BR>　　探頭指標
　　還需要討論探頭指標。這里介紹的所有采集和分析功能都取決于信號在被測設備與示波器本身之間的真實傳輸。許多新型高速接口標準基于差分信令，而不是人們比較熟悉的單端通信。
　　盡管探頭解決方案有自己的主要指標，特別是在帶寬和負荷方面，但還應了解示波器和探頭作為一個系統(tǒng)使用時產生的影響。示波器系統(tǒng)是否提供了真正的差分探頭工具？如果沒有，那么有必要使用兩個單端探頭和機載數(shù)學運算，排除某些測量類型。此外，共模抑制、靈敏度、響應精度和本底噪聲等問題都影響著探頭對信號的影響。在測量當前高速信號時，這些參數(shù)很小的差異，都可能會導致很大的探頭負荷失真。
　　探頭連接方法很少被放到示波器主要指標中，但它們在每項測量中都非常重要。某些被測設備裝有SMA測試點，其它設備則要求接觸微小的表面封裝設備上的各個針腳。示波器的系列探頭解決方案能否滿足所有這些需求？
　　總結
　　主要指標一直是比較示波器的公認標準。但是，精明的工程師會透過主要指標，仔細考察影響日常任務的底層性能。從整體上看，采集、觸發(fā)、分析工具和探測中的某些不太顯著的指標可能會和描述帶寬、取樣速率和記錄長度的"主打"指標一樣重要。一切應以工作為中心，即使最次要的指標有時也會決定著成敗。