信號(hào)質(zhì)量測(cè)試

1、信號(hào)質(zhì)量測(cè)試規(guī)范信號(hào)質(zhì)量測(cè)試規(guī)范 研發(fā)中心研發(fā)中心 張紅張紅 現(xiàn)在的高速數(shù)字系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率可能高達(dá)數(shù)百兆Hz，其快斜率瞬變和極高 的工作頻率，以及很大的電路密集度，必將使得系統(tǒng)表現(xiàn)出與低速設(shè)計(jì)截然不同 的行為，出現(xiàn)了信號(hào)完整性問題。破壞了信號(hào)完整性將直接導(dǎo)致信號(hào)失真、定時(shí) 錯(cuò)誤，以及產(chǎn)生不正確數(shù)據(jù)、地址和控制信號(hào)，從而造成系統(tǒng)誤工作甚至導(dǎo)致系 統(tǒng)崩潰。因此，信號(hào)完整性問題已經(jīng)越來越引起高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。 如果電路中信號(hào)能夠以要求的時(shí)序、持續(xù)時(shí)間和電壓幅度到達(dá)IC，則該電路 具有較好的信號(hào)完整性。反之，當(dāng)信號(hào)不能正常響應(yīng)時(shí)，就出現(xiàn)了信號(hào)完整性問 題。 SI（Signal Integri

2、ty）解決的是信號(hào)傳輸過程中的質(zhì)量問題，尤其是在高速 領(lǐng)域，數(shù)字信號(hào)的傳輸不能只考慮邏輯上的實(shí)現(xiàn)，物理實(shí)現(xiàn)中數(shù)字器件開關(guān)行為 的模擬效果往往成為設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。 信號(hào)完整性概述： 常見縮寫 SISignal Integrity信號(hào)完整性 TTLTransistor-Transistor Logic晶體管-晶體管邏輯 CMOSComplementary Metal Oxide Semicondutor互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 LVTTLLow Voltage TTL低電壓 LVCMOSLow Voltage CMOS低電壓 ECLEmitter Coupled Logic發(fā)射極耦合邏輯 PECLPs

3、eudo/Positive Emitter Coupled Logic偽發(fā)射極耦合邏輯 LVDSLow Voltage Differential Signaling低電壓差分信號(hào) GTLGunning Transceiver Logic射電收發(fā)邏輯 HSTLHigh-Speed Transceiver Logic高速收發(fā)器邏輯 eHSTLEnhanced High-Speed Transceiver Logic增強(qiáng)高速收發(fā)器邏輯 dHSTLDifferential HSTL差分HSTL SSTLStub Series-terminated Logic線腳系列終端邏輯 SPISerial Per

4、ipheral Interface串行外圍接口 I2CInter Integrated Circuit Bus內(nèi)部集成電路總線 USBUniversal Serial Bus 通用串行總線 過沖：過沖： 類型類型正過沖正過沖負(fù)過沖負(fù)過沖 圖例 危害1、 閂鎖損傷器件（VCC/VDD）， 對(duì)器件沖擊造成器件損壞； 2、形成干擾源，對(duì)其它器件造成串 擾 1、 閂鎖損傷器件（ VEE/GND）， 對(duì)器 件沖擊造成器件損壞； 2、 管腳上的負(fù)電壓可能使器件PN 襯底 （寄生二極管）前向偏置，流過的大電流大 于1安時(shí)，熔斷鍵絲產(chǎn)生開路。 產(chǎn)生 原因 1、 其它相鄰信號(hào)串?dāng)_； 2、 器件驅(qū)動(dòng)能力太強(qiáng)； 3

5、、 沒有匹配或者匹配不當(dāng)。 解決 建議 1、PCB布線避開干擾源和耦合路徑； 2、增加電阻匹配，參考做法是始端串電阻或者末端并阻抗（電阻），減少過沖。 毛刺：毛刺： 類型類型正向毛刺正向毛刺負(fù)向毛刺負(fù)向毛刺 圖例 危害 容易造成控制信號(hào)控制錯(cuò)誤或時(shí)鐘信號(hào)相位發(fā)生錯(cuò)誤： 1） 數(shù)據(jù)線上的毛刺如果被采樣到，可能造成判斷結(jié)果錯(cuò)誤； 2） 邊沿觸發(fā)的器件中，時(shí)鐘線上的毛刺可能會(huì)使得采樣到多余的數(shù)據(jù) （相當(dāng)于 多了一拍時(shí)鐘）。 產(chǎn)生 原因 1） PCB走線串?dāng)_（例如數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線并行走線較長(zhǎng)，信號(hào)線放置在晶 振等干 擾源附近）； 2） 外界干擾，如地線噪聲等； 3） 邏輯出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)、冒險(xiǎn)； 解決 建議 1

6、） 控制器件布局和PCB走線，信號(hào)遠(yuǎn)離干擾源； 2） 添加去耦電容或輸出濾波等。濾波器件盡量靠近信號(hào)管腳； 3） 邏輯設(shè)計(jì)中添加冗余項(xiàng)，或者采用同步邏輯設(shè)計(jì)，避免競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)； 信號(hào)邊沿緩慢：信號(hào)邊沿緩慢： 類型類型上升沿緩慢上升沿緩慢下降沿緩慢下降沿緩慢 圖例 危害上升、下降沿緩慢發(fā)生在數(shù)據(jù)信號(hào)線上（串口信號(hào)線，HW信號(hào)線等）時(shí)，會(huì)造成 數(shù)據(jù)采樣錯(cuò)誤。 產(chǎn)生 原因 驅(qū)動(dòng)能力不夠，或者負(fù)載過大（例如鏈路阻抗太大） 解決 建議 1） 提高驅(qū)動(dòng)能力； 2） 減小負(fù)載。 振蕩（回沖振蕩（回沖/振鈴）：振鈴）： 類型類型回沖回沖振鈴振鈴 圖例 表現(xiàn)：多次跨越電平臨界值。又稱為 回沖。處于VH附近的回沖稱為

7、正向回 沖，處于VL附近的回沖稱為負(fù)向回沖 表現(xiàn)：經(jīng)過多次反復(fù)才回歸正常電平。又 稱為振鈴。 危害類似于多次過沖。且跨越電平臨界值 后，在高低電平之間是一種不確定的 狀態(tài)。 在高低電平之間是一種不確定的狀態(tài) （ 有可能被判斷為0，也可能被判斷為1） 產(chǎn)生 原因 匹配不當(dāng)（例如匹配阻抗過大、過?。?。 解決 建議 更改為合適的匹配電阻/阻抗。 回勾（臺(tái)階）回勾（臺(tái)階） 類型類型上升沿回勾上升沿回勾振鈴振鈴 圖例 危害1）主要是時(shí)鐘類信號(hào)上的回勾有危害，可能會(huì)使得采樣到多余的數(shù)據(jù)（相當(dāng)于多 了一拍時(shí)鐘），影響了時(shí)鐘信號(hào)上升沿和下降沿的單調(diào)性； 2）對(duì)于電源信號(hào)，上電邊沿的回勾可能導(dǎo)致系統(tǒng)死機(jī)，需要結(jié)

8、合復(fù)位信號(hào)判斷是 否可以接受； 3）數(shù)據(jù)信號(hào)由于一般是在數(shù)據(jù)的中間采樣，回勾的影響不是很大（除非速率很高， 建立保持時(shí)間12ns，這時(shí)需要考慮回勾對(duì)數(shù)據(jù)的影響）。 產(chǎn)生 原因 匹配不當(dāng)，信號(hào)放射回來形成回勾 解決 建議 增加合適的匹配。一般來講，對(duì)于單端信號(hào)，單板內(nèi)信號(hào)可以加33歐電阻始端匹 配，板間信號(hào)加200歐電阻匹配較合適。 建立、保持時(shí)間（Setup time & Hold time） 類型類型建立時(shí)間建立時(shí)間保持時(shí)間保持時(shí)間 圖例 危害建立時(shí)間不夠，讀到的數(shù)據(jù)會(huì)是一個(gè) 不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，可能會(huì)采樣錯(cuò)誤 保持時(shí)間不夠，讀寫數(shù)據(jù)處理過程中同樣 可能讀寫到錯(cuò)誤數(shù)據(jù) 產(chǎn)生 原因 設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮清

9、楚，設(shè)計(jì)出錯(cuò)。或者沒有考慮到設(shè)計(jì)容限范圍，在某些異常情 況下（例如溫度變化使得器件參數(shù)漂移）建立、保持時(shí)間不夠。 解決 建議 1、設(shè)計(jì)時(shí)把時(shí)鐘從FPGA/CPLD中引出，在設(shè)計(jì)裕度不夠時(shí)可以調(diào)節(jié)； 2、對(duì)于時(shí)鐘邊沿采樣信號(hào)，盡量使得采樣時(shí)鐘邊沿在數(shù)據(jù)的中間，這樣盡管器件 參數(shù)漂移，設(shè)計(jì)上還是有較大的裕度。 臨床知識(shí)培訓(xùn)臨床知識(shí)培訓(xùn) 串?dāng)_串?dāng)_ 串?dāng)_表現(xiàn)為在一根信號(hào)線上有信號(hào)通過時(shí)，在PCB板上 與之相鄰的信號(hào)線上就會(huì)感應(yīng)出相關(guān)的信號(hào)，我們稱之為 串?dāng)_。竄擾的表現(xiàn)形式通常是毛刺。 信號(hào)線距離地線越近，線間距越大，產(chǎn)生的串?dāng)_信號(hào) 越小。異步信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)更容易產(chǎn)生串?dāng)_。因此解串?dāng)_ 的方法是移開發(fā)生串

10、擾的信號(hào)或屏蔽被嚴(yán)重干擾的信號(hào)。 電磁輻射電磁輻射： EMI(Electro-Magnetic Interference)即電磁干擾，產(chǎn)生的問題包含過量的 電磁輻射及對(duì)電磁輻射的敏感性兩方面。EMI表現(xiàn)為當(dāng)數(shù)字系統(tǒng)加電運(yùn)行時(shí)，會(huì) 對(duì)周圍環(huán)境輻射電磁波，從而干擾周圍環(huán)境中電子設(shè)備的正常工作。它產(chǎn)生的主 要原因是電路工作頻率太高以及布局布線不合理。 目前已有進(jìn)行 EMI仿真的軟件工具，但EMI仿真器都很昂貴，仿真參數(shù)和邊 界條件設(shè)置又很困難，這將直接影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。最通常的做法 是將控制EMI的各項(xiàng)設(shè)計(jì)規(guī)則應(yīng)用在設(shè)計(jì)的每一環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)上的規(guī) 則驅(qū)動(dòng)和控制。 信號(hào)質(zhì)量測(cè)試條件

11、 單板/系統(tǒng)工作條件： 單板信號(hào)質(zhì)量測(cè)試須滿足以下條件： 1)單板/系統(tǒng)工作在室溫條件； 2)單板/系統(tǒng)可靠接地。 3)單板/系統(tǒng)上電正常工作 1 小時(shí)后測(cè)試； 4)單板/系統(tǒng)盡量工作在滿負(fù)荷條件下。如果測(cè)試項(xiàng)目有輕載、滿載限制要求，則 輕載、滿載條件下都要測(cè)試； 5)單板電源穩(wěn)定在額定電壓5% 的范圍內(nèi)。 信號(hào)質(zhì)量測(cè)試人員要求： 1)熟悉邏輯電平的基本知識(shí)，熟練掌握示波器的使用方法； 2)對(duì)被測(cè)單板的原理電路有深刻認(rèn)識(shí)，對(duì)信號(hào)分類有清楚 認(rèn)識(shí)，了解板上器件的工作速度和工作電平。 示波器選擇與使用要求： 1)測(cè)量前保證測(cè)試儀器（儀表）和被測(cè)單板或系統(tǒng)共地。 如果不共地，地線浮空，可能會(huì) 得到錯(cuò)

12、誤的測(cè)試結(jié)果。 測(cè)量前需要校準(zhǔn)儀器； 2)為確保測(cè)試數(shù)據(jù)的精度，應(yīng)盡量采用高輸入阻抗、小電 容值、高帶寬的有源探頭和高帶寬的示波器； 3)示波器的帶寬：描述了示波器固有的上升時(shí)間（即時(shí) 延）。探頭和示波器的帶寬要超過信號(hào)帶寬的35倍以上； 4)示波器的采樣速率：表示為樣點(diǎn)數(shù)每秒（S/s），指數(shù)字示波器 對(duì)信號(hào)采樣的頻率。為了準(zhǔn)確再現(xiàn)信號(hào)，根據(jù)香農(nóng)（Shannon）定 律，示波器的采樣速率至少需為信號(hào)最高頻率成分的2倍； 5)量程應(yīng)盡量小，波形盡量展開，以方便觀察波形變化的細(xì)節(jié)， 并準(zhǔn)確測(cè)量其幅值； 6)測(cè)量信號(hào)邊沿時(shí)，應(yīng)選用合適的邊沿觸發(fā)； 7)高檔示波器都具有毛刺捕捉模式，可以用于捕捉毛刺；

13、 8)Tek示波器提供了InstaVu功能，用于發(fā)現(xiàn)信號(hào)異常，數(shù)據(jù)信號(hào) 眼圖異常及高電平低電平毛刺，測(cè)量眼圖，毛刺、紋波等瞬間變 化的波形； 示波器選擇與使用要求： 探頭選擇與使用要求： 1)不允許在探頭還連接著被測(cè)試電路時(shí)插拔探頭； 2)有源探頭和差分探頭、電流探頭等是很昂貴的設(shè)備，注意保護(hù)。 插拔探頭時(shí)必須先關(guān)示波器。無源探頭一般沒有硬性規(guī)定，但是出 于可靠考慮，建議所有探頭都不能熱拔插，拔插任何探頭時(shí)都必須 先關(guān)閉示波器； 3)探頭地線只能接電路板上的地線，不可以搭接在電路板的正、負(fù) 電源端。否則，可能會(huì)造成電路板器件損壞，甚至?xí)龎奶筋^的小 夾子和探頭本身； 4)探頭電容越小，它對(duì)電路的負(fù)載就越小，測(cè)試結(jié)果就更精確。選 用時(shí)請(qǐng)根據(jù)情況仔細(xì)考慮； 5)探頭是有測(cè)量幅度的，不要用于測(cè)大信號(hào)，以免造成探頭損壞。 例如：信號(hào)幅度超過40V時(shí)，用有源探頭P6245和P6243測(cè)量會(huì) 造成探頭的損壞； 6)差分探頭能夠測(cè)量的差分