在過(guò)去幾十年中，數(shù)字設(shè)計(jì)人員一直依賴(lài)邏輯分析儀，作為系統(tǒng)檢驗(yàn)的主要工具。近年來(lái)，時(shí)鐘速率的加快，已經(jīng)迫使設(shè)計(jì)人員考慮系統(tǒng)所有部分的信號(hào)完整性，包括測(cè)試能力。邏輯分析儀探頭不再能夠任意連接到系統(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(jiàn)問(wèn)題，另外本文還討論了探頭的負(fù)荷模型及探測(cè)位置的影響。最后，本文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)。

邏輯分析儀探頭的負(fù)荷模型

任何類(lèi)型的探頭的目標(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)性能的變動(dòng)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)的系統(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。邏輯分析儀廠商提供RLC電路，直到預(yù)定的頻率（通常是6 GHz）建立探頭負(fù)荷模型。模擬不僅提供了最精確的探頭影響模型，而且它們提供了一種方式，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)荷模型如下：

圖 1. 簡(jiǎn)化的邏輯分析儀探頭負(fù)荷模型

在較低頻率上，電阻器會(huì)主導(dǎo)探頭阻抗，對(duì)目標(biāo)的影響最小。這是因?yàn)樘筋^阻抗一般在20k ，而目標(biāo)一般在50 - 75 。兩個(gè)阻抗并聯(lián)，會(huì)產(chǎn)生最接近的目標(biāo)阻抗。在頻率提高時(shí)，探頭開(kāi)始引入電容，其阻抗開(kāi)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。

在超高頻率上，探頭會(huì)引入電感，阻抗將提高。探頭負(fù)荷的電容和電感特點(diǎn)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10-20 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RMS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)整體系統(tǒng)的影響。

探測(cè)位置的影響

由于探頭是電路的一部分，而電路又是探頭的一部分，因此可以預(yù)測(cè)兩個(gè)感興趣的點(diǎn)上的影響 （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。

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

［圖示內(nèi)容：］

Probe at source： 在信號(hào)源上探測(cè)

Probe at midbus： 在中間總線上探測(cè)

Probe at load： 在負(fù)荷上探測(cè)

Source Termination Resistor： 源端接電阻器

Load Termination Resistor： 負(fù)荷端接電阻器

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)上的端接電阻器中。如果這些反射和入射波或后續(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(lèi)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(kāi)低阻抗驅(qū)動(dòng)裝置，并與入射波一起沿著傳輸線傳送。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。不能改變探頭的電容，但時(shí)間常數(shù)的電阻/阻抗取決于探頭的位置。通過(guò)在信號(hào)源插入探頭，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，進(jìn)而產(chǎn)生了最低的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。半幅度波傳導(dǎo)到接收機(jī)上，在這里，其被100%正反射。這種反射本身會(huì)與入射波疊加在一起，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)裝置的原始幅度。反向傳導(dǎo)反射會(huì)傳回驅(qū)動(dòng)裝置，然后它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)出梯級(jí)形狀。通過(guò)把其與用戶(hù)定義的門(mén)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，都將觀察到這種梯級(jí)波形形狀。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。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。在這種系統(tǒng)中，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(lèi)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？ （即50？//50？）。由于在探針上只能觀察到一半的原始電壓電平，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)

短線探測(cè)是指探針不能直接放在目標(biāo)的傳輸線上。探針和目標(biāo)信號(hào)之間敷設(shè)的軌跡長(zhǎng)度稱(chēng)為短線。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%。對(duì)小于系統(tǒng)上升時(shí)間20%的電長(zhǎng)度，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。 下面的實(shí)例說(shuō)明了特定上升時(shí)間可以接受的最大短線長(zhǎng)度。這一實(shí)例使用150ps/英寸的傳播速度，這在FR4介電PCB中非常典型。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)50 ， FR4微帶傳輸線，單位電容一般是每英寸3pF。

實(shí)例

Trise= 150ps， Tstub=（150）*（0.2）= 30ps Length=（30）/（150）=0.20“ Cstub=（0.2）*（3p）=0.6pF

Trise= 250ps， Tstub=（250）*（0.2）= 50ps Length=（50）/（150）=0.33” Cstub=（0.33）*（3p）=1.0pF

Trise= 500ps， Tstub=（500）*（0.2）= 100ps Length=（100）/（1500）=0.67“ Cstub=（0.67）*（3p）=2.0 pF

Trise= 1000ps， Tstub=（1000）*（0.2）= 200ps Length=（200）/（150）=1.33” Cstub=（1.33）*（3p）=4.0pF

如果我們看一下通過(guò)1“短線連接到傳輸線負(fù)荷上的邏輯分析儀探頭，我們可以說(shuō)明上面的實(shí)例。下圖說(shuō)明了在探測(cè)負(fù)荷時(shí)1”短線探頭對(duì)負(fù)荷端接傳輸線的影響，其中顯示了四個(gè)上升時(shí)間。150ps、250ps和500ps上升時(shí)間把1“短線視為不可接受，而1000ps上升時(shí)間則能夠正常運(yùn)行。從這一圖中可以明顯看出，1000ps上升時(shí)間的特點(diǎn)要明顯好于150ps上升時(shí)間。

圖3. 在負(fù)荷上使用1”短線探頭時(shí)，負(fù)荷端接系統(tǒng)接收機(jī)上的信號(hào)

下圖說(shuō)明了1“短線探頭探針上的信號(hào)。再次可以明顯看出，1000ps上升時(shí)間的特點(diǎn)要好于150ps上升時(shí)間。

圖4. 負(fù)荷端接系統(tǒng)探針上的信號(hào)，在負(fù)荷上使用1”短線探頭

這些圖說(shuō)明了在高速信號(hào)中，成功的邏輯分析必須考慮接收機(jī)和探針上的信號(hào)質(zhì)量。

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)”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(kāi)。此外，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)。

為說(shuō)明使短線長(zhǎng)度達(dá)到最小的重要意義及阻尼電阻器的作用，看一下下面的實(shí)例。安捷倫科技的E5387A軟接觸邏輯分析儀探頭通過(guò)長(zhǎng)0.5“的短線連接到負(fù)荷端接系統(tǒng)上。通過(guò)使用信號(hào)完整性工具”Eye Scan“，可以繪制被探測(cè)信號(hào)的眼圖，并在探針上直接查看眼圖。被探測(cè)的波形是一個(gè)500Mb/s， 400mVpp 信號(hào)。左圖說(shuō)明了使用邏輯分析儀通過(guò)0.5”短線觀察到的信號(hào)完整性。右圖說(shuō)明了在觸點(diǎn)上插入一個(gè)125Ω阻尼電阻器時(shí)，邏輯分析儀觀察到的信號(hào)完整性。

（通過(guò)0.5“短線觀察到的眼圖） （在短線前面使用125Ω阻尼電阻器）

圖5. 在帶和不帶125Ω阻尼電阻器時(shí)，通過(guò)0.5”短線探測(cè)的信號(hào)Eye Scan圖

這些眼圖明確說(shuō)明了阻尼電阻器對(duì)邏輯分析儀查看的信號(hào)的影響。在某個(gè)時(shí)點(diǎn)上，邏輯分析儀幾乎不能使用信號(hào)。通過(guò)簡(jiǎn)單插入一個(gè)阻尼電阻器，信號(hào)質(zhì)量得到改進(jìn)，使得短線可以忽略不計(jì)。

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)要更加重要。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)生的情況的真實(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，它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），可以觀察最多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，如上圖所示，探測(cè)對(duì)成功的測(cè)量至關(guān)重要。

結(jié)論

本文說(shuō)明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。從本文中可以看出，探頭在目標(biāo)上產(chǎn)生了負(fù)荷，具體取決于探頭固有的負(fù)荷及探頭在傳輸線上的位置。我還說(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)。

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