用NI示波器測量數(shù)字信號完整性的方法解析

在許多不同的應用中，工程師經(jīng)常面臨驗證、調試或分析數(shù)字信號行為的挑戰(zhàn)。 數(shù)字信號是由一系列具有高頻正弦分量的模擬信號所疊加而成，并形成具有區(qū)分數(shù)字值的邊緣。 測量這些信號的挑戰(zhàn)是，如果沒有仔細地理解和考慮測量的各個方面而進行較為簡單的測量，則提供的結果可能不正確。

本文討論了在典型數(shù)字子系統(tǒng)中測量高頻數(shù)字信號的基本原理，以及如何獲得最佳、最可靠的結果來分析系統(tǒng)的信號完整性。

假設

由于完全理解數(shù)字系統(tǒng)知識量需要大量的知識，本文假設您熟悉以下概念：數(shù)字信號、阻抗匹配、傳輸線、數(shù)字信號端接和示波器。 此外，假定所有互連（電纜）都具有50Ω特性阻抗。

測量數(shù)字系統(tǒng)信號完整性的基礎知識

為了介紹測量數(shù)字系統(tǒng)信號完整性的概念，我們將評估一個基本的數(shù)字信號測量，如同示波器是系統(tǒng)的一部分一樣。 這意味著數(shù)字線路的輸出通過附件直接連接到示波器：

圖1：示波器與數(shù)字儀器的數(shù)字輸出串聯(lián)。 兩個儀器通過VHDCI轉SMB接線盒相連接。 這種常見情況可用于驗證附件端子輸出端的信號完整性。

在本例中，示波器位于傳輸線的末端，這意味著信號與示波器端接。 示波器如果采用1MΩ端接，則意味著方波信號將完全反射回發(fā)射器。如果使用50Ω端接，將不存在任何反射信號，同時示波器感測到的電壓減半。 這種電壓降是由于當交流信號通過50Ω特性阻抗電纜到達發(fā)射器處的50Ω源阻抗時，會形成50Ω的分壓器電路。

圖2：圖1裝置的示意圖。

得到的測量結果將準確顯示待測件（UUT）所接收到的傳輸線末端數(shù)字信號。下面是各種不同的探測應用場景。

使用并行連接的示波器測量數(shù)字信號完整性

一個更復雜的場景是在示波器沒有端接信號時嘗試測量數(shù)字信號的完整性。在這種場景中，由數(shù)字儀器生成方波輸入到待測件中，我們希望示波器探針與數(shù)據(jù)傳輸并行連接，以便在信號通過傳輸線介質傳播時查看信號：

圖3：系統(tǒng)上示波器探針測量簡圖。探針并聯(lián)連接，以便在信號通過傳輸線時觀察數(shù)字系統(tǒng)。

在這種情況測量數(shù)字信號時，需要考慮兩個主要因素：手持式探針對電路的影響和位置。 在并聯(lián)配置下使用探針測量數(shù)字信號時，應仔細分析和理解探針連接到電路后輸入阻抗、電容和電感的變化。 例如，具有高輸入電容的無源探針可能會濾除信號中的較高頻率分量（舍入誤差、減慢邊緣過渡），導致信號失真。 如果探針會大幅增大電容且導致信號失真，則可以考慮使用有源探針。 此外，接地線會使電路電感增大，這也可能導致信號的邊緣過渡較為緩慢。 理想的接地線很短，應盡可能連接到靠近探測信號的地方，以盡量避免電感回路的產(chǎn)生。

確定此裝置中探測數(shù)字信號的位置時，有幾點基礎知識可以幫助您了解如何獲取最佳結果以及裝置如何根據(jù)傳輸線中的探針位置進行更改：

●探測傳輸線的前端（信號從數(shù)字儀器發(fā)射器輸出的位置）無法準確顯示UUT接收的信號。由于信號通過傳輸線會傳輸和反射信號，因而將在示波器上 “階躍”數(shù)字信號。

●探測傳輸線的中間（接線盒連接數(shù)字儀器和UUT的位置）也將顯示類似的階躍數(shù)字信號，但幅度沒那么高。 原因是一樣的：在看到信號通過后不久，又會看到反射波回到數(shù)字儀器。由于信號從接線盒到UUT再返回接線盒的傳播時間短于數(shù)字儀器上的往返延遲，所以階躍不太明顯。

●最好的探測位置在傳輸線的末端，應盡可能靠近接收器。此信號最接近UUT實際接收的數(shù)字波。

圖4：圖3的示意圖。注意，黑色、黃色和藍色線是可能的探測點。 圖5顯示了示波器上顯示的所測量的數(shù)字上升沿。

圖5：示波器測量傳輸線中各個探測點處的數(shù)字上升沿。 信號從發(fā)射器開始（藍色探針的前半步）沿著傳輸線向下傳播（黃色探針）。 信號在接收器（黑色探針）處反射回發(fā)生器，使信號的振幅加倍。需要在黃色探針和最后的藍色探針處監(jiān)測反射能量，其中50Ω輸出阻抗會消散反射能量。

注意：上圖5假設的是一個高阻抗探針，示波器與高阻抗端接。 將端接電阻改為50Ω，同時使用裸露的50Ω電纜將不會發(fā)生信號反射。

測量環(huán)回測試的數(shù)字信號完整性

執(zhí)行環(huán)回測試時，裝置的一個重要變化是，路徑的長度是前一個示例的兩倍。 這是因為信號會同時傳送到UUT和接線盒，然后端接到信號生成的位置。 需要注意的是，傳輸線的末端現(xiàn)在是在數(shù)字儀器，我們要探測該位置才能準確了解接收器上的數(shù)字信號。

對于NI數(shù)字儀器，這將需要拆除VHDCI連接器的外殼，使用探針直接探測導線。 在許多情況下，這對于應用來說并不是必要的。 在有必要的情況下，應確保在正確的位置進行測量，才能正確地顯示實際接收的數(shù)字信號。

圖6：環(huán)路測試示意圖。

使用數(shù)字儀器測量數(shù)字信號邏輯

有一些應用需要分析數(shù)字信號的邏輯，而不是信號完整性測試所需的模擬電壓電平。 對于這些應用，使用數(shù)字儀器探測線路或總線可幫助用戶分析數(shù)字邏輯模式。 此類分析的一個示例是將飛線電纜同時連接到高阻抗數(shù)字輸入以及另一條數(shù)字總線。 這樣做可能會導致電纜增加線路的負荷并產(chǎn)生反射。 NI解決這個問題的方案是使用一個1 kΩ桶形衰減器，將其連接到飛線電纜的前端，這可減少探測電纜對系統(tǒng)的負載效應。有關此配置的更多信息，請訪問ni.com上《數(shù)字飛線電纜用戶指南》的“衰竭采集”部分。