高速PCB電路設(shè)計(jì)中信號(hào)完整性問(wèn)題的快速定位

在高速電路設(shè)計(jì)中，定位信號(hào)完整性問(wèn)題的傳統(tǒng)方法是采用硬件觸發(fā)來(lái)隔離事件，和/或利用深度采集存儲(chǔ)技術(shù)捕獲事件，然后再尋找問(wèn)題。隨著高性能電路系統(tǒng)的速度和復(fù)雜程度的不斷提高，用示波器定位信號(hào)完整性問(wèn)題的局限性也在逐步凸顯。

隨著一種全新事件定位技術(shù)的出現(xiàn)，這種局面將會(huì)有很大的改觀。最終，這種功能強(qiáng)大的事件定位系統(tǒng)將有　　傳統(tǒng)的信號(hào)完整性問(wèn)題定位方法

傳統(tǒng)的硬件觸發(fā)/深度采集存儲(chǔ)方法在定位信號(hào)完整性問(wèn)題方面有兩大優(yōu)勢(shì)。

首先，利用硬件觸發(fā)鎖定某個(gè)相關(guān)事件時(shí)不存在死區(qū)時(shí)間。硬件觸發(fā)系統(tǒng)會(huì)使示波器采集系統(tǒng)一直不停地運(yùn)行，直到找到目標(biāo)事件為止。一旦目標(biāo)事件被鎖定，硬件觸發(fā)電路將會(huì)觸發(fā)，完成示波器的數(shù)據(jù)采集工作，同時(shí)在屏幕的中心顯示這個(gè)事件。這種方法確實(shí)非常方便。

其次，采用深度采集存儲(chǔ)技術(shù)，用戶無(wú)需知道目標(biāo)系統(tǒng)所面臨的信號(hào)完整性問(wèn)題的種類，只需將示波器設(shè)為最大存儲(chǔ)模式，并將觸發(fā)模式設(shè)為邊沿觸發(fā)，甚至是自動(dòng)觸發(fā)，然后讓示波器開(kāi)始運(yùn)行即可。示波器將會(huì)捕獲一段相對(duì)長(zhǎng)的有關(guān)目標(biāo)系統(tǒng)執(zhí)行情況的截屏，然后用戶可以隨時(shí)分析這段數(shù)據(jù)，判斷是否存在有問(wèn)題的事件。這種技術(shù)也被稱之為“廣存廣查（swallow and wallow）”技術(shù)。

這些利用示波器驗(yàn)證設(shè)計(jì)的方法非常有效，并已在電子設(shè)計(jì)工程師社群中深入人心。但是與測(cè)試/測(cè)量行業(yè)的新興技術(shù)相比，這種方法還存在諸多局限性。

定位信號(hào)完整性問(wèn)題的新方法

定位信號(hào)完整性問(wèn)題的新方法是一種事件識(shí)別軟件。事件識(shí)別軟件本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是一種智能軟件，這種軟件掃描示波器所捕捉的波形，找出各種信號(hào)完整性問(wèn)題或者信號(hào)有問(wèn)題的事件。該方法不具備硬件觸發(fā)方法的“無(wú)死區(qū)時(shí)間”特性，這是因?yàn)樵趯?duì)以前捕捉的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理時(shí)本來(lái)就有“死區(qū)時(shí)間”，它也沒(méi)有深度采集存儲(chǔ)技術(shù)能提供的“廣存廣查”能力。但事件識(shí)別軟件具有如下的一些獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)正在吸引越來(lái)越多的示波器用戶。

1．同時(shí)監(jiān)控多個(gè)事件：硬件觸發(fā)方法只能識(shí)別一個(gè)有問(wèn)題的事件，硬件觸發(fā)電路被設(shè)置成在特定事件發(fā)生時(shí)觸發(fā)，從根本上杜絕了同時(shí)監(jiān)控多個(gè)事件的可能性。而事件識(shí)別軟件不受這種限制的影響，該軟件可以通過(guò)編程設(shè)定為同時(shí)掃描任意一個(gè)通道或多個(gè)通道上的5個(gè)事件。這可極大地縮短用于逐步縮小信號(hào)完整性問(wèn)題潛在原因的范圍、隔離錯(cuò)綜復(fù)雜的相關(guān)事件所用的時(shí)間。

2．找出同一事件多次出現(xiàn)的情況：硬件觸發(fā)電路每次捕捉只能識(shí)別一個(gè)事件的單次出現(xiàn)。實(shí)際上在這個(gè)事件被硬件隔離之前或之后，該事件還會(huì)重復(fù)多次出現(xiàn)，但是硬件觸發(fā)方法無(wú)法發(fā)現(xiàn)這些重復(fù)出現(xiàn)的事件。事件識(shí)別軟件就可以做到這一點(diǎn)，它可以找出波形存儲(chǔ)器所捕捉的事件的所有出現(xiàn)次數(shù)。因此，設(shè)計(jì)工程師不但能發(fā)現(xiàn)第一次故障，還能發(fā)現(xiàn)第二次、第三次故障等。

3．事件導(dǎo)航：一旦用戶通過(guò)深度存儲(chǔ)捕獲了很長(zhǎng)的波形，接下來(lái)就是極其枯燥而且極易出錯(cuò)的手動(dòng)工作，即回放這些波形，檢查波形的每一段，并找出潛在的信號(hào)完整性問(wèn)題。深度采集存儲(chǔ)技術(shù)可以采集10，000個(gè)屏幕的信息。手動(dòng)審查所有這些信息是不切實(shí)際的。將這些示波器數(shù)據(jù)傳到一個(gè)控制器上，編寫定制的軟件來(lái)分析這些數(shù)據(jù)也是不現(xiàn)實(shí)的，而且非常耗時(shí)。事件識(shí)別軟件一旦識(shí)別出目標(biāo)事件的所有出現(xiàn)次數(shù)，就可以用向DVD播放器一樣直觀的回放控制鍵，在這個(gè)事件的多次出現(xiàn)之間來(lái)回切換。

4．識(shí)別多種事件：一個(gè)典型的硬件觸發(fā)系統(tǒng)可以隔離大約10種不同類型的事件或觸發(fā)模式。但是開(kāi)發(fā)一種新的硬件觸發(fā)模式對(duì)于示波器廠商來(lái)說(shuō)非常麻煩，需要大量的開(kāi)發(fā)資源和昂貴的IC生產(chǎn)成本。相比而言開(kāi)發(fā)事件識(shí)別軟件的成本就會(huì)少很多。目前的事件識(shí)別軟件可以隔離出波形測(cè)量能測(cè)得的任何事件（現(xiàn)代示波器可以進(jìn)行30多種波形測(cè)量），而且還可以發(fā)現(xiàn)由不正確的信號(hào)端子引起的非單調(diào)邊沿等有問(wèn)題的事件。用硬件觸發(fā)電路觸發(fā)非單調(diào)邊沿這一類小波形現(xiàn)象幾乎是不可能的。

5．辨別事件的速度：硬件觸發(fā)電路的速度主要受其晶體管速度的影響，并且它采用的是模擬技術(shù)。現(xiàn)在最高端的硬件觸發(fā)電路可以實(shí)現(xiàn)低至300ps的脈寬（或脈沖干擾）觸發(fā)，以及3.25Gbps的序列觸發(fā)（serial triggering）。盡管這些指標(biāo)很優(yōu)異，但是硬件觸發(fā)電路的速度仍然跟不上如今頂級(jí)系統(tǒng)的8.5Gbps以上的速度。事件識(shí)別軟件只受示波器采樣速率的限制，本質(zhì)上采用的是數(shù)字技術(shù)。業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的示波器的采樣速率高達(dá)40GSps，通過(guò)軟件事件識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別事件的速度比硬件觸發(fā)模式快很多。

6．辨別事件的分辨率：硬件觸發(fā)電路的時(shí)間分辨率相對(duì)比較低，根據(jù)不同的觸發(fā)事件、波形信號(hào)特性以及導(dǎo)致觸發(fā)事件的特定波形活動(dòng)，分辨率大約為幾十甚至上百皮秒。當(dāng)需要測(cè)量一些比較精確的指標(biāo)時(shí)，這個(gè)分辨率已不能滿足要求（即可能產(chǎn)生虛假故障）。由于軟件事件識(shí)別純粹的數(shù)字信號(hào)處理，可以采用像1到16采樣點(diǎn)插值算法這樣的DSP技術(shù)，從而有效地提高事件分辨率。事件通過(guò)率的檢查可以提高到皮秒級(jí)。圖2顯示的是示波器識(shí)別36ps的上升沿的波形。

7．可見(jiàn)即可隔離：事件識(shí)別軟件最吸引人的地方在于其“區(qū)域探測(cè)器（Zone Finder）”功能。很多示波器用戶會(huì)看到屏幕上偶爾有間歇信號(hào)閃過(guò)，但卻來(lái)不及按下停止按鈕鎖定它們。通常在這種情況下，用戶會(huì)把示波器設(shè)為單次采集模式，然后不停地按單次觸發(fā)鍵（有時(shí)需要按非常多次），才能有效捕捉到一次事件。而大多數(shù)情況下，這樣做的結(jié)果只會(huì)讓你手指酸痛。區(qū)域探測(cè)器可以讓用戶在屏幕上畫一個(gè)區(qū)域，用戶可以在這個(gè)區(qū)域中觀察到間歇信號(hào)閃過(guò)，當(dāng)這個(gè)信號(hào)的波形下一次閃過(guò)這個(gè)區(qū)域時(shí)，示波器會(huì)自動(dòng)停止，并清晰地顯示這個(gè)波形。

8．與硬件觸發(fā)同步：通過(guò)可編程的延時(shí)機(jī)制，事件識(shí)別軟件可以與硬件觸發(fā)機(jī)制配合使用。也就是說(shuō)，這種方法可以捕捉到在定義的硬件事件之后延遲一段指定時(shí)間時(shí)發(fā)生的軟件定義事件。這種軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)可以生成一個(gè)觸發(fā)排序器（trigger sequencer），或者可以用硬件來(lái)限制軟件要檢查的波形，從而提高效率。

事件識(shí)別軟件是對(duì)識(shí)別信號(hào)完整性問(wèn)題的傳統(tǒng)硬件觸發(fā)或深度采集存儲(chǔ)方法的一個(gè)有效補(bǔ)充。當(dāng)示波器不存在“死區(qū)時(shí)間”問(wèn)題時(shí)，也就是說(shuō)事件的發(fā)生頻率大于每秒一次時(shí)（一秒鐘對(duì)于高速電路而言是一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間），事件識(shí)別軟件這個(gè)新技術(shù)將成為定位電子設(shè)計(jì)中信號(hào)完整性問(wèn)題的一個(gè)最有效且靈活的工具。