利用邏輯分析儀和DSO解決信號完整性問題

　　摘要：隨著目前對通信和計算機系統速度與帶寬的需求不斷上升，系統設計師正面臨著嚴峻的考驗。按時序進行測試的并行總線結構已接近其能力的極限，總線寬度現達到64位以上，致使電路布局異常復雜。此外，寬平行總線內的大量信號同步起來也非常麻煩，尤其是這些信號還會受到諸如噪聲和串擾等隨機因素的影響。
　　
　　并行總線寬度經多年不斷增長之后，如今出現了另一種朝著相反方向發展的總線技術趨勢，即窄串行總線開始取代寬并行結構。例如128位并行連接將變成一個四線串行總線，當然這些變少的物理連線仍然必須傳輸與寬并行總線同樣的數據，甚至還要更多。
　　
　　串行總線一般以打包的形式傳送數據，分包傳輸通過物理層技術完成，然后在協議層上實現。
　　
　　串行總線設計好處很多，如打包數據適應性更強（字符長度可隨系統要求而呈動態變化）、可靠性更高，以及內置有誤差發現和校正功能。此外，信號線越少說明需要布局的通路越少，因而彎曲、通孔和端點也越少。簡言之，串行總線速度快、容易操作且可靠性高，恰好與系統對更高帶寬和性能的需要保持一致。
　　
　　除了這些優點，串行總線也給系統設計師提出了一些新的挑戰。
　　
　　設計人員在規劃應用這些信號以及排除故障時，必須考慮到非常高的速度和新型動態性能，所選擇的測試工具必須能夠與快速信號保持一致，這些信號以復雜協議如RapidIO、PCI-Express和Hypertransport等傳輸大量信息。
　　
　　除了要跟上更快速度外，設計人員現在應付的是硬件、軟件和固件的“設計融合”，嵌入式軟件、數字邏輯、模擬電路和印制電路板等不再是分離的開發單元，需要同時考慮分析，以有效解決現在越來越多的信號完整性問題。數據內容按時間分割到不同的包上，出現錯誤的原因可能在應用軟件本身，也可能是打包協議、數字邏輯或總線時序出錯。
　　
　　純粹的邏輯設計已不夠用，如今的系統速度還有一些其它影響必須理解并考慮，但很多工程師卻不習慣于這樣思維。過去的數字設計師把精力主要放在信號之間的時序問題上，現在則必須考慮器件內部及之間的信號參數問題，這些因素綜合起來導致信號完整性問題大幅度增加，使排除故障的工作比以前更難。
　　
　　多數數字故障排除工作的*道防線是邏輯分析儀，這種通用儀器使用戶能以多種格式存儲、觸發和觀察數字信號。連接到被測系統的探針把數據送到邏輯分析儀多個不同的通道，然后通過邏輯分析儀按時序顯示可及時看到數字脈沖串及其相關位置。狀態顯示格式以被測電路時鐘信號決定的時序來觀察數據，借助于反匯編程序和處理器軟件支持包能進一步對這些結果進行說明，邏輯分析儀可用低級二進制方式表示指令。
　　
　　邏輯分析儀有著很高通道數、深存儲記憶和觸發，可從眾多測試點上獲得數字信息，然后連續顯示信息。產生的時序圖清楚且便于理解，易于與預先設計的數據進行比較，在二進制水平確定系統工作是否正常。這些時序圖通常是尋找危及信號完整性問題的出發點。
　　
　　但不是每個邏輯分析儀都適合現代快速串行總線數據速率下的信號完整性分析，它必須具備一些*的性能才能滿足這些要求，包括8GHz采集速率（125ps時序分辨率）、成千個可配置通道、256M以上存儲深度、無轉接器高密度壓縮探針等等。除了這些硬件特性之外，目前邏輯分析儀還帶有分析軟件包，幫助用戶從獲得的二進制數據上得到代碼并做出解釋，后一種特性在分析信息打包串行數據時是*的。
　　
　　很多數字問題通過觀察缺陷數字信號的模擬波形顯示可以更好地理解，雖然問題以數字脈沖位置發生錯誤的形式出現，但原因可能與模擬特性有關。在小幅值信號轉化為錯誤邏輯狀態或當上升時間緩慢而引起脈沖時序轉變時，這些模擬變化就會變成數字故障。
　　
　　數字存儲示波器（DSO）可以捕捉每個數字周期的細節部分，直至一個脈沖或邊沿。DSO能抓到其它工具無法得到的一次性事件，特別是在高速信號環境下，DSO是發現諸如瞬變和抖動等問題的*工具。
　　
　　與邏輯分析儀一樣，示波器如果要用于信號完整性測量，則必須滿足嚴格的性能指標。現在的示波器在全采樣速率下多個采集通道上帶寬高達6GHz，記錄長度高達32M，另外還具有低電容移動探針以及多種自動化、分析和一致性測量軟件，可以滿足要求。
　　
　　邏輯分析儀和DSO是兩種強大的信號完整性故障排除工具，隨著整合技術的進展，將這兩種工具合在一起使其功能又得到增強。
　　
　　數字信息和模擬波形都按時間排列，這樣就能以模擬方式檢查數字事件，例如數字波形中的突發脈沖錯誤，可以在示波器波形上看到信號上升沿異常，這種模擬信號異常可能是待測電路邏輯誤差造成的原因或結果。但不管是哪種情況，發現內部模擬特性有助于設計人員更快追蹤問題。
　　
　　信號完整性問題經常以間歇式數字故障的形式出現，例如與抖動相關的錯誤在上百萬個周期中可能只出現一次，這類錯誤很難復制，因此難以發現。信號完整性測試可以發現電路板布局產生的zui初問題，如端接不良的總線會產生反射和信號變形而影響數字性能，然后再一路追蹤數字錯誤直到變形的模擬信號，通過整合的邏輯分析儀/示波器證明數字錯誤確實與布局相關，而與邏輯無關。