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【干货转帖】高速电路常用的信号完整性测试手段与仿真

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jingjingge
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LV8
副总工程师
  • 2018-3-16 09:47:29
转自:信号完整性(公众号) 作者:蒋修国
信号完整性设计在产品开发中越来越受到重视,而信号完整性的测试手段种类繁多,有频域,也有时域的,还有一些综合性的手段,比如误码测试。这些手段并非任何情况下都适合使用,都存在这样那样的局限性,合适选用,可以做到事半功倍,避免走弯路。本文对各种测试手段进行介绍,并结合实际硬件开发活动说明如何选用。
信号完整性的测试手段很多,涉及的仪器也很多,因此熟悉各种测试手段的特点,以及根据测试对象的特性和要求,选用适当的测试手段,对于选择方案、验证效果、解决问题等硬件开发活动,都能够大大提高效率,起到事半功倍的作用。

信号完整性的测试手段
早期的时候,信号完整性分析的手段不多,但是时至今日,信号完整性分析的手段越来越多,不管是时域的还是频域的,不管是波形还是眼图,疑惑是误码率等等,只要你想要的,不久的将来各大厂商都能设计的出来。虽然现在有很多测试手段,但是这些手段既有优点,也存在局限性,实际上不可能全部都使用,下面对这些手段进行一些说明。

1. 波形测试
波形测试是信号完整性测试中最常用的手段,一般是使用示波器进行,主要测试波形幅度、边沿和毛刺等,通过测试波形的参数,可以看出幅度、边沿时间等是否满足器件接口电平的要求,有没有存在信号毛刺等。由于示波器是极为通用的仪器,几乎所有的硬件工程师都会使用,但并不表示大家都使用得好。波形测试也要遵循一些要求,才能够得到准确的信号。
首先是要求主机和探头一起组成的带宽要足够。基本上测试系统(一定要注意这是讲的是系统)的带宽是测试信号带宽的3倍以上就可以了。实际使用中,有一些工程师随便找一些探头就去测试,甚至是K公司的探头插到T公司的示波器去,这种测试很难得到准确的结果。
其次要注重细节。比如测试点通常选择放在接收器件的管脚,如果条件限制放不到上面去的,比如BGA封装的器件,可以放到最靠近管脚的PCB走线上或者过孔上面。距离接收器件管脚过远,因为信号反射,可能会导致测试结果和实际信号差异比较大;探头的地线尽量选择短地线等。
最后,需要注意一下匹配。这个主要是针对使用同轴电缆去测试的情况,同轴直接接到示波器上去,负载通常是50欧姆,并且是直流耦合,而对于某些电路,需要直流偏置,直接将测试系统接入时会影响电路工作状态,从而测试不到正常的波形。


2. 眼图测试

眼图测试是常用的测试手段,特别是对于有规范要求的接口,比如USB、Ethernet、SATA、HDMI,还有光接口等。这些标准接口信号的眼图测试,主要是用带MASK(模板)的示波器,包括通用示波器,采样示波器或者信号分析仪,这些示波器内置的时钟提取功能,可以显示眼图,对于没有MASK的示波器,可以使用外接时钟进行触发。使用眼图测试功能,需要注意测试波形的数量,特别是对于判断接口眼图是否符合规范时,数量过少,波形的抖动比较小,也许有一下违规的情况,比如波形进入MASK的某部部分,就可能采集不到,出现误判为通过,数量太多,会导致整个测试时间过长,效率不高,通常情况下,测试波形数量不少于2000,在3000左右为适宜。
目前有一些仪器,利用分析软件,可以对眼图中的违规详细情况进行查看,比如在MASK中落入了一些采样点,在以前是不知道哪些情况下落入的,因为所有的采样点是累加进去的,总的效果看起来就象是长余晖显示。而新的仪器,利用了其长存储的优势,将波形采集进来后进行处理显示,因此波形的每一个细节都可以保留,因此它可以查看波形的违规情况,比如波形是000010还是101010,这个功能可以帮助硬件工程师查找问题的根源所在。

3. 抖动测试
抖动测试现在越来越受到重视,因为专用的抖动测试仪器,比如TIA(时间间隔分析仪)、SIA3000,价格非常昂贵,使用得比较少。使用得最多是示波器加上软件处理,如keysight的EZJIT,TEK的DPOJitter软件。通过软件处理,分离出各个分量,比如RJ和DJ,以及DJ中的各个分量。对于这种测试,选择的示波器,长存储和高速采样是必要条件,比如2M以上的存储器,20GSa/s的采样速率。不过目前抖动测试,各个公司的解决方案得到结果还有相当差异,还没有哪个是权威或者行业标准。

4. TDR测试
TDR测试目前主要使用于PCB(印制电路板)信号线、以及器件阻抗的测试,比如单端信号线,差分信号线,连接器线缆等。这种测试有一个要求,就是和实际应用的条件相结合,比如实际该信号线的信号上升沿在300ps左右,那么TDR的输出脉冲信号的上升沿也要相应设置在300ps附近,而不使用30ps左右的上升沿,否则测试结果可能和实际应用有比较大的差别。影响TDR测试精度有很多的原因,主要有反射、校准、读数选择等,反射会导致较短的PCB信号线测试值出现严重偏差,特别是在使用TIP(探针)去测试的情况下更为明显,因为TIP和信号线接触点会导致很大的阻抗不连续,导致反射发生,并导致附近三、四英寸左右范围的PCB信号线的阻抗曲线起伏。

5. 时序测试
现在器件的工作速率越来越快,时序容限越来越小,时序问题导致产品不稳定是非常常见的,因此时序测试是非常必要的。测试时序通常需要多通道的示波器和多个探头,示波器的逻辑触发或者码型和状态触发功能,对于快速捕获到需要的波形,很有帮助,不过多个探头在实际操作中,并不容易,又要拿探头,又要操作示波器,那个时候感觉有孙悟空的三头六臂就方便多了。逻辑分析仪用做时序测试并不多,因为它主要作用是分析码型,也就是分析信号线上跑的是什么码,和代码联系在一起,可以分析是哪些指令或者数据。在对于要求不高的情况下,可以用它来测试,它相对示波器来说,优势就是通道数多,但是它的劣势是探头连接困难,除非设计的时候就已经考虑了连接问题,否则飞线就是唯一的选择,如果信号线在PCB的内层,几乎很难做到。

6. 频谱测试
对于产品的开发前期,这种测试应用相对比较少,但是对于后期的系统测试,比如EMC测试,很多产品都需要测试。通过该测试发现某些频点超标,然后可以使用近场扫描仪(其中关键的仪器是频谱仪),例如EMCSCANER,来分析板卡上面具体哪一部分的频谱比较高,从而找出超标的根源所在。不过这些设备相对都比较昂贵,中小公司拥有的不多,因此通常情况下都是在设计时仔细做好匹配和屏蔽,避免后面测试时发现信号频谱超标,因为后期发现了问题,很多情况下是很难定位的。

7. 频域阻抗测试
现在很多标准接口,比如E1/T1等,为了避免有太多的能量反射,都要求比较好地匹配,另外在射频或者微波,相互对接,对阻抗通常都有要求。这些情况下,都需要进行频域的阻抗测试。阻抗测试通常使用网络分析仪,单端端口相对简单,对于差分输入的端口,可以使用Balun进行差分和单端转换。

8. 传输线损耗测试
  
传输线损耗测试,对于长的PCB走线,或者电缆等,在传输距离比较远,或者传输信号速率非常高的情况下,还有频域的串扰等,都可以使用网络分析仪来测试。同样的,对于PCB差分信号或者双绞线,也可是使用Balun进行差分到单端转换,或者使用4端口网络分析来测试。多端口网络分析仪的校准,使用电子校准件可以大大提高校准的效率。

9. 误码测试
误码测试实际上是系统测试,利用误码仪,甚至是一些软件都可做,比如可以通过两台电脑,使用软件,测试连接两台电脑间的网络误码情况。误码测试可以对数据的每一位都进行测试,这是它的优点,相比之下示波器只是部分时间进行采样,很多时间都在等待,因此漏过了很多细节。低误码率的设备的误码测试很耗费时间,有的测试时间是一整天,甚至是数天。
实际中如何选用这上述测试手段,需要根据被测试对象进行具体分析,不同的情况需要不同的测试手段。比如有标准接口的,就可以使用眼图测试、阻抗测试和误码测试等,对于普通硬件电路,可以使用波形测试、时序测试,设计中有高速信号线,还可以使用TDR测试。对于时钟、高速串行信号,还可以抖动测试等。
另外上面众多的仪器,很多都可以实现多种测试,比如示波器,可以实现波形测试,时序测试,眼图测试和抖动测试等,网络分析仪可以实现频域阻抗测试、传输损耗测试等,因此灵活应用仪器也是提高测试效率,发现设计中存在问题的关键。

信号完整性仿真

信号完整性测试是信号完整性设计的一个手段,在实际应用中还有信号完整性仿真,这两个手段结合在一起,为硬件开发活动提供了强大的支持。

在需求分析和方案选择阶段,就可以应用一些信号完整性测试手段和仿真手段来分析可行性,或者判断哪种方案优胜,比如测试一些关键芯片的评估板,看看信号的电平、速率等是否满足要求,或者利用事先得到的器件模型,进行仿真,看接口的信号传输距离是否满足要求等。在平时利用测试手段,也可以得到一些器件的模型,比如电缆的传输模型,这种模型可以利用在仿真中,当这些模型积累比较多,一些部分测试,包括设计完毕后的验证测试,可以用仿真来替代,这对于效率提高很有好处,因为一个设计中的所有的信号都完全进行测试,是比较困难的,也是很耗费时间的。

在设计阶段,通常是使用仿真手段,对具体问题进行分析,比如负载的个数,PCB信号线的拓扑结构,并根据仿真结果对设计进行调整,以便将大多数的信号完整性问题解决在设计阶段。

系统调试以及验证测试阶段,主要是利用信号完整性测试手段,对设计进行测试,看是否设计的要求。如果发现了严重问题,就要去解决,信号完整性的测试和仿真手段都将用来寻找问题的根源,以及寻找适合的解决方案上面。

信号完整性测试和信号完整性仿真紧密结合,这是信号完整性设计的基本要求,但是现在很多公司在这一块上面都存在很多的问题,有的只有测试,有的则只依赖于仿真,当然,这些归根结底还是因为财力和人力的不充足。

weixiu123
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副总工程师
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