信號質(zhì)量測試

1、信號質(zhì)量測試規(guī)范信號質(zhì)量測試規(guī)范 研發(fā)中心研發(fā)中心 張紅張紅 現(xiàn)在的高速數(shù)字系統(tǒng)的時鐘頻率可能高達數(shù)百兆Hz，其快斜率瞬變和極高 的工作頻率，以及很大的電路密集度，必將使得系統(tǒng)表現(xiàn)出與低速設(shè)計截然不同 的行為，出現(xiàn)了信號完整性問題。破壞了信號完整性將直接導(dǎo)致信號失真、定時 錯誤，以及產(chǎn)生不正確數(shù)據(jù)、地址和控制信號，從而造成系統(tǒng)誤工作甚至導(dǎo)致系 統(tǒng)崩潰。因此，信號完整性問題已經(jīng)越來越引起高速數(shù)字電路設(shè)計人員的關(guān)注。 如果電路中信號能夠以要求的時序、持續(xù)時間和電壓幅度到達IC，則該電路 具有較好的信號完整性。反之，當(dāng)信號不能正常響應(yīng)時，就出現(xiàn)了信號完整性問 題。 SI（Signal Integri

2、ty）解決的是信號傳輸過程中的質(zhì)量問題，尤其是在高速 領(lǐng)域，數(shù)字信號的傳輸不能只考慮邏輯上的實現(xiàn)，物理實現(xiàn)中數(shù)字器件開關(guān)行為 的模擬效果往往成為設(shè)計成敗的關(guān)鍵。 信號完整性概述： 常見縮寫 SISignal Integrity信號完整性 TTLTransistor-Transistor Logic晶體管-晶體管邏輯 CMOSComplementary Metal Oxide Semicondutor互補金屬氧化物半導(dǎo)體 LVTTLLow Voltage TTL低電壓 LVCMOSLow Voltage CMOS低電壓 ECLEmitter Coupled Logic發(fā)射極耦合邏輯 PECLPs

3、eudo/Positive Emitter Coupled Logic偽發(fā)射極耦合邏輯 LVDSLow Voltage Differential Signaling低電壓差分信號 GTLGunning Transceiver Logic射電收發(fā)邏輯 HSTLHigh-Speed Transceiver Logic高速收發(fā)器邏輯 eHSTLEnhanced High-Speed Transceiver Logic增強高速收發(fā)器邏輯 dHSTLDifferential HSTL差分HSTL SSTLStub Series-terminated Logic線腳系列終端邏輯 SPISerial Per

4、ipheral Interface串行外圍接口 I2CInter Integrated Circuit Bus內(nèi)部集成電路總線 USBUniversal Serial Bus 通用串行總線 過沖：過沖： 類型類型正過沖正過沖負過沖負過沖 圖例 危害1、 閂鎖損傷器件（VCC/VDD）， 對器件沖擊造成器件損壞； 2、形成干擾源，對其它器件造成串 擾 1、 閂鎖損傷器件（ VEE/GND）， 對器 件沖擊造成器件損壞； 2、 管腳上的負電壓可能使器件PN 襯底 （寄生二極管）前向偏置，流過的大電流大 于1安時，熔斷鍵絲產(chǎn)生開路。 產(chǎn)生 原因 1、 其它相鄰信號串?dāng)_； 2、 器件驅(qū)動能力太強； 3

5、、 沒有匹配或者匹配不當(dāng)。 解決 建議 1、PCB布線避開干擾源和耦合路徑； 2、增加電阻匹配，參考做法是始端串電阻或者末端并阻抗（電阻），減少過沖。 毛刺：毛刺： 類型類型正向毛刺正向毛刺負向毛刺負向毛刺 圖例 危害 容易造成控制信號控制錯誤或時鐘信號相位發(fā)生錯誤： 1） 數(shù)據(jù)線上的毛刺如果被采樣到，可能造成判斷結(jié)果錯誤； 2） 邊沿觸發(fā)的器件中，時鐘線上的毛刺可能會使得采樣到多余的數(shù)據(jù) （相當(dāng)于 多了一拍時鐘）。 產(chǎn)生 原因 1） PCB走線串?dāng)_（例如數(shù)據(jù)線和時鐘線并行走線較長，信號線放置在晶 振等干 擾源附近）； 2） 外界干擾，如地線噪聲等； 3） 邏輯出現(xiàn)競爭、冒險； 解決 建議 1

6、） 控制器件布局和PCB走線，信號遠離干擾源； 2） 添加去耦電容或輸出濾波等。濾波器件盡量靠近信號管腳； 3） 邏輯設(shè)計中添加冗余項，或者采用同步邏輯設(shè)計，避免競爭冒險； 信號邊沿緩慢：信號邊沿緩慢： 類型類型上升沿緩慢上升沿緩慢下降沿緩慢下降沿緩慢 圖例 危害上升、下降沿緩慢發(fā)生在數(shù)據(jù)信號線上（串口信號線，HW信號線等）時，會造成 數(shù)據(jù)采樣錯誤。 產(chǎn)生 原因 驅(qū)動能力不夠，或者負載過大（例如鏈路阻抗太大） 解決 建議 1） 提高驅(qū)動能力； 2） 減小負載。 振蕩（回沖振蕩（回沖/振鈴）：振鈴）： 類型類型回沖回沖振鈴振鈴 圖例 表現(xiàn)：多次跨越電平臨界值。又稱為 回沖。處于VH附近的回沖稱為

7、正向回 沖，處于VL附近的回沖稱為負向回沖 表現(xiàn)：經(jīng)過多次反復(fù)才回歸正常電平。又 稱為振鈴。 危害類似于多次過沖。且跨越電平臨界值 后，在高低電平之間是一種不確定的 狀態(tài)。 在高低電平之間是一種不確定的狀態(tài) （ 有可能被判斷為0，也可能被判斷為1） 產(chǎn)生 原因 匹配不當(dāng)（例如匹配阻抗過大、過小）。 解決 建議 更改為合適的匹配電阻/阻抗。 回勾（臺階）回勾（臺階） 類型類型上升沿回勾上升沿回勾振鈴振鈴 圖例 危害1）主要是時鐘類信號上的回勾有危害，可能會使得采樣到多余的數(shù)據(jù)（相當(dāng)于多 了一拍時鐘），影響了時鐘信號上升沿和下降沿的單調(diào)性； 2）對于電源信號，上電邊沿的回勾可能導(dǎo)致系統(tǒng)死機，需要結(jié)

8、合復(fù)位信號判斷是 否可以接受； 3）數(shù)據(jù)信號由于一般是在數(shù)據(jù)的中間采樣，回勾的影響不是很大（除非速率很高， 建立保持時間12ns，這時需要考慮回勾對數(shù)據(jù)的影響）。 產(chǎn)生 原因 匹配不當(dāng)，信號放射回來形成回勾 解決 建議 增加合適的匹配。一般來講，對于單端信號，單板內(nèi)信號可以加33歐電阻始端匹 配，板間信號加200歐電阻匹配較合適。 建立、保持時間（Setup time & Hold time） 類型類型建立時間建立時間保持時間保持時間 圖例 危害建立時間不夠，讀到的數(shù)據(jù)會是一個 不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，可能會采樣錯誤 保持時間不夠，讀寫數(shù)據(jù)處理過程中同樣 可能讀寫到錯誤數(shù)據(jù) 產(chǎn)生 原因 設(shè)計時沒有考慮清

9、楚，設(shè)計出錯?；蛘邲]有考慮到設(shè)計容限范圍，在某些異常情 況下（例如溫度變化使得器件參數(shù)漂移）建立、保持時間不夠。 解決 建議 1、設(shè)計時把時鐘從FPGA/CPLD中引出，在設(shè)計裕度不夠時可以調(diào)節(jié)； 2、對于時鐘邊沿采樣信號，盡量使得采樣時鐘邊沿在數(shù)據(jù)的中間，這樣盡管器件 參數(shù)漂移，設(shè)計上還是有較大的裕度。 臨床知識培訓(xùn)臨床知識培訓(xùn) 串?dāng)_串?dāng)_ 串?dāng)_表現(xiàn)為在一根信號線上有信號通過時，在PCB板上 與之相鄰的信號線上就會感應(yīng)出相關(guān)的信號，我們稱之為 串?dāng)_。竄擾的表現(xiàn)形式通常是毛刺。 信號線距離地線越近，線間距越大，產(chǎn)生的串?dāng)_信號 越小。異步信號和時鐘信號更容易產(chǎn)生串?dāng)_。因此解串?dāng)_ 的方法是移開發(fā)生串

10、擾的信號或屏蔽被嚴重干擾的信號。 電磁輻射電磁輻射： EMI(Electro-Magnetic Interference)即電磁干擾，產(chǎn)生的問題包含過量的 電磁輻射及對電磁輻射的敏感性兩方面。EMI表現(xiàn)為當(dāng)數(shù)字系統(tǒng)加電運行時，會 對周圍環(huán)境輻射電磁波，從而干擾周圍環(huán)境中電子設(shè)備的正常工作。它產(chǎn)生的主 要原因是電路工作頻率太高以及布局布線不合理。 目前已有進行 EMI仿真的軟件工具，但EMI仿真器都很昂貴，仿真參數(shù)和邊 界條件設(shè)置又很困難，這將直接影響仿真結(jié)果的準確性和實用性。最通常的做法 是將控制EMI的各項設(shè)計規(guī)則應(yīng)用在設(shè)計的每一環(huán)節(jié)，實現(xiàn)在設(shè)計各環(huán)節(jié)上的規(guī) 則驅(qū)動和控制。 信號質(zhì)量測試條件

11、 單板/系統(tǒng)工作條件： 單板信號質(zhì)量測試須滿足以下條件： 1)單板/系統(tǒng)工作在室溫條件； 2)單板/系統(tǒng)可靠接地。 3)單板/系統(tǒng)上電正常工作 1 小時后測試； 4)單板/系統(tǒng)盡量工作在滿負荷條件下。如果測試項目有輕載、滿載限制要求，則 輕載、滿載條件下都要測試； 5)單板電源穩(wěn)定在額定電壓5% 的范圍內(nèi)。 信號質(zhì)量測試人員要求： 1)熟悉邏輯電平的基本知識，熟練掌握示波器的使用方法； 2)對被測單板的原理電路有深刻認識，對信號分類有清楚 認識，了解板上器件的工作速度和工作電平。 示波器選擇與使用要求： 1)測量前保證測試儀器（儀表）和被測單板或系統(tǒng)共地。 如果不共地，地線浮空，可能會 得到錯

12、誤的測試結(jié)果。 測量前需要校準儀器； 2)為確保測試數(shù)據(jù)的精度，應(yīng)盡量采用高輸入阻抗、小電 容值、高帶寬的有源探頭和高帶寬的示波器； 3)示波器的帶寬：描述了示波器固有的上升時間（即時 延）。探頭和示波器的帶寬要超過信號帶寬的35倍以上； 4)示波器的采樣速率：表示為樣點數(shù)每秒（S/s），指數(shù)字示波器 對信號采樣的頻率。為了準確再現(xiàn)信號，根據(jù)香農(nóng)（Shannon）定 律，示波器的采樣速率至少需為信號最高頻率成分的2倍； 5)量程應(yīng)盡量小，波形盡量展開，以方便觀察波形變化的細節(jié)， 并準確測量其幅值； 6)測量信號邊沿時，應(yīng)選用合適的邊沿觸發(fā)； 7)高檔示波器都具有毛刺捕捉模式，可以用于捕捉毛刺；

13、 8)Tek示波器提供了InstaVu功能，用于發(fā)現(xiàn)信號異常，數(shù)據(jù)信號 眼圖異常及高電平低電平毛刺，測量眼圖，毛刺、紋波等瞬間變 化的波形； 示波器選擇與使用要求： 探頭選擇與使用要求： 1)不允許在探頭還連接著被測試電路時插拔探頭； 2)有源探頭和差分探頭、電流探頭等是很昂貴的設(shè)備，注意保護。 插拔探頭時必須先關(guān)示波器。無源探頭一般沒有硬性規(guī)定，但是出 于可靠考慮，建議所有探頭都不能熱拔插，拔插任何探頭時都必須 先關(guān)閉示波器； 3)探頭地線只能接電路板上的地線，不可以搭接在電路板的正、負 電源端。否則，可能會造成電路板器件損壞，甚至?xí)龎奶筋^的小 夾子和探頭本身； 4)探頭電容越小，它對電路的負載就越小，測試結(jié)果就更精確。選 用時請根據(jù)情況仔細考慮； 5)探頭是有測量幅度的，不要用于測大信號，以免造成探頭損壞。 例如：信號幅度超過40V時，用有源探頭P6245和P6243測量會 造成探頭的損壞； 6)差分探頭能夠測量的差分