示波器的用途并不僅限于電子領(lǐng)域。在安裝適當(dāng)?shù)膫鞲衅鲿r示波器可以測量各類現(xiàn)象。傳感器是一種針對物理激勵生成電信號的器件，如聲音、機(jī)械壓力、壓力、光或熱。麥克風(fēng)就是一種傳感器，它把聲音轉(zhuǎn)換成電信號。圖1說明了示波器可以采集的科學(xué)數(shù)據(jù)實例。

從物理學(xué)家到維修技師，每個人都離不開示波器。汽車工程師使用示波器，把來自傳感器的模擬數(shù)據(jù)與來自發(fā)動機(jī)控制單元的串行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來。醫(yī)學(xué)研究人員使用示波器測量腦電波。示波器的用途可以說是無窮無盡的。

01

信號完整性的意義

對任何優(yōu)秀的示波器系統(tǒng)來說，準(zhǔn)確重建波形的能力都是關(guān)鍵，這種能力稱為信號完整性。示波器類似于一臺攝像機(jī)，它捕獲信號圖像，然后可以觀察和解釋信號圖像。信號完整性的核心有兩個關(guān)鍵問題:

在拍攝時，拍到的是不是實際發(fā)生事件的準(zhǔn)確圖像?

圖像清楚還是模糊?

每秒可以拍攝多少張這么準(zhǔn)確的圖片?

示波器不同的系統(tǒng)和性能功能結(jié)合在一起，影響著其提供最高信號完整性的能力。探頭也影響著測量系統(tǒng)的信號完整性。

信號完整性影響著許多電子設(shè)計學(xué)科。但直到幾年前，它對數(shù)字設(shè)計人員來說還不是什么大問題。設(shè)計人員可以依賴邏輯電路，像布爾電路一樣操作。當(dāng)時，有噪聲的、不確定的信號發(fā)生在高速電路中，RF設(shè)計人員還不用擔(dān)心這些問題。數(shù)字系統(tǒng)開關(guān)速度慢，信號以可預(yù)測的方式穩(wěn)定。

此后，處理器的時鐘速率提高了幾個量級。三維圖像、視頻和服務(wù)器I/O等計算機(jī)應(yīng)用需要大量的帶寬。當(dāng)前大部分電信設(shè)備都基于數(shù)字方式，類似地要求大規(guī)模的帶寬。數(shù)字高清電視也不例外。當(dāng)前一代微處理器設(shè)備以高達(dá)2GS/S、3GS/s、甚至5GS/s(千兆樣點(diǎn)/秒)的速率處理數(shù)據(jù)，某些DDR3存儲設(shè)備則使用2 GHz以上的時鐘及上升時間為35pS的數(shù)據(jù)信號。

重要的是，速度的提高一直滲透到汽車、消費(fèi)電子、機(jī)械控制裝置及各類應(yīng)用使用的常用IC器件。

02

為什么信號完整性是一個問題？

讓我們看一下當(dāng)前數(shù)字設(shè)計中信號劣化的部分具體成因。為什么現(xiàn)在這些問題比過去幾年盛行得多了呢?

答案是速度。在“低速的舊時代”，保持可以接受的數(shù)字信號完整性只需注意細(xì)節(jié)就可以了，比如時鐘分配、信號路徑設(shè)計、噪聲余量、負(fù)荷影響、傳輸線效應(yīng)、總線端接解耦和配電。

必需指出的是，數(shù)字信號的邊沿速度 -上升時間承載的頻率成分可以高于其重復(fù)速率表明的頻率?；谶@一原因，某些設(shè)計人員故意尋求上升時間相對“較慢”的IC器件。

集總電路模型一直是預(yù)測電路中信號特點(diǎn)使用的大多數(shù)計算的依據(jù)。但是，在邊沿速度比信號路徑延遲快4-6倍時，簡單的集總模型將不再適用。

在使用邊沿速率不到4-6納秒的信號驅(qū)動時，不管周期速率是多少，長僅6英寸的電路板軌跡變成了傳輸線。事實上，其創(chuàng)建了新的信號路徑。這些無形連接并沒有畫在示意圖上，然而卻為信號提供了以不可預(yù)測的方式相互影響的手段。

有時候，即使是探頭/儀器組合引入的錯誤也可能會給被測信號帶來重大影響。但是，通過對實測值應(yīng)用“平方和的均方根”公式，可以確定被測器件是否接近上升時間/下降時間故障。此外，最新的示波器工具采用專用濾波技術(shù)，反嵌測量系統(tǒng)對信號的影響，顯示邊沿時間及其它信號特點(diǎn)。

同時，預(yù)計的信號路徑并沒有以預(yù)計的方式工作。地平面和電壓層(如上述信號軌跡)變成電感，工作方式類似于傳輸線，電源解耦的效果大大降低。EMI上升，因為邊沿速度越快，相對于總線長度產(chǎn)生的波長越短，串?dāng)_越高。

此外，快速邊沿速度要求整體更高的生成電流。更高的電流一般會導(dǎo)致地電平彈跳，特別是在一次開關(guān)多個信號的寬總線上。而且，更高的電流會提高輻射的磁能量及串?dāng)_。

03

觀察數(shù)字信號的模擬原源

這些特點(diǎn)有哪些共同點(diǎn)呢?它們都是典型的模擬現(xiàn)象。為解決信號完整性問題，數(shù)字設(shè)計人員需要步入模擬領(lǐng)域。為邁出這一步，他們需要工具能夠顯示數(shù)字信號和模擬信號怎樣相互影響。

圖2. 顯示波形的X，Y和Z成分

數(shù)字錯誤通常源于模擬信號完整性問題。為追蹤數(shù)字問題的成因，通常必需打開示波器，示波器可以顯示波形細(xì)節(jié)、邊沿和噪聲，可以檢測和顯示瞬態(tài)信號，可以幫助您精確地測量定時關(guān)系，如建立時間和保持時間。通過觸發(fā)并行或串行數(shù)據(jù)流中的具體碼型，顯示在時間上與指定事件對應(yīng)的模擬信號，現(xiàn)代示波器可以幫助簡化調(diào)試過程。

了解示波器內(nèi)部的每個系統(tǒng)及怎樣應(yīng)用這些系統(tǒng)，有助于有效地應(yīng)用示波器，處理具體的測量挑戰(zhàn)。

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