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高速數位訊號測試的關鍵一步
功能強大高效率量測系統必不可少

【作者: 王岫晨】   2018年07月10日 星期二

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5G行動網路、IoT物聯網、8K超高清影像顯示技術等相關科技正融入大眾生活,也改變了我們。而隱藏在背後,支援這些應用的正是各種高速傳輸介面。超高清影像顯示技術等相關基礎建設正積極布局,促使高速傳輸介面邁向新的里程。


訊號完整性描述

訊號完整性是指完整和無減損。同樣,一個具有良好的完整性的數位訊號有乾淨、快速的上升邊緣;穩定和有效的邏輯位準;準確的時間位置和沒有任何的暫態。對於系統開發者而言,不斷發展的技術,使得系統開發、生產和維護完整、無減損訊號的數位系統越來越困難。


回顧二十多年前出現的個人電腦和行動電話技術,已經從技術創新逐漸演變為生活必需品。這些產品的發展趨勢保持不變:要求更多的功能和服務,需要更多的頻寬。第一代個人電腦,使用者會為建立一個簡單的電子表格而感到振奮。但到了現在,他們的需求詳細的圖形、高品質的音訊,以及快速的串流視訊。此外,行動電話也不再僅僅只是滿足人們的交談需求。我們周圍的世界現在越來越多的依賴於資訊快速、可靠的傳遞。資訊時代便是用來形容這個新的相互交織、相互依存,以資料為基礎的時代。


高速數位訊號

半導體技術上持續的突破,已經在PC匯流排架構、網路基礎設施、數位無線通訊得到廣泛的應用。在個人電腦,特別是在伺服器處理器的速度已經升級到GHz的範圍內,同時記憶體的傳輸量和內部匯流排速度也隨之上升。高速的資料傳輸技術支援更為強大的電腦應用,如3D遊戲和電腦輔助設計程式。先進的三維圖像需要大量的資料在CPU、記憶體、顯示卡中進行傳輸。


電腦技術只是頻寬資訊時代的一個部分。數位通訊設備設計工程師,特別是全力發展固網和行動網路的基礎設施,正逐步採用40Gb/s資料傳輸技術。與此同時,在數位高畫質視訊技術領域,正在設計下一代傳輸高畫質、互動視訊的設備。


眾多技術不斷驅使資料傳輸率進步。新興的串列匯流排正在打破平行匯流排構架的瓶頸。在一些情況下,故意增加系統時脈抖動以減少意外輻射。更小、更密集的電路板,採用球柵陣列封裝和埋孔設計,這些都已成為IC晶片供應商尋求最大限度地提高密度,並儘量減少路徑長度新的方式。


訊號測試的關鍵一步

在數位系統研發工程中,訊號完整性測試是至關重要的一步。在系統中的任何的故障隔離和消除都是工程師的責任。功能強大和高效率的量測系統是必不可少;一個具有高頻寬效能和高效率的儀器能夠準確的解決高速訊號的異常。這些工具包括數位螢光示波器、邏輯分析儀、即時頻譜分析儀、時域反射儀、任意波形發生器和高保真度的探棒系統以及分析軟體。


而隨著電子產品變得更為快速複雜,其設計、驗證與除錯也變得更加困難。設計人員必須密集地驗證其設計,以確保可靠的產品運作。問題發生時,設計人員需要迅速地深入瞭解問題的根源,以解決問題。藉由同時分析類比與數位呈現的訊號,更快速找出眾多數位問題的根源,這讓混合訊號示波器(MSO)非常適合用來進行數位電路的驗證與除錯。


時序和狀態擷取

主要的數位擷取技術有兩種。第一種技術是時序擷取,MSO會以一致地時間間隔(依MSO的取樣率決定),進行數位訊號的取樣。在每個取樣點,MSO會儲存訊號的邏輯狀態,並建立訊號的時序圖。


第二種數位擷取技術是狀態擷取。狀態擷取會定義數位訊號邏輯狀態有效且穩定的特殊時間。這常見於同步時脈的數位電路。時脈訊號會決定訊號狀態有效的時間。例如,輸入訊號的穩定時間,約位於具上升邊緣時脈功能D正反器的上升時脈邊緣。輸出訊號的穩定時間,則約位於D正反器的下降時脈邊緣。由於同步電路的時脈週期可能不固定,狀態擷取的間隔時間,可能不會像時序擷取時一樣統一。



圖1 :  主要的數位擷取技術有兩種。第一種技術是時序擷取,第二種數位擷取技術是狀態擷取。
圖1 : 主要的數位擷取技術有兩種。第一種技術是時序擷取,第二種數位擷取技術是狀態擷取。

邏輯分析儀同時提供時脈與狀態擷取功能。混合訊號示波器數位通道擷取訊號的方式,類似於邏輯分析儀在時序擷取模式中擷取訊號的方式,可在除錯時提供重要資訊。


除了只顯示邏輯高位與低位外,數位時序波形看起來與類比波形非常相似。時序擷取分析常著重於判定特定點的邏輯值,並量測一個以上波形的邊緣轉態間隔時間。數位時序波形可加以分組,創造出匯流排。一個數位訊號被定義為最低有效位數,其他數位訊號則代表一直到最高有效位數的其他二進位數字位數。MSO接著會將匯流排解碼為二進位或十六進位數字。


準備MSO進行數位擷取有兩項基本工作。首先,如同邏輯分析儀,針對要量測的邏輯系列設定MSO數位通道臨界值,確保達到正確的邏輯準位。其次,調整類比通道的偏移,以建立類比通道與數位通道間的準確時間關聯。MSO的類比通道是用來快速檢查數位訊號的邏輯擺幅。而類比波形先行於數位波形,若要達成準確的量測,重要的是移除類比對數位時間偏移,以得到更理想的類比與數位波形間時間關聯量測。


結語

一些創新的量測方案,例如高密的邏輯分析儀探棒、抖動自動化量測軟體和邏輯分析儀、示波器整合的量測方案等,說明設計者處理各式各樣的訊號完整性問題。使用這些強大的量測工具,工程師能夠快速進行疑難排解,並追溯其來源。


直到現在,無法看到的訊號完整的新問題,時常會影響新產品的穩定性和專案開發的準確度。設計者會更加需要利用各種量測方案,去應對巨大的訊號完整性挑戰。


(本文參考資料:太克科技混合訊號示波器白皮書)


解決方案

羅德史瓦茲RTO示波器

台灣羅德史瓦茲:「RTO擁有最廣泛的應用範圍!」



圖2 : 羅德史瓦茲RTO示波器
圖2 : 羅德史瓦茲RTO示波器圖片來源:rohde-schwarz.com

羅德史瓦茲RTO示波器提供達128位元的序列資料觸發,因此能提供精確的個別位元序列觸發;透過升級時脈資料回復硬體選配,則成為嵌入式時脈訊號測試的理想選擇。


RTO示波器系列的應用範圍,還可以擴大至車用乙太網路介面測試。此外,由於在工業、資訊科技及汽車領域,都必須使用乙太網路交換技術,因此R&S也為RTO數位示波器系列提供了乙太網路介面自動化測試方案,其高動態範圍將提供使用者精確的測試結果。


太克科技5系列MSO混合訊號示波器

太克科技大中華區產品技術總監陳湘俊:「這部儀器確立了效能、分析和整體使用者經驗的新標準。」



圖3 : 太克科技5系列MSO混合訊號示波器
圖3 : 太克科技5系列MSO混合訊號示波器圖片來源:tektronix.com

搭配優異且創新的滑動、縮放、觸控式螢幕使用者介面、業界最大的高解析度螢幕顯示器,以及4、6或8個可讓工程人員量測一個類比或八個數位訊號的FlexChannel輸入通道,5系列MSO已準備好迎接當下及未來最嚴竣的挑戰。它確立了效能、分析和整體使用者經驗的新標準。


是德科技MSOS804A高解析度示波器

是德科技台灣區總經理張志銘:「這部示波器擁有8GHz、4個類比通道和16個數位通道。」



圖4 : 是德科技MSOS804A高解析度示波器
圖4 : 是德科技MSOS804A高解析度示波器圖片來源:keysight.com

MSOS804A高解析度示波器主要功能包括:8GHz頻寬;4個類比通道和16個數位通道;20GSa/s最大取樣率,每通道標配50Mpts記憶體,可擷取更長的信號軌跡;6.4位元系統有效位元(ENOB)和10位元類比數位轉換器(ADC),可實現信號完整性;15吋多點觸控電容式觸控螢幕大幅提昇易用性,標配的固態硬碟可加速開機並提高可靠度;可透過各種協定、相符性測試和分析軟體提昇測試效率等。


NI PXI架構高速示波器

國家儀器技術行銷經理潘建安:「PXI架構可大幅縮短測試時間。」



圖5 : NI PXI架構儀器
圖5 : NI PXI架構儀器圖片來源:ni.com

NI高速示波器具有強大的儀器整合,再加上高輸出PXI匯流排有助於縮短測試時間,非常適合高頻寬自動化量測作業。NI高速示波器搭載了NI專利T-Clock同步化技術,可藉此建置高達34個相位同步1GS/s通道所組成的系統,並且進一步整合其他NI硬體,打造出完整的自動化混合式訊號測試系統。


大多數的自動化測試與多重工作台應用,均需要多類型的儀器,如示波器、訊號產生器、數位波形分析器、數位波形產生器,與切換器等。


PXI與NI模組化儀器既有的時序與同步化功能,可同步上述的所有儀器,且不需額外接線。PXI的模組化特性大幅提升了速度,且使用者不需再耗時操作,進而提高效率。


此外,T-Clock同步化技術僅需單一PXI機箱達到136個同步化通道,或以多組機箱達到最多5,000個通道;當然,該技術亦可同步化不同類型的儀器。另外亦可挑選模組化PXI示波器搭配任意波形產生器,或數位波形產生器/分析儀,以建構完整的混合式訊號應用,可達到示波器與邏輯分析器的優點,而不會僅限於數位化功能的示波器。


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