設(shè)計人員比以往任何時候都更關(guān)注信號的完整性了。在當前的數(shù)字系統(tǒng)中,可靠地、逐個芯片地獲取信號的困難與日俱增。信號完整性問題在Rambus和DDR一類高速總線中是不言而喻的,即使在較低速,總線,它也會影響設(shè)計。為了避免這類問題,工程人員不只需要新的設(shè)計技術(shù)和技巧,他們需要新的測量功能和測試方法。他們還需要驗證功能,確保產(chǎn)品有足夠的設(shè)計容限,以便能順利地進行生產(chǎn)。
數(shù)字信號質(zhì)量是信號以可靠地傳輸數(shù)字信息內(nèi)容的方式從數(shù)字電路的一部分分布至另一部分的保證。“數(shù)字信號質(zhì)量”使人聯(lián)想起親身能觀察到的信號異常現(xiàn)象:包括振鈴、低頻干擾、反射、抖動、EMI(電磁干擾)、接地反彈、電源噪聲、串擾、以及其它諸多噪聲。相關(guān)的設(shè)計問題涉及時鐘分布、信號路徑設(shè)計、短線、噪聲容限、負載分析、傳輸線效應(yīng)、終端、去錮,以及電源分布式設(shè)計。
信號質(zhì)量測量對調(diào)試工作十分重要,設(shè)計人員在調(diào)試過程中要發(fā)現(xiàn)明顯故障的原因。這些測量對驗證也十分重要,使設(shè)計有足夠的容限來適應(yīng)產(chǎn)品的壽命期間可能遇到的元件特性、制作工藝和工作條件的變化。
當產(chǎn)品不能按預(yù)想工作日才,確定其根本原因會耗費寶貴的時間,使整個項目停滯不前。由于很多問題的根源與邏輯時序、功能、信號質(zhì)量,甚至軟件有關(guān),因此僅僅在數(shù)字系統(tǒng)中去尋找就要花費大量的時間。
在便攜式設(shè)計中,為什么信號質(zhì)量問題日益突出,這有幾個原因。首要的是,邊沿速度越來越快。信號質(zhì)量問題是邊沿速度,而不是時鐘速度的函數(shù)。邊沿速度比以往快得多,在某些場合,甚至比需要的速度還快(即使時鐘速度不快,但邊沿速度卻很快)。邊沿速度快不是便攜式設(shè)計的性質(zhì)決定的,由于同種半導(dǎo)體工藝的進展,生產(chǎn)的器件更小、更便宜、集成度更高(便攜式設(shè)計使用的器件的全部寶貴屬性),也必然使生產(chǎn)的器件具有更快的邊沿。
使各類信號質(zhì)量問題逐步升級的主要因素是系統(tǒng)中信號邊沿速度的激增,而總線并未成比例地縮短。
很多實例表明,存在信號質(zhì)量問題的新設(shè)計無非是改用新的、較快速的器件的結(jié)果。在一種場合,設(shè)計人員選用了一個低傳播時延的PAL,實際上就意昧著選用了一個比先前使用的邊沿更快、驅(qū)動阻抗更低的器件。在另一種場合,多年來工作一直十分正常的設(shè)計突然不能工作,究其原因,雖然目前能提供的器件在功能上是兼容的,但其邊沿比設(shè)計產(chǎn)品時能使用的任何器件都要快。
由于邊沿速度(或叫上升時間川吃表的是數(shù)字信號的頻率分量,頻率提高后,電路模型極大地復(fù)雜化了。這些例子包括:
·出現(xiàn)新的信號路徑。
·原有的信號路徑無法工作。由于連接器件的平面變成感應(yīng)或傳輸線,器件去娟的原有規(guī)則因邊沿加快而失去作用。
·相對于總線長度而言,快速邊沿產(chǎn)生更短的波長,使電磁輻射增加。
·串擾隨邊沿加快而增加。
·邊沿速率與信號路徑傳播時延之比決定了對模擬行為建模的復(fù)雜度。當邊沿速度超過信號路徑延時的4~6倍時,簡單的集中參數(shù)模型不再適用。這就是說,當邊沿速率小于4~6ns時,6in或更長的PC板銅線變成了傳輸線,即使在低時鐘速率,也容易產(chǎn)生大量的信號質(zhì)量問題。
·當兼有快速的邊沿與快速的時鐘速率(縮短的總線周期)時,即使邊沿不產(chǎn)生其它問題,由于信號的穩(wěn)定時間變短,也會引起附加的問題。
·較快的邊沿速度通常反映了較大的輸出電流,這會進一步增加接地反彈,尤其在寬總線上。較大的電流甚至?xí)黾哟當_。
·某些設(shè)計人員力圖選用對其應(yīng)用足夠快,而又不比要求快的元器件。在不需要過高速度的場合,通過這種簡單的處理,可回避這些問題。
便攜設(shè)計還存在其它特性,使它們特別容易引起信號質(zhì)量問題。例如,便攜設(shè)計常常盡可能地降低功耗。較低的電壓擺幅意味著較小的噪聲容限,且并行終端用于寬總線時會消費過太的功率。有一些設(shè)計為了適應(yīng)電池工作,其工作電壓變化的范圍較大(進一步降低了噪聲容限)。電池充電,放電或老化時,電池間的電壓變化都會影響信號質(zhì)量。
便攜設(shè)計常常盡可能地降低生產(chǎn)成本。從而,減少PC板分層意味著接地噪聲加大,或傳輸線質(zhì)量降低。最后,很多設(shè)計需要在變化較大的環(huán)境條件下工作,包括溫度、濕度和高度。其中某些設(shè)備既要適應(yīng)變化較大的條件,又要應(yīng)付快速的變化率,比如經(jīng)常進進出出,或EMI,即攜帶的便攜式設(shè)備經(jīng)過靠近變壓器或發(fā)射機的噪聲環(huán)境。
許多數(shù)字應(yīng)用,尤其是那些備有并行總線的應(yīng)用,信號眾多,光憑單個示波器是監(jiān)測不了的。在更復(fù)雜的并行,總線中,必須同時分析幾個信號才能確定總線的狀態(tài)和其它信號時序的正確性。要是設(shè)計人員預(yù)先能知道所尋找的信號特征,他們通常可在異常的情況下觸發(fā)示波器;但當數(shù)字系統(tǒng)間歇性地發(fā)生故障時,設(shè)計人員就束手無策,不知道該觀察什么,從什么地方著手尋找。當系統(tǒng)發(fā)生故障時,有關(guān)它的邏輯內(nèi)容的觸發(fā)功能,以及隨后觀察相關(guān)信號的信號質(zhì)量的功能,有助于設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)問題的原因。
使用邏輯分析儀是追蹤整個數(shù)字系統(tǒng)的一條途徑。數(shù)字系統(tǒng)可以是寬并行總線、獨立的邏輯電路、或兩者的組合。邏輯分析儀非常適合這類任務(wù),可在復(fù)雜的邏輯行為下觸發(fā)。然后,設(shè)計人員再用邏輯分析儀去觸發(fā)一個外部示波器,或觸發(fā)邏輯分析系統(tǒng)中的示波器模塊,在恰當?shù)臅r刻捕捉到信號質(zhì)量。市場上有簡化交叉觸發(fā)特殊功能的示波器,也有帶示波器模塊的TLA邏輯分析儀,自動地與同一顯示上的數(shù)據(jù)相關(guān)。這樣,可讓設(shè)計人員在發(fā)生邏輯故障時觸發(fā)并詳細觀察產(chǎn)生該行為的信號質(zhì)量。也可以在有問題信號后,立即用示波器模塊去觸發(fā)邏輯分析儀,觀察數(shù)字數(shù)據(jù)流,來確定觸發(fā)異常模擬信號是否真的影響了系統(tǒng)的邏輯行為。
使用這種解決方案在較大系統(tǒng)中是十分普遍的,比如計算機和通信設(shè)備的設(shè)計。在這些應(yīng)用中,通常不存在電路板的占位問題。這些環(huán)境中的設(shè)計人員深知,為邏輯分析儀設(shè)計一個接人點是十分有價值的。但在便攜設(shè)計中,由于有限的幾何尺寸,帶集成存儲器的SoC處理器,使之難以提供追蹤代碼執(zhí)行所需的多個信號訪問點。即使如此,使用邏輯分析儀的好處也是很多的,尤其是信號質(zhì)量影響整個系統(tǒng)邏輯主功能的前后關(guān)系時。隨著信號質(zhì)量重要性的增加,綜合解決方案有助于進度表的計劃性,而假想的解決方案則是零敲碎打,隨意性較大。
為了測試信號質(zhì)量,在挑選產(chǎn)品時應(yīng)考慮下列幾個特性：
·示波器帶寬,350MHz示波器將顯示1m上升時間數(shù)字信號的近似邊沿。而帶寬為1GHz或更高的示波器能表示同一個信號的過沖、振鈴與反射的細節(jié)。
·數(shù)字信號與模擬信號相關(guān)的能力。確定邏輯分析儀掃跡與示波器掃跡的相關(guān)性,最好不要用計算的方法。使用帶集成模塊或單獨示波器的邏輯分析儀能提供同等水平的相關(guān)性。倘若儀器需用手動調(diào)節(jié)或測量來驗證精度,那未就應(yīng)向供應(yīng)商詢問清楚相關(guān)性的精度。
·觸發(fā)功能對邏輯分析儀和示波器都是十分重要的。確認示波器能在時間受限的異常波形條件下進行觸發(fā),從而儀器容易相互交叉觸發(fā)。
技術(shù)的飛速進步,以及消費市場對便攜式產(chǎn)品的需求日益增長,使生產(chǎn)廠不斷面臨產(chǎn)品上市的緊迫時限。對設(shè)計人員來說,信號質(zhì)量問題使上市時間難題更加復(fù)雜化,信號質(zhì)量涉及快速的邊沿速度、功耗的限制、以及操作的靈活性。越來越多的設(shè)計組認識到,有必要為解決信號質(zhì)量問題研發(fā)專門的技術(shù),以確保信號在芯片間可靠地傳送。選用綜合測試解決方案是實現(xiàn)這個目標的有效途徑,并最終將產(chǎn)品及時地推向市場。
