如何用示波器進(jìn)行高速串行總線信號的采集？

測量設(shè)備的特性可能會導(dǎo)致正常工作的DUT 不滿足一致性的要求。這個采集系統(tǒng)，包括探頭、電纜、示波器，必須滿足必須能讓足夠的信號能量被采集。下面列出好的采集系統(tǒng)關(guān)鍵因素：

●帶寬

●足夠的輸入通道

●采樣率

●樣點(diǎn)記錄長度

帶寬的要求

很多第一代的串行總線構(gòu)架的速率在1.5Gbps 到3.125Gbps，最快的時鐘頻率是1.56GHz。可以使用帶寬4～5GHz 的示波器進(jìn)行測量。但是信號保真度測試和精確的眼圖分析要求示波器有更高的帶寬。很多的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)意識到這一點(diǎn)的重要性。

許多規(guī)范要求示波器在信號發(fā)送端芯片引腳處精確的捕獲信號基頻的5 次諧波。對于第一代PCI Express，意味著帶寬需要6.25GHz的示波器，采樣率至少是帶寬的2 倍。同樣，對于3.125Gbps 的XAUI 信號，要求示波器帶寬7.8GHz。許多的標(biāo)準(zhǔn)組織，特別是PCI-SIG，直接要求測試儀器的帶寬要滿足信號5 次諧波的原則。

隨著第二代串行總線發(fā)展，示波器帶寬需求也不斷增大。表1中列舉出來當(dāng)前和未來的串行總線一致性測試對示波器帶寬的需求。

表1：示波器帶寬要求

捕獲5 次諧波至關(guān)重要

示波器帶寬是影響眼圖測試的關(guān)鍵。對一個方波的傅立葉展開可以發(fā)現(xiàn)信號是由基波和各階諧波組成。如圖1 所示。信號的幅度特性的變化說明了不同的諧波對信號電平的貢獻(xiàn)。

圖1：各階諧波對合成方波的貢獻(xiàn)

帶寬不夠的示波器在采集信號的時候會造成信號5次諧波幅度的衰減。而5次諧波對眼高的測試時有增大的貢獻(xiàn)的，因?yàn)閿?shù)據(jù)判決就是在UI 的50% 位置進(jìn)行的。

圖2描述了帶寬對眼圖分析的重要性。用帶寬20GHz和13GHz的兩臺示波器測量同一個6.25Gbps的信號，眼圖測試差異明顯，會得到測試結(jié)果迥異的報告。

圖2：示波器帶寬對眼圖分析的影響

帶寬和上升時間

通常，標(biāo)準(zhǔn)對帶寬的要求更多的是以信號的上升時間考慮的。表2列舉出了滿足對不同上升時的信號進(jìn)行高精度測試所需要的示波器帶寬需求。

表2：帶寬和上升時間測量精度

示波器和探頭的上升時間會影響到信號上升時間的測量。下面的公式說明了示波器、探頭上升時間和信號真實(shí)上升時間以及測量結(jié)果之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。必須從測試結(jié)果中除去探頭和示波器對信號上升時間測試的影響。

例如測試系統(tǒng)20%-80% 的上升時間指標(biāo)是65ps，被測信號的上升時間是7 5 p s ，那么測量結(jié)果顯示為99ps。這是不能忽略的測試誤差。因此，為了更精確的測試信號的上升時間，應(yīng)該選用上升時間更快的示波器和探頭系統(tǒng)。

多通道采集

例如HDMI這種高速率、低成本介質(zhì)和多通道的串行總線構(gòu)架，非常容易產(chǎn)生通道之間的串?dāng)_以及時間偏差。示波器提供了同時對信號的實(shí)時采集的能力，降低了測試的復(fù)雜程度，提高驗(yàn)證和調(diào)試的效率。

在多條通道上時間相關(guān)捕獲信號，能夠更容易的理解故障產(chǎn)生的原因。例如HDMI，同時記錄所有的串行信號，不僅能夠完整的捕獲故障，而且還能發(fā)現(xiàn)故障對整個鏈路的影響。

采樣率和記錄長度

除了示波器要求有足夠的帶寬來采集信號，示波器還必須能夠以足夠高的采樣率記錄足夠多的波形信息以供分析。每一個標(biāo)準(zhǔn)都指定了最小數(shù)據(jù)存儲數(shù)量。當(dāng)然，記錄越長的波形就能夠分析越長時間間隔才出現(xiàn)的信號異常。高性能的示波器具有高帶寬、更快的采樣率以及更長的記錄內(nèi)存，都會為高速串行系統(tǒng)分析帶來好處。

奈奎斯特采樣定律指出，要進(jìn)行無混疊的采樣，采樣率必須是模擬信號最高頻率分量的兩倍。隨著信號速率超過20Gbps，采樣率超過40GS/s 的設(shè)備才能滿足測試需求。

具有大存儲深度的高級示波器，配合抖動分析軟件能夠揭示信號中更多的細(xì)節(jié)，為設(shè)計(jì)提供可靠的保證。例如對于PCIe1.0 標(biāo)準(zhǔn)，要求最少采集250個UI 進(jìn)行一致性測試。高級的示波器捕獲存儲1M 個連續(xù)的UI，可以任意分析其中連續(xù)的250 個UI，提供了更好的對信號質(zhì)量的評估。

對于多通道串行信號采集，示波器必須對每個通道進(jìn)行高采樣率、長時間存儲，才能確保最多的信號細(xì)節(jié)被采集下來。