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引言
為了完成今天越來越復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 工程師需要完善的分析工具。對于系統(tǒng)驗(yàn)證任務(wù)， 大多數(shù)工程師都要依靠邏輯分析儀。隨著被測系統(tǒng)速度的不斷提升和復(fù)雜程度的持續(xù)增加， 邏輯分析儀廠商也及時(shí)提高了儀器的性能和功能， 以滿足工程師的需求。在許多情況下， 邏輯分析儀主機(jī)的性能往往超過手頭任務(wù)的需要， 而從分析儀到目標(biāo)系統(tǒng)的探頭物理連接則成為系統(tǒng)性能的瓶頸。如果邏輯分析儀接收到的信號(hào)有畸變， 那么邏輯分析儀的強(qiáng)大觸發(fā)和分析工具將是無用武之地。
這篇應(yīng)用指南將討論實(shí)現(xiàn)成功邏輯分析儀探頭連接， 需要考慮的探測問題。我們將介紹探頭結(jié)構(gòu)形式選擇、探頭負(fù)載和信號(hào)質(zhì)量概念， 以及與接地有關(guān)的常見問題。最后討論兩種容易犯的錯(cuò)誤： 在錯(cuò)誤的引線位置探測和選擇了錯(cuò)誤的互連。
提示1探頭結(jié)構(gòu)形式
如果您決定使用邏輯分析儀， 也就必須選擇使用何種類型的探頭連接。探頭連接可分成兩大類： “設(shè)計(jì)中包括連接”和“事后連接”。對于設(shè)計(jì)中包括的連接， 邏輯分析儀探頭所探測的測試點(diǎn)就融入在最初設(shè)計(jì)中。連接器探頭和無連接器探頭都屬于這類連接。為使用這兩類探頭，設(shè)計(jì)師在電路板上布放適宜的焊盤，并把感興趣的信號(hào)連到焊盤上。邏輯分析儀探頭上的連接器能與目標(biāo)連接器可靠插接。無連接器探頭則能壓在電路板焊盤上， 以保證良好地接觸 （圖1a）。
探頭 “事后連接” 的適應(yīng)測試能力未融入設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。此時(shí)您需要用包括各種互連附件（焊接、抓鉤等）的探頭觸針實(shí)現(xiàn)連接。最常用的“事后連接”探頭是飛線探頭（圖1b）。
在討論各種探頭結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點(diǎn)前， 先了解您在把邏輯分析儀接到系統(tǒng)時(shí)會(huì)遇到的一些問題。
圖1. 這些照片對“設(shè)計(jì)中包括連接”的探頭和“事后連接”的探頭進(jìn)行比較。Agilent E5390A 新軟觸無連接器探頭的連接方案 （a）。在這種情況下，用戶必須在初始設(shè)計(jì)中布放承接焊盤。Agilent E5381A是對未事先規(guī)定測試能力的信號(hào)的一種可能連接方法 （b）。
提示2探頭負(fù)載
您要設(shè)法盡可能減小探頭對系統(tǒng)呈現(xiàn)的電氣負(fù)載。如果探頭極大改變了系統(tǒng)性能， 它就不能幫助您驗(yàn)證系統(tǒng); 因?yàn)楣收峡赡芡耆且蛱筋^引發(fā)。負(fù)載主要有兩方面影響。首先是降低目標(biāo)電路板上的信號(hào)質(zhì)量， 并進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)故障。其次是降低送入邏輯分析儀的被觀察波形質(zhì)量。這會(huì)在驗(yàn)證中導(dǎo)致錯(cuò)誤的否定結(jié)論。為避免這些問題， 您必須了解探頭的結(jié)構(gòu)。
邏輯分析儀探頭有高輸入阻抗。探頭觸針電路包括一個(gè)20kΩ量級(jí)的觸針電阻器。低頻時(shí)的探頭阻抗接近該阻值。隨著頻率的上升，探頭的寄生電容開始降低它的阻抗。阻抗沿標(biāo)準(zhǔn)RC響應(yīng)滾降。這可能造成目標(biāo)系統(tǒng)的問題; 當(dāng)探頭阻抗開始接近系統(tǒng)阻抗時(shí)， 由探頭構(gòu)成的電壓分壓器起著實(shí)質(zhì)性的作用。低阻抗將吸收大量電流， 從而造成系統(tǒng)故障。
探頭中的電容主要與連接器有關(guān)。例如若目標(biāo)信號(hào)與探頭觸針電阻間有大的連接器， 該連接器就會(huì)把大電容加到探頭負(fù)載中。使用小的連接器可減小這一電容量。
無連接器探頭提供較低的電氣負(fù)載。如前所述， 當(dāng)您使用無連接器探頭時(shí)， 就要在目標(biāo)系統(tǒng)上放置承載焊盤。邏輯分析儀探頭壓著在目標(biāo)小電路板上實(shí)現(xiàn)電氣連接。由于消除了電氣路徑中的物理連接器， 就能實(shí)現(xiàn)非常低的電容量 （見表1）。
圖2 顯示負(fù)載端接傳輸線上各種探頭結(jié)構(gòu)形式對等效集總電容的影響。波形顯示來自探頭的電容性反射如何在初始波形后某一時(shí)刻到達(dá)接收器。
探頭 探頭類型 等效電容
E5380A Mictor連接器 3.0 pF
E5378A Samtec 連接器 1.5 pF
E5381A 飛線 （焊接） 0.9 pF
E5390A 軟觸無連接器 0.7 pF
表1.
圖2. 波形是比較各種互連探頭負(fù)載的好方法。負(fù)載隨連接器尺寸的減?。ɑ蛳┒鴾p小。系統(tǒng)的原上升時(shí)間是150ps。
提示3探頭觸針處的信號(hào)質(zhì)量
如前所述， 探頭導(dǎo)致進(jìn)入邏輯分析儀中的信號(hào)質(zhì)量變差，從而得出錯(cuò)誤的否定結(jié)論。這是驗(yàn)證者遇到麻煩的原因， 因?yàn)樗麄儼汛罅繒r(shí)間用在調(diào)試并不存在的問題上。為避免這一問題， 您必須注意探頭觸針處的信號(hào)質(zhì)量。
除了留意探頭的電容性負(fù)載外，您還必須注意探頭位置。這在選擇各種不同端接方案時(shí)尤為重要。對于某種特定的端接方案， 接收器觀察的信號(hào)可能有足夠好的信號(hào)質(zhì)量， 但在連線任何其它點(diǎn)觀察到的信號(hào)卻可能無法接受。
為說明這一點(diǎn)， 先來分析串聯(lián)端接傳輸線理論。感應(yīng)波形瞬間在源端電阻和導(dǎo)線特性阻抗間分開。半幅度的電波沿傳輸線傳輸?shù)浇邮掌?。在到達(dá)接收器時(shí)經(jīng)過 100% 的正反射， 把半幅信號(hào)加倍得到原波形的幅度。該反射波以相反方向在傳輸線
上傳輸， 直到被源端電阻器吸收， 從而結(jié)束瞬態(tài)響應(yīng)。
雖然這種方案為接收器提供一個(gè)良好的波形， 但該波形在傳輸線上呈階梯形狀。階梯波形不適合邏輯分析儀， 因?yàn)檫壿嫹治鰞x不能確定波形半幅度期間到底是邏輯“1”還是邏輯“0”。圖3顯示這種情況的波形。注意接收器處的波形信號(hào)質(zhì)量良好，而在探頭觸針處觀察到的波形卻無法接受。隨著信號(hào)速度的增加， 探頭觸針處的信號(hào)質(zhì)量對于成功的測量變得尤為重要。
圖3. 在接收器處和在探頭觸針處觀察到的串聯(lián)端接系統(tǒng)波形。
注意在連線中間處觀察到的波形階梯形狀。它表明正向傳輸?shù)陌敕炔ㄐ问峭邮掌鞣较騻鬏?。反向傳輸間反射波形與正向傳輸波形疊加后得到其最終值。
提示4接地問題
您在使用邏輯分析儀時(shí)需留意接地是否良好。探頭的接地信號(hào)是被觀察信號(hào)的參照。電氣信號(hào)必須有它的返回電流路徑。通常認(rèn)為返回路徑是具有零電阻的理想導(dǎo)體。如果不是這種情況， 接地返回路徑阻抗上就有電壓降。這一電壓降將降低邏輯分析儀看到的電壓幅度。當(dāng)把探頭接地時(shí)， 您的目標(biāo)是提供盡可能低阻抗的返回路徑 （或地連接）。從而使邏輯分析儀能夠觀察到原信號(hào)幅度。
地線過長是引起問題的常見原因。長地線的等效串聯(lián)電阻造成跨該阻抗的壓降。為避免這一問題， 地線長度不應(yīng)超過信號(hào)線過多。大致相等的長度能使信號(hào)路徑和接地路徑中的寄生電阻相匹配。
另一常遇的探測問題是接地回路的自感。在地線和信號(hào)線構(gòu)成環(huán)路時(shí)， 接地路徑將產(chǎn)生正比于回路面積的自感。由于電感器感抗與頻率相關(guān)， 所以這一電感會(huì)使系統(tǒng)帶寬變窄。在高頻時(shí)， 因電感阻止電荷快速過地線從而減小帶寬。為緩解這一問題， 應(yīng)讓地環(huán)路盡可能小。使用連接器探頭或無連接器探頭時(shí)， 地環(huán)路大小通常已被確定。但飛線探頭是通過普通導(dǎo)線把
探頭接到系統(tǒng)。此時(shí)有可能構(gòu)成大的地環(huán)路。為避免產(chǎn)生地環(huán)路， 要把地線和信號(hào)線擰在一起構(gòu)成雙絞線。大多數(shù)飛線探頭帶有雙絞線附件，能幫助解決這一問題。
不足的接地線數(shù)量也能導(dǎo)致探測問題。某些探頭 （如飛線探頭）是由使用者確定接地線數(shù)量。為理解這一問題， 以有16 個(gè)信號(hào)線，而僅有一個(gè)接地線的飛線探頭為例。此時(shí)所有16個(gè)信號(hào)的返回電流都必須通過這一個(gè)接地連接。在一個(gè)或二個(gè)信號(hào)返回時(shí)， 接地線的自感是足夠低的， 能夠避免跨地線的電壓。但對于16 個(gè)信號(hào)， 電流已大到足能產(chǎn)生不可忽略的電壓。
解決這一問題需要增加接地線數(shù)。在理想情況下一個(gè)信號(hào)有一個(gè)接地。所需要的接地?cái)?shù)與頻率成正比。我們建議一個(gè)接地不要用于兩個(gè)以上信號(hào)。如果您在用邏輯分析儀捕獲數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)有問題， 首先要檢查接地線數(shù)。
提示5在錯(cuò)誤的連線位置探測
常犯的錯(cuò)誤
雖然今天有各種可用的探測選擇， 但往往很難確定何種連接方案能確保成功。有時(shí)甚至難以知道到底可用哪種方案。下面的例子說明在選擇了不適合您應(yīng)用的探測解決方案時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的兩個(gè)問題。
回到前面討論的串聯(lián)端接系統(tǒng)。該系統(tǒng)用背板上的驅(qū)動(dòng)器IC和BGA封裝的接收器實(shí)現(xiàn)。為方便起見， 使用者選擇在背板連接器引腳處探測信號(hào)。但我們在前面已經(jīng)說到， 在驅(qū)動(dòng)器處探測串聯(lián)端接系統(tǒng)會(huì)在邏輯分析儀的探頭觸針處產(chǎn)生階梯波形。圖4a示出該連接方案， 圖4b示出邏輯分析儀觀察到的波形。
這一波形顯然是無法接受的。解決方案是把探頭直接放在接收器上。對BGA封裝的最近物理探測點(diǎn)是電路板背面通過焊盤的引出口。圖5示出新的連接方案， 它把飛線直接焊到BGA的通孔。此時(shí)得到的信號(hào)質(zhì)量如圖5b 所示。
提示6選擇了錯(cuò)誤的互連
考慮邏輯分析儀觀察到的是在電路板兩個(gè)元件之間的信號(hào)。該信號(hào)在電路板外層， 不超過3.5pF 的負(fù)載不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障。設(shè)計(jì)師決定用基于Mictor 連接器的探頭 （AgilentE5380A）觀察信號(hào)。由于連接器的出腳和結(jié)構(gòu)要求， 信號(hào)不能直接接到連接器上。這就迫使設(shè)計(jì)師把連接器放在走線面， 而為每一信號(hào)另增通孔連接。從而需要在電路板另一層上經(jīng)過與原信號(hào)相垂直的走線實(shí)現(xiàn)至連接器的連接。圖6是這一連接的走線圖。
現(xiàn)在考慮使用Agilent E5390A軟接觸無連接器探頭的替代解決方案。此時(shí)， 您可把信號(hào)直接穿過探頭壓著點(diǎn)焊盤 （圖 7）引入邏輯分析儀。采用這種方法， 系統(tǒng)就不會(huì)有附加的走線電容。探頭的凈電容是0.7pF。通過使用這種類型的連接方案， 您就能在不影響系統(tǒng)正常工作的條件下對電路進(jìn)行分析。
圖6. 該連接方案用基于Mictor 連接器的探頭觀察總線信號(hào)。注意連接Mictor 需要另外增加走線長度。這就把走線電容 （3pF） 加到了連接器上。這一連接的凈電容已大于3.5pF，從而造成系統(tǒng)故障。
圖7. 這里是用軟接觸無連接器探頭觀察總線信號(hào)。減小的探頭負(fù)載和直接穿過壓著點(diǎn)的走線實(shí)現(xiàn)了可接受的邏輯分析連接。
結(jié)論
探頭負(fù)責(zé)邏輯分析儀與您被測系統(tǒng)間的物理連接。在某些情況下探頭會(huì)成為性能的瓶頸。如果邏輯分析儀接收信號(hào)有畸變， 那么邏輯分析儀的強(qiáng)大觸發(fā)和分析工具將無用武之地。只有選擇正確的探頭結(jié)構(gòu)形式， 采取最小化探頭負(fù)載的措施，保證探頭觸針處的信號(hào)質(zhì)量， 才能把信號(hào)畸變減到最小。特別要注意接地的好壞，它會(huì)使結(jié)果大不相同。
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