信號(hào)完整性設(shè)計(jì)測(cè)試入門

信號(hào)完整性設(shè)計(jì)，在PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中備受重視。目前信號(hào)完整性的測(cè)試方法較多，從大的方向有頻域測(cè)試、時(shí)域測(cè)試、其它測(cè)試3類方法。

但是3類方法不是任何情況下都適合使用，信號(hào)完整性的測(cè)試方法，需要用到的儀器也很多。熟悉各類測(cè)試方法的特性，按照測(cè)試對(duì)象的特征和需求，選用合適些設(shè)計(jì)試方法，對(duì)于選擇方案，驗(yàn)證效果能夠大大提高效率。今天潤(rùn)博君從實(shí)戰(zhàn)出發(fā)，為各位分享如下方法。

一、波形測(cè)試

波形測(cè)試，是信號(hào)完整性測(cè)試最基礎(chǔ)的方法，通常使用示波器進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試波形的幅度、毛刺、邊沿等。通過(guò)測(cè)試波形的特征，分析幅度、邊沿時(shí)間等指標(biāo)是否滿足要求。波形測(cè)試需要遵循一定要求，才能保證測(cè)試誤差盡量小。

主機(jī)和探頭一起配套的帶寬要滿足要求?；迳蠝y(cè)試系統(tǒng)的帶寬應(yīng)該在測(cè)試信號(hào)帶寬的3倍以上。在工程實(shí)踐中，有的工程師隨意找些探頭就測(cè)試，不同廠家的探頭匹配不同廠家的示波器，綜合情況測(cè)試系統(tǒng)的誤差就會(huì)很大。

其次，需要注重細(xì)節(jié)。如測(cè)試點(diǎn)一般選擇在接收器件的附近，若條件限制無(wú)法測(cè)試，像BGA封裝這類的器件，需要放在靠近Pin腳的PCB走線上或者Via上。間隔接收器件PIn腳太遠(yuǎn)，信號(hào)發(fā)射，可能會(huì)促使測(cè)試結(jié)果和實(shí)際真實(shí)信號(hào)差異較大。探頭的接地線，也盡可能選擇短的地線等。

最后，應(yīng)該考慮匹配。主要關(guān)于使用同軸電纜測(cè)試的應(yīng)用場(chǎng)景，同軸接到示波器上，負(fù)載常規(guī)是50Ω阻抗的直流耦合，對(duì)于有的電路，需要直流偏置，直接將測(cè)試系統(tǒng)接入會(huì)導(dǎo)致電路工作狀態(tài)有影響，最終導(dǎo)致測(cè)試不到正常的波形。

二、眼圖測(cè)試

眼圖測(cè)試，也是常規(guī)的測(cè)試方法。針對(duì)有相關(guān)規(guī)范要求的接口，如USB、SATA、HDMI、光接口等。該系列標(biāo)準(zhǔn)接口信號(hào)的眼圖測(cè)試，主要通過(guò)具有MASK的示波器（含通用示波器、采樣示波器、信號(hào)分析儀）。這類示波器內(nèi)部具有的時(shí)鐘提取功能，能夠顯示眼圖。然而對(duì)于沒有MASK的示波器，需要使用外接時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)觸發(fā)。

使用眼圖測(cè)試時(shí)，需要留意測(cè)試波形的數(shù)量，尤其是對(duì)于接口眼圖判斷是否符合規(guī)范時(shí)，數(shù)量太少，波形的抖動(dòng)相對(duì)較小。常規(guī)情況下，測(cè)試波形的數(shù)量在3000左右最佳。

當(dāng)前的一些儀器，使用分析軟件，能夠?qū)ρ蹐D的詳細(xì)情況進(jìn)行查看，如在MASK中滲入了一些采樣點(diǎn)，在原來(lái)是不知道具體滲入情況。所有的采樣點(diǎn)是累加的，總體情況看就像長(zhǎng)余暉顯示。

然而現(xiàn)在新的儀器，采用長(zhǎng)存儲(chǔ)的方式。將波形采集后進(jìn)行后期處理顯示，波形的每一個(gè)細(xì)節(jié)都能夠體現(xiàn)留存，可以查看波形的異常情況，如波形到底是10011還是01001，該功能能夠輔助電子工程師快速定位問(wèn)題分析并解決。

三、抖動(dòng)測(cè)試

抖動(dòng)測(cè)試備受關(guān)注，鑒于專用的抖動(dòng)測(cè)試儀器，比如TIA(時(shí)間間隔分析儀)、SIA3000，價(jià)格不便宜，使用頻次還很少。使用較多的是示波器加上軟件處理，如keysight的EZJIT軟件。通過(guò)軟件處理，分離出不同分量，比如RJ和DJ，以及DJ中的各個(gè)分量。對(duì)于該類測(cè)試，選擇的示波器，長(zhǎng)存儲(chǔ)和高速采樣是必要條件，比如2M以上的存儲(chǔ)器，20GSa/s的采樣速率。

四、TDR測(cè)試

TDR測(cè)試目前主要應(yīng)用于PCB(印制電路板)信號(hào)線、以及器件阻抗的測(cè)試，比如單端信號(hào)線，差分信號(hào)線，連接器線纜等。通常這類測(cè)試有要求，就是密切聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用。比如實(shí)際該信號(hào)線的信號(hào)上升沿應(yīng)該在550 ps附近，那么TDR的輸出脈沖信號(hào)的上升沿需要對(duì)應(yīng)設(shè)置在550ps左右，而不使用50ps左右的上升沿。否則測(cè)試結(jié)果可能和實(shí)際應(yīng)用有較大差異。

縱觀影響TDR測(cè)試精度的因素，主要有讀數(shù)選擇、反射、校準(zhǔn)等，反射會(huì)導(dǎo)致較短的PCB信號(hào)線測(cè)試值誤差嚴(yán)重，尤其是在使用TIP(探針)去測(cè)試的情況下最突出，因?yàn)門IP和信號(hào)線接觸點(diǎn)導(dǎo)致很大的阻抗離散，導(dǎo)致反射發(fā)生，并導(dǎo)致附近范圍的PCB信號(hào)線的阻抗曲線波動(dòng)。

五、時(shí)序測(cè)試

如今器件的工作速率不斷加快，時(shí)序容限相對(duì)也越來(lái)越小。時(shí)序問(wèn)題引發(fā)的產(chǎn)品不穩(wěn)定等問(wèn)題也是常見的，所以時(shí)序測(cè)試的重要性非常突出。測(cè)試時(shí)序常規(guī)需要多通道的示波器和探頭，示波器的碼型和狀態(tài)觸發(fā)或者邏輯觸發(fā)功能，方便快速抓取到目標(biāo)波形。

邏輯分析儀用于做時(shí)序測(cè)試的情況并不多，因?yàn)樗饕饔檬欠治龃a型，即分析信號(hào)線上的具體是什么碼，密切聯(lián)合實(shí)際代碼，初步分析相關(guān)指令或數(shù)據(jù)。

針對(duì)要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合，可以使用邏輯分析儀來(lái)測(cè)試。其相對(duì)示波器而言，優(yōu)勢(shì)在于通道數(shù)量多，但是其劣勢(shì)在于探頭連接困難，測(cè)試準(zhǔn)備工序麻煩。

六、頻譜測(cè)試

在開發(fā)前期，關(guān)于產(chǎn)品的測(cè)試應(yīng)用較少。然而在后期的系統(tǒng)測(cè)試，如EMC的試驗(yàn)，許多產(chǎn)品必須經(jīng)歷的測(cè)試過(guò)程。通過(guò)這種測(cè)試發(fā)現(xiàn)一些超標(biāo)的頻點(diǎn)，然后使用近場(chǎng)掃描儀（核心儀器是頻譜儀）。像EMC Scanner分析電路板上具體的區(qū)域頻譜超標(biāo)，從而排查超標(biāo)的原因。但是這類設(shè)備通常較昂貴，一遍機(jī)構(gòu)都不具備條件。因此常規(guī)情況下都是在設(shè)計(jì)前期考慮做好匹配和屏蔽，規(guī)避后期測(cè)試的結(jié)果不達(dá)標(biāo)。

七、頻域阻抗測(cè)試

如今有許多標(biāo)準(zhǔn)接口，像E1（歐洲）/T1（北美）等，目的在于避免太多的能力反射，需要進(jìn)行較好的匹配，同時(shí)在微波或者射頻，互相對(duì)接，阻抗都有所要求。通常情況下，需要進(jìn)行頻域的阻抗測(cè)試，阻抗測(cè)試常用網(wǎng)絡(luò)分析儀（Network Analyzer），單端輸入端口簡(jiǎn)單，差分輸入端口，較為復(fù)雜，需要巴倫進(jìn)行差分和單端轉(zhuǎn)換。

八、傳輸線損耗測(cè)試

傳輸線損耗測(cè)試，主要針對(duì)長(zhǎng)的電路板走線，或者線纜等，傳輸距離較遠(yuǎn)，或者進(jìn)行高速信號(hào)傳輸?shù)那闆r下，以及頻域的串?dāng)_等，均可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)測(cè)試。因此，對(duì)于PCB的差分信號(hào)或者雙絞線，可以使用巴倫進(jìn)行差分轉(zhuǎn)換單端，或者使用4端口網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)測(cè)試。

九、誤碼測(cè)試

誤碼測(cè)試通常是系統(tǒng)測(cè)試，使用誤碼儀，或者部分軟件都可以完成測(cè)試。有時(shí)候通過(guò)兩臺(tái)PC，使用軟件，測(cè)試連接兩臺(tái)PC間的網(wǎng)絡(luò)誤碼情況。誤碼測(cè)試能夠?qū)?shù)據(jù)的每一位進(jìn)行測(cè)試，相比其它儀器（如示波器）只是部分時(shí)間開展采樣，剩下大部分時(shí)間都在等待。容易遺漏細(xì)節(jié)。尤其是低誤碼率的設(shè)備，誤碼測(cè)試需要耗費(fèi)大量時(shí)間，有時(shí)耗時(shí)一整天，或者幾天。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，采用綜上所述的測(cè)試手段，需要根據(jù)被測(cè)試對(duì)象，具體情況具體分析。有的需要考慮接口、就需要眼圖測(cè)試、阻抗測(cè)試、誤碼測(cè)試燈。另外有的普通電路板，可以采用波形測(cè)試、時(shí)序測(cè)試等。若設(shè)計(jì)的電路有高速信號(hào)，可以使用TDR測(cè)試，針對(duì)高速串行信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)燈，還可以采用抖動(dòng)測(cè)試等。

同時(shí)，還有許多的儀器都可以實(shí)現(xiàn)多種測(cè)試、像示波器、能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)序測(cè)試、波形測(cè)試、眼圖測(cè)試、抖動(dòng)測(cè)試等。網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠?qū)崿F(xiàn)頻域阻抗測(cè)試、傳輸損耗測(cè)試等。綜合分析、靈活應(yīng)用，提高測(cè)試效率、及時(shí)規(guī)避設(shè)計(jì)中的問(wèn)題關(guān)鍵。