用数字示波器对系统总线实时抖动测试不失为实用可靠之方

1、问题的引出

　　在研发项目中常遇到下列几种情况：第一、随着计算机和通信系统总线速度的显著提高，特别是各种不同的采用内嵌时钟技术的高速串行总线日益普及，定时抖动已经成为影响其性能的基本因素；第二、在一个实际系统中，电源噪声有多种不同的来源，即随机噪声与来自于开关电源或其他数字电路的数字毛刺，就会造成信号质量的降低；再则，又如DVD普遍于国内外伴随的品质控制-抖动问题又成为用户关注的焦点。

　　如何面对关系到系统成败关键的上述领域所具有共性的抖动测量技术与方法是我们应研讨的方案。

　　往常对计算机通信系统与DVD品质控制的测试中，较多的采用二种方法：其一、使用专用测量设备，如误码仪(BERT)或LE 1875抖动分析测量仪， 在技术上采用了数字时间取样和处理技术(TIA)，配合一个全彩色LCD显示屏，可以提供快速、全面和精确的分析，便于研制、生产、品质控制部门对DVD-RAM进行跟踪检测；其二、为了衡量一个时钟源对于电源噪声的抑制能力，我们将一个正弦信号注入到电源，然后在各单一频点测量确定性抖动。可以采用多种不同的设备完成这种测试，例如数字示波器、时间间隔分析仪(TIA)，或者频谱分析仪。

　　上述用专用误码仪或抖动分析测量仪迸行测量方法是可行的，但对每一个项目中的不同类型的抖动去购买不同类型专用设备是价格昂贵功能单一，并不适合设计人员和调试人员。而作为一个研发来说，直接使用DS1000数字存储示波器对实时高速串行总线抖动测试不失为实用可靠之方法。

2、高速串行总线抖动测量技术

2.1全面有效的测试和分析抖动是必须的

　　越来越多的高速计算机和通信系统开始采用高速串行总线在芯片间，背板间和系统设备间传送高速数据。在数据传输过程中，任何微小的高速时钟和数据抖动都会对整个系统产生巨大的影响，在这种情况下，抖动已经成为设计高速数字系统成败的关键。其最典型的例如：PXI模块化系统串行高速总线实时抖动测试。

　　PXl是一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，具备机械、电气与软件等多方面的专业特性。PXl(PCIextensions for lnstrumentation)充分利用了当前最普及的台式计算机高速标准结构-PCI。PXl规范是CompactPCI规范的扩展。CompactPCI定义了封装坚固的工业版PCI总线架构，在硬件模块易于装卸的前提下提供优秀的机械整合性。

　　其PXI系统机箱为系统提供了坚固的模块化封装结构。按尺寸不同，机箱有4槽到18槽不等，机箱具有高性能PXI背板，它包括PCI总线，定时和触发总线，并且还可以有一些专门特性，如DC电源和集成式信号调理。 PXl在背板上结合了工业标准的PCI总线和测量与自动化系统专用的定时与触发特性高级及同步扩展。

　　需指出的是，传统的33M PCI并行总线正在被采用高速串行技术的PCI-Express取代，而它的最新标准支持的数据率已经到5Gb/S，一个U1的宽度仅200ps。实际上对PXI模块化系统串行高速总线实时抖动测试。就是对高速串行技术的PCIBus实时抖动的测试。

　　因为它们任何微小的抖动都会导致数据传输错误。从当前各种高速串行总线和数据链路的定时余量规范中表明，在数字系统中严格地控制抖动是必须的。只有全面有效的测试和分析抖动，其根本原因才能被隔离，从而针对引起系统抖动的原因来减少抖动，提高PXI系统性能和稳定性。

2.2 DS1000数字示波器对PXI模块化系统进行的高速串行总线系统实时抖动测试方法

　　由于DS1000数字示波器具有因更深的1MB存储深度可提供很高的采样率高(实时采样率400 MSa/s，等效采样率高达25 GSa/s)，采集频带宽(25-100MHz)、再加上显示屏画面清晰醒目及灵敏度高的特征，故用于高速串行总线抖动此的测量是不失为实用而又可靠之方法，它是迸行实时抖动测试方法并探讨影响抖动测试结果的关键因素。由此可见它们均为实用简易而可靠之装置。

　　常用的测试方法是采用DS1000数字示波器的实时捕获模式，单次分析和抖动分解得到每一个抖动分量，帮助设计和测试人员分析抖动产生的原因，甚至通过抖动分解估算系统的误码率。例如，在有关抖动和信号完整性方法论用DS1000数字示波器器配合抖动分析软件进行抖动测试和分析。以下作抖动测试与精度分析。

2.3基于高采样率的抖动测试

　　由于DS1000数字示波器具有丰富的触发功能：边沿、视频、脉宽、斜率、交替、码型和持续时间触发等功能，为抖动测试提供极为方便的条件。抖动可以描述为相邻脉：中边沿、甚至非相邻脉；中边沿周期或相位的定时变化。这些指标适合检定长期和短期的时钟和数据稳定性。通过更加深入地分析抖动指标，利用抖动测试结果，预测复杂系统的数据传输性能。

　　周期抖动用来衡量时钟或数据周期样点的边沿到边沿定时。例如，通过测量1000个时钟周期上升沿之间的时间，可以对统计的周期取样，统计数据会告诉您信号的质量。标准偏差等价于RMS周期抖动，最大周期减去最小周期，得到峰到峰周期抖动。每个不同周期测量的精度决定着抖动测量的精度。

　　相位抖动用来衡量被测信号边沿相对于一个参考信号边沿的时间偏差，从而可以检测到信号相位中的任何变化。这一指标在许多方面不同于周期测量指标。第一，它单独使用每个边沿，而没有使用period周期测量，它可以测量大的时间位移。边沿相位可以偏离几百或几千度，但仍可以以非常高的精度进行测量(360度等于一个周期或循环时间)。测量相位误差常用的指标是时间间隔误差(TIE)，测量结果用相对于度的秒来表示。TIE把信号边沿与参考边沿匹配起来，对各边沿之差相加计算总和。在比较了大量的边沿之后，可以为分析提供一个样点集合。与上面的周期测量一样，标准偏差变成RMS TIE，最大时间减最小时间得到峰到峰值(peak-to-peak)TIE等等。

2.4清晰显示抖动测试波形与参数

　　TIE测试精度取决于构成样点集合的各个测量的精度。而其波形和上升时间的描绘都是通过实时采样电路和高速A/D变换器获得波形数据，再通过插值运算得到的。由于DS1000数字示波器是5.7’64K色TFT彩色液晶屏 使对一个时钟信号的不同抖动测试波形与参数显示更加清晰，见图2示意所示。

2.5良好的定时稳定度与Sin(X)／X正弦内插技术是测试精度的保证

　　对于具有定量指标要求的参数精度的测量非常重要关，而这方面所选用的示波器是否具有良好的定时稳定度与Sin(X)／X正弦内插技术有很重要的关系。特别对抖动测的精度更是如此，只有这样才能以保证足够的容许误差和测量余量。这是为什么？

　　因其内插误差是指由在实际电压样点之间进行线性内插导致的误差。在测量100ps上升时间的信号、示波器以25GSa／s采样率在50％电压门限上进行检测时，这一误差要小于0.3ps RMS。值此应用DS1000数字示波器较高的Sin(X)／X正弦内插技术减小误差。在大多数情况下，这一原因导致的误差会远小于其它误差源，则通过使用如Sin(X)／X内插，可以进一步减小这一误差较为合适，当然也可有其它方法亦可改善。

　　而良好的定时稳定度主要取决于包括DS1000示波器的抗干扰性能、定时稳定度、取样噪声、仪器幅度本底噪声和内插误差等因素。通过测定此DS1000数字示波器在这方面是能以良好的性能获得了实时抖动测试的精度。由于DSl000数字示波器集成USB Host，支持U盘存储、USB接口打印和直接系统升级功能，在软件测试方面有较好的支持，故对示波器上所显示的波形进行存储和数据传输并通过打印机直接打印。

3、归纳

　　一般来说， 数字示波器中的时基稳定性包括参考时钟、倍频器、计数器等相关电路的稳定性。应该说直接影响着定时测量精度的DC1000数字示波器中采样系统中定时元件的稳定性较好。所以精确度较好。如果时基有误差，那么基于该时基进行的测量会具有同等或更大的误差。

　　DS1000数字示波器是一种非常强大的工具，它可应对工程师们来说使用其非常先进的测量和分析功能。它可应用于数字设计和调试、视频设计和调试、考察瞬变现象、功率测量及DVD分折，熟悉示波器的任何人都可以使用，其简便易用可大大提高了生产效率。

　　上述是对以基于PCI高速串行总线的PXI系统抖动测试技术与和方法为例作重点介绍。这仅是基本理念，具体如何测量与分析要根据不同的总线系统和不同的应用场合与精度来选定与运作。

4、用示波器与逻辑分析仪对系统电源检测

　　检测参数包括：开关损耗，纹波波动；对系统时钟应检测频率、边沿、信号完整性与传播时延；见图1上半部所示。 用示波器与逻辑分析仪对关键控制信号检测沿到沿，信号完整性；对处理器内核检测复位、引导、存储器访问与外设访问。使用逻辑分析仪进行定时分析为：沿到沿信号关系，需要查看4条以上的通道，一般包括10-30个信号，还有触发功能，隔离问题以及精确的边沿位置；信号完整性，隔离常见的SI问题与查看相关的模拟／数字信号；以及准确地采集信号。

　　其逻辑分析仪功能还可对内核的检验，包括二项内容：定时，即控制信号交互和状态，即处理器／总线执行；信号完整性的调试。见图1下半部所示。从中看出逻辑分析仪需求为；“查看4个以上信号的关系”，“需要查看徽处理器或总线正在进行哪些操作”，“需要比示波器生成的触发更复杂的触发！”，”需要从多条通道中识别信号完整性问题！”，“需要查看两条以上的总线相互影响！”，“需要监测以实时速度运行的软件源代码！”。

关于逻辑分析仪操作说明

　　使用四个简单的步骤，快速获得结果。第1步为连接，第2步为设置，第3步为采集，第4步为分析和显示。

　　基本功能检验应作演示。其演示项目包括：基本定时采集使用连接探头查看信号活动；时钟检查的内容为时钟频率、占空比、脉宽、峰到峰幅度及上升时间与下降时间；验证(iVerify)分析，以确定总线信号质量；毛刺触发，即拖放毛刺；显示(iView)，查看相关模拟视图。既然在基本功能检验有逻辑分析仪毛刺触发演示，值此作调试毛刺说明。

关于调试毛刺

　　查找窄脉冲(毛刺)可能会非常困难，正因如此，逻辑分析仪提供了为检测毛刺而设计的毛刺触发功能。但是，令分析仪触发毛刺只是刚刚开始。我们还需要知道哪条通道有毛刺，毛刺发生的频次，什么时候发生毛刺，等等。

　　逻辑分析仪(如TLA5000B和TLA7000或Agilentl6800)的一种独特功能是可以存储毛刺发生的位置。在图2中，看到用红色标出毛刺的样点位置。触发毛刺当然很好，但如果不知道哪条通道有毛刺，那么只能说是距解决问题稍微走近了一点点而已。

　　通过毛刺存储器，我们现在知道哪条通道有毛刺，我们距确定毛刺原因的距离大大拉近。但是，还有其它信息，可以进一步指向毛刺的起因。知道每条通道上发生多少个毛刺及其发生频次会很有裨益。

　　拖放测量在几秒钟内提供了这些信息。您只需把Violation Count图标拖到感兴趣的轨迹上，查看该通道上的毛刺数量即可。