示波器的用途并不僅限于電子領(lǐng)域。在安裝適當(dāng)?shù)膫鞲衅鲿r示波器可以測量各類現(xiàn)象。傳感器是一種針對物理激勵生成電信號的器件,如聲音、機械壓力、壓力、光或熱。麥克風(fēng)就是一種傳感器,它把聲音轉(zhuǎn)換成電信號。圖1說明了示波器可以采集的科學(xué)數(shù)據(jù)實例。
從物理學(xué)家到維修技師,每個人都離不開示波器。汽車工程師使用示波器,把來自傳感器的模擬數(shù)據(jù)與來自發(fā)動機控制單元的串行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來。醫(yī)學(xué)研究人員使用示波器測量腦電波。示波器的用途可以說是無窮無盡的。
01
信號完整性的意義
對任何優(yōu)秀的示波器系統(tǒng)來說,準(zhǔn)確重建波形的能力都是關(guān)鍵,這種能力稱為信號完整性。示波器類似于一臺攝像機,它捕獲信號圖像,然后可以觀察和解釋信號圖像。信號完整性的核心有兩個關(guān)鍵問題:
在拍攝時,拍到的是不是實際發(fā)生事件的準(zhǔn)確圖像?
圖像清楚還是模糊?
每秒可以拍攝多少張這么準(zhǔn)確的圖片?
示波器不同的系統(tǒng)和性能功能結(jié)合在一起,影響著其提供最高信號完整性的能力。探頭也影響著測量系統(tǒng)的信號完整性。
信號完整性影響著許多電子設(shè)計學(xué)科。但直到幾年前,它對數(shù)字設(shè)計人員來說還不是什么大問題。設(shè)計人員可以依賴邏輯電路,像布爾電路一樣操作。當(dāng)時,有噪聲的、不確定的信號發(fā)生在高速電路中,RF設(shè)計人員還不用擔(dān)心這些問題。數(shù)字系統(tǒng)開關(guān)速度慢,信號以可預(yù)測的方式穩(wěn)定。
此后,處理器的時鐘速率提高了幾個量級。三維圖像、視頻和服務(wù)器I/O等計算機應(yīng)用需要大量的帶寬。當(dāng)前大部分電信設(shè)備都基于數(shù)字方式,類似地要求大規(guī)模的帶寬。數(shù)字高清電視也不例外。當(dāng)前一代微處理器設(shè)備以高達(dá)2GS/S、3GS/s、甚至5GS/s(千兆樣點/秒)的速率處理數(shù)據(jù),某些DDR3存儲設(shè)備則使用2 GHz以上的時鐘及上升時間為35pS的數(shù)據(jù)信號。
重要的是,速度的提高一直滲透到汽車、消費電子、機械控制裝置及各類應(yīng)用使用的常用IC器件。
02
為什么信號完整性是一個問題?
讓我們看一下當(dāng)前數(shù)字設(shè)計中信號劣化的部分具體成因。為什么現(xiàn)在這些問題比過去幾年盛行得多了呢?
答案是速度。在“低速的舊時代”,保持可以接受的數(shù)字信號完整性只需注意細(xì)節(jié)就可以了,比如時鐘分配、信號路徑設(shè)計、噪聲余量、負(fù)荷影響、傳輸線效應(yīng)、總線端接解耦和配電。
必需指出的是,數(shù)字信號的邊沿速度 -上升時間承載的頻率成分可以高于其重復(fù)速率表明的頻率。基于這一原因,某些設(shè)計人員故意尋求上升時間相對“較慢”的IC器件。
集總電路模型一直是預(yù)測電路中信號特點使用的大多數(shù)計算的依據(jù)。但是,在邊沿速度比信號路徑延遲快4-6倍時,簡單的集總模型將不再適用。
在使用邊沿速率不到4-6納秒的信號驅(qū)動時,不管周期速率是多少,長僅6英寸的電路板軌跡變成了傳輸線。事實上,其創(chuàng)建了新的信號路徑。這些無形連接并沒有畫在示意圖上,然而卻為信號提供了以不可預(yù)測的方式相互影響的手段。
有時候,即使是探頭/儀器組合引入的錯誤也可能會給被測信號帶來重大影響。但是,通過對實測值應(yīng)用“平方和的均方根”公式,可以確定被測器件是否接近上升時間/下降時間故障。此外,最新的示波器工具采用專用濾波技術(shù),反嵌測量系統(tǒng)對信號的影響,顯示邊沿時間及其它信號特點。