在許多不同的應用中,工程師經常面臨驗證、除錯或分析數位訊號行為的挑戰。數位訊號是一系列具有高頻正弦組成的類比訊號,共同疊加形成區分數值所需的快速條件。測量這些訊號的挑戰在於:如果未能仔細地理解和考慮測量的各方面而進行較為簡單的測量,則提供的結果可能不正確。

本文討論在典型數位子系統中測量高頻數位訊號的基本原理,以及如何獲得最佳、最可靠的結果來分析系統的訊號完整性。

__假設__: 由於完全理解數位系統需要大量的知識,本文假設讀者熟悉以下概念:數位訊號、阻抗匹配、傳輸線、數位訊號端接以及示波器。此外,假設所有的互連(電纜)都具有50Ω特性阻抗。

測量數位訊號完整性的基礎

為了介紹在數位系統中測量訊號完整性的概念,我們將評估一個基本的數位訊號測量作業,並將示波器視為整個系統的一部份。這意味著數位線路的輸出可以透過配件直接連接到示波器,如圖1所示。

20170316 NI TA31P1 圖1:串聯示波器以及數位儀器的數位輸出。兩個儀器之間利用超高密度電纜連接線(VHDCI)轉伺器訊息模組(SMB)接線盒相互連接。這種常見情況可用於驗證配件端輸出的訊號完整性

在此例中,示波器位於傳輸線的末端,意味著訊號與示波器端接。示波器如果採用1MΩ端接,意味著方波訊號將完全反射回發射器。如果使用50Ω端接,將不存在任何反射訊號,同時示波器感測到的電壓減半。這種電壓降低效應來自於交流(AC)訊號通過50Ω特性阻抗電纜到達發射器的50Ω輸入阻抗所形成的50Ω分壓器電路。

20170316 NI TA31P2 圖2:圖1的測試配置示意圖

測量結果將準確顯示待測設備(UUT)接收到的傳輸線末端數位訊號。以下介紹各種不同的探測應用場景。

以平行連接的示波器測量數位訊號完整性

更複雜的場景是當示波器未能端接訊號時嘗試測量數位訊號的完整性。在這種情況下,由數位儀器產生方波輸入待測設備中,透過並聯示波器探棒與資料傳輸,以便在訊號經由傳輸線介質傳播時查看訊號,如圖3所示。

20170316 NI TA31P3 圖3:在系統上進行示波器探棒測量。並聯連接探棒,以便在訊號通過傳輸線時觀察數位系統

在此情況測量數位訊號時,必須考慮兩項主要因素:掌上型探棒對於電路的影響及其位置。

在並聯配置下使用探棒測量數位訊號時,必須仔細分析和理解探棒連接到電路後的輸入阻抗、電容和電感的變化。例如,具有高輸入電容的被動探棒可能會因為濾除訊號中的較高頻率部份(修整誤差、減緩邊緣過渡),導致訊號失真。如果探棒效應大幅增加電容且導致訊號失真,則可以考慮使用主動探棒。此外,接地線會使電路電感增大,從而可能導致訊號的邊緣過渡較為緩慢。理想的接地線很短,應盡可能連接到靠近探測訊號之處,以儘量避免產生電感迴路。

在確定此裝置中探測數位訊號的位置時,有幾點基礎知識有助於瞭解如何取得最佳結果,以及如何根據傳輸線中的探棒位置更改設置:

  • 探測傳輸線的開端(訊號從數位儀器發射器輸出的位置)無法準確顯示UUT接收的訊號。由於訊號通過傳輸線進行傳輸和反射,因而將在示波器上「步進」數位訊號。
  • 探測傳輸線的中間(接線盒連接數位儀器和UUT的位置)也將顯示類似的步進數位訊號,但幅度較小。原因是一樣的:在看到訊號通過後不久,接著就會看到反射波回到數位儀器。由於訊號從接線盒到UUT再返回接線盒的傳播時間短於數位儀器上的往返延遲,所以「步進」不太明顯。
  • 最好的探測位置在傳輸線的末端,實際上應盡可能靠近接收器。此訊號最接近UUT實際接收的數位波形。

20170316 NI TA31P4 圖4:測試配置示意圖。請注意黑色、黃色和藍色線都是可能的探測點。圖5顯示期望在示波器上顯示測得數位上升緣

20170316 NI TA31P5 圖5:示波器測量傳輸線中各個探測點的數位上升緣。訊號從發射器開始(藍色探棒的前半步)沿著傳輸線向下傳播(黃色探棒)。訊號在接收器(黑色探棒)處反射回傳送器,使訊號的振幅倍增。在黃色探棒和最後的藍色探棒處監測反射能量,其中50Ω輸出阻抗會耗散反射能量

值得注意的是,圖5假設的是一個高阻抗探棒,其示波器與高阻抗端接。將端接電阻改為50Ω,同時使用裸露的50Ω電纜並不會發生訊號反射。

迴路測試的數位訊號完整性

執行迴路測試時,測試設置的重要變化之一是,路徑的長度是前一例的兩倍。這是因為訊號同時傳送到UUT和接線盒,然後端接到訊號產生的位置。值得注意的是,傳輸線的末端現在是在數位儀器,必須探測該位置才能準確瞭解接收器端的數位訊號。

以國家儀器(NI)的數位儀器為例,它需要移除超高密度電纜連接線(VHDCI)連接器的外殼,使用探棒直接探測導線。 在許多情況下,這對於應用來說並不是必要的。不過,在有必要的情況下,重要的是確保在正確的位置進行測量,才能正確地顯示實際接收的數位訊號。

20170316 NI TA31P6 圖6:迴路測試示意圖

利用數位儀器測量數位訊號邏輯

此外,還有一些應用需要分析數位訊號的邏輯,而不是訊號完整性測試所需的類比電壓電平。 對於這些應用,使用數位儀器探測線路或匯流排,讓使用者能分析數位邏輯模式。此類分析的例子是將飛線(flying lead)電纜同時連接到高阻抗的數位輸入以及另一條數位匯流排。這樣做可能會導致電纜增加線路負載並產生反射。NI的解決方案是使用1kΩ桶形衰減器,將其連接到飛線電纜的前端,從而減少探測電纜對系統的負載影響。