信号质量测试教学提纲.ppt

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1、信号质量测试信号质量测试现在的高速数字系统的时钟频率可能高达数百兆Hz，其快斜率瞬变和极高的工作频率，以及很大的电路密集度，必将使得系统表现出与低速设计截然不同的行为，出现了信号完整性问题。破坏了信号完整性将直接导致信号失真、定时错误，以及产生不正确数据、地址和控制信号，从而造成系统误工作甚至导致系统崩溃。因此，信号完整性问题已经越来越引起高速数字电路设计人员的关注。如果电路中信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度到达IC，则该电路具有较好的信号完整性。反之，当信号不能正常响应时，就出现了信号完整性问题。SI（SignalIntegrity）解决的是信号传输过程中的质量问题，尤其是在高速领域

2、，数字信号的传输不能只考虑逻辑上的实现，物理实现中数字器件开关行为的模拟效果往往成为设计成败的关键。信号完整性概述：常见缩写SISignalIntegrity信号完整性TTLTransistor-TransistorLogic晶体管-晶体管逻辑CMOSComplementaryMetalOxideSemicondutor互补金属氧化物半导体LVTTLLowVoltageTTL低电压LVCMOSLowVoltageCMOS低电压ECLEmitterCoupledLogic发射极耦合逻辑PECLPseudo/PositiveEmitterCoupledLogic伪发射极耦合逻辑LVDSLowVol

3、tageDifferentialSignaling低电压差分信号GTLGunningTransceiverLogic射电收发逻辑HSTLHigh-SpeedTransceiverLogic高速收发器逻辑eHSTLEnhancedHigh-SpeedTransceiverLogic增强高速收发器逻辑dHSTLDifferentialHSTL差分HSTLSSTLStubSeries-terminatedLogic线脚系列终端逻辑SPISerialPeripheralInterface串行外围接口I2CInterIntegratedCircuitBus内部集成电路总线USBUniversalSeri

4、alBus通用串行总线过冲：过冲：类型类型正过冲正过冲负过冲负过冲图例危害1、闩锁损伤器件（VCC/VDD），对器件冲击造成器件损坏；2、形成干扰源，对其它器件造成串扰1、闩锁损伤器件（VEE/GND），对器件冲击造成器件损坏；2、管脚上的负电压可能使器件PN衬底（寄生二极管）前向偏置，流过的大电流大于1安时，熔断键丝产生开路。产生原因1、其它相邻信号串扰；2、器件驱动能力太强；3、没有匹配或者匹配不当。解决建议1、PCB布线避开干扰源和耦合路径；2、增加电阻匹配，参考做法是始端串电阻或者末端并阻抗（电阻），减少过冲。毛刺：毛刺：类型类型正向毛刺正向毛刺负向毛刺负向毛刺图例危害容易造成控制信号

5、控制错误或时钟信号相位发生错误：1）数据线上的毛刺如果被采样到，可能造成判断结果错误；2）边沿触发的器件中，时钟线上的毛刺可能会使得采样到多余的数据（相当于多了一拍时钟）。产生原因1）PCB走线串扰（例如数据线和时钟线并行走线较长，信号线放置在晶振等干扰源附近）；2）外界干扰，如地线噪声等；3）逻辑出现竞争、冒险；解决建议1）控制器件布局和PCB走线，信号远离干扰源；2）添加去耦电容或输出滤波等。滤波器件尽量靠近信号管脚；3）逻辑设计中添加冗余项，或者采用同步逻辑设计，避免竞争冒险；信号边沿缓慢：信号边沿缓慢：类型类型上升沿缓慢上升沿缓慢下降沿缓慢下降沿缓慢图例危害上升、下降沿缓慢发生在数据信

6、号线上（串口信号线，HW信号线等）时，会造成数据采样错误。产生原因驱动能力不够，或者负载过大（例如链路阻抗太大）解决建议1）提高驱动能力；2）减小负载。振荡（回冲振荡（回冲/振铃）：振铃）：类型类型回冲回冲振铃振铃图例表现：多次跨越电平临界值。又称为回冲。处于VH附近的回冲称为正向回冲，处于VL附近的回冲称为负向回冲表现：经过多次反复才回归正常电平。又称为振铃。危害类似于多次过冲。且跨越电平临界值后，在高低电平之间是一种不确定的状态。在高低电平之间是一种不确定的状态（有可能被判断为0，也可能被判断为1）产生原因匹配不当（例如匹配阻抗过大、过小）。解决建议更改为合适的匹配电阻/阻抗。回勾（台阶）

7、回勾（台阶）类型类型上升沿回勾上升沿回勾振铃振铃图例危害1）主要是时钟类信号上的回勾有危害，可能会使得采样到多余的数据（相当于多了一拍时钟），影响了时钟信号上升沿和下降沿的单调性；2）对于电源信号，上电边沿的回勾可能导致系统死机，需要结合复位信号判断是否可以接受；3）数据信号由于一般是在数据的中间采样，回勾的影响不是很大（除非速率很高，建立保持时间12ns，这时需要考虑回勾对数据的影响）。产生原因匹配不当，信号放射回来形成回勾解决建议增加合适的匹配。一般来讲，对于单端信号，单板内信号可以加33欧电阻始端匹配，板间信号加200欧电阻匹配较合适。建立、保持时间（Setup time&Hold ti

8、me）类型类型建立时间建立时间保持时间保持时间图例危害建立时间不够，读到的数据会是一个不稳定的数据，可能会采样错误保持时间不够，读写数据处理过程中同样可能读写到错误数据产生原因设计时没有考虑清楚，设计出错。或者没有考虑到设计容限范围，在某些异常情况下（例如温度变化使得器件参数漂移）建立、保持时间不够。解决建议1、设计时把时钟从FPGA/CPLD中引出，在设计裕度不够时可以调节；2、对于时钟边沿采样信号，尽量使得采样时钟边沿在数据的中间，这样尽管器件参数漂移，设计上还是有较大的裕度。临床知识培训临床知识培训 串扰串扰 串扰表现为在一根信号线上有信号通过时，在PCB板上与之相邻的信号线上就会感应出

9、相关的信号，我们称之为串扰。窜扰的表现形式通常是毛刺。信号线距离地线越近，线间距越大，产生的串扰信号越小。异步信号和时钟信号更容易产生串扰。因此解串扰的方法是移开发生串扰的信号或屏蔽被严重干扰的信号。电磁辐射电磁辐射：EMI(Electro-Magnetic Interference)即电磁干扰，产生的问题包含过量的电磁辐射及对电磁辐射的敏感性两方面。EMI表现为当数字系统加电运行时，会对周围环境辐射电磁波，从而干扰周围环境中电子设备的正常工作。它产生的主要原因是电路工作频率太高以及布局布线不合理。目前已有进行 EMI仿真的软件工具，但EMI仿真器都很昂贵，仿真参数和边界条件设置又很困难，这将

10、直接影响仿真结果的准确性和实用性。最通常的做法是将控制EMI的各项设计规则应用在设计的每一环节，实现在设计各环节上的规则驱动和控制。信号质量测试条件单板/系统工作条件：单板信号质量测试须满足以下条件：1)单板/系统工作在室温条件；2)单板/系统可靠接地。3)单板/系统上电正常工作1小时后测试；4)单板/系统尽量工作在满负荷条件下。如果测试项目有轻载、满载限制要求，则轻载、满载条件下都要测试；5)单板电源稳定在额定电压5%的范围内。信号质量测试人员要求：1)熟悉逻辑电平的基本知识，熟练掌握示波器的使用方法；2)对被测单板的原理电路有深刻认识，对信号分类有清楚认识，了解板上器件的工作速度和工作电平

11、。示波器选择与使用要求：1)测量前保证测试仪器（仪表）和被测单板或系统共地。如果不共地，地线浮空，可能会 得到错误的测试结果。测量前需要校准仪器；2)为确保测试数据的精度，应尽量采用高输入阻抗、小电容值、高带宽的有源探头和高带宽的示波器；3)示波器的带宽：描述了示波器固有的上升时间（即时延）。探头和示波器的带宽要超过信号带宽的35倍以上；4)示波器的采样速率：表示为样点数每秒（S/s），指数字示波器对信号采样的频率。为了准确再现信号，根据香农（Shannon）定律，示波器的采样速率至少需为信号最高频率成分的2倍；5)量程应尽量小，波形尽量展开，以方便观察波形变化的细节，并准确测量其幅值；6)测

12、量信号边沿时，应选用合适的边沿触发；7)高档示波器都具有毛刺捕捉模式，可以用于捕捉毛刺；8)Tek示波器提供了InstaVu功能，用于发现信号异常，数据信号眼图异常及高电平低电平毛刺，测量眼图，毛刺、纹波等瞬间变化的波形；示波器选择与使用要求：探头选择与使用要求：1)不允许在探头还连接着被测试电路时插拔探头；2)有源探头和差分探头、电流探头等是很昂贵的设备，注意保护。插拔探头时必须先关示波器。无源探头一般没有硬性规定，但是出于可靠考虑，建议所有探头都不能热拔插，拔插任何探头时都必须先关闭示波器；3)探头地线只能接电路板上的地线，不可以搭接在电路板的正、负电源端。否则，可能会造成电路板器件损坏，

13、甚至会烧坏探头的小夹子和探头本身；4)探头电容越小，它对电路的负载就越小，测试结果就更精确。选用时请根据情况仔细考虑；5)探头是有测量幅度的，不要用于测大信号，以免造成探头损坏。例如：信号幅度超过40V时，用有源探头P6245和P6243测量会造成探头的损坏；6)差分探头能够测量的差分电压范围是有限的。例如，差分探头P6247，其上的开关打在10档位时，能测的差分电压范围是8.5V，打在1档位时只有850mV。差分信号峰峰值超过850mV时（比如测公司常用的平衡线传输信号5V），要注意选用10档，否则会因输入过大而使显示的波形发生错误；7)使用电流探头需先校准。每测试一个信号都需要校准一次；8)使用时，探针尽量垂直于测试表面。但不可用力按压，以免探针受损；探头选择与使用要求：谢谢结束结束