高速信号常见问题分析

高速信号常见问题分析（一）----一个25MHZ时钟信号的单调性问题测试分析美国力科公司上海代表处胡为东【摘要】本文结合实际测试中遇到的时钟信号回沟问题介绍了高速信号的概念，进一步阐述了高速信号与高频信号的区别，分析了25MHZ时钟信号沿上的回沟等细节的测试准确度问题，并给出了高速信号测试时合理选择示波器的一些建议。【关键词】高速信号示波器时钟回沟带宽采样率一、问题的提出下图1为一个25MHZ时钟信号的测试结果截图：图1使用一个1G带宽、10GS/S的示波器测试一个25M的时钟信号的频率、上升时间等测试结果测得上升时间为485ps，时钟频率为25MHZ左右。从这个测试结果图上我们并不能看出什么问题来，时钟频率的偏差也很小。对于时钟信号，我们通常是使用其上升沿或者下降沿的中间电平位置来采样数据，因此时钟信号上升沿或者下降沿的单调性就显得非常重要。下图2为该时钟上升沿的细节，从该图上我们可以清楚的看到示波器对该信号的采样点位置及采样点个数。图2使用一个1G带宽、10GS/S的示波器测试一个25M的时钟上升沿的测试结果从图2上我们可以看到波形上升沿比较平滑，单调性很好。那么如果我们用一个更高带宽、更高采样率的示波器来测这个时钟会有什么样的变化呢？下图3为用一个6G带宽的示波器，20GS/s采样率去测量该时钟信号，我们发现在该时钟信号的上升沿的中点位置处明显有一个回沟，说明事实上该时钟信号的上升沿是非完全单调的！图3使用一个6G带宽、20GS/S的示波器测试一个25M的时钟上升沿的测试结果那么到底是由于示波器带宽的原因还是由于示波器采样率的原因导致该时钟信号在1G带宽的示波器上和6G带宽的示波器上测试结果的差异呢？下图4为用一个6G带宽的示波器，10GS/s采样率去测量该时钟信号的测试结果图：图4使用一个6G带宽、10GS/S的示波器测试一个25M的时钟上升沿的测试结果从图4中我们可以看到，波形的回沟已经变得很不明显，和1G带宽，10GS/s采样率的示波器测得的结果很类似，另外我们还将6GHZ带宽的示波器带宽限制到了1GHZ,当使用10Gs/s的采样率的时候，上升沿上看不到回沟；当使用20Gs/s的采样率的时候，能够看到回沟，通过分析比较我们应该可以认为该时钟信号的非单调边沿未能准确测试主要原因应该是示波器采样率不足，示波器带宽也可能有一定的影响，但是影响应该很小。谈到这里我们可能会有几个较难理解的问题：（1）1G带宽的示波器测量一个频率为25MHZ的时钟是否足够？因为通常来讲示波器的带宽是被测信号带宽的5倍左右就能非常精确的测试这个信号。（2）对于特定带宽的示波器，比如说1GHZ，最大采样率为10GS/s是否足够，采样率是不是越大越好，我们通常会认为对于一定的带宽的示波器，采样率做的特别高没有太大的意义，因为示波器的带宽是一定的。带着这些问题我们先来简单了解一下高速信号和高频信号的概念。二、高速电路和高速信号的基本概念通常会从两个角度来定义高速电路和高速信号：1、频率角度通常认为如果数字逻辑电路的频率达到或者超过45MHZ-50MHZ，而且工作在这个频率之上的电路或者信号占整个电路的系统达到一定的份量，如1/3以上，那么会称该电路为高速电路，相关的信号为高速信号。2、信号上升时间角度通常认为当信号的传输延时小于其上升时间（或者下降时间）的1/6的时候，该电路会呈现出分布系统的特性，也将该电路称高速电路，相关的信号叫做高速信号。基于上述两个角度对高速信号概念的描述，我们可总结为：即使一个信号频率很低，如只有25MHZ，也可能因为它的上升时间很陡而将其归入高速信号的范畴，应以处理高速信号的方法去处理它们。在高速设计中上升时间是衡量高速信号的一个很重要的特性。三、信号上升时间与信号功率谱的关系HowardJohnson的《High-SpeedDigitalDesign》这篇经典之作的第一章对该问题进行了阐述和分析，给出了转折频率的概念以及其与信号上升时间的关系。图5一个随机数字波形及其功率谱上图5中信号的上升时间Tr为时钟周期的1/100。从功率谱图中我们看到，当频率高于转折频率（Fknee）后，信号能量以远高于20dB/decade的速度下降，该频点后的能量在信号总能量中占有比例很小。Howard给出了这个转折频率与信号上升时间的关系：Fknee=0.5/Tr（注：有的文献中也会按照0.35/Tr或者0.4/Tr来计算），从该式中我们可以看出该转折频率只与信号的上升时间有关。因此说，信号的上升时间对信号的能量分布范围起到很关键的作用，上升时间越小（信号沿越陡），信号主要能量集中的范围越宽，如果要更加准确的测量信号，则需要示波器的带宽也越宽；反之，上升时间越大（信号沿越缓），信号主要能量集中的范围越窄，带宽较窄的示波器也能比较准确的测量信号。四、上述25MHZ时钟测试问题的解释从上面的测试结果截图中我们可以看到，测量得到的时钟信号的上升时间约为600ps左右，除去示波器和探头的影响，信号本身的实际上升时间大约为500ps左右。那么代入公式Fknee=0.5/Tr可以得到该信号的功率谱的转折频率约为1GHZ；也就是说，用1GHZ带宽的示波器去测试该信号应该可以得到很好的精度，然而实际情况是用1GHZ的示波器测试该时钟信号时上升沿处的回沟并没有完全被体现出来；因此根据上述分析可以初步认为示波器带宽对该回沟的影响不应该是主要因素。采样率过低也可能导致回沟问题的一个主要原因。我们仔细分析在20Gs/s采样率下测得的信号，发现回沟时间恰好为100ps左右；而当采样率为10Gs/s时，两个采样点之间的时间间隔也正好为100ps左右，因此示波器在采样时很有可能不能正确地采集到回沟处的点，从而使得信号沿的回沟不能正确的得到显示。为了很准确的测量信号的沿，需要有相对应的采样率，下图描述了信号上升沿与采样点间隔的关系，当采样率固定的情况下，信号上升沿越陡，两个采样点之间的盲区就越大，该盲区的细节就会得不到正确的显示。图6信号上升沿与示波器采样点间隔的关系五、合理选择测量示波器的建议1、首先，需要仔细分析需要测量的信号，不仅仅是频率，还应该关注信号的上升时间；因为一个基本的信号是由数个频率不同的正弦信号构成，信号沿越陡，信号中包含的高频正弦信号分离就越多，如果我们需要准确的测量信号则首先必须准确的测量这些高频正弦分量，这些正弦高频分量通常比信号本身的频率要高，具体有多高，则可以根据上升时间去估测。2、要明确需要关注的信号的细节的程度，即信号在多大的时间间隔内出现不稳定因素如单调性、过冲等可能会给系统带来问题，然后再结合信号的上升时间来选取测试示波器的采样率。参考资料【1】《High-SpeedDigitalDesign》,HowardJohnson高速信号常见问题分析（二）--------高速信号线跨沟对眼图抖动的影响分析胡为东美国力科公司上海代表处【摘要】本文简单介绍了高速信号跨沟及回流的概念，并结合实际测试分析高速信号线发生跨沟现象时，高速信号的眼图、抖动以及频谱能量等有何变化。【关键词】高速信号跨沟力科示波器眼图抖动一、高速信号跨沟及信号回流的基本概念下图1所示为一个信号流向及其回流示意图。基于基尔霍夫定律，电流是闭环的，也就是说任意一个电路的节点只要有电流流出就一定会有电流流入，返回到节点（通常是驱动器）的电流通常就叫返回电流。，且高频电流总是沿着最小的环路面积移动，高频返回电流通常是沿着阻抗最小的路径返回。对于一个同轴电缆，其芯线为电流流动路径，而外壳的地就是返回电流的流动路径，所谓信号跨沟也就是返回电流的路径被断开或者是有部分沟槽；对于一个PCB板上的高速传输线来说，其电流流动路径为PCB板上的传输线，电流返回路径通常为与传输线相邻的地平面或者电源平面层（也称为传输线的参考平面），当与传输线相邻的参考平面层有沟槽等不完整现象时，返回电流的路径就可能被破坏，这时候也称高速信号跨沟。如图1所示，当返回电流路径被断开或者被沟槽阻隔时通常称为高速信号跨沟。图1信号流向及回流路径示意图当高速信号发生跨沟现象时，整个电流的环路面积将增加，通常系统的EMC辐射也将增加。同时传输线的特征阻抗也将发生变化（如下图2所示为信号线阻抗变化曲线），信号遇到传输线特征阻抗突变点时将发生发射、振铃等信号完整性问题。图2LecroyWE100H-TDR测得的PCB传输线阻抗变化示意图那么高速信号跨沟对信号的眼图、抖动、上升时间等影响是否很大呢？下面我们使用Lecroy的最新款示波器WP760ZI来实测下一个3.125Gb/s的XAUI信号跨越分割平面后的眼图、抖动、频谱等参数变化情况以及一个快沿信号（Lecroy的WP760ZI自带有一个SMA输出接口可以发出一个上升时间为70ps左右（20%-80%），见下图3），可以很方便的用作快沿调试信号。图3LecroyWP760ZI输出的快沿脉冲信号二、3.125Gbits/sXAUI信号跨沟时眼图抖动等参数的变化1、眼图图4XAUI信号未跨沟时的眼图及相关参数（左）以及有跨沟且沟槽宽度为120mil时的眼图及相关参数（右）（结果为LecroyWP760ZI测得）从图4可看出，信号跨越沟槽以后，眼图的张开度有明显减小，眼图各项参数均有一定程度的恶化，眼高降低了40mv左右（通常XAUI信号规定接收端的信号幅度不低于50mv），眼宽也降低了20ps左右（大约为1/16UI），可见参考平面上的沟槽对信号眼图的影响还是非常明显的。2、抖动XAUI信号没有跨沟情况抖动测试结果如下图5所示，图5XAUI信号没有跨沟时的抖动测试结果（测得总体抖动Tj为219.4ps，固有抖动Dj为141.3ps）XAUI信号有跨沟情况（沟槽宽度为120mil）抖动测试结果如下图6所示，图6XAUI信号跨越120mil宽度沟槽时的抖动测试结果（测得总体抖动Tj为255.4ps，固有抖动Dj为157.6ps）从图5、图6可以看出，信号跨越沟槽后总体抖动Tj增加了约40ps左右，固有抖动Dj增加了15ps左右。3、信号频谱能量Lecroy的最新款示波器WP760ZI新增了一个频谱分析仪选件，该选件的操作界面非常类似于R&S等频谱仪，可以很便捷的设定centerfrequency、span范围等，且可以实时显示峰值点的频率值及对应幅度值大小，操作起来非常方便简洁，界面如下图7所示：图7LecroyWP760ZI新增的频谱分析仪选件XAUI信号没有跨沟情况下频谱能量如下图8所示所示，图8XAUI信号没有跨沟情况下3.125GHZ点处的功率谱能量（-49.9dbm）XAUI信号有跨沟情况（沟槽宽度为120mil）抖动测试结果如下图9所示，图9XAUI信号跨越120mil宽度沟槽情况下3.125GHZ点处的功率谱能量（-49.5dbm）从图8和图9可见，信号跨越沟槽后，频谱能量略有增加，可能原因是信号环路增加，导致外部耦合进来的信号能量叠加进来或者是由于信号跨沟导致各频段能量分布发生变化导致的。三、快沿脉冲信号跨沟时抖动上升时间等参数的变化1、上升时间及抖动快沿信号没有跨沟时上升时间抖动等参数的测量，如下图10所示，图10快沿信号未跨沟时上升时间以及抖动等参数的测量（测得上升时间为197.5ps，周期抖动RMS值为2.59ps）快沿信号跨越120mil宽的沟槽时上升时间及抖动等参数的测量，如下图11所示，图11快沿信号跨越120mil沟槽时上升时间以及抖动等参数的测量（测得上升时间为224.3ps，周期抖动RMS值为3.19ps）从图10、图11可见信号跨沟后，信号的上升时间和抖动受到的影响都非常明显。3、频谱快沿信号没有跨沟时500MHZ左右的功率谱，如下图12所示，图12快沿信号未跨沟时500MHZ左右的功率谱快沿信号跨越120mil沟槽时500MHZ左右的功率谱，如下图13所示，图13快沿信号跨越120mil沟槽时500MHZ左右的功率谱从图12、图13可见，信号跨越沟槽后500MHZ左右频点的能量亦略有增加。四、总结从上述测试结果可见，当高速信号尤其