高速PCB电路设计中信号完整性问题的快速定位

　 在高速电路设计中，定位信号完整性问题的传统方法是采用硬件触发来隔离事件，和/或利用深度采集存储技术捕获事件，然后再寻找问题。随着高性能电路系统的速度和复杂程度的不断提高，用示波器定位信号完整性问题的局限性也在逐步凸显。
　　随着一种全新事件定位技术的出现，这种局面将会有很大的改观。最终，这种功能强大的事件定位系统将有效地帮助设计工程师快速而轻松地找出信号完整性问题。

　　传统的信号完整性问题定位方法

　　传统的硬件触发/深度采集存储方法在定位信号完整性问题方面有两大优势。

　　首先，利用硬件触发锁定某个相关事件时不存在死区时间。硬件触发系统会使示波器采集系统一直不停地运行，直到找到目标事件为止。一旦目标事件被锁定，硬件触发电路将会触发，完成示波器的数据采集工作，同时在屏幕的中心显示这个事件。这种方法确实非常方便。

　　其次，采用深度采集存储技术，用户无需知道目标系统所面临的信号完整性问题的种类，只需将示波器设为最大存储模式，并将触发模式设为边沿触发，甚至是自动触发，然后让示波器开始运行即可。示波器将会捕获一段相对长的有关目标系统执行情况的截屏，然后用户可以随时分析这段数据，判断是否存在有问题的事件。这种技术也被称之为“广存广查(swallow and wallow)”技术。

　　这些利用示波器验证设计的方法非常有效，并已在电子设计工程师社群中深入人心。但是与测试/测量行业的新兴技术相比，这种方法还存在诸多局限性。

　　定位信号完整性问题的新方法

　　定位信号完整性问题的新方法是一种事件识别软件。事件识别软件本质上来说是一种智能软件，这种软件扫描示波器所捕捉的波形，找出各种信号完整性问题或者信号有问题的事件。该方法不具备硬件触发方法的“无死区时间”特性，这是因为在对以前捕捉的数据进行后处理时本来就有“死区时间”，它也没有深度采集存储技术能提供的“广存广查”能力。但事件识别软件具有如下的一些独特优点，这些优点正在吸引越来越多的示波器用户。

　　1．同时监控多个事件：硬件触发方法只能识别一个有问题的事件，硬件触发电路被设置成在特定事件发生时触发，从根本上杜绝了同时监控多个事件的可能性。而事件识别软件不受这种限制的影响，该软件可以通过编程设定为同时扫描任意一个通道或多个通道上的5个事件。这可极大地缩短用于逐步缩小信号完整性问题潜在原因的范围、隔离错综复杂的相关事件所用的时间。

　　2．找出同一事件多次出现的情况：硬件触发电路每次捕捉只能识别一个事件的单次出现。实际上在这个事件被硬件隔离之前或之后，该事件还会重复多次出现，但是硬件触发方法无法发现这些重复出现的事件。事件识别软件就可以做到这一点，它可以找出波形存储器所捕捉的事件的所有出现次数。因此，设计工程师不但能发现第一次故障，还能发现第二次、第三次故障等。

　　3．事件导航：一旦用户通过深度存储捕获了很长的波形，接下来就是极其枯燥而且极易出错的手动工作，即回放这些波形，检查波形的每一段，并找出潜在的信号完整性问题。深度采集存储技术可以采集10，000个屏幕的信息。手动审查所有这些信息是不切实际的。将这些示波器数据传到一个控制器上，编写定制的软件来分析这些数据也是不现实的，而且非常耗时。事件识别软件一旦识别出目标事件的所有出现次数，就可以用向DVD播放器一样直观的回放控制键，在这个事件的多次出现之间来回切换。

　　4．识别多种事件：一个典型的硬件触发系统可以隔离大约10种不同类型的事件或触发模式。但是开发一种新的硬件触发模式对于示波器厂商来说非常麻烦，需要大量的开发资源和昂贵的IC生产成本。相比而言开发事件识别软件的成本就会少很多。目前的事件识别软件可以隔离出波形测量能测得的任何事件(现代示波器可以进行30多种波形测量)，而且还可以发现由不正确的信号端子引起的非单调边沿等有问题的事件。用硬件触发电路触发非单调边沿这一类小波形现象几乎是不可能的。

　　5．辨别事件的速度：硬件触发电路的速度主要受其晶体管速度的影响，并且它采用的是模拟技术。现在最高端的硬件触发电路可以实现低至300ps的脉宽(或脉冲干扰)触发，以及3.25Gbps的序列触发(serial triggering)。尽管这些指标很优异，但是硬件触发电路的速度仍然跟不上如今顶级系统的8.5Gbps以上的速度。事件识别软件只受示波器采样速率的限制，本质上采用的是数字技术。业内领先的示波器的采样速率高达40GSps，通过软件事件识别系统识别事件的速度比硬件触发模式快很多。

　　6．辨别事件的分辨率：硬件触发电路的时间分辨率相对比较低，根据不同的触发事件、波形信号特性以及导致触发事件的特定波形活动，分辨率大约为几十甚至上百皮秒。当需要测量一些比较精确的指标时，这个分辨率已不能满足要求(即可能产生虚假故障)。由于软件事件识别纯粹的数字信号处理，可以采用像1到16采样点插值算法这样的DSP技术，从而有效地提高事件分辨率。事件通过率的检查可以提高到皮秒级。图2显示的是示波器识别36ps的上升沿的波形。

　　7．可见即可隔离：事件识别软件最吸引人的地方在于其“区域探测器(Zone Finder)”功能。很多示波器用户会看到屏幕上偶尔有间歇信号闪过，但却来不及按下停止按钮锁定它们。通常在这种情况下，用户会把示波器设为单次采集模式，然后不停地按单次触发键(有时需要按非常多次)，才能有效捕捉到一次事件。而大多数情况下，这样做的结果只会让你手指酸痛。区域探测器可以让用户在屏幕上画一个区域，用户可以在这个区域中观察到间歇信号闪过，当这个信号的波形下一次闪过这个区域时，示波器会自动停止，并清晰地显示这个波形。

　　8．与硬件触发同步：通过可编程的延时机制，事件识别软件可以与硬件触发机制配合使用。也就是说，这种方法可以捕捉到在定义的硬件事件之后延迟一段指定时间时发生的软件定义事件。这种软硬件结合的系统可以生成一个触发排序器(trigger sequencer)，或者可以用硬件来限制软件要检查的波形，从而提高效率。

　　事件识别软件是对识别信号完整性问题的传统硬件触发或深度采集存储方法的一个有效补充。当示波器不存在“死区时间”问题时，也就是说事件的发生频率大于每秒一次时(一秒钟对于高速电路而言是一个相当长的时间)，事件识别软件这个新技术将成为定位电子设计中信号完整性问题的一个最有效且灵活的工具。