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DPO为设计与排错问题提供更多信息

菜鸟
2005-12-19 17:58:00    评分
DPO能够提供非常优秀的测量和分析吞吐量,同时收集到更多有用的频繁变化信息。本文将讨论DPO的架构和操作,并通过一些实际应用例子具体地说明DPO波形数据捕获功能所带来的好处。 图1. 采用并行处理架构的DPO可以在DSO完成一次捕捉/处理周期内完成许多次捕捉。 DPO的波形捕捉速率与其它捕捉架构(传统的DSP和取样示波器)完全不同。泰克公司的TDS系列示波器中有许多是DPO,这些功能强大的DPO采用了集成DPX(TM)技术。这是一种独特的并行处理架构,能够戏剧性地缩短示波器的捕捉/处理/修改周期。DPX是提供每秒40多万个波形捕捉速度的关键技术。 为什么波形捕捉速度如此重要呢?答案很简单,因为DPO能够“看”得更多,“发现”更多。与DPO相比,DSO用于捕捉信号的时间只占很少一部分,通常少于1%。最高的DSO捕捉速度大约在每秒7800个波形左右。DSO的大部分时间用于处理捕获到的波形数据和屏幕显示,在这期间发生的信号活动就无法被观察到。 而DPO通过并行架构可以显著地缩短这段处理时间,相应就增加了用于信号观察的时间。DPO的40万wfms/s的波形捕捉速度是最快DSO的波形捕捉速度的50倍以上。常识告诉我们,由于DPO有如此多的“醒着”时间,因此它能捕捉到有关逝去事件的更多信息。这就意味着利用DPO可以更清晰地观察关键信号行为,能够得到更多的数据用于进一步的分析。 图2a. DPO捕捉 b. DSO捕捉 图1描述了这一概念。在同样长的时间跨度内,DSO只来得及编译一幅波形图像,而DPO可以连续捕捉和累积大批量的波形图像。为了易于辨认识别,图1只是示意图。在实际应用中,DPO捕捉到的图形要比图中所示的多得多,而更多的波形捕获意味着用户有更多的机会看到波形的瞬时变化。 捕获到更多的信息并不仅仅是种抽象概念,它能带来诸多实质性的好处,比如加快故障排除的速度,并在处理其它任务中间增强对复杂信号的分析能力。图2a和2b通过一个方脉冲信号波形对此作了证实。在图2a*中,淡些的走线区域表示较低频率发生的事件,也即该区域内的波形平时较少接触到。错误很容易看清楚,在本例中,第二个波形示出了相移和偶然的短小脉冲幅度。在DSO捕捉期间(图2b*),仪器花很多时间用于组织图形显示,而不是用来捕捉很快到来的后继波形。因此,经过一分钟的捕捉时间后,DSO已经完全错过了可能会引起下游电路产生严重问题的错误,信号看起来仍很正常,而这种错误的结论可能会误导随后的故障排除过程。 在本例中,DPO揭示了信号活动的真实状态。它能快速捕捉到更多的信号数据。这些大量信息有助于回答常见的查错问题,包括:我的信号会受瞬态事件影响吗?我的信号有抖动或其它时序问题吗?峰值、中间值、平均值以及更多的被测参数是多少值? 图3. DPO的FastAcq和WfmDB模式可为各种应用场合提供最优化的工具。 快速得到结果 由于DPO能用更少的时间得到更多的波形,因此对示波器用户来说还有另外一层含义:在秒单位而不是分单位内累积到细节丰富的图形显示和供深层分析的数据库。FastAcq是一种采用DPX(TM)捕捉技术的强大捕获模式,它能通过最短最快的处理路径在显示屏上将波形显示出来。在该模式下DPO除了能提供瞬时信息外,还能立即创建眼图、极性图、星座图和相关的数据库。认识到DPO的优秀吞吐量值,以及为了推动兼容测试,象数字显示工作组(负责指导数字视频接口DVI标准)等业界委员会已经对DPO及FastAcq模式作了标准化。FastAcq模式可以创建经常发生的数据图像数据库,虽然这个数据库还没有下面要讨论的WfmDB模式数据库成熟。FastAcq模式是一款功能强大的工具,可以帮助工程师捕捉复杂信号,甚至创建能够提供误差在内所有细节的眼图。 第二种模式被称为WfmDB,它能创建有关波形参数的连续数据库。WfmDB模式可以最大化测量和分析吞吐量,最小化捕获之外的处理时间,方法是快速累积“一批”捕捉到的数据,然后再进行处理。该模式经过配置可以捕获预设的经过许多次捕捉收集到的样本数量。该模式被选中后,会出现“Samples”菜单,允许用户设置存储于数据库中的信息相对于显示出来的捕捉数量的比例。根据经验,WfmDB模式最适合分析使用,而FastAcq模式最适合于查错和测量。 图4. 只要简单的按一下前面板上的FastAcq键即可发挥这种捕捉模式的强大功能 DPO可进一步发挥余辉模式的作用 多年来示波器都有一个众所周知的余辉模式显示特点。该模式最初起源于模拟示波器,示波器显示器上代表波形踪迹的荧光图像在信号逝去后仍能保留少许时间,从而允许用户更详细的检查信号细节。 DSO通过对捕捉波形的后处理模拟这一余辉现象。但DSO余辉只能局限于显示慢速捕捉到的信息,因此显示器不能提供实时的细节,而且可能错过在处理和显示器格式化周期内发生的瞬态事件。 DPX(TM)捕捉技术则与余辉模式不同,虽然基本的DPO显示模式也能实时提供许多类似余辉的功能。亮度等级(有时也称为灰度等级)是通过每次屏幕刷新时重叠上千次捕获数据形成的,并不要求耗时的波形图像叠加。尽管如此,DPO还是可以提供余辉模式。DPO的高波形捕捉速率增大了检查瞬变信号细节的可能性,而余辉可以用来将这些细节保留在屏幕上供用户评估。 图5. DPO将异步踪迹用红色高亮显示。由于将余辉设为了无限,显示屏幕可以保留踪迹,非常方便用户的观察和评估。 实际应用需要强大的测量平台和详细的信号信息 对于高速信号设计师来说,最大的测量挑战因素仍是大家所熟悉的:更快的数据和边沿速率,更窄的时序余量。与其它波形捕捉工具相比,DPX技术可以提供更强的信号观察性能和更多的波形细节,因此可以更好地应对这些挑战。 任何有关DPO应用的讨论都假设仪器的基本平台足够满足下面这些基础测量要求: .足够的模拟带宽,取样速率达到或超过信号频率点的奈奎斯特定理要求 .差分探测方案,示波器的探头可提供充足的带宽 .具有特低抖动、条件模式和灵活时钟恢复特性的完整触发功能 .实用性强的兼容性测试或自动测量软件 假设DPO已经具备了上述这些特性,下一步就是选择最适合具体应用的捕捉模式FastAcq或WfmDB。图3对这二种模式的功能作了比较。 图6. 用FastAcq模式捕捉到的眼图和测量 本篇应用文摘的主要目的是讨论这些模式以及如何用这些模式完成数字排错、样板测试和IQ信号测量等实际工作。下面要讨论的应用案例目的也不是用来说明相应测量的详细过程,而是介绍可视性或使用DPO内置测量工具捕捉分析波形的基本步骤。 应用#1:排除数字时序违例和总线冲突故障 竞态、建立/保持违例和总线冲突都会对数字系统造成严重影响。竞态或建立/保持时序违例会引起短暂的毛刺和其它缺陷。在总线冲突中毛刺也很常见,当二个驱动器试图同时在同一根线上建立相反的逻辑电平时还会产生被截取了的“短小”脉冲。DPO能够轻松检测和显示这些类型的故障,其过程非常简捷: 1.按一下前面板上的默认配置(Default Setup)键,将探针与感兴趣的信号相连,然后按一下自动测量(Autoset)键。信号波形随之以适当的比例显示在屏幕中央。 2.按一下前面板上的边沿(Edge)触发键,或者按一下高级(Advanced)触发键,再从触发(Trigger)菜单中选择合适的触发功能。在许多情况下,边沿(触发足够用于信号的首次查看。更高级的触发方式(如状态触发)可用来确认希望看到的有用数据。 图7. 显示WfmDB模式被选中的水平/捕捉控制窗口。值得注意的是,在“样本”输入的地方可以定义样本数量 3.选择触发类型和状态,适合的话规定逻辑电平和图案类型。在本例中,因为信号是一个简单的脉冲序列,因此采用基本的边沿触发模式即可提供稳定的波形。 4. 首先要注意波形的外观。现在,请按一下前面板上紫色的FastAcq键(图4*),通过这一简单的按键动作可观察到增加了多少更多有用的信息。 5.在显示设置(Display Setup)窗口的外观(Appearance)栏上,将余辉(Persistence)设为无限(Infinite)。通过这个设置可以突出显示发生频率很低的缺陷内容。在彩色(Colors)栏上,将彩色等级(colorgrading)设为光谱(Spectral),如此设置后即能以红色有效地点亮发生频率低的事件。 图8. 测量窗口,显示了WfmDB捕捉模式下的测量选择、源和结果 最终结果显示于图5。FastAcq模式完成显示只需几秒钟。图5*中红色指示的是发生频率最低的事件。每个红色象素代表捕捉周期内某一时刻波形发生交叉的点。 由于将余辉设成了无限,有偶然缺陷的脉冲能够很清晰地显示出来。在屏幕中央的脉冲中,我们能看到毛刺和短小脉冲缺陷。毛刺可能意味着建立/保持违例、竞态或不稳定问题。短小脉冲可能暗示存在总线冲突。为了进一步调查这些缺陷,可以通过设置高级触发模式隔离和捕捉某种特殊缺陷的再次发生。需要的话可以探测其它可能引起这些问题的信号,如缓存使能和数据方向选择信号线。另外,示波器可以通过iLink(TM)工具套件链接到泰克的TLA系列逻辑分析仪,从而在完美的时序对齐条件下高效地观察比对TLA的数字时序踪迹和示波器的模拟踪迹。 应用#2:眼图测量和样板测试 利用FastAcq捕捉模式实现基本的眼图测量 FastAcq捕捉模式可以提高信号的捕捉和显示速率,从而尽可能多地获得有关动态信号行为的信息。与余辉显示不同,FastAcq模式创建可供许多自动测量工具分析的数值数据库。FastAcq模式还能与余辉模式结合起来提供更多的信息。本例将利用基本的FastAcq模式建立、捕捉和测量眼图参数。这是一种相当简捷的获取信号性能的方法,只需少量几个步骤即可完成。被测信号是622Mbps的伪随机信号,这种信号类型常见于串行通信架构。 图9. 针对OC-12信号的样板测试,结果是通过 1.按一下前面板上的默认设置(Default Setup)键,将探针与感兴趣的信号相连,然后按一下自动测试(Autoset)键。信号波形随之以适当的比例显示在屏幕中央。 2.按一下前面板上的高级触发键以调出触发菜单,选择菜单中的普通(Comm)触发功能。触发器设置为622Mbps或OC-12标准,选择R Clk(用于时钟恢复)类型。 3.按一下前面板上紫色的FastAcq键,注意捕捉和显示的信息立即会有所增加。 4.在显示设置窗口的外观栏,将余辉设为无限。通过这个设置可以突出显示所有缺陷内容,即使它们发生频率很低。 5.在测量窗口中可以选择自动测量幅度、峰峰幅度和上升时间以及可选的直方图方式。 最终的波形和测量结果如图6*所示。灰度等级反映了发生的频率。黑影区域代表信号变化时发生频率较低的事件。电压在许多样值间变化得很快,抖动会引起时序的偏差,从而产生蓝色的宽线。选好的定量测量值显示在波形图像的右下角。 图10. 这幅64QAM星座图是对捕获记录进行后处理后得到的 FastAcq模式最适合用于观察以高度实时方式捕获的信号。采用FastAcq方法收集的数据可以直接用于早期兼容性分析和查错期间的幅度特性分析。 采用WfmDB捕捉模式进行样板测试 波形数据库(WfmDB)捕捉模式为作为样板和兼容性测试一部分的眼图分析提供了合适的工具。WfmDB模式下用于关键信号信息的存储容量要比FastAcq模式大得多,在实时情况下最高达20GS/s,等效时间内更高。数据库中包括每个波形点的幅度和时序信息以及每个指定点被捕获的次数。WfmDB捕捉模式会以惊人的速度为眼图测量等调查分析产生最大量的有效统计信息。 图7*给出了水平/捕捉控制窗口,其中包含波形数据库按钮和样本控制。该控制可决定存储于波形数据库中用于分析的波形样本数量。在图7*中,样本控制被设为默认值一百万个样本。 图11. 针对64QAM星座图的连接。 在WfmDB模式下完成样板测试的步骤有: 1. 按一下前面板上的默认设置(Default Setup)键,将探针与感兴趣的信号相连,然后按一下自动测试(Autoset)键。信号波形随之以适当的比例显示在屏幕中央。 2. 按一下前面板上的高级(Advanced)触发键调出触发(Trigger)菜单,并选择普通(Comm)触发。 3. 选择正确的样板,并使用样板自动测试(Mask Autoset)功能复位示波器。 4. 如果波形的任意部分由于输入端存在过度驱动情况而处于屏幕外边,请关闭余辉(Persistence)选项,并在水平/捕捉(Horizontal/Acquisition)控制窗口中选择最小数量的样本。这样可提供最大响应显示,并更容易对输入信号作出合适调整。 图12. 64QAM信号的Y-T图像 5. 在测量(Measurement)窗口中的普通(Comm)栏(图8)可选择以下测量项目:消光比、眼的高度和宽度等。另外还可选择提供信号的源通道。 图8*所示的波形图提供了所有要求的测量项目,其分辨率和精度符合目前严格的通信总线标准要求。 图9*是对SONET OC-12的样板兼容性测试结果,是通过选择Autoset然后选择样板类型(本例中是SONET/SDH和OC-12)得到的。该窗口包含通过/失败测试(Pass/Fail Test)控制功能,当该功能被激活时,可提供测试输出结果的简单总结。样板区域(信号必须不超过该区域界限)在这里用蓝色显示。定量测试在本窗口中不作要求,相反,窗口将跟踪蓝色样板区域是否有波形点渗透。在图9*中没有任何违例,测试正常通过。 图13. 开始创建时的IQ图 应用#3:评估64QAM信号 分析IQ信号对DSO来说是个挑战。由于DSO的波形捕捉速率比较慢,它们必须后处理捕捉到的记录后才能显示相关信息。从效果上看,相当于先捕捉,然后通过中断计算并显示信号轨迹,然后再捕捉,再中断,一直循环下去。结果是由于图像建立速度不够快,无法形成容易理解的星座图。另外还存在一个风险,即用于计算的记录长度可能太短。对应时间轴绘出的波形(正常情况下是Y-T显示)可以立即显示这个错误。通过后处理产生的X-Y显示图像会屏蔽问题,从而误导结果。如果只捕捉到正弦(X通道)和余弦(Y通道)周期的一小部分,那么在YT显示图像上会立即明显地看到需要更长的记录长度。然而,在基于XY显示的捕捉过程中,会画出一条笔直的对角线,而不是期望的椭圆形。DPX硬件可以通过绘制样本的连续流而不是离散捕捉来消除这个问题。 另外,DSO缺少真正的XYZ模式,在该模式下三个信号输入通过互相作用可以生成以(Z)轴为主的时域显示图。 图10*是对用DSO产生64QAM星座图的结果仿真。从图中只能看见模糊的64个目标位置,看不到目标对应的实际频率数据。 相反,DPO捕获非常适合生成正交信号的星座图。在DPX(TM)架构和FastAcq模式的直接支持下,DPO可以连续捕捉样本,并在接收到样本后立即将每个X和Y点及可选的相关Z轴(强度)值送到屏幕上显示。FastAcq模式下的DPO利用集成捕获和光栅化硬件的高数据吞吐量可以在数秒内建立显示图像。温度颜色等级可以让人很容易看出调制点偏离它们的理想“目标”的频度。 图14. “填充后”的星座图,采用温度等级指示每个调制点的发生频率。红色表示发生频率最高的点。 图11是用于捕捉IQ信号和产生图形的连线图。一共使用了DPO四个通道中的三个,分别对应X、Y和Z轴。 1. 按一下前面板上的默认设置(Default Setup)键,将外部解调器的I输出连接到DPO的通道1,Q输出连接到通道2,时钟信号连到通道3。确保这三个通道都处于打开状态,按一下自动测试键(Autoset)。 2. 在前面板上将通道3(时钟)选为触发源,转动电平(Level)旋钮,将触发电平设为50%。 3. 按一下前面板上的紫色FastAcq键,屏幕上会显示如图12*所示的Y-T模式图像。是否显示时钟(图12中的底部踪迹)由用户自己判断,因为它现在不是我们感兴趣的信号。 4. 在显示窗口中选择XYZ模式。 5. 调整通道1和通道2的垂直比例,将结果显示在屏幕合适的位置。 图13*是刚开始时创建的IQ图,图14*是几秒后的同一IQ图,各点都集中在每个64QAM目标附近。 结论 数字荧光示波器(DPO)为设计师观察和测量动态信号提供了新的手段。在泰克公司独特的DPX(TM)并行处理捕获技术的有力支持下,DPO波形捕捉速度超过每秒40万个波形,极大地提高了测量和分析能力。DPO的快速捕捉模式(Fast Acquisition)可以在屏幕上快速提供容易理解的图像细节,因此对数字和模拟排错任务很有帮助。而波形数据库模式(Waveform Database)可以快速完成精确表征测量和兼容性测试,眼图可以快速转变成柱状图、量化参数和通过/失败结果。这二种模式都可以加快工程师的测量工作。DPO的高效性通过简单的控制架构得到了进一步加强,可以将复杂的测量过程减少到很少几个步骤。DPO的每次捕获结果都可以提供被测信号的丰富信息,比简单的二维波形踪迹详细得多。这些信息可以帮助串行总线设计满足紧迫的进度要求,帮助设计师快速解决各种疑难问题。 Tektronix公司供稿



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