| ---幾十年來,工程師一直依賴邏輯分析儀作為系統(tǒng)檢驗的主要工具。隨著數(shù)字系統(tǒng)的速度和復雜性的提高,要求更加完善的分析工具。廣大邏輯分析儀廠商一直努力跟上和滿足速度和功能方面的行業(yè)需求,從分析儀到目標系統(tǒng)的物理連接發(fā)揮的重要作用正變得日益明顯。在許多情況下,這一物理連接(如探頭)可能會成為分析儀性能中的瓶頸。如果邏輯分析儀收到的信號劣化,那么分析儀內(nèi)部的觸發(fā)和分析工具再強大也是沒用的。本文將介紹實現(xiàn)邏輯分析儀探頭連接要考慮的基本因素。 邏輯分析儀探測基礎(chǔ)
探頭形狀
---在使用邏輯分析儀時,考慮的第一個因素是需要什么樣的探頭。探頭連接分兩類：“設(shè)計過程中探測”和“事后探測”。設(shè)計過程中邏輯分析儀探測是指在前期設(shè)計中包括探頭測試點,如基于連接器的探頭或無連接器探頭。不管是哪種情況,設(shè)計人員都在PCB中放上相應的連接盤,把感興趣的信號引到連接盤上。邏輯分析儀探頭通過相應的互連,與這些觸點連接起來。在基于連接器的探頭中,探頭包含了插頭和對應的植入被測系統(tǒng)的插座連接器。在無連接器探頭中,探頭帶有彈性互連裝置,將接觸PCB上的連接盤。
---第二類探頭是事后探測。這是指在設(shè)計中沒有包括測試能力的系統(tǒng),而是使用單獨的、擁有各種互連配件(焊接、抓斗等)的探針。最常見的事后探測是“飛線”探頭。E5390A和E5381A都來自安捷倫科技公司,E5390A說明了新型軟接觸無連接器探頭的連接方案,在這種情況下,用戶把連接盤圖形放入前期設(shè)計中。E5381A說明了沒有預先定義測試能力的信號可能采用的連接方法。
探頭的負荷
---對任何類型的探頭,其目標都是為系統(tǒng)提供的電負荷要盡可能小。如果探頭使系統(tǒng)性能改變的幅度太大,探頭將不能幫助設(shè)計人員檢驗系統(tǒng),因為故障可能完全是由于探頭引起的。負荷有兩個重大影響：第一,它使目標PCB上的信號質(zhì)量劣化,這可能會導致系統(tǒng)失效;第二,它可能會使觀察到的、進入邏輯分析儀的信號質(zhì)量劣化,這可能會導致檢驗中出現(xiàn)錯誤判斷。為避免這些問題,必需了解探頭結(jié)構(gòu)。
---探頭一般看上去更像高阻抗。探針電路由一個尖端電阻器組成,其阻抗為20kΩ的數(shù)量級。在低頻上,探頭阻抗看上去和這一電阻接近。在頻率提高時,探頭中的寄生電容將開始降低其阻抗。在經(jīng)過標準的RC響應電路之后,阻抗將跌落。這對被測系統(tǒng)是一個問題,因為探頭阻抗開始接近系統(tǒng)阻抗,探頭形成的分壓器變得非常重要。如果這一阻抗變得太低,它會吸收絕大部分信號,導致系統(tǒng)失效。
 --- 探頭中的電容主要是由于互連結(jié)構(gòu)引起的。例如,如果在目標系統(tǒng)和探頭尖端電阻器之間有一個明顯的大的連接器,那么這個連接器將在探頭負載中增加很大的電容。如果使用較小的連接器,那么電容將下降。
---引入較低負載的最新型探頭稱為“無連接器”探頭。在無連接器探頭中,連接盤放在被測系統(tǒng)上。邏輯分析儀探頭帶有一個彈性互連裝置,與目標實現(xiàn)電接觸。通過從電通道中去掉物理連接器,可以實現(xiàn)非常低的電容。表1說明了各種形狀探頭的等效電容。
---圖1說明了每種探頭對上升時間為150 ps的系統(tǒng)的影響。
---注意：在連接器尺寸降低(或去掉)時,負荷會下降,這一系統(tǒng)中的原始上升時間是150ps。
探頭上的信號質(zhì)量
---如前所述,探針上的信號質(zhì)量非常重要,因為它在邏輯分析儀中導致錯誤判斷。這是檢驗團隊面臨的主要問題之一,因為他們要花大量的時間,調(diào)試系統(tǒng)中根本不存在的問題。為避免這個問題,必須考慮探針上的信號質(zhì)量。
---除探頭的簡單電容負荷外,還必須考慮探頭位置,在探測各種端接方案時,這一點尤為重要。對某些端接方案,接收機觀察到的信號可能會有充足的信號質(zhì)量,而在線路上任何其他點觀察的信號可能會不可接受。為說明這一點,考慮一條串聯(lián)端接傳輸線,串聯(lián)的原理是,感應的波形會立即在源端接電阻器和線路的特性阻抗之間進行劃分,半幅度波沿著線路傳送到接收機,在到達接收機時,它會經(jīng)歷100%的正反射,這會使半幅度信號幅度翻一倍,從而達到原始波形的幅度,反射波沿著線路反向傳送,直到它被源端接電阻器吸收,從而結(jié)束瞬時響應。盡管這一方案給接收機提供了非常好的波形,但在線路上的任何點上,波形會呈梯級形狀。而梯級波形不適合用于邏輯分析儀,因為在波形保持在半幅度的時間內(nèi),邏輯分析儀不能檢測它是邏輯‘1’還是邏輯‘0’。圖2說明了這種情況下的波形。注意,接收機上的波形信號質(zhì)量很高,而在探針上觀察到的波形則是不可接受的。隨著信號速度提高,探針上的信號質(zhì)量對成功的測量變得非常重要。
---在線路中間觀察時梯級形狀的波形說明了傳向接收機的前向傳送半幅度波,在反向傳送反射波重疊在前向傳送波上時,波形達到最后值。
接地
---在進行邏輯分析時,設(shè)計人員遇到的另一個問題是接地不良。探頭的接地信號為被觀察的相關(guān)信號提供了相對參考。電信號必須一直有一條返回電流路徑,以使電流流動和信號傳輸。返回路徑被視為電阻為零的理想導線。否則,電壓信號會沿著接地返回路徑中的阻抗傳輸。接地路徑中傳輸?shù)碾妷盒盘枙档蛷倪壿嫹治鰞x看到的信號的幅度。接地的目標是提供一條阻抗最低的返回路徑(或接地連接)。這使得分析儀能夠觀察到原始信號的幅度。
---設(shè)計人員遇到的一個常見接地問題是地線長度太長,地線太長會產(chǎn)生串聯(lián)電阻,并導致電壓信號跌落。為防止這個問題,地線的長度不應明顯超過信號線,這將在匹配的信號和接地路徑中導致寄生電阻。
---探測時的另一個常見問題是接地環(huán)路的自感應。在地線和信號線構(gòu)成環(huán)路時,在接地路徑中將形成與環(huán)路面積成比例的自感應。由于電感器擁有的頻率相關(guān)阻抗,這種感應將劣化系統(tǒng)帶寬。在高頻上,這種感應將阻礙電荷通過地線傳送,進而降低帶寬。為減少這個問題,設(shè)計人員應努力使接地環(huán)路保持在盡可能小的水平。這通常使用基于連接器的探頭或無連接器探頭預先定義。但是,在使用飛線探頭時,有時將使用普通線把探頭連接到系統(tǒng)上。在這種情況下,可以形成大的接地環(huán)路。為避免這些環(huán)路,可以把地線和信號線絞合在一起,形成雙絞線,這將降低環(huán)路面積。但是,大多數(shù)飛線探頭配有協(xié)助解決這個問題的連接配件。
---在探測時的最后一個問題是使用的接地數(shù)量不足。在某些探頭配置中(如飛線探頭),接地數(shù)量取決于用戶。為理解這個問題,考慮只使用一條接地連接、帶有16個信號的飛線束。在這種情況下,所有16個信號的返回電流必須通過一條接地連接傳送。地線的自感應要足夠低,以便不會在1個或2個信號返回時產(chǎn)生電壓降,同時在16個 信號的情況下,電流會變得足夠大,電壓降變得值得關(guān)注。解決這個問題的方法是提高接地數(shù)量。在理想情況下,對每個信號將有一個接地。需要的接地數(shù)量與頻率成比例,但推薦方案是對一個接地不要使用兩個以上的信號。如果用戶在使用邏輯分析儀捕獲正確數(shù)據(jù)時遇到問題,這是要檢查的項目之一。 在分析中使用正確的工具
 ---在當前提供的所有探頭選項中,有時很難確定要使用哪種連接方案。在某些情況下,甚至很難知道提供了哪些解決方案。下面的實例說明了在使用錯誤的探頭方案時可能會遇到的兩個常見問題。
在線路中的探測位置錯誤
---考慮一下上面介紹的串聯(lián)系統(tǒng)。系統(tǒng)是由背板上的驅(qū)動器IC及位于BGA封裝內(nèi)的接收機實現(xiàn)的。由于覺得非常方便,用戶選擇在背板連接器的插針上探測系統(tǒng)。但是,如前所述,在驅(qū)動器上探測串聯(lián)系統(tǒng)會在邏輯分析儀探針上產(chǎn)生梯級波形。圖3說明了這種連接方案及探頭觀察到的波形結(jié)果。
---這里使用的探頭是安捷倫科技公司的E5382A單端飛線,使用“抓斗”配件完成連接,“抓斗”配件可以連接到連接器的引線上。這里顯示的波形是探針觀察到的波形,波形使用稱為“眼掃描（Eye Scan）”的功能顯示,它使得邏輯分析儀能夠產(chǎn)生模擬版本的信號。
 ---很明顯這一波形是不能接受的,解決這個問題的方法是直接在接收機上探測,距BGA封裝最近的物理探點將通過PCB底部的連接盤接出。圖4說明了把飛線直接焊接到BGA接出點上的新的連接方案,圖中再次顯示了得到的信號質(zhì)量。
---這里使用的探頭是安捷倫科技的E5381A差分飛線探頭,連接使用“可焊接阻尼線（damped wire solder-down）”—一種焊點極小的連接配件來完成,再次使用Eye Scan顯示了觀察到的波形。注意,信號質(zhì)量現(xiàn)在適合進行邏輯分析。
使用錯誤的互連選項
---考慮這樣一個系統(tǒng),將使用邏輯分析儀觀察一個PCB兩個部分之間運行的信號。信號在PCB的外層上運行,在系統(tǒng)失效前不能忍受超過3.5pF的負荷。設(shè)計人員決定使用基于Mictor連接器探頭(E5380A)觀察信號。但信號不能直接通過連接器引出,這迫使設(shè)計人員把Mictor連接器放在信號線的旁邊,在每個信號中增加通道。然后使用另一個PCB層,運行與原始信號正交的信號,來實現(xiàn)與Mictor連接器的連接,圖5顯示了這類連接的路由圖。
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---使用基于Mictor連接器探頭觀察總線的信號,注意需要額外的引線長度連接Mictor,這條引線將在探頭負載中增加額外的電容,使Mictor連接器的凈電容大于3.5pF,這將導致系統(tǒng)失效。
---現(xiàn)在考慮一下使用安捷倫科技E5390A軟接觸無連接器探頭的另一種備選方案。在這種情況下,信號可以直接通過探點的連接盤引出。這意味著在系統(tǒng)中沒有增加額外的引線電容。這一探頭的凈電容是0.7pF。通過使用這種連接方案,可以在系統(tǒng)中加入邏輯分析儀,而不會引起系統(tǒng)失效（見圖6）。
---由于降低了探頭負荷、并能夠直接通過連接盤直接引出信號,使得邏輯分析儀連接負載變得可以接受。 結(jié)論
---邏輯分析儀是一種強大的工具,可以協(xié)助數(shù)字設(shè)計人員檢驗系統(tǒng),加快產(chǎn)品面市周期。但是,如果探頭不能有效地連接到被測系統(tǒng)上,那么再強大的邏輯分析儀也是沒有用的。在信號速度提高時,探頭連接決定著實現(xiàn)的是精確測量、還是給驗證部門帶來頭痛的問題。本文說明了邏輯分析儀探頭基礎(chǔ)知識,介紹了當前為設(shè)計人員提供的部分探頭解決方案。通過了解邏輯分析儀探頭及提前進行某些規(guī)劃,可以成功地實現(xiàn)邏輯分析。 作者簡介
---Brock LaMeres從蒙特納州立大學獲電子工程學士學位,從科羅拉多大學獲電子工程碩士學位。目前擔任安捷倫科技公司硬件設(shè)計工程師,負責設(shè)計邏輯分析儀中使用的高速印刷電路板,同時還是位于Colorado Springs的科羅拉多大學的兼職講師,負責講授微處理器系統(tǒng),研究方向包括傳輸系統(tǒng)和高速數(shù)字設(shè)計的建模和特性分析。
---Kenny Johnson從堪薩斯州立大學獲機械工程學士學位。已經(jīng)在安捷倫科技公司(惠普)工作了18年,任邏輯分析儀和邏輯分析儀探頭的制造開發(fā)工程師和研發(fā)項目經(jīng)理。目前,擔任安捷倫公司邏輯分析儀探頭產(chǎn)品市場經(jīng)理,持有與探頭有關(guān)的六項美國專利。 |
