在許多不同的應(yīng)用中，工程師經(jīng)常面臨驗證、調(diào)試或分析數(shù)字信號行為的挑戰(zhàn)。 數(shù)字信號是由一系列具有高頻正弦分量的模擬信號所疊加而成，并形成具有區(qū)分?jǐn)?shù)字值的邊緣。 測量這些信號的挑戰(zhàn)是，如果沒有仔細(xì)地理解和考慮測量的各個方面而進(jìn)行較為簡單的測量，則提供的結(jié)果可能不正確。
本文討論了在典型數(shù)字子系統(tǒng)中測量高頻數(shù)字信號的基本原理，以及如何獲得最佳、最可靠的結(jié)果來分析系統(tǒng)的信號完整性。
假設(shè)
由于完全理解數(shù)字系統(tǒng)知識量需要大量的知識，本文假設(shè)您熟悉以下概念：數(shù)字信號、阻抗匹配、傳輸線、數(shù)字信號端接和示波器。 此外，假定所有互連(電纜)都具有50Ω特性阻抗。
測量數(shù)字系統(tǒng)信號完整性的基礎(chǔ)知識
為了介紹測量數(shù)字系統(tǒng)信號完整性的概念，我們將評估一個基本的數(shù)字信號測量，如同示波器是系統(tǒng)的一部分一樣。 這意味著數(shù)字線路的輸出通過附件直接連接到示波器：
圖1：示波器與數(shù)字儀器的數(shù)字輸出串聯(lián)。 兩個儀器通過VHDCI轉(zhuǎn)SMB接線盒相連接。 這種常見情況可用于驗證附件端子輸出端的信號完整性。
在本例中，示波器位于傳輸線的末端，這意味著信號與示波器端接。 示波器如果采用1MΩ端接，則意味著方波信號將完全反射回發(fā)射器。如果使用50Ω端接，將不存在任何反射信號，同時示波器感測到的電壓減半。 這種電壓降是由于當(dāng)交流信號通過50Ω特性阻抗電纜到達(dá)發(fā)射器處的50Ω源阻抗時，會形成50Ω的分壓器電路。
圖2：圖1裝置的示意圖。
得到的測量結(jié)果將準(zhǔn)確顯示待測件(UUT)所接收到的傳輸線末端數(shù)字信號。下面是各種不同的探測應(yīng)用場景。
使用并行連接的示波器測量數(shù)字信號完整性
一個更復(fù)雜的場景是在示波器沒有端接信號時嘗試測量數(shù)字信號的完整性。在這種場景中，由數(shù)字儀器生成方波輸入到待測件中，我們希望示波器探針與數(shù)據(jù)傳輸并行連接，以便在信號通過傳輸線介質(zhì)傳播時查看信號：
圖3：系統(tǒng)上示波器探針測量簡圖。探針并聯(lián)連接，以便在信號通過傳輸線時觀察數(shù)字系統(tǒng)。
在這種情況測量數(shù)字信號時，需要考慮兩個主要因素：手持式探針對電路的影響和位置。 在并聯(lián)配置下使用探針測量數(shù)字信號時，應(yīng)仔細(xì)分析和理解探針連接到電路后輸入阻抗、電容和電感的變化。 例如，具有高輸入電容的無源探針可能會濾除信號中的較高頻率分量(舍入誤差、減慢邊緣過渡)，導(dǎo)致信號失真。 如果探針會大幅增大電容且導(dǎo)致信號失真，則可以考慮使用有源探針。 此外，接地線會使電路電感增大，這也可能導(dǎo)致信號的邊緣過渡較為緩慢。 理想的接地線很短，應(yīng)盡可能連接到靠近探測信號的地方，以盡量避免電感回路的產(chǎn)生。
確定此裝置中探測數(shù)字信號的位置時，有幾點基礎(chǔ)知識可以幫助您了解如何獲取最佳結(jié)果以及裝置如何根據(jù)傳輸線中的探針位置進(jìn)行更改：
●探測傳輸線的前端(信號從數(shù)字儀器發(fā)射器輸出的位置)無法準(zhǔn)確顯示UUT接收的信號。由于信號通過傳輸線會傳輸和反射信號，因而將在示波器上 “階躍”數(shù)字信號。
●探測傳輸線的中間(接線盒連接數(shù)字儀器和UUT的位置)也將顯示類似的階躍數(shù)字信號，但幅度沒那么高。 原因是一樣的：在看到信號通過后不久，又會看到反射波回到數(shù)字儀器。由于信號從接線盒到UUT再返回接線盒的傳播時間短于數(shù)字儀器上的往返延遲，所以階躍不太明顯。
●最好的探測位置在傳輸線的末端，應(yīng)盡可能靠近接收器。此信號最接近UUT實際接收的數(shù)字波。
圖4：圖3的示意圖。注意，黑色、黃色和藍(lán)色線是可能的探測點。 圖5顯示了示波器上顯示的所測量的數(shù)字上升沿。
圖5：示波器測量傳輸線中各個探測點處的數(shù)字上升沿。 信號從發(fā)射器開始(藍(lán)色探針的前半步)沿著傳輸線向下傳播(黃色探針)。 信號在接收器(黑色探針)處反射回發(fā)生器，使信號的振幅加倍。需要在黃色探針和最后的藍(lán)色探針處監(jiān)測反射能量，其中50Ω輸出阻抗會消散反射能量。
注意：上圖5假設(shè)的是一個高阻抗探針，示波器與高阻抗端接。 將端接電阻改為50Ω，同時使用裸露的50Ω電纜將不會發(fā)生信號反射。
測量環(huán)回測試的數(shù)字信號完整性
執(zhí)行環(huán)回測試時，裝置的一個重要變化是，路徑的長度是前一個示例的兩倍。 這是因為信號會同時傳送到UUT和接線盒，然后端接到信號生成的位置。 需要注意的是，傳輸線的末端現(xiàn)在是在數(shù)字儀器，我們要探測該位置才能準(zhǔn)確了解接收器上的數(shù)字信號。
對于NI數(shù)字儀器，這將需要拆除VHDCI連接器的外殼，使用探針直接探測導(dǎo)線。 在許多情況下，這對于應(yīng)用來說并不是必要的。 在有必要的情況下，應(yīng)確保在正確的位置進(jìn)行測量，才能正確地顯示實際接收的數(shù)字信號。
圖6：環(huán)路測試示意圖。
使用數(shù)字儀器測量數(shù)字信號邏輯
有一些應(yīng)用需要分析數(shù)字信號的邏輯，而不是信號完整性測試所需的模擬電壓電平。 對于這些應(yīng)用，使用數(shù)字儀器探測線路或總線可幫助用戶分析數(shù)字邏輯模式。 此類分析的一個示例是將飛線電纜同時連接到高阻抗數(shù)字輸入以及另一條數(shù)字總線。 這樣做可能會導(dǎo)致電纜增加線路的負(fù)荷并產(chǎn)生反射。 NI解決這個問題的方案是使用一個1 kΩ桶形衰減器，將其連接到飛線電纜的前端，這可減少探測電纜對系統(tǒng)的負(fù)載效應(yīng)。有關(guān)此配置的更多信息，請訪問ni.com上《數(shù)字飛線電纜用戶指南》的“衰竭采集”部分。
