硬件信号质量SI测试规范(3)

2019-04-09 11:50

4) 示波器的带宽:描述了示波器固有的上升时间(即时延)。探头和示波器的带宽要

超过信号带宽的3~5倍以上;

5) 示波器的采样速率:表示为样点数每秒(S/s),指数字示波器对信号采样的频率。

为了准确再现信号,根据香农(Shannon)定律,示波器的采样速率至少需为信号最高频率成分的2倍;

6) 量程应尽量小,波形尽量展开,以方便观察波形变化的细节,并准确测量其幅值; 7) 测量信号边沿时,应选用合适的边沿触发;

8) 高档示波器都具有毛刺捕捉模式,可以用于捕捉毛刺;

9) Tek示波器提供了InstaVu功能,用于发现信号异常,数据信号眼图异常及高电平低

电平毛刺,测量眼图,毛刺、纹波等瞬间变化的波形;

4.4 探头选择与使用要求

1) 不允许在探头还连接着被测试电路时插拔探头;

2) 有源探头和差分探头、电流探头等是很昂贵的设备,注意保护。插拔探头时必须先

关示波器。无源探头一般没有硬性规定,但是出于可靠考虑,建议所有探头都不能热拔插,拔插任何探头时都必须先关闭示波器;

3) 探头地线只能接电路板上的地线,不可以搭接在电路板的正、负电源端。否则,可

能会造成电路板器件损坏,甚至会烧坏探头的小夹子和探头本身;

4) 探头电容越小,它对电路的负载就越小,测试结果就更精确。选用时请根据情况仔

细考虑;

5) 探头是有测量幅度的,不要用于测大信号,以免造成探头损坏。例如:信号幅度超

过±40V时,用有源探头P6245和P6243测量会造成探头的损坏;

6) 差分探头能够测量的差分电压范围是有限的。例如,差分探头P6247,其上的开关打

在÷10档位时,能测的差分电压范围是±8.5V,打在÷1档位时只有±850mV。差分信号峰峰值超过850mV时(比如测公司常用的平衡线传输信号±5V),要注意选用÷10档,否则会因输入过大而使显示的波形发生错误;

7) 使用电流探头需先校准。每测试一个信号都需要校准一次;

8) 使用时,探针尽量垂直于测试表面。但不可用力按压,以免探针受损;

4.5 测试点的选择

1) 一般只测试单板接收到的信号,不测试发送的信号;

2) 信号质量测试点要求在信号在末端测量(根据当前信号流向决定测试点)。尽量在

芯片的输入管脚上测量,或者尽量靠近输入管脚;

3) 很多信号在单板上会经过多级匹配、驱动,对此类输入信号的测试点应选在匹配之

后,芯片输入端。建议各级驱动芯片的输入端都测量;

4) 对于同一个信号在不同的拓朴点上的情况(例如星形拓扑),其信号质量差异很大,

故一般要求所有输入点的信号质量必须进行测试; 5) 测试信号应就近接地,越近越好,以减少接地环路面积;

[注]选择测试点,还有一些非通用原则,参考第6节信号质量测试方法里详细说明。

5 信号质量测试通用标准

!

本规范针对绝大多数情况拟定,不做大而全的考虑,因此可能并没有包

括某些特殊信号。另外有些指标需要在研发实践中进一步修定!

5.1 信号电平简述:

信号质量涉及到的几个概念: 波形周期

对于重复性的波形,相邻两个重复波形间的间隔时间,定义为波形周期,其倒数为波形频率。

波形宽度

波形电压上升到波形幅度的50%起到波形电压下降到波形幅度的50%止的时间。

上升时间 下降时间 占空比 高电平

波形电压从波形幅度的10%上升到90%所需要的时间。 波形电压从波形幅度的90%下降到10%所需要的时间。 指波形宽度占周期的比例,例如方波的占空比为50%。

为一个阀值,当信号电平超过此值时,会被认为为高,也就是‘1’,在应用中,有输入输出之分。

低电平 为一个阀值,当信号电平低过此值时,会被认为为低,也就是‘0’,在应用中也有输入输出之分。

输入高电平(VIH) 输入低电平(VIL) 输出高电平(VOH) 输出低电平(VOL) 阀值电平(VT)

保证逻辑门的输入为高电平时所允许的最小输入高电平,当输入电平高于VIH时,则认为输入电平为高电平。

保证逻辑门的输入为低电平时所允许的最大输入低电平,当输入电平低于VIL时,则认为输入电平为低电平。

保证逻辑门的输出为高电平时的输出电平的最小值,逻辑门的输出为高电平时的电平值都必须大于此VOH。

保证逻辑门的输出为低电平时的输出电平的最大值,逻辑门的输出为低电平时的电平值都必须小于此VOL。

数字电路芯片都存在一个阈值电平,就是电路刚刚勉强能翻转作时的电平。它是一个界于VIL、VIH之间的电压值。对于CMOS电路的阈值电平,基本上是二分之一的电源电压值。但要保证稳定的输出,则必须要求输入高电平> VIH,输入低电平

[注] 对于一般的逻辑电平,以上参数的关系如下: VOH > VIH > VT > VIL > VOL。

5.2 合格标准

表1.

信号类型 TTL、ABT LVTTL、LVT、LVC、ALVC、LV VCC 5 3.3 电平信号高低电平合格标准(单位 V)

VOH 2.4 2.4 VIH 2 2 VT 1.5 1.5 VIL 0.8 0.8 VOL 0.4 0.4 CMOS LVCMOS LVDS CML ECL/LVECL PECL LVPECL GTL GTL+ ETL BTL(低电平为1V) HSTL-I、II HSTL-III、IV SSTL 2-I、II SSTL 3-I、II [2][1]5 3.3/2.5 1.5/1.8 0 5 3.3 —— —— 5 —— 1.5 1.5 2.5 3.3 表2.

4.4 2.4/2.0 1.475 1.5/1.8 -0.88 4.2 2.42 1.2 1.5 2.4 2.1 1.3 1.3 2.3 3.1 3.5 2.0/1.7 2.4 1.9 -1.24 3.9 2.06 0.9 1.1 1.6 1.6 0.85 1 1.43 1.7 2.5 1.5/1.2 1.2 1.6 -1.3 3.7 2.00 0.8 1 1.5 1.55 0.75 0.9 1.25 1.5 0.5 0.8/0.7 0 1.3 -1.36 3.52 1.94 0.75 0.95 1.4 1.47 0.65 0.8 1.07 1.3 0.5 0.2/0.2 0.925 1.0/1.3 -1.72 3.05 1.58 0.4 0.4 0.4 1.1 0.4 0.4 0.2 0.2 过冲毛刺合格标准(单位 V)

实测VIH要求 实测VIL要求 信号类型 正向过冲 负向过冲 正向回冲 负向回冲 正向毛刺 负向毛刺 PECL TTL CMOS GTL+ GTL <0.2 <1 <1 <0.4 <0.3 <0.2 <1 <0.6 <1 <0.4 <0.3 >3.87 >2.4 >2.4 >3.5 >1.2 >0.95 <3.52 <0.8 <0.8 <1.5 <0.3 <0.25 <3.52 <0.8 <0.8 <1.5 <0.3 <0.25 >3.87 >2.4 >2.4 <3.5 >1.2 >0.95 >3.87 >3 >2.8 >3.5 >1.4 >1.15 <3.52 <0.6 <0.6 <1 <0.4 <0.3 LVTTL(3V) <1 [小结] 从上表中可以看出: ①

正向回冲和毛刺应大于VOH,负向回冲和毛刺应小于VIL。也就是保证过冲和毛刺不被误判断为有效信号;

[1]

在HSTL标准中,根据输出缓冲特性的不同,HSTL被分为四种类型。其中第1、3、4类为并行终端负载,第2

类为串行终端负载。另外根据EIA/JESD8-6的规定,HSTL-II、HSTL-III和HSTL-IV的VT是可选的,VT的变化会影响VIH和VIL;

[2]

SSTL标准专门针对高速内存(特别是SDRAM)接口。目前存在两种SSTL的标准。SSTL_3是3.3V标准,SSTL_2

是2.5V标准。针对这两个标准,JEDEC(Joint Electron Device Engineering Council,电子元件工业联合会。是由生产厂

商们制定的国际性协议,主要为计算机内存制定标准)根据输出缓冲器的特点定义出多个不同的等级,常见的有I级

和II级。

② 正向过冲和负向过冲在器件absolute maximum rating 基础上略有放宽。

! 过冲

我们注意到芯片资料中常规定absolute maximum rating的要求,例如

LVTH16245 的器件资料规定其VI(直流输入电压)的范围-0.5 ~ +7.0V。当

管脚电压范围长期超过器件的absolute maximum rating时,器件很容易失效(器件资料里常提到:Absolute Maximum continuous ratings are those

与 values beyond which damage to the device may occur.)。对于我们调试、Absolute

测试过程中常遇到的时钟信号过冲,一般是处在时钟信号上升、下降沿上的,

Maximum

Rating 不是一直处于超过absolute maximum rating的状态。所以考虑实际情况,我

们以上表为依据来评估测试过冲,条件略有放宽。

如果管脚上电压长期为过压、负压,则不应超过absolute maximum rating。

5.3 信号质量测试结果分析注意事项

1) 对设计缺陷的窄脉冲(如逻辑设计缺陷)等,不属于信号质量要求范围,而

属于设计错误,必须进行更正;

2) 参照信号的用途,分析信号质量对单板的影响。

一些情况下差的信号质量不一定会对系统造成影响的,不能单纯参照指标。比如数据、地址线是电平有效信号,并且通常在读写控制信号的上升/下降采样,边沿处信号质量对系统影响不大。因此在选择我们关注的测试指标时要按需求选择。但是也应当指出,边沿处的过冲虽然对系统的功能实现可能没有影响,可是会对器件的寿命造成不良影响。

3) 酌情考虑输入信号的过冲对器件的影响,视器件本身的设计,工艺而定。

现在的CMOS工艺的输入电平可达0~7V,所以高电平过冲对器件的影响较小,主要应该关注低电平过冲。器件功能出现异常可能不仅与低电平过冲的幅度有关,还与低电平过冲的时间宽度有关。对CMOS器件尤其要注意其低电平过冲的影响,可能造成闩锁现象。 对于不同的器件,对低电平要求应符合厂家规定的absolute maximum rating 的要求。


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