原创 数字设计调试之追踪噪声

噪声是指数字系统中不想要的任何信号。传输线、地弹、反射、串扰、振铃、波传播都是越来越密、速度越来越快的芯片给当前电路设计带来的噪声问题。由于逻辑中拥有更快的上升时间(几volts/ns 的转换速率)，工程师经常要调试上升时间小于1 ns 的高速设计。

一、传输线效应：

在信号沿着线路来回传播的时间超过完成转换所需的时间时(在2Tprop > Trise 时)，连接可以作为传输线对待。对FR4 材料制成的典型电路板来说，其传播速度约为15 cm/ns。在1 ns 的上升时间时，比7 cm 长的任何轨迹都可能会产生传输线效应。由于反射和振铃，源信号和目的信号(接收端)通常不同。在测量这些速度的信号时，探测线路的接收端非常重要(图1)。

图一： 传输线等效电路显示了阻抗不匹配怎么样产生信号反射

一、振铃和反射

阻尼不足的谐振电路可能会导致振铃和过冲。电源旁路不足、连接到设备的电源线和地线太长、探测技术差，都会引起振铃和过冲。不匹配或未端接线路的反射会导致毛刺或其它转换问题。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

探头和探测技术影响着测量质量。高电容负荷可能会降慢信号边沿，在产生某些问题的同时，也会掩盖某些问题。让探头接触电路节点，可能会导致某种症状消失。来自探头地线的电感和来自探头输入的电容，会构成表现为振铃的串联谐振电路，除非谐振频率提高到示波器带宽以上。

缩短探头地线及降低输入电容，可以提高谐振频率。传统探头的负荷电容可以高达10-15 pF。有源探头减少了这一问题。例如，2.5 GHz TekVPITM有源探头的输入负荷电容为<0.8 pF。这种电容差可以控制振铃，允许使用更长的地线。

二、 地弹

  地弹是接地线中的电流尖峰导致的设备接地参考中发生的位移。在设备上多个输出同时开关时，它们会生成大的瞬时接地电流。搭接线、地线和回路中的电压跌落会导致设备内部的接地电位“反弹”超过系统接地。开关或未开关的输出中振铃或毛刺过多，可能会在其它设备中导致不想要的转换。地弹甚至可能会导致设备丢弃数据。

三、 串扰

这通常是数字设计中的问题，其中异步线路耦合到时钟线路中。串扰会导致假转换或“上拉”时钟边沿，产生定时误差或建立时间和保持时间超限。在上升时间加快时，程序会恶化。长探头地线会让您看到“假串扰”，因为长地线会产生大的电路环路。

在示波器上观察串扰时，应考虑通道数量、取样速率和带宽。为在DPO 上实时捕获信号，应在所有通道上设置充足的取样速率。

预防措施：

记住数字设计中要注意下述事项：

l         保持短的信号走线。

l         在走线的传播延迟超过上升时间的一半时，考虑传输线效应。

l         电源面和接地面与高效旁路电容器相结合，可以消除许多振铃和串扰问题。

l         在存在问题时，示波器在全部四条通道上一定要有足够的带宽和取样速率，能够有效观察事件。

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