KA_IX

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PCB设计信号完整性的9大测试

2021-7-26 13:53:20 显示全部楼层
信号完整性设计,在PCB设计过程中备受重视。目前信号完整性的测试方法较多,从大的方向有
  • 频域测试
  • 时域测试
  • 其它测试3类方法
但是3类方法不是任何情况下都适合使用,信号完整性的测试方法,需要用到的仪器也很多。

熟悉各类测试方法的特性,按照测试对象的特征和需求,选用合适的测试方法,对于选择方案,验证效果能够大大提高效率。

1.波形测试

波形测试,是信号完整性测试最基础的方法,通常使用示波器进行测试。测试波形的幅度、毛刺、边沿等。通过测试波形的特征,分析幅度、边沿时间等指标是否满足要求。波形测试需要遵循一定要求,才能保证测试误差尽量小。
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波形测试

主机和探头一起配套的带宽要满足要求。基板上测试系统的带宽应该在测试信号带宽的3倍以上。在工程实践中,有的工程师随意找些探头就测试,不同厂家的探头匹配不同厂家的示波器,综合情况测试系统的误差就会很大。

其次,需要注重细节。如测试点一般选择在接收器件的附近,若条件限制无法测试,像BGA封装这类的器件,需要放在靠近Pin脚的PCB走线上或者Via上。间隔接收器件PIn脚太远,信号发射,可能会促使测试结果和实际真实信号差异较大。探头的接地线,也尽可能选择短的接地线等。

最后,应该考虑匹配。主要关于使用同轴电缆测试的应用场景,同轴接到示波器上,负载常规是50Ω阻抗的直流耦合,对于有的电路,需要直流偏置,直接将测试系统接入会导致电路工作状态有影响,最终导致测试不到正常的波形。

2.眼图测试

眼图测试,也是常规的测试方法。针对有相关规范要求的接口,如USB、SATA、HDMI、光接口等。

该系列标准接口信号的眼图测试,主要通过具有MASK的示波器(含通用示波器、采样示波器、信号分析仪)。这类示波器内部具有的时钟提取功能,能够显示眼图。

然而对于没有MASK的示波器,需要使用外接时钟实现触发。
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眼图测试

使用眼图测试时,需要留意测试波形的数量,尤其是对于接口眼图判断是否符合规范时,数量太少,波形的抖动相对较小。常规情况下,测试波形的数量在3000左右最佳。

当前的一些仪器,使用分析软件,能够对眼图的详细情况进行查看,如在MASK中渗入了一些采样点,在原来是不知道具体渗入情况。

所有的采样点是累加的,总体情况看就像是长余晖显示。

然而现在新的仪器,采用长存储的方式。将波形采集后进行后期处理显示,波形的每一个细节都能够体现留存,可以查看波形的异常情况,如波形到底是10011还是01001,该功能能够辅助电子工程师快速定位问题分析并解决。

3.抖动测试

抖动测试备受关注,鉴于专用的抖动测试仪器,比如TIA(时间间隔分析仪)、SIA3000,价格不便宜,使用频次还很少。

使用较多的是示波器加上软件处理,如keysight的EZJIT软件。通过软件处理,分离出不同分量,比如RJ和DJ,以及DJ中的各个分量。

对于该类测试,选择的示波器,长存储和高速采样是必要条件,比如2M以上的存储器,20GSa/s的采样速率。
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抖动测试

4.TDR测试

TDR测试目前主要应用于PCB(印制电路板)信号线、以及器件阻抗的测试,比如单端信号线,差分信号线,连接器线缆等。通常这类测试有要求,就是密切联系实际应用。

比如实际该信号线的信号上升沿应该在550 ps附近,那么TDR的输出脉冲信号的上升沿需要对应设置在550ps左右,而不使用50ps左右的上升沿。否则测试结果可能和实际应用有较大差异。
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TDR测试

纵观影响TDR测试精度的因素,主要有读数选择、反射、校准等,反射会导致较短的PCB信号线测试值误差严重,尤其是在使用TIP(探针)去测试的情况下最突出,因为TIP和信号线接触点导致很大的阻抗离散,导致反射发生,并导致附近范围的PCB信号线的阻抗曲线波动。

5.时序测试

如今器件的工作速率不断加快,时序容限相对也越来越小。时序问题引发的产品不稳定等问题也是常见的,所以时序测试的重要性非常突出。

测试时序常规需要多通道的示波器和探头,示波器的码型和状态触发或者逻辑触发功能,方便快速抓取到目标波形。
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时序测试

逻辑分析仪用于做时序测试的情况并不多,因为它主要作用是分析码型,即分析信号线上的具体是什么码,密切联合实际代码,初步分析相关指令或数据。

针对要求不高的应用场合,可以使用逻辑分析仪来测试。其相对示波器而言,优势在于通道数量多,但是其劣势在于探头连接困难,测试准备工序麻烦。

6.频谱测试

在开发前期,关于产品的测试应用较少。然而在后期的系统测试,如EMC的试验,许多产品必须经历的测试过程。通过这种测试发现一些超标的频点,然后使用近场扫描仪(核心仪器是频谱仪)。

像EMC Scanner分析电路板上具体的区域频谱超标,从而排查超标的原因。但是这类设备通常较昂贵,一般机构都不具备条件。因此常规情况下都是在设计前期考虑做好匹配和屏蔽,规避后期测试的结果不达标。
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频谱测试

7.频域阻抗测试

如今有许多标准接口,像E1(欧洲)/T1(北美)等,目的在于避免太多的能力反射,需要进行较好的匹配,同时在微波或者射频,互相对接,阻抗都有所要求。

通常情况下,需要进行频域的阻抗测试,阻抗测试常用网络分析仪(Network Analyzer),单端输入端口简单,差分输入端口,较为复杂,需要巴伦进行差分和单端转换。
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频域阻抗测试

8.传输线损耗测试

传输线损耗测试,主要针对长的电路板走线,或者线缆等,传输距离较远,或者进行高速信号传输的情况下,以及频域的串扰等,均可以通过网络分析仪来测试。因此,对于PCB的差分信号或者双绞线,可以使用巴伦进行差分转换单端,或者使用4端口网络分析仪来测试。

9.误码测试

误码测试通常是系统测试,使用误码仪,或者部分软件都可以完成测试。有时候通过两台PC,使用软件,测试连接两台PC间的网络误码情况。误码测试能够对数据的每一位进行测试,相比其它仪器(如示波器)只是部分时间开展采样,剩下大部分时间都在等待。容易遗漏细节。尤其是低误码率的设备,误码测试需要耗费大量时间,有时耗时一整天,或者几天。

在实际工程应用中,采用综上所述的测试手段,需要根据被测试对象,具体情况具体分析。有的需要考虑接口、有的就需要眼图测试、阻抗测试、误码测试等。另外有的普通电路板,可以采用波形测试、时序测试等。若设计的电路有高速信号,可以使用TDR测试,针对高速串行信号、时钟信号灯,还可以采用抖动测试等。
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误码测试

同时,众多的仪器,都可以实现多种测试、像示波器、能够实现时序测试、波形测试、眼图测试、抖动测试等。网络分析仪能够实现频域阻抗测试、传输损耗测试等。综合分析、灵活应用,提高测试效率、及时规避设计中的问题关键。
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