力科利用示波器实现高速信号的全方位分析

信号完整性分析基础系列之一——关于眼图测量（上）汪进进美国力科公司深圳代表处内容提要：本文将从作者习惯的无厘头漫话风格起篇，从四个方面介绍了眼图测量的相关知识：一、串行数据的背景知识; 二、眼图的基本概念; 三、眼图测量方法; 四、力科示波器在眼图测量方面的特点和优势。

全分为上、下两篇。

上篇包括一、二部分。

下篇包括三、四部分。

您知道吗？眼图的历史可以追溯到大约47年前。

在力科于2002年发明基于连续比特位的方法来测量眼图之前，1962年-2002的40年间，眼图的测量是基于采样示波器的传统方法。

您相信吗？在长期的培训和技术支持工作中，我们发现很少有工程师能完整地准确地理解眼图的测量原理。

很多工程师们往往满足于各种标准权威机构提供的测量向导，Step by Step，满足于用“万能”的Sigtest软件测量出来的眼图给出的Pass or Fail结论。

这种对于Sigtest的迷恋甚至使有些工程师忘记了眼图是可以作为一项重要的调试工具的。

在我2004年来力科面试前，我也从来没有听说过眼图。

那天面试时，老板反复强调力科在眼图测量方面的优势，但我不知所云。

之后我Google“眼图”，看到网络上有限的几篇文章，但仍不知所云。

刚刚我再次Google“眼图”，仍然没有找到哪怕一篇文章讲透了眼图测量。

网络上搜到的关于眼图的文字，出现频率最多的如下，表达得似乎非常地专业，但却在拒绝我们的阅读兴趣。

“在实际数字互连系统中，完全消除码间串扰是十分困难的，而码间串扰对误码率的影响目前尚无法找到数学上便于处理的统计规律，还不能进行准确计算。

为了衡量基带传输系统的性能优劣，在实验室中，通常用示波器观察接收信号波形的方法来分析码间串扰和噪声对系统性能的影响，这就是眼图分析法。

如果将输入波形输入示波器的Y轴，并且当示波器的水平扫描周期和码元定时同步时，适当调整相位，使波形的中心对准取样时刻，在示波器上显示的图形很象人的眼睛，因此被称为眼图（Eye Map）。

发明了世界第一台数字示波器的力科又为工程师献上了一份厚礼谈到LeCroy（力科）这家公司，就会让人想起以示波器为代表的信号分析产品。

该公司正是精于这方面的研发。

力科是高能物理学家Walter LeCroy于1964成立的一家美国公司，起初专业研制高能物理测试仪，其早期的多通道数据采集卡用于高速物理粒子脉冲信号的采集。

2004年和2006年，通过收购两家协议分析仪厂商（CATC和Catalyst），并将它们合并成一个协议分析部门，这帮助力科逐渐成为了全球协议分析仪的翘楚。

2012年，力科被T eledyne收购，成为Teledyne LeCroy。

说起示波器，1970年之前的产品还都是模拟的，而当今用到的则都是数字化的产品了，这是因为，1971年，LeCroy发明了第一台数字示波器。

所谓数字的，就是通过ADC将模拟的输入信号转化为数字的，然后再进行处理。

其重要参数指标为带宽和通道数，再有就是精度（ADC位数）、采样率和存储深度。

通道数方面，传统的示波器多为4路，而当今的产品则较传统的多了很多，8路较为常见，最高甚至达到64路。

在精度方面，目前业界最高的是12bit，而这也是LeCroy所擅长的，因为业界很多示波器还处在8bit的水平。

在带宽方面，LeCroy已经可以提供最高100GHz的产品，其单台仪器普遍实现了8通道，而通过模块化的设计和组合，最高可以实现64路的高端应用方案。

在示波器中，精度和速度永远是矛盾的，总是相互制约，即ADC 的位数和仪器的带宽之间，总是需要权衡，是此消彼长的关系。

在这方面，LeCroy区域销售经理Scott Zhang表示，他们正在带动行业，从8bit进阶到12bit，为此，该公司在研发相关ADC方面投入了很大的财力和人力。

因为示波器用的ADC与通用ADC产品不同，大都是由示波器设备厂商自己研发，因为普通ADC的采样率很难满足示波器的需求。

在精度方面，LeCroy的12bit性能是纯硬件实现的，这个精度的示波器也是该公司于2011年在业界第一家推出的。

力科示波器力科示波器基础知识数字示波器基本原理示波器主要有五大功能：即对信号进行捕获,观察,测量，分析和存档。

被测信号经过探头和前端放大器以及归一化后转换成ADC可以接受的电压范围，采样保持电路按固定的采样率将信号分割成一个个独立的采样电平，ADC将这些电平转化为数字的采样点，这些数字的采样点保存在采集存储器里送显示和测量分析。

带宽如无特别说明，通常谈到的带宽是指模拟带宽，除此之外还有数字带宽、系统带宽、触发带宽等。

模拟带宽就是示波器前端放大器幅频特性曲线的截止频率点。

示波器带宽的限制对信号的捕获影响如下：1,延长被测信号上升时间；2,减少了被测信号的频率分量；3,使被测信号相位失真。

目前实时示波器的最高带宽达到了45GHz，是由力科公司提供的。

如何选择带宽选择带宽主要考虑被测信号的类型和我们期望的测量准确度，关键是上升时间和幅度测量的准确度。

对时钟和快沿信号而言，可以从上升时间角度来选择，建议示波器的上升时间小于被测信号上升时间的1/3；对于串行信号来说，当示波器带宽是波特率的1.8倍时可以覆盖信号能量的99%，当然，这是基于一个前提，被测信号的上升时间要大于20%的UI。

示波器的上升时间=0.35/带宽，0.35是基于高斯响应曲线推导出来的理想值。

实际值可能在0.35-0.45之间，具体大小可以查看产品的Datasheet确认。

采样率/存储深度/可分析的存储深度采样率表示示波器每秒钟等时间间隔采样多少个点。

存储深度表示示波器当前保存的采样点的个数。

把经过A/D转换的八位二进制波形信息存储到示波器的高速CMOS存储器中就是示波器的存储，这个存储器的容量就是存储深度。

存储深度=采样率X采样时间，这个关系式非常重要。

可分析的存储深度表示示波器有能力分析采样下来的波形的最多的点数。

目前世界上最高采样率（120GS/s）和最高可分析存储深度（768Mpts）是由力科公司提供的。

插值示波器通常有两种插值方法，一种是线性插值，即将采样的点和点直接相连，另外一种是sin(x)/x插值，假设信号是按正弦规律变化,在两个点之间补充若干个点再连成线。

引言：本文是力科示波器探头使用指南的第二部分，旨在帮助用户了解力科示波器探头的使用方法和技巧。

在本文中，我们将介绍力科示波器探头的基本原理、选择和连接方法、调节和校准技巧，以及一些常见问题的解决方法。

概述：力科示波器探头是一种用于测量电路中的电压和信号的设备，它可以将电压和信号转换为示波器可读取的波形图。

正确使用力科示波器探头可以提高测量的准确性和稳定性，确保测试结果的可靠性。

正文内容：一、力科示波器探头的基本原理1.探头的结构和工作原理2.探头的频响特性和灵敏度3.探头的衰减和放大功能4.探头的输入和输出阻抗二、力科示波器探头的选择和连接方法1.探头的不同类型和规格2.根据测试对象和电路条件选择合适的探头3.探头的连接方法和注意事项4.使用配套的适配器和接头进行连接三、力科示波器探头的调节和校准技巧1.校准示波器探头的接地引线2.调整示波器的垂直和水平灵敏度3.校准示波器探头的频响特性和衰减系数4.使用示波器的自动校准和校准信号源进行校准四、力科示波器探头常见问题的解决方法1.探头引线和连接器的故障排除2.探头频响特性不一致的解决方法3.探头衰减和放大功能失效的解决方法4.探头引入的干扰和噪音问题的解决方法5.探头与被测电路之间的匹配问题的解决方法五、总结本文介绍了力科示波器探头的基本原理、选择和连接方法、调节和校准技巧，以及一些常见问题的解决方法。

正确使用示波器探头对于准确测量和分析电路中的信号非常重要，希望本文对用户能够有所帮助。

在实际使用过程中，用户还应根据具体需求和测试条件进行进一步的实践和调试，以获得更准确的测量结果。

高速信号常见问题分析（二）--------高速信号线跨沟对眼图抖动的影响分析胡为东美国力科公司上海代表处【摘要】本文简单介绍了高速信号跨沟及回流的概念，并结合实际测试分析高速信号线发生跨沟现象时，高速信号的眼图、抖动以及频谱能量等有何变化。

【关键词】高速信号跨沟力科示波器眼图抖动一、高速信号跨沟及信号回流的基本概念下图1所示为一个信号流向及其回流示意图。

基于基尔霍夫定律，电流是闭环的，也就是说任意一个电路的节点只要有电流流出就一定会有电流流入，返回到节点（通常是驱动器）的电流通常就叫返回电流。

，且高频电流总是沿着最小的环路面积移动，高频返回电流通常是沿着阻抗最小的路径返回。

对于一个同轴电缆，其芯线为电流流动路径，而外壳的地就是返回电流的流动路径，所谓信号跨沟也就是返回电流的路径被断开或者是有部分沟槽；对于一个PCB板上的高速传输线来说，其电流流动路径为PCB板上的传输线，电流返回路径通常为与传输线相邻的地平面或者电源平面层（也称为传输线的参考平面），当与传输线相邻的参考平面层有沟槽等不完整现象时，返回电流的路径就可能被破坏，这时候也称高速信号跨沟。

如图1所示，当返回电流路径被断开或者被沟槽阻隔时通常称为高速信号跨沟。

图1 信号流向及回流路径示意图当高速信号发生跨沟现象时，整个电流的环路面积将增加，通常系统的EMC辐射也将增加。

同时传输线的特征阻抗也将发生变化（如下图2所示为信号线阻抗变化曲线），信号遇到传输线特征阻抗突变点时将发生发射、振铃等信号完整性问题。

图2 Lecroy WE100H-TDR测得的PCB传输线阻抗变化示意图那么高速信号跨沟对信号的眼图、抖动、上升时间等影响是否很大呢？下面我们使用Lecroy的最新款示波器WP760 ZI 来实测下一个3.125Gb/s的XAUI信号跨越分割平面后的眼图、抖动、频谱等参数变化情况以及一个快沿信号（Lecroy的WP760 ZI自带有一个SMA输出接口可以发出一个上升时间为70ps左右（20%-80%），见下图3），可以很方便的用作快沿调试信号。

常规的眼图测量眼图测试是高速串行信号物理层测试的一个重要项目。

眼图是由多个比特的波形叠加后的图形，从眼图中可以看到：数字信号1电平、0电平，信号是否存在过冲、振铃？抖动是否很大？眼图的信噪比？上升下降时间是否对称（占空比）？眼图反映了大数据量时的信号质量，可以最直观的描述高速数字信号的质量与性能。

如图1所示为某1.25G信号的眼图。

可以看到该信号的抖动较大。

另外，在很多高速数字信号的标准中，定义了不同测量点的眼图模板。

图1的深蓝色部分是眼图模板，测量到的眼图不能触碰到该模板。

在实时示波器中，通常使用连续比特位的眼图生成方法。

力科于2002年在业界最早采用连续比特位的眼图测试方法。

首先，示波器采集到一长串连续的数据波形；然后，使用软件CDR恢复时钟，用恢复的时钟切割每个比特的波形，从第1个、第2个、第3个、一直到第n-1个、第n个比特；最后一步是把所有比特重叠，得到眼图。

什么是BER?在数字电路系统中，发送端发送出多个比特的数据，由于多种因素的影响，接收端可能会接收到一些错误的比特（即误码）。

错误的比特数与总的比特数之比称为误码率，即Bit Error Ratio，简称BER。

误码率是描述数字电路系统性能的最重要的参数。

在GHz比特率的通信电路系统中（比如Fibre Channel、PCIe、SONET、SATA），通常要求BER小于或等于。

BER= 指的是发送/接收了10 个比特，只允许1个比特出错。

误码率较大时，通信系统的效率低、性能不稳定。

影响误码率的因素包括抖动、噪声、信道的损耗、信号的比特率等等。

基于误码率的眼图轮廓测试（BER Eye Contour）－力科称为ISOBER在上文中提到眼图是多个比特位的信号叠加得到的测量结果，所以测试中需要注意眼图是由多少个比特组成的？使用常规的实时示波器来测量高速串行信号的眼图，在几秒钟内可以生成1万个比特叠加的眼图。

力科示波器使用了创新的XStream II专利技术，可以快速的生成眼图，以SDA816Zi测量3.125Gbps的XAUI信号为例，大概几秒就可以得到上百万个比特的眼图。