信号完整性 之波形完整性

信号完整性测试硬件电路测试中非常重要的一项是信号完整性测试，特别是对于高速信号，信号完整性测试尤为关键。

完整性的测试手段种类繁多，有频域，也有时域的，还有一些综合性的手段，比如误码测试。

不管是哪一种测试手段，都存在这样那样的局限性，它们都只是针对某些特定的场景或者应用而使用。

只有选择合适测试方法，才可以更好地评估产品特性。

本文将讲解常用的一些测试方法和使用的仪器。

一、波形测试使用示波器进行波形测试，这是信号完整性测试中最常用的评估方法。

主要测试波形幅度、边沿和毛刺等，通过测试波形的参数，可以看出幅度、边沿时间等是否满足器件接口电平的要求，有没有存在信号毛刺等。

波形测试也要遵循一些要求，比如选择合适的示波器、测试探头以及制作好测试附件，才能够得到准确的信号。

下图是DDR在不同端接电阻下的波形。

常见的示波器厂商有是德科技、泰克、力科、罗德与施瓦茨、鼎阳等等。

二、时序测试现在器件的工作速率越来越快，时序容限越来越小，时序问题导致产品不稳定是非常常见的，因此时序测试是非常必要的。

一般，信号的时序测试是测量建立时间和保持时间，也有的时候测试不同信号网络之间的偏移，或者测量不同电源网络的上电时序。

测试时序基本都是采用的示波器测试，通常需要至少两通道的示波器和两个示波器探头（或者同轴线缆）。

下图是测量的就是保持时间：三、眼图测试眼图测试是常用的测试手段，特别是对于有规范要求的接口，比如USB、Ethernet、PCIE、HDMI和光接口等。

测试眼图的设备主要是实时示波器或者采样示波器。

一般在示波器中配合以眼图模板就可以判断设计是否满足具体总线的要求。

下图是示波器测试的一个眼图：四、抖动测试抖动测试现在越来越受到重视，常见的都是采用示波器上的软件进行抖动测试，如是德科技示波器上的EZJIT。

通过软件处理，分离出各个分量，比如总体抖动（TJ）、随机抖动（RJ）和固有抖动（DJ）以及固有抖动中的各个分量。

对于这种测试，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。

信号完整性常用的三种测试方法信号完整性是指在传输过程中信号能够保持原始形态和准确性的程度。

在现代高速通信和数字系统中，信号完整性测试是非常重要的工作，它能够帮助工程师评估信号的稳定性、确定系统的极限速率并发现信号失真的原因。

下面将介绍三种常用的信号完整性测试方法。

一、时域方法时域方法是信号完整性测试中最常见和最直观的方法之一、它通过观察信号在时间轴上的波形变化来评估信号的完整性。

时域方法可以检测和分析许多类型的信号失真，如峰值抖动、时钟漂移、时钟分布、幅度失真等。

时域方法的测试设备通常包括示波器和时域反射仪。

示波器可以显示信号的波形和振幅，通过观察波形的形状和幅度变化来判断信号完整性。

时域反射仪可以测量信号在传输线上的反射程度，从而评估传输线的特性阻抗和匹配度。

二、频域方法频域方法是另一种常用的信号完整性测试方法。

它通过将信号转换为频域表示，分析信号的频谱分布和频率响应来评估信号完整性。

频域方法可以检测和分析信号的频谱泄漏、频谱扩展、频率失真等。

频域方法的测试设备通常包括频谱分析仪和网络分析仪。

频谱分析仪可以显示信号的频谱图和功率谱密度，通过观察频谱的形状和峰值来评估信号完整性。

网络分析仪可以测量信号在不同频率下的响应和传输损耗，从而评估传输线的频率响应和衰减特性。

三、眼图方法眼图方法是一种特殊的信号完整性测试方法，它通过综合时域和频域信息来评估信号的完整性。

眼图是一种二维显示，用于观察信号在传输过程中的失真情况。

眼图可以提供信号的时钟抖动、峰值抖动、眼宽、眼深、眼高等指标。

眼图方法的测试设备通常包括高速数字示波器和信号发生器。

高速数字示波器可以捕捉信号的多个周期，并将其叠加在一起形成眼图。

通过观察眼图的形状和特征，工程师可以评估信号的稳定性和传输质量。

总结起来，时域方法、频域方法和眼图方法是常用的信号完整性测试方法。

它们各自具有独特的优势和适用范围，可以互相协作来全面评估信号的完整性。

在实际应用中，根据具体需求和测试对象的特点，选择合适的测试方法是非常重要的。

信号完整性的测试方法介绍
信号完整性的测试手段很多，涉及的仪器也很多，因此熟悉各种测试手段的特点，以及根据测试对象的特性和要求，选用适当的测试手段，对于选择方案、验证效果、解决问题等硬件开发活动，都能够大大提高效率，起到事半功倍的作用。

表1：信号完整性测试手段分类。

信号完整性的测试手段
信号完整性的测试手段主要可以分为三大类，如表1所示。

表中列出了大部分信号完整性测试手段，这些手段既有优点，但是也存在局限性，实际上不可能全部都使用，下面对这些手段进行一些说明。

1.波形测试
波形测试是信号完整性测试中最常用的手段，一般是使用示波器进行，主要测试波形幅度、边沿和毛刺等，通过测试波形的参数，可以看出幅度、边沿时间等是否满足器件接口电平的要求，有没有存在信号毛刺等。

由于示波器是极为通用的仪器，几乎所有的硬件工程师都会使用，但并不表示大家都使用得好。

波形测试也要遵循一些要求，才能够得到准确的信号。

首先是要求主机和探头一起组成的带宽要足够。

基本上测试系统的带宽是测试信号带宽的3倍以上就可以了。

实际使用中，有一些工程师随便找一些探头就去测试，甚至是A公司的探头插到B公司的示波器去，这种测试很难得到准确的结果。

其次要注重细节。

比如测试点通常选择放在接收器件的管脚，如果条件限制放不到上面去的，比如BGA封装的器件，可以放到最靠近管脚的PCB走线上或者过孔上面。

距离接收器件管脚过远，因为信号反射，可能会导致测试。

信号完整性信号完整性研究：什么是信号完整性如果你发现，以前低速时代积累的设计经验现在似乎都不灵了，同样的设计，以前没问题，可是现在却无法工作，那么恭喜你，你碰到了硬件设计中最核心的问题：信号完整性。

早一天遇到，对你来说是好事。

在过去的低速时代，电平跳变时信号上升时间较长，通常几个ns。

器件间的互连线不至于影响电路的功能，没必要关心信号完整性问题。

但在今天的高速时代，随着IC 输出开关速度的提高，很多都在皮秒级，不管信号周期如何，几乎所有设计都遇到了信号完整性问题。

另外，对低功耗追求使得内核电压越来越低，1.2v内核电压已经很常见了。

因此系统能容忍的噪声余量越来越小，这也使得信号完整性问题更加突出。

广义上讲，信号完整性是指在电路设计中互连线引起的所有问题，它主要研究互连线的电气特性参数与数字信号的电压电流波形相互作用后，如何影响到产品性能的问题。

主要表现在对时序的影响、信号振铃、信号反射、近端串扰、远端串扰、开关噪声、非单调性、地弹、电源反弹、衰减、容性负载、电磁辐射、电磁干扰等。

信号完整性问题的根源在于信号上升时间的减小。

即使布线拓扑结构没有变化，如果采用了信号上升时间很小的IC芯片，现有设计也将处于临界状态或者停止工作。

下面谈谈几种常见的信号完整性问题。

反射：图1显示了信号反射引起的波形畸变。

看起来就像振铃，拿出你制作的电路板，测一测各种信号，比如时钟输出或是高速数据线输出，看看是不是存在这种波形。

如果有，那么你该对信号完整性问题有个感性的认识了，对，这就是一种信号完整性问题。

很多硬件工程师都会在时钟输出信号上串接一个小电阻，至于为什么，他们中很多人都说不清楚，他们会说，很多成熟设计上都有，照着做的。

或许你知道，可是确实很多人说不清这个小小电阻的作用，包括很多有了三四年经验的硬件工程师，很惊讶么?可这确实是事实，我碰到过很多。

其实这个小电阻的作用就是为了解决信号反射问题。

而且随着电阻的加大，振铃会消失，但你会发现信号上升沿不再那么陡峭了。

信号完整性（Signal Integrity，简称SI）是指信号在电路中以正确的时序和电压作出响应的能力。

是对信号线上信号质量的描述。

如果电路中信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度到达IC，则该电路具有较好的信号完整性。

反之，当信号不能正常响应时，就出现了信号完整性问题。

信号完整性问题主要表现为5个方面：延迟、反射、串扰、同步切换噪声(SSN)和电磁兼容性(EMI)。

延迟——延迟是指信号在PCB板的导线上以有限的速度传输，信号从发送端发出到达接收端，其间存在一个传输延迟。

信号的延迟会对系统的时序产生影响，在高速数字系统中，传输延迟主要取决于导线的长度和导线周围介质的介电常数。

反射——当PCB板上导线(高速数字系统中称为传输线)的特征阻抗与负载阻抗不匹配时，信号到达接收端后有一部分能量将沿着传输线反射回去，使信号波形发生畸变，甚至出现信号的过冲和下冲。

信号如果在传输线上来回反射，就会产生振铃和环绕振荡。

串扰——由于PCB板上的任何两个器件或导线之间都存在互容(mutual capacitance)和互感，当一个器件或一根导线上的信号发生变化时，其变化会通过互容和互感影响其它器件或导线，即串扰。

串扰的强度取决于器件及导线的几何尺寸和相互距离。

同步切换噪声——当PCB板上的众多数字信号同步进行切换时(如CPU的数据总线、地址总线等)，由于电源线和地线上存在阻抗，会产生同步切换噪声，在地线上还会出现地平面反弹噪声(简称地弹)。

SSN 和地弹的强度也取决于集成电路的IO特性、PCB板电源层和地平面层的阻抗以及高速器件在PCB板上的布局和布线方式。

电磁兼容性——同其它的电子设备一样，PCB也有电磁兼容性问题，其产生也主要与PCB板的布局和布线方式有关。

为什么要做信号完整性分析过去，在系统时钟低于50MHz的电路板设计中，信号完整性(SI)问题并不突出，在设计后期做适当的修改就可消除SI问题或将其影响降至最低。

信号完整性名词解释1、什么是信号完整性（Singnal Integrity）？信号完整性（Singnal Integrity）是指一个信号在电路中产生正确的相应的能力。

信号具有良好的信号完整性（Singnal Integrity）是指当在需要的时候，具有所必须达到的电压电平数值。

主要的信号完整性问题包括反射、振荡、地弹、串扰等。

常见信号完整性问题及解决方法：问题可能原因解决方法其他解决方法过大的上冲终端阻抗不匹配终端端接使用上升时间缓慢的驱动源直流电压电平不好线上负载过大以交流负载替换直流负载在接收端端接，重新布线或检查地平面过大的串扰线间耦合过大使用上升时间缓慢的发送驱动器使用能提供更大驱动电流的驱动源时延太大传输线距离太长替换或重新布线, 检查串行端接头使用阻抗匹配的驱动源, 变更布线策略振荡阻抗不匹配在发送端串接阻尼电阻2、什么是串扰（crosstalk）？串扰（crosstalk）是指在两个不同的电性能之间的相互作用。

产生串扰（crosstalk）被称为Aggressor，而另一个收到干扰的被称为Victim。

通常，一个网络既是Aggressor（入侵者），又是Victim（受害者）。

振铃和地弹都属于信号完整性问题中单信号线的现象（伴有地平面回路），串扰则是由同一PCB板上的两条信号线与地平面引起的，故也称为三线系统。

串扰是两条信号线之间的耦合，信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。

容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。

PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。

3、什么是电磁兼容（EMI）？电磁干扰（Ectromagnetioc Interference），或者电磁兼容性（EMI），是从一个传输线（transmission line）（例如电缆、导线或封装的管脚）得到的具有天线特性的结果。

印制电路板、集成电路和许多电缆发射并影响电磁兼容性（EMI）的问题。

信号完整性问题到底是什么？小白也能懂！摘要：信号完整性问题是一个系统性问题，广义上讲，信号完整性包括由于布局布线、电气互连、电源、器件等引起的所有信号质量及延时等等问题。

其主要原因是信号频率提升导致的信号边沿变陡，陡峭的上升沿包含更加复杂的高频信号及其分量，其相互作用下可能导致信号产生严重的畸变。

PCB板的工艺参数、元器件及在PCB板上的布局、高速信号的布线等等这些问题都可能引起信号完整性问题，导致系统工作不稳定，甚至完全不能正常工作。

我对这块的认识相对比较简单，信号完整性问题主要研究两个方面的问题：信号的幅度(电压)和信号时序。

信号能以要求的时间、顺序、电压幅度到达接收端时，该电路就有很好的信号完整性。

否则，就容易出现信号完整性问题。

信号完整性主要表现在振铃、串扰、反射、延迟、时序错误、抖动等几个方面。

1、振铃振铃是一种出现在信号快速转换时，附加在高速信号转换边缘上，且有一定衰减速度的震荡失真信号的现象。

2、串扰串扰在电子学上是指两条信号线之间的耦合现象。

这是因为空间距离近的信号线之间会出现不希望的电感性和电容性耦合从而互相干扰。

电容性耦合会引发耦合电流，而电感性耦合则引发耦合电压。

在印刷电路板设计和集成电路设计中，串扰是一个比较棘手的问题。

3、反射反射是指信号在传输线上传输时，当高速PCB上传输线的特征阻抗与信号的源端阻抗或负载阻抗不匹配时，发生反射，使信号波形出现过冲、下冲和由此导致的振铃现象。

如下图所示：过冲（Over shoot）是指信号跳变的第一个峰值（或谷值），它是在电源电平之上或参考地电平之下的额外电压效应；下冲（Under shoot）是指信号跳变的下一个谷值（或峰值）。

过大的过冲电压经常长期性地冲击会造成器件的损坏，下冲会降低噪声容限，振铃增加了信号稳定所需要的时间，从而影响到系统时序。

4、延迟，时序错误信号延迟和时序错误是指信号在PCB的导线上以有限的速度传输，信号从驱动端发出到达接收端，其间存在一个传输延迟。