中心議題：
- 實現(xiàn)邏輯分析儀成功探測的6項提示
為了完成今天越來越復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計, 工程師需要完善的分析工具。對于系統(tǒng)驗證任務(wù), 大多數(shù)工程師都要依靠邏輯分析儀。隨著被測系統(tǒng)速度的不斷提升和復(fù)雜程度的持續(xù)增加, 邏輯分析儀廠商也及時提高了儀器的性能和功能, 以滿足工程師的需求。在許多情況下, 邏輯分析儀主機的性能往往超過手頭任務(wù)的需要, 而從分析儀到目標(biāo)系統(tǒng)的探頭物理連接則成為系統(tǒng)性能的瓶頸。如果邏輯分析儀接收到的信號有畸變, 那么邏輯分析儀的強大觸發(fā)和分析工具將是無用武之地。
這篇應(yīng)用指南將討論實現(xiàn)成功邏輯分析儀探頭連接, 需要考慮的探測問題。我們將介紹探頭結(jié)構(gòu)形式選擇、探頭負(fù)載和信號質(zhì)量概念, 以及與接地有關(guān)的常見問題。最后討論兩種容易犯的錯誤: 在錯誤的引線位置探測和選擇了錯誤的互連。
提示1探頭結(jié)構(gòu)形式
如果您決定使用邏輯分析儀, 也就必須選擇使用何種類型的探頭連接。探頭連接可分成兩大類: “設(shè)計中包括連接”和“事后連接”。對于設(shè)計中包括的連接, 邏輯分析儀探頭所探測的測試點就融入在最初設(shè)計中。連接器探頭和無連接器探頭都屬于這類連接。為使用這兩類探頭,設(shè)計師在電路板上布放適宜的焊盤,并把感興趣的信號連到焊盤上。邏輯分析儀探頭上的連接器能與目標(biāo)連接器可靠插接。無連接器探頭則能壓在電路板焊盤上, 以保證良好地接觸 (圖1a)。
探頭 “事后連接” 的適應(yīng)測試能力未融入設(shè)計的系統(tǒng)。此時您需要用包括各種互連附件（焊接、抓鉤等）的探頭觸針實現(xiàn)連接。最常用的“事后連接”探頭是飛線探頭(圖1b)。
在討論各種探頭結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點前, 先了解您在把邏輯分析儀接到系統(tǒng)時會遇到的一些問題。
圖1. 這些照片對“設(shè)計中包括連接”的探頭和“事后連接”的探頭進行比較。
提示2探頭負(fù)載
您要設(shè)法盡可能減小探頭對系統(tǒng)呈現(xiàn)的電氣負(fù)載。如果探頭極大改變了系統(tǒng)性能, 它就不能幫助您驗證系統(tǒng); 因為故障可能完全是因探頭引發(fā)。負(fù)載主要有兩方面影響。首先是降低目標(biāo)電路板上的信號質(zhì)量, 并進而導(dǎo)致系統(tǒng)故障。其次是降低送入邏輯分析儀的被觀察波形質(zhì)量。這會在驗證中導(dǎo)致錯誤的否定結(jié)論。為避免這些問題, 您必須了解探頭的結(jié)構(gòu)。
邏輯分析儀探頭有高輸入阻抗。探頭觸針電路包括一個20kΩ量級的觸針電阻器。低頻時的探頭阻抗接近該阻值。隨著頻率的上升，探頭的寄生電容開始降低它的阻抗。阻抗沿標(biāo)準(zhǔn)RC響應(yīng)滾降。這可能造成目標(biāo)系統(tǒng)的問題; 當(dāng)探頭阻抗開始接近系統(tǒng)阻抗時, 由探頭構(gòu)成的電壓分壓器起著實質(zhì)性的作用。低阻抗將吸收大量電流, 從而造成系統(tǒng)故障。
探頭中的電容主要與連接器有關(guān)。例如若目標(biāo)信號與探頭觸針電阻間有大的連接器, 該連接器就會把大電容加到探頭負(fù)載中。使用小的連接器可減小這一電容量。
無連接器探頭提供較低的電氣負(fù)載。如前所述, 當(dāng)您使用無連接器探頭時, 就要在目標(biāo)系統(tǒng)上放置承載焊盤。邏輯分析儀探頭壓著在目標(biāo)小電路板上實現(xiàn)電氣連接。由于消除了電氣路徑中的物理連接器, 就能實現(xiàn)非常低的電容量 (見表1)。
圖2 顯示負(fù)載端接傳輸線上各種探頭結(jié)構(gòu)形式對等效集總電容的影響。波形顯示來自探頭的電容性反射如何在初始波形后某一時刻到達接收器。[page]
| 探頭 | 探頭類型 | 等效電容 |
| E5380A | Mictor連接器 | 3.0 pF |
| E5378A | Samtec 連接器 | 1.5 pF |
| E5381A | 飛線 (焊接) | 0.9 pF |
| E5390A | 軟觸無連接器 | 0.7 pF |
表1.
圖2. 波形是比較各種互連探頭負(fù)載的好方法。負(fù)載隨連接器尺寸的減小(或消除)而減小。系統(tǒng)的原上升時間是150ps。
提示3探頭觸針處的信號質(zhì)量
如前所述, 探頭導(dǎo)致進入邏輯分析儀中的信號質(zhì)量變差，從而得出錯誤的否定結(jié)論。這是驗證者遇到麻煩的原因, 因為他們把大量時間用在調(diào)試并不存在的問題上。為避免這一問題, 您必須注意探頭觸針處的信號質(zhì)量。
除了留意探頭的電容性負(fù)載外,您還必須注意探頭位置。這在選擇各種不同端接方案時尤為重要。對于某種特定的端接方案, 接收器觀察的信號可能有足夠好的信號質(zhì)量, 但在連線任何其它點觀察到的信號卻可能無法接受。
為說明這一點, 先來分析串聯(lián)端接傳輸線理論。感應(yīng)波形瞬間在源端電阻和導(dǎo)線特性阻抗間分開。半幅度的電波沿傳輸線傳輸?shù)浇邮掌鳌Ｔ诘竭_接收器時經(jīng)過 100% 的正反射, 把半幅信號加倍得到原波形的幅度。該反射波以相反方向在傳輸線
上傳輸, 直到被源端電阻器吸收, 從而結(jié)束瞬態(tài)響應(yīng)。
雖然這種方案為接收器提供一個良好的波形, 但該波形在傳輸線上呈階梯形狀。階梯波形不適合邏輯分析儀, 因為邏輯分析儀不能確定波形半幅度期間到底是邏輯“1”還是邏輯“0”。圖3顯示這種情況的波形。注意接收器處的波形信號質(zhì)量良好,而在探頭觸針處觀察到的波形卻無法接受。隨著信號速度的增加, 探頭觸針處的信號質(zhì)量對于成功的測量變得尤為重要。
圖3. 在接收器處和在探頭觸針處觀察到的串聯(lián)端接系統(tǒng)波形。
注意在連線中間處觀察到的波形階梯形狀。它表明正向傳輸?shù)陌敕炔ㄐ问峭邮掌鞣较騻鬏敗７聪騻鬏旈g反射波形與正向傳輸波形疊加后得到其最終值。
提示4接地問題
您在使用邏輯分析儀時需留意接地是否良好。探頭的接地信號是被觀察信號的參照。電氣信號必須有它的返回電流路徑。通常認(rèn)為返回路徑是具有零電阻的理想導(dǎo)體。如果不是這種情況, 接地返回路徑阻抗上就有電壓降。這一電壓降將降低邏輯分析儀看到的電壓幅度。當(dāng)把探頭接地時, 您的目標(biāo)是提供盡可能低阻抗的返回路徑 (或地連接)。從而使邏輯分析儀能夠觀察到原信號幅度。
地線過長是引起問題的常見原因。長地線的等效串聯(lián)電阻造成跨該阻抗的壓降。為避免這一問題, 地線長度不應(yīng)超過信號線過多。大致相等的長度能使信號路徑和接地路徑中的寄生電阻相匹配。
另一常遇的探測問題是接地回路的自感。在地線和信號線構(gòu)成環(huán)路時, 接地路徑將產(chǎn)生正比于回路面積的自感。由于電感器感抗與頻率相關(guān), 所以這一電感會使系統(tǒng)帶寬變窄。在高頻時, 因電感阻止電荷快速過地線從而減小帶寬。為緩解這一問題, 應(yīng)讓地環(huán)路盡可能小。使用連接器探頭或無連接器探頭時, 地環(huán)路大小通常已被確定。但飛線探頭是通過普通導(dǎo)線把探頭接到系統(tǒng)。此時有可能構(gòu)成大的地環(huán)路。為避免產(chǎn)生地環(huán)路, 要把地線和信號線擰在一起構(gòu)成雙絞線。大多數(shù)飛線探頭帶有雙絞線附件，能幫助解決這一問題。
不足的接地線數(shù)量也能導(dǎo)致探測問題。某些探頭 (如飛線探頭)是由使用者確定接地線數(shù)量。為理解這一問題, 以有16 個信號線，而僅有一個接地線的飛線探頭為例。此時所有16個信號的返回電流都必須通過這一個接地連接。在一個或二個信號返回時, 接地線的自感是足夠低的, 能夠避免跨地線的電壓。但對于16 個信號, 電流已大到足能產(chǎn)生不可忽略的電壓。
解決這一問題需要增加接地線數(shù)。在理想情況下一個信號有一個接地。所需要的接地數(shù)與頻率成正比。我們建議一個接地不要用于兩個以上信號。如果您在用邏輯分析儀捕獲數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)有問題, 首先要檢查接地線數(shù)。[page]
提示5在錯誤的連線位置探測
常犯的錯誤
雖然今天有各種可用的探測選擇, 但往往很難確定何種連接方案能確保成功。有時甚至難以知道到底可用哪種方案。下面的例子說明在選擇了不適合您應(yīng)用的探測解決方案時經(jīng)常出現(xiàn)的兩個問題。
回到前面討論的串聯(lián)端接系統(tǒng)。該系統(tǒng)用背板上的驅(qū)動器IC和BGA封裝的接收器實現(xiàn)。為方便起見, 使用者選擇在背板連接器引腳處探測信號。但我們在前面已經(jīng)說到, 在驅(qū)動器處探測串聯(lián)端接系統(tǒng)會在邏輯分析儀的探頭觸針處產(chǎn)生階梯波形。圖4a示出該連接方案, 圖4b示出邏輯分析儀觀察到的波形。
這一波形顯然是無法接受的。解決方案是把探頭直接放在接收器上。對BGA封裝的最近物理探測點是電路板背面通過焊盤的引出口。圖5示出新的連接方案, 它把飛線直接焊到BGA的通孔。此時得到的信號質(zhì)量如圖5b 所示。
提示6選擇了錯誤的互連
考慮邏輯分析儀觀察到的是在電路板兩個元件之間的信號。該信號在電路板外層, 不超過3.5pF 的負(fù)載不會導(dǎo)致系統(tǒng)故障。設(shè)計師決定用基于Mictor 連接器的探頭 (AgilentE5380A)觀察信號。由于連接器的出腳和結(jié)構(gòu)要求, 信號不能直接接到連接器上。這就迫使設(shè)計師把連接器放在走線面, 而為每一信號另增通孔連接。從而需要在電路板另一層上經(jīng)過與原信號相垂直的走線實現(xiàn)至連接器的連接。圖6是這一連接的走線圖。
現(xiàn)在考慮使用Agilent E5390A軟接觸無連接器探頭的替代解決方案。此時, 您可把信號直接穿過探頭壓著點焊盤 (圖7)引入邏輯分析儀。采用這種方法, 系統(tǒng)就不會有附加的走線電容。探頭的凈電容是0.7pF。通過使用這種類型的連接方案, 您就能在不影響系統(tǒng)正常工作的條件下對電路進行分析。
圖6. 該連接方案用基于Mictor 連接器的探頭觀察總線信號。注意連接Mictor 需要另外增加走線長度。這就把走線電容 (3pF) 加到了連接器上。這一連接的凈電容已大于3.5pF，從而造成系統(tǒng)故障。
圖7. 這里是用軟接觸無連接器探頭觀察總線信號。減小的探頭負(fù)載和直接穿過壓著點的走線實現(xiàn)了可接受的邏輯分析連接。
探頭負(fù)責(zé)邏輯分析儀與您被測系統(tǒng)間的物理連接。在某些情況下探頭會成為性能的瓶頸。如果邏輯分析儀接收信號有畸變, 那么邏輯分析儀的強大觸發(fā)和分析工具將無用武之地。只有選擇正確的探頭結(jié)構(gòu)形式, 采取最小化探頭負(fù)載的措施,保證探頭觸針處的信號質(zhì)量, 才能把信號畸變減到最小。特別要注意接地的好壞，它會使結(jié)果大不相同。
