逻辑分析仪提供商已经能让这些设备的速度和功能与工业需求同步,但在很多情况下,从逻辑分析仪到目标系统的物理连接(如探头)可能成为性能瓶颈。
若逻辑分析仪所收到的信号被衰减,那么逻辑分析仪强大的触发和分析工具也变得没有任何意义。本文讨论的问题也是工程师成功连接逻辑分析仪探头所必须了解的基本问题。
几十年来,工程师一直依赖逻辑分析仪,把它们作为主要的系统验证工具。随着科学技术的发展,工程师所设计的数字系统的运行速度不断加快、指令更加复杂,从而也要求更为复杂的分析工具。
探头的外形因子
在使用逻辑分析仪时,设计工程师应首先考虑到探头的外形因子的类型。探头的连接可分为两类:一类是“已设计好(designed-in)”的连接,另一类是“事后设计的(after-the-fact)”的连接。
designed-in型逻辑分析仪探头的测试点已被集成到*初设计中,基于连接器的探头或无连接器探头就是采用这种方式。在这种情况下,设计工程师在PCB上设计合适的焊盘,并将待信号连到这些焊盘上,这样逻辑分析仪探头就与待测点有较好互连。
在基于连接器的探头中包含了相互契入的连接器,而无连接器探头则具有连接PCB上焊盘的压缩互连(compression interconnect)。
after-the-fact型探头应用于可测试性能没有集成到设计中的系统,该系统通过一个包括一系列连接组件(焊接头、接线夹等)的单个探头尖(probe tip)来与待测系统连接。*常见的after-the-fact探头一般利用如图1b所示的“flying-lead(飞线)”探头。
探头的电气负载
任何探头的目标都是给仅给系统带来*小的电气负载。如果探头对系统性能带来太多影响,探头就无法帮助设计工程师验证系统,因为系统故展可能完全是由于探头而引起的。
负载具有产生两个主要影响:首先,它降低目标PCB上的信号质量,导致系统发生失效。其次,它会降低进入逻辑分析仪中被测波形的信号质量──这会在评估时产生消极错误。为了避免这些问题,设计工程师必须了解探头的结构。
探头的阻抗通常很高。探头针(probe tip)电路由一个20kΩ的电阻构成。低频下,探头阻抗等于该电阻的阻值。随着频率的提高,探头内的寄生电容开始降低其阻抗。阻抗根据标准RC响应而变化,这也是目标系统所关注的,因为当探头阻抗接近系统阻抗时,由探头形成的分压器的作用就不能被忽视了。低阻抗将吸收大部分信号并导致系统发生故障。
探头的电容大小主要由互相连接的结构决定。例如,若目标信号和探头头的电阻之间有一个非常大的连接器,则这个连接器会给探头负载增加一个大容量的电容。相反,采用小连接器则将减小探头电容。
针对更轻电气负载应用的*新探头是“无连接器”探头。在无连接器探头中,测试焊盘被置于目标系统上。逻辑分析器探头具有连接目标系统的压缩互连特性。通过从电气通道中去除物理连接器,其通道上的电容非常低(见表)。图2显示了多种探头外形因子的等效集总电容,以及这些探头对上升时间为150ps的系统的影响。
探头上的信号质量
正如前面提到的,探头尖上的信号质量非常重要,因为它可能导致逻辑分析仪出现错误结果。这也是让验证团队屡屡碰壁的一个原因,因为他们发现他们花了很多时间去调试的问题事实上不存在。为避免出现这种情况,必须考虑到探头尖上的信号质量。
除了减少探头的容性负载外,另外一个重要因素就是探头的位置。在对有多种终端匹配的电路进行探测时,这一点显得更为重要。对于某些终端匹配,接收器所观察到的信号质量已足够好,但该走线上其它任何点上的信号就可能差到不可接受了。
为解释这一点,我们假定有一个带串联终端匹配的传输线。串联终端匹配的原理是感应波形在一瞬间在终端电阻和传输线特征阻抗之间进行分配。幅值为一半的波形沿线传输到接收器。当它到达接收器时,它已经过100%的正反射,使该信号幅值增加1倍,这样就回复到原波形的幅值。反射波以相反的方向传输,直到它被源端的终端电阻吸收,结束瞬时响应。
尽管这样的终端匹配使接收器上的波形非常好,但波形在走线上的每一点都呈阶梯形。阶梯波形并不适于逻辑分析仪,因为在此期间,该波形的幅值只有一半。逻辑分析仪不能分辨出它是逻辑“1”还是逻辑“0”。图3显示了这种情况下的波形。请注意,接收器端的这种波形有较高的信号质量,而探头尖上被测到的波形质量则很是不可接受的。随着信号速度上升,探头尖上的信号质量对成功测量越来越重要。