在許多不同的應(yīng)用中，工程師經(jīng)常面臨驗(yàn)證、調(diào)試或分析數(shù)字信號(hào)行為的挑戰(zhàn)。 數(shù)字信號(hào)是由一系列具有高頻正弦分量的模擬信號(hào)所疊加而成，并形成具有區(qū)分?jǐn)?shù)字值的邊緣。 測(cè)量這些信號(hào)的挑戰(zhàn)是，如果沒(méi)有仔細(xì)地理解和考慮測(cè)量的各個(gè)方面而進(jìn)行較為簡(jiǎn)單的測(cè)量，則提供的結(jié)果可能不正確。

本文討論了在典型數(shù)字子系統(tǒng)中測(cè)量高頻數(shù)字信號(hào)的基本原理，以及如何獲得最佳、最可靠的結(jié)果來(lái)分析系統(tǒng)的信號(hào)完整性。

假設(shè)

由于完全理解數(shù)字系統(tǒng)知識(shí)量需要大量的知識(shí)，本文假設(shè)您熟悉以下概念：數(shù)字信號(hào)、阻抗匹配、傳輸線、數(shù)字信號(hào)端接和示波器。 此外，假定所有互連（電纜）都具有50Ω特性阻抗。

測(cè)量數(shù)字系統(tǒng)信號(hào)完整性的基礎(chǔ)知識(shí)

為了介紹測(cè)量數(shù)字系統(tǒng)信號(hào)完整性的概念，我們將評(píng)估一個(gè)基本的數(shù)字信號(hào)測(cè)量，如同示波器是系統(tǒng)的一部分一樣。 這意味著數(shù)字線路的輸出通過(guò)附件直接連接到示波器：

圖1：示波器與數(shù)字儀器的數(shù)字輸出串聯(lián)。 兩個(gè)儀器通過(guò)VHDCI轉(zhuǎn)SMB接線盒相連接。 這種常見(jiàn)情況可用于驗(yàn)證附件端子輸出端的信號(hào)完整性。

在本例中，示波器位于傳輸線的末端，這意味著信號(hào)與示波器端接。 示波器如果采用1MΩ端接，則意味著方波信號(hào)將完全反射回發(fā)射器。如果使用50Ω端接，將不存在任何反射信號(hào)，同時(shí)示波器感測(cè)到的電壓減半。 這種電壓降是由于當(dāng)交流信號(hào)通過(guò)50Ω特性阻抗電纜到達(dá)發(fā)射器處的50Ω源阻抗時(shí)，會(huì)形成50Ω的分壓器電路。

圖2：圖1裝置的示意圖。

得到的測(cè)量結(jié)果將準(zhǔn)確顯示待測(cè)件（UUT）所接收到的傳輸線末端數(shù)字信號(hào)。下面是各種不同的探測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景。

使用并行連接的示波器測(cè)量數(shù)字信號(hào)完整性

一個(gè)更復(fù)雜的場(chǎng)景是在示波器沒(méi)有端接信號(hào)時(shí)嘗試測(cè)量數(shù)字信號(hào)的完整性。在這種場(chǎng)景中，由數(shù)字儀器生成方波輸入到待測(cè)件中，我們希望示波器探針與數(shù)據(jù)傳輸并行連接，以便在信號(hào)通過(guò)傳輸線介質(zhì)傳播時(shí)查看信號(hào)：

圖3：系統(tǒng)上示波器探針測(cè)量簡(jiǎn)圖。探針并聯(lián)連接，以便在信號(hào)通過(guò)傳輸線時(shí)觀察數(shù)字系統(tǒng)。

在這種情況測(cè)量數(shù)字信號(hào)時(shí)，需要考慮兩個(gè)主要因素：手持式探針對(duì)電路的影響和位置。 在并聯(lián)配置下使用探針測(cè)量數(shù)字信號(hào)時(shí)，應(yīng)仔細(xì)分析和理解探針連接到電路后輸入阻抗、電容和電感的變化。 例如，具有高輸入電容的無(wú)源探針可能會(huì)濾除信號(hào)中的較高頻率分量（舍入誤差、減慢邊緣過(guò)渡），導(dǎo)致信號(hào)失真。 如果探針會(huì)大幅增大電容且導(dǎo)致信號(hào)失真，則可以考慮使用有源探針。 此外，接地線會(huì)使電路電感增大，這也可能導(dǎo)致信號(hào)的邊緣過(guò)渡較為緩慢。 理想的接地線很短，應(yīng)盡可能連接到靠近探測(cè)信號(hào)的地方，以盡量避免電感回路的產(chǎn)生。

確定此裝置中探測(cè)數(shù)字信號(hào)的位置時(shí)，有幾點(diǎn)基礎(chǔ)知識(shí)可以幫助您了解如何獲取最佳結(jié)果以及裝置如何根據(jù)傳輸線中的探針位置進(jìn)行更改：

●探測(cè)傳輸線的前端（信號(hào)從數(shù)字儀器發(fā)射器輸出的位置）無(wú)法準(zhǔn)確顯示UUT接收的信號(hào)。由于信號(hào)通過(guò)傳輸線會(huì)傳輸和反射信號(hào)，因而將在示波器上 “階躍”數(shù)字信號(hào)。

●探測(cè)傳輸線的中間（接線盒連接數(shù)字儀器和UUT的位置）也將顯示類(lèi)似的階躍數(shù)字信號(hào)，但幅度沒(méi)那么高。 原因是一樣的：在看到信號(hào)通過(guò)后不久，又會(huì)看到反射波回到數(shù)字儀器。由于信號(hào)從接線盒到UUT再返回接線盒的傳播時(shí)間短于數(shù)字儀器上的往返延遲，所以階躍不太明顯。

●最好的探測(cè)位置在傳輸線的末端，應(yīng)盡可能靠近接收器。此信號(hào)最接近UUT實(shí)際接收的數(shù)字波。

圖4：圖3的示意圖。注意，黑色、黃色和藍(lán)色線是可能的探測(cè)點(diǎn)。 圖5顯示了示波器上顯示的所測(cè)量的數(shù)字上升沿。

圖5：示波器測(cè)量傳輸線中各個(gè)探測(cè)點(diǎn)處的數(shù)字上升沿。 信號(hào)從發(fā)射器開(kāi)始（藍(lán)色探針的前半步）沿著傳輸線向下傳播（黃色探針）。 信號(hào)在接收器（黑色探針）處反射回發(fā)生器，使信號(hào)的振幅加倍。需要在黃色探針和最后的藍(lán)色探針處監(jiān)測(cè)反射能量，其中50Ω輸出阻抗會(huì)消散反射能量。

注意：上圖5假設(shè)的是一個(gè)高阻抗探針，示波器與高阻抗端接。 將端接電阻改為50Ω，同時(shí)使用裸露的50Ω電纜將不會(huì)發(fā)生信號(hào)反射。

測(cè)量環(huán)回測(cè)試的數(shù)字信號(hào)完整性

執(zhí)行環(huán)回測(cè)試時(shí)，裝置的一個(gè)重要變化是，路徑的長(zhǎng)度是前一個(gè)示例的兩倍。 這是因?yàn)樾盘?hào)會(huì)同時(shí)傳送到UUT和接線盒，然后端接到信號(hào)生成的位置。 需要注意的是，傳輸線的末端現(xiàn)在是在數(shù)字儀器，我們要探測(cè)該位置才能準(zhǔn)確了解接收器上的數(shù)字信號(hào)。

對(duì)于NI數(shù)字儀器，這將需要拆除VHDCI連接器的外殼，使用探針直接探測(cè)導(dǎo)線。 在許多情況下，這對(duì)于應(yīng)用來(lái)說(shuō)并不是必要的。 在有必要的情況下，應(yīng)確保在正確的位置進(jìn)行測(cè)量，才能正確地顯示實(shí)際接收的數(shù)字信號(hào)。

圖6：環(huán)路測(cè)試示意圖。

使用數(shù)字儀器測(cè)量數(shù)字信號(hào)邏輯

有一些應(yīng)用需要分析數(shù)字信號(hào)的邏輯，而不是信號(hào)完整性測(cè)試所需的模擬電壓電平。 對(duì)于這些應(yīng)用，使用數(shù)字儀器探測(cè)線路或總線可幫助用戶分析數(shù)字邏輯模式。 此類(lèi)分析的一個(gè)示例是將飛線電纜同時(shí)連接到高阻抗數(shù)字輸入以及另一條數(shù)字總線。 這樣做可能會(huì)導(dǎo)致電纜增加線路的負(fù)荷并產(chǎn)生反射。 NI解決這個(gè)問(wèn)題的方案是使用一個(gè)1 kΩ桶形衰減器，將其連接到飛線電纜的前端，這可減少探測(cè)電纜對(duì)系統(tǒng)的負(fù)載效應(yīng)。有關(guān)此配置的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)ni.com上《數(shù)字飛線電纜用戶指南》的“衰竭采集”部分。