怎樣確保檢驗(yàn)成功 — 邏輯分析儀探頭基礎(chǔ)介紹

---幾十年來,工程師一直依賴邏輯分析儀作為系統(tǒng)檢驗(yàn)的主要工具。隨著數(shù)字系統(tǒng)的速度和復(fù)雜性的提高,要求更加完善的分析工具。廣大邏輯分析儀廠商一直努力跟上和滿足速度和功能方面的行業(yè)需求,從分析儀到目標(biāo)系統(tǒng)的物理連接發(fā)揮的重要作用正變得日益明顯。在許多情況下,這一物理連接(如探頭)可能會成為分析儀性能中的瓶頸。如果邏輯分析儀收到的信號劣化,那么分析儀內(nèi)部的觸發(fā)和分析工具再強(qiáng)大也是沒用的。本文將介紹實(shí)現(xiàn)邏輯分析儀探頭連接要考慮的基本因素。

邏輯分析儀探測基礎(chǔ)
探頭形狀
---在使用邏輯分析儀時(shí),考慮的第一個(gè)因素是需要什么樣的探頭。探頭連接分兩類：“設(shè)計(jì)過程中探測”和“事后探測”。設(shè)計(jì)過程中邏輯分析儀探測是指在前期設(shè)計(jì)中包括探頭測試點(diǎn),如基于連接器的探頭或無連接器探頭。不管是哪種情況,設(shè)計(jì)人員都在PCB中放上相應(yīng)的連接盤,把感興趣的信號引到連接盤上。邏輯分析儀探頭通過相應(yīng)的互連,與這些觸點(diǎn)連接起來。在基于連接器的探頭中,探頭包含了插頭和對應(yīng)的植入被測系統(tǒng)的插座連接器。在無連接器探頭中,探頭帶有彈性互連裝置,將接觸PCB上的連接盤。
---第二類探頭是事后探測。這是指在設(shè)計(jì)中沒有包括測試能力的系統(tǒng),而是使用單獨(dú)的、擁有各種互連配件(焊接、抓斗等)的探針。最常見的事后探測是“飛線”探頭。E5390A和E5381A都來自安捷倫科技公司,E5390A說明了新型軟接觸無連接器探頭的連接方案,在這種情況下,用戶把連接盤圖形放入前期設(shè)計(jì)中。E5381A說明了沒有預(yù)先定義測試能力的信號可能采用的連接方法。
探頭的負(fù)荷

---對任何類型的探頭,其目標(biāo)都是為系統(tǒng)提供的電負(fù)荷要盡可能小。如果探頭使系統(tǒng)性能改變的幅度太大,探頭將不能幫助設(shè)計(jì)人員檢驗(yàn)系統(tǒng),因?yàn)楣收峡赡芡耆�是由于探頭引起的。負(fù)荷有兩個(gè)重大影響：第一,它使目標(biāo)PCB上的信號質(zhì)量劣化,這可能會導(dǎo)致系統(tǒng)失效;第二,它可能會使觀察到的、進(jìn)入邏輯分析儀的信號質(zhì)量劣化,這可能會導(dǎo)致檢驗(yàn)中出現(xiàn)錯(cuò)誤判斷。為避免這些問題,必需了解探頭結(jié)構(gòu)。
---探頭一般看上去更像高阻抗。探針電路由一個(gè)尖端電阻器組成,其阻抗為20kΩ的數(shù)量級。在低頻上,探頭阻抗看上去和這一電阻接近。在頻率提高時(shí),探頭中的寄生電容將開始降低其阻抗。在經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)的RC響應(yīng)電路之后,阻抗將跌落。這對被測系統(tǒng)是一個(gè)問題,因?yàn)樘筋^阻抗開始接近系統(tǒng)阻抗,探頭形成的分壓器變得非常重要。如果這一阻抗變得太低,它會吸收絕大部分信號,導(dǎo)致系統(tǒng)失效。
--- 探頭中的電容主要是由于互連結(jié)構(gòu)引起的。例如,如果在目標(biāo)系統(tǒng)和探頭尖端電阻器之間有一個(gè)明顯的大的連接器,那么這個(gè)連接器將在探頭負(fù)載中增加很大的電容。如果使用較小的連接器,那么電容將下降。
---引入較低負(fù)載的最新型探頭稱為“無連接器”探頭。在無連接器探頭中,連接盤放在被測系統(tǒng)上。邏輯分析儀探頭帶有一個(gè)彈性互連裝置,與目標(biāo)實(shí)現(xiàn)電接觸。通過從電通道中去掉物理連接器,可以實(shí)現(xiàn)非常低的電容。表1說明了各種形狀探頭的等效電容。
---圖1說明了每種探頭對上升時(shí)間為150 ps的系統(tǒng)的影響。
---注意：在連接器尺寸降低(或去掉)時(shí),負(fù)荷會下降,這一系統(tǒng)中的原始上升時(shí)間是150ps。
探頭上的信號質(zhì)量
---如前所述,探針上的信號質(zhì)量非常重要,因?yàn)樗�在邏輯分析儀中導(dǎo)致錯(cuò)誤判斷。這是檢驗(yàn)團(tuán)隊(duì)面臨的主要問題之一,因?yàn)樗麄円�花大量的時(shí)間,調(diào)試系統(tǒng)中根本不存在的問題。為避免這個(gè)問題,必須考慮探針上的信號質(zhì)量。
---除探頭的簡單電容負(fù)荷外,還必須考慮探頭位置,在探測各種端接方案時(shí),這一點(diǎn)尤為重要。對某些端接方案,接收機(jī)觀察到的信號可能會有充足的信號質(zhì)量,而在線路上任何其他點(diǎn)觀察的信號可能會不可接受。為說明這一點(diǎn),考慮一條串聯(lián)端接傳輸線,串聯(lián)的原理是,感應(yīng)的波形會立即在源端接電阻器和線路的特性阻抗之間進(jìn)行劃分,半幅度波沿著線路傳送到接收機(jī),在到達(dá)接收機(jī)時(shí),它會經(jīng)歷100%的正反射,這會使半幅度信號幅度翻一倍,從而達(dá)到原始波形的幅度,反射波沿著線路反向傳送,直到它被源端接電阻器吸收,從而結(jié)束瞬時(shí)響應(yīng)。盡管這一方案給接收機(jī)提供了非常好的波形,但在線路上的任何點(diǎn)上,波形會呈梯級形狀。而梯級波形不適合用于邏輯分析儀,因?yàn)樵诓ㄐ伪３衷诎敕�度的時(shí)間內(nèi),邏輯分析儀不能檢測它是邏輯‘1’還是邏輯‘0’。圖2說明了這種情況下的波形。注意,接收機(jī)上的波形信號質(zhì)量很高,而在探針上觀察到的波形則是不可接受的。隨著信號速度提高,探針上的信號質(zhì)量對成功的測量變得非常重要。
---在線路中間觀察時(shí)梯級形狀的波形說明了傳向接收機(jī)的前向傳送半幅度波,在反向傳送反射波重疊在前向傳送波上時(shí),波形達(dá)到最后值。
接地
---在進(jìn)行邏輯分析時(shí),設(shè)計(jì)人員遇到的另一個(gè)問題是接地不良。探頭的接地信號為被觀察的相關(guān)信號提供了相對參考。電信號必須一直有一條返回電流路徑,以使電流流動和信號傳輸。返回路徑被視為電阻為零的理想導(dǎo)線。否則,電壓信號會沿著接地返回路徑中的阻抗傳輸。接地路徑中傳輸?shù)碾妷盒盘枙�降低從邏輯分析儀看到的信號的幅度。接地的目標(biāo)是提供一條阻抗最低的返回路徑(或接地連接)。這使得分析儀能夠觀察到原始信號的幅度。
---設(shè)計(jì)人員遇到的一個(gè)常見接地問題是地線長度太長,地線太長會產(chǎn)生串聯(lián)電阻,并導(dǎo)致電壓信號跌落。為防止這個(gè)問題,地線的長度不應(yīng)明顯超過信號線,這將在匹配的信號和接地路徑中導(dǎo)致寄生電阻。
---探測時(shí)的另一個(gè)常見問題是接地環(huán)路的自感應(yīng)。在地線和信號線構(gòu)成環(huán)路時(shí),在接地路徑中將形成與環(huán)路面積成比例的自感應(yīng)。由于電感器擁有的頻率相關(guān)阻抗,這種感應(yīng)將劣化系統(tǒng)帶寬。在高頻上,這種感應(yīng)將阻礙電荷通過地線傳送,進(jìn)而降低帶寬。為減少這個(gè)問題,設(shè)計(jì)人員應(yīng)努力使接地環(huán)路保持在盡可能小的水平。這通常使用基于連接器的探頭或無連接器探頭預(yù)先定義。但是,在使用飛線探頭時(shí),有時(shí)將使用普通線把探頭連接到系統(tǒng)上。在這種情況下,可以形成大的接地環(huán)路。為避免這些環(huán)路,可以把地線和信號線絞合在一起,形成雙絞線,這將降低環(huán)路面積。但是,大多數(shù)飛線探頭配有協(xié)助解決這個(gè)問題的連接配件。
---在探測時(shí)的最后一個(gè)問題是使用的接地?cái)?shù)量不足。在某些探頭配置中(如飛線探頭),接地?cái)?shù)量取決于用戶。為理解這個(gè)問題,考慮只使用一條接地連接、帶有16個(gè)信號的飛線束。在這種情況下,所有16個(gè)信號的返回電流必須通過一條接地連接傳送。地線的自感應(yīng)要足夠低,以便不會在1個(gè)或2個(gè)信號返回時(shí)產(chǎn)生電壓降,同時(shí)在16個(gè) 信號的情況下,電流會變得足夠大,電壓降變得值得關(guān)注。解決這個(gè)問題的方法是提高接地?cái)?shù)量。在理想情況下,對每個(gè)信號將有一個(gè)接地。需要的接地?cái)?shù)量與頻率成比例,但推薦方案是對一個(gè)接地不要使用兩個(gè)以上的信號。如果用戶在使用邏輯分析儀捕獲正確數(shù)據(jù)時(shí)遇到問題,這是要檢查的項(xiàng)目之一。

在分析中使用正確的工具
---在當(dāng)前提供的所有探頭選項(xiàng)中,有時(shí)很難確定要使用哪種連接方案。在某些情況下,甚至很難知道提供了哪些解決方案。下面的實(shí)例說明了在使用錯(cuò)誤的探頭方案時(shí)可能會遇到的兩個(gè)常見問題。
在線路中的探測位置錯(cuò)誤

---考慮一下上面介紹的串聯(lián)系統(tǒng)。系統(tǒng)是由背板上的驅(qū)動器IC及位于BGA封裝內(nèi)的接收機(jī)實(shí)現(xiàn)的。由于覺得非常方便,用戶選擇在背板連接器的插針上探測系統(tǒng)。但是,如前所述,在驅(qū)動器上探測串聯(lián)系統(tǒng)會在邏輯分析儀探針上產(chǎn)生梯級波形。圖3說明了這種連接方案及探頭觀察到的波形結(jié)果。
---這里使用的探頭是安捷倫科技公司的E5382A單端飛線,使用“抓斗”配件完成連接,“抓斗”配件可以連接到連接器的引線上。這里顯示的波形是探針觀察到的波形,波形使用稱為“眼掃描（Eye Scan）”的功能顯示,它使得邏輯分析儀能夠產(chǎn)生模擬版本的信號。
---很明顯這一波形是不能接受的,解決這個(gè)問題的方法是直接在接收機(jī)上探測,距BGA封裝最近的物理探點(diǎn)將通過PCB底部的連接盤接出。圖4說明了把飛線直接焊接到BGA接出點(diǎn)上的新的連接方案,圖中再次顯示了得到的信號質(zhì)量。
---這里使用的探頭是安捷倫科技的E5381A差分飛線探頭,連接使用“可焊接阻尼線（damped wire solder-down）”—一種焊點(diǎn)極小的連接配件來完成,再次使用Eye Scan顯示了觀察到的波形。注意,信號質(zhì)量現(xiàn)在適合進(jìn)行邏輯分析。
使用錯(cuò)誤的互連選項(xiàng)
---考慮這樣一個(gè)系統(tǒng),將使用邏輯分析儀觀察一個(gè)PCB兩個(gè)部分之間運(yùn)行的信號。信號在PCB的外層上運(yùn)行,在系統(tǒng)失效前不能忍受超過3.5pF的負(fù)荷。設(shè)計(jì)人員決定使用基于Mictor連接器探頭(E5380A)觀察信號。但信號不能直接通過連接器引出,這迫使設(shè)計(jì)人員把Mictor連接器放在信號線的旁邊,在每個(gè)信號中增加通道。然后使用另一個(gè)PCB層,運(yùn)行與原始信號正交的信號,來實(shí)現(xiàn)與Mictor連接器的連接,圖5顯示了這類連接的路由圖。

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結(jié)論
---邏輯分析儀是一種強(qiáng)大的工具,可以協(xié)助數(shù)字設(shè)計(jì)人員檢驗(yàn)系統(tǒng),加快產(chǎn)品面市周期。但是,如果探頭不能有效地連接到被測系統(tǒng)上,那么再強(qiáng)大的邏輯分析儀也是沒有用的。在信號速度提高時(shí),探頭連接決定著實(shí)現(xiàn)的是精確測量、還是給驗(yàn)證部門帶來頭痛的問題。本文說明了邏輯分析儀探頭基礎(chǔ)知識,介紹了當(dāng)前為設(shè)計(jì)人員提供的部分探頭解決方案。通過了解邏輯分析儀探頭及提前進(jìn)行某些規(guī)劃,可以成功地實(shí)現(xiàn)邏輯分析。

作者簡介
---Brock LaMeres從蒙特納州立大學(xué)獲電子工程學(xué)士學(xué)位,從科羅拉多大學(xué)獲電子工程碩士學(xué)位。目前擔(dān)任安捷倫科技公司硬件設(shè)計(jì)工程師,負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)邏輯分析儀中使用的高速印刷電路板,同時(shí)還是位于Colorado Springs的科羅拉多大學(xué)的兼職講師,負(fù)責(zé)講授微處理器系統(tǒng),研究方向包括傳輸系統(tǒng)和高速數(shù)字設(shè)計(jì)的建模和特性分析。
---Kenny Johnson從堪薩斯州立大學(xué)獲機(jī)械工程學(xué)士學(xué)位。已經(jīng)在安捷倫科技公司(惠普)工作了18年,任邏輯分析儀和邏輯分析儀探頭的制造開發(fā)工程師和研發(fā)項(xiàng)目經(jīng)理。目前,擔(dān)任安捷倫公司邏輯分析儀探頭產(chǎn)品市場經(jīng)理,持有與探頭有關(guān)的六項(xiàng)美國專利。