硬件测试(二):波形质量

一、信号质量测试

信号在传输的过程中,一般不是标准的矩形波信号,信号质量测试 即通过示波器 测试单板硬件的数字信号和模拟信号的各项指标,包括电源、时钟、复位、CPU小系统、外部接口(USB、网口、串口)、逻辑芯片(CPLD、FPGA)、JTAG等信号,理想的信号波形为矩形波:

阻抗不匹配会导致信号反射,反射信号与原始信号叠加,就会产生过冲、回沟、台阶等信号完整性问题,是影响信号完整性最主要的因素之一。在进行信号质量测试过程中,常见的有如下几类问题波形,分别是:

  • 过充
  • 振铃
  • 边沿过缓
  • 回沟(台阶)
  • 毛刺
  • 振荡
  • 时序不满足

二、问题波形

1、信号过充

A、成因:
  1. 器件驱动能力过强;
  2. 没有匹配或者匹配不当;
  3. 相邻信号串扰。
B、危害:
  1. 成为干扰源,串扰其它器件;
  2. 当过冲幅值较大或持续时间较长时,可能会导致元器件失效;
  3. 超过正常供电范围,会产生门锁效应(长时间的信号过冲会使得器件失效率增加)。
C、解决方法:
  1. 进行阻抗匹配,一般分为源端串联电阻或者末端并联电阻(分为上拉 | 下拉),以减少过冲;
  2. PCB布线时,避开干扰源和耦合路径。

过冲 强相关的是振铃 ,常紧随过冲产生,表现为信号会跌落到低于稳态值,然后反弹到高于稳态值,这个过程可能持续一段时间,直到稳定接近于稳态。

【振铃是指当电路中存在反馈环路时,由于信号幅度过大或相位差不当而产生的高频波动,这种波动会导致输出信号的振荡和失真,从而影响电路的正常工作】

2、信号过缓

A、成因:
  1. 器件驱动能力不足;
  2. 负载或链路阻抗过大。
B、危害:
  1. 上升、下降沿过缓慢,会造成数据采样错误;
  2. 影响输出信号的占空比,导致器件功耗增加,可靠性下降。
C、解决方法:
  1. 提高驱动能力;
  2. 减小负载阻抗。

3、信号 回沟

A、成因:
  1. 负载或链路阻抗不匹配;
  2. 测试点选取不当。
B、危害:
  1. 出现在阈值电平附近可能会导致逻辑判断错误;
  2. 回沟可能会造成多次采样。
C、解决方法:

进行阻抗匹配,保证阻抗连续性,可在信号线上串小电阻改善。

4、信号 毛刺

A、成因:
  1. PCB走线不当引起的串扰(并行走线较长、信号干扰等);
  2. 电源 | 地线噪声【低频谐波(电源谐波)】或线圈自感/互感导致;
  3. 无去耦电容或位置不当
B、危害:

当毛刺信号成为系统的启动信号、控制信号、握手信号、触发器清零信号、预置信号、时钟信号或锁存器输入信号时,会导致产生逻辑错误。

C、解决方法:
  1. 优化元器件布局布线,滤波器件靠近信号引脚放置;
  2. 通过添加去耦电容,降低噪声;
  3. 检查、校准示波器,保证接地点良好
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