怎样确保检验成功 — 逻辑分析仪探头基础介绍

---几十年来，工程师一直依赖逻辑分析仪作为系统检验的主要工具。随着数字系统的速度和复杂性的提高，要求更加完善的分析工具。广大逻辑分析仪厂商一直努力跟上和满足速度和功能方面的行业需求，从分析仪到目标系统的物理连接发挥的重要作用正变得日益明显。在许多情况下，这一物理连接(如探头)可能会成为分析仪性能中的瓶颈。如果逻辑分析仪收到的信号劣化，那么分析仪内部的触发和分析工具再强大也是没用的。本文将介绍实现逻辑分析仪探头连接要考虑的基本因素。

逻辑分析仪探测基础
探头形状
---在使用逻辑分析仪时，考虑的第一个因素是需要什么样的探头。探头连接分两类：“设计过程中探测”和“事后探测”。设计过程中逻辑分析仪探测是指在前期设计中包括探头测试点，如基于连接器的探头或无连接器探头。不管是哪种情况，设计人员都在PCB中放上相应的连接盘，把感兴趣的信号引到连接盘上。逻辑分析仪探头通过相应的互连，与这些触点连接起来。在基于连接器的探头中，探头包含了插头和对应的植入被测系统的插座连接器。在无连接器探头中，探头带有弹性互连装置，将接触PCB上的连接盘。
---第二类探头是事后探测。这是指在设计中没有包括测试能力的系统，而是使用单独的、拥有各种互连配件(焊接、抓斗等)的探针。最常见的事后探测是“飞线”探头。E5390A和E5381A都来自安捷伦科技公司，E5390A说明了新型软接触无连接器探头的连接方案，在这种情况下，用户把连接盘图形放入前期设计中。E5381A说明了没有预先定义测试能力的信号可能采用的连接方法。
探头的负荷

---对任何类型的探头，其目标都是为系统提供的电负荷要尽可能小。如果探头使系统性能改变的幅度太大，探头将不能帮助设计人员检验系统，因为故障可能完全是由于探头引起的。负荷有两个重大影响：第一，它使目标PCB上的信号质量劣化，这可能会导致系统失效;第二，它可能会使观察到的、进入逻辑分析仪的信号质量劣化，这可能会导致检验中出现错误判断。为避免这些问题，必需了解探头结构。
---探头一般看上去更像高阻抗。探针电路由一个尖端电阻器组成，其阻抗为20kΩ的数量级。在低频上，探头阻抗看上去和这一电阻接近。在频率提高时，探头中的寄生电容将开始降低其阻抗。在经过标准的RC响应电路之后，阻抗将跌落。这对被测系统是一个问题，因为探头阻抗开始接近系统阻抗，探头形成的分压器变得非常重要。如果这一阻抗变得太低，它会吸收绝大部分信号，导致系统失效。
--- 探头中的电容主要是由于互连结构引起的。例如，如果在目标系统和探头尖端电阻器之间有一个明显的大的连接器，那么这个连接器将在探头负载中增加很大的电容。如果使用较小的连接器，那么电容将下降。
---引入较低负载的最新型探头称为“无连接器”探头。在无连接器探头中，连接盘放在被测系统上。逻辑分析仪探头带有一个弹性互连装置，与目标实现电接触。通过从电通道中去掉物理连接器，可以实现非常低的电容。表1说明了各种形状探头的等效电容。
---图1说明了每种探头对上升时间为150 ps的系统的影响。
---注意：在连接器尺寸降低(或去掉)时，负荷会下降，这一系统中的原始上升时间是150ps。
探头上的信号质量
---如前所述，探针上的信号质量非常重要，因为它在逻辑分析仪中导致错误判断。这是检验团队面临的主要问题之一，因为他们要花大量的时间，调试系统中根本不存在的问题。为避免这个问题，必须考虑探针上的信号质量。
---除探头的简单电容负荷外，还必须考虑探头位置，在探测各种端接方案时，这一点尤为重要。对某些端接方案，接收机观察到的信号可能会有充足的信号质量，而在线路上任何其他点观察的信号可能会不可接受。为说明这一点，考虑一条串联端接传输线，串联的原理是，感应的波形会立即在源端接电阻器和线路的特性阻抗之间进行划分，半幅度波沿着线路传送到接收机，在到达接收机时，它会经历100%的正反射，这会使半幅度信号幅度翻一倍，从而达到原始波形的幅度，反射波沿着线路反向传送，直到它被源端接电阻器吸收，从而结束瞬时响应。尽管这一方案给接收机提供了非常好的波形，但在线路上的任何点上，波形会呈梯级形状。而梯级波形不适合用于逻辑分析仪，因为在波形保持在半幅度的时间内，逻辑分析仪不能检测它是逻辑‘1’还是逻辑‘0’。图2说明了这种情况下的波形。注意，接收机上的波形信号质量很高，而在探针上观察到的波形则是不可接受的。随着信号速度提高，探针上的信号质量对成功的测量变得非常重要。
---在线路中间观察时梯级形状的波形说明了传向接收机的前向传送半幅度波，在反向传送反射波重叠在前向传送波上时，波形达到最后值。
接地
---在进行逻辑分析时，设计人员遇到的另一个问题是接地不良。探头的接地信号为被观察的相关信号提供了相对参考。电信号必须一直有一条返回电流路径，以使电流流动和信号传输。返回路径被视为电阻为零的理想导线。否则，电压信号会沿着接地返回路径中的阻抗传输。接地路径中传输的电压信号会降低从逻辑分析仪看到的信号的幅度。接地的目标是提供一条阻抗最低的返回路径(或接地连接)。这使得分析仪能够观察到原始信号的幅度。
---设计人员遇到的一个常见接地问题是地线长度太长，地线太长会产生串联电阻，并导致电压信号跌落。为防止这个问题，地线的长度不应明显超过信号线，这将在匹配的信号和接地路径中导致寄生电阻。
---探测时的另一个常见问题是接地环路的自感应。在地线和信号线构成环路时，在接地路径中将形成与环路面积成比例的自感应。由于电感器拥有的频率相关阻抗，这种感应将劣化系统带宽。在高频上，这种感应将阻碍电荷通过地线传送，进而降低带宽。为减少这个问题，设计人员应努力使接地环路保持在尽可能小的水平。这通常使用基于连接器的探头或无连接器探头预先定义。但是，在使用飞线探头时，有时将使用普通线把探头连接到系统上。在这种情况下，可以形成大的接地环路。为避免这些环路，可以把地线和信号线绞合在一起，形成双绞线，这将降低环路面积。但是，大多数飞线探头配有协助解决这个问题的连接配件。
---在探测时的最后一个问题是使用的接地数量不足。在某些探头配置中(如飞线探头)，接地数量取决于用户。为理解这个问题，考虑只使用一条接地连接、带有16个信号的飞线束。在这种情况下，所有16个信号的返回电流必须通过一条接地连接传送。地线的自感应要足够低，以便不会在1个或2个信号返回时产生电压降，同时在16个 信号的情况下，电流会变得足够大，电压降变得值得关注。解决这个问题的方法是提高接地数量。在理想情况下，对每个信号将有一个接地。需要的接地数量与频率成比例，但推荐方案是对一个接地不要使用两个以上的信号。如果用户在使用逻辑分析仪捕获正确数据时遇到问题，这是要检查的项目之一。

在分析中使用正确的工具
---在当前提供的所有探头选项中，有时很难确定要使用哪种连接方案。在某些情况下，甚至很难知道提供了哪些解决方案。下面的实例说明了在使用错误的探头方案时可能会遇到的两个常见问题。
在线路中的探测位置错误

---考虑一下上面介绍的串联系统。系统是由背板上的驱动器IC及位于BGA封装内的接收机实现的。由于觉得非常方便，用户选择在背板连接器的插针上探测系统。但是，如前所述，在驱动器上探测串联系统会在逻辑分析仪探针上产生梯级波形。图3说明了这种连接方案及探头观察到的波形结果。
---这里使用的探头是安捷伦科技公司的E5382A单端飞线，使用“抓斗”配件完成连接，“抓斗”配件可以连接到连接器的引线上。这里显示的波形是探针观察到的波形，波形使用称为“眼扫描（Eye Scan）”的功能显示，它使得逻辑分析仪能够产生模拟版本的信号。
---很明显这一波形是不能接受的，解决这个问题的方法是直接在接收机上探测，距BGA封装最近的物理探点将通过PCB底部的连接盘接出。图4说明了把飞线直接焊接到BGA接出点上的新的连接方案，图中再次显示了得到的信号质量。
---这里使用的探头是安捷伦科技的E5381A差分飞线探头，连接使用“可焊接阻尼线（damped wire solder-down）”—一种焊点极小的连接配件来完成，再次使用Eye Scan显示了观察到的波形。注意，信号质量现在适合进行逻辑分析。
使用错误的互连选项
---考虑这样一个系统，将使用逻辑分析仪观察一个PCB两个部分之间运行的信号。信号在PCB的外层上运行，在系统失效前不能忍受超过3.5pF的负荷。设计人员决定使用基于Mictor连接器探头(E5380A)观察信号。但信号不能直接通过连接器引出，这迫使设计人员把Mictor连接器放在信号线的旁边，在每个信号中增加通道。然后使用另一个PCB层，运行与原始信号正交的信号，来实现与Mictor连接器的连接，图5显示了这类连接的路由图。

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结论
---逻辑分析仪是一种强大的工具，可以协助数字设计人员检验系统，加快产品面市周期。但是，如果探头不能有效地连接到被测系统上，那么再强大的逻辑分析仪也是没有用的。在信号速度提高时，探头连接决定着实现的是精确测量、还是给验证部门带来头痛的问题。本文说明了逻辑分析仪探头基础知识，介绍了当前为设计人员提供的部分探头解决方案。通过了解逻辑分析仪探头及提前进行某些规划，可以成功地实现逻辑分析。

作者简介
---Brock LaMeres从蒙特纳州立大学获电子工程学士学位，从科罗拉多大学获电子工程硕士学位。目前担任安捷伦科技公司硬件设计工程师，负责设计逻辑分析仪中使用的高速印刷电路板，同时还是位于Colorado Springs的科罗拉多大学的兼职讲师，负责讲授微处理器系统，研究方向包括传输系统和高速数字设计的建模和特性分析。
---Kenny Johnson从堪萨斯州立大学获机械工程学士学位。已经在安捷伦科技公司(惠普)工作了18年，任逻辑分析仪和逻辑分析仪探头的制造开发工程师和研发项目经理。目前，担任安捷伦公司逻辑分析仪探头产品市场经理，持有与探头有关的六项美国专利。