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1、信号完整性基础知识信号完整性基础知识 测试部教育训练材料 目录 ： SI简介 信号产生基本原理 信号质量测试方法 信号时序测试方法 SI简介简介 SI 的基本概念： SI（signal integrity )即信号完整性，就是指电 路系统中信号的质量，如果在要求的时间内， 信号能不失真地从源端传送到接收端，我们就 称该信号是完整的。 SI的重要性 随着高频数字电路的不断发展，SISI问题变得越问题变得越 来来越引人注目，数字电路的频率越高，出现SISI 问题的可问题的可能性就越大，对设计工程师来说，他 的挑战也就越大。 SI简介简介 SI的内容 信号完整性它包含两方面的内容，一是独立信信 号的
2、质量号的质量，另一个是时序时序。我们在电子设计的 过程中不得不考虑两个问题：信号有没有按时 到达目的地？信号达到目的地后它的质量如何？ 所以我们做信号完整性分析的目的就是确认高 频数字传输的可靠性。 理想逻辑电压波形 在数字系统中，信号以逻辑00或者或者11的方的方 式式从一个器件传输到另外一个器件，信号到底是 00还是还是11一般来说它们都是有一个参考电一般来说它们都是有一个参考电 平平的。在接收端的输入门里面，如果信号的电压 超过高电平参考电压VihVih，则该信号被识别为高逻，则该信号被识别为高逻 辑辑；如果信号的电压低于低电平的参考电压VilVil， 则该信号就被识别为低逻辑。我们下面
3、则该信号就被识别为低逻辑。我们下面这个图就 是一个理想的信号。 SISI简介简介 理想逻辑电压波形 SI简介 接收端的实际波形 SI简介 数据采样及时序例子数据采样及时序例子 数据越是复杂，里面就包含很多的二进制码，这些 二进制码将组成一连串的波形，而不是简单的一个 方波。接收端的器件就需要采样这些波形以便获取 相关的二进制信息。数字采样的过程通常是通过时 钟信号的上升沿或者下降沿来触发的，我们下面这 个图就是个简单的例子。 SISI简介简介 数据采样及时序例子 SI SI 简介简介 SISI简介简介 数据采样及时序例子 从这个图里面我们可以清楚地看到数据必须准 时到达逻辑门而且在接收端期间开
4、始锁存前必 须确定它们的逻辑状态。任何数据的延迟或者 失真都会导致数据传输的失败。失败有两种可 能：一个是因为接收端根本就无法识别数据； 另一个是接收端虽然识别了数据，但数据因 为失真而导致错误。 信号波形 信号产生基本原理 信号产生基本原理 方波的组成方波的组成 晶振原理 石英振荡器结构 信号产生基本原理 若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机 械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则 在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为 压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就 会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变 电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电 场
5、的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一 特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得 多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象 十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形 状、尺寸等有关。 压电效应 信号产生基本原理 晶振符号和等效电路 信号产生基本原理 信号产生基本原理 从石英晶体谐振器的等效电路可知，它有两个谐振频率， 即（1）当L、C、R支路发生串联谐振时，它的等效阻抗 最小（等于R）。串联揩振频率用fs表示，石英晶体对于 串联揩振频率fs呈纯阻性，（2）当频率高于fs时L、C、R 支路呈感性，可与电容C。发生并联谐振，其并联频用fd 表示。根据石英晶体的等效电路，可
6、定性画出它的抗 频率特性曲线如上图所示。可见当频率低于串联谐振频 率fs或者频率高于并联揩振频率fd时，石英晶体呈容性。 仅在fsffd极窄的范围内，石英晶体呈感性。 谐振频率 时钟芯片的架构 信号产生基本原理 PLL基本原理 信号产生基本原理 PLL频率合成器是由程序分频器、鉴相器及压 控振荡器三大部分组成, 从晶振束的100KHz 标准信号经100 分频后得1KHz的基准频率fR, 压控振荡频率f1通过程序分频得到频率fM,fM 和fR同时加到鉴相器进行比较。只有当fR和fM 完全同频同相时,环路平衡被锁定,即fR=fM。可 见, 当环路锁定时,压控振荡器的输出频率完全 决定于程序分频器的
7、分频比,即f1= MfR ,只要 改变分频比M,便可使f1改变,从而得到所需的各 个频率点 PLL频率合成器 信号产生基本原理 衡量信号品质的参数 信号质量的参数:振幅参数，时间参数，眼图参数振幅参数，时间参数，眼图参数 等。振幅参数包括：振幅，高电平，低电平，均 方根值，单个周期的均方根值，最大值，最小值， 峰峰值，平均值，单个周期平均值，正过冲，负 过冲，正欠冲，负欠冲等； 时间参数包括：上升时间，下降时间，正占空比， 负占空比，高电平宽度，低电平宽度，周期，频 率，延迟等； 眼图参数包括：眼高，眼宽，眼图最高点，眼最 低点，交叉点等； 振幅是指被测波形的振动幅度，即高电平与低电平的差值，
8、 其单位为V或者mV； 振幅的定义及测试方法 高电平的定义及测试方法 高电平是指信号逻辑“1”所在位置的幅度，其单位通常为V和 mV。 低电平是指信号逻辑“0”所在位置的幅度，其单位通常为V和 mV。 低电平的定义及测试方法 均方根值是指整个捕获波形上所有点幅度的均方根 值，其单位为V或者mv； 均方根值的定义及测试方法 周期均方根值是指整个捕获波形上指定一个周期内所有点幅度 的均方根值，其单位为V或者mV； 周期均方根值的定义及测试方法 最大值是指所捕获波形里面振幅最大点所处位置的电压值， 单位为V或者mV； 最大值的定义及测试方法 最小值是指所捕获波形里面振幅最小点所处位置的电压值， 单位
9、为V或者mV； 最小值的定义及测试方法 峰峰值是指最大值和最小值相减的绝对值，单位为V或mV； 峰峰值的定义及测试方法 平均值是指所捕获波形里面所有点幅度的平均值 平均值的定义及测试方法 周期平均值是指所捕获波形里面所指定一个周期里所有点幅度 的平均值 周期平均值的定义及测试方法 正过冲是指高电平处的过冲值，单位为V或mV或者用百分 比表 正过冲的定义及测试方法 负过冲的定义及测试方法 负过冲是指低电平处的过冲值，单位为V或mV或者用百分比表 正欠冲的定义及测试方法 正欠冲是指高电平处的欠冲值，单位为V或mV或者用百分比表 负欠冲是指低电平处的欠冲值，单位为V或mV或者用百分比表 负欠冲的定义
10、及测试方法 时间参数的定义及测试方法 时间参数包括：上升时间，下降时间，正 占空比，负占空比，高电平宽度，低电平宽 度，周期，频率，延迟 上升时间是指信号从逻辑0跳变到逻辑1时所花费的时间； 低频信号的上升时间测量 上升时间的定义及测试方法 上升时间是指信号从逻辑0跳变到逻辑1时所花费的时间； 高频信号的上升时间测量 上升时间的定义及测试方法 下降时间是指信号从逻辑1跳变到逻辑0时所花费的时间； 低频信号的下降时间测量 下降时间的定义及测试方法 下降时间是指信号从逻辑1跳变到逻辑0时所花费的时间； 高频信号的下降时间测量 下降时间的定义及测试方法 正占空比是指信号的高电平保持时间占真个周期时间
11、的比例； 正占空比的定义及测试方法 负占空比是指信号的低电平保持时间占真个周期时间的比例 负占空比的定义及测试方法 高电平保持时间是指信号从低到高跳变完成后信号持续的时间 高电平保持时间的定义及测试方法 低电平保持时间是指信号从高到低跳变完成后信号持续的时间 低电平保持时间的定义及测试方法 周期是指有固定周期信号连续完成逻辑0和逻辑1跳变所需时间 周期的定义及测试方法 频率是指周期信号在一秒内完成周期跳变的次数； 频率的定义及测试方法 延迟是指两个相关信号之间的相位差； 延迟的定义及测试方法 眼图参数的定义及测试方法 时间参数包括：眼图高电平值，眼图低 电平值，眼图最大值，眼图最小值，眼 图交
12、叉点位置等。 眼图高电平值是指眼图高电平累积部分最低点的值； 眼图高电平值的定义及测试方法 眼图低电平值的定义及测试方法 眼图低电平值是指眼图低电平累积部分最高点的值； 眼图最大值是指眼图高电平处最高电平所在位置的值 眼图最大值的定义及测试方法 眼图最小值是指眼图低电平处最低电平所在电压值； 眼图最小值的定义及测试方法 眼图交叉点是指眼图中的差分信号的上升沿和下降沿的交叉点 眼图交叉点的定义及测试方法 衡量时序的参数 衡量时序的参数主要有四个：建立时间，保持 时间，传输延迟，相位偏移。数据是否按时到达 逻辑器件就跟时序里面的相位偏移和传输延迟有 关系，当数据波形的质量有问题时通常会直接影 响到信号的建立时间或者保持时间。因此任何模 块的通信信号都必须在保证信号质量的基础上再 保证时序的恰倒好处。 建立时间是指数据在被采样时钟采样前已经建立起来的时间。 建立时间的定义和测量方法 保持时间是指数据在被采样时钟采样后还要继续保持的时间 保持时间的定义和测量方法 传输延迟是指信号从源端出来传输到接收端的过程中在传输线上 所花费的时间； 传输延迟的定义和测量方法 相位偏移是指同步信号之间的实际相位差异 相位偏移的定义和测量方法
