對(duì)任何優(yōu)秀的示波器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，準(zhǔn)確重建波形的能力都是關(guān)鍵，這種能力稱為信號(hào)完整性。示波器類似于一臺(tái)攝像機(jī)，它捕獲信號(hào)圖像，然后可以觀察和解釋信號(hào)圖像。信號(hào)完整性的核心有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題:

在拍攝時(shí)，拍到的是不是實(shí)際發(fā)生事件的準(zhǔn)確圖像?

圖像清楚還是模糊?

每秒可以拍攝多少?gòu)堖@么準(zhǔn)確的圖片?

示波器不同的系統(tǒng)和性能功能結(jié)合在一起，影響著其提供最高信號(hào)完整性的能力。探頭也影響著測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)完整性。

信號(hào)完整性影響著許多電子設(shè)計(jì)學(xué)科。但直到幾年前，它對(duì)數(shù)字設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)還不是什么大問(wèn)題。設(shè)計(jì)人員可以依賴邏輯電路，像布爾電路一樣操作。當(dāng)時(shí)，有噪聲的、不確定的信號(hào)發(fā)生在高速電路中，RF設(shè)計(jì)人員還不用擔(dān)心這些問(wèn)題。數(shù)字系統(tǒng)開關(guān)速度慢，信號(hào)以可預(yù)測(cè)的方式穩(wěn)定。

此后，處理器的時(shí)鐘速率提高了幾個(gè)量級(jí)。三維圖像、視頻和服務(wù)器I/〇等計(jì)算機(jī)應(yīng)用需要大量的帶寬。當(dāng)前大部分電信設(shè)備都基于數(shù)字方式，類似地要求大規(guī)模的帶寬。數(shù)字高清電視也不例外。當(dāng)前一代微處理器設(shè)備以高達(dá)2GS/s、3GS/s、甚至5GS/s(千兆樣點(diǎn)/秒)的速率處理數(shù)據(jù)，某些DDR3存儲(chǔ)設(shè)備則使用2 GHz以上的時(shí)鐘及上升時(shí)間為35 ps的數(shù)據(jù)信號(hào)。

重要的是，速度的提高一直滲透到汽車、消費(fèi)電子、機(jī)械控制裝置及各類應(yīng)用使用的常用IC器件。

在以20MHz時(shí)鐘速率運(yùn)行的處理器中，信號(hào)的上升時(shí)間與800 MHz處理器中的信號(hào)類似。設(shè)計(jì)人員已經(jīng)超越了性能門限，事實(shí)上，幾乎每種設(shè)計(jì)都是高速設(shè)計(jì)。

如果沒有某些預(yù)防性措施，高速問(wèn)題可能會(huì)鉆進(jìn)其它傳統(tǒng)數(shù)字設(shè)計(jì)中。如果電路經(jīng)歷間歇性故障，或在極端電壓和溫度時(shí)遇到錯(cuò)誤，那么可能存在某些隱藏的信號(hào)完整性問(wèn)題。這些問(wèn)題會(huì)影響產(chǎn)品開發(fā)周期、產(chǎn)品可靠性、EMI合規(guī)性、等等。這些高速問(wèn)題還可能會(huì)影響系統(tǒng)中串行數(shù)據(jù)流的完整性，要求某種方法，把數(shù)據(jù)中的特定碼型與高速波形中觀察到的特點(diǎn)關(guān)聯(lián)起來(lái)。

為什么信號(hào)完整性是一個(gè)問(wèn)題?

讓我們看一下當(dāng)前數(shù)字設(shè)計(jì)中信號(hào)劣化的部分具體成因。

為什么現(xiàn)在這些問(wèn)題比過(guò)去幾年盛行得多了呢?

答案是速度。在“低速的舊時(shí)代””，保持可以接受的數(shù)字信號(hào)完整性只需注意細(xì)節(jié)就可以了，比如時(shí)鐘分配、信號(hào)路徑設(shè)計(jì)、噪聲余量、負(fù)荷影響、傳輸線效應(yīng)、總線端接、解耦和配電。所有這些規(guī)則仍然適用，但是……

今天，總線周期時(shí)間比20年前快了1000倍!過(guò)去需要幾微秒的事務(wù)處理現(xiàn)在只需要幾納秒。為實(shí)現(xiàn)這種改進(jìn)，邊沿速度也已經(jīng)加快，其比20年前快了100倍。

這一切還好。然而，某些實(shí)際物理狀況使得電路板技術(shù)不能跟上發(fā)展步伐。芯片間總線的傳播時(shí)間在過(guò)去幾十年中幾乎一直沒有變化。當(dāng)然，其尺寸已經(jīng)縮小，但仍需要為IC器件、連接器、無(wú)源器件、當(dāng)然還有總線軌跡本身提供電路板空間。這些空間匯聚成距離，而距離則意味著時(shí)間，這正是速度的天敵。

必需指出的是，數(shù)字信號(hào)的邊沿速度-上升時(shí)間承載的頻率成分可以高于其重復(fù)速率表明的頻率。基于這一原因某些設(shè)計(jì)人員故意尋求上升時(shí)間相對(duì)“較慢”的IC器件。

集總電路模型一直是預(yù)測(cè)電路中信號(hào)特點(diǎn)使用的大多數(shù)計(jì)算的依據(jù)。但是，在邊沿速度比信號(hào)路徑延遲快4-6倍時(shí)，簡(jiǎn)單的集總模型將不再適用。

在使用邊沿速率不到4-6納秒的信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)，不管周期速率是多少，長(zhǎng)僅6英寸的電路板軌跡變成了傳輸線。事實(shí)上，其創(chuàng)建了新的信號(hào)路徑。這些無(wú)形連接并沒有畫在示意圖上，然而卻為信號(hào)提供了以不可預(yù)測(cè)的方式相互影響的手段。

有時(shí)候，即使是探頭/儀器組合引入的錯(cuò)誤也可能會(huì)給被測(cè)信號(hào)帶來(lái)重大影響。但是，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)值應(yīng)用“平方和的均方根”公式，可以確定被測(cè)器件是否接近上升時(shí)間/下降時(shí)間故障。此外，最新的示波器工具采用專用濾波技術(shù)，反嵌測(cè)量系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的影響，顯示邊沿時(shí)間及其它信號(hào)特點(diǎn)。

同時(shí)，預(yù)計(jì)的信號(hào)路徑并沒有以預(yù)計(jì)的方式工作。地平面和電壓層(如上述信號(hào)軌跡)變成電感，工作方式類似于傳輸線，電源解耦的效果大大降低。EMI上升，因?yàn)檫呇厮俣仍娇欤鄬?duì)于總線長(zhǎng)度產(chǎn)生的波長(zhǎng)越短，串?dāng)_越高。

此外，快速邊沿速度要求整體更高的生成電流。更高的電流一般會(huì)導(dǎo)致地電平彈跳，特別是在一次開關(guān)多個(gè)信號(hào)的寬總線上。而且，更高的電流會(huì)提高輻射的磁能量及串?dāng)_。

觀察數(shù)字信號(hào)的模擬原源

這些特點(diǎn)有哪些共同點(diǎn)呢?它們都是典型的模擬現(xiàn)象。為解決信號(hào)完整性問(wèn)題，數(shù)字設(shè)計(jì)人員需要步入模擬領(lǐng)域。為邁出這一步，他們需要工具能夠顯示數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)怎樣相互影響。

數(shù)字錯(cuò)誤通常源于完整性問(wèn)題。為追蹤數(shù)字問(wèn)題的成因，通常必需打開示波器，示波器可以顯示波形細(xì)節(jié)、邊沿和噪聲，可以檢測(cè)和顯示瞬態(tài)信號(hào)，可以幫助您精確地測(cè)量定時(shí)關(guān)系，如建立時(shí)間和保持時(shí)間。通過(guò)觸發(fā)并行或串行數(shù)據(jù)流中的具體碼型，顯示在時(shí)間上與指定事件對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，現(xiàn)代示波器可以幫助簡(jiǎn)化調(diào)試過(guò)程，了解示波器內(nèi)部的每個(gè)系統(tǒng)及怎樣應(yīng)用這些系統(tǒng)，有助于有效地應(yīng)用示波器，處理具體的測(cè)量挑戰(zhàn)。