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全球第四代示波器述评之七 ——独特的电缆去嵌(Cable De-embedding)功能

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文章出处:与非网 更新于2009-07-27 20:13:47

史上最强的第四代示波器WavePro 7Zi述评之七

  ——独特的电缆去嵌(Cable De-embedding)                                                                            
                        
 张昌骏   美国力科公司深圳代表处     

 


    在当前的计算机、通讯产品的电路板上,信号速率在不断加快,从MHz跨越到GHz,对于这类高速信号的测试,经常会使用SMA接口的同轴电缆连接待测试信号和高带宽示波器,测量信号的眼图、抖动、上升、下降时间、信号幅度等指标。如下图一所示为某PCIE信号的测试连接。在图一中PCIE显卡发送PCIE信号到测试夹具,用SMA电缆连接示波器和测试夹具。

  

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            图一:某PCIE显卡的信号测试示意图

通常SMA接口的同轴电缆最高带宽可以达到30GHz,理想情况下,对于频带范围内的信号是没有损耗的,实际情况中,由于导体的趋肤效应和介质的损耗,或多或少会对信号产生影响(特别是信号的高频部分),降低信号的幅度、增大信号的上升时间。此外,不同电缆的带宽以及损耗参数是不一样的,电缆使用一段时间后由于SMA连接器的磨损,同样会影响电缆的损耗特性。下图为100英尺长的RG316电缆和SCA52141电缆随频率变化的损耗曲线。可以看到SCA52141电缆(紫色曲线)的损耗是小于RG316电缆的。

     

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当示波器用同轴电缆来测量高速信号时,如果要保证测量的精确性和一致性,必须去除电缆的效应。在力科最新的SDA7Zi系列示波器中标配了电缆去嵌(cable de-embedding)功能,在每个通道中可以选择是否激活此功能(下图所示为cable de-embedding的操作界面)。

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目前可以使用两种方法来输入电缆的特性。一种是电缆的衰减 常数,包括了电缆长度、传输速度、插入损耗的多项式系数;另一种是直接输入多个频率点的插入损耗(即S参数的S21)。电缆的特性参数可以从电缆厂商处获得,或者使用TDR或矢量网络分析仪测量。

    在下面的测试中,信号源为某PCIE2.0的显卡和PCI-SIGCompliance Base Board(图一所示的两块电路板),设置CBB工作在2.5Gbps模式。分别使用了36英寸长的SCA52141电缆两根,RG316电缆两根。测试仪器为LeCroy SDA760Zi


    首先我们使用
SCA52141电缆测量了2.5Gbps信号的眼图,(上图)浅绿色为电缆去嵌前的信号眼图,黄色为电缆去嵌之后的眼图。左半部分是跳变位(transition bit)的眼图,右半部分为非跳变位(non-transition bit)的眼图。跳变位眼图中有大量的高频码型,所以可以看到在电缆去嵌的前后差别较大,而非跳变位眼图几乎没有差别。


   
接下来我们使用了RG316电缆(中图)。可见,去嵌前眼图(浅绿色)和去嵌后眼图(黄色)的差别比较大,高于上一幅图中SCA52141电缆的结果。

    下图为分别使用SCA52141RG316两种电缆,对电缆去嵌后的眼图的比较结果,可见,即使使用了两种不同的电缆,在电缆去嵌后,结果也非常一致。

 

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下面的表格为信号的幅度和上升时间的测试结果,对比了两者电缆去嵌前后的测量结果。从表格中可以看到,如果不做去嵌,上升时间相差150.75-144.32= 643ps,去嵌后,上升时间相差137.93-137.81=0.12ps,可见不同电缆对于信号上升时间的影响;另外,去嵌前后的信号幅度变化在20mV以上,说明电缆对信号幅度的影响较大。

         
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综上所述,cable de-embedding能补偿电缆在全频段的损耗,使示波器的测量结果具有精确性和重复性,对于高速串行信号的测试非常重要和必要。目前,PCIEFBDIMMSASSATA等高速信号的测试通常都需要用到同轴电缆,使用带有cable de-embedding技术的示波器来测量,结果更精确和有效。

    

附录:

 

问题:在泰克的示波器中有Instrument Calibration的选项,是否能对电缆做补偿?

答:不能。这项仪器校准仅对温度变化做校准,当温度变化超过5度时,需要进行此项操作,耗时1015分钟。力科示波器缺省会自动对温度进行校准,无须设置。

 

问题:其他厂商的实时示波器是否提供cable de-embedding功能?

答:目前只有力科SDA7Zi系列示波器提供此功能来补偿同轴电缆带来的损耗。这个功能要和探头的校准、以及电缆的deskew区别开来。通常示波器可以输出一个方波信号到一个特制的夹具,用来校准探头,这项校准只能补偿探头的低频响应,而力科的电缆去嵌功能还可以补偿高频部分。

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