信号质量测试规范

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关键词：信号完整性、测试

摘要：本规范详细说明了单板信号质量测试的方法。其中包括各类信号波形参数的定义，进行信号质量测试的条件，覆盖范围，合格标准，信号分类，各类信号波形参数的指标，测试点的选择以及测试结果分析重点。

缩略语清单：

SI Signal Integrity 信号完整性

TTL Transistor-Transistor Logic 晶体管-晶体管逻辑

CMOS Complementary Metal Oxide Semicondutor 互补金属氧化物半导体

LVTTL Low Voltage TTL 低电压ＴＴＬ

LVCMOS Low Voltage CMOS 低电压ＣＭＯＳ

ECL Emitter Coupled Logic 发射极耦合逻辑

PECL Pseudo/Positive Emitter Coupled Logic 伪发射极耦合逻辑

LVDS Low Voltage Differential Signaling 低电压差分信号

GTL Gunning Transceiver Logic 射电收发逻辑

HSTL High-Speed Transceiver Logic 高速收发器逻辑

eHSTL Enhanced High-Speed Transceiver Logic 增强高速收发器逻辑

dHSTL Differential HSTL 差分HSTL

SSTL Stub Series-terminated Logic 线脚系列终端逻辑

SPI Serial Peripheral Interface 串行外围接口

I2C Inter Integrated Circuit Bus 内部集成电路总线

USB Universal Serial Bus 通用串行总线

1、引言

《信号质量测试规范》是为了规范和指导硬件调试、硬件测试以及生产测试时信号质量测试方法及手段，在总结长期实际工作经验的基础上制定的。

2、适用范围

本规范作为研发、中试进行信号质量测试的共同标准。

本规范适用所有数字信号的调试、测试过程。测试时应覆盖各个功能模块，包括电源、时钟、复位电路、CPU最小系统、外部接口（E1、网口、串口等等）、逻辑芯片(CPLD/FPGA)、专用电路等等。

模拟电路由于其信号的连续变化性，不能直接应用本规范，可酌情参考。

本文档不包括的内容：非信号质量测试内容。例如不适用于部分硬件接口指标测试，系统硬件规格测试、环境测试、EMC测试、安规测试、防护测试、振动测试等。

3、信号质量测试概述

3.1 信号完整性的概念

现在的高速数字系统的时钟频率可能高达数百兆Hz，其快斜率瞬变和极高的工作频率，以及很大的电路密集度，必将使得系统表现出与低速设计截然不同的行为，出现了信号完整性问题。破坏了信号完整性将直接导致信号失真、定时错误，以及产生不正确数据、地址和控制信号，从而造成系统误工作甚至导致系统崩溃。因此，信号完整性问题已经越来越引起高速数字电路设计人员的关注。

如果电路中信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度到达IC，则该电路具有较好的信号完整性。反之，当信号不能正常响应时，就出现了信号完整性问题。SI（Signal Integrity）解决的是信号传输过程中的质量问题，尤其是在高速领域，数字信号的传输不能只考虑逻辑上的实现，物理实现中数字器件开关行为的模拟效果往往成为设计成败的关键。

3.2 信号质量

常见的信号质量问题表现在下面几个方面：

6) 产生信号质量问题的其它原因：

串扰

串扰表现为在一根信号线上有信号通过时，在PCB板上与之相邻的信号线上

就会感应出相关的信号，我们称之为串扰。

窜扰的表现形式通常是毛刺。

信号线距离地线越近，线间距越大，产生的串扰信号越小。异步信号和时钟

信号更容易产生串扰。因此解串扰的方法是移开发生串扰的信号或屏蔽被严重干扰的信号。

电磁辐射

EMI(Electro-Magnetic Interference)即电磁干扰，产生的问题包含过量的

电磁辐射及对电磁辐射的敏感性两方面。EMI表现为当数字系统加电运行时，会对周围环境辐射电磁波，从而干扰周围环境中电子设备的正常工作。它产生的主要原因是电路工作频率太高以及布局布线不合理。目前已有进行EMI仿真的软件工具，但EMI仿真器都很昂贵，仿真参数和边界条件设置又很困难，这将直接影响仿真结果的准确性和实用性。最通常的做法是将控制EMI的各项设计规则应用在设计的每一环节，实现在设计各环节上的规则驱动和控制。

4、信号质量测试条件

4.3 示波器选择与使用要求：

1) 测量前保证测试仪器（仪表）和被测单板或系统共地。如果不共地，地线浮空，可能会得到错误的测试结果。接地内容参考第8节“测试系统接地说明”；

2) 测量前需要校准仪器；

3) 为确保测试数据的精度，应尽量采用高输入阻抗、小电容值、高带宽的有源探头和高带宽的示波器；

4) 示波器的带宽：描述了示波器固有的上升时间（即时延）。探头和示波器的带宽要超过信号带宽的3~5倍以上；

5) 示波器的采样速率：表示为样点数每秒（S/s），指数字示波器对信号采样的频率。为了准确再现信号，根据香农（Shannon）定律，示波器的采样速率至少需为信号最高频率成分的2倍；

6) 量程应尽量小，波形尽量展开，以方便观察波形变化的细节，并准确测量其幅值；

7) 测量信号边沿时，应选用合适的边沿触发；

8) 高档示波器都具有毛刺捕捉模式，可以用于捕捉毛刺；

9) Tek示波器提供了InstaVu功能，用于发现信号异常，数据信号眼图异常及高电平低电平毛刺，测量眼图，毛刺、纹波等瞬间变化的波形；

4.4 探头选择与使用要求

1) 不允许在探头还连接着被测试电路时插拔探头；

2) 有源探头和差分探头、电流探头等是很昂贵的设备，注意保护。插拔探头时必须先关示波器。无源探头一般没有硬性规定，但是出于可靠考虑，建议所有探头都不能热拔插，拔插任何探头时都必须先关闭示波器；

3) 探头地线只能接电路板上的地线，不可以搭接在电路板的正、负电源端。否则，可能会造成电路板器件损坏，甚至会烧坏探头的小夹子和探头本身；

4) 探头电容越小，它对电路的负载就越小，测试结果就更精确。选用时请根据情况仔细考虑；

5) 探头是有测量幅度的，不要用于测大信号，以免造成探头损坏。例如：信号幅度超过±40V时，用有源探头P6245和P6243测量会造成探头的损坏；

6) 差分探头能够测量的差分电压范围是有限的。例如，差分探头P6247，其上的开关打在÷10档位时，能测的差分电压范围是±8.5V，打在÷1档位时只有±850mV。差分信号峰峰值超过850mV时（比如测公司常用的平衡线传输信号±5V），要注意选用÷10档，否则会因输入过大而使显示的波形发生错误；

7) 使用电流探头需先校准。每测试一个信号都需要校准一次；

8) 使用时，探针尽量垂直于测试表面。但不可用力按压，以免探针受损；

4.5 测试点的选择

1） 一般只测试单板接收到的信号，不测试发送的信号；

2） 信号质量测试点要求在信号在末端测量（根据当前信号流向决定测试点）。尽量在芯片的输入管脚上测量，或者尽量靠近输入管脚；

3） 很多信号在单板上会经过多级匹配、驱动，对此类输入信号的测试点应选在匹配之后，芯片输入端。建议各级驱动芯片的输入端都测量；

4） 对于同一个信号在不同的拓朴点上的情况（例如星形拓扑），其信号质量差异很大，故一般要求所有输入点的信号质量必须进行测试；

5） 测试信号应就近接地，越近越好，以减少接地环路面积；

5、信号质量测试通用标准

5.1 信号电平简述：

信号质量涉及到的几个概念：

波形周期对于重复性的波形，相邻两个重复波形间的间隔时间，定义为波形周

期，其倒数为波形频率。

波形宽度波形电压上升到波形幅度的50%起到波形电压下降到波形幅度的50%

止的时间。

上升时间波形电压从波形幅度的10%上升到90%所需要的时间。

下降时间波形电压从波形幅度的90%下降到10%所需要的时间。

占空比指波形宽度占周期的比例，例如方波的占空比为50%。

高电平为一个阀值，当信号电平超过此值时，会被认为为高，也就是‘1’，

在应用中，有输入输出之分。

低电平为一个阀值，当信号电平低过此值时，会被认为为低，也就是‘0’，

在应用中也有输入输出之分。

输入高电平

（VIH）

保证逻辑门的输入为高电平时所允许的最小输入高电平，当输入电平

高于VIH时，则认为输入电平为高电平。

输入低电平

（VIL）

保证逻辑门的输入为低电平时所允许的最大输入低电平，当输入电平

低于VIL时，则认为输入电平为低电平。

输出高电平

（VOH）

保证逻辑门的输出为高电平时的输出电平的最小值，逻辑门的输出为

高电平时的电平值都必须大于此VOH。

输出低电平

（VOL）

保证逻辑门的输出为低电平时的输出电平的最大值，逻辑门的输出为

低电平时的电平值都必须小于此VOL。

阀值电平

（VT）

数字电路芯片都存在一个阈值电平，就是电路刚刚勉强能翻转作时的

电平。它是一个界于VIL、VIH之间的电压值。对于CMOS电路的阈值

电平，基本上是二分之一的电源电压值。但要保证稳定的输出，则必

须要求输入高电平> VIH，输入低电平<VIL，而如果输入电平在阈值

上下，也就是VIL～VIH这个区域，电路的输出会处于不稳定状态。

[注] 对于一般的逻辑电平，以上参数的关系如下：VOH > VIH > VT > VIL > VOL。

5.2 合格标准

5.3 信号质量测试结果分析注意事项

1） 对设计缺陷的窄脉冲（如逻辑设计缺陷）等，不属于信号质量要求范围，而属于设计错误，必须进行更正；

2） 参照信号的用途，分析信号质量对单板的影响。

一些情况下差的信号质量不一定会对系统造成影响的，不能单纯参照指标。比如数据、地址线是电平有效信号，并且通常在读写控制信号的上升/下降采样，边沿处信号质量对系统影响不大。因此在选择我们关注的测试指标时要按需求选择。但是也应当指出，边沿处的过冲虽然对系统的功能实现可能没有影响，可是会对器件的寿命造成不良影响。

3） 酌情考虑输入信号的过冲对器件的影响，视器件本身的设计，工艺而定。

现在的CMOS工艺的输入电平可达0～7V，所以高电平过冲对器件的影响较小，主要应该关注低电平过冲。器件功能出现异常可能不仅与低电平过冲的幅度有关，还与低电平过冲的时间宽度有关。对CMOS器件尤其要注意其低电平过冲的影响，可能造成闩锁现象。对于不同的器件，对低电平要求应符合厂家规定的absolute maximum rating 的要求。

4） 信号波形不标准时可能是该信号处于三态，或单板在此时并不使用该信号，对此类信号要注意分析此信号是否为有效期间，如果在无效期间可视其为正常信号。

6、信号质量测试方法

6.1 电源信号质量测试

6.1.1 简述

电源本身有各类参数，在和产品配合使用时必须关注电源在实际工作过程的每一个输出参数是否符合要求。单独的电源参数，以及电源在与产品配合工作时参数是经常不一样的，我们必须在实际应用中对电源的每一个关键参数进行详细测试，从而保证产品（系统）的正常工作。

这里讨论的是和电源工作时输出信号参数的测试方法和要求。

6.1.2 测试项目

1) 测试电压值（精度）

2) 测试电源噪声/纹波

3) 测试电压上下电波形

4) 测量缓启动电路参数

5) 测试电源电流和冲击电流

6) 测试电源告警信号

7) 测试冗余电源的均流参数

6.1.3 测试方法

1） 测试电压值（精度）

测试仪器万用表（或示波器+无源探头）

测试方法以测试芯片前端的输入电压为例（直流），测试工具：万用表（或示

6.1.3 测试方法

1） 测试电压值（精度）

测试仪器万用表（或示波器+无源探头）

测试方法以测试芯片前端的输入电压为例（直流），测试工具：万用表（或示

波器）。用万用表的黑表笔（或示波器探头的接地线）连接被测试电源的地，红表笔（或示波器探头的探针）连接被测试电压。电压精度需要在单板空载、满载的时候分别进行测试。测试点1）电源（DC/DC、LDO等）的电压输出管脚；

2）芯片的电源管脚；

合格标准一般在标称电压值±5%范围内。根据芯片的电压要求来确定。

注意事项1）确保数字万用表电池电量充足，否则测量结果有较大误差；

2）不推荐使用示波器测量电压精度，因为会存在偏差。万一要使用示

波器测量电压精度，需要设置为直流并且取均方根值；

2） 测试电源噪声/纹波

定义纹波：是出现在输出端子间的一种与输入频率和开关频率同步的成分，

用有效值表示，一般在输出电压的0.5%以下；噪声：是出现在输出端子间的纹波以外的一种高频成分，也用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在输出电压的1%以下；纹波噪声：是上述“纹波”、“噪声”二者的合成，用峰-峰（peak to peak）值表示，要求一般在输出电压的2%以下。测试仪器 示测波试器仪。器推荐用模拟示波器。如果没有模拟示波器，也尽量使用无源

探头。

测试方法

1. 采用地线环靠接测量法，即所谓靠接测量。示波器设置带宽

（bandwidth）为20MHz，直流偏置电压（offset）为上面电压精度测

量值。使用带有地线环的探头，将探针直接接触电源管脚，地线环

直接接触负输出的管脚。这样从示波器中读出的峰峰值为输出线上

的纹波；

2. 把示波器带宽设置成全带宽（Full），测试结果即为纹波噪声值；

3. 纹波和噪声应该是在单板满载、空载时都进行测试。

测试点电源、芯片的电源管脚。

合格标准

具体合格标准参考芯片的要求。中试部给出的合格标准（考虑到我们的

测试情况，相对定义略有放宽）：

1）一般要求纹波< 输出电压的1%（在20MHz带宽下测试，结果可视

为单纯的纹波）；

2）一般要求纹波噪声< 输出电压的2%（在全带宽下测试，结果可视

为纹波+噪声）。

注意事项1）测量时探头尽量选用无源探头；

2）就近原则，探头地线接离测试电源最近的地。且地环线尽量短；

3）纹波请尽量展开成如下图形，最好记录其频率，便于分析。

3） 测试电压上下电波形

测试仪器示波器

测试方法将示波器探头连接到被测电压，示波器设为上升沿或者下降沿触发，

然后开关电源，通过示波器观察电源上下电波形。测试时的原则就是

选取适当的时间宽度能够在示波器上显示一个完整的上电波形，又要

能够将波形问题显示出来。

测试点通常需要测试下面两种上下电波形：

1） 测量芯片的电源管脚上下电波形：芯片的电源管脚；

2） 测量单板/系统上下电对其它单板/系统的影响：系统电源。

合格标准1） 在电源输出端测试，电压上下电过冲一般要求不超过被测电压的

10％。在芯片前端测试时，可参考电平通用标准；

2） 电源上电时电压不得有很大的跌落，下电时不能有很大的反冲和

回沟。（跌落和反冲不能跨越芯片启动工作电压），如出现台阶现象，需注意分析其影响；

3） 注意如果有负电压就需要根据芯片要求进行讨论；

4） 很多芯片都由多路电源供电（例如外部I/O电压3.3V，内核电压

1.8V），这些电压之间可能有上下电顺序要求，参考器件手册评

估测试结果是否合格。

注意事项遍历如下情况：

1） 系统上下电；

2） 单板拔插；

3） 电源板拔插；

4） 测量缓启动电路参数

测试仪器

示波器

测试方法常用-48V缓启动电路如下图所示。测试时用多踪示波器，一路测试点在缓启动电路前，另一路测试点在缓启动电路之后，然后上电，从示

波器观察两个测试点的上电时间差。其它如3.3V缓启动电路测试类似。

测试点如上图。注意探头的探针和地线不可接反，否则可能测量结果错误，

或者造成设备或探头损坏。

合格标准

1）延迟时间：Tdelay，一般要求其范围20 ～ 200ms；

2）上升时间：对于Trise，一般为ms级。要求其范围越小越好，但同时要求冲击电流满足合格标准；

3）没有多次上、下电（振荡上下电）现象；

下图是某3.3V缓启动电路的测试结果。Ch1（黄色）是从背板输入

的3.3V电源信号，Ch2（蓝色）是经过缓启动电路后的3.3V信号。

上图中，

可以看到整个缓启动时间分为几个部分：

1.延迟时间，即图中的Tdelay。它是背板输入电源有效到缓启

动电路有输出的时间差，相当于背板电源输入的延迟；

2.缓启动电路有输出到输出电压升高到10%幅值的时间；

3.上升时间，即图中的Trise。它是缓启动电路输出电压从10%上升到90%的时间；

4.输出电压从90%升高到100%的时间；

其中第2、4项的参数可忽略，我们一般只关注Tdelay和Trise。

注意事项遍历如下情况：

1） 系统上下电；

2） 单板拔插；

3） 电源板拔插；

5） 测试电源电流和冲击电流

测试仪器示波器

测试方法电源电流：

方法一：用电流探头。将电流探头卡在被测试电流通路上，通过示波

器观察电源上电电流波形和上电后电流的平稳波形。测试时注意电流探头的方向；

方法二：用钳流计卡在被测试电流通路上进行测试。

冲击电流：

用电流探头，将电流探头卡在被测试电流通路上，通过示波器观察电源上电和下电时的电流波形。注意电流探头的方向，测试上电冲击电流最好在冷机时测试，冲击电流最大。测试下电冲击电流最好在单板满载时进行。

测试点取下单板（从背板）引入电源链路上串接的保险管，用粗短导线代替，

电流探头或者钳流计测量此导线上的电流。

合格标准

1） 电源电流稳定值不能超过90％最大额定输出电流；

2） 冲击电流值不能超过额定输出电流的5倍。3倍以上应引起注意；

3） 单板任何业务情况下的电流一定要大于电源的最小负载，且须满

足最大容性负载要求；

4） 保险管规格的选择和冲击电流的关系。如果冲击电流为保险丝的

额定电流的5－10倍，则就要观察冲击电流的时间宽度，保险丝为快速熔断型，那么冲击电流的宽度不能超过几十毫秒；若为慢速熔断型，那么那么冲击电流的宽度不能超过几百毫秒。

注意事项

1. 冲击电流的测试应遍历如下情况：

1） 系统上下电；

2） 单板拔插；

3） 电源板拔插；

2. 冲击电流测试中，如果链路上有感性器件（电感等），则不可贪图

方便，取下感性器件后用粗短导线代替，再用电流探头或者钳流计

测量此导线上的电流。因为感性器件本身具有抑制冲击电流的作用，

此方法只适合测量静态电流。测试冲击电流时，可以撬起感性器件

后端，再连接到粗短导线测量。如下所示。