常用信號完整性的測試手段和在設計的應用
發布時間:2011-12-09
中心議題:
- 信號完整性的測試手段
- 信號完整性仿真
- 信號完整性測試應用實例
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信xin號hao完wan整zheng性xing設she計ji在zai產chan品pin開kai發fa中zhong越yue來lai越yue受shou到dao重zhong視shi,而er信xin號hao完wan整zheng性xing的de測ce試shi手shou段duan種zhong類lei繁fan多duo,有you頻pin域yu,也ye有you時shi域yu的de,還hai有you一yi些xie綜zong合he性xing的de手shou段duan,比bi如ru誤wu碼ma測ce試shi。這zhe些xie手shou段duan並bing非fei任ren何he情qing況kuang下xia都dou適shi合he使shi用yong,都dou存cun在zai這zhe樣yang那na樣yang的de局ju限xian性xing,合he適shi選xuan用yong,可ke以yi做zuo到dao事shi半ban功gong倍bei,避bi免mian走zou彎wan路lu。本ben文wen對dui各ge種zhong測ce試shi手shou段duan進jin行xing介jie紹shao,並bing結jie合he實shi際ji硬ying件jian開kai發fa活huo動dong說shuo明ming如ru何he選xuan用yong,最zui後hou給gei出chu了le一yi個ge測ce試shi實shi例li。
xinhaowanzhengxingdeceshishouduanhenduo,shejideyiqiyehenduo,yincishuxigezhongceshishouduandetedian,yijigenjuceshiduixiangdetexingheyaoqiu,xuanyongshidangdeceshishouduan,duiyuxuanzefangan、驗證效果、解決問題等硬件開發活動,都能夠大大提高效率,起到事半功倍的作用。
信號完整性的測試手段
信號完整性的測試手段主要可以分為三大類,如表1所suo示shi。表biao中zhong列lie出chu了le大da部bu分fen信xin號hao完wan整zheng性xing測ce試shi手shou段duan,這zhe些xie手shou段duan既ji有you優you點dian,但dan是shi也ye存cun在zai局ju限xian性xing,實shi際ji上shang不bu可ke能neng全quan部bu都dou使shi用yong,下xia麵mian對dui這zhe些xie手shou段duan進jin行xing一yi些xie說shuo明ming。

表1:信號完整性測試手段分類。
1.波形測試
波形測試是信號完整性測試中最常用的手段,一般是使用示波器進行,主要測試波形幅度、邊沿和毛刺等,通過測試波形的參數,可以看出幅度、邊bian沿yan時shi間jian等deng是shi否fou滿man足zu器qi件jian接jie口kou電dian平ping的de要yao求qiu,有you沒mei有you存cun在zai信xin號hao毛mao刺ci等deng。由you於yu示shi波bo器qi是shi極ji為wei通tong用yong的de儀yi器qi,幾ji乎hu所suo有you的de硬ying件jian工gong程cheng師shi都dou會hui使shi用yong,但dan並bing不bu表biao示shi大da家jia都dou使shi用yong得de好hao。波bo形xing測ce試shi也ye要yao遵zun循xun一yi些xie要yao求qiu,才cai能neng夠gou得de到dao準zhun確que的de信xin號hao。
首先是要求主機和探頭一起組成的帶寬要足夠。基本上測試係統的帶寬是測試信號帶寬的3倍以上就可以了。實際使用中,有一些工程師隨便找一些探頭就去測試,甚至是A公司的探頭插到B公司的示波器去,這種測試很難得到準確的結果。
其次要注重細節。比如測試點通常選擇放在接收器件的管腳,如果條件限製放不到上麵去的,比如BGA封裝的器件,可以放到最靠近管腳的PCB走線上或者過孔上麵。距離接收器件管腳過遠,因為信號反射,可能會導致測試結果和實際信號差異比較大;探頭的地線盡量選擇短地線等。
最後,需要注意一下匹配。這個主要是針對使用同軸電纜去測試的情況,同軸直接接到示波器上去,負載通常是50歐姆,並且是直流耦合,而對於某些電路,需要直流偏置,直接將測試係統接入時會影響電路工作狀態,從而測試不到正常的波形。
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2.眼圖測試
眼圖測試是常用的測試手段,特別是對於有規範要求的接口,比如E1/T1、USB、10/100BASE-T,還有光接口等。這些標準接口信號的眼圖測試,主要是用帶MASK(模板)的示波器,包括通用示波器,采樣示波器或者信號分析儀,這些示波器內置的時鍾提取功能,可以顯示眼圖,對於沒有MASKdeshiboqi,keyishiyongwaijieshizhongjinxingchufa。shiyongyantuceshigongneng,xuyaozhuyiceshiboxingdeshuliang,tebieshiduiyupanduanjiekouyantushifoufuheguifanshi,shuliangguoshao,boxingdedoudongbijiaoxiao,yexuyouyixiaweiguideqingkuang,biruboxingjinruMASK的某部部分,就可能采集不到,出現誤判為通過,數量太多,會導致整個測試時間過長,效率不高,通常情況下,測試波形數量不少於2000,在3000左右為適宜。
目前有一些儀器,利用分析軟件,可以對眼圖中的違規詳細情況進行查看,比如在MASK中(zhong)落(luo)入(ru)了(le)一(yi)些(xie)采(cai)樣(yang)點(dian),在(zai)以(yi)前(qian)是(shi)不(bu)知(zhi)道(dao)哪(na)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)落(luo)入(ru)的(de),因(yin)為(wei)所(suo)有(you)的(de)采(cai)樣(yang)點(dian)是(shi)累(lei)加(jia)進(jin)去(qu)的(de),總(zong)的(de)效(xiao)果(guo)看(kan)起(qi)來(lai)就(jiu)象(xiang)是(shi)長(chang)餘(yu)暉(hui)顯(xian)示(shi)。而(er)新(xin)的(de)儀(yi)器(qi),利(li)用(yong)了(le)其(qi)長(chang)存(cun)儲(chu)的(de)優(you)勢(shi),將(jiang)波(bo)形(xing)采(cai)集(ji)進(jin)來(lai)後(hou)進(jin)行(xing)處(chu)理(li)顯(xian)示(shi),因(yin)此(ci)波(bo)形(xing)的(de)每(mei)一(yi)個(ge)細(xi)節(jie)都(dou)可(ke)以(yi)保(bao)留(liu),因(yin)此(ci)它(ta)可(ke)以(yi)查(zha)看(kan)波(bo)形(xing)的(de)違(wei)規(gui)情(qing)況(kuang),比(bi)如(ru)波(bo)形(xing)是(shi)000010還是101010,這個功能可以幫助硬件工程師查找問題的根源所在。
3.抖動測試
抖動測試現在越來越受到重視,因為專用的抖動測試儀器,比如TIA(時間間隔分析儀)、SIA3000,價格非常昂貴,使用得比較少。使用得最多是示波器加上軟件處理,如TEK的TDSJIT3軟件。通過軟件處理,分離出各個分量,比如RJ和DJ,以及DJ中的各個分量。對於這種測試,選擇的示波器,長存儲和高速采樣是必要條件,比如2M以上的存儲器,20GSa/s的采樣速率。不過目前抖動測試,各個公司的解決方案得到結果還有相當差異,還沒有哪個是權威或者行業標準。
4.TDR測試
TDR測試目前主要使用於PCB(印製電路板)信號線、yijiqijianzukangdeceshi,birudanduanxinhaoxian,chafenxinhaoxian,lianjieqideng。zhezhongceshiyouyigeyaoqiu,jiushiheshijiyingyongdetiaojianxiangjiehe,birushijigaixinhaoxiandexinhaoshangshengyanzai300ps左右,那麼TDR的輸出脈衝信號的上升沿也要相應設置在300ps附近,而不使用30ps左右的上升沿,否則測試結果可能和實際應用有比較大的差別。影響TDR測試精度有很多的原因,主要有反射、校準、讀數選擇等,反射會導致較短的PCB信號線測試值出現嚴重偏差,特別是在使用TIP(探針)去測試的情況下更為明顯,因為TIP和信號線接觸點會導致很大的阻抗不連續,導致反射發生,並導致附近三、四英寸左右範圍的PCB信號線的阻抗曲線起伏。
5.時序測試
現(xian)在(zai)器(qi)件(jian)的(de)工(gong)作(zuo)速(su)率(lv)越(yue)來(lai)越(yue)快(kuai),時(shi)序(xu)容(rong)限(xian)越(yue)來(lai)越(yue)小(xiao),時(shi)序(xu)問(wen)題(ti)導(dao)致(zhi)產(chan)品(pin)不(bu)穩(wen)定(ding)是(shi)非(fei)常(chang)常(chang)見(jian)的(de),因(yin)此(ci)時(shi)序(xu)測(ce)試(shi)是(shi)非(fei)常(chang)必(bi)要(yao)的(de)。測(ce)試(shi)時(shi)序(xu)通(tong)常(chang)需(xu)要(yao)多(duo)通(tong)道(dao)的(de)示(shi)波(bo)器(qi)和(he)多(duo)個(ge)探(tan)頭(tou),示(shi)波(bo)器(qi)的(de)邏(luo)輯(ji)觸(chu)發(fa)或(huo)者(zhe)碼(ma)型(xing)和(he)狀(zhuang)態(tai)觸(chu)發(fa)功(gong)能(neng),對(dui)於(yu)快(kuai)速(su)捕(bu)獲(huo)到(dao)需(xu)要(yao)的(de)波(bo)形(xing),很(hen)有(you)幫(bang)助(zhu),不(bu)過(guo)多(duo)個(ge)探(tan)頭(tou)在(zai)實(shi)際(ji)操(cao)作(zuo)中(zhong),並(bing)不(bu)容(rong)易(yi),又(you)要(yao)拿(na)探(tan)頭(tou),又(you)要(yao)操(cao)作(zuo)示(shi)波(bo)器(qi),那(na)個(ge)時(shi)候(hou)感(gan)覺(jiao)有(you)孫(sun)悟(wu)空(kong)的(de)三(san)頭(tou)六(liu)臂(bi)就(jiu)方(fang)便(bian)多(duo)了(le)。邏(luo)輯(ji)分(fen)析(xi)儀(yi)用(yong)做(zuo)時(shi)序(xu)測(ce)試(shi)並(bing)不(bu)多(duo),因(yin)為(wei)它(ta)主(zhu)要(yao)作(zuo)用(yong)是(shi)分(fen)析(xi)碼(ma)型(xing),也(ye)就(jiu)是(shi)分(fen)析(xi)信(xin)號(hao)線(xian)上(shang)跑(pao)的(de)是(shi)什(shen)麼(me)碼(ma),和(he)代(dai)碼(ma)聯(lian)係(xi)在(zai)一(yi)起(qi),可(ke)以(yi)分(fen)析(xi)是(shi)哪(na)些(xie)指(zhi)令(ling)或(huo)者(zhe)數(shu)據(ju)。在(zai)對(dui)於(yu)要(yao)求(qiu)不(bu)高(gao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia),可(ke)以(yi)用(yong)它(ta)來(lai)測(ce)試(shi),它(ta)相(xiang)對(dui)示(shi)波(bo)器(qi)來(lai)說(shuo),優(you)勢(shi)就(jiu)是(shi)通(tong)道(dao)數(shu)多(duo),但(dan)是(shi)它(ta)的(de)劣(lie)勢(shi)是(shi)探(tan)頭(tou)連(lian)接(jie)困(kun)難(nan),除(chu)非(fei)設(she)計(ji)的(de)時(shi)候(hou)就(jiu)已(yi)經(jing)考(kao)慮(lv)了(le)連(lian)接(jie)問(wen)題(ti),否(fou)則(ze)飛(fei)線(xian)就(jiu)是(shi)唯(wei)一(yi)的(de)選(xuan)擇(ze),如(ru)果(guo)信(xin)號(hao)線(xian)在(zai)PCB的內層,幾乎很難做到。
6.頻譜測試
對於產品的開發前期,這種測試應用相對比較少,但是對於後期的係統測試,比如EMC測試,很多產品都需要測試。通過該測試發現某些頻點超標,然後可以使用近場掃描儀(其中關鍵的儀器是頻譜儀),例如EMCSCANER,來(lai)分(fen)析(xi)板(ban)卡(ka)上(shang)麵(mian)具(ju)體(ti)哪(na)一(yi)部(bu)分(fen)的(de)頻(pin)譜(pu)比(bi)較(jiao)高(gao),從(cong)而(er)找(zhao)出(chu)超(chao)標(biao)的(de)根(gen)源(yuan)所(suo)在(zai)。不(bu)過(guo)這(zhe)些(xie)設(she)備(bei)相(xiang)對(dui)都(dou)比(bi)較(jiao)昂(ang)貴(gui),中(zhong)小(xiao)公(gong)司(si)擁(yong)有(you)的(de)不(bu)多(duo),因(yin)此(ci)通(tong)常(chang)情(qing)況(kuang)下(xia)都(dou)是(shi)在(zai)設(she)計(ji)時(shi)仔(zai)細(xi)做(zuo)好(hao)匹(pi)配(pei)和(he)屏(ping)蔽(bi),避(bi)免(mian)後(hou)麵(mian)測(ce)試(shi)時(shi)發(fa)現(xian)信(xin)號(hao)頻(pin)譜(pu)超(chao)標(biao),因(yin)為(wei)後(hou)期(qi)發(fa)現(xian)了(le)問(wen)題(ti),很(hen)多(duo)情(qing)況(kuang)下(xia)是(shi)很(hen)難(nan)定(ding)位(wei)的(de)。
7.頻域阻抗測試
現在很多標準接口,比如E1/T1deng,weilebimianyoutaiduodenengliangfanshe,douyaoqiubijiaohaodipipei,lingwaizaishepinhuozheweibo,xianghuduijie,duizukangtongchangdouyouyaoqiu。zhexieqingkuangxia,douxuyaojinxingpinyudezukangceshi。zukangceshitongchangshiyongwangluofenxiyi,danduanduankouxiangduijiandan,duiyuchafenshurudeduankou,keyishiyongBalun進行差分和單端轉換。
傳輸損耗測試,對於長的PCB走zou線xian,或huo者zhe電dian纜lan等deng,在zai傳chuan輸shu距ju離li比bi較jiao遠yuan,或huo者zhe傳chuan輸shu信xin號hao速su率lv非fei常chang高gao的de情qing況kuang下xia,還hai有you頻pin域yu的de串chuan擾rao等deng,都dou可ke以yi使shi用yong網wang絡luo分fen析xi儀yi來lai測ce試shi。同tong樣yang的de,對dui於yuPCB差分信號或者雙絞線,也可是使用Balun進行差分到單端轉換,或者使用4端口網絡分析來測試。多端口網絡分析儀的校準,使用電子校準件可以大大提高校準的效率。
8.誤碼測試
誤(wu)碼(ma)測(ce)試(shi)實(shi)際(ji)上(shang)是(shi)係(xi)統(tong)測(ce)試(shi),利(li)用(yong)誤(wu)碼(ma)儀(yi),甚(shen)至(zhi)是(shi)一(yi)些(xie)軟(ruan)件(jian)都(dou)可(ke)做(zuo),比(bi)如(ru)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)兩(liang)台(tai)電(dian)腦(nao),使(shi)用(yong)軟(ruan)件(jian),測(ce)試(shi)連(lian)接(jie)兩(liang)台(tai)電(dian)腦(nao)間(jian)的(de)網(wang)絡(luo)誤(wu)碼(ma)情(qing)況(kuang)。誤(wu)碼(ma)測(ce)試(shi)可(ke)以(yi)對(dui)數(shu)據(ju)的(de)每(mei)一(yi)位(wei)都(dou)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi),這(zhe)是(shi)它(ta)的(de)優(you)點(dian),相(xiang)比(bi)之(zhi)下(xia)示(shi)波(bo)器(qi)隻(zhi)是(shi)部(bu)分(fen)時(shi)間(jian)進(jin)行(xing)采(cai)樣(yang),很(hen)多(duo)時(shi)間(jian)都(dou)在(zai)等(deng)待(dai),因(yin)此(ci)漏(lou)過(guo)了(le)很(hen)多(duo)細(xi)節(jie)。低(di)誤(wu)碼(ma)率(lv)的(de)設(she)備(bei)的(de)誤(wu)碼(ma)測(ce)試(shi)很(hen)耗(hao)費(fei)時(shi)間(jian),有(you)的(de)測(ce)試(shi)時(shi)間(jian)是(shi)一(yi)整(zheng)天(tian),甚(shen)至(zhi)是(shi)數(shu)天(tian)。
實(shi)際(ji)中(zhong)如(ru)何(he)選(xuan)用(yong)這(zhe)上(shang)述(shu)測(ce)試(shi)手(shou)段(duan),需(xu)要(yao)根(gen)據(ju)被(bei)測(ce)試(shi)對(dui)象(xiang)進(jin)行(xing)具(ju)體(ti)分(fen)析(xi),不(bu)同(tong)的(de)情(qing)況(kuang)需(xu)要(yao)不(bu)同(tong)的(de)測(ce)試(shi)手(shou)段(duan)。比(bi)如(ru)有(you)標(biao)準(zhun)接(jie)口(kou)的(de),就(jiu)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)眼(yan)圖(tu)測(ce)試(shi)、阻抗測試和誤碼測試等,對於普通硬件電路,可以使用波形測試、時序測試,設計中有高速信號線,還可以使用TDR測試。對於時鍾、高速串行信號,還可以抖動測試等。
另(ling)外(wai)上(shang)麵(mian)眾(zhong)多(duo)的(de)儀(yi)器(qi),很(hen)多(duo)都(dou)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)多(duo)種(zhong)測(ce)試(shi),比(bi)如(ru)示(shi)波(bo)器(qi),可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)波(bo)形(xing)測(ce)試(shi),時(shi)序(xu)測(ce)試(shi),眼(yan)圖(tu)測(ce)試(shi)和(he)抖(dou)動(dong)測(ce)試(shi)等(deng),網(wang)絡(luo)分(fen)析(xi)儀(yi)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)頻(pin)域(yu)阻(zu)抗(kang)測(ce)試(shi)、傳輸損耗測試等,因此靈活應用儀器也是提高測試效率,發現設計中存在問題的關鍵。
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信號完整性仿真
信xin號hao完wan整zheng性xing測ce試shi是shi信xin號hao完wan整zheng性xing設she計ji的de一yi個ge手shou段duan,在zai實shi際ji應ying用yong中zhong還hai有you信xin號hao完wan整zheng性xing仿fang真zhen,這zhe兩liang個ge手shou段duan結jie合he在zai一yi起qi,為wei硬ying件jian開kai發fa活huo動dong提ti供gong了le強qiang大da的de支zhi持chi。圖tu1是目前比較常見的硬件開發過程。

圖1:常見的硬件設計流程。
在zai需xu求qiu分fen析xi和he方fang案an選xuan擇ze階jie段duan,就jiu可ke以yi應ying用yong一yi些xie信xin號hao完wan整zheng性xing測ce試shi手shou段duan和he仿fang真zhen手shou段duan來lai分fen析xi可ke行xing性xing,或huo者zhe判pan斷duan哪na種zhong方fang案an優you勝sheng,比bi如ru測ce試shi一yi些xie關guan鍵jian芯xin片pian的de評ping估gu板ban,看kan看kan信xin號hao的de電dian平ping、速su率lv等deng是shi否fou滿man足zu要yao求qiu,或huo者zhe利li用yong事shi先xian得de到dao的de器qi件jian模mo型xing,進jin行xing仿fang真zhen,看kan接jie口kou的de信xin號hao傳chuan輸shu距ju離li是shi否fou滿man足zu要yao求qiu等deng。在zai平ping時shi利li用yong測ce試shi手shou段duan,也ye可ke以yi得de到dao一yi些xie器qi件jian的de模mo型xing,比bi如ru電dian纜lan的de傳chuan輸shu模mo型xing,這zhe種zhong模mo型xing可ke以yi利li用yong在zai仿fang真zhen中zhong,當dang這zhe些xie模mo型xing積ji累lei比bi較jiao多duo,一yi些xie部bu分fen測ce試shi,包bao括kuo設she計ji完wan畢bi後hou的de驗yan證zheng測ce試shi,可ke以yi用yong仿fang真zhen來lai替ti代dai,這zhe對dui於yu效xiao率lv提ti高gao很hen有you好hao處chu,因yin為wei一yi個ge設she計ji中zhong的de所suo有you的de信xin號hao都dou完wan全quan進jin行xing測ce試shi,是shi比bi較jiao困kun難nan的de,也ye是shi很hen耗hao費fei時shi間jian的de。
在設計階段,通常是使用仿真手段,對具體問題進行分析,比如負載的個數,PCB信號線的拓撲結構,並根據仿真結果對設計進行調整,以便將大多數的信號完整性問題解決在設計階段。
係(xi)統(tong)調(tiao)試(shi)以(yi)及(ji)驗(yan)證(zheng)測(ce)試(shi)階(jie)段(duan),主(zhu)要(yao)是(shi)利(li)用(yong)信(xin)號(hao)完(wan)整(zheng)性(xing)測(ce)試(shi)手(shou)段(duan),對(dui)設(she)計(ji)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi),看(kan)是(shi)否(fou)設(she)計(ji)的(de)要(yao)求(qiu)。如(ru)果(guo)發(fa)現(xian)了(le)嚴(yan)重(zhong)問(wen)題(ti),就(jiu)要(yao)去(qu)解(jie)決(jue),信(xin)號(hao)完(wan)整(zheng)性(xing)的(de)測(ce)試(shi)和(he)仿(fang)真(zhen)手(shou)段(duan)都(dou)將(jiang)用(yong)來(lai)尋(xun)找(zhao)問(wen)題(ti)的(de)根(gen)源(yuan),以(yi)及(ji)尋(xun)找(zhao)適(shi)合(he)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)上(shang)麵(mian)。
信號完整性測試和信號完整性仿真緊密結合,是信號完整性設計的基本要求。
應用實例
某種進口電纜A在zai公gong司si的de各ge個ge產chan品pin中zhong廣guang泛fan應ying用yong,由you於yu是shi獨du家jia供gong應ying商shang,多duo年nian價jia格ge一yi直zhi沒mei有you下xia降jiang過guo,在zai通tong信xin產chan品pin的de價jia格ge逐zhu年nian大da幅fu度du地di下xia降jiang的de情qing況kuang下xia,是shi不bu大da正zheng常chang的de,這zhe種zhong情qing況kuang下xia需xu要yao尋xun找zhao替ti代dai的de供gong應ying商shang,由you於yu涉she及ji的de產chan品pin眾zhong多duo,並bing且qie產chan品pin在zai網wang絡luo中zhong的de地di位wei很hen高gao,替ti代dai就jiu顯xian得de非fei常chang謹jin慎shen,因yin此ci需xu要yao通tong過guo多duo方fang麵mian測ce試shi驗yan證zheng,才cai能neng夠gou決jue定ding能neng否fou替ti代dai。
根據規格需求,找到擬用來替代的國產電纜B,根據這種情況,設計多種測試進行驗證兩種電纜的效果:1.頻域測試:測試兩種電纜的傳輸損耗、反射、串擾等;2.時域測試:測試兩種電纜的眼圖測試、波形測試等;3.仿真:利用仿真軟件,仿真眼圖傳輸情況;4.其他測試:呼叫測試(係統測試的一種,模擬實際應用的性能)。圖2、3和4是部分的測試結果。

圖2:兩種電纜的差分傳輸損耗(上)和差分近端串擾(下)。
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圖3:仿真傳輸眼圖(上:電纜A,下:電纜B)。
從圖2可以看到,兩種電纜的差分傳輸損耗差不多,而電纜A得近端串擾則相對比較大。圖3使用了仿真軟件,仿真20米長的電纜,傳輸40Mbps信號的眼圖情況,仿真使用的電纜模型是利用上麵頻域測試得到的模型,通過仿真可以看到電纜B的眼圖比電纜A的眼圖要好,不論眼高還是眼圖抖動。

圖4:實際應用測試(上:電纜A,下:電纜B)。
圖4是實際應用的眼圖情況,很明顯電纜B的眼圖要比電纜A的眼圖要好,和前麵的仿真結果比較吻合,不過電纜A的實際反射比較大一點,這和仿真使用驅動器件的模型有關。
綜合其他測試的結果,最後結論認為擬用來替代的國產電纜B,性能優於進口電纜電纜A,因此完全可以替代。這個替代,將給公司帶來每年數百萬元的成本下降。
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