优化高速接口的差分测量

高速串行接口一般通过差分信令传输数据。信号探测需要用到差分探头。除了差分输入端外，这些探头（尤其是带宽更高的型号）通常还提供额外的接地端。R&S^®RT‑ZMxx 模块化多模探头的接地端可用于改善高速差分接口的测量。

optimize-differential-measurements-high-speed-interfaces_ac_5215-4646-92_01.png

/

您的任务

您需要测量差分传输的高速接口，比如 PCIe、USB 3.1 以及 10GB 以太网。差分信号通道使用相互参考的正端和负端传输，而不是只使用一条接地信号线（单端传输）。通过正负输入之间的差值，可以测出差分信号。差分探头具有高输入阻抗，能够测量在探头动态范围内的任意两个差分电位之间的信号。差分探头能够测量并放大两个信号电平的电压差。

测试与测量解决方案

应仔细挑选差分探头，以便准确分析高速接口信号。图 1 显示简化的差分探头测量装置，该差分探头具有正 (V_P) 和负 (V_N) 输入电压，以测量 USB 3.1 Gen1 信号。本例中，USB 已连接到未接通电源的笔记本电脑。图中显示差分电压 (V_DM= V_P– V_N) 和共模电压 (V_CM= ½ (V_P+ V_N))。

该探头已接地。这种连接存在未知的寄生电感 L_parasitic（取决于接地质量和特性，比如接地长度）。由于共模抑制与频率有关，较大的接地电感会导致所测高速信号的质量变差。接地有助于提高探头的共模抑制比 (CMRR)。

应用

根据图 1 设置，可分析接地对差分测量的影响：

将 USB 连接到笔记本电脑
将 R&S^®RT-ZM60 模块化探头连接到 R&S^®RTO2064，以检测传输信号

第一种设置中，在探头尖端模块上接地。第二种设置中，为了进行比较而没有接地，以便通过对比显示接地的影响。

首先测量两种设置（接地/不接地）的共模电压，然后测量差分电压。R&S^®RT-ZM 模块化探头是一种理想的选择，便于用户切换差模 (DM) 和共模 (CM) 测量，而无需重新连接或重新焊接探头。

图 2 显示共模电压测量结果。蓝色波形表示接地的测量（设置 1）。黄色波形表示未接地的测量（设置 2）。共模电压的峰间值 (PTP) 和均方根 (RMS) 显示在右侧的“Meas Results”测量结果框中，便于用户比较两种测量设置得到的共模电压。

共模电压测量结果比较
测量类型	接地	不接地	比值
峰间值（平均值）	95 mV	123 mV	1.29
均方根（平均值）	9 mV	12.3 mV	1.37

在接地情况下共模电压的 PTP 和 RMS 测量结果（PTP = 95 mV，RMS = 9 mV）远低于不接地情况下获得的测量结果（PTP = 123 mV，RMS = 12.3 mV）。这说明接地对于准确的共模测量至关重要。

图 3 中的紫色波形举例说明了在不接地的情况下，可能产生不可预见的未知影响。所示为未接地的测量（图 2 中的黄色波形），在该设置中笔记本电脑通过电源线接通电源。紫色波形显示电源单元的开关频率（约为 55 kHz）也一同被测量，并会影响测量结果。共模电压的峰间值增至三倍，达到 298 mV（见“Meas Results”结果框中的 PTP 值）。

在探头接地的情况下，笔记本电脑连接电源，不会对测量结果产生影响。结果表明探头接地会影响差分电压测量。为比较两种测量设置对数据码型测量的影响，使用了串行总线的协议触发功能。

图 4 中的蓝色波形表示探头接地获得的测量结果。黄色波形表示在未接地的情况下获得的测量值。蓝色波形的时间间隔误差 (TIE) 抖动显示在底部绿色柱状图中。

接地情况下的 RMS 抖动对应柱状图的标准偏差，即 σ = 10.8 ps（红色箭头）。在黄色波形上执行同样的测量，测出 RMS 抖动 σ = 14.5 ps，高出 34%。这与黄色波形的过冲有关，如缩放窗口所示。这些结果表明，在探头接地的情况下，测量信号保真度更高。