Осциллографы в применении отладок телекоммуникационных сетей

Магазин Gtest(R) предлагает широкую номенклатуру осциллографов на приводимой страничке сайта в самом конце настоящего Раздела, а также рекомендуемые приборы и статьи для самообразования  

Устранение часто встречающихся проблем I²C и SPI посредством многофункциональных моделей осциллографов последнего поколения

При устранении сложных проблем I²C и SPI возникает множество непредвиденных задач, требующих немедленного решения. В статье рассматривается, как эффективно задействовать ключевые функции современных осциллографов, способных облегчить жизнь инженеру и технику с любым уровнем подготовки.

Осциллографы — абсолютно востребованный прибор для отладки и тестирования различных приложений, включая измерение параметров полупроводников, источников питания AC/DC, тестирование низкого энергопотребления и генерирование статистики производительности шин питания. Но по мере стремительного развития электроники и протоколов связи между телекоммуникационными устройствами, отладка всего вышеперечисленного способна быстро превратиться в весьма трудоёмкий процесс.

Усовершенствованные осциллографы (см. рис. 1), способны качественно поддерживать базовую отладку электротехнического и электронного оборудования, тем самым эффективно использовать основные функции осциллографов любого поколения, как то множественные триггеры, фиксирование событий и разнообразных сигналов.

Рис. 1. Современные конструктивы электронных и электротехнических устройств, а также сетей требуют для их отладки применения современных цифровых осциллографов 

Такие функциональные узлы, как универсальные дисплеи, системы регистрации событий, интеллектуальные функции запуска на событие (триггеры) и глубокая память для удержания данных, позволяют быстро отыскивать и корректировать даже самые сложные ошибки I²C и SPI. 

В настоящей статье анализируются распространенные ошибки при тестировании сигналов и режимов синхронизации, рассматриваются проблемы, связанные с их устранением, а также то, как функции современных осциллографов обеспечивают более эффективное устранение всего перечисленного.

Часто встречающиеся ошибки сигналов I²C и SPI и/или синхронизации

I²C и SPI — наиболее широко используемые протоколы («языки общения») для связи между узлами управления, а также между ними (узлами) и чипами периферийных устройств.

I²C 

I2C (Межинтегральная схема) — это простой протокол связи и двухпроводный интерфейс на физическом уровне, состоящий из: 1). SCL (двунаправленный последовательный тактовый сигнал) и 2). SDA (данные). I2C поддерживает взаимодействие несколько ведущих и ведомых устройств на шине, при этом пока одновременно активен только один ведущий, к шине можно подключить любое устройство I2C, так что любое ведущее устройство может обмениваться информацией с любым ведомым устройством. Количество устройств ограничено максимальной ёмкостью, например, 400 пФ способно поддерживать от 20 до 30 устройств.

Наиболее распространенные проблемы с I2C следующие: 

• Медленное время нарастания фронта импульса

• Перекрестные помехи

• Выходное напряжение на низком уровне, величина которого избыточно велика

• Большое поле заниженных параметров сигналов синхронизации

• Непреднамеренный сбой протокола

SPI

SPI (Serial Peripheral Interface) — последовательный синхронный стандарт передачи данных в режиме полного дуплекса, предназначенный для обеспечения простого и недорогого высокоскоростного сопряжения микроконтроллеров и периферии. 

SPI также иногда называют четырёхпроводным интерфейсом. На физическом уровне этот протокол использует ведущую/ведомую, 4-проводную или 3-проводную последовательную шину передачи данных с четырьмя основными сигналами: SCLK (тактовый сигнал), MOSI (главный выход/ведомый вход), MISO (главный вход/ведомый выход) и SS (выбор ведомого). Ведущее устройство всегда управляет синхронизацией.

Основные проблемы SPI обычно включают в себя:

• Ошибки синхронизации, связанные с фазой и полярностью.

• Некорректная синхронизация

• Проблемы с шиной передачи данных

Ободряющей новостью является то, что многие проблемы I2C и SPI вполне возможно устранить посредством осциллографа.

Осциллограф начинает захватывать сигналы I²C и SPI.

Основная часть отладки ошибок I²C и SPI зависит от анализа того, что происходит, когда чип отправляет определенный пакет сигналов I²C /SPI. Здесь сигналы осциллографа и режимы триггера при правильном использовании могут предоставить инженерам полный пакет данных, необходимых для отладки. Однако какими бы эффективными ни были эти подходы, все еще существуют некоторые проблемы с эффективным и действенным сбором необходимых параметров.

Качественный анализ формы сигнала на осциллографе имеет решающее значение для устранения многих проблем. Например, медленное время нарастания фронта импульса в I²C может помешать сигналу вовремя достичь VIG (входное напряжение высокого уровня) для активации ожидаемой функциональности. Кроме того, проблемы могут быть связаны со значением сопротивления подтягивания и соответствием максимально допустимого времени нарастания фронта импульса стандарту I²C. Проблемы со временем нарастания можно проанализировать путем сравнения форм сигналов SDA и SDC.

Рисунок 2. Тактовый сигнал и данные I²C при наличии шумов из-за ненадлежащего заземления

Анализ форм сигналов SDA и SDC также способен выявить наличие перекрестных помех и помочь инженеру определить, оказывают ли перекрестные помехи значимое влияние на сигналы I²C. Как упоминалось ранее, низкие выходные напряжения также являются частым источником проблем с I²C. Сравнение VOL и VIL для сигналов SDA и SDC также способно выявить наличие проблемы.

Однако, поскольку часто возникает необходимость изучать все больше и больше сигналов одновременно, экран осциллографа может быстро перейти в перегруженное состояние. Конечно, отладку еще можно провести, но это займёт больше времени от стандарта этой процедуры. Чрезвычайно полезной является возможность отображать определенные сигналы в зависимости от того, как часто они возникают. Такой режим позволяет быстрее обнаруживать аномалии, что может быть особенно полезно при возникновении ошибок встречающихся довольно редко.

Еще одной проблемой многих осциллографов является поддержание высокой частоты выборки (часто необходимой, когда необходимы более длинные настройки деления или времени), при этом не исчерпывая объём памяти данных (Это вопрос подробно рассматривается в статье сайта Gtest® ПАМЯТЬ ОСЦИЛЛОГРАФОВ. ЕЁ ЗНАЧИМОСТЬ от 21.02.2024)

Анализ формы сигнала и режимы триггеров

Другой важный аспект анализа сигналов это, конечно же, триггеры. Например, одной из распространенных проблем SPI является ошибочная синхронизация. Главный процессор активирует ведомое устройство, записывая 24-битные слова. На первый взгляд может показаться, что сигналы вполне соответствуют стандарту SPI. Используя активный триггер SS (триггер, когда задействуется выбор подчиненного устройства), можно захватить всю последовательность такого рода активаций. Предоставляемая информация может быть использована для определения причин проблем с синхронизацией.

Рисунок 3. Выход ЦАП и 8-битная входная шина данных, активируемые по цифровой схеме

Во время отладки можно использовать множество режимов триггера, например, по границе, соответствующим режимам интеллектуального, программного, короткому, настройке и удержанию, а также по ширине импульса. Не все формы запуска просты, и далеко не все осциллографы обладают возможностями, необходимыми для их успешного использования.

При отладке более сложных проблем данные о редких или критических событиях регистрируются путем запуска, который может происходить в течение длительного периода времени. Эти данные могут включать подробности, которые не столь важны для процессов отладки, что, как результат, потенциально увеличивает время этой процедуры, поскольку инженер анализирует полученные данные, чтобы найти наиболее важные детали. Более сложные типы запуска, включая интеллектуальный запуск, являются ключевыми, особенно когда проблемы не входят в число наиболее распространенных в протоколах связи.

Функции осциллографа для упрощения захвата и отладки

Существуют модельные ряды новых, усовершенствованных осциллографов, которые значительно упрощают анализ сигналов и решение описанных выше проблем. Например, 8-дюймовый (21 см.) цветной сенсорный дисплей с высоким разрешением (рис. 4) позволяет накладывать только несколько сигналов друг на друга.

Важно отметить, что можно активировать различные методы визуализации сигналов, позволяющие отображать редкие аномалии с различной интенсивностью пикселей, всего существует 256 этапов оценки. Режим UltraAcquire добавляет новые режимы визуализации, включая мозаику, водопад и трёхмерное представление перекрывающихся сигналов. Подобные функции помогают свести к минимуму беспорядок на экране осциллографа, сделать данные более информативными и поддерживать гораздо более эффективную отладку как для приложений I²C, так и для SPI.

Рисунок 4. Много панельный сенсорный дисплей высокого разрешения в сочетании с новыми методами визуализации упрощает интерпретацию, анализ и отладку сигналов.

Еще одним аспектом передовой технологии осциллографов является глубокая память данных (см. ссылку на соответствующую статью выше). Поддержание режима высокой частоты дискретизации, особенно при использовании более длительных настроек времени/деления, может оказаться чрезвычайно затруднительным делом без достаточной памяти данных. Недостаточный объем памяти делает невозможным сбор сигналов в течение длительного времени без потери их (сигналов) важных деталей. Опять же, именно память поддерживает как базовые, так и расширенные методы отладки.

Возможность поиска и маркировки событий через определённые параметры необходима для более сложной отладки. В сочетании с режимами визуализации высокого разрешения данные отладки и чёткой визуализации содержат особенно  полезную информацию. На рис. 5 показан пример того, как будут выглядеть результаты поиска, если была осуществлена настройка нарастающих фронтов. А интеллектуальный запуск гарантирует, что редкие и важные события, представляющие интерес, обязательно будут сохранены без включения ненужных данных, что приведет к получению более краткой и полезной информации.

Рис. 5. Образец таблицы данных, демонстрирующий результаты поиска и маркировки объектов.

Эти функции значительно упрощают сбор данных и отладку, сокращая время, необходимое для тестирования и, как результат, время вывода на рынок новых продуктов. Например, рассмотрим пример непрерывного захвата в течение длительного времени в сочетании с маркировкой событий и поиском событий, как это представлено на рис. 6.

Рис. 6. Сочетание ключевых функций усовершенствованных осциллографов может облегчить не только получение данных отладки, но и их анализ и толкование.

Осциллограф гарантированно устраняет проблемы I²C и SPI (на примере RIGOL модельного ряда DHO1000 и DHO4000, а также OWON xDS3204E)

Серии DHO1000 и DHO4000 — это новейшие дополнения к линейке осциллографов RIGOL UltraVision III, включающие все описанные функции, помогающие инженерам устранять сложные проблемы I²C и SPI. Их возможности начинаются с настоящих 12-битных АЦП и полосы пропускания до 800 МГц. Приборы также оснащены цветными сенсорными дисплеями высокого разрешения с возможностью более эффективного анализа сигналов и упрощения сравнения нескольких сигналов одновременно.

Чтобы еще больше упростить и повысить эффективность визуализации, осциллографы RIGOL и OWON предлагают пакетный захват UltraAcquire, а режим визуализации обеспечивает полосу пропускания до 5 ГГц (RIGOL) с максимальной частотой дискретизации 20 млрд отсчетов в секунду. Это позволяет пользователям улавливать небольшие изменения динамического характера в сложном сигнале.

Глубокая память данных является ключом к достижению высокой частоты дискретизации, и RIGOL Ultravision поддерживает глубину памяти до 500 Мт/с, поддерживая частоту дискретизации 4 Гвыб/с в серии DHO4000. Это также позволяет получать высокоточные измерения для полного анализа сигнала. Такого рода функции предоставляют пользователям возможность записывать, перемещаться и анализировать обширные данные с помощью гибкой и глубокой памяти.

Эти осциллографы обладают расширенными возможностями поиска, включая поиск и маркировку событий с использованием параметров фронта и импульса. Они также включают режимы интеллектуального запуска и подробной визуализации сигналов для ускорения отладки и улучшения анализа. Например, серия RIGOL Ultravision III имеет скорость захвата сигналов с высоким разрешением 8-битных АЦП и до 16 бит в режиме высокого разрешения. 

Рис. 7. RIGOL Ultravision III DHO4804 — один из передовых осциллографов, оснащенный функциями, позволяющими решать некоторые из самых сложных задач отладки.

Все использованные изображения любезно   предоставлены RIGOL Technologies and Fujian Lilliput Optoelectronics Technology Co.,Ltd (OWON™)

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик осциллографов в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/ostcillografy