Современные осциллографы. Устранение распространённых проблем в микросхемах

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 распространенных проблем I2C и SPI с помощью современных осциллографов

При отладке сложных ошибок I2C и SPI возникает множество сложных задач. Узнайте, как использование ключевых функций современных продвинутых осциллографов может облегчить вам жизнь.

Осциллографы являются бесценным инструментом отладки для тестирования различных приложений, включая тестирование полупроводников, тестирование источников питания, тестирование маломощных устройств и анализ шин питания. Но по мере развития электроники и протоколов связи между устройствами отладка может быстро стать более трудоемкой.

Продвинутые осциллографы, такие как показанный на рисунке 1, по-прежнему могут поддерживать базовую отладку, позволяя при этом глубоко погрузиться в триггеры, события и множественные сигналы.

Рисунок 1. Современные разработки требуют использования современных цифровых осциллографов для их отладки. 

Такие функции, как многоуровневые дисплеи, поисковики событий, интеллектуальные триггеры и глубокая память данных, позволяют быстро находить и исправлять даже самые сложные ошибки I2C и SPI. В этой статье рассматриваются распространенные ошибки сигналов и синхронизации, проблемы, связанные с их отладкой, и то, как функции современных осциллографов поддерживают более эффективное разрешение этих ошибок. 

Распространенные ошибки сигналов и/или синхронизации I2C и SPI

I2C и SPI являются наиболее широко используемыми протоколами для связи между контроллерами, а также между контроллерами и периферийными микросхемами.

I2C 

I2C (Inter-Integrated Circuit) — это простой встроенный протокол связи и физический двухпроводной интерфейс: SCL (двунаправленный последовательный тактовый сигнал) и SDA (данные). Он поддерживает несколько ведущих и ведомых устройств на шине, пока только одно ведущее устройство активно в каждый момент времени, и любое устройство I2C может быть подключено к шине таким образом, что любое ведущее устройство может обмениваться информацией с любым ведомым устройством. Количество устройств ограничено максимальной емкостью — например, 400 пФ может поддерживать от 20 до 30 устройств).

Наиболее распространенные проблемы с I2C:

• Медленное время нарастания

• Перекрестные помехи

• Слишком высокие выходные напряжения низкого уровня

• Большой участок провалов

• Непреднамеренное проиворечие.

SPI

SPI (последовательный периферийный интерфейс) — полнодуплексный протокол. Он использует ведущую/ведомую, 4-проводную или 3-проводную последовательную коммуникационную шину с четырьмя основными сигналами: SCLK (тактовый сигнал), MOSI (ведущий выход/ведомый вход), MISO (ведущий вход/ведомый выход) и SS (выбор ведомого). Обратите внимание, что ведущее устройство всегда управляет тактовым сигналом.

Основные проблемы SPI обычно включают:

• Ошибки синхронизации, связанные с фазой и полярностью

• Неправильная синхронизация

• Проблемы с шиной.

Хорошей новостью является то, что многие проблемы I2C и SPI можно отладить с помощью осциллографа. 

Начинается захват сигнала I2C и SPI.

Большая часть отладки ошибок I2C и SPI зависит от исследования того, что происходит, когда чип отправляет определенный пакет I2C/SPI. Здесь осциллограммы и триггеры осциллографа — при правильном использовании — могут предоставить инженерам данные, необходимые для отладки. Однако, как бы эффективны ни были эти подходы, все еще существуют некоторые проблемы с эффективным и действенным сбором необходимых данных. Анализ формы сигнала на осциллографе бесценен для отладки многих проблем. Например, медленное время нарастания в I2C может помешать сигналу достичь VIG (высокоуровневое входное напряжение) вовремя для ожидаемой функциональности. Кроме того, они могут быть связаны со значением подтягивающего сопротивления и с тем, соответствует ли максимально допустимое время нарастания стандарту I2C. Проблемы со временем нарастания можно исследовать, сравнивая формы сигналов SDA и SDC вместе. 

Рисунок 2. Синхранизация и данные I2C с шумом из-за плохого заземления 

Изучение форм сигналов SDA и SDC также может выявить наличие перекрестных помех и помочь инженеру определить, оказывают ли перекрестные помехи существенное влияние на сигналы I2C. Как упоминалось ранее, низкоуровневые выходные напряжения также являются распространенным источником проблем с I2C. Сравнение VOL и VIL для сигналов SDA и SDC может выявить наличие проблемы.

Однако, поскольку становится необходимым исследовать все больше и больше форм сигналов одновременно, экран может быстро загромождаться. Хотя, конечно, отладка все еще возможна, она может занять больше времени. И еще более полезной является возможность отображать определенные сигналы в зависимости от того, как часто они появляются. Это позволяет быстрее обнаруживать аномалии, что может быть особенно полезно для нетипичных ошибок.

Еще одна проблема со многими осциллографами — поддержание высокой частоты дискретизации (часто необходимой, когда требуются более длинные настройки деления или времени) без исчерпания памяти данных. 

Анализ формы волны и триггеры

Другой важный аспект анализа формы сигнала касается триггеров. Например, одной из распространенных проблем с SPI является неправильная синхронизация. Основной ЦП инициализирует подчиненное устройство, записывая 24-битные слова. На первый взгляд на форму сигнала может показаться, что сигналы соответствуют стандарту SPI. Используя активный триггер SS (триггер, срабатывающий, когда выбор подчиненного устройства становится активным), можно захватить всю последовательность инициализации. Предоставляемая им информация может использоваться для определения того, где находится проблема синхронизации. 

Рисунок 3. Выход ЦАП и 8-битная входная шина, запускаемая цифровым шаблоном 

Во время отладки можно использовать множество триггеров, например, edge, smart, software, runt, setup-and-hold и pulse-width. Не все формы триггера просты, и не все осциллографы предоставляют набор опций, необходимых для их успешного использования.

При отладке более сложных проблем данные о редких или критических событиях получаются путем триггера, который может происходить в течение длительного времени. И эти данные могут включать детали, которые не важны для процессов отладки, что потенциально добавляет дополнительное время к процессу отладки, поскольку инженер просеивает эти данные, чтобы найти наиболее важные детали. Более продвинутые типы триггера, включая интеллектуальный триггер, также являются ключевыми, когда проблемы не входят в число наиболее распространенных проблем для протокола связи.

Функции для более простого захвата и отладки

Существуют более новые, усовершенствованные осциллографы, которые значительно упрощают анализ формы сигнала и решение проблем, решая только что обсуждавшиеся проблемы отладки. Например, 10,1-дюймовый сенсорный дисплей с высоким разрешением и цветовой градацией (рисунок 4) позволяет отображать только несколько форм сигнала, наложенных друг на друга. Важно отметить, что можно выбирать различные методы визуализации, чтобы отображать редкие аномалии с различной интенсивностью пикселей — имеется 256 шагов градации. Режим UltraAcquire добавляет новые режимы визуализации, включая мозаичный, каскадный и перспективный виды перекрывающихся сигналов. Такие функции помогают минимизировать беспорядок на экране осциллографа, сделать данные более информативными и поддерживать гораздо более продвинутую отладку как для приложений I2C, так и для приложений SPI. 

Рисунок 4. Многопанельный сенсорный дисплей высокой четкости в сочетании с новыми методами визуализации облегчает интерпретацию, анализ и отладку сигналов. 

Другим аспектом передовой технологии осциллографа является глубокая память данных. Поддержание высокой частоты дискретизации, особенно при использовании более длительных настроек времени/деления, может быть чрезвычайно сложным без достаточной памяти данных. Недостаток памяти затрудняет получение сигналов в течение длительных периодов без потери критических деталей сигнала. Опять же, это поддерживает как базовые, так и расширенные методы отладки.

Возможность поиска и маркировки событий с использованием параметров необходима для более продвинутой отладки. В сочетании с режимами визуализации высокого разрешения данные отладки и режима содержат больше полезной информации. На рисунке 5 показан пример того, как будут выглядеть результаты поиска, если настроить идентификацию нарастающих фронтов. А интеллектуальный запуск гарантирует, что редкие, важные события, представляющие интерес, будут сохранены без включения нерелевантных данных, что приведет к более краткой и полезной информации. 

Рисунок 5. Пример таблицы данных, показывающей результаты поиска и маркировки объектов 

Эти функции значительно упрощают сбор данных и отладку, сокращая время, необходимое для тестирования и вывода на рынок новых продуктов. Например, рассмотрим пример непрерывного сбора в течение длительного времени в сочетании с маркировкой и поиском событий, показанный на рисунке 6.

Рисунок 6. Объединение ключевых функций современных осциллографов может не только упростить получение отладочных данных, но и облегчить их исследование и интерпретацию. 

Осциллограф решает проблемы I2C и SPI

Серии DHO1000 и DHO4000 являются новейшими дополнениями к линейке осциллографов RIGOL UltraVision III, включая все обсуждаемые функции, помогающие инженерам устранять сложные проблемы I2C и SPI. Их возможности начинаются с настоящих 12-битных АЦП и полосы пропускания до 800 МГц. Они также оснащены сенсорными дисплеями с высоким разрешением и цветопередачей для поддержки более эффективного анализа формы сигнала и снижения сложности сравнения нескольких форм сигнала.

Чтобы сделать визуализацию еще проще и мощнее для инженеров, этот осциллограф RIGOL предлагает захват пакетов UltraAcquire, а режим визуализации обеспечивает полосу пропускания до 5 ГГц с максимальной частотой дискретизации 20 Гвыб/с. Это позволяет пользователям захватывать небольшие динамические изменения в сложном сигнале.

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

Эти осциллографы имеют широкие возможности поиска, включая поиск и маркировку событий с использованием параметров Edge и Pulse. Они также включают интеллектуальный запуск и режимы подробной визуализации формы сигнала для ускорения отладки и улучшения анализа. Например, серия RIGOL Ultravision III имеет высокую скорость захвата формы сигнала 8-битными АЦП с разрешением до 16 бит в режиме высокого разрешения. 

Рисунок 7. RIGOL Ultravision III DHO4804 — один из передовых осциллографов, оснащенный функциями, отвечающими самым сложным задачам отладки. 

Функции, отвечающие потребностям отладки

Найти современный осциллограф, отвечающий требованиям отладки протоколов связи в современных системах, может быть непросто, но осциллографы RIGOL UltraVision III обладают ключевыми функциями, необходимыми инженерам для глубокого изучения работы и производительности своих разработок. 

Все использованные изображения предоставлены RIGOL Technologies

Отраслевые статьи — это форма контента, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits таким образом, который редакционный контент не очень подходит. Все отраслевые статьи подчиняются строгим редакционным правилам с целью предоставления читателям полезных новостей, технических знаний или историй. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, принадлежат партнеру и не обязательно All About Circuits или его авторам.