097-888-02-66
095-888-02-66

Анализ целостности сигнала

Более быстрая и простая отладка цифрового телекоммуникационного оборудования посредством интегрированных измерений цифровых и аналоговых составляющих телекоммуникационного сигнала.

Введение

Настоящая информация рассчитана на тех, кто уже имел проблемы с проектированием целостности цифровых сигналов и для тех, кому это ещё предстоит.

Что такое Целостность Сигнала? Разработка Целостности Сигналов – деятельность выполняемая на этапе проектирования цифровой системы для того, чтобы убедиться, что она полностью соответствует спецификациям. Целостность Сигнала охватывает такие вопросы, как увеличение до максимума запаса по синхронизации и помехоустойчивости, чёткое представление аналоговых характеристики, таких как  формы сигналов, перекрёстные искажения и Электро Магнитная интерференция. Эти, казалось бы, проблемы второго и третьего уровней, становятся первостепенными при возрастании функциональности цифровой системы. Способность управлять перечисленными проблемами определяет либо успех всего проекта, либо его провал.

В недавнем прошлом существовало чёткое различие между разработками цифровых и аналоговых систем. Разработчики цифровых систем не беспокоились о целостности сигналов потому что характеристики сигналов и  синхроимпульсы разрабатываемой системы  работали только в 10-ти мегагерцовом диапазоне. Однако, проблемы начали нарастать, когда устройства КМОП и Bi- КМОП-структур типа «кремний-на-сапфире» с под-наносекундным нарастанием фронта импульса заменили более медленные устройства. Теперь разработчики цифровых систем должны были различать как цифровые, так и аналоговые характеристики сигналов в целях эффективной отладки и проверки проектируемых систем.

Приводимая далее информация освещает 4 этапа в решении проблем сохранения целостности сигналов в высокоскоростных цифровых системах.

  1. Симптомы;
  2. Причины;
  3. Решения;
  4. Области применения;

Этап №1 – Симптомы

Часто, в процессе интеграции аппаратно- программных средств, цифровая система характеризуется крайне неустойчивой работой при режиме полной скорости синхроимпульсов. Аппаратные и программные средства разрабатывались и проверялись независимо друг от друга и, по отдельности, вполне соответствовали требованиям разработчиков. При интеграции же друг с другом, вся система начинала регулярно давать сбои. Поскольку существовал принцип «заранее всё перепроверить!», то возникала ситуация крайне досадная для проектантов, поскольку требовалось потратить массу времени на отладку уже собранной цифровой системы. В целом, симптом был очевиден: система работает неправильно. Найти причину проблем – вот это уже было настоящей и сложнейшей задачей.

Этап №2 – Причина симптомов

Всё дело – в скорости, её граничного порога. Устройства КМОП и Bi- КМОП-структур типа «кремний-на-сапфире» спроектированы для работы в 100-мегагерцовом интервале. Даже когда эти устройства используются в системах работающих на низких частотах, их «цифровые» сигналы имеют более быстрое нарастание фронта импульса и его падение.

Отражения, перекрёстные искажения и дрожание  заземления являются лишь одними из многочисленных проблем возникающих на трактах сигналов цифровых монтажных плат – в том случае, когда проектировщик не принял в расчёт негативные эффекты, возникающие на прогонах и окончаниях плат при передачи высокоскоростных сигналов. Тракты сигналов монтажных плат, спроектированные для низкоскоростных сигналов, могут стать каналами передачи для высокочастотных сигналов.

Отражения возникают когда энергия сигнала на неправильно заведённых прогонах монтажных плат отражается от принимающего устройства обратно на тракт сигнала передающего устройства. На рис. 1 показан результат такого отражения в виде небольшого порога на нарастающем краю формы сигнала.

                                                                           Рис.1

Отрицательный край сигнала отражения уходит ниже порога напряжения, а затем возникают переходные эффекты первичного и вторичного уровня. Обратите внимание, что логический анализатор (ЛА) определяет их как глитч с индикацией в виде красного флажка на ЛА1: Mag_Glitch (500 ps) фактически отображает глитч. В зависимости от времени хранения входных данных, выходные значения могут изменяться до значительной степени. Отражения, возникающие на входе могут привести к нестабильности выходных характеристик прибора.

Перекрёстные искажения  возникают когда быстрый переходный сигнал на одном прогоне монтажной платы соединяется (ёмкостно, либо индуктивно) с прилегающим трактом сигнала. На рис. 2 эта переходная характеристика отражена на экране осциллографа TDS7104: сигнал на Канале 2 вызывает перекрёстные искажения на прилегающий тракт сигнала Канала 1. Этот глитч индикацируется в двух верхних формах сигнала, представленных в цифровой форме. ЛА: Сигнал на Канале 1(0) захваченнный с разрешением 10 nS, помечает событие глитча. ЛА1: Mag_Chan 1(0), сигнал, захваченный с интервалами 500 pS, способен отобразить глитч. Когда перекрёстные искажения достигают достаточной величины, они вызывают переход порога напряжения сигналом прилегающего прогона – явление, искажающее логическое составляющее сигнала. Если перекрёстные искажения случаются в процессе передачи синхроимпульсов, то в цифровое устройство будут загружены неверные данные. Как и в случае с явлением отражения, наиболее вероятно, что перекрёстные искажения могут быть проблемой в тех монтажных платах, что были изначально спроектированы для низкочастотных сигналов, используемых в проектах высокочастотных цифровых систем. Проектировщикам необходимо принимать во внимание особенности высокочастотных цифровых систем для снижения негативного эффекта перекрёстных искажений.

                                                                                                                              Рис.2

Дрожание заземления – смещение значения опорного сигнала заземления устройства, вызванное всплеском тока на локальной плоскости заземления. Рис. 3 иллюстрирует низкопроходящую переходную характеристику (Канал 1), вызывающую узкий импульс на плоскости заземления (Канал 2). Причина, вызывающая дрожание заземления – падение индуктивного напряжения как результат протекания тока через устройство заземления в момент когда происходит одновременное прохождение многих сигналов. Рис. 4 иллюстрирует падение напряжения (V gnd) через индуктивность штыря заземления вызванное током разряда (I discharge) когда выходной уровень изменяется от высокого до низкого значений. Это смещение в величине опорного сигнала заземления значительно изменяет порог напряжения на входе цифрового устройства. Таким образом, устройство не сможет определить реальные данные сигналов в результате временно искажённого значения опорного сигнала напряжения. Дрожание заземления, когда оно происходит на синхросигналах, может явиться как второй синхроимпульс, что в свою очередь вызовет генерацию цифровым устройством неверных синхроимпульсов.

                                                                                               Рис.3

                                                                                             Рис.4

Этап №3 – Решения проблем

Все перечисленные выше аналоговые характеристики, имеющие место на цифровых сигналах, могут привести к неправильной работе всей цифровой системы в целом. Вы можете увидеть все аномалии на экране аналогового осциллографа, но каким образом сможете вы узнать, что именно этот просматриваемый аналоговый сигнал соответствует определённому цифровому событию, являющимся причиной проблем? Ответ может показаться простым: одновременно просмотреть соотнесённые формы аналоговых и цифровых сигналов на интегрированном дисплее.

В прошлом, просматривать как аналоговые, так и цифровые сигналы с высокоточным разрешением синхронизации было возможно при помощи логического анализатора и осциллографа.  Проектировщик мог просматривать оба сигнала, но они были на разных дисплеях, что значит, не соотнесённые по времени. Соотнести с высокой точностью симптомы проблем, имеющие цифровую природу с аналоговой причиной было крайне трудно и занимало массу времени.

На основании этого, была применена методика отладки системных неисправностей, имеющих отношение к синхронизации, поскольку не существовало лучшего способа просматривать одновременно как аналоговые, так и цифровые сигналы. ( Примечание: некоторые логические анализаторы имеют встроенные функции Цифрового Запоминающего Осциллографа. Однако, встроенные модули ЦЗО обычно не способны выполнять объём измерений как у отдельно-стоящего осциллографа).

Прикладной программный пакет Tektronix iView способен интегрировать работу разных моделей Логических Анализаторов Tektronix со всеми моделями  Цифровых Запоминающих Осциллографов (ЦЗО) Tektronix. Функции «Уставка» (SET UP) и «Работа» (RUN) задействуются на обоих инструментах с экрана логического анализатора.

Используя функцию программы “iView Set up Wizard”, можно перевести Логический Анализатор и Осциллограф в режим перекрёстной синхронизации с возможностью захвата и отображения на одном экране соотнесённых по времени как аналоговых, так и цифровых составляющих сигнала. На рис. 5 наглядно показан результат от задействования такой функции. Как цифровые, так и аналоговые характеристики одного и того же сигнала отображаются на дисплее ЛА. Частота выборки и точность измерений, присущие осциллографам Tektronix полностью интегрированы с многоканальными и мощными возможностями синхронизации – функции логических анализаторов.

Этап №4 – Области применения

Каким образом логический анализатор и осциллограф упрощают и ускоряют процесс отладки и «доводки» проектируемой цифровой системы? Если вы в основном заинтересованы в просмотре именно аналоговых характеристик сигналов, то какие возможности несёт в себе логический анализатор для выполнения этой задачи?

В то время, как осциллограф имеет широкие возможности для измерения аналоговых составляющих, то обычно он может анализировать четыре сигнала одновременно и его функции синхронизации, в целом, предназначены для изучения именно аналогового феномена. Однако, логический анализатор способен осуществлять мониторинг до тысячи цифровых сигналов одновременно и синхронизировать широкий диапазон логических условий. ЛА, во-первых, обнаруживает «цифровую» проблему, такую как нарушения в уставках и удерживании информации, глитчи, нарушения в передаче данных по магистрали, а затем синхронизирует как сам логический анализатор, так и осциллограф. Осциллограф, в свою очередь, захватывает аналоговые характеристики «цифрового» сигнала.

                                                                                                              Рис.5

На некоторых моделях параметры синхронизации осциллографов могут быть взяты за основу при синхронизации логических анализаторов. Синхронизация на аналоговые симптомы чрезвычайно полезна при отладке цифровой системы в целом. Сила и мощь самых эффективных функций логического анализатора и высокопроизводительного и точного осциллографа объеденяются на одном экране, что позволяет проектировщику быстро определить и с большой точностью «отшлифовать» свой проект цифровой системы. Логический анализатор указывает на проблему, а осциллограф с высокой разрешающей способностью изучает её аналоговые составляющие.

Ниже приводятся конкретные примеры как можно с помощью обоих приборов изучать и анализировать согласованные по времени цифровые и аналоговые сигналы на одном и том же экране и насколько это ускоряет и облегчает процедуру отладки цифровых систем.

Применение №1. Синхронизация и анализ сбоев при уставках и сохранении информации

Поскольку скорость современных цифровых систем постоянно возрастает, то время, необходимое на стабилизацию данных перед генерацией синхроимпульсов значительно снижается. Производители цифровых устройств точно определяют время когда входной сигнал должен стабилизироваться до (уставка) и после (удержание) краёв синхроимпульсов для того чтобы убедиться, что все данные будут надлежащим образом скомпонованы на выходное устройство.

Если будут существовать переходные характеристики  сигналов внутри окошка уставка/ удержание, то  там возникнут сбои, что в свою очередь приведёт к неполадкам всей цифровой системы в целом. Перекрёстные искажения и отражения на тактовых импульсах и значениях сигналов внесут свой вклад в деградацию представления информации.  Просматривая же на одном экране цифровые и соответствующие им аналоговые сигналы, появляется возможность точных измерений синхронизации уставок и удержания.

На рис. 6 видна синхронизация логического анализатора на сбои уставок и соответствующие тактовые импульсы и значения аналоговых сигналов.

Синхронизация на ЛА произошла потому, что уставка по времени 2.5 ns для входных данных была нарушена. Две нижние кривые на рисунке представляют сигнал синхроимпульсов  (Канал 1) и вход цифровых данных (Канал 2). Синхронизация с  высокой разрешающей способностью аналогового осциллографа показывает, что отрицательное значение края максимальной скорости нарастания выходного напряжения входного сигнала слишком медленно и не пересекает установленного порога перед временной уставкой 2.5 ns, выставленной для конкретного устройства.

IView упрощает задачу при определении причины проблем посредством выравнивания во времени цифровых значений, как если бы это делалось при использовании высокопроизводительного аналогового осциллографа.

                                                                                                                    Рис.6

                                                                               Рис.7

Применение №2. Синхронизация и анализ проблем дрожания заземления

Быстрые переходные края магистральных сигналов, особенно от высоких до низких уровней могут вызвать всплески тока на заземляющей плоскости устройства. На рис. 7  показано дрожание заземления (TDS7104: сигнал на Канале 2), вызванное магистральными цифровыми сигналами (верхние кривые). Синхросигнал (TDS7104: сигнал на Канале 1) имеет переходный процесс в виде затухающих колебаний («звон») на на следе края –как результат явления дрожания заземления. Сигнал синхроимпульса показывает короткий импульс, следующий за его отрицательным краем. Этот нежелательный сигнал, известный как глитч, пересекает порог напряжения, что приводит к тому, что ложные значения, присутствующие на устройстве, синхронизируются. Прямые полосы на форме цифрового сигнала указывают на то, что логический анализатор синхронизирован на этот глитч и сохранил его. Глитч случился в течении времени прямо перед синхроимпульсом (вертикальная прямая линия после прямых полос). Логический Анализатор с программой iView также синхронизировал и осциллограф. Осциллограф захватил аналоговые характеристики синхросигнала. Обратите внимание, что в то время, как точка синхроимпульса, показанная на рис. 7, не имеет осциллографического происхождения, аналоговые и цифровые значения выровнены по времени, таким образом, что аналоговые характеристики цифрового глитча, будучи синхронизированными логическим анализатором, высвечиваются на его экране.

Заключение

Программное обеспечение iView интегрирует функции семейства цифровых запоминающих осциллографов Tektronix с логическими анализаторами TLA и представляет на экране  ЛА согласованные во времени значения как аналоговых, так и цифровых сигналов. Разработчикам цифровых систем необходимо просматривать быстрые характеристики аналоговых форм сигналов и соотносить их на экране логического анализатора с эквивалентными цифровыми событиями для решения проблем целостности сигналов.