Руководство по отладке цифровых устройств. Часть 3

Обнаружение нестабильности фронтов

Нестабильностью фронтов называются нежелательные изменения временных соотношений в любой последовательности тактовых импульсов или сигналов данных. Нестабильность фронтов проявляется во всех электрических системах, в которых для представления информации о временных соотношениях используются перепады напряжения. Это кратковременные отклонения цифрового сигнала от его идеального положения во времени. Нестабильность фронтов, как случайный процесс, снижает быстродействие системы и мешает отладке.
Быстрые изменения временных соотношений, влияющие на период или фазовый сдвиг соседних или отдаленных фронтов импульсов, вызывают нестабильность фронтов. Проще говоря. нестабильность – это отклонение фронтов от «правильного» положения во времени.
Имеется три типовых способа измерения нестабильности фронтов по осциллограмме: нестабильность периода, нестабильность между циклами и нестабильность временного интервала. а временной диаграмме (схема 5) показано, как соотносятся между собой эти измерения.

Нестабильность за период – измеряется в каждом периоде тактового импульса на осциллограмме. Если осциллограф синхронизируется по первому фронту одного периода, при этом на втором фронте определяется нестабильность за период.
На схеме 5 изображен тактовый сигнал с временной нестабильностью. Пунктирными линиями обозначены идеальные положения фронтов, соответствующие сигналу без нестабильности.
Нестабильность между циклами определяет величину изменения периода между двумя соседними периодами тактового сигнала.
Нестабильность между циклами, обозначенная на схеме 5 величинами C2 и C3, показывает, насколько изменяется период тактового сигнала между двумя циклами. Как видно, нестабильность между циклами можно определить, вычислив производную первого порядка от нестабильности за период. 
Это измерение может представлять интерес постольку, поскольку оно отображает быстрые динамические изменения, которым может быть подвержена система ФАПЧ в схеме восстановления тактового сигнала. Для вычисления нестабильности за период и нестабильности между периодами не требуются ни сведения об идеальном положении фронтов, ни опорная частота.
Ошибка временного интервала (TIE) показывает, насколько отклоняется каждый активный фронт тактового сигнала от своего идеального положения. Для этого измерения необходимо либо знать идеальное положение фронтов, либо оценить его. Значение этого измерения в том, что оно показывает эффект накопления малой нестабильности периода с течением времени.
Нестабильность периода, отображенная в измерениях P1, P2 и P3 на схеме 5, это просто отсчеты длительности каждого периода тактового сигнала на осциллограмме. Это самое простое и непосредственное из возможных измерений. Значение размаха можно оценить, настроив цифровой осциллограф на отображение немного более чем одного полного периода тактового сигнала и установив неограниченное послесвечение. Если осциллограф синхронизируется по первому фронту, нестабильность периода проявляется на втором фронте, как показано на схеме 5.
Ошибка временного интервала показана на схеме 5 в виде измерений TIE1 – TIE4. Ошибка временного интервала (TIE) показывает, насколько сильно каждый активный фронт тактового сигнала отклоняется от идеального положения. Для выполнения этого измерения требуется знать или оценить идеальное положение фронтов. Непосредственное наблюдение ошибки временного интервала (TIE) на осциллографе, не оснащенном средствами восстановления тактовой частоты или цифровой обработки сигнала, затруднено.
Кроме того, ошибку временного интервала можно измерить путем интегрирования нестабильности периода после вычитания из каждого отсчета номинального (идеального) значения периода. Измерение ошибки временного интервала позволяет выявить эффект накопления малых значений нестабильности периода с течением времени. Если ошибка временного интервала достигает значения ±0,5 одиночного интервала, глазковая диаграмма закрывается, и в приемнике происходят ошибки в битах.

Рис.16  С помощью приложения TDSJIT3 для исследования сложных сигналов, работающего на осциллографе DPO7000, можно быстро выполнять тонкие измерения с анализом нестабильности фронтов при разработке устройств.

На схеме 6 сравниваются все три способа измерения нестабильности фронтов на одной осциллограмме. В этом примере номинальный период сигнала равен 1 мкс, а фактический изменяется с чередованием восьми периодов по 990 нс и восьми периодов по 1010 нс. В нестабильности фронтов присутствует как случайная, так и детерминированная составляющая. Из-за наличия случайной компоненты желательно представлять нестабильность с помощью обычных статистических приемов. Для получения значимых и повторяющихся результатов измерений используются такие параметры как среднее значение, среднеквадратичное (стандартное) отклонение и размах, а также определители, например доверительный интервал.

Детерминированная нестабильность (Dj) – это повторяющаяся и предсказуемая нестабильность временных соотношений. Размах детерминированной нестабильности (Dj) ограничен, и эти границы можно наблюдать или предсказать с высокой степенью
уверенности по относительно небольшому числу наблюдений. Детерминированная нестабильность обусловлена следующими
причинами:
 • Периодическая нестабильность (Pj), вызванная такими источниками периодического шума как блоки питания, близко расположенные генераторы колебаний и в некоторых случаях – перекрестные помехи из близлежащих шин.
• Отклонения скважности (DCD) вызываются разбалансировкой уровней нагрузки выходного каскада или влиянием изменений
температуры внутри передающего устройства.
• Межсимвольная интерференция (ISI), называемая также нестабильностью данных (DDj), вызывается потерей частот на тракте прохождения сигнала, по большей части из-за потерь в соединениях и кабелях.
Случайная нестабильность (Rj) – это неупорядоченный и непредсказуемый шум. Основным источником случайного шума в электрических цепях является тепловой шум (шумы Джонсона и шумовые выбросы). Случайный шум считается распределенным по закону Hаусса без ограничения размаха основного распределения, то есть чем больше выборок взято, тем больше измеренное значение размаха.
Периодическая нестабильность (Pj) циклически повторяется. Поскольку периодические колебания раскладываются по синусоидам в гармонический ряд Фурье, такая нестабильность иногда называется синусоидальной нестабильностью. Периодическая нестабильность обычно вызывается внешними источниками детерминированных помех, например помехами от импульсных блоков питания или от мощных местных радиосигналов. Кроме того, такие помехи могут быть вызваны нестабильностью системы ФАПЧ в схеме восстановления тактовых сигналов.

Рис.17 Осциллограф DPO7000 с приложением TDSJIT3 для анализа нестабильности фронтов обеспечивает измерение суммарной нестабильности фронтов сигнала данных, приблизительно равной 192 пс (Tj = Dj + 2Q(BER) * Rj), где Q(10E-12) = 7. На гистограмме измерений ошибки временного интервала схемы ФАПЧ представлено в графическом виде статистическое распределение данных сигнала.

Нестабильность данных (DDj) – это любая нестабильность, коррелированная с последовательностями в потоке бит данных.
Нестабильность данных часто обусловлена частотной характеристикой кабеля или устройства. Нестабильность данных называют также нестабильностью модели (PDj). Она является измеримым результатом межсимвольной интерференции (ISI).
Отклонения скважности (DCD) – это изменения скважности относительно номинального значения, равного 50%. Имеется две типичных причины отклонений скважности: отличие наклона нарастающих фронтов от наклона ниспадающих фронтов или отклонение порога срабатывания для сигнала в верхнюю или нижнюю сторону от номинального положения вследствие сдвига среднего значения сигнала по постоянному току.

Рис.18 На осциллографе DPO7000 одновременно выполняется до восьми измерений, включая измерения времени нарастания, времени спада и размаха. Для получения результатов достаточно установить курсоры в нужные точки.

Суммарная нестабильность при частоте ошибочных битов (Tj @ BER) – оценка размаха нестабильности при заданной пользователем частоте появления ошибочных битов. Кроме того, по частоте ошибочных битов (BER) в сочетании с единичным интервалом оценивается раскрытие глазковой диаграммы, которое отображается на U-образной кривой частоты ошибочных битов.

Рис.19 В режиме быстрой регистрации FastAcq осциллографа DPO7000 с применением статистических измерений на экране отображается относительно стабильный тактовый сигнал на канале 1. В выбранной и включенной области гистограммы отображаются данные статистического анализа, на основании которых можно удостовериться в соответствии устройства предъявляемым требованиям.

Автоматические измерения и анализ

Автоматические измерения и статистический анализвысокочастотных сигналов позволяют добиться лучшего понимания процессов при отладке устройства. Многочисленные средства автоматических измерений и статистического анализа, имеющиеся в современных цифровых осциллографах, обеспечивают гибкость и производительность, необходимые для выполнения отладки. Одновременное отображение четырех или восьми осциллограмм позволяет сравнивать осциллограммы и прокручивать их для исследования из соотношений.

Автоматизированные измерения, запускаемые нажатием кнопки, открывают новые способы исследования неполадок, включающие сбор статистики измерений, определение опорных уровней и использование возможностей осциллографа для выполнения задач отладки. После регистрации и сопоставления нескольких экранных измерений цифровой осциллограф отображает статистику и возможные отклонения по каждому из них.

Это позволяет установить, работают ли компоненты в заданных пределах или их допуски изменились и нуждаются в коррекции.  К числу типичных автоматических измерений, позволяющих ускорить отладку, относятся измерения длительности импульсов, выбросов, скважности размаха, а также более сложные статистические измерения, например измерение минимума, максимума и среднеквадратического значения (Root Mean Square, RMS).

Автоматический анализ временных соотношений и нестабильности фронтов

Автоматические измерения позволяют набрать статистическую информацию о нестабильности осциллограммы. Например, можно использовать это измерение для того, чтобы оценить характеристики цепи фазовой автоподстройки частоты и определить, находится ли период нестабильности кварцевого резонатора в заданных пределах или просмотреть окно достоверных данных по времени нарастания, скважности и длительности импульса на выходе компонента.

Статистические измерения

Цифровые осциллографы позволяют также производить статистическую оценку таких измерений как нестабильность фронтов или метастабильность. При отладке используются следующие типичные статистические измерения:
• Среднее значение – среднее арифметическое периода тактового сигнала. Это величина, обратная частоте.
• Среднеквадратичное отклонение – усредненная величина отклонения результата измерения от среднего значения. Эта величина применяется при исследовании гауссовских процессов, в которых распределение случайной величины задается средним значением и среднеквадратичным отклонением.
• Максимальное и минимальное значения и размах – величины, наблюдаемые на интервале измерения. азмах вычисляется как разность максимального и минимального значений.
• Гистограмма – график измеренных значений в наборе данных в зависимости от частоты, с которой встречается каждое из значений. Этот график не отображает порядка таких событий как нестабильность фронтов, но дает хорошую приблизительную оценку вероятности данного события.

Выводы

Цифровые осциллографы серий DPO4000 и DPO7000, применяемые в качестве средств отладки, позволяют упростить поиск неисправностей при разработке встроенных систем. Цифровые осциллографы повышают производительность разработки, проверки и отладки устройств. Такие функции, как непрерывная регистрация осциллограмм, обеспечивают получение углубленных сведений о шумах, выбросах, перекрестных помехах и других аналоговых параметрах, влияющих на логические состояния, длительность фронтов, время установки и фиксации и искажение идеальной формы импульсов.