Осциллографы и их роль в настройках цифрового оборудования. Часть 1

Введение

По мере роста быстродействия систем и уменьшения их размеров разработчикам схем становится все труднее обеспечить идеальные цифровые характеристики сигнала. Высокое быстродействие и плотная упаковка компонентов устройств приводят к ряду нежелательных электрических явлений, неблагоприятно влияющих на работу схемы. В конструировании быстродействующих устройств большую роль играют размещение компонентов, разводка дорожек, наличие помех и малых изменений сигнала. Например, в схемах, работающих на частотах гигагерцевого диапазона, индуктивность проводящих дорожек оказывает значительное влияние на работу устройства.
Разработчикам необходимо быстро обнаруживать и анализировать помехи, нарушения времени установки и фиксации, выбросы, метастабильные состояния, конфликты на шине, нестабильность фронтов и другие неполадки. Наблюдение высокочастотного цифрового сигнала и просмотр его в аналоговом представлении позволяет упростить поиск многих неполадок цифровых устройств.
Причина неполадки, проявляющейся в виде смещенного цифрового импульса, может скрываться в его аналоговых характеристиках. Аналоговые характеристики могут вызвать цифровые сбои, когда сигналы с низкой амплитудой преобразуются в неверные логические состояния или когда импульсы сдвигаются во времени из-за затянутого фронта нарастания. Просмотр потока цифровых импульсов одновременно с аналоговым представлением этих импульсов – первый шаг при поиске подобных неисправностей.
Цифровые осциллографы, например приборы серии DPO4000 или DPO7000, используемые в качестве средств отладки позволяют устранять неисправности при разработке быстродействующих встроенных систем. Следует иметь в виду, что при подробном просмотре вид сигналов может сильно измениться, точность  измерений при этом повышается.

Прослеживание помех

Помеха в цифровой системе – это любой нежелательный сигнал. Влияние линий передачи, колебания в шине заземления, отражения, перекрестные помехи, «звон», распространение волн – это проблемы помех, вызванные переходом к более компактным и быстродействующим схемам. Время нарастания логических сигналов уменьшается (скорость нарастания несколько В/нс), и инженерам часто приходится отлаживать устройства с временем нарастания сигнала менее 1 нс. 

Эффекты линии передачи сигнала

Соединение рассматривается как линия передачи в том случае, когда распространение сигнала по линии и обратно занимает больше времени, чем завершение перехода (когда 2Tprop > Trise). Для типичной платы из материала FR4 скорость распространения сигнала примерно равна 15 см/нс. При времени нарастания сигнала 1 нс эффекты длинной линии проявляются на любой дорожке длиннее 7 см. Сигналы на передающем и приемном концах линии часто различаются из-за отражений и «звона». При измерении таких быстрых сигналов важно разместить пробник на приемном конце линии (Схема 1).

«Звон» и отражения

При недостаточном демпфировании резонансного контура в нем возникает «звон» и выбросы. Недостаточное шунтирование цепей питания, подсоединение к устройству длинных проводов питания и заземления и неудачное подсоединение пробника могут вызвать «звон» и выбросы. Отражения в несогласованных или незаглушенных линиях могут вызвать выбросы и другие нарушения формы фронта.
Эти нарушения могут вызвать нежелательные изменения состояния или неопределенность во времени. В некоторых цифровых схемах нужные события повторяются редко.
Цифровой осциллограф с соответствующей полосой пропускания и частотой дискретизации свободно захватывает эти неповторяющиеся события в реальном масштабе времени.
Вид пробников и способ их подключения влияют на качество измерения. Большая емкостная нагрузка может замедлить нарастание фронтов сигнала и скрыть некоторые неполадки, создавая вместо них другие. Прикосновение пробника к схеме может привести к исчезновению некоторых признаков. Индуктивность проводника заземления пробника и входная емкость пробника образуют последовательный колебательный контур; если резонансная частота этого контура не превышает полосы частот осциллографа, влияние контура проявляется в виде «звона».

Рис.1 На верхней осциллограмме (канал 1) виден нарастающий фронт длительностью 1,3 нс, захваченный осциллографом DPO4000 при полосе 1 ГГц. Нижняя осциллограмма (канал 2) идентична верхней, но здесь полоса пропускания ограничена до 250 МГц; такое изображение появилось бы на 250-МГц осциллографе. Отражение сигнала маскируется из-за недостаточно широкой полосы пропускания. (Заметим, что недостаточная ширина полосы пропускания приводит к погрешностям измерения времени нарастания сигнала.)

Чтобы увеличить резонансную частоту, необходимо укоротить проводник заземления и уменьшить входную емкость пробника. Емкостная нагрузка обычных пробников может достигать 10 – 15 пФ. У активных пробников это значение меньше. Например, входная емкость активного пробника TekVPI™ с полосой пропускания 2,5 ГГц <составляет всего 0,8 пФ. При такой емкости «звон» уменьшается, что позволяет удлинить проводники заземления. Рис. 1 иллюстрирует значение полосы пропускания и частоты дискретизации для просмотра отражений. На сигнале в области нарастания перехода имеется отражение. Такой дефект тактового сигнала может вызвать неопределенность во времени (нестабильность фронтов) тактируемого выхода. Верхняя осциллограмма (канал 1) зарегистрирована осциллографом DPO4000 при частоте дискретизации 5 Гвыб/с и полосе пропускания 1 ГГц. Для имитации результата измерения осциллографом с относительно низкими характеристиками нижняя сциллограмма (канал 2) зарегистрирована при частоте выборки 5 Hвыб/с с фильтром 250 МГц. Чтобы обнаружить нарушения на логическом переходе с помощью цифрового осциллографа, необходимо обеспечить соответствующие значения частоты дискретизации и полосы пропускания.

Колебания в шине заземления

Колебания в шине заземления – это смещение опорного уровня заземления, вызванное токовым выбросом в плоскости заземления. При синхронном переключении нескольких выходов устройства на заземление может поступать значительный переходной ток. Падение напряжения на соединительных проводниках, проводе заземления и пути возврата тока может вызвать колебание потенциала заземления внутри устройства относительно заземления системы. «Звон» или выбросы на переключаемых и непереключаемых выходах могут вызвать нежелательные логические переходы в других устройствах. Колебания в шине заземления могут даже вызвать сброс данных в устройстве.

Рис.2 Колебания в шине заземления при переключении выхода на канале 1

На рис. 2 в канале 1 зарегистрирован сигнал с одного из выходов счетверенной микросхемы логического И 74LVC00. На один из входов каждого из трех элементов И счетверенной микросхемы подано напряжение питания +3,3 В, а один вход четвертого элемента И заземлен. На оставшиеся четыре входа микросхемы подан сигнал частотой 48 МГц. На канал 2 подается сигнал с четвертого логического элемента, который не переключается. Из-за колебаний в шине заземления на канале 2 появляются помехи размахом немного более одного вольта. Анализ сигнала в канале 2 показывает, почему колебания, соответствующие ниспадающему фронту сигнала в канале 1 больше колебаний, соответствующих нарастающему фронту в этом канале.

Рис.3 Пример фиксации перекрестной помехи с помощью синхронизации по фронту на осциллографе DPO4000 с полосой пропускания 1 ГГц. Высокочастотные импульсы в одном из нескольких параллельных проводников с нагрузкой 50 Ом (канал 1) порождают сильное излучение. Этот источник помехи создает наводки в соседних проводниках. Наводки ясно видны на каналах 2 и 3, подсоединенных к проводникам, ближайшим к источнику помехи. По мере удаления от проводника-источника уровень перекрестных помех уменьшается. Это видно по амплитуде помехи в канале 4, равной 32 м/В; этот канал подсоединен к проводнику-приемнику, наиболее удаленному от источника помехи.

Выход элемента И, один вход которого подключен к земле, соединен с заземлением практически напрямую, если не считать небольшой эквивалентной индуктивности. При переключении выходов остальных элементов И через них протекают токи, наводящие ток через эквивалентную индуктивность на выходе непереключающегося элемента И; поэтому на канале 2 появляется больший выброс. Заметим, что если элемент И с заземленным входом подсоединить к напряжению питания, больший выброс будет соответствовать нарастающему фронту на канале 1.

Перекрестные помехи

Этот вид помех часто встречается в цифровых устройствах там, где линии асинхронных сигналов проходят рядом с линиями тактирующих сигналов. Перекрестные помехи вызывают ложные логические переходы или затягивание фронтов тактовых импульсов, что приводит к ошибкам синхронизации или нарушениям времени установления и удержания. Положение ухудшается при уменьшении времени нарастания. Слишком длинный провод заземления может вызвать появление ложных
перекрестных помех, поскольку длинные провода образуют большие контуры. При наблюдении перекрестных помех на осциллографе необходимо учитывать число каналов, частоту дискретизации и ширину полосы. Для регистрации на цифровом осциллографе сигнала в реальном масштабе времени необходимо установить по всем каналам соответствующую частоту дискретизации. Например, если имеется связь (емкостная или индуктивная) линии сигнала с быстрыми перепадами на схемной плате с ближайшими сигнальными проводниками, появляются перекрестные помехи.
При отладке следует принимать во внимание три вида перекрестных помех: индуктивные перекрестные помехи, синфазные помехи и дифференциальные помехи. Индуктивные перекрестные помехи возникают, когда изменяется уровень сигнала, распространяющегося по линии (источнику помех); при этом возникает токовый выброс, порождающий магнитное поле. Этот импульс магнитного поля в свою очередь наводит токовый выброс в соседней линии (приемнике помех). При трансформаторной связи возникает два выброса напряжения противоположной полярности в прямом направлении и положительные выбросы в обратном направлении.
Синфазные помехи – это сумма однополярных напряжений в линии-приемнике, распространяющихся в направлении источника помехи. Она отображается в виде широкого импульса малой амплитуды, ширина которого соотносится с длиной линии. Амплитуда синфазной помехи не зависит от времени нарастания
фронта импульса источника помехи. Она зависит от соотношения импедансов.
Дифференциальная помеха – это сумма двух импульсов противоположной полярности, зависящих от соотношения емкости и индуктивности. аспространяется в сторону первичного источника помехи. Эта помеха наблюдается в конце линии-приемника помехи в виде узкого выброса, длительность которого равна длительности фронта нарастания импульса в линии-источнике помехи. Чем короче время нарастания фронта в источнике, тем круче фронт нарастания, больше амплитуда импульса помехи и меньше его длительность. Величина дифференциальной помехи зависит от длины сдвоенной линии. Поскольку перекрестная помеха распространяется вместе с фронтом импульса источника помехи, энергия дифференциальной помехи в линии-приемнике оказывается больше.

Меры предосторожности

Осциллограф DPO4000 с частотой дискретизации 2 Гвыб/с по всем четырем каналам, полосой 500 МГц и активным пробником идеально подходит для обнаружения аналоговых эффектов. При разработке с цифровыми устройствами рекомендуется помнить о следующем:
• Пути распространения сигнала должны быть короткими.
• Эффекты передающей линии следует учитывать, когда задержка распространения в проводнике превышает половину времени нарастания.
• Плоскости питания и заземления, связанные эффективными шунтирующими конденсаторами, могут устранить многие проблемы, связанные со «звонами» и перекрестными помехами.
• При появлении неполадок убедитесь, что полоса пропускания и частота дискретизации по всем четырем каналам осциллографа достаточны для наблюдения указанных событий.

Поиск нарушений времени установки и фиксации

В цифровых системах имеются тактируемые логические устройства, от триггеров до микропроцессоров. Время установки и фиксации для каждого из этих устройств задается производителем. С увеличением быстродействия цифровых систем уменьшается время установления данных перед приходом тактирующего сигнала. Время установки – это интервал перед приходом фронта тактирующего сигнала, в течение которого входной сигнал должен быть стабильным (достоверным). Время фиксации – интервал после прихода фронта тактирующего импульса, на котором данные на входе устройства должны оставаться стабильными; в этом случае данные на выходе устройства будут достоверными. См. временную диаграмму установки и фиксации на схеме 2.
На рис. 4 время установки отсчитывается между точкой 1 на осциллограмме данных и точкой 2 на осциллограмме тактового сигнала. Минимальное время установки, заданное производителем, равно 5 нс. Время фиксации отсчитывается между точкой B на тактовом сигнале и точкой C на осциллограмме данных. Минимально допустимое время фиксации равно 4 нс. Если сигнал изменяется в течение времени установки и фиксации, появляется сбой, то есть нарушение времени установки и фиксации.

Рис. 4. Функции поиска и установки маркеров в осциллографе DPO4000 в сочетании с синхронизацией по нарушению времени установки и фиксации. Все нарушения времени установления и фиксации отмечены белыми незаполненными треугольниками в верхней части экрана; заданные пользователем величины времени установки и фиксации равны соответственно 5,5 нс и 4,5 нс

При наличии перекрестных помех и отражений в тактовом сигнале и сигнале данных целостность этих сигналов нарушается и появляются указанные нарушения. По мере увеличения быстродействия цифровых устройств время установки и фиксации уменьшается. Это затрудняет отладку временных соотношений. При нарушении времени установки и фиксации на выходе устройства могут появиться непредсказуемые выбросы, либо состояние выхода может вообще не измениться. Синхронизация цифрового осциллографа по установке/фиксации позволяет синхронизировать прибор по значениям времени установки и фиксации между тактовым сигналом и сигналом данных, поступающими на входы двух каналов осциллографа. При просмотре этих сигналов на цифровом осциллографе можно выполнить точные измерения нарушений времени установки и фиксации.

Продолжение следует

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