Тема для изучения сложная, но подъёмная. Часть 2

Задержка распространения

На распространение сигнала от одной точки системы к другой, например от входа схемы до ее выхода или от выхода одного устройства до входа другого, затрачивается определенное время. Это время – задержка распространения в сигнальном тракте. Обычно для схем задается два разных значения задержки распространения, в зависимости от полярности перепада входного сигнала. Эти параметры задаются в виде значений t_plh (задержка при переключении от низкого уровня к высокому), t_plh (задержка при переключении от высокого уровня к низкому).

Стробированная задержка распространения

Для логического элемента задержкой распространения называется время прохождения сигнала от входа до выхода элемента. Задержка распространения для устройства, осциллограммы сигналов которого приведены на рис. 5, измеряется между сигналом входных данных (точка 1) и сигналом выходных данных (точка 2).

Рис.5 Функция измерения времени задержки в осциллографе DPO4000 позволяет измерять и отображать время задержки распространения от нарастающего фронта сигнала входных данных (точка 1) до нарастающего фронта сигнала выходных данных (точка 2); результат равен 3,190 нс

На рис. 5 приведены осциллограммы входного и выходного сигналов, зарегистрированные с помощью осциллографа DPO4000. На пробник канала 1 поступает сигнал входных данных, на пробник канала 2 – сигнал выходных данных. С помощью функции измерения задержки выбирается измерение времени от первого фронта нарастания по каналу 1 до первого фронта нарастания по каналу 2. На экране цифрового осциллографа отображается измеренная задержка распространения, равная 3,190 нс.

Тактируемая задержка распространения

В тактируемой схеме, например в триггере или «защелке», тактируемой задержкой  распространения называется время, проходящее между активным фронтом тактового импульса и изменением состояния на выходе схемы, то есть задержка распространения от тактового входа CLK до выхода Q. Максимальная задержка распространения триггера, временная диаграмма которого изображена на схеме 3, при переходе от низкого уровня к высокому (T_PLH) равна 8 нс. Иначе говоря, не позже чем через 8 нс после перехода тактового сигнала к высокому уровню состояние выхода изменится на состояние сигнала на входе данных.

Рис.6 Универсальная функция измерения времени задержки в осциллографе DPO4000 позволяет измерять тактируемую задержку распространения – время между нарастающим фронтом сигнала выходных данных (точка 3) и нарастающим фронтом тактового сигнала (точка 2). Тактируемая задержка распространения равна 7,055 нс

На экране, изображенном на рис. 6, отображены данные, зарегистрированные осциллографом DPO4000. Частота дискретизации была равна 5 Hвыб/с, канал 1 подсоединен к входу данных, а канал 2 – к выходу данных. Цифровой осциллограф синхронизируется по нарастающему фронту сигнала на входе данных, а канал 2 подсоединен к выходу тактового сигнала.

Устранение конфликтов на шине

Такие устройства как цифровые процессоры сигналов (DSP), ОЗУ, ЭСППЗУ, ППЗУ, ПЗУ, АЦП и ЦАП, а также схемы ввода-вывода обычно обмениваются  информацией с окружающими устройствами по низкоскоростным и высокоскоростным последовательным шинам. Конфликт на шине – один из примеров, показывающих, что отладка последовательных шин сложнее, чем отладка параллельных. На схеме 4 изображены стандартная конфигурация и протокол низкоскоростной шины I²C, разработанной компанией Philips Semiconductor.

В большинстве цифровых осциллографов, например в приборах серий DPO4000 и DPO7000, имеется синхронизация по сочетанию логических сигналов, называемая синхронизацией по модели или по состоянию. Рис. 7 иллюстрирует процедуру побитового декодирования последовательной шины I²C; сначала необходимо найти переход, обозначающий начало пакета, затем первые семь битов первого байта, составляющие адрес, затем найти восьмой бит первого байта, определяющий запись-считывание, и декодировать до восьми байт данных. Из-за коррекции битов некоторые последовательные шины, например шина CAN, вообще не поддаются декодированию вручную.

Рис.7 Отображение на цифровом осциллографе сигналов шины I²C для ручного декодирования. Адрес равен 76, операция — чтение.

Дополнительные возможности синхронизации осциллографа DPO4000 по шинам I²C, SPI и CAN позволяют устранять конфликты, характерные для этих шин, при скоростях обмена до 10 Мбит/с. Используя эти способы синхронизации, можно настраивать нужные сочетания сигналов на шине. Например, пусть требуется синхронизироваться на шине I²C по началу или концу пакета, по типу кадра (данные, дистанционный, ошибка или перегрузка), по стандартному или расширенному идентификатору и даже по отсутствию подтверждения. Осциллограф DPO4000 позволяет синхронизироваться по наиболее распространенной информации пакетов и выполнять ее поиск.

Рис. 8. Синхронизация осциллографа DPO4000 по шине I²C осуществляется по выбранному адресу (76) для чтения или записи. Автоматическое декодирование каждого пакета устраняет необходимость в ручном декодировании, снижает вероятность ошибки и экономит время. 

Синхронизация по модели

Модель становится истинной при появлении заданного сочетания логических уровней, сохранении его в течение всего события. Пользователь может выбрать синхронизацию цифрового осциллографа по наступлению истинности модели (началу выполнения набора условий) или по наступлению ее ложности (прекращению выполнения набора условий).

Синхронизация по состоянию

В синхронных системах (в которых применяются системные тактовые сигналы), можно задавать синхронизацию по состояниям. В уже использованном примере шины заменим приемный буферный элемент на буфер с защелкой. На рис. 9 изображена установка состояний входов устройства при синхронизации по модели. Для канала 3 установлен низкий уровень. Для каналов 1 и 2 установлен высокий уровень.

Рис.9 На экране цифрового осциллографа отображаются временные параметры для запуска по модели для устройства. При переходе сигналов в каналах 2 и 3 на высокий уровень на входной линии (канал 3) должен быть высокий уровень. При установке низкого уровня для канала 3 обнаруживается неполадка в виде дополнительной задержки.

Фиксируется неправильное состояние; обнаруживается неполадка, состоящая в слишком большой задержке сигнала по каналу 3. Для правильной работы защелки необходимо, чтобы при переходе каналов 1 и 2 на высокий уровень на входной линии канала 3 был высокий уровень. Такой подход можно применять только в тех системах, где сигналы управления различных устройств и адресация шин синхронизируются главным тактовым сигналом.

Регистрация метастабильных состояний

Метастабильность проявляется в виде неопределенных или нестабильных состояний данных. При этом в выходном сигнале могут появиться выбросы, ведущие к неполадкам. Обычно такие состояния появляются редко, что затрудняет обнаружение и фиксацию подобных явлений. Метастабильные состояния могут появиться из-за нарушений времени установки и фиксации на входе схем с защелками, схожих с D-триггером, осциллограммы которого изображены на рис. 10.

Рис.10. С помощью синхронизации осциллографа DPO4000 по нарушениям времени установки и фиксации, а также функции поиска и маркировки обнаруживаются метастабильные состояния, отмеченные белыми треугольниками в верхней части экрана. Канал 1 – тактовый сигнал, канал 2 – сигнал данных. Канал 3 – метастабильный выход (Q) D-триггера-защелки.

На рис. 11 изображены сигналы данных (DATA) и тактов (CLOCK) при асинхронном запуске триггера. Иногда из-за нарушения времени установки и фиксации нарастающий фронт тактового сигнала совпадает с изменением состояния данных. При этом состояние выхода триггера может либо сохранить исходное значение, либо измениться в соответствии с изменением данных, либо «зависнуть» между этими двумя состояниями. Во время этого кратковременного «зависания» триггер становится метастабильным, а на его выходе (Q или /Q) наблюдается случайный сигнал.

Рис.11. На цифровом осциллографе сигналы отображаются в их подлинном виде, что позволяет проследить за влиянием выбросов на работу устройства. Благодаря большому послесвечению, в верхней части экрана DPO7000 отображаются весьма кратковременные выбросы сигнала. На экране с послесвечением фиксируется визуальная история сигнала.

На рис. 13 триггер не может захватить данные, возвращающие его в предыдущее состояние. Хотя такие состояния не обнаруживаются с помощью обычной синхронизации, синхронизация по состояниям позволяет надежно фиксировать метастабильные состояния, в данном случае – переход к импульсу недостаточной
высоты. В синхронизации по переходу и по импульсам недостаточной 1 высоты для захвата метастабильных сигналов используется условие двойного порога по амплитуде.

Рис.12 В режиме быстрой регистрации (FastAcq) осциллографа DPO7000 нетрудно обнаружить потенциальные ошибки в виде импульсов недостаточной высоты и ошибочных переходов.

Обнаружение метастабильности, как и устранение других трудных проблемы во время отладки, облегчается при использовании сложных видов синхронизации. Система синхронизации Pinpoint в цифровом осциллографе DPO7000 предоставляет один из самых полнофункциональных механизмов синхронизации для отладки цифровых систем, поскольку может использоваться во всей ширине полосы пропускания осциллографа. Характеристики  и функции системы Pinpoint позволяют обнаруживать трудноуловимые события в прототипах устройств.

Рис.13 Система синхронизации Pinpoint™ в осциллографе DPO7000 позволяет применять сложные виды синхронизации как по событию B, так и по событию A. Чтобы выделить два последовательных неудачных перехода, событие B задается аналогично событию A. Не имеет значения, происходит ли событие B сразу после события A или существенно позже. В любом случае запускается регистрация данных. Логические импульсы недостаточной высоты никогда не пересекают логические уровни, по которым определяются допустимые импульсы.

Регистрация выбросов

Выброс – общий термин, обозначающий любое отклонение от идеальной формы цифрового сигнала. Выбросы – очень узкие и крутые случайные импульсы, которые могут интерпретироваться в системе как изменения логического состояния. Выбросы порождают много разнообразных ошибок и с трудом поддаются обнаружению. Их влияние на работу системы непредсказуемо. Большинство неполадок в системе проявляется в виде выброса на одном или нескольких сигналах. Часто выбросы служат первым признаком различных сбоев устройства, включая шумы, логические гонки, неправильное согласование нагрузок, ошибки буферных усилителей, перекрестные помехи, нарушение времени установки и фиксации и другие нарушения временных соотношений.

Рис.14 Синхронизация осциллографа DPO7000 по выбросам позволяет фиксировать редкие метастабильные состояния на выходе (Q) D-триггера

Крутые фронты цифровых сигналов содержат высокие частоты; поэтому необходимо соответствующее согласование нагрузок проводников на печатной плате устройства. Из-за крутых фронтов увеличиваются переходные токи; в результате увеличиваются динамические токи, приводящие к появлению колебаний в шине заземления или выбросов в шине питания. Кроме того, из-за крутых фронтов увеличиваются перекрестные помехи. Проводники на печатной плате, которые ранее рассматривались как цепи с сосредоточенными параметрами, теперь превратились в передающие линии, требующие соответствующего согласования нагрузки.

Рис.15 Пока цифровой осциллограф не регистрирует данные, выбросы могут остаться незамеченными. При увеличенной частоте обновления сокращается время, необходимое для захвата выбросов.

При неправильной работе схемы разумно будет начинать отладку с поиска выбросов. Чтобы рассмотреть выбросы, рекомендуется сравнить аналоговое и цифровое представления сигнала на цифровом осциллографе. Большинство неполадок проявляется в виде выбросов по меньшей мере в одном сигнале, а часто и в нескольких.
Например, на цифровом осциллографе могут отображаться искажения нарастающего и ниспадающего фронтов цифрового импульса. Нарастающий фронт недостаточно медленный, чтобы вызвать логический переход; поэтому выброс не появляется. С помощью цифрового осциллографа, например DPO7000, с синхронизацией по длительности импульса можно, захватывая такие периодически появляющиеся выбросы, проследить источник неполадки.

Продолжение следует

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