Магазин Gtest(R) пропонує широку номенклатуру осцилографів на сторінці сайту, що наводиться в самому кінці Розділу, а також рекомендовані прилади та статті для самоосвіти

Швидша і проста налагодження цифрового телекомунікаційного обладнання за допомогою інтегрованих вимірювань цифрових та аналогових складових телекомунікаційного сигналу .

Вступ

Справжня інформація розрахована на тих, хто вже мав проблеми з проектуванням цілісності цифрових сигналів і для тих, кому це ще належить.

Що таке Цілісність Сигналу? Розробка Цілісності Сигналів – діяльність, що виконується на етапі проектування цифрової системи для того, щоб переконатися, що вона повністю відповідає специфікаціям. Цілісність Сигналу охоплює такі питання, як збільшення до максимуму запасу із синхронізації та завадостійкості, чітке уявлення аналогових характеристики, таких як форми сигналів, перехресні спотворення та Електромагнітна інтерференція. Ці, здавалося б, проблеми другого та третього рівнів стають першорядними у разі зростання функціональності цифрової системи. Здатність керувати перерахованими проблемами визначає успіх всього проекту, або його провал.

У недавньому минулому існувала чітка різниця між розробками цифрових та аналогових систем. Розробники цифрових систем не турбувалися про цілісність сигналів тому що характеристики сигналів і синхроімпульси системи, що розробляється, працювали тільки в 10-ти мегагерцовому діапазоні. Проте, проблеми почали наростати, коли пристрої КМОП і Bi-КМОП-структур типу «кремній-на-сапфірі» з піднаносекундним наростанням фронту імпульсу замінили більш повільні пристрої. Тепер розробники цифрових систем мали розрізняти як цифрові, і аналогові характеристики сигналів з метою ефективної налагодження і перевірки проектованих систем.

Дана інформація висвітлює 4 етапи у вирішенні проблем збереження цілісності сигналів у високошвидкісних цифрових системах.

1. Симптоми;
2. Причини;
3. Рішення;
4. Області застосування;

Етап №1 – Симптоми

Часто в процесі інтеграції апаратно-програмних засобів цифрова система характеризується вкрай нестійкою роботою при режимі повної швидкості синхроімпульсів. Апаратні та програмні засоби розроблялися та перевірялися незалежно один від одного і, окремо, цілком відповідали вимогам розробників. При інтеграції один з одним, вся система починала регулярно давати збої. Оскільки існував принцип «заздалегідь все перевірити ще раз!», то виникала ситуація вкрай прикра для проектантів, оскільки вимагалося витратити масу часу на налагодження вже зібраної цифрової системи. Загалом, симптом був очевидним: система працює неправильно. Знайти причину проблем – ось це вже було справжнім та найскладнішим завданням.

Етап №2 – Причина симптомів

Вся річ – у швидкості, її граничного порога. Пристрої КМОП та Bi-КМОП-структур типу «кремній-на-сапфірі» спроектовані для роботи в 100-мегагерцовому інтервалі. Навіть коли ці пристрої використовуються в системах, що працюють на низьких частотах, їх «цифрові» сигнали мають більш швидке наростання фронту імпульсу та його падіння.

Відображення, перехресні спотворення і тремтіння заземлення є лише одними з численних проблем виникають на трактах сигналів цифрових монтажних плат – у разі, коли проектувальник не взяв до уваги негативні ефекти, що виникають на прогонах і закінченнях плат під час передачі високошвидкісних сигналів. Тракти сигналів монтажних плат, спроектовані для низькошвидкісних сигналів, можуть стати каналами передачі високочастотних сигналів.

Відображення виникають коли енергія сигналу на неправильно заведених прогонах монтажних плат відбивається від приймаючого пристрою на тракт сигналу передавального пристрою. На рис. 1 показаний результат такого відображення у вигляді невеликого порога на краю, що наростає форми сигналу.

Рис.1

Негативний край сигналу відображення йде нижче порога напруги, а потім виникають перехідні ефекти первинного та вторинного рівня. Зауважте, що логічний аналізатор (ЛА) визначає їх як глітч з індикацією у вигляді червоного прапорця на ЛА1: Mag_Glitch (500 ps) фактично відображає глітч. Залежно від часу зберігання вхідних даних вихідні значення можуть змінюватися значною мірою. Відображення, що виникають на вході, можуть призвести до нестабільності вихідних характеристик приладу.

Перехресні спотворення виникають коли швидкий перехідний сигнал одному прогоні монтажної плати з'єднується (ємнісно, чи індуктивно) з прилеглим трактом сигналу. На рис. 2 ця перехідна характеристика відображена на екрані осцилографа TDS7104: сигнал на Каналі 2 викликає перехресні спотворення на прилеглий тракт сигналу Каналу 1. Цей глітч індикається у двох верхніх формах сигналу, представлених у цифровій формі. ЛА: Сигнал на Каналі 1(0) захоплений з роздільною здатністю 10 nS, позначає подію глітча. ЛА1: Mag_Chan 1(0), сигнал, захоплений з інтервалами 500 pS, здатний відобразити глітч. Коли перехресні спотворення досягають достатньої величини, вони викликають перехід порога напруги сигналом прилеглого прогону – явище, що спотворює логічну складову сигналу. Якщо перехресні спотворення трапляються в процесі передачі синхроімпульсів, то цифровий пристрій будуть завантажені неправильні дані. Як і у випадку з відображенням, найбільш ймовірно, що перехресні спотворення можуть бути проблемою в тих монтажних платах, які були спочатку спроектовані для низькочастотних сигналів, що використовуються в проектах високочастотних цифрових систем. Проектувальникам необхідно брати до уваги особливості високочастотних цифрових систем зниження негативного ефекту перехресних спотворень.

Рис.2

Тремтіння заземлення – зсув значення опорного сигналу заземлення пристрою, викликане сплеском струму на локальній площині заземлення. Рис. 3 ілюструє перехідну характеристику, що низько проходить (Канал 1), що викликає вузький імпульс на площині заземлення (Канал 2). Причина, що викликає тремтіння заземлення - падіння індуктивної напруги як результат протікання струму через пристрій заземлення в момент, коли відбувається одночасне проходження багатьох сигналів. Рис. 4 ілюструє падіння напруги (V gnd) через індуктивність заземлення штиря викликане струмом розряду (I discharge) коли вихідний рівень змінюється від високого до низького значень. Це усунення у величині опорного сигналу заземлення значно змінює поріг напруги на вході цифрового пристрою. Таким чином, пристрій не зможе визначити реальні дані сигналів в результаті спотвореного тимчасово значення опорного сигналу напруги. Тремтіння заземлення, коли воно відбувається на синхросигналах, може з'явитися як другий синхроімпульс, що у свою чергу викликає генерацію цифровим пристроєм неправильних синхроімпульсів.

Рис.3

Рис.4

Етап №3 – Вирішення проблем

Усі перелічені вище аналогові характеристики, які мають місце на цифрових сигналах, можуть призвести до неправильної роботи всієї цифрової системи в цілому. Ви можете побачити всі аномалії на екрані аналогового осцилографа, але яким чином зможете ви дізнатися, що саме цей аналоговий сигнал, що переглядається, відповідає певній цифровій події, що є причиною проблем? Відповідь може бути простою: одночасно переглянути співвіднесені форми аналогових і цифрових сигналів на інтегрованому дисплеї.

У минулому переглядати як аналогові, так і цифрові сигнали з високоточним дозволом синхронізації було можливо за допомогою логічного аналізатора та осцилографа. Проектувальник міг переглядати обидва сигнали, але вони були на різних дисплеях, що означає не співвіднесені за часом. Співвіднести з високою точністю симптоми проблем, що мають цифрову природу з аналоговою причиною, було вкрай важко і займало багато часу.

На підставі цього, була застосована методика налагодження системних несправностей, що стосуються синхронізації, оскільки не існувало кращого способу переглядати одночасно як аналогові, так і цифрові сигнали. ( Примітка: деякі логічні аналізатори мають вбудовані функції Цифрового запам'ятовуючого осцилографа. Однак, вбудовані модулі ЦЗО зазвичай не здатні виконувати обсяг вимірювань як у осцилографа, що окремо стоїть).

Прикладний програмний пакет Tektronix iView здатний інтегрувати роботу різних моделей Логічних Аналізаторів Tektronix з усіма моделями Цифрових Осциллографів (ЦЗО) Tektronix. Функції «Уставка» (SET UP) та «Робота» (RUN) використовуються на обох інструментах з екрана логічного аналізатора.

Використовуючи функцію програми “iView Set up Wizard”, можна перевести Логічний Аналізатор та Осцилограф у режим перехресної синхронізації з можливістю захоплення та відображення на одному екрані співвіднесених за часом як аналогових, так і цифрових компонентів сигналу. На рис. 5 наочно показаний результат залучення такої функції. Як цифрові, так і аналогові характеристики одного сигналу відображаються на дисплеї ЛА. Частота вибірки та точність вимірювань, притаманні осцилографам Tektronix, повністю інтегровані з багатоканальними та потужними можливостями синхронізації – функції логічних аналізаторів.

Етап №4 – Області застосування

Яким чином логічний аналізатор та осцилограф спрощують і прискорюють процес налагодження та «доведення» проектованої цифрової системи? Якщо ви переважно зацікавлені у перегляді саме аналогових характеристик сигналів, то які можливості несе в собі логічний аналізатор для виконання цього завдання?

У той час, як осцилограф має широкі можливості для вимірювання аналогових складових, то він може аналізувати чотири сигнали одночасно і його функції синхронізації, в цілому, призначені для вивчення саме аналогового феномена. Проте, логічний аналізатор здатний здійснювати моніторинг до тисячі цифрових сигналів одночасно синхронізувати широкий діапазон логічних умов. ЛА, по-перше, виявляє «цифрову» проблему, таку як порушення в уставках та утримуванні інформації, глітчі, порушення передачі даних по магістралі, а потім синхронізує як сам логічний аналізатор, так і осцилограф. Осцилограф, своєю чергою, захоплює аналогові характеристики «цифрового» сигналу.

Рис.5

На деяких моделях параметри синхронізації осцилографів можуть бути взяті за основу синхронізації логічних аналізаторів. Синхронізація на аналогові симптоми є надзвичайно корисною при налагодженні цифрової системи в цілому. Сила та потужність найефективніших функцій логічного аналізатора та високопродуктивного та точного осцилографа поєднуються на одному екрані, що дозволяє проектувальнику швидко визначити і з великою точністю «відшліфувати» свій проект цифрової системи. Логічний аналізатор вказує на проблему, а осцилограф з високою роздільною здатністю вивчає її аналогові складові.

Нижче наводяться конкретні приклади як можна за допомогою обох приладів вивчати та аналізувати узгоджені за часом цифрові та аналогові сигнали на тому самому екрані і наскільки це прискорює та полегшує процедуру налагодження цифрових систем.

Застосування №1 . Синхронізація та аналіз збоїв при уставках та збереженні інформації

Оскільки швидкість сучасних цифрових систем постійно зростає, то час, необхідний стабілізацію даних перед генерацією синхроімпульсів значно знижується. Виробники цифрових пристроїв точно визначають час, коли вхідний сигнал повинен стабілізуватися до (уставка) і після (утримання) країв синхроімпульсів для того щоб переконатися, що всі дані будуть належним чином скомпоновані на вихідний пристрій.

Якщо існуватимуть перехідні характеристики сигналів всередині вікна уставка/ утримання, там виникнуть збої, що у своє чергу призведе до неполадок всієї цифрової системи загалом. Перехресні спотворення та відображення на тактових імпульсах і значеннях сигналів зроблять свій внесок у деградацію подання інформації. Переглядаючи на одному екрані цифрові та відповідні їм аналогові сигнали, з'являється можливість точних вимірювань синхронізації уставок і утримання.

На рис. 6 видно синхронізацію логічного аналізатора на збої уставок і відповідні тактові імпульси та значення аналогових сигналів.

Синхронізація на ЛА відбулася тому, що уставка за часом 2.5 ns для вхідних даних була порушена. Дві нижні криві на малюнку представляють сигнал синхроімпульсів (Канал 1) та вхід цифрових даних (Канал 2). Синхронізація з високою роздільною здатністю аналогового осцилографа показує, що негативне значення краю максимальної швидкості наростання вихідної напруги вхідного сигналу занадто повільно і не перетинає встановленого порогу перед тимчасовою уставкою 2.5 ns, виставленої для конкретного пристрою.

IView спрощує завдання щодо причини проблем у вигляді вирівнювання у часі цифрових значень, як це робилося під час використання високопродуктивного аналогового осцилографа.

Рис.6

Рис.7

Застосування №2. Синхронізація та аналіз проблем тремтіння заземлення

Швидкі перехідні краї магістральних сигналів, особливо від високих до низьких рівнів, можуть спричинити сплески струму на заземлюючій площині пристрою. На рис. 7 показано тремтіння заземлення (TDS7104: сигнал на Каналі 2), викликане магістральними цифровими сигналами (верхні криві). Синхросигнал (TDS7104: сигнал на Каналі 1) має перехідний процес у вигляді загасаючих коливань («дзвін») на сліді краю - як результат явища тремтіння заземлення. Сигнал синхроімпульсу показує короткий імпульс, що прямує за його негативним краєм. Цей небажаний сигнал, відомий як глітч, перетинає поріг напруги, що призводить до того, що хибні значення, які є на пристрої, синхронізуються. Прямі лінії на формі цифрового сигналу вказують на те, що логічний аналізатор синхронізований на цей глітч і зберіг його. Глітч стався протягом часу перед синхроімпульсом (вертикальна пряма лінія після прямих смуг). Логічний Аналізатор із програмою iView також синхронізував і осцилограф. Осцилограф захопив аналогові характеристики синхросигналу. Зауважте, що в той час, як точка синхроімпульсу, показана на рис. 7, не має осцилографічного походження, аналогові та цифрові значення вирівняні за часом, таким чином, що аналогові характеристики цифрового глитчу, будучи синхронізованим логічним аналізатором, висвічуються на його екрані.

Висновок

Програмне забезпечення iView інтегрує функції сімейства цифрових осцилографів Tektronix з логічними аналізаторами TLA і представляє на екрані ЛА узгоджені в часі значення як аналогових, так і цифрових сигналів. Розробникам цифрових систем необхідно переглядати швидкі характеристики аналогових форм сигналів та співвідносити їх на екрані логічного аналізатора з еквівалентними цифровими подіями для вирішення проблем цілісності сигналів.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник осцилографів в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/ostcillografy