Осцилографи у застосуванні налагодок телекомунікаційних мереж

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

Усунення часто зустрічаються проблем I²C і SPI за допомогою багатофункціональних моделей осцилографів останнього покоління

При усуненні складних проблем I²C та SPI виникає безліч непередбачених завдань, що потребують негайного вирішення. У статті розглядається, як ефективно задіяти ключові функції сучасних осцилографів, здатних полегшити життя інженеру та техніку з будь-яким рівнем підготовки.

Осцилографи – абсолютно затребуваний прилад для налагодження та тестування різних додатків, включаючи вимірювання параметрів напівпровідників, джерел живлення AC/DC, тестування низького енергоспоживання та генерування статистики продуктивності шин живлення. Але в міру стрімкого розвитку електроніки і протоколів зв'язку між телекомунікаційними пристроями, налагодження всього перерахованого вище здатна швидко перетворитися на вельми трудомісткий процес.

Удосконалені осцилографи (див. рис. 1), здатні якісно підтримувати базове налагодження електротехнічного та електронного обладнання, тим самим ефективно використовувати основні функції осцилографів будь-якого покоління, як множинні тригери, фіксування подій та різноманітних сигналів.

Мал. 1. Сучасні конструктиви електронних та електротехнічних пристроїв, а також мереж вимагають для їх налагодження застосування сучасних цифрових осцилографів 

Такі функціональні вузли, як універсальні дисплеї, системи реєстрації подій, інтелектуальні функції запуску на подію (тригери) і глибока пам'ять для утримання даних дозволяють швидко відшукувати і коригувати навіть найскладніші помилки I²C і SPI.

У цій статті аналізуються поширені помилки при тестуванні сигналів та режимів синхронізації, розглядаються проблеми, пов'язані з їх усуненням, а також те, як функції сучасних осцилографів забезпечують ефективніше усунення всього перерахованого.

Часті помилки сигналів I²C і SPI та/або синхронізації

I²C і SPI — протоколи («мови спілкування»), що найбільш широко використовуються, для зв'язку між вузлами управління, а також між ними (вузлами) і чіпами периферійних пристроїв.

I²C 

I²C (Межинтегральная схема) — це простий протокол зв'язку та двопровідний інтерфейс фізично, що з: 1). SCL (двонаправлений послідовний тактовий сигнал) та 2). SDA (дані). I2C підтримує взаємодію кілька провідних та ведених пристроїв на шині, при цьому поки одночасно активний тільки один ведучий, до шини можна підключити будь-який пристрій I2C, так що будь-який провідний пристрій може обмінюватися інформацією з будь-яким веденим пристроєм. Кількість пристроїв обмежена максимальною ємністю, наприклад, 400 пФ здатне підтримувати від 20 до 30 пристроїв.

Найбільш поширені проблеми з I²C такі: 

• Повільний час наростання фронту імпульсу

• Перехресні перешкоди

• Вихідна напруга на низькому рівні, величина якої надмірно велика

• Велике поле занижених параметрів сигналів синхронізації

• Ненавмисний збій протоколу

SPI

SPI (Serial Peripheral Interface) – послідовний синхронний стандарт передачі даних у режимі повного дуплексу, призначений для забезпечення простого та недорогого високошвидкісного сполучення мікроконтролерів та периферії.

SPI також іноді називають чотирипровідним інтерфейсом. Фізично цей протокол використовує провідну/відому, 4-провідну або 3-провідну послідовну шину передачі даних з чотирма основними сигналами: SCLK (тактовий сигнал), MOSI (головний вихід/відомий вхід), MISO (головний вхід/відомий вихід) та SS (вибір веденого). Провідний пристрій завжди керує синхронізацією.

Основні проблеми SPI зазвичай включають:

• Помилки синхронізації, пов'язані з фазою та полярністю.

• Некоректна синхронізація

• Проблеми із шиною передачі даних

Підбадьорливою новиною є те, що багато проблем I2C і SPI цілком можливо усунути за допомогою осцилографа.

Осцилограф починає захоплювати сигнали I²C та SPI.

Основна частина налагодження помилок I²C та SPI залежить від аналізу того, що відбувається, коли чіп відправляє певний пакет сигналів I²C/SPI. Тут сигнали осцилографа та режими тригера при правильному використанні можуть надати інженерам повний пакет даних, необхідні налагодження. Однак якими б ефективними не були ці підходи, все ще існують деякі проблеми з ефективним та дієвим збиранням необхідних параметрів.

Якісний аналіз форми сигналу на осцилографі має вирішальне значення усунення багатьох проблем. Наприклад, повільний час наростання фронту імпульсу I²C може перешкодити сигналу вчасно досягти VIG (вхідна напруга високого рівня) для активації очікуваної функціональності. Крім того, проблеми можуть бути пов'язані зі значенням опору підтягування та відповідністю максимально допустимого часу наростання фронту імпульсу стандарту I²C. Проблеми з часом наростання можна проаналізувати порівняння форм сигналів SDA і SDC.

Малюнок 2. Тактовий сигнал та дані I²C за наявності шумів через неналежне заземлення

Аналіз форм сигналів SDA і SDC також здатний виявити наявність перехресних перешкод і допомогти інженеру визначити, чи перехресні перешкоди мають значний вплив на сигнали I²C. Як згадувалося раніше, низька вихідна напруга також є частим джерелом проблем з I²C. Порівняння VOL та VIL для сигналів SDA та SDC також здатне виявити наявність проблеми.

Однак оскільки часто виникає необхідність вивчати все більше і більше сигналів одночасно, екран осцилографа може швидко перейти в перевантажений стан. Звичайно, налагодження ще можна провести, але це займе більше часу від стандарту цієї процедури. Надзвичайно корисною є можливість відображати певні сигнали, залежно від того, як часто вони виникають. Такий режим дозволяє швидше виявляти аномалії, що може бути особливо корисно при виникненні помилок, що зустрічаються досить рідко.

Ще однією проблемою багатьох осцилографів є підтримка високої частоти вибірки (часто необхідної, коли необхідні довші налаштування поділу або часу), при цьому не вичерпуючи обсяг пам'яті даних (Це питання докладно розглядається в статті сайту Gtest® ПАМ'ЯТЬ ОСЦИЛОГРАФІВ. ЇЇ ЗНАЧИМІСТЬ від 2240. )

Аналіз форми сигналу та режими тригерів

Інший важливий аспект аналізу сигналів це, звичайно, тригери. Наприклад, однією з найпоширеніших проблем SPI є помилкова синхронізація. Головний процесор активує ведений пристрій, записуючи 24-бітові слова. На погляд може здатися, що сигнали цілком відповідають стандарту SPI. Використовуючи активний тригер SS (тригер, коли використовується вибір підлеглого пристрою), можна захопити всю послідовність такого роду активацій. Ця інформація може бути використана для визначення причин проблем із синхронізацією.

Рисунок 3. Вихід ЦАП та 8-бітна вхідна шина даних, що активуються за цифровою схемою

Під час налагодження можна використовувати безліч режимів тригера, наприклад, по кордоні, відповідним режимам інтелектуального, програмного, короткого, налаштування та утримання, а також шириною імпульсу. Не всі форми запуску прості, і далеко не всі осцилографи мають можливості, необхідні для їх успішного використання.

При налагодженні складніших проблем дані про рідкісні чи критичні події реєструються шляхом запуску, який може відбуватися протягом тривалого часу. Ці дані можуть включати подробиці, які настільки важливі для процесів налагодження, що, як наслідок, потенційно збільшує час цієї процедури, оскільки інженер аналізує отримані дані, щоб знайти найважливіші деталі. Більш складні типи запуску, включаючи інтелектуальний запуск, є ключовими, особливо коли проблеми не входять до найбільш поширених у протоколах зв'язку.

Функції осцилографа для спрощення захоплення та налагодження

Існують модельні ряди нових, удосконалених осцилографів, які значно спрощують аналіз сигналів та вирішення описаних вище проблем. Наприклад, 8-дюймовий (21 см) кольоровий сенсорний дисплей з високою роздільною здатністю (рис. 4) дозволяє накладати лише кілька сигналів один на одного.

Важливо, що можна активувати різні методи візуалізації сигналів, що дозволяють відображати рідкісні аномалії з різною інтенсивністю пікселів, всього існує 256 етапів оцінки. Режим UltraAcquire додає нові режими візуалізації, включаючи мозаїку, водоспад і тривимірне представлення сигналів, що перекриваються. Подібні функції допомагають звести до мінімуму безлад на екрані осцилографа, зробити дані більш інформативними і підтримувати набагато ефективніше налагодження як додатків I²C, так і для SPI.

Малюнок 4. Багато панельний сенсорний дисплей високої роздільної здатності у поєднанні з новими методами візуалізації спрощує інтерпретацію, аналіз та налагодження сигналів.

Ще одним аспектом передової технології осцилографів є глибока пам'ять даних (див. посилання на статтю вище). Підтримка режиму високої частоти дискретизації, особливо при використанні більш тривалих налаштувань часу/поділу, може виявитися надзвичайно скрутною справою без достатньої пам'яті даних. Недостатній обсяг пам'яті унеможливлює збір сигналів протягом тривалого часу без втрати їх (сигналів) важливих деталей. Знову ж саме пам'ять підтримує як базові, так і розширені методи налагодження.

Можливість пошуку та маркування подій через певні параметри необхідна для більш складного налагодження. У поєднанні з режимами візуалізації високої роздільної здатності дані налагодження та чіткої візуалізації містять особливо корисну інформацію. На рис. 5 показаний приклад того, як виглядатимуть результати пошуку, якщо було здійснено налаштування наростаючих фронтів. А інтелектуальний запуск гарантує, що рідкісні та важливі події, що становлять інтерес, обов'язково будуть збережені без включення непотрібних даних, що призведе до отримання більш короткої та корисної інформації.

Мал. 5. Зразок таблиці даних, що демонструє результати пошуку та маркування об'єктів.

Ці функції значно спрощують збирання даних та налагодження, скорочуючи час, необхідний для тестування і, як результат, час виведення на ринок нових продуктів. Наприклад, розглянемо приклад безперервного захоплення протягом тривалого часу у поєднанні з маркуванням подій та пошуком подій, як це представлено на рис. 6.

Мал. 6. Поєднання ключових функцій удосконалених осцилографів може полегшити як отримання даних налагодження, а й їх аналіз і тлумачення.

Осцилограф гарантовано усуває проблеми I²C та SPI (на прикладі RIGOL модельного ряду DHO1000 та DHO4000, а також OWON xDS3204E)

Серії DHO1000 та DHO4000 – це новітні доповнення до лінійки осцилографів RIGOL UltraVision III, що включають всі описані функції, що допомагають інженерам усувати складні проблеми I²C та SPI. Їхні можливості починаються зі справжніх 12-бітових АЦП та смуги пропускання до 800 МГц. Прилади також оснащені кольоровими сенсорними дисплеями високої роздільної здатності з можливістю ефективнішого аналізу сигналів та спрощення порівняння кількох сигналів одночасно.

Щоб ще більше спростити та підвищити ефективність візуалізації, осцилографи RIGOL та OWON пропонують пакетне захоплення UltraAcquire, а режим візуалізації забезпечує смугу пропускання до 5 ГГц (RIGOL) із максимальною частотою дискретизації 20 млрд відліків за секунду. Це дозволяє користувачам уловлювати невеликі зміни динамічного характеру у складному сигналі.

Глибока пам'ять даних є ключем до досягнення високої частоти дискретизації, і RIGOL Ultravision підтримує глибину пам'яті до 500 Мт/с, підтримуючи частоту дискретизації 4 Гвиб/с серії DHO4000. Це також дозволяє отримувати високоточні виміри для повного аналізу сигналу. Такі функції надають користувачам можливість записувати, переміщатися і аналізувати великі дані з допомогою гнучкою і глибокої пам'яті.

Ці осцилографи мають розширені можливості пошуку, включаючи пошук і маркування подій з використанням параметрів фронту та імпульсу. Вони також включають режими інтелектуального запуску та детальної візуалізації сигналів для прискорення налагодження та покращення аналізу. Наприклад, серія RIGOL Ultravision III має швидкість захоплення сигналів з високою роздільною здатністю 8-бітових АЦП і до 16 біт в режимі високої роздільної здатності.

Мал. 7. RIGOL Ultravision III DHO4804 - один із передових осцилографів, оснащений функціями, що дозволяють вирішувати деякі з найскладніших завдань налагодження.

Всі використані зображення люб'язно надані RIGOL Technologies та Fujian Lilliput Optoelectronics Technology Co.,Ltd (OWON™)

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