Осцилографи та їх роль у налаштуваннях цифрового обладнання. Частина 1

Вступ

У міру зростання швидкодії систем та зменшення їх розмірів розробникам схем стає дедалі важче забезпечити ідеальні цифрові характеристики сигналу. Висока швидкодія та щільна упаковка компонентів пристроїв призводять до ряду небажаних електричних явищ, які несприятливо впливають на роботу схеми. У конструюванні швидкодіючих пристроїв велику роль грають розміщення компонентів, розведення доріжок, перешкод і малих змін сигналу. Наприклад, у схемах, що працюють на частотах гігагерцевого діапазону, індуктивність доріжок, що проводять, надає значний вплив на роботу пристрою.
Розробникам необхідно швидко виявляти та аналізувати перешкоди, порушення часу встановлення та фіксації, викиди, метастабільні стани, конфлікти на шині, нестабільність фронтів та інші неполадки. Спостереження високочастотного цифрового сигналу та перегляд його в аналоговому поданні дозволяє спростити пошук багатьох неполадок цифрових пристроїв.
Причина неполадки, що виявляється у вигляді зміщеного цифрового імпульсу, може ховатися в аналогових характеристиках. Аналогові характеристики можуть викликати цифрові збої, коли сигнали з низькою амплітудою перетворюються на невірні логічні стани або коли імпульси зсуваються в часі через затягнутий фронт наростання. Перегляд потоку цифрових імпульсів одночасно з аналоговим поданням цих імпульсів – перший крок у пошуку подібних несправностей.
Цифрові осцилографи, наприклад прилади серії DPO4000 або DPO7000, що використовуються як засоби налагодження, дозволяють усувати несправності при розробці швидкодіючих вбудованих систем. Слід пам'ятати, що з докладному перегляді вид сигналів може змінитися, точність вимірів у своїй підвищується.

Простеження перешкод

Перешкода у цифровій системі – це будь-який небажаний сигнал. Вплив ліній передачі, коливання в шині заземлення, відображення, перехресні перешкоди, «дзвін», поширення хвиль – це проблеми перешкод, спричинені переходом до більш компактних та швидкодіючих схем. Час наростання логічних сигналів зменшується (швидкість наростання кілька В/нс), і інженерам часто доводиться налагоджувати пристрої з часом наростання менше 1 нс.

Ефекти лінії передачі сигналу

З'єднання сприймається як лінія передачі у разі, коли поширення сигналу лінії і назад займає більше часу, ніж завершення переходу (коли 2Tprop > Trise). Для типової плати матеріалу FR4 швидкість поширення сигналу приблизно дорівнює 15 см/нс. При часі наростання сигналу 1нс ефекти довгої лінії виявляються на будь-якій доріжці довше 7 см. Сигнали на передавальному та приймальному кінцях лінії часто розрізняються через відображення та «дзвін». При вимірі таких швидких сигналів важливо розмістити пробник на приймальному кінці лінії (схема 1).

«Дзвін» та відображення

При недостатньому демпфуванні резонансного контуру в ньому виникає «дзвін» та викиди. Недостатнє шунтування ланцюгів живлення, під'єднання до пристрою довгих проводів живлення та заземлення та невдале приєднання пробника можуть викликати «дзвін» та викиди. Відображення у неузгоджених чи незаглушених лініях можуть спричинити викиди та інші порушення форми фронту.
Ці порушення можуть спричинити небажані зміни стану або невизначеність у часі. У деяких цифрових схемах потрібні події рідко повторюються.
Цифровий осцилограф з відповідною смугою пропускання та частотою дискретизації вільно захоплює ці неповторні події у реальному масштабі часу.
Вигляд пробників та спосіб їх підключення впливають на якість виміру. Велике ємнісне навантаження може сповільнити наростання фронтів сигналу та приховати деякі неполадки, створюючи замість них інші. Дотик пробника до схеми може призвести до зникнення деяких ознак. Індуктивність провідника заземлення пробника та вхідна ємність пробника утворюють послідовний коливальний контур; якщо резонансна частота цього контуру вбирається у смуги частот осцилографа, вплив контуру проявляється як «дзвінка».

На верхній осцилограмі (канал 1) видно наростаючий фронт тривалістю 1,3 нс, захоплений осцилографом DPO4000 при смузі 1 ГГц. Нижня осцилограма (канал 2) ідентична верхній, але смуга пропускання тут обмежена до 250 МГц; таке зображення з'явилося б на 250-МГц осцилографі. Відображення сигналу маскується через недостатньо широку смугу пропускання. (Зауважимо, що недостатня ширина смуги пропускання призводить до похибок вимірювання часу наростання сигналу.)

Щоб збільшити резонансну частоту, необхідно скоротити провідник заземлення та зменшити вхідну ємність пробника. Ємне навантаження звичайних пробників може досягати 10 - 15 пФ. У активних пробників це значення менше. Наприклад, вхідна ємність активного пробника TekVPI™ зі смугою пропускання 2,5 ГГц становить всього 0,8 пФ. За такої ємності «дзвін» зменшується, що дозволяє подовжити провідники заземлення. Рис. 1 ілюструє значення смуги пропускання та частоти дискретизації для перегляду відбитків. На сигналі області наростання переходу є відбиток. Такий дефект тактового сигналу може викликати невизначеність у часі (нестабільність фронтів) виходу, що тактується. Верхня осцилограма (канал 1) зареєстрована осцилографом DPO4000 при частоті дискретизації 5 Гвиб/с та смузі пропускання 1 ГГц. Для імітації результату вимірювання осцилографом з відносно низькими характеристиками нижня сцилограма (канал 2) зареєстрована при частоті вибірки 5 Hб/с з фільтром 250 МГц. Щоб виявити порушення на логічному переході за допомогою цифрового осцилографа, необхідно забезпечити відповідні значення частоти дискретизації та смуги пропускання.

Коливання у шині заземлення

Коливання в шині заземлення – це усунення опорного рівня заземлення, викликане струмовим викидом у площині заземлення. При синхронному перемиканні кількох виходів пристрою на заземлення може надходити значний перехідний струм. Падіння напруги на з'єднувальних провідниках, проводі заземлення та шляхи повернення струму може викликати коливання потенціалу заземлення всередині пристрою щодо заземлення системи. «Дзвін» або викиди на виходах, що перемикаються і неперемикаються, можуть викликати небажані логічні переходи в інших пристроях. Коливання в шині заземлення можуть викликати скидання даних у пристрої.

Рис.2 Коливання у шині заземлення при перемиканні виходу на каналі 1

На рис. 2 в каналі 1 зареєстрований сигнал з одного з виходів чотиривіркової мікросхеми логічного 74LVC00. На один із входів кожного з трьох елементів І чотиривіркової мікросхеми подано напругу живлення +3,3, а один вхід четвертого елемента І заземлений. На чотири входи мікросхеми, що залишилися, подано сигнал частотою 48 МГц. На канал 2 подається сигнал четвертого логічного елемента, який не перемикається. Через коливань у шині заземлення на каналі 2 з'являються перешкоди розмахом трохи більше одного вольта. Аналіз сигналу в каналі 2 показує, чому коливання, відповідні спадаючому фронту сигналу в каналі 1 більше коливань, що відповідають наростаючому фронту в цьому каналі.

Рис.3 Приклад фіксації перехресної перешкоди синхронізацією по фронту на осцилографі DPO4000 зі смугою пропускання 1 ГГц. Високочастотні імпульси в одному з кількох паралельних провідників із навантаженням 50 Ом (канал 1) породжують сильне випромінювання. Це джерело перешкод створює наведення в сусідніх провідниках. Наведення ясно видно на каналах 2 і 3, приєднаних до провідників, найближчим до джерела перешкоди. У міру віддалення від провідника-джерела рівень перехресних перешкод зменшується. Це видно з амплітуди перешкоди в каналі 4, що дорівнює 32 м/В; цей канал приєднаний до провідника-приймача, найбільш віддаленого від джерела перешкоди.

Вихід елемента І, один вхід якого підключений до землі, з'єднаний із заземленням практично безпосередньо, якщо не брати до уваги невеликий еквівалентної індуктивності. При перемиканні виходів інших елементів І через них протікають струми, що наводять струм через еквівалентну індуктивність на виході елемента, що не перемикається; тому на каналі 2 з'являється більший викид. Зауважимо, що якщо елемент І із заземленим входом приєднати до напруги живлення, більший викид відповідатиме наростаючому фронту на каналі 1.

Перехресні перешкоди

Цей вид перешкод часто трапляється у цифрових пристроях там, де лінії асинхронних сигналів проходять поруч із лініями тактуючих сигналів. Перехресні перешкоди викликають помилкові логічні переходи або затягування фронтів тактових імпульсів, що призводить до помилок синхронізації або порушень часу встановлення та утримання. Положення погіршується при зменшенні часу зростання. Надто довгий провід заземлення може спричинити появу хибних.
перехресних перешкод, оскільки довгі дроти утворюють великі контури. При спостереженні перехресних перешкод на осцилографі необхідно враховувати кількість каналів, частоту дискретизації та ширину смуги. Для реєстрації на цифровому осцилографі сигналу в реальному масштабі часу необхідно встановити на всіх каналах відповідну частоту дискретизації. Наприклад, якщо є зв'язок (ємнісний або індуктивний) лінії сигналу зі швидкими перепадами на схемній платі з найближчими сигнальними провідниками, з'являються перехресні перешкоди.
При налагодженні слід брати до уваги три види перехресних перешкод: індуктивні перехресні перешкоди, синфазні перешкоди та диференціальні перешкоди. Індуктивні перехресні перешкоди виникають, коли змінюється рівень сигналу, що поширюється лінією (джерелу перешкод); при цьому виникає струмовий викид, що породжує магнітне поле. Цей імпульс магнітного поля своєю чергою наводить струмовий викид у сусідній лінії (приймачі перешкод). При трансформаторному зв'язку виникає два викиди напруги протилежної полярності у прямому напрямку та позитивні викиди у зворотному напрямку.
Синфазні перешкоди – це сума однополярних напруг у лінії-приймачі, що поширюються у напрямі джерела перешкоди. Вона відображається як широкого імпульсу малої амплітуди, ширина якого співвідноситься з довжиною лінії. Амплітуда синфазної перешкоди залежить від часу наростання
фронту імпульсу джерела перешкоди. Вона залежить від співвідношення імпедансів.
Диференціальна перешкода – це сума двох імпульсів протилежної полярності, залежних від співвідношення ємності та індуктивності. поширюється у бік первинного джерела перешкоди. Ця перешкода спостерігається наприкінці лінії-приймача перешкоди як вузького викиду, тривалість якого дорівнює тривалості фронту наростання імпульсу лінії-джерелі перешкоди. Чим коротший час наростання фронту в джерелі, тим крутіший фронт наростання, більше амплітуда імпульсу перешкоди і менша його тривалість. Розмір диференціальної перешкоди залежить від довжини здвоєної лінії. Оскільки перехресна перешкода поширюється разом із фронтом імпульсу джерела перешкоди, енергія диференціальної перешкоди лінії-приймачі виявляється більше.

Запобіжні заходи

Осцилограф DPO4000 з частотою дискретизації 2 Гвиб/с по всіх чотирьох каналах, смугою 500 МГц та активним пробником ідеально підходить для виявлення аналогових ефектів. При розробці з цифровими пристроями рекомендується пам'ятати наступне:
• Шляхи розповсюдження сигналу мають бути короткими.
• Ефекти лінії передачі слід враховувати, коли затримка розповсюдження в провіднику перевищує половину часу наростання.
• Площини живлення та заземлення, пов'язані ефективними конденсаторами, що шунтують, можуть усунути багато проблем, пов'язаних з «дзвонами» і перехресними перешкодами.
• У разі виникнення неполадок переконайтеся, що смуга пропускання та частота дискретизації по всіх чотирьох каналах осцилографа достатні для спостереження зазначених подій.

Пошук порушень часу встановлення та фіксації

У цифрових системах є логічні пристрої, що тактуються, від тригерів до мікропроцесорів. Час встановлення та фіксації для кожного з цих пристроїв задається виробником. Зі збільшенням швидкодії цифрових систем зменшується час встановлення даних перед приходом тактуючого сигналу. Час встановлення – це інтервал перед приходом фронту тактуючого сигналу, протягом якого вхідний сигнал має бути стабільним (достовірним). Час фіксації – інтервал після приходу фронту тактуючого імпульсу, де дані на вході пристрою повинні залишатися стабільними; у цьому випадку дані на виході пристрою будуть достовірними. тимчасову діаграму встановлення та фіксації на схемі 2.
На рис. 4 час установки відраховується між точкою 1 на осцилограмі даних та точкою 2 на осцилограмі тактового сигналу. Мінімальний час встановлення, заданий виробником, дорівнює 5 нс. Час фіксації відраховується між точкою B на тактовому сигналі та точкою C на осцилограмі даних. Мінімально допустимий час фіксації дорівнює 4 нс. Якщо сигнал змінюється протягом часу встановлення та фіксації, з'являється збій, тобто порушення часу встановлення та фіксації.

Рис. 4. Функції пошуку та встановлення маркерів в осцилографі DPO4000 у поєднанні з синхронізацією з порушенням часу встановлення та фіксації. Усі порушення часу встановлення та фіксації відзначені білими незаповненими трикутниками у верхній частині екрана; задані користувачем величини часу встановлення та фіксації дорівнюють відповідно 5,5 нс і 4,5 нс

За наявності перехресних перешкод та відображень у тактовому сигналі та сигналі даних цілісність цих сигналів порушується та з'являються зазначені порушення. У міру збільшення швидкодії цифрових пристроїв час встановлення та фіксації зменшується. Це ускладнює налагодження часових співвідношень. При порушенні часу встановлення та фіксації на виході пристрою можуть з'явитися непередбачувані викиди або стан виходу може взагалі не змінитись. Синхронізація цифрового осцилографа по установці/фіксації дозволяє синхронізувати прилад за значеннями часу встановлення та фіксації між тактовим сигналом та сигналом даних, що надходять на входи двох каналів осцилографа. Під час перегляду цих сигналів на цифровому осцилографі можна виконати точні вимірювання порушень часу встановлення та фіксації.

Далі буде......

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