Тема вивчення складна, але підйомна. Частина 2

Затримка розповсюдження

На поширення сигналу від однієї точки системи до іншої, наприклад, від входу схеми до її виходу або від виходу одного пристрою до входу іншого, витрачається певний час. Цей час – затримка поширення сигнальному тракті. Зазвичай для схем задається два різні значення затримки поширення, залежно від полярності перепаду вхідного сигналу. Ці параметри задаються як значень t _plh (затримка при перемиканні від низького рівня до високого), t _plh (затримка при перемиканні від високого рівня до низького).

Стробована затримка розповсюдження

Для логічного елемента затримкою поширення називається час проходження сигналу входу до виходу елемента. Затримка поширення пристрою, осцилограми сигналів якого наведено на рис. 5 вимірюється між сигналом вхідних даних (точка 1) і сигналом вихідних даних (точка 2).

Рис.5 Функція вимірювання часу затримки в осцилографі DPO4000 дозволяє вимірювати і відображати час затримки поширення від наростаючого фронту сигналу вхідних даних (точка 1) до фронту, що наростає сигналу вихідних даних (точка 2); результат дорівнює 3,190 нс

На рис. 5 наведено осцилограми вхідного та вихідного сигналів, зареєстровані за допомогою осцилографа DPO4000. На пробник каналу 1 надходить сигнал вхідних даних, пробник каналу 2 – сигнал вихідних даних. За допомогою функції вимірювання затримки вибирається вимір часу від першого фронту наростання каналом 1 до першого фронту наростання каналом 2. На екрані цифрового осцилографа відображається виміряна затримка поширення, що дорівнює 3,190 нс.

Тактована затримка розповсюдження

У тактованій схемі, наприклад, у тригері або «засувці», тактованої затримкою поширення називається час, що проходить між активним фронтом тактового імпульсу і зміною стану на виході схеми, тобто затримка поширення від тактового входу CLK до виходу Q. Максимальна затримка поширення тригера, часів якого зображена на схемі 3 при переході від низького рівня до високого (T _PLH ) дорівнює 8 нс. Інакше висловлюючись, пізніше як за 8 нс після переходу тактового сигналу до високого рівня стан виходу зміниться стан сигналу на вході даних.

Рис.6 Універсальна функція вимірювання часу затримки в осцилографі DPO4000 дозволяє вимірювати тактовану затримку поширення - час між наростаючим фронтом сигналу вихідних даних (точка 3) і фронтом тактового сигналу (точка 2). Затримка поширення, що тактується, дорівнює 7,055 нс

На екрані, зображеному на рис. 6, відображені дані, зареєстровані осцилографом DPO4000. Частота дискретизації дорівнювала 5 Hвиб/с, канал 1 приєднаний до входу даних, а канал 2 - до виходу даних. Цифровий осцилограф синхронізується по фронту, що наростає, сигналу на вході даних, а канал 2 приєднаний до виходу тактового сигналу.

Усунення конфліктів на шині

Такі пристрої як цифрові процесори сигналів (DSP), ОЗУ, ЕСППЗУ, ППЗУ, ПЗУ, АЦП і ЦАП, а також схеми введення-виведення зазвичай обмінюються інформацією з навколишніми пристроями низькошвидкісних і високошвидкісних послідовних шин. Конфлікт на шині – один із прикладів, що показують, що налагодження послідовних шин складніше, ніж налагодження паралельних. На схемі 4 зображено стандартну конфігурацію та протокол низькошвидкісної шини I ² C, розробленої компанією Philips Semiconductor.

У більшості цифрових осцилографів, наприклад, у приладах серій DPO4000 і DPO7000, є синхронізація за поєднанням логічних сигналів, звана синхронізацією за моделлю або станом. Рис. 7 ілюструє процедуру побітового декодування послідовної шини I ² C; спочатку необхідно знайти перехід, що означає початок пакета, потім перші сім бітів першого байта, що становлять адресу, потім знайти восьмий біт першого байта, що визначає запис-зчитування, і декодувати до восьми байт даних. Через корекцію бітів деякі послідовні шини, наприклад шина CAN, взагалі не піддаються декодуванню вручну.

Рис.7 Відображення цифрового осцилографа сигналів шини I ² C для ручного декодування. Адреса дорівнює 76, операція – читання.

Додаткові можливості синхронізації осцилографа DPO4000 по шинах I ² C, SPI та CAN дозволяють усувати конфлікти, характерні для цих шин при швидкостях обміну до 10 Мбіт/с. Використовуючи ці методи синхронізації, можна налаштовувати необхідні поєднання сигналів на шині. Наприклад, нехай потрібно синхронізуватися на шині I ² C на початку або в кінці пакета, за типом кадру (дані, дистанційний, помилка або перевантаження), за стандартним або розширеним ідентифікатором і навіть за відсутності підтвердження. Осцилограф DPO4000 дозволяє синхронізуватися за найпоширенішою інформацією пакетів та виконувати її пошук.

Рис. 8. Синхронізація осцилографа DPO4000 по шині I ² C здійснюється за обраною адресою (76) для читання або запису. Автоматичне декодування кожного пакета усуває необхідність у ручному декодуванні, знижує ймовірність помилки та заощаджує час.

Синхронізація за моделлю

Модель стає істинною з появою заданого поєднання логічних рівнів, збереження його протягом усієї події. Користувач може вибрати синхронізацію цифрового осцилографа за настанням істинності моделі (початку виконання набору умов) або настання її помилковості (припинення виконання набору умов).

Синхронізація за станом

У синхронних системах (у яких застосовуються системні тактові сигнали) можна задавати синхронізацію за станами. У вже використаному прикладі шини замінимо приймальний буферний елемент на буфер із клямкою. На рис. 9 зображено встановлення станів входів пристрою при синхронізації за моделлю. Для каналу 3 встановлено низький рівень. Для каналів 1 та 2 встановлений високий рівень.

Рис.9 На екрані цифрового осцилографа відображаються тимчасові параметри для запуску моделі для пристрою. При переході сигналів у каналах 2 та 3 на високий рівень на вхідній лінії (канал 3) має бути високий рівень. При установці низького рівня каналу 3 виявляється неполадка у вигляді додаткової затримки.

Фіксується неправильний стан; виявляється неполадка, що полягає в занадто великій затримці сигналу каналу 3. Для правильної роботи клямки необхідно, щоб при переході каналів 1 і 2 на високий рівень на вхідній лінії каналу 3 був високий рівень. Такий підхід можна використовувати тільки в тих системах, де сигнали керування різних пристроїв та адресація шин синхронізуються основним тактовим сигналом.

Реєстрація метастабільних станів

Метастабільність проявляється у вигляді невизначених чи нестабільних станів даних. При цьому у вихідному сигналі можуть виникнути викиди, що ведуть до несправностей. Зазвичай такі стани з'являються рідко, що ускладнює виявлення та фіксацію подібних явищ. Метастабільні стани можуть виникнути через порушення часу установки та фіксації на вході схем із засувками, схожих з D-тригером, осцилограми якого зображені на рис. 10.

Рис.10. За допомогою синхронізації осцилографа DPO4000 за порушенням часу встановлення та фіксації, а також функції пошуку та маркування виявляються метастабільні стани, відмічені білими трикутниками у верхній частині екрана. Канал 1 – тактовий сигнал, канал 2 – сигнал даних. Канал 3 - метастабільний вихід (Q) D-тригера-заскочки.

На рис. 11 зображені сигнали даних (DATA) та тактів (CLOCK) при асинхронному запуску тригера. Іноді через порушення часу установки і фіксації фронт тактового сигналу, що наростає, збігається зі зміною стану даних. При цьому стан виходу тригера може зберегти вихідне значення, або змінитися відповідно до зміни даних, або «зависнути» між цими двома станами. Під час цього короткочасного «зависання» тригер стає метастабільним, але в його виході (Q чи /Q) спостерігається випадковий сигнал.

Рис.11. На цифровому осцилографі сигнали відображаються в їхньому справжньому вигляді, що дозволяє простежити за впливом викидів на роботу пристрою. Завдяки великому післясвіченню, у верхній частині екрана DPO7000 відображаються короткочасні викиди сигналу. На екрані із післясвітленням фіксується візуальна історія сигналу.

На рис. 13 тригер не може захопити дані, що повертають його до попереднього стану. Хоча такі стани не виявляються за допомогою звичайної синхронізації, синхронізація за станами дозволяє надійно фіксувати метастабільні стани, в даному випадку – перехід до недостатнього імпульсу
висоти. У синхронізації з переходу і імпульсів недостатньої висоти для захоплення метастабільних сигналів використовується умова подвійного порога по амплітуді.

Рис.12 У режимі швидкої реєстрації (FastAcq) осцилографа DPO7000 неважко виявити потенційні помилки у вигляді імпульсів недостатньої висоти та помилкових переходів.

Виявлення метастабільності, як і усунення інших важких проблем під час налагодження, полегшується під час використання складних видів синхронізації. Система синхронізації Pinpoint в цифровому осцилографі DPO7000 надає один з повнофункціональних механізмів синхронізації для налагодження цифрових систем, оскільки може використовуватися у всій ширині смуги пропускання осцилографа. Характеристики та функції системи Pinpoint дозволяють виявляти події в прототипах пристроїв.

Рис.13 Система синхронізації Pinpoint™ в осцилографі DPO7000 дозволяє застосовувати складні види синхронізації як за подією B, так і за подією A. Щоб виділити два послідовні невдалі переходи, подія B задається аналогічно події A. Не має значення, чи відбувається подія B відразу після події A або значно пізніше. У будь-якому разі запускається реєстрація даних. Логічні імпульси недостатньої висоти будь-коли перетинають логічні рівні, якими визначаються допустимі імпульси.

Реєстрація викидів

Викид – загальний термін, що означає будь-яке відхилення від ідеальної форми цифрового сигналу. Викиди – дуже вузькі та круті випадкові імпульси, які можуть інтерпретуватися як зміни логічного стану. Викиди породжують багато різноманітних помилок і важко піддаються виявленню. Їхній вплив на роботу системи непередбачувано. Більшість несправностей у системі виявляється у вигляді викиду однією чи кількох сигналах. Часто викиди є першою ознакою різних збоїв пристрою, включаючи шуми, логічні перегони, неправильне узгодження навантажень, помилки буферних підсилювачів, перехресні перешкоди, порушення часу встановлення та фіксації та інші порушення часових співвідношень.

Рис.14 Синхронізація осцилографа DPO7000 за викидами дозволяє фіксувати рідкісні метастабільні стани на виході (Q) D-тригера

Круті фронти цифрових сигналів містять найвищі частоти; тому необхідне відповідне узгодження навантажень провідників на друкованій платі пристрою. Через круті фронти збільшуються перехідні струми; в результаті збільшуються динамічні струми, що призводять до появи коливань у шині заземлення або викидів у шині живлення. Крім того, через круті фронти збільшуються перехресні перешкоди. Провідники на друкованій платі, які раніше розглядалися як ланцюги із зосередженими параметрами, тепер перетворилися на передавальні лінії, що вимагають відповідного узгодження навантаження.

Рис.15 Доки цифровий осцилограф не реєструє дані, викиди можуть залишитися непоміченими. При збільшеній частоті оновлення скорочується час, необхідний захоплення викидів.

При неправильній роботі схеми розумно розпочинатиме налагодження з пошуку викидів. Щоб розглянути викиди, рекомендується порівняти аналогове та цифрове уявлення сигналу на цифровому осцилографі. Більшість неполадок проявляється у вигляді викидів щонайменше в одному сигналі, а часто й у кількох.
Наприклад, на цифровому осцилографі можуть відображатися спотворення наростаючого і спадного фронтів цифрового імпульсу. Наростаючий фронт недостатньо повільний, щоб спричинити логічний перехід; тому викид не утворюється. За допомогою цифрового осцилографа, наприклад DPO7000, з синхронізацією за тривалістю імпульсу можна, захоплюючи такі викиди, що періодично з'являються, простежити джерело неполадки.

Далі буде....

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