Ще трохи зусиль та матеріал буде засвоєно. Частина 3

Виявлення нестабільності фронтів

Нестабільністю фронтів називаються небажані зміни часових співвідношень у будь-якій послідовності тактових імпульсів чи сигналів даних. Нестабільність фронтів проявляється у всіх електричних системах, у яких подання інформації про тимчасових співвідношеннях використовуються перепади напруги. Це короткочасне відхилення цифрового сигналу від його ідеального положення у часі. Нестабільність фронтів, як випадковий процес, знижує швидкодію системи та заважає налагодженню.
Швидкі зміни часових співвідношень, що впливають на період або фазовий зсув сусідніх або віддалених фронтів імпульсів, викликають нестабільність фронтів. Простіше кажучи. нестабільність – це відхилення фронтів від «правильного» становища у часі.
Є три типові способи вимірювання нестабільності фронтів по осцилограмі: нестабільність періоду, нестабільність між циклами та нестабільність часового інтервалу. а часовій діаграмі (схема 5) показано, як співвідносяться між собою ці виміри.

Нестабільність у період – вимірюється у кожному періоді тактового імпульсу на осцилограмі. Якщо осцилограф синхронізується по першому фронту одного періоду, у своїй другому фронті визначається нестабільність у період.
На схемі 5 зображено тактовий сигнал із тимчасовою нестабільністю. Пунктирними лініями позначені ідеальні положення фронтів, які відповідають сигналу без нестабільності.
Нестабільність між циклами визначає величину зміни періоду між двома сусідніми періодами тактового сигналу.
Нестабільність між циклами , позначена схемою 5 величинами C2 і C3, показує, наскільки змінюється період тактового сигналу між двома циклами. Як бачимо, нестабільність між циклами можна визначити, обчисливши похідну першого порядку від нестабільності у період.
Цей вимір може становити інтерес остільки, оскільки він відображає швидкі динамічні зміни, яким може бути схильна система ФАПЛ у схемі відновлення тактового сигналу. Для обчислення нестабільності за період і нестабільності між періодами не потрібні відомості про ідеальне становище фронтів, ні опорна частота.
Помилка часу інтервалу (TIE) показує, наскільки відхиляється кожен активний фронт тактового сигналу від свого ідеального положення. Для цього виміру необхідно або знати ідеальне положення фронтів або оцінити його. Значення цього виміру в тому, що воно показує ефект накопичення малої нестабільності періоду з часом.
Нестабільність періоду, відображена у вимірах P1, P2 та P3 на схемі 5, це просто відліки тривалості кожного періоду тактового сигналу на осцилограмі. Це найпростіше і безпосереднє з можливих вимірів. Значення розмаху можна оцінити, налаштувавши цифровий осцилограф на відображення трохи більше одного повного періоду тактового сигналу і встановивши необмежену післясвічення. Якщо осцилограф синхронізується за першим фронтом, нестабільність періоду проявляється на другому фронті, як показано на схемі 5.
Помилка інтервалу часу показана на схемі 5 у вигляді вимірювань TIE1 – TIE4. Помилка часу інтервалу (TIE) показує, наскільки сильно кожен активний фронт тактового сигналу відхиляється від ідеального положення. Для виконання цього виміру потрібно знати чи оцінити ідеальне положення фронтів. Безпосереднє спостереження помилки часового інтервалу (TIE) на осцилографі, не оснащеному засобами відновлення тактової частоти або цифрової обробки сигналу, утруднено.
Крім того, помилку часового інтервалу можна виміряти шляхом інтегрування нестабільності періоду після віднімання кожного відліку номінального (ідеального) значення періоду. Вимірювання помилки часового інтервалу дозволяє виявити ефект накопичення малих значень нестабільності періоду з часом. Якщо помилка часового інтервалу досягає значення ±0,5 одиночного інтервалу, глазкова діаграма закривається, і приймачі відбуваються помилки в бітах.

Рис.16 За допомогою програми TDSJIT3 для дослідження складних сигналів, що працює на осцилографі DPO7000, можна швидко виконувати тонкі виміри з аналізом нестабільності фронтів при розробці пристроїв.

На схемі 6 порівнюються всі три способи виміру нестабільності фронтів на одній осцилограмі. У цьому прикладі номінальний період сигналу дорівнює 1 мкс, а фактичний змінюється з чергуванням восьми періодів 990 нс і восьми періодів 1010 нс. У нестабільності фронтів є як випадкова, так і детермінована складова. Через наявність випадкового компонента бажано представляти нестабільність за допомогою звичайних статистичних прийомів. Для отримання значних і повторюваних результатів вимірювань використовуються такі параметри як середнє значення, середньоквадратичне (стандартне) відхилення та розмах, а також визначники, наприклад, довірчий інтервал.

Детермінована нестабільність (Dj) – це повторювана і передбачувана нестабільність часових співвідношень. Розмах детермінованої нестабільності (Dj) обмежений, і ці межі можна спостерігати чи передбачити з високим ступенем
впевненості щодо відносно невеликого числа спостережень. Детермінована нестабільність обумовлена такими
причинами:
• Періодична нестабільність (Pj), спричинена такими джерелами періодичного шуму, як блоки живлення, близько розташовані генератори коливань і в деяких випадках – перехресні перешкоди з довколишніх шин.
• Відхилення шпаруватості (DCD) викликаються розбалансуванням рівнів навантаження вихідного каскаду або впливом змін
температури всередині пристрою.
• Міжсимвольна інтерференція (ISI), звана також нестабільністю даних (DDj), викликається втратою частот на тракті проходження сигналу, здебільшого через втрати в з'єднаннях та кабелях.
Випадкова нестабільність (Rj) – це невпорядкований та непередбачуваний шум. Основним джерелом випадкового шуму в електричних ланцюгах є тепловий шум (шуми Джонсона та шумові викиди). Випадковий шум вважається розподіленим згідно із законом Hаусса без обмеження розмаху основного розподілу, тобто чим більше вибірок взято, тим більше виміряне значення розмаху.
Періодична нестабільність (Pj) циклічно повторюється. Оскільки періодичні коливання розкладаються за синусоїдами в гармонійний ряд Фур'є, така нестабільність іноді називається синусоїдальною нестабільністю. Періодична нестабільність зазвичай викликається зовнішніми джерелами детермінованих перешкод, наприклад, перешкодами від імпульсних блоків живлення або від потужних місцевих радіосигналів. Крім того, такі перешкоди можуть бути спричинені нестабільністю системи ФАПЛ у схемі відновлення тактових сигналів.

Рис.17 Осцилограф DPO7000 з додатком TDSJIT3 для аналізу нестабільності фронтів забезпечує вимірювання сумарної нестабільності фронтів сигналу даних приблизно дорівнює 192 пс (Tj = Dj + 2Q(BER) * Rj), де Q(10E-12) = 7. На гістограмі вимірювань помилки часового інтервалу схеми ФАПЧ представлено у графічному вигляді статистичний розподіл даних сигналу.

Нестабільність даних (DDj) – це будь-яка нестабільність, що корелюється з послідовностями в потоці біт даних.
Нестабільність даних часто зумовлена частотною характеристикою кабелю чи пристрою. Нестабільність даних називають також нестабільністю моделі (PDj). Вона є вимірним наслідком міжсимвольної інтерференції (ISI).
Відхилення шпаруватості (DCD) – це зміни шпаруватості щодо номінального значення, що дорівнює 50%. Є дві типові причини відхилень шпаруватості: відмінність нахилу фронтів, що наростають, від нахилу спадаючих фронтів або відхилення порога спрацьовування для сигналу у верхню або нижню сторону від номінального положення внаслідок зсуву середнього значення сигналу по постійному струму.

Рис.18 На осцилографі DPO7000 одночасно виконується до восьми вимірювань, включаючи вимірювання часу наростання, спаду та розмаху. Для отримання результатів достатньо встановити курсори у потрібні точки.

Сумарна нестабільність при частоті помилкових бітів (Tj@BER) – оцінка розмаху нестабільності за заданої користувачем частоті появи помилкових бітів. Крім того, за частотою помилкових бітів (BER) у поєднанні з одиничним інтервалом оцінюється розкриття очної діаграми, яке відображається на U-подібній кривій частоті помилкових бітів.

Рис.19 У режимі швидкої реєстрації FastAcq осцилографа DPO7000 із застосуванням статистичних вимірювань на екрані відображається відносно стабільний тактовий сигнал на каналі 1. У вибраній та включеній області гістограми відображаються дані статистичного аналізу, на підставі яких можна переконатися у відповідності пристрою вимогам.

Автоматичні вимірювання та аналіз

Автоматичні вимірювання та статистичний аналіз високочастотних сигналів дозволяють досягти кращого розуміння процесів при налагодженні пристрою. Численні засоби автоматичних вимірювань та статистичного аналізу, наявні в сучасних цифрових осцилографах, забезпечують гнучкість та продуктивність, необхідні для налагодження. Одночасне відображення чотирьох або восьми осцилограм дозволяє порівнювати осцилограми та прокручувати їх для дослідження із співвідношень.

Автоматизовані вимірювання, що запускаються натисканням кнопки, відкривають нові способи дослідження несправностей, що включають збір статистики вимірювань, визначення опорних рівнів та використання можливостей осцилографа виконання завдань налагодження. Після реєстрації та зіставлення кількох екранних вимірювань цифровий осцилограф відображає статистику та можливі відхилення щодо кожного з них.

Це дозволяє встановити, чи працюють компоненти в заданих межах або їх допуски змінилися і потребують корекції. До типових автоматичних вимірювань, що дозволяють прискорити налагодження, відносяться вимірювання тривалості імпульсів, викидів, шпаруватості розмаху, а також складніші статистичні вимірювання, наприклад вимірювання мінімуму, максимуму та середньоквадратичного значення (Root Mean Square, RMS).

Автоматичний аналіз тимчасових співвідношень та нестабільності фронтів

Автоматичні виміри дозволяють набрати статистичну інформацію про нестабільність осцилограми. Наприклад, можна використовувати цей вимір для того, щоб оцінити характеристики ланцюга фазової автопідстроювання частоти та визначити, чи знаходиться період нестабільності кварцового резонатора в заданих межах або переглянути вікно достовірних даних за часом наростання, шпаруватості та тривалості імпульсу на виході компонента.

Статистичні виміри

Цифрові осцилографи дозволяють проводити статистичну оцінку таких вимірювань як нестабільність фронтів або метастабільність. При налагодженні використовуються такі типові статистичні виміри:
• Середнє значення – середнє арифметичне період тактового сигналу. Це величина, обернена до частоти.
• Середньоквадратичне відхилення – усереднена величина відхилення результату виміру від середнього значення. Ця величина застосовується для дослідження гауссовских процесів, у яких розподіл випадкової величини задається середнім значенням і середньоквадратичним відхиленням.
• Максимальне та мінімальне значення та розмах – величини, що спостерігаються на інтервалі вимірювання. азмах обчислюється як різницю максимального та мінімального значень.
• Гістограма – графік виміряних значень у наборі даних залежно від частоти, з якою зустрічається кожне із значень. Цей графік не відображає таких подій як нестабільність фронтів, але дає хорошу приблизну оцінку ймовірності даної події.

Висновки

Цифрові осцилографи серій DPO4000 та DPO7000, які застосовуються як засоби налагодження, дозволяють спростити пошук несправностей при розробці вбудованих систем. Цифрові осцилографи підвищують продуктивність розробки, перевірки та налагодження пристроїв. Такі функції, як безперервна реєстрація осцилограм, забезпечують отримання поглиблених відомостей про шуми, викиди, перехресні перешкоди та інші аналогові параметри, що впливають на логічні стани, тривалість фронтів, час встановлення і фіксації та спотворення ідеальної форми імпульсів.

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