eng
Выпуск #8/2013
Н.Лемешко
Осциллографы R&S RTO эффективный инструмент для аализа целостности сигналов
Осциллографы R&S RTO эффективный инструмент для аализа целостности сигналов
Просмотры: 2681
При работе современных цифровых устройств на очень высоких частотах проявляются физические эффекты, способные изменить форму использующихся для передачи информации импульсных сигналов и привести к серьезным ошибкам в работе устройства. Поэтому уже на этапе разработки цифрового устройства необходимо обеспечить целостность сигналов (сохранение их формы) во всех режимах функционирования. Помочь в этом могут осциллографы RTO компании Rohde & Schwarz (R&S), оснащенные опцией логического анализа сигналов (R&S RTO-B1).
Теги: logic probe mismatching signal integrity логический пробник рассогласование целостность сигнала
Причины нарушения целостности сигналов
Систему передачи сигналов в цифровом устройстве можно рассматривать как совокупность источника, линии передачи и приемника, физически реализованную на печатной плате. Линия передачи обычно организована в форме пары проводников, максимально сближенных для повышения помехоустойчивости и снижения потерь на излучение [1].
Целостность сигналов (ЦС) может нарушаться по ряду причин:
рассогласование линий передачи с источниками и приемниками сигналов, приводящее к появлению стоячих волн и искажению временной функции напряжения на входе приемника сигналов. Эта проблема особенно актуальна для КМОП-технологии. Она решается с помощью специальных согласующих нагрузок;
перекрестные помехи, обусловленные взаимодействием линий передачи (влияние малых емкостей и взаимных индуктивностей на высоких частотах). Основной способ их устранения заключается в правильном выборе типа и взаимного расположения линий передачи;
нелинейность нагрузок линий передачи, значительно ухудшающая условия согласования;
смещение потенциалов питающих шин (за счет их индуктивности) при протекании сквозных токов в выходных и внутренних каскадах микросхем. Оно способно настолько существенно изменять напряжения на выходах микросхем в статическом состоянии, что их нагрузка воспринимает такое колебание как изменение логического состояния. Смещение минимизируется при правильном проектировании питающих цепей;
неоптимальная структура платы, при которой существенно изменяется волновое сопротивление вдоль линий передачи;
рассогласование форм сигналов в дифференциальных парах, приводящее к ухудшению захвата текущего логического состояния.
Отдельно принято выделять проблемы, приводящие к нарушению тайминга – временного согласования при групповой обработке цифровых сигналов. Результатом таких проблем может оказаться ошибочность передаваемой информации даже при сохранении допустимых форм сигналов. Для обеспечения тайминга анализируют задержки в линиях передачи и общесистемные задержки, расфазировку дифференциальных сигналов и джиттер фронтов [2].
Приведенный список можно дополнить возможными неисправностями интегральных компонентов, программными и технологическими ошибками. Из изложенного следует, что для выявления причин нарушения ЦС необходим продуманный и весьма глубокий анализ.
Методы поиска нарушений ЦС
Методы анализа целостности сигналов разделяются на расчетные [3, 4] и экспериментальные. Первые основаны на схемном моделировании цифрового устройства [5], причем взаимодействие проводников описывается взаимными емкостями и индуктивностями. Расчетные методы, реализованные в некоторых системах проектирования [4], имеют естественные ограничения, обусловленные используемыми упрощениями, аппроксимацией форм сигналов, а также количеством учитываемых при моделировании проводников. Поэтому основными по-прежнему остаются экспериментальные методы поиска нарушений ЦС.
Подавляющее большинство экспериментальных методов анализа ЦС относится к осциллографическим, поскольку они сразу дают возможность определить форму и характеристики конкретного сигнала. Спектральные методы [6] используют в случае поиска источников критичных помех для последующей корректировки топологии печатного узла.
Использование осциллографических методов предполагает наличие синхронизации между осциллографом и исследуемым сигналом. Для ее обеспечения обычно используют внутренние синхроимпульсы тестируемого цифрового устройства. С учетом случайного распределения бит в информационном потоке получают так называемые глазковые диаграммы (рис.1). Важно отметить, что глазковые диаграммы позволяют судить об общей деструкции сигнала на пути от источника к приемнику, вызванной потерями в линии. На них не будут видны кратковременные нестационарные процессы, которые могут нарушать ЦС. Кроме того, исследователь может судить лишь о вероятности захвата информационных единиц, поэтому такой метод анализа можно характеризовать как качественный. Так, для осциллограммы сигнала на рис.1б вероятность захвата каждого бита будет ниже, чем для осциллограммы на рис.1а. Влияние расфазировки сигналов дифференциальных пар оценивают аналогично путем одновременного анализа обоих сигналов.
В цифровой электронике введены правила анализа ЦС на основе глазковых диаграмм. В частности, показанное на рис.1 "дрожание" фронтов (джиттер) должно занимать не более 1% битового интервала, поскольку дальнейшее увеличение его доли во времени ведет к повышению вероятности ошибок. Расфазировка дифференциальных сигналов, усиливающаяся при их прохождении в линиях передачи, не должна приводить к ложным срабатываниям приемника.
Использование осциллографических методов способно наглядно показать дефекты единичного сигнала, если прибору хватает быстродействия для их захвата. Однако они не дают возможности выявить сбои при групповой (например, байтовой) обработке цифровых сигналов. Здесь оказывается полезным применение логических пробников, проверенное опытом отладки цифровых систем.
Анализ сигналов с использованием R&S RTO-B1
Логический пробник R&S RTO-B1 является опцией осциллографов серии R&S RTO, назначение которой – анализ смешанных сигналов [7]. Ее использование для обеспечения ЦС – только одно из возможных приложений. Пробник R&S RTO-B1 имеет 16 каналов, которые могут быть разделены пользователем на последовательные или параллельные шины для группового анализа сигналов. Устройство поддерживает режим синхронной и асинхронной работы шин, что снижает остроту проблемы синхронизации, неизбежно возникающей при использовании осциллографических методов анализа ЦС.
Источником запуска развертки может служить любой из каналов пробника либо один из осциллографических каналов, причем настройки триггера могут подбираться как автоматически, так и при участии пользователя. Можно применять специальные режимы запуска – по шаблону и по состоянию, что необходимо для углубленного анализа многих протоколов передачи данных. Курсорные измерения для данных, полученных со входов логического пробника, а также автоматические измерения амплитудно-временных характеристик сигналов позволяют существенно ускорить поиск нарушений ЦС. Математическое обеспечение опции дает возможность проводить автоматизированный анализ джиттера и глазковых диаграмм. Кроме того, можно выполнять быстрое преобразование Фурье (БПФ) после обработки данных, поступающих со входов пробника, что оказывается весьма полезным при поиске и анализе перекрестных помех.
Осциллограф RTO с опцией RTO-B1 дает возможность показывать цифровые сигналы шины в общепринятом логическом представлении, но с позиции поиска проблем ЦС более важны его альтернативные возможности. В частности, можно автоматически пересчитывать декодированные данные в различные форматы, например шестнадцатеричный, и отображать их в таком виде, – это позволяет существенно ускорить анализ протоколов. Также есть возможность отображения квазианалогового сигнала, восстановленного по передаваемой в шине информации путем цифроаналогового преобразования. Эта функция очень полезна при оценке расфазировки сигналов, которая проявляется в форме кратковременных импульсов на квазианалоговом сигнале при достаточном разрешении по горизонтали.
Поскольку процессы, способные привести к нарушению ЦС, могут быть нестационарными и быстротекущими, поиск аномальных отклонений в цифровых сигналах должен выполняться со скоростями, обеспечивающими их захват. В осциллографах серии R&S RTO можно регулировать длину записи или разрешающую способность по времени. Увеличение этих параметров приводит к повышению частоты дискретизации и снижению временного интервала между соседними регистрируемыми точками. В качестве интегрального параметра производительности при обработке данных для R&S RTO используется количество захватов в секунду, достигающее 200000 и более. Большинство логических пробников и осциллографов других производителей не обладают столь высокими показателями, а уменьшение этого параметра, например, при значительном повышении временного разрешения, способно привести к невозможности анализа отмеченных процессов в цифровых схемах.
Таким образом, логические пробники R&S RTO-B1 на базе осциллографов RTO обладают значительными возможностями для анализа целостности сигналов.
Примеры анализа целостности сигналов
При оценке возможности использования логического пробника R&S RTO-B1 для анализа ЦС можно использовать любые сигналы, гарантированно содержащие ошибки. Основное требование состоит в случайном, непериодическом характере появления таких ошибок, иначе задача их поиска становится тривиальной и легко решается классическими осциллографическими методами. В качестве источника цифровых сигналов использовался модуль R&S RT-ZB1, обеспечивающий формирование битовых последовательностей в уровнях транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).
Первый пример характеризует влияние количества захватов в единицу времени на выявление нестационарных процессов. В качестве исследуемых и образующих единую шину данных использовались сигналы с выходов TTL A, TTL B, TTL C (рис.2). Модуль R&S RT-ZB1 работал в режиме Basic Setup 64 Err/s, в котором в последовательности импульсов на выходах TTL B и TTL C с частотой 10 МГц вводятся 64 битовые ошибки в секунду, проявляющиеся как дополнительные импульсы с длительностью порядка 15 нс. Суммарная длительность ошибочных сигналов составляет порядка десяти периодов информационного сигнала за 1 с. Следовательно, вероятность битовой ошибки составляет 10–6. Сигнал TTL B для наглядности одновременно подавался на канал 1 осциллографа. Сигнал на выходе TTL A представлял собой последовательность прямоугольных импульсов без искажений.
Для анализа сигналов использовалась группа каналов пробника D0–D7, в которой были задействованы входы D0–D2. Источником синхронизации служил вход D0 пробника. Земляные входы используемых каналов логического пробника и канала 1 были соединены с необходимыми точками на плате для достижения согласования. Настройки отображения сигналов шины устанавливались автоматически.
Измерения проводились в двух режимах
с различным числом захватов в секунду. В первом режиме это число составляло 195 800, а во втором – 4 928 захватов в секунду, т.е. примерно в 40 раз меньше. Это было достигнуто повышением временного разрешения до 200 пс. Прочие настройки не менялись.
Результаты измерений показывают, что логическому пробнику и осциллографу, на базе которого он реализован, в первом режиме хватает быстродействия для обнаружения ошибок в сигналах каналов D1 и D2 (рис.3а). Измерения, проведенные во втором режиме (рис.3б), свидетельствуют о том, что введенные в цифровые сигналы TTL B и TTL C ошибки не обнаруживаются даже при длительном наблюдении. Таким образом, если логический пробник и осциллограф не обладают достаточным быстродействием, то анализ крат-
ковременных и редких дефектов цифровых сигналов становится практически невозможным.
Следующий пример иллюстрирует возможность использования восстановленного по состоянию параллельной шины квазианалогового сигнала для оценки синхронности цифровых сигналов.
Модуль R&S RT-ZB1 работал в режиме MSO (Mixed signal oscilloscope – осциллограф смешанных сигналов). С его выходов TTL A, TTL B, TTL C, TTL D снимались импульсы формы меандр с частотами 200, 100, 50 и 25 кГц соответственно и подавались на входы D0–D3 логического пробника (рис.4). Ошибки в цифровые сигналы не вводились. С выхода ARB SIG снимался сигнал, отражающий цикличность изменения информации на шине, образованной выходами TTL A, TTL B, TTL C, TTL D. Он подавался на канал 1 осциллографа. Земляные входы используемых каналов логического пробника и канала 1 были соедине-
ны с необходимыми точками на плате для достижения согласования. Настройки отображения сигналов шины устанавливались автоматически. Источником синхронизации служил вход D3.
Сигналы, поступающие на входы логического пробника, отображались различным образом – как декодированный сигнал шины в шестнадцатеричном формате (рис.5а) и как квазианалоговый сигнал, соответствующий цифро-
аналоговому преобразованию (рис.5б). На последнем рисунке в структуре квазианалогового сигнала видны импульсы, вызванные временной несинхронностью смены логических состояний на входах D0–D3.
Для определения взаимной задержки сигналов следует увеличить временное разрешение так, чтобы импульсы на квазианалоговом представлении состояния шины были четко видны. Как следует из рис.6а, в шине кратковременно возникает ситуация, когда между значениями 9h и Ah в течение 1 нс распределение бит в цифровом канале соответствует значению Bh. На квазианалоговом представлении состояния шины такое рассогласование отображается в форме импульса той же длительности (рис.6б).
Если цифровое устройство обладает достаточным быстродействием, то такое временное рассогласование вызовет ошибку обработки информации. Это классическая проблема тайминга, которая решается подбором длины линий передачи и режимов согласования, влияющих на задержку распространения сигналов.
Использование быстрого преобразования Фурье для квазианалогового сигнала позволяет получить его спектрограмму (рис.7). Ее можно использовать для оценки погрешностей цифроаналогового преобразования и его шумов, а также для поиска высокочастотных составляющих, вызванных несинхронностью сигналов в шине. На спектрограмме хорошо видны гармоники квазианалогового сигнала частотой 25 кГц. Их временные вариации, а также спектральные составляющие между гармониками обычно свидетельствуют о нарушении целостности сигналов.
Из представленных примеров видно, что основные нарушения ЦС могут быть выявлены с применением логических пробников, в частности R&S RTO-B1, если они обладают достаточным быстродействием и дополнительными функциями групповой обработки цифровых информационных сигналов.
Несомненно, что средства логического тестирования будут совершенствоваться и далее. Здесь можно прогнозировать достижение большего временного разрешения, в том числе за счет развития технологии параллельной оцифровки. Это позволит использовать такие измерительные средства для анализа сигналов в цифровых устройствах с высокими частотами тактирования. Следовательно, проблема анализа целостности сигналов при отладке этих устройств обретет качественное экспериментальное решение.
Литература
Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. – М.: ООО "Группа ИДТ", 2007.
Кечиев Л.Н., Шнейдер В.И. Современные проблемы обеспечения ЭМС и целостности сигналов электронных модулей быстродействующих цифровых электронных средств. – Технологии ЭМС, 2004, №4, с.50–59.
Алешин А.В., Кечиев Л.Н., Тумковский С.Р., Шевчук А.А. Расчет помех отражения в линиях связи быстродействующих цифровых устройств. Учебное пособие. – М.: МИЭМ, 2002.
Разевиг В.Д. Проектирование печатных плат в P-CAD 2001. – М.: СОЛОН-Пресс, 2004.
Алексеев О.В., Головков А.А., Пивоваров И.Ю. и др. Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств. Учебное пособие для вузов. Под ред. О.В.Алексеева – М.: Высшая школа, 2000.
Уильямс Т. ЭМС для разработчиков продукции. – М.: Технологии, 2003.
Осциллографы цифровые R&S RTO. Руководство по эксплуатации. – 2013.
Систему передачи сигналов в цифровом устройстве можно рассматривать как совокупность источника, линии передачи и приемника, физически реализованную на печатной плате. Линия передачи обычно организована в форме пары проводников, максимально сближенных для повышения помехоустойчивости и снижения потерь на излучение [1].
Целостность сигналов (ЦС) может нарушаться по ряду причин:
рассогласование линий передачи с источниками и приемниками сигналов, приводящее к появлению стоячих волн и искажению временной функции напряжения на входе приемника сигналов. Эта проблема особенно актуальна для КМОП-технологии. Она решается с помощью специальных согласующих нагрузок;
перекрестные помехи, обусловленные взаимодействием линий передачи (влияние малых емкостей и взаимных индуктивностей на высоких частотах). Основной способ их устранения заключается в правильном выборе типа и взаимного расположения линий передачи;
нелинейность нагрузок линий передачи, значительно ухудшающая условия согласования;
смещение потенциалов питающих шин (за счет их индуктивности) при протекании сквозных токов в выходных и внутренних каскадах микросхем. Оно способно настолько существенно изменять напряжения на выходах микросхем в статическом состоянии, что их нагрузка воспринимает такое колебание как изменение логического состояния. Смещение минимизируется при правильном проектировании питающих цепей;
неоптимальная структура платы, при которой существенно изменяется волновое сопротивление вдоль линий передачи;
рассогласование форм сигналов в дифференциальных парах, приводящее к ухудшению захвата текущего логического состояния.
Отдельно принято выделять проблемы, приводящие к нарушению тайминга – временного согласования при групповой обработке цифровых сигналов. Результатом таких проблем может оказаться ошибочность передаваемой информации даже при сохранении допустимых форм сигналов. Для обеспечения тайминга анализируют задержки в линиях передачи и общесистемные задержки, расфазировку дифференциальных сигналов и джиттер фронтов [2].
Приведенный список можно дополнить возможными неисправностями интегральных компонентов, программными и технологическими ошибками. Из изложенного следует, что для выявления причин нарушения ЦС необходим продуманный и весьма глубокий анализ.
Методы поиска нарушений ЦС
Методы анализа целостности сигналов разделяются на расчетные [3, 4] и экспериментальные. Первые основаны на схемном моделировании цифрового устройства [5], причем взаимодействие проводников описывается взаимными емкостями и индуктивностями. Расчетные методы, реализованные в некоторых системах проектирования [4], имеют естественные ограничения, обусловленные используемыми упрощениями, аппроксимацией форм сигналов, а также количеством учитываемых при моделировании проводников. Поэтому основными по-прежнему остаются экспериментальные методы поиска нарушений ЦС.
Подавляющее большинство экспериментальных методов анализа ЦС относится к осциллографическим, поскольку они сразу дают возможность определить форму и характеристики конкретного сигнала. Спектральные методы [6] используют в случае поиска источников критичных помех для последующей корректировки топологии печатного узла.
Использование осциллографических методов предполагает наличие синхронизации между осциллографом и исследуемым сигналом. Для ее обеспечения обычно используют внутренние синхроимпульсы тестируемого цифрового устройства. С учетом случайного распределения бит в информационном потоке получают так называемые глазковые диаграммы (рис.1). Важно отметить, что глазковые диаграммы позволяют судить об общей деструкции сигнала на пути от источника к приемнику, вызванной потерями в линии. На них не будут видны кратковременные нестационарные процессы, которые могут нарушать ЦС. Кроме того, исследователь может судить лишь о вероятности захвата информационных единиц, поэтому такой метод анализа можно характеризовать как качественный. Так, для осциллограммы сигнала на рис.1б вероятность захвата каждого бита будет ниже, чем для осциллограммы на рис.1а. Влияние расфазировки сигналов дифференциальных пар оценивают аналогично путем одновременного анализа обоих сигналов.
В цифровой электронике введены правила анализа ЦС на основе глазковых диаграмм. В частности, показанное на рис.1 "дрожание" фронтов (джиттер) должно занимать не более 1% битового интервала, поскольку дальнейшее увеличение его доли во времени ведет к повышению вероятности ошибок. Расфазировка дифференциальных сигналов, усиливающаяся при их прохождении в линиях передачи, не должна приводить к ложным срабатываниям приемника.
Использование осциллографических методов способно наглядно показать дефекты единичного сигнала, если прибору хватает быстродействия для их захвата. Однако они не дают возможности выявить сбои при групповой (например, байтовой) обработке цифровых сигналов. Здесь оказывается полезным применение логических пробников, проверенное опытом отладки цифровых систем.
Анализ сигналов с использованием R&S RTO-B1
Логический пробник R&S RTO-B1 является опцией осциллографов серии R&S RTO, назначение которой – анализ смешанных сигналов [7]. Ее использование для обеспечения ЦС – только одно из возможных приложений. Пробник R&S RTO-B1 имеет 16 каналов, которые могут быть разделены пользователем на последовательные или параллельные шины для группового анализа сигналов. Устройство поддерживает режим синхронной и асинхронной работы шин, что снижает остроту проблемы синхронизации, неизбежно возникающей при использовании осциллографических методов анализа ЦС.
Источником запуска развертки может служить любой из каналов пробника либо один из осциллографических каналов, причем настройки триггера могут подбираться как автоматически, так и при участии пользователя. Можно применять специальные режимы запуска – по шаблону и по состоянию, что необходимо для углубленного анализа многих протоколов передачи данных. Курсорные измерения для данных, полученных со входов логического пробника, а также автоматические измерения амплитудно-временных характеристик сигналов позволяют существенно ускорить поиск нарушений ЦС. Математическое обеспечение опции дает возможность проводить автоматизированный анализ джиттера и глазковых диаграмм. Кроме того, можно выполнять быстрое преобразование Фурье (БПФ) после обработки данных, поступающих со входов пробника, что оказывается весьма полезным при поиске и анализе перекрестных помех.
Осциллограф RTO с опцией RTO-B1 дает возможность показывать цифровые сигналы шины в общепринятом логическом представлении, но с позиции поиска проблем ЦС более важны его альтернативные возможности. В частности, можно автоматически пересчитывать декодированные данные в различные форматы, например шестнадцатеричный, и отображать их в таком виде, – это позволяет существенно ускорить анализ протоколов. Также есть возможность отображения квазианалогового сигнала, восстановленного по передаваемой в шине информации путем цифроаналогового преобразования. Эта функция очень полезна при оценке расфазировки сигналов, которая проявляется в форме кратковременных импульсов на квазианалоговом сигнале при достаточном разрешении по горизонтали.
Поскольку процессы, способные привести к нарушению ЦС, могут быть нестационарными и быстротекущими, поиск аномальных отклонений в цифровых сигналах должен выполняться со скоростями, обеспечивающими их захват. В осциллографах серии R&S RTO можно регулировать длину записи или разрешающую способность по времени. Увеличение этих параметров приводит к повышению частоты дискретизации и снижению временного интервала между соседними регистрируемыми точками. В качестве интегрального параметра производительности при обработке данных для R&S RTO используется количество захватов в секунду, достигающее 200000 и более. Большинство логических пробников и осциллографов других производителей не обладают столь высокими показателями, а уменьшение этого параметра, например, при значительном повышении временного разрешения, способно привести к невозможности анализа отмеченных процессов в цифровых схемах.
Таким образом, логические пробники R&S RTO-B1 на базе осциллографов RTO обладают значительными возможностями для анализа целостности сигналов.
Примеры анализа целостности сигналов
При оценке возможности использования логического пробника R&S RTO-B1 для анализа ЦС можно использовать любые сигналы, гарантированно содержащие ошибки. Основное требование состоит в случайном, непериодическом характере появления таких ошибок, иначе задача их поиска становится тривиальной и легко решается классическими осциллографическими методами. В качестве источника цифровых сигналов использовался модуль R&S RT-ZB1, обеспечивающий формирование битовых последовательностей в уровнях транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).
Первый пример характеризует влияние количества захватов в единицу времени на выявление нестационарных процессов. В качестве исследуемых и образующих единую шину данных использовались сигналы с выходов TTL A, TTL B, TTL C (рис.2). Модуль R&S RT-ZB1 работал в режиме Basic Setup 64 Err/s, в котором в последовательности импульсов на выходах TTL B и TTL C с частотой 10 МГц вводятся 64 битовые ошибки в секунду, проявляющиеся как дополнительные импульсы с длительностью порядка 15 нс. Суммарная длительность ошибочных сигналов составляет порядка десяти периодов информационного сигнала за 1 с. Следовательно, вероятность битовой ошибки составляет 10–6. Сигнал TTL B для наглядности одновременно подавался на канал 1 осциллографа. Сигнал на выходе TTL A представлял собой последовательность прямоугольных импульсов без искажений.
Для анализа сигналов использовалась группа каналов пробника D0–D7, в которой были задействованы входы D0–D2. Источником синхронизации служил вход D0 пробника. Земляные входы используемых каналов логического пробника и канала 1 были соединены с необходимыми точками на плате для достижения согласования. Настройки отображения сигналов шины устанавливались автоматически.
Измерения проводились в двух режимах
с различным числом захватов в секунду. В первом режиме это число составляло 195 800, а во втором – 4 928 захватов в секунду, т.е. примерно в 40 раз меньше. Это было достигнуто повышением временного разрешения до 200 пс. Прочие настройки не менялись.
Результаты измерений показывают, что логическому пробнику и осциллографу, на базе которого он реализован, в первом режиме хватает быстродействия для обнаружения ошибок в сигналах каналов D1 и D2 (рис.3а). Измерения, проведенные во втором режиме (рис.3б), свидетельствуют о том, что введенные в цифровые сигналы TTL B и TTL C ошибки не обнаруживаются даже при длительном наблюдении. Таким образом, если логический пробник и осциллограф не обладают достаточным быстродействием, то анализ крат-
ковременных и редких дефектов цифровых сигналов становится практически невозможным.
Следующий пример иллюстрирует возможность использования восстановленного по состоянию параллельной шины квазианалогового сигнала для оценки синхронности цифровых сигналов.
Модуль R&S RT-ZB1 работал в режиме MSO (Mixed signal oscilloscope – осциллограф смешанных сигналов). С его выходов TTL A, TTL B, TTL C, TTL D снимались импульсы формы меандр с частотами 200, 100, 50 и 25 кГц соответственно и подавались на входы D0–D3 логического пробника (рис.4). Ошибки в цифровые сигналы не вводились. С выхода ARB SIG снимался сигнал, отражающий цикличность изменения информации на шине, образованной выходами TTL A, TTL B, TTL C, TTL D. Он подавался на канал 1 осциллографа. Земляные входы используемых каналов логического пробника и канала 1 были соедине-
ны с необходимыми точками на плате для достижения согласования. Настройки отображения сигналов шины устанавливались автоматически. Источником синхронизации служил вход D3.
Сигналы, поступающие на входы логического пробника, отображались различным образом – как декодированный сигнал шины в шестнадцатеричном формате (рис.5а) и как квазианалоговый сигнал, соответствующий цифро-
аналоговому преобразованию (рис.5б). На последнем рисунке в структуре квазианалогового сигнала видны импульсы, вызванные временной несинхронностью смены логических состояний на входах D0–D3.
Для определения взаимной задержки сигналов следует увеличить временное разрешение так, чтобы импульсы на квазианалоговом представлении состояния шины были четко видны. Как следует из рис.6а, в шине кратковременно возникает ситуация, когда между значениями 9h и Ah в течение 1 нс распределение бит в цифровом канале соответствует значению Bh. На квазианалоговом представлении состояния шины такое рассогласование отображается в форме импульса той же длительности (рис.6б).
Если цифровое устройство обладает достаточным быстродействием, то такое временное рассогласование вызовет ошибку обработки информации. Это классическая проблема тайминга, которая решается подбором длины линий передачи и режимов согласования, влияющих на задержку распространения сигналов.
Использование быстрого преобразования Фурье для квазианалогового сигнала позволяет получить его спектрограмму (рис.7). Ее можно использовать для оценки погрешностей цифроаналогового преобразования и его шумов, а также для поиска высокочастотных составляющих, вызванных несинхронностью сигналов в шине. На спектрограмме хорошо видны гармоники квазианалогового сигнала частотой 25 кГц. Их временные вариации, а также спектральные составляющие между гармониками обычно свидетельствуют о нарушении целостности сигналов.
Из представленных примеров видно, что основные нарушения ЦС могут быть выявлены с применением логических пробников, в частности R&S RTO-B1, если они обладают достаточным быстродействием и дополнительными функциями групповой обработки цифровых информационных сигналов.
Несомненно, что средства логического тестирования будут совершенствоваться и далее. Здесь можно прогнозировать достижение большего временного разрешения, в том числе за счет развития технологии параллельной оцифровки. Это позволит использовать такие измерительные средства для анализа сигналов в цифровых устройствах с высокими частотами тактирования. Следовательно, проблема анализа целостности сигналов при отладке этих устройств обретет качественное экспериментальное решение.
Литература
Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. – М.: ООО "Группа ИДТ", 2007.
Кечиев Л.Н., Шнейдер В.И. Современные проблемы обеспечения ЭМС и целостности сигналов электронных модулей быстродействующих цифровых электронных средств. – Технологии ЭМС, 2004, №4, с.50–59.
Алешин А.В., Кечиев Л.Н., Тумковский С.Р., Шевчук А.А. Расчет помех отражения в линиях связи быстродействующих цифровых устройств. Учебное пособие. – М.: МИЭМ, 2002.
Разевиг В.Д. Проектирование печатных плат в P-CAD 2001. – М.: СОЛОН-Пресс, 2004.
Алексеев О.В., Головков А.А., Пивоваров И.Ю. и др. Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств. Учебное пособие для вузов. Под ред. О.В.Алексеева – М.: Высшая школа, 2000.
Уильямс Т. ЭМС для разработчиков продукции. – М.: Технологии, 2003.
Осциллографы цифровые R&S RTO. Руководство по эксплуатации. – 2013.
Отзывы читателей
