Логический пробник R&S RTO-B1 для анализа целостности сигналов в цифровых устройствах

В статье рассматриваются перспективы использования логических пробников с групповой обработкой сигналов для решения проблем целостности сигналов в быстродействующих цифровых устройствах.

Обсуждаются причины нарушений целостности сигналов и осциллогра-фический метод их обнаружения. Показана необходимость использования групповой обработки сигналов. Приведены примеры анализа цифровых сигналов с использованием логического пробника R&S RTO-B1 для обнаружения проблем их целостности.

ВВЕДЕНИЕ
Развитие радиоэлектроники и компонентной базы, продиктованное достижениями науки и технологической сферы, позволило улучшить функциональность и повысить мобильность электронных устройств. На сегодняшний день цифровые устройства представляют собой наиболее широкий класс в электронике. Они характеризуются хорошо отработанными методиками проектирования и значительной номенклатурой используемых электронных компонентов.

Широко распространенные цифровые устройства проектируются и выводятся на рынок в условиях свободной конкуренции. Это приводит к необходимости оптимизации процесса проектирования, состоящей в сокращении его стоимости, и строгой выдержке поставленных сроков. Для их соблюдения необходимо, чтобы все этапы проектирования заканчивались в установленное время. Отладка экспериментального образца может занимать до 30% от проектирования и стоить немалых денег, поэтому возникающие на данном этапе проблемы следует решать оперативно и качественно.

Отладку аппаратной части цифровых устройств разработчики выделяют в отдельный этап. Повышение рабочих частот приводит к проявлению новых электрофизических эффектов в конструкции и схемной части аппаратуры. Они приводят к изменению форм импульсных сигналов, являющихся физической основой передачи информации.

Ошибки, допущенные при проектировании или производстве быстродействующих печатных узлов, часто оказываются критичными с точки зрения их работоспособности. Компоненты таких узлов обычно функционируют в частотно-временных режимах, близких к предельным, поэтому даже небольшие изменения формы цифровых сигналов могут нарушать захват логических состояний.

В связи с этим в радиоэлектронике введено понятие целостности сигналов (ЦС), включающее в себя вопросы и методы обеспечения форм цифровых сигналов, которые гарантируют нормальную передачу данных во всех режимах работы конкретного устройства.

Наиболее часто нарушения ЦС оказываются связанными с энергетикой и спектральными составляющими сигналов. Расчетные методы анализа, обычно предполагающие построение достаточно простых моделей, не учитывают все существенные факторы, влияющие на целостность сигналов. Это подчеркивает и повышает ценность экспериментальных исследований.

Вопросы целостности сигналов близки к проблеме тайминга, заключающейся в необходимости обеспечения временного согласования совместно обрабатываемых цифровых сигналов. Как правило, цифровые устройства реализуют групповую обработку битов, поэтому использование осциллографи-ческих методов поиска нарушений ЦС значительно сужает круг потенциально решаемых задач. Перспективным методом исследований в области целостности сигналов является совмещение осциллографического и логического анализа, реализуемое, например, в осциллографах серии RTO фирмы R&S.

ПРИЧИНЫ НАРУШЕНИЯ ЦС В ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВАХ
Систему передачи каждого сигнала можно рассматривать как совокупность источника, линии передачи и приемника, физически реализованную на печатной плате. Линия передачи, как правило, организована в форме парных проводников, максимально сближенных для повышения помехоустойчивости и снижения потерь на излучение.

В общем случае считается, что для сохранения информационной составляющей цифровых сигналов полоса пропускания линии передачи должна быть не менее чем в пять раз шире частоты следования битов. Ограничение полосы пропускания печатных линий передачи обычно связано с повышением потерь в используемых материалах, поэтому одним из основных правил конструирования печатных плат является использование материалов с подходящими электрофизическими свойствами. Ниже перечислены основные причины нарушения ЦС.

Логический пробник R&S RTO-B1

1) Рассогласование линий передачи с источниками и приемниками сигналов, приводящее к появлению стоячих волн с искаженной временной функцией напряжения на входе приемника сигналов. Эта проблема, которая особенно актуальна для КМОП-технологии, решается с помощью специальных согласующих нагрузок.

2) Перекрестные помехи, обусловленные реактивной и эфирной связью между линиями передачи. Эти помехи возникают из-за влияния малых емкостей и взаимных индуктивностей на высоких частотах. Основной способ их устранения заключается в правильном выборе типа и взаимного расположения линий передачи.

3) Нелинейность нагрузок линий передачи, значительно ухудшающая условия согласования.

4) Смещение потенциалов питающих шин за счет их индуктивности при протекании сквозных токов в выходных и внутренних каскадах микросхем. Оно способно настолько значительно изменять напряжения на выходах микросхем в статическом состоянии, что их нагрузка воспринимает такое колебание как изменение логического состояния. Уменьшение этого смещения достигается правильным проектированием питающих цепей.

5) Ошибочная структура слоев трассировки, при которой существенно изменяется значение волнового сопротивления вдоль линий передачи.

6) 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. Переносимая информация может оказаться ошибочной даже при сохранении допустимых форм сигналов. Для обеспечения тайминга анализируются задержки в линиях передачи и общесистемные задержки, расфазировка дифференциальных сигналов и джиттер фронтов.

Для каждой из упомянутых причин нарушения ЦС имеются свои хорошо отработанные методы устранения. Поэтому основным вопросом является сопоставление результатов тестирования экспериментального образца потенциальным причинам нарушения ЦС, причем их оказывается довольно много. Приведенное выше перечисление дополняется возможными неисправностями интегральных компонентов, программными и технологическими ошибками. Таким образом, следует, что без продуманного и весьма глубокого анализа проблемы, связанные с нарушением ЦС, могут оказаться невыявленными в ходе отладки экспериментального образца, либо на это будет затрачено недопустимое время.

ПОИСК НАРУШЕНИЙ ЦС В ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВАХ
Применяемые для анализа целостности сигналов методы разделяются на расчетные и экспериментальные. Первые из них основаны на схемном моделировании цифрового устройства, причем взаимодействие проводников описывается емкостями и взаимными индуктивностями. Расчетные методы, реализованные в некоторых системах автоматизации проектирования, имеют естественные ограничения, которые обусловлены используемыми упрощениями, аппроксимацией форм сигналов, а также количеством учитываемых при моделировании проводников. Поэтому основными по-прежнему остаются экспериментальные методы поиска нарушений ЦС.

Среди экспериментальных методов анализа ЦС подавляющее большинство относится к осциллографическим, поскольку они сразу дают возможность определить форму и характеристики конкретного сигнала. Спектральные методы используются в случае поиска источников критичных помех для последующей корректировки топологии печатного узла.

Применение осциллографических методов предполагает наличие синхронизации между осциллографом и исследуемым сигналом. Для ее обеспечения, как правило, используются внутренние синхроимпульсы тестируемого цифрового устройства. С учетом случайного распределения битов в информационном потоке получают осциллограммы. Это т.н. глазковые диаграммы.

Следует заметить, что глазковые диаграммы позволяют судить об общей деструкции сигнала на пути от источника к приемнику, вызванной потерями в линии. На ней не видны кратковременные нестационарные процессы, которые могут нарушать ЦС. Кроме того, исследователь может судить лишь о вероятности захвата информационных единиц, поэтому такой метод анализа характеризуется как качественный.

Логический пробник R&S RTO-B1Ясно, что для осциллограммы сигнала на рисунке 1б вероятность захвата каждого бита ниже, чем в первом случае. Влияние расфазировки сигналов дифференциальных пар оценивается аналогично с одновременным анализом обоих сигналов.

В цифровой электронике введены правила по анализу ЦС на основе глаз-ковых диаграмм. В частности, «дрожание» фронтов (джиттер) должно занимать 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 осциллографиче-ских методов способно наглядно показать дефекты единичного сигнала, если прибору хватает быстродействия для их захвата. Однако они не позволяют выявить сбои при групповой (например, байтовой) обработке цифровых сигналов. В этом случае и оказывается полезным использование логических пробников, проверенное опытом отладки цифровых систем.

АНАЛИЗ СИГНАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ЛОГИЧЕСКОГО ПРОБНИКА R&S RTO-B1
Логический пробник R&S RTO-B1 представляет собой опцию для осциллографов серии R&S RTO, назначением которой является анализ смешанных сигналов. Использование этого пробника для обеспечения ЦС является только одним из возможных приложений. Пробник R&S RTO-B1 имеет 16 каналов, которые пользователь может разделить на последовательные или параллельные шины для группового анализа сигналов. Устройство поддерживает режим синхронной и асинхронной работы шин, что снижает остроту проблемы синхронизации, неизбежно возникающую при использовании осциллографических методов анализа ЦС.

Источником запуска развертки служит любой из каналов пробника либо один из осциллографических каналов, причем настройки триггера подбираются как автоматически, так и с участием пользователя. Допускается использование специальных режимов 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 обеспечивает автоматизированный анализ джиттера и глазковых диаграмм. Кроме того, имеется возможность осуществлять быстрое преобразование Фурье после обработки данных, поступающих с входов пробника, что оказывается весьма полезным при поиске и анализе перекрестных помех.

Пробник R&S RTO-B1 позволяет отображать цифровые сигналы шины в общепринятом логическом представлении, но с позиции поиска проблем ЦС более важными являются альтернативные возможности. В частности, отображение декодированного состояния шины позволяет существенно ускорить анализ протоколов за счет автоматического пересчета данных в требуемый формат, например, широко используемого шестнадцатеричного исчисления. Также имеется возможность для отображения квазианалогового сигнала, восстановленного по передаваемой в шине информации путем цифро-аналогового преобразования. Эта функция оказалась исключительно полезной при оценке расфазировки сигналов, которая отображается в форме кратковременных импульсов на квазианало-говом сигнале при достаточном разрешении по горизонтали.

Выше отмечалось, что процессы, способные привести к нарушению ЦС, могут быть нестационарными и быстротекущими. По этой причине поиск аномальных отклонений в цифровых сигналах должен выполняться со скоростью, обеспечивающей их захват. В осциллографах серии R&S RTO имеется возможность регулировать длину записи или разрешающую способность по времени. Увеличение этих параметров приводит к повышению частоты дискретизации и сокращению временного интервала между соседними регистрируемыми точками. В качестве интегрального параметра производительности при обработке данных для R&S RTO используется количество захватов в секунду, достигающее 200 000 и более. Большинство логических пробников и осциллографов других производителей не обладает столь высокими показателями, а уменьшение этого параметра, например, при значительном повышении временного разрешения, способно сделать невозможным анализ отмеченных процессов в цифровых схемах.

Таким образом, логические пробники R&S RTO-B1 на базе осциллографов R&S RTO обладают значительными возможностями для расширенного анализа, что позволяет существенно повысить эффективность решения задач, связанных с обеспечением целостности сигналов, и упростить процесс отладки цифровых устройств.

ПРИМЕРЫ АНАЛИЗА ЦС С ПОМОЩЬЮ R&S RTO-B1
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. Схема измерительной установки и ее фотография приведены на рисунке 2. В качестве исследуемых и образующих единую шину данных использовались сигналы с выходов TTL A, TTL B, TTL C. 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 вводится 64 битовые ошибки в секунду, проявляющиеся как дополнительные импульсы с длительностью порядка 15 нс. Суммарная длительность ошибочных сигналов составляет порядка 10 периодов информационного сигнала за 1 с. Следовательно, временная 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.

На практике для синхронизации пробника могут использоваться внутренние импульсы тактирования цифрового устройства. Альтернативным вариантом является синхронизация по логическому условию для цифровых каналов либо на параллельной шине, а при необходимости — применение режимов, предусмотренных для несинхронной передачи данных. Если сигнал синхронизации также имеет дефекты, то использование дополнительных условий по длительности и амплитуде позволяет избежать ложных запусков развертки и стабилизировать отображаемые на экране сигналы каналов логического пробника.

Результаты измерений приведены на рисунках 3а и б. Первый из них получен для режима, реализующего 195800 захватов в секунду. Четко видно, что логическому пробнику и осциллографу, на базе которого он реализован, хватает быстродействия для обнаружения ошибок в сигналах каналов D1 и D2. Следует заметить, что для сигналов, полученных с входов логического пробника, имеется возможность выполнять курсорные измерения амплитудных и временных характеристик, что значительно упрощает поиск причин нарушения ЦС. Например, при программных ошибках это позволяет уверенно определить их источник, в т.ч. с помощью средств логического моделирования.

На рисунке показаны аналогичные результаты измерений в режиме, когда реализуется 4928 захватов в секунду, т.е. данный показатель уменьшен примерно в 40 раз. Это достигается повышением временного разрешения до 200 пс. Прочие настройки не менялись. Представленный результат свидетельствует о том, что введенные ошибки в цифровые сигналы TTL B и TTL C в данном случае не обнаруживаются даже при длительном наблюдении. Таким образом, если логический пробник и осциллограф не обладают достаточным быстродействием, то анализ кратковременных и редких дефектов цифровых сигналов становится практически невозможным. В этом смысле осциллографы серии R&S RTO с логическим пробником R&S RTO-B1 обладают существенным преимуществом перед многими другими аналогичными средствами измерений.

Логический пробник R&S RTO-B1Следующий 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. С его выходов TTL A, TTL B, TTL C, TTL D снимались импульсы в форме меандра с частотами 200; 100; 50 и 25 кГц, соответственно, и подавались на входы D0-D3 логического пробника. 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 соединены с необходимыми точками на плате для согласования. Настройки отображения сигналов шины устанавливались автоматически. Источником синхронизации служил вход D3.

На рисунке 5 показаны альтернативные режимы отображения сигналов, поступающих на входы логического пробника. На рисунке 5а приведен декодированный сигнал шины в шестнадцатеричном формате, на рисунке 5б — квазианалоговый сигнал, соответствующий цифроаналоговому преобразованию. 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. В шине кратковременно возникает ситуация, когда между значениями 9h и Ah в течение 1 нс распределение битов в цифровом канале соответствует значению Bh. На квазианалоговом представлении состояния шины такое рассогласование отображается в форме импульса той же длительности.

Если цифровое устройство обладает достаточным быстродействием, то такое временное рассогласование вызовет ошибку обработки информации. Эта классическая проблема тайминга решается подбором длины линий передачи и режимов согласования, влияющих на задержку распространения сигналов.

Использование быстрого преобразования Фурье для квазианалогового сигнала, восстановленного по состоянию исследуемой шины, позволяет получить его спектрограмму для оценки погрешностей цифроаналогового преобразования и его шумов, для поиска высокочастотных составляющих, вызванных несинхронностью сигналов в шине, и других измерений. Пример получения такой спектрограммы представлен на рисунке 7: полоса разрешения составила 2 кГц, полоса обзора — 200 кГц. На спектрограмме хорошо видны гармоники квазианалогового сигнала с 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Несомненно, что средства логического тестирования будут совершенствоваться и далее. Ожидается дальнейшее увеличение временного разрешения, в т.ч. за счет развития технологии параллельной оцифровки. Это позволит использовать такие измерительные средства для анализа сигналов в цифровых устройствах с частотами тактирования, близкими к физическим пределам для исследуемого типа логики. Следовательно, проблема анализа целостности сигналов при отладке таких устройств обретет качественное экспериментальное решение.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
TRIAL NEWS