CC BY
79Тревор Смит (Trevor Smith)
Асинхронный и синхронный методы регистрации
Существует два основных метода регистрации цифровых сигналов. Первый метод — асинхронный, при котором осциллограф делает выборки цифрового сигнала через равные промежутки времени, определяемые его частотой дискретизации. В момент каждой выборки осциллограф сохраняет логическое состояние сигнала и создает его временную диаграмму.
Второй метод — синхронный. При таком методе задаются особые моменты времени, в которые логическое состояние сигнала достоверно и стабильно. Это характерно для синхронных и тактируемых цифровых схем. Моменты времени, когда сигнал имеет достоверное состояние, определяются тактовым сигналом. Например, интервал ста-
Рис. 1. Декодированные данные отображаются в таблице событий аналогичной экрану синхронного режима логического анализатора
Отладка цифровых схем
с использованием осциллографа смешанных сигналов
С ростом быстродействия и сложности электронных устройств их становится все труднее проектировать, проверять и отлаживать. В обязанности инженеров-разработчиков входит всесторонняя проверка создаваемых конструкций, необходимая для обеспечения надежной работы изделий. Если возникают какие-либо неполадки, то для устранения нужно знать причины их возникновения. Большинство неисправностей в цифровых схемах выявляются быстрее, если анализировать аналоговое и цифровое представление сигнала, поэтому идеальным прибором для проверки и отладки цифровых систем является осциллограф смешанного сигнала. Осциллографы смешанного сигнала представляют собой классический аналоговый осциллограф с базовыми функциями логического анализатора, в число которых обычно входят декодирование и возможность запуска по сигналам различных протоколов параллельных и последовательных шин передачи данных.
бильности входного сигнала для D-триггера, тактируемого передним фронтом импульса, находится в окрестности этого фронта. Поскольку период тактового сигнала синхронной системы не обязательно фиксирован, промежутки времени между выборками в синхронном режиме могут быть неодинаковыми, в отличие от асинхронного режима.
Принцип регистрации в цифровых каналах осциллографа смешанного сигнала аналогичен тому, который используется логическим анализатором в асинхронном режиме. Полученные асинхронные выборки сигнала осциллограф декодирует в тактированное представление сигнала на шине и таблицу событий (рис. 1), которые аналогичны экрану синхронного режима логического анализатора.
Отображение сигнальных кривых
Цифровое представление сигнала похоже на аналоговое, с тем отличием, что отображаются только два логических уровня — высокий и низкий. Цель анализа цифровых сигналов — определение логических уровней в конкретные моменты времени и измерение интервалов времени между фронтами одного или нескольких сигналов. Для облегчения анализа предусмотрена возможность группировки нескольких цифровых сигналов в шину. Осциллограф смешанного сигнала декодирует состояния такой шины и позволяет просматривать их в двоичном или шестнадцатеричном коде.
Подготовка к регистрации цифровых сигналов
Для подготовки осциллографа смешанного сигнала к регистрации данных необходимо, прежде всего, установить надлежащие логические пороги на цифровых каналах. Затем нужно скомпенсировать расфазировку каналов для обеспечения точного временного согласования между аналоговыми и цифровыми каналами.
В большинстве осциллографов смешанного сигнала предусмотрена регулируемая компенсация расфазировки аналоговых щупов для согласования аналоговых каналов по времени друг с другом и с цифровыми каналами (рис. 2).
Рассмотрим два примера проверки систем с использованием осциллографа смешанного сигнала.
Рис. 2. Совмещение временной развертки аналогового и цифрового каналов
Запуск по случайным событиям
В качестве первого примера рассмотрим проверку пакетного TTL-сигнала, содержащего восемь положительных импульсов, как показано на рис. 3. Номинальная длительность положительного импульса составляет от 23,2 до 25 нс, а интервал следования импульсов — от 26 до 27 нс. Интервал между пакетами не задан.
Пакетный сигнал подается на цифровой канал осциллографа смешанного сигнала. Установлен порог, соответствующий TTL-логике, а запуск производится по переднему фронту импульса. В целях ускорения процесса проверки осциллограф настроен для автоматического изменения длительности положительных и отрицательных импульсов между курсорами.
На рис. 4 показан результат однократного захвата сигнала с запуском осциллографа по фронту первого импульса.
Р5) +\У1<ИИ Ш0 -\Vidth
\/а1и« Меап 23.8811$ 23.87ГІ
26.18т 26.17П
Міп Мах 0«у
23.76П 24.ООП 53.62р
26.06П 26.30П 65.31 р
Рис. 5. Данные статистической обработки результатов измерения длительности положительных и отрицательных импульсов в пакетном TTL-сигнале
Неопределенное время между импульсами
Рис. 3. Пакетный TTL-сигнал: интервал времени между пакетами не определен
Рис. 4. Пакетный TTL-сигнал
Записанный сигнал содержит восемь импульсов, фактические параметры которых соответствуют номинальным. Длительность первого положительного импульса составляет 23,88 нс, а отрицательного — 26,18 нс; эти длительности измеряются автоматически. Указанные значения находятся в номинальных пределах. Далее курсоры можно совместно перемещать вправо по сигнальной кривой, проверяя тем самым длительность каждого последующего положительного и отрицательного импульса.
Более обстоятельно проверить длительность импульсов можно, переведя осциллограф из однократного режима регистрации в непрерывный. Статистические данные по длительности импульсов (среднее значение, минимум, максимум и среднеквадратичное отклонение) накапливаются по результатам многократной регистрации.
Данные статистической обработки результатов измерений, приведенные на рис. 5, пока-
зывают, что минимальное значение длительности положительного импульса составляет 23,76 нс, а максимальное — 24 нс, что находится в номинальных пределах. Длительности отрицательных импульсов также оказываются в норме, так что проверка пакетного TTL-сигнала проходит благополучно.
Однако данный метод зависит от того, какие именно участки непрерывного сигнала регистрируются и анализируются. Более совершенный и надежный метод предусматривает запуск осциллографа только по импульсам с длительностью, отличной от номинальной (то есть меньшей 23,2 нс). Чтобы после запуска осциллограф останавливался, используется однократный режим регистрации. Это позволяет проанализировать аномальный импульс.
На рис. 6 осциллограф смешанного сигнала запустился по аномальному положительному импульсу, длительность которого составила менее 23,2 нс. Здесь зафиксированы две аномалии: во-первых, длительность седьмого импульса равняется всего 3,636 нс, что меньше минимальной номинальной длительности (23,2 нс), а во-вторых, отсутствует восьмой импульс. Это пример использования системы запуска осциллографа для поиска аномальных цифровых сигналов.
Наблюдение полной картины путем регистрации аналоговых и цифровых сигналов
В следующем примере (рис. 7) проверим два сигнала низковольтной положительной эмиттерно-связанной логики (LVPECL). Сигнал «0» представляет собой меандр с периодом около 50 нс, сигнал «1» — меандр с периодом около 90 нс. Сигналы никак не связаны между собой во времени.
2,4 В
Сигнал 0
Рис. 7. Два сигнала низковольтной положительной ЭСЛ: сигнал «0» с периодом 50 нс и сигнал «1» с периодом 90 нс
Для проверки этих сигналов используется тот же метод, что и в предыдущем примере. В целях поиска аномальных сигналов осциллограф смешанного сигнала настраивается для запуска по импульсу с длительностью менее 22,4 нс. На рис. 8 осциллограф запустился по паразитному импульсу длительностью 727,3 пс в сигнале «0».
Важной характеристикой осциллографа смешанных сигналов является разрешающая способность по времени при регистрации цифровых сигналов. Например, при частоте дискретизации 500 МГц разрешающая способность по времени составляет 2 нс. Чем выше разрешающая способность по времени, тем меньше неопределенность фронта сигнала и тем более быстрые изменения сигнала можно регистрировать.
Рис. 6. Запуск осциллографа по аномальному положительному импульсу с длительностью 3,636 нс
Причина возникновения этой аномалии — конструктивный недостаток. Сигнал, управляющий стробированием импульсов, вырабатывался асинхронно, и время от времени длительность строба менялась. В результате этого периодически обрезался седьмой импульс и полностью подавлялся восьмой.
Метод запуска по аномалиям обеспечивает возможность скрупулезной проверки конструкции, позволяя осуществлять мониторинг сигнала в течение длительных периодов времени.
Рис. 8. Запуск осциллографа по паразитному импульсу длительностью 727,3 пс в сигнале «0»
Рис. 9. Перекрестные помехи на фронтах между двумя сигналами низковольтной положительной ЭСЛ, вызывающие возникновение паразитных импульсов
В осциллографах ТеЙтошх серий MSO4000 и MSO3000 регистрация цифровых сигналов производится одновременно двумя методами. Первый метод имеетразрешающую способность по времени до 2 нс и большую длину записи. Второй метод, называемый MagniVu, имеет разрешающую способность по времени до 60,6 пс и длину записи 10 000 точек; область записи располагается центрально-симметрично относительно момента запуска. В осциллографах серии MSO3000 разрешающая способность MagniVu по времени равна 121,2 пс.
На рис. 8 паразитный импульс в сигнале «0» совпадает по времени с фронтом сигнала «1». Возможно, имеют место перекрестные помехи, но для того, чтобы в этом убедиться, необходима дополнительная информация.
Два рассматриваемых цифровых сигнала подаются на два аналоговых канала осциллографа смешанного сигнала, настроенного для поиска аномальных импульсов. На этот раз осциллограф запускается по паразитному импульсу длительностью 1,091 нс и отображает аналоговое представление обоих сигналов, как показано на рис. 9. Аналоговые паразитные импульсы наблюдаются одновременно с фронтами другого сигнала.
Амплитуда большинства этих аналоговых паразитных импульсов ниже логического порога низковольтной положительной ЭСЛ, но некоторые из них пересекают данный порог и отображаются как логические ошибки: например, паразитный импульс в сигнале «1», видимый в левой части экрана.
За счет одновременной регистрации цифровых и аналоговых форм сигнала и совместного их отображения осциллограф смешанного сигнала позволяет анализировать целостность цифровых сигналов. Причиной возникновения паразитных импульсов в данном примере являются перекрестные навод-
ки на фронтах между двумя сигналами низковольтной положительной ЭСЛ. Фронты импульсов в этих сигналах круче и резче, чем спады, поэтому и перекрестные помехи на них оказываются значительно сильнее. Признаков перекрестных помех на спадах в данном случае не наблюдается.
Заключение
Последнее поколение осциллографов смешанного сигнала имеет обширный набор инструментов, в том числе мощную систему запуска, возможность регистрации сигнала с высоким разрешением и встроенные средства анализа. Все это является бесценным подспорьем для проектировщиков, которым приходится проверять сложное взаимодействие цифровых и аналоговых цепей, а также программного обеспечения в своих конструкциях. Эти приборы существенно ускоряют процесс проверки и отладки цифровых схем. ■
Литература
1. Смит Т. Отладка встроенных систем с помощью осциллографа смешанных сигналов //
Компоненты и технологии. 2009. № 4.
