Testování kabelů a PCB

High Speed Serial Buses – HSSB představují jeden z trendů posledních let. Zvyšující se rychlosti signálů při neustálém snižování jejich napěťové úrovně, diferenciální signály jsou na špičce technologického pelotonu a zvyšují požadavky na používané technologie, systematičnost při návrhu a testování. Zatímco HDMI si vystačí s přenosovou rychlostí 2,25 Gb/s, nejnovějsí S-ATA sběrnice třetí generace již pracuje s 6 Gb/s a stejně tak se zrychluje i komunikace procesorů s pamětí. Pokud je vyřešen vlastní vysílač a přijímač signálu, stále více se musí uvažovat o samotné cestě, po které se signál mezi zařízeními šíří. Nesymetrie signálových cest, impedanční nepřesnosti, různá rychlost šíření signálu pro jednotlivé složky spektra signálu a přeslechy dokážou narušit cestu vývoje i produkce. Osobně jsem se například účastnil testování desek dodávaných externí firmou pro finální osazení v mateřském závodě a při testování cest pro propojení procesoru s paměťmi byl rozdíl v impedanci na jednom páru ±25 Ω při nominální hodnotě 50 Ω. Při funkčním testování osazených desek zmetkovitost dosahovala nepřípustných hodnot.

Není tedy žádné překvapení, že se v současné době musí testovat kabely, konektory i cesty na deskách. Kromě speciálních jednoúčelových testerů jsou v současnosti využívány dvě metody univerzálního testování – VNA – vektorová obvodová analýza (frekvenční doména) nebo testování jednotkovým skokem (časová doména), kterému se budeme dále věnovat.

Obr. 1 Teorie pro odrazy na vedení

Pro testování jednotkovým skokem se používá jeden z nejuniverzálnějších měřicích prostředků – osciloskop. Dá se využít pro měření pomocí TDR (reflektometrie), použít pro analýzu přenosu (TDT, šíření), pro měření S–parametrů i pro měření přeslechů a diagramu oka. Zatímco pro 90. léta byl v TDR dostačující puls s hranou kolem 10 ns a nejčastějším použitím byl TDR přístroj pro odhalování pozice vad v dlouhých kabelech telekomunikačních firem, pro současnou dobu jsou typické pulzy v desítkách ps s rozlišením na mm. Na obr. 1. jsou shrnuty teoretické pojmy z TDR metody, kdy je definován činitel odrazu ρ pro krajní podmínky. Schéma zapojení není třeba uvádět, zdroj pulzu je zároveň přijímačem odrazů z měřeného objektu. Na obr. 2 je ilustrační příklad měření na desce, kde dochází k menším změnám v nominální impedanci. Ke změnám dochází na konektorech, na rozhraní konektor–deska apod.

Obr. 2 Analýza odchylek impedance

Analogicky se používá často označení kapacitní nebo induktivní charakter změny impedance, z obrázků je logika zřejmá. Při hledání relace mezi fyzickými parametry signálové cesty a měřítkem v časové ose osciloskopu je třeba znát skutečnou rychlost šíření (ta se dá stejnou sestavou změřit). Viz obr. 2 – je třeba počítat s tím, že signál se odráží – tedy projde dráhu tam a zase zpět. V PCB je rychlost šíření kolem 2/3 rychlosti světla, z čehož lze snadno odvodit, že pokud máme generátor pulzů 10 ps, získáváme rozlišení ve fyzické oblasti 1 mm. Druhou částí měření může být TDT – tedy měření šíření impulzu měřeným objektem. Na vstupu je zdroj pulzu, na výstupu měříme osciloskopem. Tímto lze určit rychlost šíření (i pro různé frekvence), odhadnout BER či další přenosové limity. Malou změnou zapojení lze měřit přeslech mezi kanály, kdy do první cesty budíme pulzem a na druhém snímáme injekovaný signál. Pro správnost měření je zapotřebí mít impedančně zakončené i sousední kanály. Všechny tři metody lze použít v single- ended i diferenciálním zapojení. Pokud zkombinujeme metodu TDR a TDT s matematickým aparátem, získáváme sestavu pro kompletní změření S-parametrů i přenosových charakteristik. Osciloskop se tak stává variantou k obvodovému analyzátoru.

Obr. 3 Schéma pro měření přeslechu (crosstalk)

Jaké jsou vlastně mezi nimi rozdíly? Osciloskop je univerzální nástroj a je tedy použitelný i pro jiná měření jako jitter, diagramy oka, masky… Obvodový analyzátor má dynamiku až 110 dB, osciloskop má pouze 70 dB, což ovšem pro uvedená měření postačuje. VNA je vhodný, pokud měříte i S-parametry obecných black-boxů, tedy útlumy, zesilovače, rozbočovače a další, kde může být velmi velký odstup v energiích poměřovaných signálů. Výhodou osciloskopu je jeho cena, kalibrace před měřením je proti obvodovému analyzátoru jednoduchou záležitostí. Existují provedení, kdy generátor i vstup osciloskopu jsou na 2m kabelu a je tak možné připojit se přímo k měřenému objektu. U VNA se kabely stávají součástí celku, což má vliv na měření. I při změně kabelů je třeba znovu kalibrovat. Výsledky měření za použití obou metod na obr. 4 pak ukazují velmi dobrou shodu výsledků z VNA a metody TDR. Pro společnou oblast použití, kterou je testování v oblasti PCB a kabelů, jsou obě metody stejně vhodné. Při přepočtu mezi doménami dochází vždy ke zkreslení výsledků, je tedy dobré počítat s tím, že 20GHz osciloskop má v časové oblasti lepší výsledky než 20GHz VNA, ale naopak má horší výsledky ve frekvenční doméně. V porovnání ovládání je osciloskop vhodnější pro elektroniky, VNA dají přednost lidé z RF oblasti. V případě omezení výběru pro vymezenou oblast použití pak univerzálností, jednoduchostí obsluhy, kalibrací a v neposlední řadě poloviční cenou vyhrává TDR.

Obr. 4 Porovnání výsledků měření VNA a osciloskopem s TDR