Měření vestavěných obvodů s využitím osciloskopů pro smíšené signály

Osciloskopy R&S RTE můžete použít při analýze vestavěných obvodů pro analýzu signálů v časové oblasti, logických signálů, protokolů na sběrnicích a pro kmitočtovou analýzu, a to vše v jediném přístroji. A navíc, velmi přesný stejnosměrný voltmetr (chyba měření ±0,1 %), který je zabudován do hlavy aktivních sond, poskytuje pohodlný způsob, jak zjistit odpovědi na otázky typu: „Má napájecí napětí správnou velikost?“ nebo „Je superponováno stejnosměrné napětí?“

Vestavěné obvody mají významnou úlohu v široké škále moderních elektronických zařízení, od mobilních telefonů a přehrávačů MP3 až po lékařské přístroje a průmyslové řídicí systémy. Patří mezi ně jak procesorové jednotky, tak rozmanité analogové a digitální funkční bloky. Analýza signálů prováděná současně v různých funkčních blocích – zejména pokud je rozhodující časová korelace – obvykle bývá v průběhu vývoje a testování takových systémů zásadní výzvou. Osciloskopy pro smíšené signály z produkce společnosti Rohde & Schwarz, jako je například R&S RTE, jsou pro tyto úkoly ideálními přístroji.

Nejmodernější osciloskopy pro smíšené signály jsou vybaveny kromě analogových kanálů také digitálními kanály pro podrobnou analýzu digitálních stavů a protokolů. Vývojoví pracovníci zabudovaných systémů musejí při uvádění nových modulů do činnosti provádět celou řadu měření. Je nutné analyzovat analogové signály například z analogově-digitálních převodníků a napájecích zdrojů současně s digitálními signály na sériových nebo paralelních datových sběrnicích. Cykly vývoje se neustále zkracují, a proto se zvyšuje tlak na dokončování takových analýz v co nejkratším čase. To je důvod, proč jsou pro současné vývojové pracovníky tak zásadně důležité přístroje sdružující velké množství měřicích nástrojů, které jsou schopné poskytnout spolehlivé výsledky měření.

Obr. 1 Blokové schéma modulu s analogově-digitálním převodníkem

Na obrázku 1 je uveden příklad modulu s A/D převodníkem. Tento článek se zabývá efektivní analýzou takových modulů s využitím moderních osciloskopů pro smíšené signály (MSO – Mixed Signal Oscilloscope). Je nutné vyhodnotit charakteristiky analogového signálu i kvalitu vstupního signálu A/D převodníku. Pokud jde o digitální část, musí správně pracovat výstup A/D převodníku a musí být správně interpretovány řídicí příkazy SPI. Důležitou roli ve správné činnosti A/D převodníku přirozeně hraje i hodinový signál. A samozřejmě je nutné ověřit kvalitu napájecího zdroje.

Rychlé zjištění vlastností analogových signálů

Prvním krokem v procesu odstraňování chyb je zobrazení hlavního požadovaného signálu – v tomto případě vstupního signálu A/D převodníku – s využitím osciloskopu, abyste si ověřili, zda neobsahuje nějaké sporadické poruchy, jako jsou velmi úzké impulzy. Moderní digitální osciloskopy, například R&S RTE, mají vysokou rychlost sběru dat, až 1 milion průběhů/s, a proto lze poruchy vyhledávat relativně rychle a s vysokou mírou pravděpodobnosti.

Obr. 2 Funkce QuickMeas je dostupná na panelu nástrojů u horního okraje obrazovky. Zobrazuje současně výsledky až osmi měření a poskytuje vám rychlý přehled o vlastnostech signálu

Funkce rychlého měření (QuickMeas), kterou je osciloskop R&S RTE vybaven, vám umožňuje rychle získat přehled základních charakteristik signálu. Funkce QuickMeas zobrazuje současně výsledky celé řady uživatelem definovaných měřicích funkcí. Obrázek 2 ilustruje, jak se určuje kmitočet, rozkmit (mezivrcholové napětí) a efektivní hodnota vstupního signálu A/D převodníku. Pokud potřebujete měřit veličiny, které aktuálně nejsou ve funkci QuickMeas zahrnuty, můžete aktivovat doplňkové automatické měřicí funkce, včetně statistického vyhodnocení. Předpokladem pro smysluplné statistické vyhodnocování je vysoká rychlost sběru i zpracování dat, která zaručuje, že budou rychle zpracovány i složité posloupnosti měření.

Spektrum signálu umožňuje zjistit a analyzovat nejen základní a vyšší harmonické složky, ale i jiné vlivy a rušivé signály, jako jsou sporadicky se vyskytující nebo přerušované signály. Osciloskop musí být vybaven analogovým vstupním dílem s nízkým šumem, s vysokým dynamickým rozsahem a s vysokou citlivostí bez omezování šířky pásma, aby byl schopen detekovat a přesně měřit i slabé signály. Funkce FFT (Fast Fourier Transform – rychlá Fourierova transformace), kterou je osciloskop R&S RTE také vybaven, podstatně zjednodušuje práci: ovládání je velmi snadné, stačí zadat středový kmitočet, kmitočtové rozpětí a rozlišovací šířku pásma.

Analýza paralelních datových sběrnic

Zabudovaná analýza logických signálů umožňuje zobrazovat časově korelované digitální signály současně s analogovými průběhy. Doplněk pro smíšené signály mění přístroj R&S RTE na snadno použitelný osciloskop pro smíšené signály (MSO) s 16 digitálními kanály. A/D převodník v našem příkladu má 9 výstupů, osm datových a jeden hodinový. Logický stav sběrnice je určován pro platné hrany hodinového signálu. Parametry paralelní sběrnice konfigurujete v závislosti na aktuální topologii sběrnice a definujete, které digitální kanály jsou součástí sběrnice a jaká je rozhodovací úroveň pro digitalizaci. Osciloskop R&S RTE umožňuje současně dekódovat čtyři paralelní nebo sériové sběrnice. Každá sběrnice je označena ikonou na okraji obrazovky. Ikona zobrazuje, bez ohledu na jiná nastavení osciloskopu, aktuální stav všech aktivovaných logických kanálů (vysoká úroveň, nízká úroveň, přechod) a poskytuje vám rychlý přehled o aktivitě na sběrnici. To se týká i kanálů, které nejsou zobrazeny v okně zobrazení. Dekódovanou sběrnici lze samozřejmě zobrazit i ve sběrnicovém formátu. Jak je patrné z obrázku 3, je pro analýzu výstupu A/D převodníku mnohem vhodnější zobrazení analogovými průběhy. To vám umožňuje přímo srovnat vstupní a výstupní signály a také měřit například časový posuv mezi dvěma signály. Je také zřetelně vidět jakékoliv zkreslení výstupního signálu.

Obr. 3 Zobrazení analogové sběrnice umožňuje přímé srovnání výstupního signálu A/D převodníku se vstupním signálem. V tomto příkladu jsou zřetelně vidět špičky, které jsou patrně způsobeny problémy s časováním v navrhovaném obvodu

Velký počet špiček, které se vyskytují v analogovém zobrazení sběrnice (obr. 3), je zřetelnou indikací problému v návrhu obvodu. Úzké špičky jsou viditelné díky vysokému vzorkovacímu kmitočtu 5 Gvzorků/s v každém digitálním kanálu, který odpovídá rozlišení 200 ps v časové oblasti. Osciloskop R&S RTE zaručuje tento vzorkovací kmitočet pro celou kapacitu paměti pro 100 Mvzorků, takže jsou detekovány i špičky, které se objeví daleko za bodem spuštění. Lze předpokládat, že takové špičky jsou způsobeny problémy s časováním, což vede k narušení přípravné doby a doby setrvání. Přípravná doba určuje, jak dlouho před příchodem další hrany hodinového impulzu už musí být k dispozici datový signál. Doba setrvání určuje, jak dlouho po hraně hodinového signálu musí datový signál ještě zůstat neměnný, aby byl považován za platný. Pro ověření, zda jsou vaše předpoklady správné, stačí jen posunout časování hodinového signálu v osciloskopu vzhledem k datovým signálům. Vyspělé osciloskopy, k nimž R&S RTE patří, umožňují individuální posouvání libovolného digitálního kanálu vůči ostatním kanálům (obr. 4). Jak je patrné z obrázku 5, v našem příkladu stačí posuv pouhé 2 ns, aby ze zobrazení analogové sběrnice zmizely špičky. Na základě tohoto zjištění můžete zkontrolovat návrh obvodu a provést potřebné změny v délkách cest signálů.

Obr. 4 Nabídka osciloskopu R&S RTE pro nastavování parametrů paralelních sběrnic

Obr. 5 Časový posuv mezi hodinovým signálem a datovými signály A/D převodníku odstranil špičky v zobrazení analogové sběrnice

Testování komunikace po sériové sběrnici

Analogově-digitální převodník je řízen přes rozhraní SPI. Vývojoví pracovníci musí v takových případech ověřit, zda přenos dat funguje správně a zda časová souhra mezi rozhraním programovacího zařízení a činností modulu vyhovuje specifikacím.

Signály na sériové sběrnici obsahují přenášená data a také řídicí a adresovací data sdružená do rámců. Pro odstraňování potíží v systémech, které využívají sériové datové sběrnice, je proto potřeba doplňková softwarová podpora. Izolování událostí daných přenosovým protokolem je snazší, pokud lze osciloskop spouštět obsahem používaného sériového protokolu a zobrazit dekódovanou zprávu. Osciloskopy proto musí podporovat spouštění a dekódování pro protokoly často používaných sériových rozhraní, jako jsou I2C, UART/RS-232, CAN nebo SPI.

Obr. 6 Příkaz SPI aktivuje výstup A/D převodníku

Na obrázku 6 je zobrazena posloupnost příkazů SPI, která aktivuje A/D převodník. Jsou zobrazeny binární stavy jednotlivých digitálních linek (hodinový signál, CS, data) současně s podrobnostmi protokolu dekódované sběrnice. Přehledné zobrazení vám usnadňuje zjistit, zda je obsah zprávy správný. Pokud je to nutné, lze pakety protokolu vypsat na obrazovku ve formě tabulky.

Při testování komunikace na sběrnici SPI můžete na obrazovce osciloskopu R&S RTE minimalizovat zobrazení analogového vstupního signálu A/D převodníku a paralelní datové sběrnice na jeho výstupu, abyste měli k dispozici celou plochu obrazovky. Zůstane vám však zachován celkový přehled, protože miniaturní náhledy minimalizovaných zobrazení signálů v reálném čase budou pořád zobrazeny na okraji obrazovky.

Obr. 7 Po skončení posloupnosti příkazu SPI (dolní okno) začne A/D převodník vytvářet výstupní data (horní okno)

Další důležitou součástí procesu hledání chyb je určení doby odezvy, tj. času, který uplyne od skončení příkazu SPI do objevení se výstupního signálu A/D převodníku. Měření časového rozdílu usnadňují funkce kurzoru. U osciloskopu R&S RTE stačí prostě přetáhnout ikonu výstupního signálu A/D převodníku zpět na obrazovku. Posloupnost příkazů SPI a signály paralelní sběrnice můžete zobrazit v jednom okně nebo ve dvou oddělených oknech, jak je uvedeno na obrázku 7. Pak byste měli zkracovat časovou základnu osciloskopu, dokud nebudete moci provést přesné měření. Na obrázku 8 jsou výsledky měření s využitím kurzoru uvedeny v okně, které lze libovolně posouvat po obrazovce.

Obr. 8 Funkce kurzoru usnadňují měření času, který A/D převodník v tomto příkladu potřebuje na to, aby zareagoval na aktivační příkaz SPI. Okno s výsledky můžete po obrazovce libovolně posouvat

Shrnutí

Osciloskopy pro smíšené signály jsou jedny z nejdůležitějších měřicích přístrojů pro vývoj nových elektronických obvodů a odstraňování jejich chyb. Pro vývojové pracovníky hardwaru jsou cennými nástroji potřebnými při analýzách integrity signálu a pro vývojové pracovníky softwaru při analyzování obsahu signálů. Osciloskopy R&S RTE umožňují analýzu signálů v časové oblasti, logických signálů, protokolů na sběrnicích a kmitočtovou analýzu. A navíc, velmi přesný stejnosměrný voltmetr (chyba měření ±0,1 %), který je zabudován do hlavy aktivních sond, poskytuje pohodlný způsob, jak zjistit odpovědi na otázky typu: „Má napájecí napětí správnou velikost?“ nebo „Je superponováno stejnosměrné napětí?“ Výsledkem je, že jediným měřicím přístrojem můžete analyzovat různé komponenty zabudovaných systémů, a to současně s jejich interakcemi. Získáte tím řadu výhod, včetně jednodušších testovacích sestav, jednotného uživatelského rozhraní a synchronizovaného zobrazení analogových průběhů, digitálních signálů a hodnot parametrů protokolu.

Sylvia Reitz je produktovou manažerkou pro osciloskopy ve společnosti Rohde & Schwarz v Mnichově.

www.rohde-schwarz.cz