Skip navigation
All Places > Keysight Blogs > Keysight Russia > Blog > 2016 > October
2016

Новый подход к анализу целостности сигналов и качества питания с помощью решений SIPro и PIPro в САПР ADS

 

Стефан Слейтер (Stephen Slater), Keysight Technologies, Inc.

 

Стремясь обеспечить многогигабитные скорости передачи данных в системах передачи данных и высокопроизводительных абонентских устройствах, получивших сегодня широкое распространение, разработчики сталкиваются с невероятным набором проблем. Искушённые потребители ожидают, что эти системы и устройства будут работать так, как обещано. Но чтобы это стало возможным, нужны быстрые и надёжные каналы, а это значит, что инженеры вынуждены тщательно моделировать и анализировать целостность сигналов и качество питания, и зачастую выполнять это как две разные операции. Недавно компания Keysight Technologies представила две инновационные технологии для последней версии системы автоматизированного проектирования электронных устройств – САПР ADS 2016, которые позволили по-новому взглянуть на анализ целостности сигналов и качества питания, предложив единый технологический процесс для выполнения обеих операций с высокой точностью и достоверностью.

 

Рисунок 1. Новая версия САПР ADS включает решения SIPro и PIPro, которые обеспечивают взаимосвязь различных технологий в единой среде.

 

Проблемы надёжности

Показатели целостности сигналов и качества питания оказывают огромное влияние на качество и надёжность электронных устройств и систем. Инженеры, пренебрегающие точным моделированием и анализом своих конструкций, могут не заметить и не устранить проблемы на ранних этапах проектирования, а это чревато тем, что их устройства или системы не заработают должным образом в реальных условиях. Зачастую многие часы, проведённые за оборудованием в попытках выявить причины, можно легко заменить моделированием. Наиболее часто встречающимися проблемами в платах  являются перекрёстные помехи и паразитные резонансы.

 

Проблема в том, что хотя измерения целостности сигналов и качества питания тесно связаны и преследуют одну и ту же цель – обеспечение высокой пропускной способности канала и надёжности системы в целом – они обычно считаются разными операциями. Кроме того, для выполнения этих измерений обычно используются разные средства электромагнитного моделирования; возможно даже от разных производителей.

 

Основной недостаток такого подхода, кроме стоимости каждого программного пакета, в том, что инженер должен изучить два разных интерфейса. Это значит, что в процессе проектирования инженер должен постоянно переключаться между различными средами, что занимает много времени и порождает ошибки. А поскольку эти два измерения могут выполняться разными инженерами с помощью разных средств, согласование результатов может быть затруднено.

 

Другая проблема кроется в том, что инженеры обычно тратят долгие часы на ручную оптимизацию или сокращение размера своих устройств, поскольку универсальные средства электромагнитного (ЭМ) моделирования ограничены по скорости и возможностям. Нередко эта задача решается с помощью медленного и утомительного процесса удаления некоторых слоёв и цепей последовательно для каждого функционального узла схемы.

 

Быстрый и точный анализ

В отличие от современных универсальных средства ЭМ моделирования, новые решения SIPro и PIPro, входящие в состав САПР ADS специально предназначены для того, чтобы помочь инженерам в улучшении характеристик высокоскоростных линий передачи данных на печатных платах. SIPro позволяет выполнять полный ЭМ анализ и извлечение моделей высокоскоростных линий на больших и сложных печатных платах, тогда как PIPro используется для полного ЭМ анализа цепей питания, включая анализ падения напряжения на постоянном токе, анализ импеданса на переменном токе и анализ резонансов в цепях питания. Оба приложения работают в среде САПР ADS и позволяют получить результаты быстрее, чем универсальные средства ЭМ моделирования, обеспечивая при этом более высокую точность.

 

Для достижения точности на высоких частотах и высокой скорости, необходимой для анализа печатных плат с плотной топологией, SIPro использует комплексную ЭМ технологию. С помощью этого решения инженеры могут измерить сразу всю плату путём моделирования потерь и взаимовлияния сигнальных цепей, цепей питания и цепей земли. Измеряется также связь между переходными отверстиями и переходные эффекты в переходных отверстиях, точно моделируются процессы возврата тока по цепям земли, влияние прорезей и отверстий в слоях питания и земли. Извлечённая в результате точная ЭМ модель легко встраивается в симуляцию переходных процессов и симуляцию канала САПР ADS, позволяя выполнять полный анализ линий передачи.

 

Поскольку решение SIPro опирается на схемотехническую модель, ориентированную на измерение целостности сигналов и качества питания, оно настраивается значительно быстрее и работает куда эффективнее универсальных средств ЭМ моделирования. И поскольку это решение использует несколько технологий ЭМ моделирования, оно обеспечивает точность, сопоставимую с точностью стандартных 3D ЭМ симуляторов, зачастую затрачивая на полное 3D ЭМ моделирование значительно меньше времени (рисунок 2). Если сравнить это решение с моделированием на основе метода конечных элементов (FEM), который в настоящее время считается эталонным, то можно наблюдать хорошее согласование результатов при значительно меньших расходах времени и памяти, даже на высоких частотах.

Рисунок 2. SIPro обеспечивает точность, сравнимую с точностью 3D ЭМ симуляторов при значительно меньших затратах времени.

 

Как и SIPro, PIPro тоже представляет собой решение на базе ЭМ моделирования. Оно обеспечивает точный и эффективный анализ с использованием трёх специализированных симуляторов. Симулятор падения постоянных напряжений генерирует таблицу постоянных напряжений и токов для всех переходных отверстий, выводов, нагрузок и регуляторов напряжения в цепях питания. На основе этой информации инженер может прогнозировать постоянные напряжения на выводах ИС, через которые втекает ток. Функция 3-мерной визуализации напряжений, плотности токов и рассеиваемой мощности в цепях питания и земли позволяет инженерам выявлять проблемные участки печатной платы (рисунок 3).

 

Рисунок 3. PIPro предлагает 3-мерную визуализацию напряжений, плотности токов и рассеиваемой мощности в цепях питания и земли.

 

Симулятор импеданса на переменном токе позволяет рассчитать частотные характеристики цепи питания с учётом сглаживающих конденсаторов. После ввода значений сглаживающих конденсаторов можно быстро выполнить повторный анализ импеданса цепи питания без дополнительного ЭМ моделирования. Результирующую извлечённую модель S-параметров можно быстро привязать к схеме вместе с моделями компонентов, что позволяет выполнить дальнейшую настройку и оптимизацию. Кроме того, симулятор обеспечивает отличное визуальное представление цепей питания с 3-мерными диаграммами поля и плотности токов.

 

Симулятор резонансов в слоях питания можно использовать для выявления собственных резонансных частот печатной платы. Кроме того, он помогает инженерам визуализировать электрические и магнитные поля печатной платы для выявления мест возникновения резонансов. Затем можно дополнительно обследовать участки платы с максимальной напряжённостью поля, что может облегчить расстановку сглаживающих конденсаторов.

 

Единый технологический процесс

Главное преимущество новых решений SIPro и PIPro для САПР ADS заключается в том, что они используют общую среду анализа, включая общий графический интерфейс, технологию обработки, базу данных моделей и представление результатов визуализации через встроенную утилиту просмотра 3D моделей. Это не только позволяет инженерам визуально обследовать цепи перед их моделированием и просматривать 3D поля после обработки, но и создаёт единую технологию оценки показателей целостности сигналов и качества питания (рисунок 4). Вместо того чтобы переключаться между разными программными инструментами, инженеры могут теперь использовать единый интерфейс для анализа целостности сигналов и качества питания. Если моделирование выполняется в одной среде, то настройку ЭМ параметров можно легко копировать из одной процедуры анализа в другую и наоборот.

 

Настройка параметров осуществляется полностью по схемотехническим принципам. Это позволяет инженерам выбирать только те цепи, которые они хотят моделировать, не затрачивая время на ручную обработку объектов топологии платы перед моделированием. А благодаря высокопроизводительным ЭМ симуляторам решений SIPro и PIPro, инженеры могут одновременно обработать большее число цепей. Благодаря новому единому технологическому процессу САПР ADS, инженеры могут перейти от топологии к получению результатов буквально за 20 щелчков.

 

Кроме того, используемый технологический процесс автоматически генерирует схему, подготавливая ЭМ модели к немедленному применению в симуляторах каналов, шин DDR и переходных процессов, работающих в САПР ADS. С помощью этих симуляторов инженеры могут выполнять анализ целостности сигналов (например, измерять контур BER) и тестировать разрабатываемые устройства на соответствие стандартам.




Рисунок 4. Новый единый технологический процесс в САПР ADS позволяет по-новому взглянуть на анализ целостности сигналов и качества питания, устраняя ограничения, свойственные подходу, в котором оценки целостности сигналов и качества питания считаются отдельными задачами проектирования, решаемыми с помощью различных универсальных средств ЭМ моделирования.

 

Заключение

Несомненно, тщательный анализ целостности сигналов и качества питания весьма важен для обеспечения оптимальной производительности высокоскоростных линий передачи данных на печатной плате. И хотя для решения этих задач можно использовать универсальные средства ЭМ моделирования, этот процесс требует значительного числа ручных операций и не способствует взаимопониманию между инженерами. Новые решения SIPro и PIPro для САПР ADS устраняют эти ограничения с помощью новой технологии ЭМ моделирования, которая предлагает точность, сопоставимую с точностью стандартных 3D ЭМ симуляторов, но позволяет получать результаты значительно быстрей. Предложенная единая технология легко передаёт ЭМ модели обратно в схему и обеспечивает лучшее взаимодействие инженеров. Совместно все эти факторы поднимают планку производительности, точности и эффективности задач моделирования и анализа целостности сигналов и качества питания. В результате современные разработчики получают возможности, необходимые для решения сложнейших проблем проектирования в кратчайшие сроки.

 

Дополнительную информацию об анализе целостности сигналов и качества питания можно найти на странице ресурсов Keysight по адресу www.keysight.com/find/eesof-ads-sipi-resources, где размещены ссылки на рекомендации по применению, технические документы, обучающие видеоролики и краткие руководства.

 

Данная статья была размещена в журнале «Современная Электроника» № 5.

Осциллографы с вертикальным разрешением больше 8 разрядов не редкость на современном рынке. Многие производители выпускают осциллографы с вертикальным разрешением до 12 разрядов, а некоторые заявляют о разрешении до 15 разрядов. В некоторых случаях такое высокое разрешение достигается за счет обработки цифровым сигнальным процессором (DSP) выходного сигнала стандартного 8-разрядного аналого-цифрового преобразователя (АЦП). В некоторых случаях повышенное разрешение достигается за счет применения 12-разрядного АЦП. Некоторые осциллографы для достижения вертикального разрешения более 12 разрядов используют комбинацию 12-разрядного АЦП и цифровой обработки. Уже несколько лет на рынке представлены осциллографы с режимом высокого разрешения. Осциллографы, специально предназначенные для выполнения измерений с высоким вертикальным разрешением, обычно называют осциллографами “высокого разрешения” или “высокой четкости”. В этой статье мы расскажем, что на самом деле означает заявленная высокая разрядность и как она соотносится с реальной разрядностью АЦП. Статья описывает архитектуру регистратора высокого разрешения, рассказывает, как она работает, и когда её следует применять. Мы поясним также соотношения между вертикальным разрешением, частотой дискретизации и полосой пропускания.

 

Что на самом деле означает “число разрядов”, указанное в технических характеристиках?

Нужно иметь в виду, что общепринятого способа определения числа разрядов цифровых осциллографов высокого разрешения не существует. Это может усложнить сравнение характеристик конкурирующих моделей.

 

Все производители указывают число разрядов АЦП, которое, как правило, лежит в диапазоне от 8 до 12. Число уникальных цифровых значений или уровней квантования (Q) равно 2 в степени n, где n – число разрядов АЦП. 8-разрядный АЦП имеет 256 уровней квантования, тогда как 12-разрядный АЦП имеет 4096 уровней квантования. При достаточно хорошем отношении уровней сигнала к шуму (С/Ш), большая разрядность АЦП позволяет передать больше мелких деталей исследуемого сигнала.

 

Иногда для описания числа разрядов используется термин “разряды разрешения”. Осциллографы, по отношению к которым используется этот термин, обычно имеют 8-разрядный АЦП и цифровой сигнальный процессор для достижения разрешения больше 8 разрядов. Чаще всего для повышения разрядности используются N-звенные узкополосные усредняющие фильтры. Усреднение по двум выборкам добавляет один разряд разрешения. Общее выражение для расчета результирующей разрядности описывается Уравнением 1.

 

Уравнение 1:  r = n +log2(N)  разряды разрешения

 

Например, 12 разрядов разрешения получаются с помощью 16-звенного узкополосного усредняющего фильтра, обрабатывающего выходные данные 8-разрядного АЦП.

 

Некоторые производители предпочитают указывать “число расширенных разрядов”. Расширенный разряд эквивалентен разряду идеального АЦП, обладающего тем же отношением С/Ш. Реализация, дающая m расширенных разрядов, обладает таким же идеальным отношением С/Ш, которое достигается в идеальном m-разрядном АЦП. При использовании узкополосного усредняющего фильтра на выходе n-разрядного АЦП, число расширенных разрядов m описывается Уравнением 2.

 

Уравнение 2:  m = n + log4(N)  расширенные разряды

 

Например, 64-звенный узкополосный усредняющий фильтр на выходе 8-разрядного АЦП дает 12 расширенных разрядов разрешения.

 

Другая часто используемая характеристика - это “Эффективное число разрядов” (ENOB). ENOB является мерой отношения С/Ш оцифрованного сигнала. Значение С/Ш в дБ определяется Уравнением 3. Другое определение через среднеквадратическое значение напряжения (Vср.кв.) дается Уравнением 4. Это определение полезно для расчета отношения С/Ш осциллографа. Уравнение 5 показывает взаимосвязь ENOB и С/Ш.

 

Уравнение 3: SNRдБ = 10 log10(Мощность сигнала / Мощность шума)

Уравнение 4: SNRдБ = 20 log10(Vср.кв. сигнала / Vср.кв. шума)

Уравнение 5: ENOB = (SNRдБ– 1,761) / 6,02

 

Каждый дополнительный эффективный разряд улучшает С/Ш на 6,02 дБ. Идеальный 8-разрядный АЦП имеет ENOB=8 и С/Ш=50 дБ. Шум идеального АЦП полностью определяется эффектами квантования. Идеальный АЦП с большим числом разрядов имеет меньший шум квантования и лучшее значение ENOB. ENOB зависит от частоты и поэтому, как правило, указывается для конкретной частоты.

 

ENOB является хорошим показателем качества при сравнении осциллографических технологий. На значение ENOB влияют все источники шумов и ошибок в осциллографе, включая шум квантования АЦП, дифференциальную нелинейность АЦП, интегральную нелинейность АЦП, тепловой шум, дробовой шум и искажения входного усилителя. Имейте в виду, что указываемое значение ENOB обычно значительно меньше числа разрядов из-за шума и погрешностей. Например, для 12-разрядного цифрового осциллографа типовое значение ENOB на высоких частотах составляет от 8 до 9 разрядов, что эквивалентно отношению С/Ш от 50 до 56 дБ.

 

Примеры осциллограмм высокого разрешения

Рисунок 1 показывает три сигнала, захваченные цифровым осциллографом, поддерживающим режим захвата высокого разрешения. Входной сигнал представляет собой ступенчато меняющийся сигнал, генерируемый путем подачи на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) сигнала цифрового счетчика. Верхний экран показывает все три сигнала со стандартным увеличением. Нижний экран показывает три сигнала, наложенных друг на друга, с 10-кратным увеличением, демонстрирующим больше подробностей по вертикальной оси. Верхний сигнал захвачен с частотой дискретизации 2,5 Гвыб/с с выключенным режимом высокого разрешения. Обратите внимание на шум сигнала и отсутствие мелких подробностей. Это особенно заметно при 10-кратном увеличении. В данном случае квантование не заметно, поскольку для улучшения изображения было применено вертикальное сглаживание. Средний сигнал захвачен с частотой дискретизации 2,5 Гвыб/с с включенным режимом высокого разрешения, установленным на значение 12 разрядов. В этом случае полоса пропускания равна 554 МГц. Шум значительно уменьшается, и можно рассмотреть больше вертикальных деталей. Нижний сигнал захвачен с разрешением больше 12 разрядов. Это достигнуто за счет применения частоты дискретизации 125 Мвыб/с, что повышает вертикальное разрешение больше чем до 12 разрядов и сокращает полосу пропускания до 28 МГц. Для этого вполне достаточно полосы сигнала 28 МГц, и она обеспечивает наилучшее отношение С/Ш с максимальной детализацией по вертикали.

 

Рис. 1. Примеры сигналов, захваченных с высоким разрешением

 

Осциллограммы, показанные на рисунке 1, получены на осциллографе с 8-разрядным АЦП и режимом высокого разрешения, реализованном с помощью узкополосного усредняющего фильтра. Уравнение 6 позволяет рассчитать примерную полосу усредняющего фильтра.

 

Уравнение 6: Полоса усредняющего фильтра ≈ 0.4428 Fs/N

 

Для средней осциллограммы на рисунке 1 полосу можно рассчитать следующим образом. Частота дискретизации Fs сигнала, поступающего на узкополосный усредняющий фильтр, равна 20 Гвыб/с, а число разрядов разрешения равно 12. Из Уравнения 1 следует, что число звеньев должно быть 2(12 – 8) или 16. Полоса равна 0,4428 x 20 x 109/16 или 554 МГц. Большинство осциллографов высокого разрешения рассчитывает полосу автоматически.

 

Архитектура регистраторов высокого разрешения

На рисунке 2 показана архитектура, широко применяемая для реализации систем регистрации сигнала высокого разрешения. Входной аналоговый сигнал пропускается через ограничивающий полосу фильтр для подавления составляющих, лежащих выше частоты Котельникова (Найквиста). Частота Котельникова равна половине частоты дискретизации Fs. Любые составляющие сигнала выше частоты Котельникова, попавшие в полосу пропускания, создают нежелательное наложение спектров.

 

Рис. 2. Архитектура регистратора с высоким разрешением

 

Некоторые производители для описания обработки выборок сигнала в осциллографах высокого разрешения применяют термин “сверхпередискретизация”. Минимальная частота дискретизации, предотвращающая наложение спектров, вдвое превышает полосу ограниченного по полосе аналогового сигнала. Сверхпередискретизация использует частоту дискретизации, значительно превышающую это значение. Сверхпередискретизация является очень полезным методом, повышающим вертикальное разрешение и снижающим собственный шум быстрого преобразования Фурье (БПФ).

 

Наложение спектров возникает в стандартных осциллографах с полной полосой пропускания при работе на пониженных частотах дискретизации. Частота среза ограничивающего полосу фильтра устанавливается немного выше максимальной заявленной полосы и обычно не перенастраивается для поддержки меньших частот дискретизации. В архитектуре высокого разрешения наложение спектров существенно уменьшается за счет применения перед субдискретизатором N-звенного фильтра нижних частот с конечной импульсной характеристикой (КИХ). Этот фильтр ослабляет спектральные составляющие, которые в противном случае вызвали бы смещение спектра в полосу пропускания после субдискретизации. В специальных осциллографах высокого разрешения наложение спектров не вызывает таких проблем, поскольку частота среза полосового фильтра выбирается в соответствии с уменьшенной полосой пропускания. Например, осциллограф с полосой пропускания 4 ГГц в режиме высокого разрешения для достижения разрешения 12 разрядов на частоте 500 МГц должен установить частоту среза выше 4 ГГц для поддержки максимальной доступной полосы. С другой стороны, специальный осциллограф высокого разрешения с полосой пропускания 500 МГц может установить частоту среза немного выше 500 МГц, полностью устранив наложение спектров.

 

На рисунке 2 показан 8-разрядный АЦП, но эта архитектура так же хорошо работает и с АЦП более высокой разрядности. После АЦП включен N-звенный фильтр и субдискретизатор. В осциллографах, использующих для достижения высокого разрешения АЦП с большим числом разрядов, N-звенный фильтр не нужен. Тем не менее, обычно этот фильтр все же устанавливается для достижения большего разрешения, чем разрешение АЦП. Фильтры с одинаковыми взвешивающими коэффициентами для всех звеньев называются усредняющими. Усредняющие фильтры легко реализуются и поддерживают очень высокую входную частоту дискретизации и большое число звеньев. Однако реакция усредняющего фильтра на скачок напряжения представляется в частотной области кривой Sin(x)/x (см. рисунок 3). Боковые лепестки в полосе ослабления приводят к тому, что некоторые спектральные составляющие сигнала оказываются в полосе пропускания, порождая дополнительный шум и искажения. Для компенсации этого явления некоторые осциллографы используют неравное взвешивание на разных звеньях, позволяя получить более приемлемую частотную характеристику. Одна из таких реализаций называется “Улучшенным разрешением” или ERES. Звенья фильтра рассчитываются так, чтобы давать в частотной области гауссовскую характеристику без боковых лепестков, которая подавляет провалы, выбросы и звоны во временной области.

 

Включенный за КИХ-фильтром субдискретизатор позволяет экономно расходовать память захвата при продолжительном захвате сигнала. В большинстве реализаций N-звенный фильтр и субдискретизатор интегрированы в один блок, который выводит только одну из каждых N выборок. Одна из особенностей субдискретизатора заключается в том, что он создает несколько видов частотной характеристики с центром на кратных значениях поделенной частоты Fs/N. Частота Котельникова снижается до Fs/(2N). Все спектральные составляющие в полосе пропускания КИХ-фильтра за пределами Fs/(2N), попадающие в полосу пропускания, порождают дополнительный шум и искажения. Для компенсации этого явления некоторые осциллографы используют на выходе памяти захвата M-звенный КИХ-фильтр. Фильтрация, применяемая для достижения высокого разрешения, совместно использует M- и N-звенные фильтры, позволяя сократить длину N-звенного фильтра и повысить частоту дискретизации для заданной полосы пропускания.

 

Некоторые осциллографы высокого разрешения сохраняют в памяти захвата 16-разрядные выборки. В стандартных осциллографах, обычно сохраняющих в памяти 8-разрядные выборки, включение режима высокого разрешения приводит к уменьшению доступной памяти вдвое.

 

Рис. 3. Импульсная и частотная характеристика 16-звенного узкополосного усредняющего фильтра

 

Иногда для повышения качества изображения применяется вертикальное сглаживание. Вертикальное сглаживание заполняет неиспользуемые младшие разряды 16-разрядных выборок случайным шумом. Каждый дополнительный бит сглаживания удваивает число уровней квантования сигнала.

 

Иногда для ограничения полосы пропускания на выходе памяти захвата используется дополнительный КИХ-фильтр. Обычно скорость передачи данных на выходе памяти захвата значительно ниже, чем на входе, что позволяет использовать более сложные и точные цифровые фильтры. И хотя такой фильтр хорошо подавляет шум и улучшает разрешение при полной частоте дискретизации, он подвержен наложению спектров при меньших частотах дискретизации, поскольку стоит после субдискретизатора. Поэтому при измерениях на пониженных частотах дискретизации лучше применять фильтры высокого разрешения.

 

Повышение вертикального разрешения за счет усреднения

Большинство цифровых осциллографов позволяет снизить шум и повысить вертикальное разрешение за счет усреднения. В отличие от архитектуры высокого разрешения, усреднение не приводит к сужению полосы пропускания. Кроме того, усреднение применимо только к периодическим сигналам. Усреднение выполняется по нескольким сигналам, захваченным после события запуска. Каждая выборка сигнала усредняется с такой же предыдущей выборкой периодического сигнала.

 

Используйте усреднение, когда

  • Необходима полная полоса пропускания осциллографа.
  • Сигнал имеет периодический характер.
  • Не требуется большой объем памяти.
  • Нужно управлять числом усреднений.

 

Используйте регистрацию с высоким разрешением, когда

  • Не требуется полная полоса пропускания осциллографа.
  • Сигнал нужно захватить за один цикл запуска.
  • Необходима высокая скорость.
  • Необходим большой объем памяти для захвата продолжительных интервалов.

 

Некоторые осциллографы позволяют одновременно выполнять усреднение и захват с высоким разрешением, что обеспечивает компромисс между полосой пропускания и скоростью.

 

На рисунке 4 показана псевдослучайная двоичная последовательность (PRBS), захваченная осциллографом высокого разрешения, настроенным на разрешение 10 разрядов и полосу пропускания 2 ГГц. Также здесь показана PRBS, захваченная с включенным усреднением (4 усреднения). В данном случае усреднение дает бессмысленный результат, поскольку сигнал PRBS не периодичен в интервале захвата.

 

Рис. 4. Сравнение высокого разрешения с усреднением для сигнала PRBS

 

Зачем покупать специальный осциллограф высокого разрешения?

Если для измерения необходимы высокое вертикальное разрешение и средняя полоса пропускания, лучшим выбором будет специальный осциллограф высокого разрешения (высокой четкости). Такие осциллографы используют новейшие технологии АЦП и цифровых сигнальных процессоров для достижения превосходного разрешения и минимального шума. Они позволяют эффективнее бороться с наложением спектров. Для достижения высокого разрешения не требуется применения специального режима или настройки. Кроме того, такие осциллографы обычно отображают число разрядов и полосу пропускания, что упрощает работу. Однако максимальная полоса пропускания осциллографа высокого разрешения обычно меньше полосы 8-разрядного осциллографа того же ценового диапазона.

 

Несмотря на это, в направлении осциллографов высокого разрешения компания Keysight Technologies обошла своих конкурентов, представив в 2014 году специальную серию осциллографов высокой четкости среднего ценового диапазона - серию S, модели которой имеют 10-разрядный АЦП собственной разработки и полосу пропускания вплоть до 8 ГГц (см. рис. 5). Таким образом, мы преодолели основной компромисс между вертикальным разрешением и полосой пропускания.

 

Рис. 5. Осциллограф Keysight серии S высокой четкости (ПП 8 ГГц)

Основной целью использования большинства осциллографов начального и среднего классов в процессе исследований и разработок является тестирование и отладка новых устройств. Другими словами, необходимо найти и устранить нарушения целостности сигнала до отправки устройства заказчику. Самой сложной проблемой является обнаружение редких случайных аномалий сигнала, то есть аномалий, о которых Вы знать не знаете и не ожидаете. К сожалению, поиск редких событий, например, кратковременных импульсных помех (глитчей), зачастую похож на поиск иголки в стоге сена.

 

Решая задачу захвата редких быстрых событий с помощью осциллографа, инженеры часто принимают во внимание только заявляемые производителем (т.н. баннерные) характеристики осциллографов: полосу пропускания, частоту дискретизации и глубину памяти. Вместе с тем, есть еще одна, не менее важная, характеристика — скорость обновления сигналов на экране.

 

Большинство инженеров согласятся с тем, что важнейшей характеристикой цифрового запоминающего осциллографа является полоса пропускания в реальном времени. Этот параметр относится к аналоговой характеристике входных каскадов осциллографа, а также она должна быть обеспечена и цифровой характеристикой, отвечающей за уровень временной детализации (частота дискретизации), с которой осциллограф захватывает сигналы в каждом цикле сбора данных. 

 

Другой характеристикой осциллографа, которую многие инженеры считают важной, является глубина (или объем) памяти. От глубины памяти зависит максимальная длительность сигнала, которую осциллограф может захватить с заданной частотой дискретизации. Чем больше объем памяти, тем выше вероятность захвата редкого случайного события. Но хотя осциллограф с глубокой памятью и способен уловить редкую аномалию сигнала, как вы сможете об этом узнать? Если настройки горизонтальной развёртки осциллографа позволяют наблюдать весь захваченный сигнал, это было бы похоже на то, как человек, стоя задом к стогу сена, надеется обнаружить иголку в самой его середине. Если же настроить развертку для детального отображения узких и быстрых событий, то нежелательные аномалии сигнала могут оказаться за пределами экрана и, таким образом, снова быть невидимыми. Если использовать приведенную выше аналогию, то это будет похоже на исследование с помощью увеличительного стекла одного небольшого участка стога. Но где же иголка? По определению, случайное и редкое событие может произойти в любой момент и может проявиться в любом виде. Вы просто можете не знать, где и что именно нужно искать.

 

Большой объем памяти, безусловно, важен, и может быть востребован в некоторых специфических и уникальных приложениях при решении определенных измерительных задач. Однако глубокая память вряд ли поможет в обнаружении редких аномалий сигнала в разрабатываемом устройстве. На самом деле, использование большого объема памяти в осциллографе для выявления случайных событий часто может быть помехой из-за снижения производительности в осциллографах с традиционной архитектурой. Захват большего объема данных требует большего времени для сбора и обработки сигналов.

 

Для захвата случайных и редких событий следующей важнейшей характеристикой осциллографа после полосы пропускания в реальном времени является скорость обновления сигналов на экране. Чем выше скорость обновления сигналов, тем выше вероятность того, что осциллограф сможет захватить и отобразить редкую аномалию. Чтобы понять важность высокой скорости обновления сигналов, нужно знать о такой свойственной всем осциллографам характеристике, как «мертвое время» (dead-time).

 

«Мертвое время» — это время, которое требуется осциллографу для обработки данных, полученных в процессе предшествующего захвата, с целью отображения осциллограммы, которая фактически состоит из последовательности выборок. Чем выше у осциллографа скорость обновления сигналов на экране, тем меньше у него величина мертвого времени.

 

Рис. 1. Аномалии сигнала, которые появляются в период мертвого времени осциллографа, не захватываются и не отображаются на дисплее

 

 

Рисунок 1 иллюстрирует понятие мертвого времени осциллографа. В этом примере две импульсные помехи появляются в период мертвого времени осциллографа и не отображаются на дисплее после двух циклов сбора данных. Во многих случаях продолжительность мертвого времени осциллографа может во много раз превышать длительность отображаемого на дисплее сигнала. Допустим, к примеру, что мы используем осциллограф со скоростью обновления сигналов 1000 осциллограмм в секунду. Это означает, что осциллограммы на экране обновляются 1 раз в миллисекунду, что на первый взгляд может показаться вполне достаточной величиной. Однако если коэффициент развёртки осциллографа составляет 10 нс/дел. (т.е. 100 нс на весь экран), это значит, что мертвое время осциллографа в 10 000 раз превышает длительность захваченного и отображаемого сигнала. Появится случайная аномалия в период захвата или нет — это вопрос статистической вероятности. При этом вероятность появления глитча в период мертвого времени в 10 000 раз выше, чем вероятность его попадания на экран. Таким образом, для повышения вероятности захвата редких аномалий сигнала необходимо сократить продолжительность мертвого времени осциллографа и увеличить скорость обновления сигналов на экране.

 

Рис. 2. При скорости обновления сигналов на экране 1 000 000 осциллограмм в секунду обеспечивается быстрый захват глитча с частотой появления 1 раз на миллион

 

 

Благодаря технологии MegaZoom четвертого поколения осциллографы Keysight InfiniiVision 3000T и 4000 серии X имеют самую высокую в отрасли скорость обновления сигналов на экране и, соответственно, самую малую величину мертвого времени. Осциллографы этой серии обеспечивают обновление сигналов со скоростью 1 000 000 осциллограмм в секунду. На рисунке 2 показан пример захвата с помощью осциллографа серии 4000 X очень редкой аномалии сигнала (импульсной помехи) при запуске по нарастающему перепаду входного тактового сигнала. Этот специфический глитч появляется всего один раз на миллион циклов тактового сигнала. При скорости обновления 1 000 000 осциллограмм в секунду осциллограф способен захватывать и отображать эту помеху в среднем один раз в секунду.

 

Осциллограф со скоростью обновления 50 000 осциллограмм в секунду, который многие инженеры полагают достаточно быстрым, смог бы показывать этот глитч в среднем всего один раз за 20 секунд. Если бы пользователь проводил анализ этого цифрового сигнала с помощью осциллографа, имеющего скорость обновления 50 000 осциллограмм в секунду, он бы быстро убедился, что исследуемый сигнал имеет надлежащую амплитуду и длительность перепада, и перешел бы к тестированию сигналов в другой точке еще до того, как осциллограф смог бы захватить и отобразить глитч, появляющийся с частотой 1 раз на миллион.

 

Некоторые пользователи могут возразить, что многие современные осциллографы имеют усовершенствованные режимы запуска по нарушениям сигнала, например, по длительности импульса, времени нарастания/спада или по вырожденному импульсу, которые могут использоваться для однозначного запуска по проблемным сигналам. Но как узнать, когда нужно использовать один из этих режимов, если осциллограф не обнаруживает редкие аномалии? Ведь для использования усовершенствованных режимов запуска осциллографа требуется знать хоть что-нибудь об этом проблемном сигнале.

 

Рис. 3. Осциллограф с высокой скоростью обновления сигналов на экране позволяет обнаружить редкий немонотонный перепад

 

 

На рисунке 3 показан другой пример редкой аномалии сигнала. В этом примере осциллограф Keysight серии 4000 X, имеющий скорость обновления сигналов на экране 1 000 000 осциллограмм в секунду, позволяет выявить редко появляющийся немонотонный перепад. Такие редкие события обычно проявляются в виде мерцающей осциллограммы или в виде так называемого «фантомного» сигнала, запуск по которым чрезвычайно затруднен. Осциллографы с низкой скоростью обновления сигналов, скорее всего, не смогут выявить и отобразить такую аномалию (невидимый «фантом»).

 

Рис. 4. Функция запуска InfiniiScan Zone Trigger позволяет выделить сигнал с немонотонным перепадом

 

После того, как «фантом» был выявлен, его необходимо изолировать. Как уже было упомянуто выше, запуск по таким редким событиям возможен, однако настройка такого режима запуска без должного опыта работы с осциллографами представляет определенную сложность. Но благодаря имеющейся в осциллографах серии 4000 X инновационной функции запуска InfiniiScan Zone Trigger для решения этой задачи достаточно просто нарисовать на емкостном сенсорном дисплее прямоугольник (зону) в районе аномалии (рис. 4). Теперь, когда осциллограф синхронизирован для отображения только «фантомных» сигналов, вы можете начать исследование других сигналов в устройстве с использованием второго или третьего канала осциллографа для поиска взаимосвязей и причин неполадки, и таким образом «разрушить фантом».

 

Заключение

Хотя значение полосы пропускания в реальном времени практически всегда будет главным критерием при выборе осциллографа для отладки электронных устройств, скорость обновления сигналов на экране также будет одним из важнейших параметров, поскольку она характеризует способность осциллографа выявлять редкие случайные события. Осциллографы Keysight серии InfiniiVision 4000 X обеспечивают обновление сигналов со скоростью 1 000 000 осциллограмм в секунду, что делает их лучшими для «поиска иголки в стоге сена» при исследовании аномалий сигналов. А затем, получив возможность наблюдать редкое событие, вы можете выделить проблемный сигнал с помощью функции запуска InfiniiScan Zone Trigger, просто нарисовав прямоугольник в районе аномалии. И если высокая скорость обновления сигналов на экране осциллографа помогает выявлять дефекты сигнала, то функция InfiniiScan Zone Trigger позволяет затем быстро и просто осуществлять по ним запуск.