Digitális-foszfor oszcilloszkóp (DPO) - a digitális berendezések hibakeresésének ideális eszköze
Ahogy a digitális áramköri technika alkalmazása mind gyakoribbá válik a játékokban, kenyérpirítókban, rádiókban és egyéb közhasznú fogyasztási cikkekben, új kihívások jelentkeznek a tesztelés- és méréstechnikában. Például a tegnap négybites mikrovezérlője 16 és 32 bites, nagysebességű eszközzé fejlődött. Ezzel egyidőben a hordozható berendezések fogyasztásának csökkentése érdekében áttervezték 3 V-os feszültségre. A nagyobb jelfrekvencia ezekben a kisteljesítményű logikai áramkörökben azonban nagyobb kihívást jelent a tervezésben, gyakran súlyos prolémákat okozva a digitális jel inegritásában.
A gyorsabb logikai áramkörök az összetettebb mikroprocesszorokkal együtt alkalmazva nagyobb kihívást, bonyolultabb hibakeresési feladatot jelentenek a fogyasztói és ipari elektronikai berendezéséseket fejlesztő mérnőkök, technikusok számára. Ennek eredményeképpen az átlagos tervező is olyan problémákkal kell, hogy megbirkózzon, melyek a múltban csak a legkényesebb tervezési feladatokban fordultak elő, mint például jelfutási, időzítési problémák, hazárdok, tranziensek, jeltorzulások, stb. És természetesen a piaci versenyhelyzet sürgető kihívása miatt ezeket a problémákat gyorsan és pontosan kell megoldani.
Ezek azok a körülmények, amelyek olyan mérő és hibakereső műszereket - különösképpen oszcilloszkópokat - igényelnek, melyek megfelelnek az új kihívásoknak. A mérnököknek olyan eszközökre van szüksége, amelyek segítik a problémák gyors megoldását és ez már nemcsak a sávszélesség kérdése. Más szavakkal mondva, az oszcilloszkópnak először segítenie kell a felhasználót annak gyors felismerésében, hogy valamilyen probléma jelentkezett, majd e probléma pontos behatárolásában és végül segítenie kell a mérnököt az okok megtalálásában is.
E cikk arra kíván rávilágítani, hogy a digitális-foszfor oszcilloszkóp (DPO) hogyan hoz új, fontos lehetőségeket a digitális áramkörök hibakeresésében.
Ahhoz, hogy a problémát megoldjuk, először fel kell ismerni
A legtöbb oszcilloszkóp, beleértve az analóg valósidejű (ART) és a digitális tárolós (DSO) oszcilloszkópokat is, nem rendelkezik azokkal a képességekkel és jellemzőkkel, amelyekkel lépést tudna tartani a digitális világ fejlődésével. Gondoljuk meg például a jeltisztaság problémáját, amely mindennapos a digitális tervezésben: egy keskeny tranziens komolyan befolyásolhatja az áramkör működését. Az analóg oszcilloszkóp, még ha elegendő is a sávszélessége az esemény detektálására, nem képes arra, hogy megfelelő fényerővel megjelenítse. A sokkal erősebb főjel elhomályosítja ezt a jelet.
Továbbá, az analóg oszcilloszkóp kevés lehetőséget ad a jel tárolására, elemzésére vagy a tűimpulzus elkülönítésére. A gyorsabb DSO befoghatja ugyan a tranzienst, de nem tudja valós időben megjeleníteni az ismétlődő főjeltől elkülönítve. Ennek eredményeképpen úgy tűnik, mintha a tranziens olyan gyakran fordulna elő, mint a főjel.
A DPO teljesen új kategóriát képvisel az ilyen típusú jelek megjelenítésében. A DPO digitális-foszfor megjelenítője képes arra, hogy pontosan adja vissza a digitális jelet és az időszakosan jelentkező hibát valós idejű, fényintenzitásban skálázott részletességgel, hasonlatosan az analóg oszcilloszkóphoz. Ennek oka a hasonló teljesítményű DSO-hoz képest egy nagyságrenddel nagyobb jelbefogási rátája. Ez lényeges előnyt jelent akkor, ha a tranzienshez hasonló időszakos problémák megjelenítése a feladat. Jelbefogási rendszere az idő sokkal nagyobb részében aktív, így a DPO több százszor nagyobb lehetősége van a tűimpulzusok és a ritkán előforduló események befogására.
Másodsorban a DPO valósidejű, fényintenzitásban modulált megjelenítője a jel aktivitásának időbeni "történetéről" ad részleteket, egyszerűvé téve a befogott probléma észlelését. Fényesebbé teszi azokat a területeket, ahol a jelsugár gyakrabban fut át, hasonlatosan az analóg oszcilloszkóphoz. Egy ritkán előforduló esemény sötétebb mint a fő jelforma, amely folyamatosan ismétlődik, de még nagyon jól látható és megkülönböztethető. A változások azonnal láthatóak úgy, ahogy megtörténnek. A fényerősség-moduláció a digitális szemábra és jitter megjelenítésénél is nagyon hasznos.
Az 1a és 1b ábra azt mutatja meg, hogy a fényintenzitás-moduláció segítségével milyen tisztán adható vissza a jelaktivitás.
1a ábra: A DSO megjelenítőjén a zavaró impulzus nem látható, vagy bizonytalan
1b ábra: A DPO kijelzőjén a zavaró impulzus kisebb intenzitással jelenik meg
A trigger segít elkülöníteni a zavaró jelet
Ha már kiválasztotta a megfelelő mérőfejet, a triggerelési lehetőségek széles választéka elengedhetetlen a hibakereséshez. Olyan DPO-ra van szüksége, mely a logikai triggerelés teljes kínálatával rendelkezik. A triggerelési módok magukba kell, hogy foglalják az állapot, impulzusszélesség, csökkent amplitudó, jelfelfutási meredekség, stb. triggerelést. A megfelelő triggerelés beállításával könnyen behatárolható a probléma és elvégezhető az okok elemzése.
A versenyfutási jelenség, a hazárd gyakran jelent problémát az új digitális áramkörök tervezésekor, különösen azért, mert a feszültségküszöbök közelebb kerültek és az időzítésbeli tűrés még kritikusabb lett. A hazárd egyik eredménye egy tranziens, egy olyan impulzus, mely sokkal keskenyebb, mint a normál adatjelek az áramkörben. A legtöbb digitális rendszer meghatározza az érvényes adatjel minimális impulzusszélességét és az ez alatti szélességű impulzusokat meg kell szüntetni. Az impulzus-szélesség (PW) triggerelése, mely a legtöbb DPO-ban rendelkezésre áll, hatékony eszköz a tranziensek felderítésében.
A PW trigger alkalmazása esetén beállítható a szélesség, polaritás és a szint, ahogy az előzőekben ismertettük. Ráadásul egy "indítsd, ha ..." menü is rendelkezésre áll, mely segítségével négy időzítési feltételből választhat: kisebb, mint ( a megadott impulzusszélesség ), nagyobb, mint, egyenlő vagy nem egyenlő. Tipikusan a "kisebb, mint" feltételt kívánja majd használni. Így, amikor az oszcilloszkóp elindítja a lefutást, rögzíti azokat az impulzusokat, melyek keskenyebbek, mint a megadott érték.
Az állapot-triggerelés, amennyiben rendelkezésre áll, az ideális módszer azon események követésében, melyek következményei egy "órajelnek".( Vagy annak kellene lenniük ). Az állapot-triggerelés annak ellenőrzésében segít, hogy az adat a szinkron átvitelben a megfelelő szekvenciában érkezik. A triggerelő rendszer két bemenetet figyel: az "állapot-" vagy adatbemenetet és az órajelet ( melynek nem kell órajel-impulzusnak lennie, csak egy állapot-átmenetnek amely engedélyezi az adat beírását). A 2. ábrán például, az írásengedélyezés (WE) jel használatos órajelként. A DPO a beállítása szerint akkor triggerel, amikor az adatjel "igaz" (1) és a írásengedélyezés jel 1-ről 0-ra vált. Előfordul írásengedélyezés akkor, amikor az adatjel érvényes? Példánkban: igen. Az írást engedélyező jel beérkezése a bejövő adatjel ellenőrzésére készteti az oszcilloszkópot és az érvényesnek találja a jelet a WE átmenet pillanatában. A berendezés elindítja a befogást és megjeleníti a két jelet.
2. ábra. Az állapot-triggerelés megerősíti, hogy az írásengedélyező jel megfelelő időpontban érkezik.
A problémák megoldásának ideális útja
A mai digitális áramkörök egyre nagyobb kihívást jelentenek a hagyományos mérőeszközök számára. A növekvő órajel-frekvenciák, a kisebb feszültségablakok és a növekvő funkcionális bonyolultság okozzák az új problémákat a méréstechnikában.
A tervezőknek és a tesztelőknek szükségük van egy új módszerre, hogy e jeleket tisztán lássák, mérjék és elemezzék.
A DPO alkalmazása egyszerűsíti a tervezési és hibakeresési feladatokat a fényintenzitásban modulált valósidejű megjelenítő és a kifinomult triggerelési rendszer alkalmazásával, bárhol is legyen szükség digitális mérésekre.
A digitális-foszfor oszcilloszkóp az analóg és a digitális világ legjobb jellemzőit egyesíti azáltal, hogy egy hullámalak minden fontos jellemzőjét három dimenzióban ábrázolja: az amplitudó, az idő és a fényintenzitás tengelyén - utóbbi a jelamplitudó időbeli eloszlását teszi láthatóvá. Ezt úgy éri el, hogy a DPO digitálisan emulálja azt a kémiai folyamatot, amely az analóg oszcilloszkóp katódsugárcsövén létrehozza a fényintenzitás fokozatos változását. A 3. ábra a DPO egyszerűsíttet tömbvázlatát mutatja.
3. ábra A DPO egyszerűsített tömbvázlata
A digitális foszfor alkalmas az információ három dimenziójának befogására és megjelenítésére, ami a megjelenítő és jelbefogó rendszert integráló párhuzamos jelfeldolgozási architektúrájának köszönhető. Vegyük észre, hogy a DPO mikroprocesszorát nem terhelik a megjelenítő vezérlésének feladatai. A processzor a mérés-automatizálási és elemzési feladatokat végzi. Ez a megoldás erősen különbözik a DSO-ban alkalmazottól, ahol a kijelzőn megjelenítésre kerülő adat minden bitje a mikroprocesszoron keresztül kell, hogy áthaladjon, mely processzor egyébként számításokat is végez, vezérli az oszcilloszkóp kezelői felületét, stb.
Ez a párhuzamos feldolgozás olyan kiemelkedő jelbefogási rátát biztosít a DPO-nak, mely összemérhető a valós idejű oszcilloszkópok jellemzőivel. A hagyományos DSO-k az idő csak igen kis részében vesznek mintát - kevesebb, mint 1%-ban. Az idő többi részében a jelalak megjelenítése folyik és ennek káros mellékhatásaként az ilyenkor megmutatkozó jelaktivitás nincs figyelembe véve. Ezzel ellentétben a DPO közvetlenül a jelbefogó rendszerben állítja elő a megjelenítendő hullámalakot olyan gyorsan, ahogy a jel triggerelése ezt lehetővé teszi. Ennek eredményeképpen a megjelenő kép a jel aktivitását valós időben követi és a bőséges jelinformáció pontosan tükrözi a hullámalakot.
Az "utánvilágítós" üzemmód használatos némely DSO-kban a fényintenzitás változásának előállítására. De ezek a technikák a hagyományos technikával befogott jelalak utólagos, nem pedig valósidejű feldolgozásán alapulnak. Az utánvilágításos üzem sok "kép" tárolását igényli a megjelenítő memóriájában, de a megjelenítendő jelalak előállításának idejét a DSO alacsony jelbefogási rátája korlátozza. A DPO ezzel szemben a megjelenítő és jelbefogó rendszert egyazon egységbe integrálja, biztosítva ezzel a jelinformáció mindhárom dimenziójának valósidejű megjelenítését, mely az analóg oszcilloszkópéval megegyező módon állandóan, folyamatosan látható a képernyőn.
A DPO-k, melyeket először csak a legkritikusabb tervezési alkalmazásokban használtak, most kis méretű, könnyű berendezések formájában is megjelentek, de a nagysebességű digitális jelek vizsgálatához szükséges kivételes jellemzőkkel. Például a Tektronix TDS3000-es DPO sorozatának sávszélessége 500 MHz-ig terjed, de rendkívül kicsi és könnyű ( 3.2 kg ). Az opcionális akkumulátoros tápellátás is biztosított. Ezek teszik ideálissá ezeket a DPO-kat a tervezői munkaasztalon és a távoli helyeken végzett munkában egyaránt.
Fontos a megfelelő kapcsolat a mérendő jellel
A mérendő jelnek az oszcilloszkópba történő bevezetése az első fontos lépés minden mérésnél. Mostanáig az általánosan használt passzív mérőfejek éppen megfeleltek a szokásos digitális áramkörök mérésére. Viszont a nagyobb jelfrekvenciájú 3V-os digitális jelek mérésekor a gondosan megválasztott mérőfej alapvető fontosságú, mert így érhető el, hogy a mérőfej ne terhelje a mérendő áramkört és ne torzítsa a mérendő jelet. Ahogy az órajel-frekvenciák és a jelfrekfenciák nőnek, a közönséges passzív mérőfejek már torzítani kezdik a jelet: lekerekítik a négyszögimpulzusok sarkait, túllövéseket hoznak a tranziensekbe és csökkentik a jelfelfutás meredekségét. Ezen felül, némelyik még ténylegesen is terheli a mért áramkört. Vélt problémák jelennek meg, melyek valójában nem is problémák, míg a valóságos problémák - egy tűimpulzus vagy egy jelfelfutási késleltetés - rejtve maradnak.
Gyakran az aktív mérőfej a legjobb megoldás. Egy aktív, vagy FET mérőfej beépített tárolóáramkörrel rendelkezik, melynek feladata a mérőkábel és az oszcilloszkóp bemenetének induktív és kapacitív hatásaitól elszigetelni a mérendő jelet. Az aktív mérőfejeknek egyenáramú tápellátásra van szüksége, melyet biztosíthat külön tápegység vagy az oszcilloszkóp saját mérőfej-bemenete is.
A 4. ábra mutatja a passzív és az aktív mérőfej alkalmazásával mutatott jelalakok közötti különbséget. A mért áramkör egy CMOS inverter. A tényleges jelfelfutási idő kb. 1.28 ps.
A felső jelalakot egy TDS3000-es DPO mutatja egy hagyományos 10X passzív mérőfejjel. Az alsó jel ugyanazt a bemenetet mutatja, de egy Tektronix P6243 aktív mérőfej alkalmazásával mérve. E mérőfej 1pF-os bemeneti kapacitása minimális terhelést jelent, míg kis fizikai méretei alkalmassá teszik a kis méretű, felületszerelt áramköri elemek mérésére is. A TDS3000 beépített TekProbe Level II interfésze végzi el a P6243 mérőfej tápellátását. Az interfész illeszkedik az aktív, nagyfrekvenciás mérőfejek széles választékához , az árammérő és a differenciális, valamint a hagyományos 10X passzív mérőfejekhez is. A mérőfej interfésze biztosítja a tápellátást ott, ahol szükséges, és továbbítja a mért jelet, mely a szintnek, leosztásnak megfelelően automatikusan korrigált.
Könnyen észrevehető a különbség a két jelalak között. Az aktív mérőfej pontos jelfelfutási jellemzőket biztosít, míg a passzív valójában csökkenti a jelfelfutás meredekségét. Ez a torzítás magában hordozza a rossz következtetések levonásának veszélyét hibakeresés esetén, hiszen egy keskeny tűimpulzus akár láthatatlan is maradhat!
4. ábra: A passzív és a P6243 aktív mérőfej alkamazásával mutatott jelalak ugyanazon forrásról