Concetti fondamentali sull'integrità del...

Concetti fondamentali sull'integrità del segnale

3www.tektronix.com/signal_integrity

Indice

Introduzione --------------------------------------------------4

Che cosa significa “integrità del segnale”? ------------------4

Tecnologia digitale --------------------------------------------5

La tecnologia digitale e l’epoca dell’informazione

(“Information Age”) ------------------------------------------5

Panorama sulla tecnologia------------------------------------6-7

Progettazione in base ai concetti dell’integrità del segnale --6-11

Soluzioni di validazione --------------------------------------12

Requisiti per la validazione dell’integrità del segnale 12

I logic analyzer rilevano i difetti digitali 13

Sonde per logic analyzer 14

Gli oscilloscopi digitali rilevano le aberrazioni analogiche 15-16

Sonde per oscilloscopio 17

L’importanza della larghezza di banda dell’oscilloscopio 18-19

Integrazione tra i logic analyzer e gli oscilloscopi per

l’identificazione dei problemi di integrità del segnale 20

Gli strumenti di analisi del jitter semplificano le

misure complesse 21

Esempi di applicazione --------------------------------------22-25

Riepilogo ------------------------------------------------------26

Concetti fondamentali sull'integrità del segnaleManuale introduttivo

4 www.tektronix.com/signal_integrity


Che cosa significa “integrità del segnale”?

Secondo la definizione tradizionale, il termine “integrità”

significa “completezza e assenza di alterazioni”. Quindi, un

segnale digitale con buona integrità presenta transizioni veloci

e nitide, livelli logici validi e stabili, posizionamento preciso nel

tempo e assenza di transitori. Per motivi che sono spiegati più

avanti, nei sistemi digitali diventa sempre più difficile generare

segnali completi e senza alterazioni, e mantenerli in tali

condizioni. L’integrità dei segnali digitali è diventata un

problema pressante per gli sviluppatori di sistemi.

Lo scopo di questa guida è di presentare le informazioni

necessarie per comprendere le cause, le caratteristiche, gli

effetti e le soluzioni ai problemi relativi all’integrità del segnale

nei sistemi digitali.



La tecnologia digitale e l’epocadell’informazione(“Information Age”)

Sono ormai trascorsi vent’anni da quando il personal computer

è emerso nella sua forma attuale, e quasi quindici anni dalla

diffusione della telefonia cellulare tra i consumatori. Durante

questi anni, una tendenza si è mantenuta costante: la richiesta

di ulteriori funzioni e servizi, e della larghezza di banda necessaria

per renderli disponibili. Gli utenti PC della prima generazione,

inizialmente entusiasti della potenza di un semplice foglio di

calcolo, adesso richiedono grafica, audio e video. Mentre un

tempo gli abbonati ai servizi di telefonia mobile erano soddisfatti

semplicemente di poter conversare usando un telefono senza

fili, adesso si aspettano di poter scambiare messaggi di testo,

controllare quotazioni, navigare in Internet, e altro ancora.

Ovunque nel mondo, aziende, governi e persone dipendono da

tutti questi nuovi tipi di informazione e dalla loro accessibilità

veloce e affidabile. Il termine “Information Age” è stato coniato

per descrivere la cultura odierna, basata sui dati e su elementi

interdipendenti e strettamente intrecciati.

La richiesta di informazioni è stata soddisfatta con un flusso

costante di innovazioni tecnologiche nei settori dei semiconduttori,

delle architetture dei bus per PC, delle infrastrutture di rete e

delle comunicazioni wireless digitali. Nei PC (e ancora di più

nella classe speciale dei PC noti come “server”), le velocità dei

processori sono cresciute fino all’intervallo dei GHz;

e la capacità delle memorie e le velocità interne dei bus sono

aumentate in modo corrispondente.

Queste velocità notevolmente più alte rendono possibili

applicazioni per computer quali, ad esempio, giochi

in tre dimensioni e programmi CAD (computer-aided design).

Le immagini tridimensionali, ombreggiate e simili a immagini reali

che si vedono sugli schermi dei computer richiedono una

larghezza di banda enorme al livello delle schede di circuiti,

dove i dati devono essere trasferiti costantemente tra la CPU,

il sottosistema per la grafica e la memoria mentre l’immagine

è in movimento.

I computer sono solo un aspetto di quest'epoca dell’informazione

affamata di sempre più grandi larghezze di banda. I progettisti

di apparati per comunicazioni digitali (particolarmente quelli

impegnati nello sviluppo di elementi di infrastrutture ottiche

ed elettriche sia per le reti mobili che per quelle fisse) stanno

esplorando velocità di trasmissione dati fino a 40 Gbit/s, mentre

i team di sviluppo di prodotti video digitali stanno progettando

una nuova generazione di apparati di trasmissione per il video

interattivo ad alta definizione. La tabella 1 riepiloga alcune delle

velocità di trasmissione dati dei sistemi digitali odierni.

Alla base di questi progressi nelle velocità di trasmissione dati

vi sono numerose tecnologie. Stanno emergendo bus seriali per

superare le barriere alle velocità intrinseche delle architetture più

antiche, basate sui bus paralleli. Esistono componenti, come

ad esempio le memorie Rambus, che funzionano solo con

impedenze di 28 ohm (anziché con quelle, più comuni, di

50 ohm) per assicurare l’integrità del segnale alle massime

frequenze di clock. Inoltre, come risultato dell’impegno degli

sviluppatori nella ricerca di metodi per ottimizzare la densità

e ridurre al minimo le lunghezze dei percorsi, si sono diffuse

schede di circuiti di dimensioni ridotte e a maggiore densità, che

impiegano circuiti integrati BGA (ball grid array) e microvie sepolte.



Progettazione in base ai concettidell’integrità del segnale

L’aumento della larghezza di banda rendepiù importanti i “dettagli” dellaprogettazione digitale

La corsa alla larghezza di banda digitale richiede un modo di

pensare innovativo. Per aumentare la velocità di funzionamento

di un sistema non basta limitarsi a progettare un clock più veloce.

All’aumentare della frequenza, le tracce praticate su una scheda

di circuiti non sono più semplici conduttori. A frequenze più

basse (come ad esempio la frequenza di clock di un sistema

digitale più vecchio), le tracce presentano caratteristiche

soprattutto resistive. A frequenze più alte, le tracce cominciano

a funzionare come condensatori. A frequenze ancora più alte,

l’induttanza delle tracce diventa più importante. Tutte queste

caratteristiche possono influire negativamente sull’integrità del

segnale.

A frequenze di clock pari a centinaia di megahertz e oltre, ogni

singolo dettaglio del progetto è importante:

Distribuzione del clock

Progettazione del percorso del segnale

Stub

Margine di rumore

Impedenze e carico introdotto

Effetti di linea di trasmissione

Correnti di ritorno sul percorso del segnale

Terminazione

Disaccoppiamento

Distribuzione della potenza.

Tutte queste considerazioni hanno un effetto sull’integrità dei

segnali digitali mediante i quali si propagano in un sistema le

informazioni del clock e i dati. Un impulso digitale ideale è coeso

nel tempo e in ampiezza, è esente da aberrazioni e jitter,

e presenta transizioni nitide e veloci. All’aumentare delle velocità

dei sistemi, risulta sempre più difficile conservare le caratteri-

stiche ideali del segnale. Ecco perché l’integrità del segnale

è diventata “improvvisamente” un problema. Il tempo di salita di

un impulso può essere adeguato in un sistema dotato di clock

a 50 MHz, ma inadeguato a frequenze di clock pari o superiori

a 500 MHz. L’integrità del segnale diventa un problema sempre

più importante man mano che nei sistemi digitali diventano normali

velocità di trasmissione dati dell’ordine dei gigabit al secondo.

I problemi di temporizzazione digitalepossono causare problemi di integrità del segnale

Un tecnico impegnato nella progettazione di un sistema digitale

evoluto può facilmente trovarsi di fronte a problemi di integrità

del segnale nella loro forma digitale: cioè, i segnali binari alle

uscite del dispositivo o del bus producono valori errati. Gli errori

possono comparire durante la visualizzazione della forma d’onda

(misura della temporizzazione) su un logic analyzer, oppure

presentarsi al livello dello stato o anche del protocollo. Si tenga

presente che un bit errato può influire notevolmente sul risultato

di un’istruzione o di una transazione.

Le aberrazioni del segnale digitale hanno numerose cause di

fondo. Sono specialmente comuni i seguenti problemi, derivanti

dalla temporizzazione.

Quando due dispositivi di pilotaggio cercano di utilizzare

simultaneamente lo stesso bus, si verifica un conflitto e ne

risultano inevitabilmente aberrazioni. Normalmente, uno dei

dispositivi dovrebbe portarsi a uno stato di impedenza alta

e rimanere disinserito mentre l’altro dispositivo invia i dati.

Se lo stato del primo dispositivo non cambia nel tempo,

i due dispositivi cercano di utilizzare simultaneamente il bus.

Poiché nessuno dei due prevale, il bus si porta a un’ampiezza

indeterminata che può non riuscire a raggiungere la tensione

di soglia, creando, ad esempio, un livello logico “0” laddove

dovrebbe esserci un “1”.

Nei sistemi digitali si possono verificare violazioni del tempo

di setup e hold. Un dispositivo pilotato da un clock, come

ad esempio un flip-flop di tipo D, richiede che i dati

rimangano stabili al suo ingresso per un tempo specificato,

noto come tempo di setup, prima dell’arrivo del segnale di

clock. Analogamente, i dati d’ingresso devono rimanere

validi per un tempo specificato, noto come tempo di hold,

dopo il fronte iniziale del clock.


Una violazione del tempo specificato di setup e/o di hold

può causare glitch imprevedibili all’uscita o addirittura

un’assenza della transizione di uscita. All’aumentare delle

velocità dei dispositivi si richiedono tempi di setup e hold

sempre più brevi, così che risulta più difficile risolvere eventuali

problemi delle relazioni di temporizzazione.

La metastabilità è uno stato dei dati instabile o indeterminato,

risultante da una violazione di temporizzazione come ad

esempio un problema di setup e hold. Il segnale di uscita

che ne deriva può essere un glitch che causa problemi.

Quando gli stati di commutazione di più ingressi di un

dispositivo logico non sono nella giusta relazione temporale,

si possono verificare condizioni indefinite. Ciò può essere

causato da variazioni o errori nel ritardo di questi segnali

d’ingresso.

Gli strumenti di acquisizione digitale – in particolare i logic

analyzer – offrono funzioni che facilitano enormemente l’utilizzo

del trigger sui segnali digitali di svariati tipi e la memorizzazione

e visualizzazione dei segnali digitali. Le sonde collegate al sistema

in prova inviano dati a più canali del logic analyzer. Gli avanzati

logic analyzer odierni possono acquisire dati simultaneamente

da migliaia di punti di test.

La modalità fondamentale di visualizzazione è la schermata della

temporizzazione, che mostra flussi di impulsi digitali e la loro

posizione relativa nel tempo, come illustrato nella Figura 1.

La schermata dello stato (Figura 1) presenta i dati qualificati da

un segnale di clock generato all’interno del dispositivo in prova,

permettendo al progettista di valutare lo stato del circuito digitale.

Questi risultati possono essere ulteriormente analizzati con l'aiuto

di disassemblatori e pacchetti di supporto del processore che

permettono all'analizzatore di stati logici di mettere in relazione il

tracciato del software in tempo reale (riferito al codice sorgente)

con l'attività hardware di basso livello. Nella maggior parte degli

strumenti, ciò si limita al dominio digitale.

Quando si esegue questo tipo di acquisizione convenzionale

basata sul logic analyzer, sia gli errori di ampiezza che i glitch

possono sembrare livelli logici validi sebbene contengano dati

errati. Per esempio, si può osservare un valore errato nel codice

esadecimale, ma non è possibile vedere perché si verifica.

Se non si dispone di alcun mezzo per analizzare ulteriormente

l’andamento del segnale, può essere molto difficile individuare

la causa dell’errore logico.

Figura 1. Display dell'analizzatore di stati logici sul quale sono visualizzate leforme d'onda di temporizzazione e il tracciato, o sequenza delleistruzioni, del software in tempo reale riferito al codice sorgente.



Figura 3. Se si impiega il clock A per sincronizzare i dati, il suo lungotempo di salita consuma una parte eccessiva del tempodisponibile per essi. Il fronte del clock B, più veloce, lascia piùtempo per il trasferimento dei dati. (Il diagramma non è inscala).

Figura 2. La traccia nera relativa all’ingresso A è una rappresentazioneanalogica del segnale effettivo. La forma d’onda nera, con unlungo tempo di salita, attraversa la soglia in ritardo, determinandoun impulso di uscita più breve. L’integrità del segnaleall’ingresso A è molto scadente.


Individuazione di aberrazioni analogiche

Molti problemi digitali sono molto più facili da individuare se

si può analizzare più accuratamente l’andamento del segnale

e osservare la rappresentazione analogica del segnale digitale

difettoso. Sebbene il problema possa apparire come un impulso

digitale posizionato erroneamente, la causa potrebbe derivare

dalle caratteristiche analogiche del segnale difettoso, in quanto

esse possono diventare difetti digitali se segnali di ampiezza

bassa si trasformano in stati logici errati o se tempi di salita lunghi

causano sfasamenti degli impulsi. Osservare un flusso di impulsi

digitali insieme a una schermata analogica simultanea degli impulsi

stessi è il primo passo da compiere per individuare problemi di

questo tipo.

Ogni volta che si affronta il problema dell’integrità del segnale,

occorre prestare particolare attenzione alle transizioni del segnale

stesso. Il diagramma di temporizzazione nella Figura 2 ne spiega

il motivo. Si assuma che due segnali siano presenti agli ingressi

di una ordinaria porta AND. La traccia grigia relativa all’ingresso

A mostra l’impulso come “dovrebbe essere”. La traccia nera

distorta e sovrapposta alla traccia grigia è una rappresentazione

analogica del segnale effettivo. Quest’ultimo, a causa del suo

lungo tempo di salita, attraversa la soglia con un notevole ritardo

rispetto all’istante specificato. Ne consegue che l’impulso di

uscita ha durata più breve di quella specificata (l’impulso di durata

corretta è illustrato in grigio). Questo problema può causare errori

nelle fasi logiche successive. L’integrità del segnale all’ingresso A

è molto scadente, con gravi conseguenze per gli elementi

digitali in altri punti del sistema.

Si presuma che l’uscita sia diventata parte di un indirizzo di

memoria. L’impulso breve potrebbe far sì che la memoria rilevi

uno “0” laddove dovrebbe esserci un “1”, e quindi selezioni una

posizione di memoria completamente diversa da quella prevista.

Naturalmente il contenuto di tale posizione sarà totalmente

inadeguato per la relativa transazione, il cui risultato finale

non sarà valido.

I fronti di transizione lenti di un segnale possono causare difetti

intermittenti nel sistema anche se non causano errori ripetitivi.

I brevi intervalli per la temporizzazione che si richiedono nei

sistemi più veloci lasciano tempi ridottissimi per le transizioni di

salita e discesa del segnale. Negli ultimi anni, i tempi di setup

e hold sono diminuiti notevolmente. Ad esempio, per le memorie

Rambus and DDR (double data rate) adesso si specificano tempi

di setup e hold dell’ordine di poche centinaia di picosecondi.

I fronti lenti possono lasciare un margine insufficiente per gli

intervalli di temporizzazione specificati affinché i dati siano validi

e stabili, come implicato nella Figura 3, in cui i rapporti sono

stati esagerati per mettere in risalto il concetto. Un lungo tempo

di transizione sul clock può consumare tempo per i dati validi

nel segnale.

Questi due esempi mostrano alcuni dei possibili effetti dei

problemi dei fronti in un sistema digitale.


Layout del circuito, tempi di transizionee integrità del segnale

Come si è visto, eventuali distorsioni dei tempi di salita e discesa

possono essere direttamente responsabili di difetti digitali.

Le veloci tecnologie digitali odierne richiedono segnali con fronti

veloci e nitidi.

È importante tenere presente che molti sistemi digitali progettati

con frequenze di clock ridotte possono lo stesso avere fronti

molto veloci. I progressi nella tecnologia dei dispositivi

a semiconduttori hanno consentito di ottenere fronti più veloci

in quasi tutte le famiglie logiche, e tali fronti contengono

componenti ad alta frequenza indipendentemente dalla frequenza

di clock. I fronti veloci offrono numerosi vantaggi, ma possono

anche complicare il compito del progettista.

Le attuali architetture dei bus presentano tempi di salita e discesa

nell’ordine delle centinaia di picosecondi. Nella Tabella 1 sono

illustrati alcuni esempi.

I tempi di transizione in questo intervallo impongono al progettista

di prestare particolare attenzione al momento di selezionare

i componenti, le terminazioni e il layout. Tracce lunghe appena

15 centimetri sulle schede di circuiti funzionano come linee di

trasmissione quando ai loro ingressi sono applicati segnali con

tempi di transizione minori di 2 nanosecondi, qualunque sia la

durata del ciclo di clock.

Le tecnologie dei dispositivi odierni hanno superato questa

velocità di transizione di un ordine di grandezza; ciò significa

che tale velocità è un fattore da prendere in considerazione

in ogni progetto digitale.

Quando le transizioni dei fronti accadono ad alta velocità,

si creano nuovi percorsi per il segnale. Queste connessioni

immateriali non appaiono sugli schemi circuitali, ma ciò

nonostante costituiscono un mezzo attraverso il quale i segnali

possono influire l’uno sull’altro in modi imprevedibili. Ad esempio,

i piani di massa e quelli di alimentazione diventano parte dei

sistemi di linee di trasmissione formati dai percorsi dei segnali

sulle schede di circuiti, e a loro volta interagiscono l’uno con

l’altro. Queste interazioni sono denominate “diafonia” e “riflessioni

da punti a massa”.

Effetti di questo tipo sono classici fenomeni analogici e sono

alla base dei numerosi difetti che affliggono i progetti di nuovi

sistemi digitali. L’integrità dei segnali digitali dipende dal loro

andamento nel dominio analogico.

Tabella 1. Panoramica sui tempi di transizione di dispositivi digitali.

Dispositivo digitale Tempo di transizione (tempo di salita e di discesa)

RAM DDR <250 psFireWire IEEE 1394b Da 80 a 300 psInfiniband ≈100 psUSB 2.0 >500 ps



Aberrazioni dei fronti

Possono essere causate da problemi del layout della scheda, come

descritto in precedenza, da terminazioni inadeguate o anche da

problemi di qualità nei dispositivi a semiconduttori. Le aberrazioni

includono pre-elongazioni, arrotondamenti, sovraelongazioni,

oscillazioni, tempi di salita lunghi e altro ancora.

Integrità del segnale: un termine con molti significati

Ai fini della presente guida, un problema di “integrità del segnale” viene definito come qualsiasifenomeno che possa compromettere la capacità del segnale stesso di trasferire informazioni binarie.Nei dispositivi digitali reali e in funzione, questi segnali “binari” hanno attributi analogici risultanti dainterazioni complesse tra numerosi elementi circuitali, che vanno dalle uscite dei circuiti di pilotaggioalle terminazioni dei percorsi del segnale.

I seguenti sono alcuni problemi specifici.

Problemi di ampiezza

Includono oscillazioni, “variazioni” (diminuzioni di ampiezza all’inizio

di un impulso) e impulsi runt (quelli che semplicemente non raggiungono

l’ampiezza massima).



Diafonia

Si verifica quando i segnali su tracce lunghe, e disposte l’una accanto

all’altra, si accoppiano tra di loro attraverso le mutue capacità

e induttanze. Inoltre, le correnti più alte proprie dei fronti veloci

aumentano la quantità di energia magnetica irradiata e quindi

la diafonia.

Riflessioni da punti a massa

Sono causate da un assorbimento eccessivo di corrente (e/o dalla

resistenza dell’alimentatore e dei percorsi di ritorno a massa)

e possono provocare spostamenti del livello di riferimento a massa

di un circuito quando viene richiesta una corrente elevata.

Jitter

Si verifica quando i segnali digitali presentano leggere variazioni della

posizione del fronte da un ciclo all’altro. Il jitter può influire sulla precisione

della temporizzazione e sul sincronismo nell’intero sistema digitale.

Riflessioni

Possono essere causate da problemi del layout della scheda e di

terminazioni. Il segnale che si propaga verso l’uscita può essere

riflesso verso il generatore e interferire con gli impulsi successivi.




Requisiti per la validazionedell’integrità del segnale

Le osservazioni e le misure dirette sul segnale sono l’unico modo

per scoprire le cause dei problemi relativi all’integrità del segnale.

Come sempre, la scelta dello strumento adatto semplifica il

compito. Nella maggior parte dei casi, le misure di integrità del

segnale vengono eseguite con gli stessi, familiari strumenti presenti

in quasi ogni laboratorio di ingegneria elettronica, come ad

esempio il logic analyzer e l’oscilloscopio. Completano il kit

basilare di strumenti le sonde e il software applicativo. Inoltre, si

possono adoperare generatori di segnale per ottenere segnali

distorti per l’esecuzione dei test in condizioni limite e la valutazione

di nuovi dispositivi e sistemi.

Quali sono le domande essenziali da porre quando si

predispone un sistema di misura dell’integrità del segnale?

Le seguenti sono le considerazioni più importanti da fare.

Sonde – Lo strumento di misura può trasmettere i segnali con

precisione dal dispositivo in prova all’ingresso del sistema di

acquisizione? Le sonde sono affidabili e di facile uso?

Larghezza di banda e risposta al gradino – Lo strumento di

misura può distinguere con affidabilità l’attività del segnale

(sia digitale che analogica) sino all’intervallo dei picosecondi?

Verosimilmente, le caratteristiche di misura più importanti in

relazione all’integrità del segnale sono la risposta al gradino

e la larghezza di banda dell’oscilloscopio, in quanto assicurano

un’acquisizione adeguata delle aberrazioni del segnale che

ne definiscono l’integrità.

Risoluzione temporale – Lo strumento di misura può acquisire

correttamente i tempi di transizione in ogni ciclo di dati, anche

alle frequenze di clock più alte? La risoluzione temporale del

logic analyzer è essenziale per la rilevazione iniziale degli impulsi

e dei fronti posizionati erroneamente, che possono indicare

problemi di integrità del segnale.

Lunghezza di registrazione – Quanti campioni può memorizzare

lo strumento di misura a frequenze di campionamento elevate?

Trigger – Lo strumento di misura offre una scelta versatile

di trigger e, ancora più importante, è dotato di trigger che

consentano di individuare problemi relativi all’integrità del

segnale?

Visualizzazione e analisi – Lo strumento di misura può

visualizzare i risultati in modo tale che siano di facile

lettura e interpretazione?

Integrazione: lo strumento di misura è integrabile con altri

strumenti per creare una soluzione di misura analogica

e digitale bilanciata, che offra visibilità completa del sistema

ai livelli digitale, analogico e di protocollo?


I logic analyzer rilevano i difetti digitali

Come accennato in precedenza, il logic analyzer è il primo

strumento da adoperare per l’individuazione dei problemi

digitali, specialmente su sistemi complessi che hanno molti

bus, ingressi e uscite. Il logic analyzer offre un numero elevato

di canali, una grande capacità di memoria e funzioni avanzate

di trigger per l’acquisizione dei dati digitali da numerosi punti di

test e per la visualizzazione coerente delle informazioni.

Trattandosi di uno strumento completamente digitale,

l'analizzatore di stati logici rileva i superamenti della soglia sul

segnale che sta monitorando, per poi visualizzare i segnali

logici nello stesso modo in cui vengono visti dai circuiti. Le

forme d'onda di temporizzazione risultanti sono chiare e

comprensibili e possono essere facilmente confrontate con i

dati previsti per confermare il corretto funzionamento del

sistema. Queste forme d'onda di temporizzazione

costituiscono solitamente il punto di partenza della ricerca di

quei problemi del segnale che ne compromettono l'integrità.

Non tutti i logic analyzer sono adatti per eseguire l’analisi

di integrità del segnale alle odierne velocità di trasmissione dati

estremamente alte (e in continuo aumento). La Tabella 2 riporta

alcune linee guida da tenere presenti quando si deve scegliere

un logic analyzer per operazioni complesse di individuazione

dei problemi di integrità del segnale.

Concentrandosi principalmente su velocità di campionamento

e capacità di memoria, è probabile che si trascurino le funzioni

di trigger di un analizzatore di stati logici. I trigger, tuttavia,

rappresentano spesso il metodo più rapido per individuare un

problema. Dopo tutto, se un analizzatore di stati logici inizia

un’acquisizione in seguito a un errore, significa che l'errore si

è verificato. La maggior parte degli analizzatori logici attuale

è dotata di trigger per la rilevazione di alcuni eventi che

compromettono l'integrità del segnale, quali anomalie e violazioni

di tempi di setup & hold. Caratteristica peculiare degli analizzatori

logici è che queste condizioni di trigger possono essere applicate

a centinaia di canali contemporaneamente.

Tabella 2. L'analisi dell'integrità del segnale richiede la migliore prestazione possibile da parte di un analizzatore di stati logici.


Caratteristica del logic analyzer Funzione suggerita per l’analisi dell’integrità del segnaleIntegrazione dell'oscilloscopio Tracce di un oscilloscopio allineate nel tempo sullo schermo dell'analizzatore di stati logici,

diagrammi a occhio multicanaleUtilizzo di sonde Acquisizione simultanea analogica, dello stato e della

temporizzazione mediante la stessa sonda del logic analyzer.Risoluzione delle misure di temporizzazione 125 ps (a una frequenza di clock pari a 8 GHz).Frequenza di acquisizione dello stato Fino a 800 MHz.Lunghezza di memoria Fino a 256 MB.Trigger Sui fronti, sui glitch, sui livelli logici, sulla condizione di setup/hold, ecc.Analisi Disassemblatori e pacchetti di supporto al processore.Display Più display.



Sonde per logic analyzer

Il sistema di sonde da usare con un logic analyzer ha una

funzione essenziale nell’acquisizione digitale ad alta velocità.

La sonda deve fornire il segnale all'analizzatore di stati logici con

la massima fedeltà possibile. Mentre la maggior parte degli

analizzatori logici soddisfa questo requisito fondamentale, alcuni

modelli lo hanno sviluppato ulteriormente.

Alcuni analizzatori logici richiedono connessioni separate per le

acquisizioni di tempo e di stato. Nota come “acquisizione

a doppia sonda”, questa tecnica può alterare le condizioni di

propagazione del segnale, influendo sulle misure che si devono

eseguire. Ad esempio, collegando contemporaneamente due

sonde al punto di test si possono creare livelli inaccettabili di

carico sul segnale, mentre collegandole una alla volta si espone

due volte il punto di test al rischio di danni o di connessione

errata. Inoltre, occorre molto tempo per collegare due sonde

separate al dispositivo in prova.

Altri analizzatori logici sono in grado di misurare

contemporaneamente le acquisizioni di tempo e di stato tramite

la stessa sonda. Questa acquisizione contemporanea di tempo

e di stato velocizza la ricerca dei problemi e supporta

le operazioni di analisi dell'integrità del segnale, rendendo

trascurabile l'influenza delle sonde sul sistema in esame.

Recentemente, la tecnologia dei sistemi di sondaggio

ha raggiunto nuovi livelli di prestazioni. L'ultima generazione

di sonde per analizzatori logici può trasferire dati digitali (sia di

tempo sia di stato) all'analizzatore di stati logici, oltre a inviare

questi stessi segnali a un oscilloscopio sotto forma di segnali

analogici. Una singola sonda dell'analizzatore gestisce sia

i segnali logici sia i segnali digitali.

Nei sistemi digitali ad alte prestazioni, il mezzo più pratico per

misurare i segnali è costituito da un punto di test dedicato. Alcuni

di questi punti di test sono dotati di piedini per semplificare la

connessione con conduttori e/o sonde a innesto. Questi tipi di

connettori di test influiscono sul contesto del segnale del

dispositivo in esame, anche quando questo non è collegato

a un analizzatore di stati logici.

Le sonde di un analizzatore di stati logici possono essere fissate

a connettori dedicati presenti sul sistema in esame. In questa

applicazione viene utilizzato il connettore compatto Mictor,

dispositivo ad alta densità unito a un corrispondente connettore

sulla sonda dell'analizzatore. I connettori montati su scheda

offrono connessioni veloci e stabili, ma fanno lievitare il costo del

dispositivo e possono influire sul funzionamento con segnali ad

alta velocità.

Come alternativa ai convenzionali connettori Mictor per sonde,

per gli analizzatori logici esistono le sonde a compressione ad

alta densità (HD) e la tecnologia di sondaggio D-Max™. Queste

nuove sonde non richiedono connettori sul dispositivo in esame,

poiché si appoggiano direttamente su aree di contatto predisposte

sulla scheda. La Figura 4 mostra una sonda D-Max™ senza

connettori installata su una scheda. Tenute in posizione da

inserti particolari, queste sonde risolvono il problema dell'induttanza

del conduttore comune e offrono un carico capacitivo molto

ridotto, pari a soli 0,5 pF. Permettono inoltre misure sia sbilanciate

che differenziali, senza peraltro richiedere alcuna compensazione

del numero di canali.Le sonde a compressione HD hanno un

effetto minimo sul segnale rispetto a qualsiasi sistema di sonde

per logic analyzer.


sonda senza connettori D-Max™ per analizzatori logici ha

un impatto decisamente inferiore sulla scheda rispetto a una

connessione di tipo Mictor, ma richiede che nel layout della

scheda siano previste aree di contatto. La posizione della sonda

sul bus può essere determinante riguardo l’aspetto dei segnali

esaminati; si raccomanda pertanto di posizionare le connessioni

dei punti di test nelle immediate vicinanze dei dispositivi riceventi,

dove i segnali mostrano le caratteristiche che saranno "viste" dai

circuiti integrati logici. Le dimensioni ridotte della sonda senza

connettori D-Max™ permettono di posizionarla pressoché

ovunque.

Gli oscilloscopi digitali rilevanole aberrazioni analogiche

L’altra metà della soluzione di analisi per la misura dell’integrità

del segnale è l’oscilloscopio digitale, che va adoperato per

individuare i problemi analogici una volta acquisiti (nella loro

forma digitale) con il logic analyzer. Questo sarà lo strumento

che verrà utilizzato per studiare i problemi analogici, una volta

che i relativi segnali saranno stati acquisiti (nel loro formato

digitale) dall'analizzatore di stati logici.

Una delle caratteristiche più preziose di un DSO o di un DPO

è la loro capacità di acquisire un evento singolo. Il DSO o il DPO

acquisiscono le caratteristiche analogiche del segnale a cui sono

collegati; possono visualizzare con eguale facilità e precisione

un’onda quadra, un picco transitorio (spike) o un’onda sinusoidale

pura. Il loro trigger può essere comandato sul segnale visualizzato,

su un segnale di sincronismo generato dal sistema in prova o su

un segnale applicato da uno strumento collegato, come ad

esempio un logic analyzer.

Un altro vantaggio è la sonda spostabile. Sebbene l'analizzatore

di stati logici sia solitamente collegato al sistema in esame

tramite un connettore fisso (o, nel caso degli strumenti dell'ultima

generazione, tramite un punto di test fisso senza connettori),

l'oscilloscopio solitamente si avvale di sonde mobili ad elevata

larghezza di banda, sonde sbilanciate o sonde differenziali,

o addirittura sonde di corrente.

Nel caso di molti oscilloscopi digitali è normale avere disponibile

la massima frequenza di campionamento a un ingresso, metà di

tale frequenza a due ingressi e solo un quarto di essa quando si

utilizzano tutti e quattro gli ingressi. La riduzione della frequenza

di campionamento può influire sulla qualità dell’acquisizione, in

quanto vengono prelevati meno campioni per ciascun ciclo della

forma d’onda misurata e quindi diventa più difficile ricostruire con

precisione la forma d’onda acquisita. Sebbene la larghezza di

banda dell’amplificatore d’ingresso dell’oscilloscopio rimanga

invariata, la qualità dell’acquisizione peggiora quando si utilizzano

frequenze di campionamento più basse. Ovviamente ciò

è controproducente quando si analizza l’integrità del segnale

con un oscilloscopio.


Figura 4. L'architettura della sonda senza connettori D-Max™ peranalizzatori logici offre un tipo di connessione molto semplice,in grado di fornire agli strumenti di analisi segnali ad altafedeltà prelevati dal sistema in esame.


Tabella 3. Specifiche chiave dell’oscilloscopio digitale ai fini dell’analisi e della risoluzione dei problemi di integrità del segnale.


Caratteristica dell’oscilloscopio Funzione suggerita per l’analisi dell’integrità del segnaleLarghezza di banda/ Tempo di salita Larghezza di banda pari a 6 GHz, tempo di salita pari a 70 ps, in tempo reale, evento singolo.Frequenza di campionamento 20 GS/s, massima frequenza di campionamento su più canali.Canali 4Trigger Trigger con jitter basso su livelli logici, violazioni del tempo di setup/hold e valori seriali.Lunghezza di registrazione 240.000 punti (simultaneamente su più canali).Sfasamento tra i canali Capacità di allineare gli ingressi di tutti i canali in modo utile.Precisione del tempo Delta 1,5 picosecondi RMS.Sonde Sonda da 6 GHz spostabile o HD attraverso il logic analyzer.Display A colori.Integrazione Tracce dell’oscilloscopio ad alta velocità, allineate nel tempo,

e tracce del logic analyzer su un solo display.Automazione e analisi Pacchetti di misure automatizzate per il jitter, gli standard dei bus, ecc.

Gli odierni DSO annullano tali effetti della frequenza di campio-

namento eseguendolo a una frequenza da tre a cinque volte

maggiore della larghezza di banda dell’oscilloscopio, e su più

canali simultaneamente. Ciò assicura che i punti di

campionamento siano adeguati anche quando si adoperano

tutti i canali. Oggigiorno, le migliori prestazioni dal punto di vista

della velocità di campionamento su singola acquisizione per un

oscilloscopio digitale sono pari a 20 GS/s su ciascun canale.

Perché è così importante? Si immagini di usare una sonda su

un punto di test con un DSO convenzionale che abbia una

frequenza di campionamento elevata ma non sia in grado di

mantenerla invariata su più ingressi. Quando si collega il primo

punto di test, il tempo di salita del fronte del segnale è chiaro

e leggibile a 400 picosecondi (per esempio). Quando si inserisce

il secondo ingresso sul segnale di un secondo punto di test,

entrambi i segnali mostrano un tempo di salita più lungo e più

aberrazioni, in quanto la frequenza di campionamento è stata

dimezzata e causa un sottocampionamento. Ciò impedisce

all’oscilloscopio di acquisire con precisione un tempo di salita

del fronte pari a 400 picosecondi.

Il sottocampionamento causa le aberrazioni in più e il tempo

di salita più lungo. Questa ricostruzione imprecisa (e fuorviante)

della forma d’onda è nota come “aliasing” e il metodo migliore

per evitarla consiste nell’adoperare uno strumento che offra

prestazioni complete per l’acquisizione di eventi singoli su tutti

i canali utilizzati.

Il modo migliore per evitare l'aliasing, consiste nell'utilizzare uno

strumento che fornisca le massime prestazioni anche quando si

effettuano singole acquisizioni contemporaneamente su tutti

i canali attivi. La Tabella 3 riepiloga alcune specifiche chiave.

Le funzioni di trigger del DSO sono in tutto e per tutto essenziali

come quelle del logic analyzer. Analogamente a quanto si verifica

per quest’ultimo, il trigger dell’oscilloscopio comprova che si

è verificato un tipo specificato di evento. Il trigger del DSO

è diverso per quanto riguarda la sua capacità di rilevare

molteplici eventi analogici e di rispondervi:

Livelli del fronte e condizioni di slew rate

Caratteristiche impulsive, incluse condizioni di glitch, di eventi

a bassa ampiezza e di durata uniforme

Violazioni del tempo di setup e hold

Pattern digitali seriali ad alta velocità.

Tutti questi tipi di trigger possono facilitare ai tecnici la rilevazione

e successivamente l’individuazione dei problemi di integrità del

segnale. Esistono inoltre varie combinazioni di trigger su valori di

tensione, temporizzazione e logici, nonché trigger speciali per

applicazioni quali i test di conformità alle specifiche USB 2.0.



Sonde per oscilloscopio

La sonda da usare con l’oscilloscopio è un elemento essenziale

nelle misure per l’analisi di integrità del segnale, ancora più

importante che nel caso del logic analyzer, in quanto deve

trasferire sino al punto di test le caratteristiche della risposta al

gradino e l’intera larghezza di banda del sistema. Al tempo

stesso, deve avere lunga durata ed essere abbastanza piccola

da poter essere utilizzata su schede di circuiti ad alta densità.

Durante le fasi di risoluzione dei problemi di integrità del segnale,

occorre avere una sonda fissa su un punto di test in cui si

verifica un errore (potrebbe essere la sonda analogica sul logic

analyzer, se disponibile) e una sonda con la quale si possa

seguire il percorso del segnale per individuare la causa del

problema.

Due caratteristiche importanti di una sonda per l’utilizzo ad alte

frequenze sono la sua capacità e induttanza. Ogni sonda

presenta una resistenza (R), induttanza (L) e capacità (C).

Gli effetti di queste ultime due grandezze aumentano con la

frequenza e, combinandosi, possono cambiare il segnale

e i risultati della misura.

La Figura 5 mostra gli effetti del carico introdotto dalla sonda su

un tipico segnale ad alta frequenza (gradino di 250 mV rispetto

a massa con tempo di salita uguale a ~200 ps). La schermata

mostra lo stesso segnale – con e senza carico – su un

oscilloscopio da 4 GHz. L’inserimento della sonda ha caricato il

segnale originale (traccia bianca), come mostrato dalla traccia

verde, così che il punto di transizione superiore del gradino ha

subito un certo rallentamento. In termini semplici, all’aumentare

dei valori di C e L, il carico sul segnale aumenta. Analogamente,

l’induttanza dei tratti di conduttore può causare distorsioni gravi

sul segnale sottoposto a misura.

Le caratteristiche d’ingresso della sonda e l’induttanza dei

conduttori possono causare problemi di integrità del segnale.

Ad esempio, si potrebbe concludere che il bus stesso causa un

aumento del tempo di salita del segnale digitale e quindi errori

logici. Passando a una sonda con capacità più bassa, diventa

chiaro che il bus non fa peggiorare il tempo di salita. L’errore

logico ha quindi una causa diversa: gli effetti della sonda.

La Figura 5 mostra come tali effetti possano rallentare un fronte,

anche sino al punto di causare errori prima inesistenti.

La risposta ai problemi di integrità del segnale e di misura alle

alte frequenze è una nuova generazione di sonde per

oscilloscopio a capacità bassissima. Con una larghezza di

banda di 6 GHz sul puntale della sonda, conduttori dei puntali

molto corti e capacità di ingresso inferiore a 0,5 pF, queste

nuove sonde preservano le caratteristiche del segnale durante il

suo percorso verso l'ingresso dell'oscilloscopio.

Le prestazioni della sonda sono essenziali in quanto essa è il

primo anello di una catena di sottosistemi di misura che deve

preservare, acquisire e visualizzare il segnale con la massima

precisione possibile. Una sonda a bassa capacità con un

puntale e un conduttore di messa a terra molto corti garantisce

il pieno utilizzo della larghezza di banda dell'oscilloscopio.

Figura 5. Effetti del carico introdotto da una sonda su un segnale digitale ad alta frequenza.

-3 dB



L’importanza della larghezza di banda dell’oscilloscopio

La larghezza di banda dell’oscilloscopio è un fattore

indispensabile in qualsiasi procedura di soluzione dei problemi

di integrità del segnale. Di seguito si spiega brevemente perché

è essenziale adoperare uno strumento con la massima

larghezza di banda disponibile.

Si sono già descritte le caratteristiche del segnale alla base

dei problemi di integrità del segnale stesso ad alte frequenze.

Molti di questi problemi si verificano durante le transizioni del

segnale o come transitori indesiderati risultanti da violazioni di

temporizzazione. È essenziale acquisire questi fronti e transitori

con la massima precisione possibile, e ciò richiede una

notevole larghezza di banda.

In genere la larghezza di banda dell’oscilloscopio è definita

come il punto a –3 dB della risposta in frequenza per un’onda

sinusoidale. Ciò è illustrato nella Figura 6, che mostra come un

oscilloscopio da 1 GHz abbia un errore di ampiezza

crescente all’aumentare della frequenza dell’onda sinusoidale

verso il limite di 1 GHz. Alla frequenza dell’onda sinusoidale

corrispondente alla larghezza di banda nominale, l’errore di

ampiezza è pari a –3 dB, ovvero quasi al 30%.

Un oscilloscopio con larghezza di banda insufficiente causa

errori nelle misure del tempo di salita e discesa del segnale

digitale. Data la continua e notevole diminuzione dei tempi di

transizione nelle tecnologie digitali odierne, questo fattore

è essenziale per la scelta degli strumenti di misura adatti.

Per comprendere meglio questo concetto, si consideri questo

modello a un polo del tempo di salita quando all’ingresso

dell’oscilloscopio è applicato un gradino ad alta frequenza:

Per un oscilloscopio moderno, in cui larghezza di banda

x tempo di salita risulta ~0,42, ciò equivale a circa

210 picosecondi per uno oscilloscopio a 2 GHz e a circa

84 ps per uno strumento a 5 GHz. Una formula generale per

il tempo di salita misurato dà la caratteristica della risposta

al gradino:

Utilizzando queste formula si può mostrare che un segnale

con un tempo di salita effettivo di 85 picosecondi presenta

un tempo di salita di circa 135 ps quando la misura

è eseguita con un oscilloscopio avente larghezza di banda

di 4 GHz (usando la formula Larghezza di banda x Tempo di

salita = 0,42). Un oscilloscopio da 6 GHz riduce il tempo di

salita misurato a circa 110 ps, migliorando notevolmente

la precisione della lettura.

Figura 6. Risposta in frequenza per un tipico oscilloscopio da 1 GHz.

* La costante in questa formula può andare da 0,35 per un modello a un polo,a 0,45 per un filtro passa-basso a pendenza elevata (filtro “brick wall”).Il valore tipico per un moderno oscilloscopio a grande larghezza di bandaè pari a 0,42.


Riepilogando quanto detto sulla larghezza di banda e la

risposta al gradino, in entrambi i casi i valori calcolati e quelli

misurati confermano che dalla larghezza di banda

dell’oscilloscopio dipendono in misura notevole i risultati

visualizzati. Poiché numerosi problemi del sistema derivano

direttamente dagli effetti sui fronti e dalle aberrazioni, un

oscilloscopio con larghezza di banda pari a 3-5 volte quella

del segnale su cui eseguire le misure è lo strumento giusto

per la risoluzione dei problemi di integrità del segnale.

Figura 7a. Risultati della misura per un fronte di impulso con tempo disalita effettivo di 85 ps in un DPO TDS7404 da 4 GHz.

Figura 7b. Risultati della misura per un fronte di impulso con tempo disalita effettivo di 85 ps in un DSO TDS6604 da 6 GHz.




Analizzatori logici e oscilloscopiintegrati per identificare i problemidi integrità del segnale

Il logic analyzer e il DSO sono due strumenti potenti nel kit del

risolutore di problemi dell’integrità del segnale e, grazie ai

recenti progressi nell’integrazione, è possibile adoperarli

simultaneamente aumentandone ancora di più l’utilità.

Nuovi e integrati strumenti di visualizzazione permettono di

collegare un DSO (che risponda ai requisiti sulla larghezza di

banda analogica del dispositivo da esaminare) a un logic

analyzer (con numero di canali, capacità di memoria

e frequenza di campionamento adeguati) per soddisfare

i requisiti sulle misure analogiche e digitali. Il display

dell'analizzatore di stati logici presenta sia i dati digitali sia la

forma d'onda analogica dell'oscilloscopio.

Le due forme d'onda sono allineate nel tempo, in modo che

la forma d'onda digitale possa essere esaminata con la forma

d'onda analogica corrispondente. Ad esempio, nella Figura 8

il display mostra le misure delle forme d'onda digitale

e analogica correlate nel tempo fornendo quattro diverse

immagini dello stesso segnale. Le due forme d'onda in alto

sono le forme d'onda del bus a 4 e 8 bit; i contrassegni rossi

indicano la posizione di diverse anomalie. Le due forme d'onda

sottostanti sono le linee di segnali singoli che fanno parte delle

due forme d'onda del bus soprastanti. I contrassegni rossi su

questi due segnali indicano le posizioni delle anomalie.

Le successive due forme d'onda sono forme d'onda di

temporizzazione ad alta risoluzione che mostrano i dettagli di

come sono correlati i glitch rispetto ai fronti superiori dell'altro

segnale. Le ultime due forme d'onda sono le forme d'onda

analogiche dell'oscilloscopio delle stesse due linee di segnale.

Tutte queste forme d'onda sono correlate nel tempo

e compaiono nella stessa schermata. Analizzando le

visualizzazioni correlate nel tempo delle forme d'onda digitali

e analogiche, è facile osservare che le due linee di segnale

presentano diafonia.

La visualizzazione integrata è una funzione preziosa; tuttavia

occorre tenere presente che la precisione delle informazioni

analogiche sullo schermo dipende dal tempo di salita e dalla

larghezza di banda dell’oscilloscopio adoperato. Ecco perché

è importante selezionare strumenti che permettano di adattare

le funzioni dell’oscilloscopio digitale al livello di prestazioni

necessario per l’esecuzione delle misure digitali.

Figura 8. Gli errori di diafonia possono essere individuati rapidamentecon misure digitali e analogiche correlate nel tempo nella stessaschermata.


Gli strumenti di analisi del jittersemplificano le misure complesse

L’analisi dell’integrità del segnale non consiste sempre

nell’individuazione, in un certo punto del sistema, di un fronte

lento o di un’ampiezza bassa del segnale. Come spiegato in

precedenza, fattori quali il jitter possono avere un effetto notevole

sulla stabilità del sistema. In genere il jitter ha origine nel circuiti

del clock, ma può essere causato anche dal rumore

dell’alimentatore, dalla diafonia e da circuiti con anello ad aggancio

di fase (PLL). Il jitter può influire sui dati, sugli indirizzi, sulle linee di

Enable e su altri elementi – di fatto, su pressoché qualsiasi

segnale nel sistema.

Le misure di jitter sono diventate sempre più difficili con i nuovi

progetti digitali ad alta frequenza. Oggi le misure di jitter necessarie

includono misure da ciclo a ciclo (anziché cumulativamente in

base a numerose acquisizioni), analisi della tendenza della

temporizzazione, statistiche con istogrammi, misure su clock

a spettro distribuito, analisi del flusso di dati seriali, e altro ancora.

I segnali ad alta frequenza, con tempi di salita e intervalli

disponibili per la temporizzazione brevi, richiedono precisioni delle

misure di jitter dell’ordine di 1 ps RMS.

Chiaramente, questo livello di prestazioni richiede un oscilloscopio

veloce e stabile. Non meno importante è il set di strumenti

software da utilizzare per le misure di jitter. Poiché il jitter si

presenta in così tante forme, e poiché le misure di jitter

dipendono moltissimo dai calcoli statistici, un pacchetto software

apposito è una buona soluzione per svolgere operazioni efficaci

relativamente all’integrità del segnale. I pacchetti più recenti sono

integrabili negli oscilloscopi digitali a grande larghezza di banda,

e possono eseguire misure di temporizzazione su ogni ciclo nel

corso di una singola acquisizione e accumulare dati per analisi

statistiche nel corso di più acquisizioni. La Figura 9 illustra una

schermata tipica di misura di jitter. La barra dei menu e i pulsanti

a schermo guidano attraverso le varie fasi della misura, mentre

i risultati statistici sono visualizzati chiaramente in formato tabellare

nella metà inferiore della finestra.

Naturalmente, il software di analisi per misure di temporizzazione va

accoppiato a un oscilloscopio che a sua volta aggiunga al

segnale un jitter quanto più piccolo possibile. Per la maggiore

parte degli standard di trasmissione dati, è desiderabile un jitter

del trigger dell’ordine dei 7 ps RMS. Altre caratteristiche

importanti sono una precisione del tempo Delta nell’ordine di

1,5 ps RMS, e naturalmente una grande larghezza di banda con

sovracampionamento. Un oscilloscopio con larghezza di banda

pari a 6 GHz e frequenza di campionamento di eventi singoli pari

a 20 GS/s su più canali risponde alle specifiche essenziali

relative alle misure di jitter ad alta frequenza su dispositivi e bus

digitali veloci.

Figura 9. Schermata di un’applicazione per misure di jitter.




Risoluzione dei problemi di integritàdel segnale

Finora, in questa guida, si sono esaminate le cause e gli effetti dei

problemi di integrità del segnale nei sistemi digitali, e si è descritto

come ottenere la migliore fedeltà possibile del segnale mediante

la strumentazione di test e misura per risolvere tali problemi.

Di seguito si illustrano, mediante tre situazioni di progetto, gli

strumenti e le tecniche necessari per risolvere gli elusivi problemi

di integrità di segnali reali nell’ambiente di progettazione.

Esempi di applicazioneSituazione I

Su una scheda digitale che sta per passare alla fase di

produzione è stato rilevato un problema di qualità. La scheda è

al centro di un nuovo, prestigioso prodotto – un sofisticato

controller di macchina – e deve essere annunciata senza ritardi

in quanto è stata oggetto di una grande campagna pubblicitaria.

I primi campioni di produzione stanno mostrando guasti

intermittenti, che compaiono sul bus del sistema della scheda

anche se non sembra che abbiano origine da quel punto. Il bus

è bidirezionale e viene utilizzato da più dispositivi per il

trasferimento dei dati. Poiché la scheda è al centro del

funzionamento dell’intero sistema, la produzione non può

proseguire finché non si risolve il problema.

Il sistema funziona a velocità “medie”, ma poiché gran parte dei

circuiti logici generano fronti veloci di salita e discesa, occorre

considerare i problemi relativi all’integrità del segnale. Tuttavia,

poiché la gran parte dei segnali logici presenta fronti di salita

e di discesa rapidi, vanno presi in considerazione i problemi di

integrità del segnale.

I componenti della squadra di progettazione, sapendo che

funzioni di debug incorporate possono far risparmiare tempo

prezioso per la ricerca guasti, hanno caldeggiato la costruzione

di punti di test per il logic analyzer sulla scheda. Si è trattato di

una proposta controversa in quanto la scheda, piccola e ad alta

densità, non lasciava spazio per connettori convenzionali. Dato

che il team di progettazione utilizzava un analizzatore di stati

logici Tektronix TLA7AA3 per la ricerca dei problemi, sono state

predisposte le opportune aree di contatto per le sonde nello

spazio disponibile sulla scheda.

Strumentazione

Analizzatore di stati logici TLA7012

Modulo di acquisizione dell'analizzatore di stati logiciTLA7AA3 a 102 canali

Sonda sbilanciata HD P6860 dell'analizzatore di stati logici

DSO TDS6604

Interfaccia iView™

La strumentazione adoperata per la ricerca guasti sfrutta la

capacità del logic analyzer TLA7AA3 di instradare i segnali

analogici attraverso la sonda del logic analyzer, acquisirli con

l’oscilloscopio e visualizzarli sullo schermo del logic analyzer.

L'analizzatore di stati logici è impostato in modo tale da far

scattare il trigger in corrispondenza dell'istruzione READ che

produce un valore di dati errato.

Individuazione

La schermata dell'analizzatore di stati logici mostra le forme

d'onda di temporizzazione dei segnali selezionati sul bus e rivela il

problema nel segnale che causa l'errore. La forma d'onda di

temporizzazione di elevata risoluzione offerta dallo strumento

(8 GHz, 125 ps) rende evidente che non si tratta un problema di

temporizzazione dei dati da leggere (traccia 031:DATI). Tuttavia

quell'indirizzo sembra irregolare, con posizioni talvolta "ignorate"

che indicano un problema relativo al bit meno significativo in

corrispondenza dell'indirizzo 0. Ciò induce l’ingegnere

a selezionare una schermata analogica della linea del bus AD0.

La traccia analogica allineata nel tempo, visualizzata sulla parte

inferiore della schermata, rivela il vero problema di integrità del

segnale. L’oscilloscopio TDS6604 acquisisce il segnale con la

sonda sbilanciata HD P6860 del logic analyzer e lo visualizza sullo

schermo di quest’ultimo mediante l’interfaccia iView™.


Figura 10. La traccia analogica rivela un livello logico non valido (cursore software 1 e 2) che stacausando problemi digitali nel sistema.


In questo caso, il livello logico AD0 (indirizzo 0) del segnale non

è valido al momento in cui viene sincronizzato dal clock; non

è né alto né basso. Sospettando un problema di conflitto sul

bus, il tecnico esamina il bus finché non scopre che, a causa

di un errore di progettazione, due dispositivi sulla linea

dell’indirizzo ricevono simultaneamente l’istruzione Enable.

Questa procedura dimostra come a volte convenga individuare

i problemi di temporizzazione osservando i segnali nel dominio

analogico. Inoltre illustra l’opportunità di inserire punti di test

in fase di progetto. Senza punti di connessione adatti per il

logic analyzer, sarebbe stato difficile acquisire il segnale con

fedeltà sufficiente a valutare il conflitto di accesso al bus.

Situazione II

La nuova scheda madre per un server della generazione

successiva sta mostrando problemi intermittenti, senza

apparente spiegazione. Il primo e il secondo prototipo

funzionano affidabilmente a basse frequenze di clock, ma

quando vengono portati alla frequenza di clock specificata,

si verificano guasti apparentemente casuali.

Si sospettano problemi relativi al layout della scheda, ma risulta

difficile provarlo con gli strumenti convenzionali. La tabella di

progettazione prevede solo due prototipi, ma se non si riuscirà

a determinare la causa del problema intermittente, potrebbe

essere necessario un terzo prototipo. Ciò allungherebbe i tempi

e aumenterebbe i costi, e potrebbe compromettere la riuscita

del nuovo prodotto.

Questi punti sono stati dotati di connettori Mictor compatibili con

le sonde dell'analizzatore di stati logici serie TLA700.

Strumentazione


Modulo di acquisizione dell'analizzatore di stati logiciTLA7AA4 a 136 canali

Sonda sbilanciata HD P6860 dell'analizzatore logico

Adattatore per compressione Mictor HD P6860

Interfaccia iView™

Oscilloscopio ai fosfori digitali TDS7104

Individuazione

Spesso i problemi intermittenti sono causati da segnali che

“non dovrebbero essere presenti”, detti glitch. Sospettando

questo caso, l’ingegnere imposta il TLA7AA4 in modo che

comandi il trigger sui glitch; questa è una delle numerose

funzioni di trigger di cui è dotato questo logic analyzer.

Il TLA7AA4 rileva un glitch durante il ciclo di pre-fetch su una

linea del segnale, denominata IFETCH. Il logic analyzer

comanda il trigger e indica l’istance in cui si verifica il glitch.

La traccia Mag_IFETCH mostra chiaramente un impulso

stretto.


Figura 11. La schermata di iView™ mostra un'anomalia sulla prima traccia della formad'onda (seconda dall'alto) risultante da un temporaneo superamento dellasoglia sulla linea IFETCH (terza dall'alto) dovuto a riflessioni dellaterminazione.

Sovrapposizione di più formed’onda ai fini di un confronto visivocompleto.

Traccia analogica fino a 20 GS/s,acquisita sul TDS e trasferita al displaydel TLA, che mostra la causa del glitch.

Traccia MagniVuTM da 125 ps chemostra il glitch con maggiori dettagli.

Sovrapposizio-ne delle formed’onda digitalee analogica

Forma d’ondaanalogica

Forma d’ondadigitale

Glitch rilevato e indicato sul segnale.


La risoluzione di 125 ps dell'acquisizione di tempo ad altarisoluzione del MagniVu™ garantisce un'acquisizione precisadel tempo e della durata dell'impulso.

Il trigger sul glitch comanda a sua volta un'acquisizionesull'oscilloscopio TDS7104, integrato con l'analizzatore distati logici tramite l'interfaccia iView™. L'oscilloscopio utilizzai dispositivi di sondaggio iConnect™ per misurare lo stessosegnale.

Il glitch è un'aberrazione analogica che per breve temposupera prima il livello superiore e poi il livello inferiore dellasoglia logica, creando conseguentemente un livello logicoalto valido di durata tale che il problema del glitchsi presenti.

Una volta compresa la natura del problema analogico,l’ingegnere determina che il layout della scheda, nell’areadi questa linea del segnale, causa facilmente riflessioni dallaterminazione all’aumentare della velocità del fronte.Una modifica del layout elimina il problema.


Situazione III

Il prototipo di una nuova e veloce workstation ha un oscillatore

con anello ad aggancio di fase (PLL) configurato come generatore

di clock con “ritardo zero” per il suo sistema di memoria. Il PLL

riceve un segnale esterno di clock, si aggancia alla frequenza

e ritrasmette il segnale agli elementi della memoria attraverso

una rete di distribuzione del clock. Nell’eseguire questa

operazione, corregge tutti i ritardi noti lungo il percorso di

distribuzione.

Tuttavia, sembra che la memoria occasionalmente registri dati

errati. Si ritiene che ciò avvenga a causa di un errore di

temporizzazione del clock, tale che i dati vengono sincronizzati

nella memoria all’istante sbagliato, prima che tutte le linee dei

dati siano pronte. Qual è la natura dell’errore di temporizzazione?

Quale ne è l’origine? La soluzione a un problema che investe

l’intero sistema dipende dalla risposta a queste domande.

Strumentazione


Sonda per analizzatori logici P6418

DSO TDS6604

Sonda spostabile a grande larghezza di banda P7260 per il TDS6604

Software di analisi del jitter e della temporizzazione TDSJIT3

Individuazione

Una volta osservati gli errori digitali con il logic analyzer TLA5204,

l’ingegnere sospetta un’instabilità del segnale di clock derivante

dall’oscillatore PLL. Sebbene intermittente, sembra che l’errore

non sia completamente casuale.

La soluzione più efficace risulta essere una misura del jitter in

tempo reale. Collegando una sonda P7260 al segnale di clock,

il tecnico effettua alcune misure a una velocità di

campionamento di 20 GS/s e le concatena nell'applicazione

TDSJIT3 integrata. Confrontando il campione ciclo per ciclo,

utilizzando la misura Cyc-Cyc Period e la funzione Cycle Trend

del TDSJIT3, risulta chiaro che il PLL rimane entro la tolleranza

di frequenza per la maggior parte del tempo, ma talvolta scatta

in avanti come se dovesse correggere una deriva di frequenza.

Nella Figura 12 l'errore è pari a circa 1 ns in un ciclo di 7,5 ns.

Una seconda funzione dell’applicazione TDSJIT3 consente di

enucleare l'origine del comportamento del PLL. Utilizzando gli

strumenti FTT dell'applicazione stessa, si rileva un picco di

energia inatteso a 120 kHz. Dando una rapida occhiata alle

specifiche del sistema, si nota che questo valore è la frequenza

dell'alimentatore a commutazione del sistema. Da questo punto

in poi, risulterà semplice filtrare la frequenza anomala dal

collegamento all'alimentazione del PLL.

Figura 12. Questa schermata di misura del TDSJIT3 include numerosemisure di jitter concatenate, eseguite a 20 GS/s. La schermatarivela un segnale PLL con un errore di quasi 1 ns in un ciclodi 7,5 ns.




Riepilogo

Le misure di integrità del segnale sono diventate una fase

essenziale nel processo di sviluppo dei sistemi digitali. Nei veloci

sistemi odierni, un piccolo errore di temporizzazione sul bus dei

dati del controller può ripercuotersi sull’intero sistema e saltare

fuori come un difetto su un bus I/O seriale. Il progettista

è responsabile dell’individuazione e dell'eliminazione di questi

problemi, ovunque si verifichino nel sistema.

A tal fine, il progettista ha bisogno di un set di strumenti di

misura potente, che offra sia la larghezza di banda che

le funzioni veloci necessarie per correggere correttamente

le aberrazioni di segnali ad alta frequenza. Tali strumenti

includono oscilloscopi digitali, logic analyzer, sonde ad alta

fedeltà e software di analisi.

Sono oggi disponibili soluzioni di misura innovative, quali ad

esempio sonde a compressione HD, software apposito per

misure di jitter e funzioni di visualizzazione integrata della forma

d’onda sul logic analyzer e sull’oscilloscopio, che facilitano

al progettista l’individuazione dei problemi relativi all’integrità

del segnale. Grazie a questi potenti strumenti, il tecnico può

localizzare i difetti e individuarne velocemente la causa.

Fino a poco tempo fa, spesso i problemi di integrità del segnale

non rilevabili causavano ritardi sulle scadenze e problemi di

affidabilità nei nuovi prodotti digitali. Adesso il progettista

dispone dei mezzi per rispondere anche alle più difficili sfide

attinenti all’integrità del segnale.

Contattare Tektronix:ASEAN / Australasia / Pakistan (65) 6356 3900

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Ultimo aggiornamento 15 giugno 2005

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