Concetti fondamentali sulla integrita del segnale

Concetti fondamentali
sull'integrità del segnale
Concetti fondamentali sull'integrità del segnale
Manuale introduttivo
Indice
Introduzione --------------------------------------------------4
Che cosa significa “integrità del segnale”? ------------------4
Esempi di applicazione --------------------------------------22-25
Riepilogo ------------------------------------------------------26
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
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Concetti fondamentali sull'integrità del segnale
Manuale introduttivo
Che cosa significa
“integrità del segnale”?
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
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.
4
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nei sistemi digitali.
Concetti fondamentali sull'integrità del segnale
Manuale introduttivo
La tecnologia digitale e l’epoca
dell’informazione
(“Information Age”)
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
Sono ormai trascorsi vent’anni da quando il personal computer
ed elettriche sia per le reti mobili che per quelle fisse) stanno
è emerso nella sua forma attuale, e quasi quindici anni dalla
esplorando velocità di trasmissione dati fino a 40 Gbit/s, mentre
diffusione della telefonia cellulare tra i consumatori. Durante
i team di sviluppo di prodotti video digitali stanno progettando
questi anni, una tendenza si è mantenuta costante: la richiesta
una nuova generazione di apparati di trasmissione per il video
di ulteriori funzioni e servizi, e della larghezza di banda necessaria
interattivo ad alta definizione. La tabella 1 riepiloga alcune delle
per renderli disponibili. Gli utenti PC della prima generazione,
velocità di trasmissione dati dei sistemi digitali odierni.
inizialmente entusiasti della potenza di un semplice foglio di
calcolo, adesso richiedono grafica, audio e video. Mentre un
Alla base di questi progressi nelle velocità di trasmissione dati
tempo gli abbonati ai servizi di telefonia mobile erano soddisfatti
vi sono numerose tecnologie. Stanno emergendo bus seriali per
semplicemente di poter conversare usando un telefono senza
superare le barriere alle velocità intrinseche delle architetture più
fili, adesso si aspettano di poter scambiare messaggi di testo,
antiche, basate sui bus paralleli. Esistono componenti, come
controllare quotazioni, navigare in Internet, e altro ancora.
ad esempio le memorie Rambus, che funzionano solo con
impedenze di 28 ohm (anziché con quelle, più comuni, di
Ovunque nel mondo, aziende, governi e persone dipendono da
50 ohm) per assicurare l’integrità del segnale alle massime
tutti questi nuovi tipi di informazione e dalla loro accessibilità
frequenze di clock. Inoltre, come risultato dell’impegno degli
veloce e affidabile. Il termine “Information Age” è stato coniato
sviluppatori nella ricerca di metodi per ottimizzare la densità
per descrivere la cultura odierna, basata sui dati e su elementi
e ridurre al minimo le lunghezze dei percorsi, si sono diffuse
interdipendenti e strettamente intrecciati.
schede di circuiti di dimensioni ridotte e a maggiore densità, che
La richiesta di informazioni è stata soddisfatta con un flusso
impiegano circuiti integrati BGA (ball grid array) e microvie sepolte.
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.
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Concetti fondamentali sull'integrità del segnale
Manuale introduttivo
Progettazione in base ai concetti
dell’integrità del segnale
I problemi di temporizzazione digitale
possono causare problemi di integrità
del segnale
L’aumento della larghezza di banda rende
più importanti i “dettagli” della
progettazione digitale
Un tecnico impegnato nella progettazione di un sistema 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
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.
soprattutto resistive. A frequenze più alte, le tracce cominciano
Le aberrazioni del segnale digitale hanno numerose cause di
a funzionare come condensatori. A frequenze ancora più alte,
fondo. Sono specialmente comuni i seguenti problemi, derivanti
l’induttanza delle tracce diventa più importante. Tutte queste
dalla temporizzazione.
caratteristiche possono influire negativamente sull’integrità del
segnale.
Quando due dispositivi di pilotaggio cercano di utilizzare
simultaneamente lo stesso bus, si verifica un conflitto e ne
A frequenze di clock pari a centinaia di megahertz e oltre, ogni
risultano inevitabilmente aberrazioni. Normalmente, uno dei
singolo dettaglio del progetto è importante:
dispositivi dovrebbe portarsi a uno stato di impedenza alta
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
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”.
Terminazione
Nei sistemi digitali si possono verificare violazioni del tempo
Disaccoppiamento
di setup e hold. Un dispositivo pilotato da un clock, come
Distribuzione della potenza.
ad esempio un flip-flop di tipo D, richiede che i dati
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 caratteristiche 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.
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e rimanere disinserito mentre l’altro dispositivo invia i dati.
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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.
Concetti fondamentali sull'integrità del segnale
Manuale introduttivo
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.
Figura 1. Display dell'analizzatore di stati logici sul quale sono visualizzate le
forme d'onda di temporizzazione e il tracciato, o sequenza delle
istruzioni, del software in tempo reale riferito al codice sorgente.
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
La modalità fondamentale di visualizzazione è la schermata della
errati. Per esempio, si può osservare un valore errato nel codice
temporizzazione, che mostra flussi di impulsi digitali e la loro
esadecimale, ma non è possibile vedere perché si verifica.
posizione relativa nel tempo, come illustrato nella Figura 1.
Se non si dispone di alcun mezzo per analizzare ulteriormente
La schermata dello stato (Figura 1) presenta i dati qualificati da
l’andamento del segnale, può essere molto difficile individuare
un segnale di clock generato all’interno del dispositivo in prova,
la causa dell’errore logico.
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.
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Concetti fondamentali sull'integrità del segnale
Manuale introduttivo
Figura 2. La traccia nera relativa all’ingresso A è una rappresentazione
analogica del segnale effettivo. La forma d’onda nera, con un
lungo tempo di salita, attraversa la soglia in ritardo, determinando
un impulso di uscita più breve. L’integrità del segnale
all’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
Figura 3. Se si impiega il clock A per sincronizzare i dati, il suo lungo
tempo di salita consuma una parte eccessiva del tempo
disponibile per essi. Il fronte del clock B, più veloce, lascia più
tempo per il trasferimento dei dati. (Il diagramma non è in
scala).
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.
esse possono diventare difetti digitali se segnali di ampiezza
I fronti di transizione lenti di un segnale possono causare difetti
bassa si trasformano in stati logici errati o se tempi di salita lunghi
intermittenti nel sistema anche se non causano errori ripetitivi.
causano sfasamenti degli impulsi. Osservare un flusso di impulsi
I brevi intervalli per la temporizzazione che si richiedono nei
digitali insieme a una schermata analogica simultanea degli impulsi
sistemi più veloci lasciano tempi ridottissimi per le transizioni di
stessi è il primo passo da compiere per individuare problemi di
salita e discesa del segnale. Negli ultimi anni, i tempi di setup
questo tipo.
e hold sono diminuiti notevolmente. Ad esempio, per le memorie
Ogni volta che si affronta il problema dell’integrità del segnale,
occorre prestare particolare attenzione alle transizioni del segnale
Rambus and DDR (double data rate) adesso si specificano tempi
di setup e hold dell’ordine di poche centinaia di picosecondi.
stesso. Il diagramma di temporizzazione nella Figura 2 ne spiega
I fronti lenti possono lasciare un margine insufficiente per gli
il motivo. Si assuma che due segnali siano presenti agli ingressi
intervalli di temporizzazione specificati affinché i dati siano validi
di una ordinaria porta AND. La traccia grigia relativa all’ingresso
e stabili, come implicato nella Figura 3, in cui i rapporti sono
A mostra l’impulso come “dovrebbe essere”. La traccia nera
stati esagerati per mettere in risalto il concetto. Un lungo tempo
distorta e sovrapposta alla traccia grigia è una rappresentazione
di transizione sul clock può consumare tempo per i dati validi
analogica del segnale effettivo. Quest’ultimo, a causa del suo
nel segnale.
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.
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Questi due esempi mostrano alcuni dei possibili effetti dei
problemi dei fronti in un sistema digitale.
Concetti fondamentali sull'integrità del segnale
Manuale introduttivo
Layout del circuito, tempi di transizione
e 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.
Dispositivo digitale
RAM DDR
FireWire IEEE 1394b
Infiniband
USB 2.0
Tempo di transizione
(tempo di salita e di discesa)
<250 ps
Da 80 a 300 ps
≈100 ps
>500 ps
Tabella 1. Panoramica sui tempi di transizione di dispositivi digitali.
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
Quando le transizioni dei fronti accadono ad alta velocità,
a semiconduttori hanno consentito di ottenere fronti più veloci
si creano nuovi percorsi per il segnale. Queste connessioni
in quasi tutte le famiglie logiche, e tali fronti contengono
immateriali non appaiono sugli schemi circuitali, ma ciò
componenti ad alta frequenza indipendentemente dalla frequenza
nonostante costituiscono un mezzo attraverso il quale i segnali
di clock. I fronti veloci offrono numerosi vantaggi, ma possono
possono influire l’uno sull’altro in modi imprevedibili. Ad esempio,
anche complicare il compito del progettista.
i piani di massa e quelli di alimentazione diventano parte dei
Le attuali architetture dei bus presentano tempi di salita e discesa
nell’ordine delle centinaia di picosecondi. Nella Tabella 1 sono
illustrati alcuni esempi.
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”.
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
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.
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.
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Concetti fondamentali sull'integrità del segnale
Manuale introduttivo
Integrità del segnale: un termine con molti significati
Ai fini della presente guida, un problema di “integrità del segnale” viene definito come qualsiasi
fenomeno 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 da
interazioni complesse tra numerosi elementi circuitali, che vanno dalle uscite dei circuiti di pilotaggio
alle terminazioni dei percorsi del segnale.
I seguenti sono alcuni problemi specifici.
Problemi di ampiezza
Aberrazioni dei fronti
Includono oscillazioni, “variazioni” (diminuzioni di ampiezza all’inizio
Possono essere causate da problemi del layout della scheda, come
di un impulso) e impulsi runt (quelli che semplicemente non raggiungono
descritto in precedenza, da terminazioni inadeguate o anche da
l’ampiezza massima).
problemi di qualità nei dispositivi a semiconduttori. Le aberrazioni
includono pre-elongazioni, arrotondamenti, sovraelongazioni,
oscillazioni, tempi di salita lunghi e altro ancora.
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Concetti fondamentali sull'integrità del segnale
Manuale introduttivo
Riflessioni
Riflessioni da punti a massa
Possono essere causate da problemi del layout della scheda e di
Sono causate da un assorbimento eccessivo di corrente (e/o dalla
terminazioni. Il segnale che si propaga verso l’uscita può essere
resistenza dell’alimentatore e dei percorsi di ritorno a massa)
riflesso verso il generatore e interferire con gli impulsi successivi.
e possono provocare spostamenti del livello di riferimento a massa
di un circuito quando viene richiesta una corrente elevata.
Diafonia
Jitter
Si verifica quando i segnali su tracce lunghe, e disposte l’una accanto
Si verifica quando i segnali digitali presentano leggere variazioni della
all’altra, si accoppiano tra di loro attraverso le mutue capacità
posizione del fronte da un ciclo all’altro. Il jitter può influire sulla precisione
e induttanze. Inoltre, le correnti più alte proprie dei fronti veloci
della temporizzazione e sul sincronismo nell’intero sistema digitale.
aumentano la quantità di energia magnetica irradiata e quindi
la diafonia.
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Concetti fondamentali sull'integrità del segnale
Manuale introduttivo
Requisiti per la validazione
dell’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
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.
segnale vengono eseguite con gli stessi, familiari strumenti presenti
Lunghezza di registrazione – Quanti campioni può memorizzare
in quasi ogni laboratorio di ingegneria elettronica, come ad
lo strumento di misura a frequenze di campionamento elevate?
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.
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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?
Concetti fondamentali sull'integrità del segnale
Manuale introduttivo
Caratteristica del logic analyzer
Integrazione dell'oscilloscopio
Utilizzo di sonde
Risoluzione delle misure
di temporizzazione
Frequenza di acquisizione dello stato
Lunghezza di memoria
Trigger
Analisi
Display
Funzione suggerita per l’analisi dell’integrità del segnale
Tracce di un oscilloscopio allineate nel tempo sullo schermo dell'analizzatore di stati logici,
diagrammi a occhio multicanale
Acquisizione simultanea analogica, dello stato e della
temporizzazione mediante la stessa sonda del logic analyzer.
125 ps (a una frequenza di clock pari a 8 GHz).
Fino a 800 MHz.
Fino a 256 MB.
Sui fronti, sui glitch, sui livelli logici, sulla condizione di setup/hold, ecc.
Disassemblatori e pacchetti di supporto al processore.
Più display.
Tabella 2. L'analisi dell'integrità del segnale richiede la migliore prestazione possibile da parte di un analizzatore di stati logici.
I logic analyzer rilevano
i difetti digitali
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,
Come accennato in precedenza, il logic analyzer è il primo
rappresentano spesso il metodo più rapido per individuare un
strumento da adoperare per l’individuazione dei problemi
problema. Dopo tutto, se un analizzatore di stati logici inizia
digitali, specialmente su sistemi complessi che hanno molti
un’acquisizione in seguito a un errore, significa che l'errore si
bus, ingressi e uscite. Il logic analyzer offre un numero elevato
è verificato. La maggior parte degli analizzatori logici attuale
di canali, una grande capacità di memoria e funzioni avanzate
è dotata di trigger per la rilevazione di alcuni eventi che
di trigger per l’acquisizione dei dati digitali da numerosi punti di
compromettono l'integrità del segnale, quali anomalie e violazioni
test e per la visualizzazione coerente delle informazioni.
di tempi di setup & hold. Caratteristica peculiare degli analizzatori
Trattandosi di uno strumento completamente digitale,
logici è che queste condizioni di trigger possono essere applicate
l'analizzatore di stati logici rileva i superamenti della soglia sul
a centinaia di canali contemporaneamente.
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.
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Concetti fondamentali sull'integrità del segnale
Manuale introduttivo
Sonde per logic analyzer
Nei sistemi digitali ad alte prestazioni, il mezzo più pratico per
misurare i segnali è costituito da un punto di test dedicato. Alcuni
Il sistema di sonde da usare con un logic analyzer ha una
di questi punti di test sono dotati di piedini per semplificare la
funzione essenziale nell’acquisizione digitale ad alta velocità.
connessione con conduttori e/o sonde a innesto. Questi tipi di
La sonda deve fornire il segnale all'analizzatore di stati logici con
connettori di test influiscono sul contesto del segnale del
la massima fedeltà possibile. Mentre la maggior parte degli
dispositivo in esame, anche quando questo non è collegato
analizzatori logici soddisfa questo requisito fondamentale, alcuni
a un analizzatore di stati logici.
modelli lo hanno sviluppato ulteriormente.
Le sonde di un analizzatore di stati logici possono essere fissate
Alcuni analizzatori logici richiedono connessioni separate per le
a connettori dedicati presenti sul sistema in esame. In questa
acquisizioni di tempo e di stato. Nota come “acquisizione
applicazione viene utilizzato il connettore compatto Mictor,
a doppia sonda”, questa tecnica può alterare le condizioni di
dispositivo ad alta densità unito a un corrispondente connettore
propagazione del segnale, influendo sulle misure che si devono
sulla sonda dell'analizzatore. I connettori montati su scheda
eseguire. Ad esempio, collegando contemporaneamente due
offrono connessioni veloci e stabili, ma fanno lievitare il costo del
sonde al punto di test si possono creare livelli inaccettabili di
dispositivo e possono influire sul funzionamento con segnali ad
carico sul segnale, mentre collegandole una alla volta si espone
alta velocità.
due volte il punto di test al rischio di danni o di connessione
errata. Inoltre, occorre molto tempo per collegare due sonde
Come alternativa ai convenzionali connettori Mictor per sonde,
separate al dispositivo in prova.
per gli analizzatori logici esistono le sonde a compressione ad
alta densità (HD) e la tecnologia di sondaggio D-Max™. Queste
Altri analizzatori logici sono in grado di misurare
nuove sonde non richiedono connettori sul dispositivo in esame,
contemporaneamente le acquisizioni di tempo e di stato tramite
poiché si appoggiano direttamente su aree di contatto predisposte
la stessa sonda. Questa acquisizione contemporanea di tempo
sulla scheda. La Figura 4 mostra una sonda D-Max™ senza
e di stato velocizza la ricerca dei problemi e supporta
connettori installata su una scheda. Tenute in posizione da
le operazioni di analisi dell'integrità del segnale, rendendo
inserti particolari, queste sonde risolvono il problema dell'induttanza
trascurabile l'influenza delle sonde sul sistema in esame.
del conduttore comune e offrono un carico capacitivo molto
Recentemente, la tecnologia dei sistemi di sondaggio
ridotto, pari a soli 0,5 pF. Permettono inoltre misure sia sbilanciate
ha raggiunto nuovi livelli di prestazioni. L'ultima generazione
che differenziali, senza peraltro richiedere alcuna compensazione
di sonde per analizzatori logici può trasferire dati digitali (sia di
del numero di canali.Le sonde a compressione HD hanno un
tempo sia di stato) all'analizzatore di stati logici, oltre a inviare
effetto minimo sul segnale rispetto a qualsiasi sistema di sonde
questi stessi segnali a un oscilloscopio sotto forma di segnali
per logic analyzer.
analogici. Una singola sonda dell'analizzatore gestisce sia
i segnali logici sia i segnali digitali.
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Concetti fondamentali sull'integrità del segnale
Manuale introduttivo
Gli oscilloscopi digitali rilevano
le 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,
Figura 4. L'architettura della sonda senza connettori D-Max™ per
analizzatori logici offre un tipo di connessione molto semplice,
in grado di fornire agli strumenti di analisi segnali ad alta
fedeltà prelevati dal sistema in esame.
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
sonda senza connettori D-Max™ per analizzatori logici ha
utilizzano tutti e quattro gli ingressi. La riduzione della frequenza
un impatto decisamente inferiore sulla scheda rispetto a una
di campionamento può influire sulla qualità dell’acquisizione, in
connessione di tipo Mictor, ma richiede che nel layout della
quanto vengono prelevati meno campioni per ciascun ciclo della
scheda siano previste aree di contatto. La posizione della sonda
forma d’onda misurata e quindi diventa più difficile ricostruire con
sul bus può essere determinante riguardo l’aspetto dei segnali
precisione la forma d’onda acquisita. Sebbene la larghezza di
esaminati; si raccomanda pertanto di posizionare le connessioni
banda dell’amplificatore d’ingresso dell’oscilloscopio rimanga
dei punti di test nelle immediate vicinanze dei dispositivi riceventi,
invariata, la qualità dell’acquisizione peggiora quando si utilizzano
dove i segnali mostrano le caratteristiche che saranno "viste" dai
frequenze di campionamento più basse. Ovviamente ciò
circuiti integrati logici. Le dimensioni ridotte della sonda senza
è controproducente quando si analizza l’integrità del segnale
connettori D-Max™ permettono di posizionarla pressoché
con un oscilloscopio.
ovunque.
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Concetti fondamentali sull'integrità del segnale
Manuale introduttivo
Caratteristica dell’oscilloscopio
Larghezza di banda/ Tempo di salita
Frequenza di campionamento
Canali
Trigger
Lunghezza di registrazione
Sfasamento tra i canali
Precisione del tempo Delta
Sonde
Display
Integrazione
Automazione e analisi
Funzione suggerita per l’analisi dell’integrità del segnale
Larghezza di banda pari a 6 GHz, tempo di salita pari a 70 ps, in tempo reale, evento singolo.
20 GS/s, massima frequenza di campionamento su più canali.
4
Trigger con jitter basso su livelli logici, violazioni del tempo di setup/hold e valori seriali.
240.000 punti (simultaneamente su più canali).
Capacità di allineare gli ingressi di tutti i canali in modo utile.
1,5 picosecondi RMS.
Sonda da 6 GHz spostabile o HD attraverso il logic analyzer.
A colori.
Tracce dell’oscilloscopio ad alta velocità, allineate nel tempo,
e tracce del logic analyzer su un solo display.
Pacchetti di misure automatizzate per il jitter, gli standard dei bus, ecc.
Tabella 3. Specifiche chiave dell’oscilloscopio digitale ai fini dell’analisi e della risoluzione dei problemi di integrità del segnale.
Gli odierni DSO annullano tali effetti della frequenza di campio-
Il modo migliore per evitare l'aliasing, consiste nell'utilizzare uno
namento eseguendolo a una frequenza da tre a cinque volte
strumento che fornisca le massime prestazioni anche quando si
maggiore della larghezza di banda dell’oscilloscopio, e su più
effettuano singole acquisizioni contemporaneamente su tutti
canali simultaneamente. Ciò assicura che i punti di
i canali attivi. La Tabella 3 riepiloga alcune specifiche chiave.
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.
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
Perché è così importante? Si immagini di usare una sonda su
è diverso per quanto riguarda la sua capacità di rilevare
un punto di test con un DSO convenzionale che abbia una
molteplici eventi analogici e di rispondervi:
frequenza di campionamento elevata ma non sia in grado di
mantenerla invariata su più ingressi. Quando si collega il primo
Livelli del fronte e condizioni di slew rate
punto di test, il tempo di salita del fronte del segnale è chiaro
Caratteristiche impulsive, incluse condizioni di glitch, di eventi
e leggibile a 400 picosecondi (per esempio). Quando si inserisce
a bassa ampiezza e di durata uniforme
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.
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
Il sottocampionamento causa le aberrazioni in più e il tempo
tensione, temporizzazione e logici, nonché trigger speciali per
di salita più lungo. Questa ricostruzione imprecisa (e fuorviante)
applicazioni quali i test di conformità alle specifiche USB 2.0.
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.
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Concetti fondamentali sull'integrità del segnale
Manuale introduttivo
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.
Figura 5. Effetti del carico introdotto da una sonda su un segnale
digitale ad alta frequenza.
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
La Figura 5 mostra gli effetti del carico introdotto dalla sonda su
nuove sonde preservano le caratteristiche del segnale durante il
un tipico segnale ad alta frequenza (gradino di 250 mV rispetto
suo percorso verso l'ingresso dell'oscilloscopio.
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,
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.
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.
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Concetti fondamentali sull'integrità del segnale
Manuale introduttivo
L’importanza della larghezza
di banda dell’oscilloscopio
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%.
La larghezza di banda dell’oscilloscopio è un fattore
indispensabile in qualsiasi procedura di soluzione dei problemi
Un oscilloscopio con larghezza di banda insufficiente causa
di integrità del segnale. Di seguito si spiega brevemente perché
errori nelle misure del tempo di salita e discesa del segnale
è essenziale adoperare uno strumento con la massima
digitale. Data la continua e notevole diminuzione dei tempi di
larghezza di banda disponibile.
transizione nelle tecnologie digitali odierne, questo fattore
è essenziale per la scelta degli strumenti di misura adatti.
Si sono già descritte le caratteristiche del segnale alla base
dei problemi di integrità del segnale stesso ad alte frequenze.
Per comprendere meglio questo concetto, si consideri questo
Molti di questi problemi si verificano durante le transizioni del
modello a un polo del tempo di salita quando all’ingresso
segnale o come transitori indesiderati risultanti da violazioni di
dell’oscilloscopio è applicato un gradino ad alta frequenza:
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
Per un oscilloscopio moderno, in cui larghezza di banda
sinusoidale. Ciò è illustrato nella Figura 6, che mostra come un
x tempo di salita risulta ~0,42, ciò equivale a circa
oscilloscopio da 1 GHz abbia un errore di ampiezza
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
-3 dB
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
Figura 6. Risposta in frequenza per un tipico oscilloscopio da 1 GHz.
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.
* 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 banda
è pari a 0,42.
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Concetti fondamentali sull'integrità del segnale
Manuale introduttivo
Figura 7a. Risultati della misura per un fronte di impulso con tempo di
salita effettivo di 85 ps in un DPO TDS7404 da 4 GHz.
Figura 7b. Risultati della misura per un fronte di impulso con tempo di
salita effettivo di 85 ps in un DSO TDS6604 da 6 GHz.
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.
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Concetti fondamentali sull'integrità del segnale
Manuale introduttivo
Analizzatori logici e oscilloscopi
integrati per identificare i problemi
di 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
Figura 8. Gli errori di diafonia possono essere individuati rapidamente
con misure digitali e analogiche correlate nel tempo nella stessa
schermata.
forma d'onda analogica dell'oscilloscopio.
Le due forme d'onda sono allineate nel tempo, in modo che
La visualizzazione integrata è una funzione preziosa; tuttavia
la forma d'onda digitale possa essere esaminata con la forma
occorre tenere presente che la precisione delle informazioni
d'onda analogica corrispondente. Ad esempio, nella Figura 8
analogiche sullo schermo dipende dal tempo di salita e dalla
il display mostra le misure delle forme d'onda digitale
larghezza di banda dell’oscilloscopio adoperato. Ecco perché
e analogica correlate nel tempo fornendo quattro diverse
è importante selezionare strumenti che permettano di adattare
immagini dello stesso segnale. Le due forme d'onda in alto
le funzioni dell’oscilloscopio digitale al livello di prestazioni
sono le forme d'onda del bus a 4 e 8 bit; i contrassegni rossi
necessario per l’esecuzione delle misure digitali.
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.
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Concetti fondamentali sull'integrità del segnale
Manuale introduttivo
Gli strumenti di analisi del jitter
semplificano 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
Figura 9. Schermata di un’applicazione per misure di jitter.
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.
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
Chiaramente, questo livello di prestazioni richiede un oscilloscopio
1,5 ps RMS, e naturalmente una grande larghezza di banda con
veloce e stabile. Non meno importante è il set di strumenti
sovracampionamento. Un oscilloscopio con larghezza di banda
software da utilizzare per le misure di jitter. Poiché il jitter si
pari a 6 GHz e frequenza di campionamento di eventi singoli pari
presenta in così tante forme, e poiché le misure di jitter
a 20 GS/s su più canali risponde alle specifiche essenziali
dipendono moltissimo dai calcoli statistici, un pacchetto software
relative alle misure di jitter ad alta frequenza su dispositivi e bus
apposito è una buona soluzione per svolgere operazioni efficaci
digitali veloci.
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.
www.tektronix.com/signal_integrity 21
Concetti fondamentali sull'integrità del segnale
Manuale introduttivo
Risoluzione dei problemi di integrità
del segnale
Strumentazione
Analizzatore di stati logici TLA7012
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
Modulo di acquisizione dell'analizzatore di stati logici
TLA7AA3 a 102 canali
Sonda sbilanciata HD P6860 dell'analizzatore di stati logici
la strumentazione di test e misura per risolvere tali problemi.
DSO TDS6604
Di seguito si illustrano, mediante tre situazioni di progetto, gli
Interfaccia iView™
strumenti e le tecniche necessari per risolvere gli elusivi problemi
di integrità di segnali reali nell’ambiente di progettazione.
La strumentazione adoperata per la ricerca guasti sfrutta la
capacità del logic analyzer TLA7AA3 di instradare i segnali
Esempi di applicazione
analogici attraverso la sonda del logic analyzer, acquisirli con
Situazione I
l’oscilloscopio e visualizzarli sullo schermo del logic analyzer.
Su una scheda digitale che sta per passare alla fase di
L'analizzatore di stati logici è impostato in modo tale da far
produzione è stato rilevato un problema di qualità. La scheda è
scattare il trigger in corrispondenza dell'istruzione READ che
al centro di un nuovo, prestigioso prodotto – un sofisticato
produce un valore di dati errato.
controller di macchina – e deve essere annunciata senza ritardi
in quanto è stata oggetto di una grande campagna pubblicitaria.
Individuazione
I primi campioni di produzione stanno mostrando guasti
La schermata dell'analizzatore di stati logici mostra le forme
intermittenti, che compaiono sul bus del sistema della scheda
d'onda di temporizzazione dei segnali selezionati sul bus e rivela il
anche se non sembra che abbiano origine da quel punto. Il bus
problema nel segnale che causa l'errore. La forma d'onda di
è bidirezionale e viene utilizzato da più dispositivi per il
temporizzazione di elevata risoluzione offerta dallo strumento
trasferimento dei dati. Poiché la scheda è al centro del
(8 GHz, 125 ps) rende evidente che non si tratta un problema di
funzionamento dell’intero sistema, la produzione non può
temporizzazione dei dati da leggere (traccia 031:DATI). Tuttavia
proseguire finché non si risolve il problema.
quell'indirizzo sembra irregolare, con posizioni talvolta "ignorate"
Il sistema funziona a velocità “medie”, ma poiché gran parte dei
che indicano un problema relativo al bit meno significativo in
circuiti logici generano fronti veloci di salita e discesa, occorre
corrispondenza dell'indirizzo 0. Ciò induce l’ingegnere
considerare i problemi relativi all’integrità del segnale. Tuttavia,
a selezionare una schermata analogica della linea del bus AD0.
poiché la gran parte dei segnali logici presenta fronti di salita
La traccia analogica allineata nel tempo, visualizzata sulla parte
e di discesa rapidi, vanno presi in considerazione i problemi di
inferiore della schermata, rivela il vero problema di integrità del
integrità del segnale.
segnale. L’oscilloscopio TDS6604 acquisisce il segnale con la
I componenti della squadra di progettazione, sapendo che
sonda sbilanciata HD P6860 del logic analyzer e lo visualizza sullo
funzioni di debug incorporate possono far risparmiare tempo
schermo di quest’ultimo mediante l’interfaccia iView™.
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.
22 www.tektronix.com/signal_integrity
Concetti fondamentali sull'integrità del segnale
Manuale introduttivo
Figura 10. La traccia analogica rivela un livello logico non valido (cursore software 1 e 2) che sta
causando problemi digitali nel sistema.
In questo caso, il livello logico AD0 (indirizzo 0) del segnale non
Questi punti sono stati dotati di connettori Mictor compatibili con
è valido al momento in cui viene sincronizzato dal clock; non
le sonde dell'analizzatore di stati logici serie TLA700.
è né alto né basso. Sospettando un problema di conflitto sul
Strumentazione
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
Analizzatore di stati logici TLA7012
Modulo di acquisizione dell'analizzatore di stati logici
TLA7AA4 a 136 canali
i problemi di temporizzazione osservando i segnali nel dominio
Sonda sbilanciata HD P6860 dell'analizzatore logico
analogico. Inoltre illustra l’opportunità di inserire punti di test
Adattatore per compressione Mictor HD P6860
in fase di progetto. Senza punti di connessione adatti per il
Interfaccia iView™
logic analyzer, sarebbe stato difficile acquisire il segnale con
Oscilloscopio ai fosfori digitali TDS7104
fedeltà sufficiente a valutare il conflitto di accesso al bus.
Individuazione
Situazione II
Spesso i problemi intermittenti sono causati da segnali che
La nuova scheda madre per un server della generazione
“non dovrebbero essere presenti”, detti glitch. Sospettando
successiva sta mostrando problemi intermittenti, senza
questo caso, l’ingegnere imposta il TLA7AA4 in modo che
apparente spiegazione. Il primo e il secondo prototipo
comandi il trigger sui glitch; questa è una delle numerose
funzionano affidabilmente a basse frequenze di clock, ma
funzioni di trigger di cui è dotato questo logic analyzer.
quando vengono portati alla frequenza di clock specificata,
si verificano guasti apparentemente casuali.
Il TLA7AA4 rileva un glitch durante il ciclo di pre-fetch su una
linea del segnale, denominata IFETCH. Il logic analyzer
Si sospettano problemi relativi al layout della scheda, ma risulta
comanda il trigger e indica l’istance in cui si verifica il glitch.
difficile provarlo con gli strumenti convenzionali. La tabella di
La traccia Mag_IFETCH mostra chiaramente un impulso
progettazione prevede solo due prototipi, ma se non si riuscirà
stretto.
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.
www.tektronix.com/signal_integrity 23
Concetti fondamentali sull'integrità del segnale
Manuale introduttivo
Glitch rilevato e indicato sul segnale.
Traccia MagniVuTM da 125 ps che
mostra il glitch con maggiori dettagli.
Forma d’onda
digitale
Forma d’onda
analogica
Sovrapposizione delle forme
d’onda digitale
e analogica
Traccia analogica fino a 20 GS/s,
acquisita sul TDS e trasferita al display
del TLA, che mostra la causa del glitch.
Figura 11. La schermata di iView™ mostra un'anomalia sulla prima traccia della forma
d'onda (seconda dall'alto) risultante da un temporaneo superamento della
soglia sulla linea IFETCH (terza dall'alto) dovuto a riflessioni della
terminazione.
Sovrapposizione di più forme
d’onda ai fini di un confronto visivo
completo.
La risoluzione di 125 ps dell'acquisizione di tempo ad alta
risoluzione del MagniVu™ garantisce un'acquisizione precisa
del tempo e della durata dell'impulso.
Il trigger sul glitch comanda a sua volta un'acquisizione
sull'oscilloscopio TDS7104, integrato con l'analizzatore di
stati logici tramite l'interfaccia iView™. L'oscilloscopio utilizza
i dispositivi di sondaggio iConnect™ per misurare lo stesso
segnale.
Il glitch è un'aberrazione analogica che per breve tempo
supera prima il livello superiore e poi il livello inferiore della
soglia logica, creando conseguentemente un livello logico
alto valido di durata tale che il problema del glitch
si presenti.
24 www.tektronix.com/signal_integrity
Una volta compresa la natura del problema analogico,
l’ingegnere determina che il layout della scheda, nell’area
di questa linea del segnale, causa facilmente riflessioni dalla
terminazione all’aumentare della velocità del fronte.
Una modifica del layout elimina il problema.
Concetti fondamentali sull'integrità del segnale
Manuale introduttivo
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
Figura 12. Questa schermata di misura del TDSJIT3 include numerose
misure di jitter concatenate, eseguite a 20 GS/s. La schermata
rivela un segnale PLL con un errore di quasi 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
Analizzatore di stati logici TLA5204
Sonda per analizzatori logici P6418
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
DSO TDS6604
Sonda spostabile a grande larghezza di banda P7260 per
il TDS6604
dell'alimentatore a commutazione del sistema. Da questo punto
in poi, risulterà semplice filtrare la frequenza anomala dal
collegamento all'alimentazione del PLL.
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.
www.tektronix.com/signal_integrity 25
Concetti fondamentali sull'integrità del segnale
Manuale introduttivo
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.
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Ultimo aggiornamento 15 giugno 2005
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