Equipos de Prueba y Medida

Métodos de Prueba Avanzados con Diagrama de Ojo en Tiempo Real y Análisis de jitter

La creciente red de sistemas digitales en la electrónica ofrece nuevas posibilidades en términos de funcionalidad, pero puede dificultar el análisis de errores en señales complejas durante las fases de integración. El diseño embebido moderno se está convirtiendo cada vez más en un desafío digital, pero a medida que la velocidad, la densidad y el rendimiento continúan aumentando, surgen problemas por las interacciones analógicas de estas señales.

Esto es debido especialmente a que estos sistemas están más integrados en un SoC, FPGA o ASIC relativamente pequeños. Estos procesadores de aplicaciones específicos del cliente y sus funciones están en el corazón de la electrónica moderna, ya sea desde desarrollos propios muy simples hasta la última aplicación de IoT o la electrónica ubicua que utilizamos todos los días.
Muchos desarrolladores que realizan diseños embebidos personalizados confían en sus osciloscopios para depurar y visualizar muchos tipos diferentes de problemas. Los osciloscopios asequibles han podido analizar problemas básicos de sincronización y ruido, calidad de la señal y problemas de datos durante varios años. Con muchas funciones de osciloscopio anteriores, como el uso de canales digitales en un MSO (análisis de señales mixtas), decodificación en serie y búsqueda y grabación de una señal, este dispositivo es la herramienta más importante para la resolución de problemas básicos en el lugar de trabajo de todo ingeniero. Sin embargo, cuando se trata de ciertos desafíos, como el análisis de jitter o la investigación de distorsiones de la señal, los límites se alcanzan rápidamente con un osciloscopio convencional. Para esto se requieren funciones de análisis ampliadas, que suelen estar fuera del presupuesto del ingeniero normal.

Los osciloscopios de precio muy elevado, han tenido opciones durante algún tiempo para utilizar funciones de análisis y medición ampliadas, como por ejemplo el análisis de jitter, lo cual es necesario con la complejidad del desarrollo actual del diseño. La plataforma UltraVision II de Rigol combina múltiples ASIC personalizados con FPGA en una plataforma de prueba altamente integrada, fiable y asequible basada en un concepto avanzado de análisis y depuración. El osciloscopio de la serie MSO8000 (imagen de cabecera) es la herramienta de diseño embebido más completa de Rigol con la capacidad de caracterizar señales de hasta 2 GHz y analizar problemas complejos de integridad, distorsión y sincronización de señales.

En resumen, la serie MSO8000 ofrece las funciones de análisis más completas, la memoria más profunda y la frecuencia de muestreo más alta de su clase. Las funciones del MSO8000 están diseñadas para análisis de diseño embebido y análisis de fallos para acelerar la revisión y depuración de los desafíos de prueba modernos. Las funciones para realizar análisis de señales complejas de forma rápida y sencilla se describen en detalle a continuación.


Caracterización del comportamiento de jitter

La precisión de un ciclo de señal es crucial para la transmisión de datos digitales, especialmente a altas velocidades de datos. Incluso los cambios más sutiles en la frecuencia del reloj influyen en las tasas de error y el rendimiento de los datos. Sin embargo, estos errores basados ​​en el tiempo no se pueden visualizar simplemente con un osciloscopio tradicional como se usaba anteriormente a velocidades de comunicación en serie comunes.

La función de análisis de jitter de la serie MSO8000 proporciona la solución. Utilizando la alta frecuencia de muestreo y la memoria profunda, el osciloscopio compara los cambios de tiempo entre miles de transiciones de reloj. Esto permite visualizar fluctuaciones en el tiempo por debajo de 100 picosegundos y, al mismo tiempo, estos cambios se pueden rastrear durante largos períodos de tiempo.

Una de las claves para visualizar el jitter es el TIE (Time Interval Error). El TIE se define por la diferencia de tiempo entre el flanco/edge de reloj ideal y el realmente medido. Hay dos métodos de medición que se pueden utilizar para analizar errores al medir el TIE. Por un lado está la representación del diagrama de tendencias TIE. Este gráfico muestra el error acumulado de los valores TIE a lo largo del tiempo. Esta visualización de tendencias es una valiosa herramienta de análisis porque destaca las causas periódicas de fluctuación. La Figura 2 muestra una señal de reloj de alta velocidad (canal 1, amarillo) y la tendencia de fluctuación de TIE (violeta).


La unidad del eje vertical que se muestra aquí para la tendencia TIE es 10 nanosegundos / DIV. La tendencia muestra que el jitter TIE se comporta periódicamente. Esto significa que una señal o evento periódico afecta la frecuencia del reloj. La tendencia TIE se puede medir con mayor precisión utilizando el cursor (consulte la Figura 3). Con el cursor puede medir fácilmente el período de la señal y calcular la frecuencia (1 / DX). También se pueden realizar mediciones directas sobre la tendencia TIE. El período de la tendencia TIE es una indicación importante del origen de los problemas de jitter.


Además de la tendencia TIE, también puede calcular la distribución de los valores TIE. La forma y la desviación estándar de los valores de TIE son una parte importante para determinar la causa. La visualización del histograma de la señal es adecuada para esto (consulte la Figura 4).

Es importante tener una comprensión adecuada de la naturaleza de los valores y tendencias de TIE, y cómo interpretar la distribución. Como ya se describió, el TIE se calcula como un cambio acumulado periódicamente en la señal de interferencia. Esto significa que la tendencia TIE parece la integral de la señal interferente. Por lo tanto, un cambio de onda cuadrada en el período se puede derivar de la tendencia TIE en la Figura 4. En este ejemplo se puede ver que el período de la señal de reloj aumenta linealmente (aumento en la tendencia) y luego disminuye linealmente nuevamente (disminución en la tendencia). Esta ampliación lineal también muestra que el período de reloj de la señal es estable, pero debe ser mayor que el período de reloj óptimo esperado. Lo mismo ocurre con la reducción lineal, en la que el período también debe tener un valor estable y es menor que el período esperado. Por tanto, el período cambia entre dos valores estables que están una vez por encima y otra por debajo del período esperado. La medición de frecuencia en la tendencia muestra que la causa de la fluctuación es una señal de onda cuadrada de 10 kHz. La pantalla del histograma muestra que la fluctuación parece ser constante porque la distribución TIE se distribuye uniforme y simétricamente sobre estos valores.


Para el circuito medido, se midieron las fuentes de señal cercanas y se determinó la señal de interferencia de 10 kHz (consulte la Figura 5, curva azul).


La fluctuación (jitter) puede deberse, entre otros, a problemas con los PLL, fluctuaciones de corriente en el circuito o emisiones de interferencias. En los siguientes ejemplos, el uso del histograma para la medición de jitter se tratará de forma más intensiva, ya que muestra el cambio provocado por la corrección de jitter.
Dado que tanto las ondas de interferencia sinusoidales como las ondas triangulares tienen una integral sinusoidal para la causa de jitter, no es suficiente aquí sacar conclusiones sobre la fuente de interferencia basándose únicamente en la tendencia. El histograma y su desviación estándar son herramientas adicionales para determinar la señal de interferencia con mayor precisión. Por ejemplo, en el histograma de la Figura 6 se puede ver una distribución bimodal de los valores TIE con una tendencia TIE sinusoidal.

 

Las estadísticas del histograma miden una desviación estándar (valor sigma) de aproximadamente 3,2 nanosegundos. Dado que el valor medio de esta tendencia es cercano a cero, la desviación estándar en el histograma también se puede aproximar como el valor rms de la señal de tendencia (ver medición de valor efectivo, parte inferior izquierda). La representación gráfica del histograma puede ayudar a representar visualmente una posible asimetría, por ejemplo, cuando la señal se desvía lentamente y luego se corrige rápidamente.

En la Figura 7 se muestra un buen ejemplo de una distribución de fluctuación asimétrica que todavía parece casi sinusoidal en la tendencia TIE de fluctuación. Esta distribución facilita la identificación del proceso que puede estar causando la variabilidad.

 

Un análisis de jitter es importante porque se trata de la integridad de los datos y, finalmente, de los errores que cuestan tiempo o ancho de banda del sistema. Por lo tanto, analizar la variación en el tiempo no es suficiente por sí solo, es igualmente importante cómo se muestran los datos al usuario. En el MSO8000 se encuentran disponibles varios métodos de recuperación de reloj para medir el jitter en esta medición. Un flujo de datos en serie puede utilizar un reloj explícito o se procesa de acuerdo con una frecuencia de reloj definida. Alternativamente, el flujo de datos también podría usar un circuito PLL para determinar el período.


Las mediciones ya descritas se llevaron a cabo con un ajuste de reloj constante. Por el contrario, la Figura 8 muestra una medición de jitter de la misma señal de la Figura 7, que se llevó a cabo en el MSO8000 utilizando un método de recuperación PLL de primer orden con un ancho de banda de bucle de 200 kHz. Con esta recuperación dinámica del reloj, se puede ver que el comportamiento de jitter mejora significativamente y las fluctuaciones bimodales en el histograma ya no están presentes.

 


Ahora es útil una ampliación vertical de la tendencia para poder analizar fluctuaciones de jitter más finas (en la Figura 9, 500 psec./DIV). El jitter periódico todavía se puede ver aquí, pero ahora se ha reducido de forma significativa, y probablemente ya no tendrá ningún efecto sobre los posibles errores de bits.

 

Tan pronto como se hayan analizado y eliminado todas las ocurrencias de jitter, la tendencia se puede reducir aún más (por debajo de 500 pseg./DIV) para analizar el comportamiento del ruido (ver Figura 10). El MSO8000 también permite una vista de tabla estadística directa de los valores TIE, así como una comparación de un ciclo de período con el siguiente ciclo (ciclo a ciclo) o la comparación del pulso positivo / negativo con el siguiente pulso positivo / negativo (+ / - ancho a +/- ancho). Una vez que se ha abordado correctamente toda la fluctuación del sistema, se pueden mostrar las fuentes de ruido por debajo de 500 picosegundos por división, como se muestra en la Figura 10. El osciloscopio MSO8000 también permite una vista de tabla estadística directa de los valores de TIE, así como ciclos a -valores de ciclo y valores calculados a partir de los anchos positivo y negativo.

En conjunto, esta nueva herramienta de análisis de jitter permite una visualización y un análisis cuidadosos de los problemas de jitter en los enlaces de comunicación en serie clave que están mucho más allá de las capacidades de un osciloscopio de rango medio típico.


Diagrama de calidad de señal y Diagrama de Ojo
El comportamiento de jitter es solo una de las características que contribuyen a la calidad general de la señal. El objetivo de todas las formas de análisis, relacionado con la calidad de la señal, es reducir los errores de datos en la comunicación del transmisor al receptor. Los errores a menudo son causados ​​por problemas de sincronización y fluctuación. Sin embargo, pueden surgir problemas por un ancho de banda demasiado bajo, una conexión a tierra incorrecta, un aumento del comportamiento del ruido o una adaptación de impedancia insuficiente, que tienen un efecto negativo en la forma en que el receptor interpreta un bit. El mejor método para visualizar la calidad de la señal de datos completa es mostrar el diagrama de Ojo-patrón de la señal de datos transmitida. Tradicionalmente, estos métodos de medición se pueden encontrar en osciloscopios de gran potencia y alto precio. La representación del diagrama de Ojo en tiempo real es una excelente manera de validar y depurar enlaces de datos en serie donde el rendimiento y la baja tasa de errores de bits son importantes para el rendimiento del sistema.


El diagrama de Ojo analiza las líneas de datos superpuestas alineadas de la señal y sincroniza estas secuencias de bits con el reloj restaurado. Las opciones de recuperación de reloj ya descritas, que se pueden seleccionar para la medición de jitter, también se pueden utilizar para el análisis del diagrama de Ojo. El diagrama de Ojo se crea superponiendo cada secuencia de bits. A continuación, se crea un diagrama de densidad a partir de miles de secuencias de bits. Esto creará un patrón que se puede ver en la Figura 11. Este patrón se llama Patrón de Ojo o Diagrama de Ojo porque la forma en el centro se asemeja a un ojo abierto que se cierra en un punto a cada lado. El objetivo es tener un ojo abierto y así obtener los estados de bits (0 o 1) en el medio del ojo interpretados correctamente.

 

Con este método de análisis avanzado, se pueden verificar cables y conectores. Además, el efecto sobre la calidad de la señal durante el desarrollo del diseño puede hacerse visible a través de efectos indeseables como crosstalk (diafonía) u otras emisiones.


Por ejemplo, el Diagrama de Ojo en la Figura 11 muestra algunos problemas potenciales. Dependiendo del valor de umbral establecido en el MSO8000, el instrumento calcula el ancho y la altura del ojo. Debido a los bordes del ojo no tan pronunciados, puede ver que esta señal tiene un ancho de banda limitado, lo que puede verse como problemático. La calidad se puede evaluar analíticamente de forma que el nivel de los ojos, el ancho de los ojos y el tiempo de subida de la señal sean iguales o mejores que los valores indicados en la hoja de especificaciones. Las incertidumbres de frecuencia con respecto al reloj de recuperación también ocurren en la misma medición. Esto puede verse por el hecho de que la curva del histograma no muestra un comportamiento gaussiano como podría esperarse con un buen comportamiento de señal. Además, el ojo muestra un cierto comportamiento de ruido, es decir, la amplitud fluctúa durante la transmisión y el ojo se cierra verticalmente.


Una vez que se haya identificado el problema que está causando la fluctuación de frecuencia y se haya eliminado la interferencia, el ojo se abrirá nuevamente (consulte la Figura 12).

 

La pantalla gráfica del histograma ahora muestra que la fluctuación de frecuencia restante es al menos simétrica. Esta mejora también se nota en un ojo más ancho. Una vez que se identifica y elimina la fuente de ruido cercana, tanto la altura como el ancho de los ojos mejoran (consulte la Figura 13) y la señal es más precisa.

 

Con esta medida, ahora es aún más claramente visible que la señal tiene un problema de ancho de banda, ya que la inclinación del borde se puede analizar mejor aquí con las líneas del ojo más estrechas. También se puede ver aquí que todavía hay diferentes valores de amplitud durante la transmisión de datos, que aún cierran un poco los ojos.
Finalmente, en la Figura 14, se puede ver un ancho de banda mejorado después de que el circuito transmisor fue reemplazado por una versión mejorada. La distribución del histograma muestra que algunos de los valores atípicos en la fluctuación de la señal ya no ocurren. El ancho de banda mejorado es claramente evidente en la pendiente mejorada y un ojo vertical completamente abierto.

 

Resumen
El análisis de fallos de señales de datos digitales en diseños embebidos es un requisito importante en los productos electrónicos modernos. Los osciloscopios digitales modernos de alto rendimiento amplían las funciones de análisis disponibles para los ingenieros para las necesidades diarias. La tecnología UltraVision-II de Rigol y los osciloscopios de la serie MSO8000 completan estas herramientas con la opción de análisis de diagramas de jitter y de Ojo. Este análisis completo de la calidad de la señal también tiene un precio atractivo y es fácil de usar. El análisis del diagrama de jitter y de Ojo en el MSO8000 simplifica enormemente la visualización y el análisis de la calidad general de la señal en las conexiones de datos en serie y la resolución de problemas relacionados con el reloj, el comportamiento del ruido y el ancho de banda. Con las nuevas funciones de análisis, así como una profundidad de memoria de 500 Mpts y la alta frecuencia de muestreo (10 GSa / sg.), Que se basan en la plataforma UltraVision II, la serie MSO8000 de Rigol ofrece una solución completa para el desarrollo actual en esta área.

Autor: Autor: Boris Adlung, RIGOL Technologies, Gilching

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