Ciò è dovuto in gran parte al fatto che questi sistemi sono maggiormente integrati in SoC, FPGA o ASIC relativamente piccoli. Questi processori applicativi specifici per il cliente e le loro funzioni sono al centro dell'elettronica moderna, dai semplici sviluppi interni alle più recenti applicazioni IoT o all'onnipresente elettronica che utilizziamo ogni giorno.
Molti sviluppatori che lavorano su progetti embedded personalizzati si affidano ai loro oscilloscopi per il debug e la visualizzazione di diversi tipi di problemi. Gli oscilloscopi a prezzi accessibili sono in grado di analizzare problemi di base di temporizzazione e rumore, qualità del segnale e problemi relativi ai dati da diversi anni. Grazie a molte funzionalità degli oscilloscopi più datati, come l'utilizzo di canali digitali nell'MSO (analisi a segnale misto), la decodifica seriale e la ricerca e registrazione del segnale, questo dispositivo è lo strumento più importante per la risoluzione dei problemi di base in qualsiasi ambiente di lavoro per ingegneri. Tuttavia, quando si tratta di determinate sfide, come l'analisi del jitter o l'indagine sulle distorsioni del segnale, i limiti di un oscilloscopio convenzionale vengono rapidamente raggiunti. Ciò richiede funzioni di analisi più avanzate, che di solito sono al di fuori del budget dell'ingegnere medio.

Gli oscilloscopi di fascia alta offrono da tempo opzioni per funzioni di analisi e misurazione avanzate, come l'analisi del jitter, essenziale data la complessità dello sviluppo di progetti moderni. La piattaforma UltraVision II di Rigol combina diversi ASIC personalizzati con FPGA in una piattaforma di test altamente integrata, affidabile ed economica, basata su un concetto avanzato di analisi e debug. L'oscilloscopio della serie MSO8000 (immagine di intestazione) è lo strumento di progettazione embedded più completo di Rigol, in grado di caratterizzare segnali fino a 2 GHz e di analizzare problemi complessi di integrità del segnale, distorsione e temporizzazione.

In sintesi, la serie MSO8000 offre le funzionalità di analisi più complete, la memoria più capiente e la frequenza di campionamento più elevata della sua categoria. Le caratteristiche dell'MSO8000 sono progettate per la progettazione di sistemi embedded e l'analisi dei guasti, al fine di accelerare la revisione e il debug delle moderne problematiche di test. Le funzioni per eseguire analisi complesse del segnale in modo rapido e semplice sono descritte in dettaglio di seguito.

Caratterizzazione del comportamento del jitter:
la precisione di un ciclo di segnale è fondamentale per la trasmissione di dati digitali, soprattutto ad alte velocità di trasmissione. Anche le più piccole variazioni nella frequenza di clock influenzano i tassi di errore e la velocità di trasmissione dei dati. Tuttavia, questi errori temporali non possono essere visualizzati semplicemente con un oscilloscopio tradizionale, come si faceva in passato alle comuni velocità di comunicazione seriale.

La funzione di analisi del jitter della serie MSO8000 offre la soluzione. Grazie ad elevate frequenze di campionamento e a una memoria capiente, l'oscilloscopio confronta le variazioni di temporizzazione su migliaia di transizioni di clock. Ciò consente di visualizzare fluttuazioni di temporizzazione inferiori a 100 picosecondi e di monitorare tali variazioni per periodi prolungati.

Uno degli elementi chiave per visualizzare il jitter è l'errore di intervallo temporale (TIE). Il TIE è definito come la differenza di tempo tra il fronte di clock ideale e il fronte di clock effettivamente misurato. Esistono due metodi di misurazione che possono essere utilizzati per analizzare gli errori durante la misurazione del TIE. Uno è il grafico di tendenza del TIE. Questo grafico mostra l'errore cumulativo dei valori del TIE nel tempo. Questa visualizzazione della tendenza è un prezioso strumento di analisi perché evidenzia le cause periodiche delle fluttuazioni. La Figura 2 mostra un segnale di clock ad alta velocità (canale 1, giallo) e l'andamento delle fluttuazioni del TIE (viola).

L'unità dell'asse verticale mostrato qui per l'andamento del TIE è di 10 nanosecondi/DIV. L'andamento mostra che il jitter del TIE si comporta in modo periodico. Ciò significa che un segnale o un evento periodico influenza la frequenza di clock. L'andamento del TIE può essere misurato con maggiore precisione utilizzando il cursore (vedere Figura 3). Con il cursore, è possibile misurare facilmente il periodo del segnale e calcolare la frequenza (1/DX). È anche possibile effettuare misurazioni dirette sull'andamento del TIE. Il periodo dell'andamento del TIE è un'indicazione importante dell'origine dei problemi di jitter.

Oltre all'andamento del TIE, è possibile calcolare anche la distribuzione dei valori del TIE. La forma e la deviazione standard dei valori del TIE sono importanti per determinarne la causa. A tale scopo, è adatta la visualizzazione dell'istogramma del segnale (vedere Figura 4).

È importante comprendere appieno la natura dei valori e delle tendenze del TIE e come interpretarne la distribuzione. Come già descritto, il TIE viene calcolato come una variazione periodica accumulata del segnale interferente. Ciò significa che la tendenza del TIE assomiglia all'integrale del segnale interferente. Pertanto, dalla tendenza del TIE in Figura 4 si può ricavare una variazione di periodo a onda quadra. In questo esempio, si può osservare che il periodo del segnale di clock aumenta linearmente (tendenza crescente) e poi diminuisce nuovamente in modo lineare (tendenza decrescente). Questo aumento lineare mostra anche che il periodo del segnale di clock è stabile, ma deve essere maggiore del periodo di clock ottimale previsto. Lo stesso vale per la diminuzione lineare, dove il periodo deve avere un valore stabile ed essere inferiore al periodo previsto. Pertanto, il periodo oscilla tra due valori stabili, uno superiore e uno inferiore al periodo previsto. La misurazione della frequenza nella tendenza mostra che la causa della fluttuazione è un segnale a onda quadra di 10 kHz. L'istogramma mostra che la fluttuazione appare costante perché la distribuzione TIE è distribuita in modo uniforme e simmetrico su questi valori.

Per il circuito misurato, sono state misurate le sorgenti di segnale vicine ed è stato determinato il segnale di interferenza a 10 kHz (vedere Figura 5, curva blu).

Il jitter può essere causato da diversi fattori, tra cui problemi con i PLL, fluttuazioni di corrente nel circuito o emissioni di interferenza. Gli esempi seguenti si concentreranno maggiormente sull'utilizzo degli istogrammi per misurare il jitter, in quanto illustrano le modifiche risultanti dalla correzione del jitter.
Poiché sia ​​le onde di interferenza sinusoidali che quelle triangolari hanno un integrale sinusoidale nella causa del jitter, non è sufficiente trarre conclusioni sulla sorgente di interferenza basandosi unicamente sull'andamento. L'istogramma e la sua deviazione standard sono strumenti aggiuntivi per identificare con maggiore precisione il segnale di interferenza. Ad esempio, l'istogramma in Figura 6 mostra una distribuzione bimodale dei valori TIE con un andamento TIE sinusoidale.

Le statistiche dell'istogramma misurano una deviazione standard (valore sigma) di circa 3,2 nanosecondi. Poiché il valore medio di questo trend è vicino a zero, la deviazione standard nell'istogramma può anche essere approssimata come il valore RMS del segnale di trend (vedi Misurazione del valore RMS, in basso a sinistra). La rappresentazione grafica dell'istogramma può aiutare a rappresentare visivamente una potenziale asimmetria, ad esempio, quando il segnale devia lentamente e poi si corregge rapidamente.

La Figura 7 mostra un buon esempio di distribuzione di fluttuazioni asimmetriche che appaiono comunque quasi sinusoidali nell'andamento delle fluttuazioni TIE. Questa distribuzione facilita l'identificazione del processo che potrebbe causare la variabilità.

L'analisi del jitter è importante perché riguarda l'integrità dei dati e, in ultima analisi, gli errori che comportano un consumo di tempo o di larghezza di banda del sistema. Pertanto, la semplice analisi della variazione temporale non è sufficiente; anche la modalità di presentazione dei dati all'utente è altrettanto importante. L'MSO8000 offre diversi metodi di recupero del clock per la misurazione del jitter. Un flusso di dati seriali può utilizzare un clock esplicito o essere elaborato in base a una frequenza di clock definita. In alternativa, il flusso di dati potrebbe anche utilizzare un circuito PLL per determinare il periodo.

Le misurazioni descritte sopra sono state eseguite con un'impostazione di clock costante. Al contrario, la Figura 8 mostra una misurazione del jitter dello stesso segnale della Figura 7, eseguita sull'MSO8000 utilizzando un metodo di recupero PLL del primo ordine con una larghezza di banda del loop di 200 kHz. Con questo recupero dinamico del clock, il comportamento del jitter risulta significativamente migliorato e le fluttuazioni bimodali nell'istogramma non sono più presenti.

Uno zoom verticale dell'andamento è ora utile per analizzare le fluttuazioni di jitter più fini (nella Figura 9, 500 psec./DIV). Il jitter periodico è ancora visibile, ma è stato significativamente ridotto e probabilmente non influirà più su potenziali errori di bit.

Non appena tutte le occorrenze di jitter sono state analizzate ed eliminate, il trend può essere ulteriormente ridotto (al di sotto di 500 ps/DIV) per analizzare il comportamento del rumore (vedere Figura 10). L'MSO8000 consente anche una visualizzazione statistica diretta dei valori TIE, nonché un confronto tra un ciclo di periodo e il successivo (ciclo per ciclo) o un confronto tra l'impulso positivo/negativo e il successivo (+/- larghezza rispetto a +/- larghezza). Una volta risolto con successo tutto il jitter del sistema, è possibile visualizzare le sorgenti di rumore al di sotto di 500 picosecondi per divisione, come mostrato in Figura 10. L'oscilloscopio MSO8000 consente anche una visualizzazione statistica diretta dei valori TIE, nonché dei valori ciclo per ciclo e dei valori calcolati dalle larghezze positive e negative.

Nel complesso, questo nuovo strumento di analisi del jitter consente una visualizzazione e un'analisi accurate dei problemi di jitter nei principali collegamenti di comunicazione seriale, ben oltre le capacità di un tipico oscilloscopio di fascia media.

Diagramma di qualità del segnale e diagramma a occhio:
il comportamento del jitter è solo una delle caratteristiche che contribuiscono alla qualità complessiva del segnale. L'obiettivo di tutte le forme di analisi relative alla qualità del segnale è ridurre gli errori di dati nella comunicazione trasmettitore-ricevitore. Gli errori sono spesso causati da problemi di temporizzazione e jitter. Tuttavia, i problemi possono anche derivare da larghezza di banda insufficiente, una connessione di massa errata, un aumento del rumore o un'inadeguata corrispondenza di impedenza, tutti fattori che influenzano negativamente il modo in cui il ricevitore interpreta un bit. Il metodo migliore per visualizzare la qualità complessiva del segnale dati è visualizzare il diagramma a occhio, ovvero un modello del segnale dati trasmesso. Tradizionalmente, questi metodi di misurazione si trovano su oscilloscopi ad alta potenza e costosi. La visualizzazione in tempo reale del diagramma a occhio è un ottimo modo per convalidare ed eseguire il debug dei collegamenti dati seriali in cui la velocità di trasmissione e un basso tasso di errore di bit sono fondamentali per le prestazioni del sistema.

Il diagramma a occhio analizza le linee dati sovrapposte e allineate del segnale e sincronizza queste sequenze di bit con il clock ripristinato. Le opzioni di recupero del clock già descritte, selezionabili per la misurazione del jitter, possono essere utilizzate anche per l'analisi del diagramma a occhio. Il diagramma a occhio viene creato sovrapponendo ciascuna sequenza di bit. Viene quindi creato un diagramma di densità a partire da migliaia di sequenze di bit. Questo creerà un pattern, visibile nella Figura 11. Questo pattern è chiamato diagramma a occhio perché la forma al centro ricorda un occhio aperto che si chiude in un punto su ciascun lato. L'obiettivo è avere un occhio aperto e quindi interpretare correttamente gli stati dei bit (0 o 1) al centro dell'occhio.

Questo metodo di analisi avanzato consente la verifica di cavi e connettori. Inoltre, permette di identificare l'impatto sulla qualità del segnale durante la fase di progettazione, attraverso la rilevazione di effetti indesiderati come diafonia o altre emissioni.

Ad esempio, il diagramma a occhio in Figura 11 mostra alcuni potenziali problemi. A seconda del valore di soglia impostato sull'MSO8000, lo strumento calcola la larghezza e l'altezza dell'occhio. A causa dei bordi meno pronunciati dell'occhio, si può notare che questo segnale ha una larghezza di banda limitata, il che può essere problematico. La qualità può essere valutata analiticamente assicurandosi che il livello dell'occhio, la larghezza dell'occhio e il tempo di salita del segnale siano uguali o migliori dei valori indicati nella scheda tecnica. Anche le incertezze di frequenza rispetto al clock di recupero si verificano nella stessa misurazione. Ciò si può notare dal fatto che la curva dell'istogramma non mostra una distribuzione gaussiana, come ci si aspetterebbe con buone prestazioni del segnale. Inoltre, l'occhio presenta un certo comportamento di rumore; ovvero, l'ampiezza fluttua durante la trasmissione e l'occhio si chiude verticalmente.

Una volta identificato il problema che causa la fluttuazione di frequenza e dopo aver eliminato l'interferenza, l'occhio si riaprirà (vedi Figura 12).

La visualizzazione grafica dell'istogramma ora mostra che la fluttuazione di frequenza rimanente è almeno simmetrica. Questo miglioramento è evidente anche in un campo visivo più ampio. Una volta identificata ed eliminata la sorgente di rumore vicina, sia l'altezza che la larghezza degli occhi migliorano (vedere Figura 13) e il segnale diventa più preciso.

Con questa misurazione, è ora ancora più evidente che il segnale presenta un problema di larghezza di banda, poiché la pendenza del bordo può essere analizzata meglio qui con le linee oculari più strette. Si può anche notare che sono ancora presenti valori di ampiezza diversi durante la trasmissione dei dati, che restringono ancora leggermente la linea oculare.
Infine, nella Figura 14, si può osservare una larghezza di banda migliorata dopo la sostituzione del circuito del trasmettitore con una versione migliorata. La distribuzione dell'istogramma mostra che alcuni dei valori anomali nella fluttuazione del segnale non si verificano più. La larghezza di banda migliorata è chiaramente evidente nella pendenza migliorata e in una linea oculare verticale completamente aperta.

Abstract:
L'analisi dei guasti dei segnali dati digitali nei progetti embedded è un requisito fondamentale nell'elettronica moderna. Gli oscilloscopi digitali moderni e ad alte prestazioni ampliano le capacità analitiche a disposizione degli ingegneri per le esigenze quotidiane. La tecnologia UltraVision-II di Rigol e gli oscilloscopi della serie MSO8000 completano questi strumenti con l'opzione di analisi del jitter e del diagramma a occhio. Questa analisi completa della qualità del segnale è inoltre offerta a un prezzo competitivo e di facile utilizzo. L'analisi del jitter e del diagramma a occhio sull'MSO8000 semplifica notevolmente la visualizzazione e l'analisi della qualità complessiva del segnale nelle connessioni dati seriali e la risoluzione dei problemi relativi al clock, al comportamento del rumore e alla larghezza di banda. Grazie alle nuove funzioni di analisi, a una profondità di memoria di 500 Mpts e a un'elevata frequenza di campionamento (10 GSa/s), basate sulla piattaforma UltraVision II, la serie MSO8000 di Rigol offre una soluzione completa per lo sviluppo attuale in questo settore.

Autore: Autore: Boris Adlung, RIGOL Technologies, Gilching