Analisi di sistemi embedded più approfondite

OSCILLOSCOPI –

Gli oscilloscopi a segnali misti permettono di analizzare stati logici e dettagli dei protocolli con un solo strumento e un’unica interfaccia utente.

All'aumento delle funzioni che un sistema embedded deve compiere, corrisponde un incremento della sua complessità. Di pari passo, aumenta anche il numero e la varietà delle interfacce tra circuiti digitali e analogici: nello stesso progetto, possono infatti convivere segnali ad 1 bit, bus di dati paralleli e seriali con e senza clock, protocolli di trasmissione standard o proprietari e dati che corrono alle più svariate velocità. Chiunque debba misurarsi con una tale crescente complessità, deve necessariamente analizzare tutte queste interfacce a diversi livelli di astrazione ricorrendo a test complessi che coinvolgono differenti tipologie di strumenti, ciascuno dei quali ha una diversa operatività: oscilloscopi per l'analisi delle forme d'onda analogiche, analizzatori di stati logici per lo studio dei segnali digitali, analizzatori di protocollo per i protocolli di trasmissione. Nel passato, l'oscilloscopio era usato prevalentemente per visualizzare i segnali elettrici nel dominio del tempo. Oggi, grazie alla presenza di canali digitali in aggiunta ai canali analogici offerta dalla sua nuova veste di oscilloscopio a segnali misti, è possibile analizzare stati logici e dettagli dei protocolli con un solo strumento e una unica interfaccia utente. Questa preogativa rende quindi gli oscilloscopi a segnali misti utili sia durante il processo di sviluppo dell'hardware per effettuare analisi sulla integrità del segnale, sia durante lo sviluppo del software per lo studio del contenuto dei segnali. Questo articolo illustra le diverse funzioni degli oscilloscopi a segnali misti e come queste possono essere utilizzate, prendendo come esempio la famiglia di oscilloscopi RTO di Rohde & Schwarz con la opzione integrabile R&S RTO-B1 per segnali misti.

L'approccio a due fasi: acquisizione e analisi
Il funzionamento di un oscilloscopio digitale può essere diviso in due fasi sequenziali: la fase di acquisizione e quella di analisi. Nella prima, caratterizzata da frequenza di campionamento, profondità di acquisizione e opzioni di trigger, avviene il campionamento dei segnali e la successiva registrazione in memoria. Nella successiva le forme d'onda acquisite vengono analizzate e trasmesse all'interfaccia utente (schermo o file), questa volta con le funzioni di Zoom, Test, Cursore, Matematica e Ricerca. Questo approccio a due fasi viene applicato sia ai canali analogici che a quelli digitali: lo strumento deve funzionare come un oscilloscopio convenzionale e le funzionalità dei canali analogici e di quelli digitali devono integrarsi perfettamente. L'accresciuto numero di canali e la varietà delle opzioni di configurazione che ne risulta, rendono indispensabile la presenza di una semplice e chiara interfaccia utente. Inoltre, grazie alla sua struttura a menu orizzontale e ai diagrammi di flusso del segnale, l'impiego del R&S RTO provvisto dell'opzione per segnali misti è estremamente facile e intuitivo: i menu operativi sono trasparenti e le finestre di misura sempre visibili, mostrando con immediatezza ogni variazione ai settaggi che possa influenzare le forme d'onda. Queste ultime poi, sempre per una maggior facilità di interpretazione, possono essere raggruppate sullo schermo in finestre separate.

Sincronizzazione temporale
Sul medesimo strumento, le acquisizioni sui canali analogici e sui canali digitali avvengono contemporaneamente, così che i segnali digitali e i dettagli dei protocolli sono correlati rispetto al tempo e possono essere analizzati in una unica postazione. Per garantire una acquisizione sincrona è comunque necessario compensare il ritardo tra il segnale analogico e i canali digitali: con l' opzione per segnali misti la compensazione avviene tra la sonda del canale digitale e i connettori della sonda analogica. Finchè il ritardo tra sonde analogiche e puntali della sonda dei canali digitali non è impotante per l'utente, non sono necessari ulteriori settaggi.
Risoluzione temporale e ciclo di acquisizione
Perché gli eventi nell'ambito dei segnali digitali vengano analizzati con un alto livello di precisione temporale e siano rilevati con affidabilità anche i glitch più stretti, è preferibile una elevata risoluzione temporale. Anche quando i canali digitali sono usati come sorgente di trigger, il tempo di aggancio è determinato con un alto grado di accuratezza, per assicurare un jitter della forma d'onda durante la visualizzazione il più basso possibile. Per questo, l'opzione per segnali misti R&S RTO-B1 offre una frequenza di campionamento di 5 Gsample/s per i 16 canali digitali e di 10 Gsample/s per quelli analogici; la risoluzione temporale risultante è di 200 ps.: un tale valore per l'intera profondità di acquisizione di 200 Msample è decisamente difficile da trovare in apparecchiature di questa classe. In tal modo, anche gli eventi che si verificano molto tempo dopo l’azione del trigger vengono visualizzati con un alto livello di accuratezza. Inoltre, la memoria dei dati per l'opzione segnali misti è separata dall'unità base: perciò, la profondità di acquisizione di 200 Msample resta indipendente dal numero di canali analogici e digitali utilizzati. Se la risoluzione temporale relativa ai canali analogici supera quella dei canali digitali, come nel caso di frequenza di campionamento di 10 Gsample/s o durante un processo di interpolazione, interviene l’interpolazione sample & hold per adattare la frequenza di campionamento dei canali digitali a quella dei canali analogici, affinché sia resa possibile un’analisi congiunta di forme d’onda analogiche e segnali digitali. La massima profondità di acquisizione di 200 Msample per canale digitale è adatta a registrare lunghe sequenze di dati da bus seriali in molte applicazioni. Ad esempio, un bit rate da 400 Mbps e una frequenza di campionamento di 5 Gsample/s danno una profondità di acquisizione di 16 Mbit. La profondità di memoria può essere utilizzata sia per acquisire lunghe sequenze di dati, sia per catturare un gran numero di forme d’onda sequenziali.

Opzioni di trigger
In generale, per i canali digitali viene fornito un trigger che necessita di una sola soglia di ampiezza, vale a dire la soglia di transizione logica. L'opzione R&S RTO-B1 a segnali misti include le seguenti tipologie di trigger: Edge, Width, Timeout, Pattern, State, Data-to-Clock e Serial Pattern con funzione Holdoff, Time, Event e Random Time. Le sorgenti di trigger possono essere canali digitali singoli, segnali di bus, o una qualsiasi combinazione logica di tutti i canali digitali secondo operatori logici come AND, OR o XOR. Durante la fase di analisi possono essere visualizzati tutti i segnali che l'utente ha scelto come sorgente di trigger, in particolare i canali digitali in combinazione logica.

Alta velocità di misura
Una tra le sfide più comuni nella progettazione di oscilloscopi digitali è la riduzione del "blind time", inteso come l'intervallo di tempo durante il quale non c'è acquisizione di dati e, pertanto, eventi potenzialmente interessanti non sono visibili. Nasce quindi il roblema di come ridurre il tempo di oscuramento in modo da rendere più veloce la registrazione di eventi rari. A tale scopo, l'ottimizzazione della fase di analisi può sicuramente essere d'aiuto. La famiglia di oscilloscopi RS& RTO è provvista di un Asic all' interno del quale l'acquisizione e l'analisi dei dati avvengono contemporaneamente, con Il risultato di rendere possibile la visualizzazione di ben un milione di forme d'onda al secondo. L'opzione per segnali misti realizza anche una ottima integrazione dei canali digitali. L'elaborazione del segnale avviene infatti durante l'intero processo, dall'acquisizione e dal trigger alla visualizzazione delle analisi, comprese le funzioni del cursore e le misure, all'interno di un singolo Fpga . L'analisi è eseguita in parallelo per tutti i 16 canali, a una velocità che arriva fino a 200.000 forme d'onda al secondo. Questa velocità massima è comunque indipendente dal numero dei canali analizzati, sia analogici che digitali.

Visualizzazione Signal-based
Per ragioni di compatibilità con la percezione visiva dell'occhio umano, l'aggiornamento dello schermo avviene ogni 30 ms. Pertanto, la famiglia di oscilloscopi R&S RTO effettua, fra due aggiornamenti dello schermo, una sovrapposizione hardware delle forme d'onda provenienti dai canali analogici per poterle visualizzare tutte; lo stesso metodo è utilizzato anche dalla opzione per segnali misti per visualizzare i canali digitali. I segnali binari generati da tutte le acquisizioni nell'intervallo tra due aggiornamenti dello schermo vengono anch'essi sovrapposti. Ad una frequenza di acquisizione di 200.000 forme d'onda al secondo vengono simultaneamente visualizzate sullo schermo tutte le 6.000 forme d'onda acquisite. Grazie a questa procedura è possibile ottenere una panoramica delle frequenze degli stati binari e delle transizioni di livello lungo tutto l'intervallo di tempo. Successivamente, mediante le funzioni di ricerca, è possibile richiamare dalla memoria le singole forme d'onda per meglio analizzarle. Diversamente, i segnali dei bus non possono essere sovrapposti, dal momento che comprendono dati derivanti dalla combinazione di più segnali binari. Per un'analisi dettagliata dei segnali di bus, è possibile adattare il formato del display a quello del bus. Viene fatta distinzione tra bus di dati con e senza clock: nei primi, lo stato logico è determinato solo per le transizioni valide, mentre nei secondi per ciascun periodo di campionamento. La visualizzazione avviene sotto forma di bus, di tabella o come forma d'onda analogica nei formati numerici binario, esadecimale, decimale e frazionario.

Analisi del segnale
Il numero e la qualità delle funzioni di analisi fornite dall'oscilloscopio sono fattori determinanti per uno studio attento ed efficace delle forme d'onda. In particolare, sono rese disponibili misure automatizzate di ampiezza e di tempo. comprese le loro elaborazioni statistiche, funzioni matematiche e funzioni del cursore. Per i canali digitali, si utilizzano solamente le misure di tempo e le relative analisi statistiche, mentre le funzioni matematiche sono ridotte a operazioni logiche su segnali binari. Grazie all'opzione per segnali misti è possibile usufruire di un'ampia scelta di misure di tempo con le relative elaborazioni statistiche. Il segnale matematico può essere costituito da una qualsiasi combinazione logica dei 16 canali digitali è può essere utilizzato come sorgente per le funizioni di misura. Le funzioni del cursore possono invece essere aplicate ai segnali binari, ai segnali di bus e a quelli digitali combinati in modo logico.

Prospettive di mercato
Gli oscilloscopi a segnale misto presenti oggi sul mercato espandono le funzionalità dell'oscilloscopio tradizionale fino all'inclusione dell’analisi di stati logici e di protocollo. Gli utenti potranno quindi trarre beneficio, con un solo strumento, da allestimenti di test più semplici, operazioni più uniformi e visualizzazioni sincronizzate di forme d'onda analogiche, segnali digitali e dettagli dei protocolli. In questo modo, sarà possibile focalizzare più rapidamente l'attenzione su uno specifico problema di analisi circuitale: accontentando così coloro che sviluppano hardware con l'opportunità di analizzare l'integrità del segnale, e di analizzare il contenuto dei segnali per coloro che sviluppano software. Gli oscilloscopi a segnali misti sono gli unici in grado di tenere il passo con i circuiti analogici e digitali più avanzati. La larghezza di banda dei canali digitali continuerà a crescere, rendendo possibile l'analisi di interfacce con velocità dei dati sempre più alte, e di pari passo verranno aggiunte funzionalità tipiche degli analizzatori logici e di protocollo, come pure continuerà a crescere il numero delle funzioni di test e delle opzioni di analisi. A prescindere da tutte queste evoluzioni, l'attenzione sarà sempre comunque posta sul mantenimento di una operatività semplice ed intuitiva.

Uno sguardo alla nuova opzione per segnali misti
Oltre ai canali analogici forniti dall'unità di base, è possibile inserire una funzione opzionale per segnali misti all'interno degli oscilloscopi R&S RTO per ottenere 16 canali digitali, che possono essere campionati a 5 Gsample/s con una risoluzione temporale di 200ps. A questa frequenza di campionamento, la profondità di memoria è di 200 Msample, diversamente scende a 100 Msample per ogni canale digitale. La massima frequenza di ingresso è di 400 MHz con una minima deviazione di 500 mV. Nella normale operatività, vengono visualizzate fino a 200.000 forme d'onda al secondo acquisite dai canali analogici e digitali. I 16 canali digitali sono splittati fra due sonde, che possono gestire fino ad 8 canali ciascuna; l'impedenza d'ingresso misurata dei probe è di 100 kΩ, con 4 pF in parallelo. I valori di soglia possono essere settati nel range ±8 V a intervalli di 25 mV e l' isteresi può essere fissata su uno di tre livelli per eliminare le influenze del rumore.

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