Oscilloscopi digitali per un’approfondita analisi dei difetti

STRUMENTAZIONE DIGITALE –

La scelta di un oscilloscopio digitale necessita di una attenta valutazione di tutte le funzioni che lo strumento può mettere a disposizione.

Nel panorama della rapida evoluzione industriale attuale, gli ingegneri hanno il compito di caratterizzare le nuove tecnologie sviluppate con forme d'onda più veloci e complesse che mai. Una ampia gamma di misurazioni si rende necessaria per assicurare la qualità ed affidabilità dei computer, dei sistemi di comunicazione e in generale dei prodotti dell'industria digitale, visto che le attuali tecnologie logiche consentono la creazione di flussi di dati con fronti di transizione molto rapidi e Data Rate indipendenti. Queste condizioni impongono nuove sfide risolvibili solo grazie agli oscilloscopi digitali.

Si rende infatti indispensabile, per consentire all'ingegnere di risolvere problemi particolarmente insidiosi, la disponibilità di una ampia gamma di potenti trigger che gli consentano di rilevare esattamente l'evento che sta cercando all'interno di una lunga acquisizione. È necessario disporre di trigger basati sui pattern per poter cercare le sequenze logiche troppo lunghe o troppo corte oltre a trigger ad esclusione, impostabili con ampiezze predeterminate, che consentano allo strumento di eseguire un trigger solo in presenza di condizioni anomale del segnale. "Histicon", una funzione che mostra icone relative ad istogrammi parametrici, consente una analisi approfondita delle forme d'onda, evidenziando rapidamente le caratteristiche fondamentali di un segnale ed individuando la fonte dei problemi di qualità del segnale stesso.

La disponibilità di funzioni matematiche complesse deve consentire all'ingegnere di aggiungere, nella sequenza di elaborazione dell'oscilloscopio, misurazioni parametriche personalizzate, senza dover ricorrere all'utilizzo di un computer esterno. Oggi sono necessarie funzioni di analisi più avanzate della semplice Fft. Per esempio la possibilità di effettuare la media del segnale sia nel dominio della frequenza che del tempo permette di rimuovere il rumore random.
Inoltre si rendono necessarie delle misurazioni statistiche, per analizzare a fondo il comportamento di un circuito, completate da funzioni di auto-correlazione per localizzare la fonte dei problemi.
Ecco quindi come ottenere i migliori risultati da un oscilloscopio digitale per:

  • caratterizzare le instabilità dei segnali;
  • misurare segnali di bassa ampiezza in presenza di rumore;
  • osservare disturbi periodici nei segnali;
  • caratterizzare una serie di Burst;
  • localizzare problemi di integrità di segnale dovuti a glitch;
  • verificare il Transition Timing nei circuiti logici;
  • verificare la fase di accensione;
  • controllare l'integrità dei segnali del Clock e dei dati;
  • verificare i dati scritti su di una Fpga.

Caratterizzare le instabilità del segnale

Nel seguente esempio l'impulso mostra un'ampiezza piuttosto instabile: infatti la base è costante, ma l'ampiezza e la sua forma variano nel tempo. La rappresentazione base può essere visualizzata "a cascata" mostrando così il trend della forma d'onda. La rappresentazione ci offre un modo efficiente per analizzare un segnale instabile utilizzando una modalità di persistenza con un gradiente di colore che di fatto mostra quante volte una data forma quantificata ricorre, fornendo quindi un terzo asse alla misurazione.
Qui vediamo lo stesso segnale visualizzato con altri metodi di elaborazione. Un istrogramma è una visualizzazione statistica dei segnali acquisiti nel dominio del tempo ed è un altro metodo molto valido per caratterizzare la quantità di instabilità dei parametri di un segnale chiave. L'istogramma infatti mostra i valori minimi, massimi e critici dei parametri selezionati oltre alle variazioni RSM e la forma della loro distribuzione.

Vedere gli eventi rari

Nell'ambito degli oscilloscopi digitali LeCroy è una azienda specializzata ed offre una gamma completa di strumenti suddivisi in varie serie. Ad esempio le serie WaveRunner Xi e WaveSurfer Xs offrono una funzione chiamata WaveStream che fornisce una visualizzazione della traccia molto vivace e del tutto simile a quella degli oscilloscopi analogici, regolabile in intensità dal pannello frontale. Rispetto ad altre tecnologie disponibili sul mercato WaveStream non limita il Sample Rate (massimo 10 GS/s), è dotato di una velocità di trigger molto alta e offre un passaggio immediato ed in tempo reale tra le modalità WaveStream e la modalità in tempo reale. Inoltre, per la miglior visualizzazione dei runt, dei glitch o di altre anomalie del segnale, sono disponibili 256 livelli di intensità. Grazie a tutta questa flessibilità di visualizzazione, scoprire anomalie intermittenti diviene un compito semplice.

Trovare problemi sui quali non si possono impostare trigger specifici

Il miglior trigger non troverà tutti gli eventi anomali, per cui è necessaria una qualche funzionalità piu potente. WaveScan va ben oltre il triggering hardware e, oltre ad essere in grado di cercare eventi anomali in una singola acquisizione, è in grado di cercare un evento in un periodo di ore o giorni e di eseguire una serie di funzioni una volta che un evento è stato trovato. Si può scegliere fra più di 20 modalità di ricerca (ampiezza di impulso, frequenza, rise time, runt, duty cycle, etc.) poi si può scegliere una condizione di ricerca specifica ed incominciare la ricerca. Dal momento che le modalità di scansione WaveScan, non sono semplicemente le "copie" dei trigger hardware, si può usufruire di una duttilità e potenza molto maggiori. Ad esempio nessun oscilloscopio dispone di un "trigger di frequenza" eppure WaveScan consente di eseguire delle "scansioni" di specifiche frequenze e questo rende il collaudo più rapido, visto che consente all'utente di raccogliere un set di dati relativi ad eventi anomali nel campo della frequenza, registrabili anche in un periodo di ore o giorni. Se applicato ad acquisizioni multiple WaveScan sfrutta appieno la tradizionale potenza di elaborazione degli strumenti LeCroy. In sostanza un oscilloscopio digitale LeCroy, basato su architettura X-Stream, eseguirà la scansione di milioni di eventi alla ricerca di anomalie in una maniera più rapida ed efficiente degli altri oscilloscopi tradizionali. In aggiunta, la funzione WaveScan presente negli oscilloscopi digitali della serie WaveRunner Xi, è dotata anche di capacità ScanHisto e ScanOverlay. Le anomalie riscontrate possono essere facilmente "sovrapposte" in modalità ScanOverlay fornendo un immediato e semplice confronto, mentre grazie alle modalità di scansione basate sulle misurazioni ScanHisto è possibile visualizzare la distribuzione statistica delle anomalie riscontrate. È chiaro come questo particolare strumento di analisi semplifichi il collaudo e lo renda più efficace.

Osservazione dei segnali in presenza di rumore

La misurazione e l'analisi di segnali immersi nel rumore richiede un trigger stabile, una sufficiente profondità di memoria ed un passo di campionamento adeguatamente flessibile. Il metodo più comune per ridurre o perfino eliminare il rumore in un segnale è l'utilizzo di tecniche basate sulla media, ma l'utilizzo di questa tecnica può essere talvolta fuorviante se l'utente non presta la necessaria attenzione alle specifiche dell'oscilloscopio. Infatti in alcuni oscilloscopi, con l'esecuzione della media attivata, la memoria è ridotta a 20 kpts. L'aggiornamento dello schermo è molto rapido, il rumore è eliminato, ma la forma del segnale è errata a causa della insufficienza di dati per l'applicazione delle funzioni matematiche.

Osservazione dei disturbi nei segnali

Spesso i segnali sono afflitti da distorsioni o altri generi di perturbazioni dovute a malfunzionamenti o ad un filtraggio insufficiente. Il passare dall'ambito temporale all'ambito della frequenza è un modo semplice per identificare e localizzare chiaramente la fonte dei disturbi. Gli oscilloscopi devono avere funzioni di controllo e capacità sufficienti a mostrare una situazione accurata nell'ambito della frequenza. A causa del principio stesso della FFT, più è ampia la finestra temporale maggiore sarà la risoluzione della frequenza. Gli oscilloscopi digitali possono facilmente passare da un ambito all'altro al fine di offrire il meglio di ognuno, direttamente a disposizione degli ingegneri impegnati nella R&D.

Caratterizzare una serie di burst

Un trigger potente e stabile è essenziale per ottenere una visualizzazione accurata e stabile del segnale sullo schermo. L'utilizzo delle tecniche standard svela parametri comuni come la larghezza di impulso, la frequenza e la misurazione di ampiezza, ma la maggior parte delle volte ciò non è sufficiente per comprendere il comportamento di un dispositivo. Istogrammi e analisi statistiche, tipiche degli oscilloscopi digitali LeCroy, forniscono informazioni aggiuntive sulle caratteristiche del segnale. I cursori temporali possono essere utilizzati per misurare la ripetitività del burst.

Localizzare problemi di integrità del segnale dovuti ai glitch

Nei moderni circuiti digitali i fronti particolarmente veloci creano interferenze sulle linee di trasmissione ed i relativi glitch si verificano a causa del crosstalk o di terminazioni non adatte. Essendo i glitch "immersi" nel flusso dati, non possono essere facilmente differenziati dagli altri impulsi. Ad esempio, se si esegue una misurazione di durata, le funzioni matematiche possono mostrare che il valore previsto di larghezza dell'impulso è nell'intorno dei 500 ns, ma la larghezza minima effettivamente rilevata è di 200 ns, il che è fortemente fuori specifica. Attivando la funzione LeCroy WaveStream, è possibile identificare e localizzare questo tipo di anomalie e visualizzarle sullo schermo, mentre i cursori restano utilizzabili per misurare la larghezza dei glitch. Inoltre, con la funzione Smart Trigger attiva, il glitch stesso diviene la sorgente del trigger e può essere facilmente visualizzato e misurato a seconda dei parametri impostati.

I tempi di transizione nei circuiti logici

Nei circuiti di dati logici, i segnali devono essere posti in una specifica sequenza in maniera da rendere il dispositivo funzionante. In particolare le misurazioni relative ai tempi di set-up, hold e ai ritardi di propagazione devono essere eseguite nelle fasi di test e verifica. Le funzioni di smart trigger sono fondamentali in quanto consentono all'utente di impostare specifiche condizioni true & false e di conteggiare il verificarsi delle stesse anche su più canali, visualizzando i risultati e le notifiche di malfunzionamento.

Verificare la fase di accensione

Gli alimentatori dovrebbero accendersi fornendo voltaggi predefiniti in maniera continua ed omogenea. Devono stabilizzarsi allo specifico voltaggio previsto dalla banda di regolazione in una finestra di tempo specifica. Anche in questo caso un oscilloscopio digitale è l'unico strumento valido in quanto può visualizzare simultaneamente informazioni temporali e di tensione. Inoltre l'utilizzo dei cursori per il tempo e per la tensione rende immediata l'analisi di questa semplice ma fondamentale sequenza di eventi.

Controllare l'integrità dei segnali del clock e dei dati

Pur prevalendo gli "0" e gli "1" nella progettazione di circuiti logici, una bassa integrità del segnale può seriamente interferire nei percorsi di trasmissione dei segnali dei dati e del clock. Gli oscilloscopi digitali, essendo dotati di impostazioni della base dei tempi molto versatili, possono acquisire e scovare sia eventi anomali di lunga durata che transizioni molto veloci. Tramite l'utilizzo dei cursori gli ingegneri possono facilmente verificare le condizioni temporali, mentre l'accurata visualizzazione delle transizioni consente di caratterizzare il pre-shoot e l'overshoot entro i limiti specificati.

Verificare i dati scritti su un'Fpga

Una volta completata la sequenza di accensione è possibile verificare, con un oscilloscopio digitale, che i dati Write siano stati completamente trasmessi all'Fpga in determinato lasso di tempo. Infatti utilizzando la funzione cycles parameter un oscilloscopio digitale può facilmente contare la quantità di cicli del clock trascorsi per l'invio dei dati all'Fpga, mentre il passo di campionamento può essere impostato a bassa velocità per ottenere lunghe acquisizioni. Infine l'uso dei cursori consente di verificare che la trasmissione dei dati sia avvenuta in un tempo adeguato.

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