Labormesstechnik
Grundlagen der Signalintegrität
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Praxis-Beispiele für mangelnde Signalintegrität
Amplitudenprobleme - Amplitudenprobleme umfassen unkontrollierte Schwingungen (Ringing), Signal-Einbrüche (niedrigere Amplitude am Anfang eines Pulses) und Runt-Pulse (diese erreichen nicht die volle Amplitude).
Flanken-Abweichungen - Flanken-Abweichungen können durch Layout-Probleme auf der Baugruppe oder durch eine ungeeignete Abschlussimpedanz oder sogar durch Qualitätsprobleme bei den Halbleiter-Bauteilen verursacht werden. Solche Abweichungen können ein Einschwingen, Abflachen, Überschwingen, unkontrolliertes Schwingen und eine langsame Anstiegszeit umfassen.
Reflexionen - Reflexionen können durch die Abschlussimpedanz und Layout-Probleme auf der Baugruppe verursacht werden, wenn das ausgesendete Signal zurück zur Quelle läuft und nachfolgende Pulse stört.
Ground Bounce - Dies wird durch einen hohen Stromfluss (und/oder Widerstand in den Stromversorgungs- und Masse-Pfaden) verursacht und kann das Massepotential einer Schaltung bei einem zu hohen Strom anheben.
Übersprechen - Übersprechen kann auftreten, wenn lange Leiterbahnen nebeneinander verlaufen und Signale durch die Kapazität und Induktivität der Leiterbahnen eingekoppelt werden. Außerdem erhöht der höhere Strom bei schnellen Flanken die ausgestrahlte magnetische Energie.
Jitter - Jitter entsteht durch Schwankungen beim Timing von Signalflanken zwischen den Perioden. Zu den wichtigsten Ursachen von Jitter gehören Rauschen, Übersprechen und Timing-Instabilität.Jitter kann sich auf die Timing-Genauigkeit und Synchronisation in einem Digitalsystem auswirken.
Viele moderne Digitaloszilloskope beinhalten Tools, die eine komplexe Takt-Rückgewinnung, Triggerung und Skalierung und anschließend quantitative Messungen an den Daten durchführen können. Diese neuen Software- und Hardware-Tools enthalten standardmäßig auch eine Augendiagramm-Messung per Tastendruck. Das Augendiagramm ist ein visuelles Hilfsmittel, um die allgemeine Signalintegrität auf einem getakteten Bus zu beobachten. Es ist ein unverzichtbares Werkzeug für den Konformitätstest vieler gängiger Bussysteme, besonders bei einer seriellen Übertragung. Hier lässt sich ein Augendiagramm für jede Signallinie darstellen. Das Augendiagramm (siehe Bild unten) besteht aus den überlagerten Signalverläufen vieler aufeinander folgender Intervalle (UI). Augendiagramme zeigen serielle Daten in Bezug auf den mittels Hard- oder Software-Tools aus den Daten wiedergewonnenen Takt.
Das Diagramm zeigt alle positiven und negativen Übergänge (Flanken) sowie beide Datenzustände in einem einzigen Fenster. Das resultierende Bild ähnelt einem Auge. Idealerweise würde sich jede neue Kurve perfekt über die vorhergehenden legen. In Wirklichkeit jedoch führen die Signalintegritätsfaktoren dazu, dass diese einheitliche Kurve zunehmend "verwischt", wobei Jitter eine horizontale und Rauschen eine vertikale Unschärfe verursacht. Da ein Augendiagramm alle Logikübergänge in einer einzigen Darstellung präsentiert, erlaubt es eine schnelle Bewertung des Signalzustands. Dadurch lassen sich analoge Probleme, wie langsame Anstiegszeiten, Inter-Symbol-Interferenzen und Dämpfungen, einfach erkennen. Einige Ingenieure starten die Evaluierung daher mit der Betrachtung des Augendiagramms und untersuchen dann die verschiedenen Abweichungen. Software-Tools vereinfachen die Analyse und Zerlegung von Jitter inzwischen deutlich. Zu den Beispielen gehören:
- DPOJET Jitter & Timing Analyse für die Echtzeit DPO/MSO-Oszilloskope der Serie 70K von Tektronix:DPOJET ist ein populäres Tool für das Debugging von Kommunikationssystemen, um die Ursachen von Timing/Jitter-Problemen zu finden. DPOJET nutzt einen flexiblen Jitter-Messansatz, der sich für das Debugging unterschiedlichsterMethoden zur Taktrückgewinnungeignet.
- 80SJNB Jitter-, Rausch- und Timing-Analyse für Sampling-Oszilloskope:Die Analyse-Software 80SJNB ermöglicht in Verbindung mit dem Sampling-Oszilloskop DSA8300 von Tektronix http://www.tek.com/oscilloscope/dsa8300-sampling-oscilloscopeeine Timing- und Rausch-basierte Analyse und liefert ein 3D-Augendiagramm, das eine umfassende und genaue Evaluierung von Signalen mit Geschwindigkeiten bis zu 50 GHz und darüber hinaus erlaubt.
- JMAP (Jitter Mapping undDecomposition Analyse) fürBERTScope derSerie BSA: Gegenüber einem konventionellen BERT nutzt das BSA BERTScope von Tektronix eine einzigartige JMAP-Analyse, um Jitter in seine zufälligen und deterministischen Komponenten zu zerlegen die in einer Grafik angezeigt werden, wodurch ein umfassendes Fehlerverständnis bei langen Pattern (Muster) erreicht wird.
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