Brig Assay, Agilent Technologies
מגבלות התכנון ממשיכים להפוך להדוקים יותר עם הגידול בקצבי נתונים וההצטמצמות של אינטרוולי היחידה (UI,
unit intervals ) יחד עם זאת, חומרי לוחות מעגלים מודפסים נשארים מאוד הפסדיים (lossy) כדי לחסוך בעלויות. שקול את הנתון שעבור אותות הנעים ב-10 גיגה-ביט לשנייה, אינטרוול היחידה הינו עתה רק ps 100 לפני שנוספו אפקטים כלשהם של “העולם האמיתי”. במילים אחרות, העין (eye) התכווצה לפחות מ- ps 100. הריצוד (jitter) או הרעש של התכנון חייב להיות מקוצץ בחצי, אולם ברוב המקרים מתבצע מינוף של אותו חומר לוח (לדוגמה FR4) מתכנונים קודמים. לכן, כל השיפורים בריצוד ורעש חייבים להיעשות בתכנון. ציוד בדיקות ומדידה כגון אוסילוסקופי זמן אמת רק מחמירים את הבעיה שכן הם מוסיפים רעש וריצוד שאינם חלק מהתכנון .כאשר משתמשים בטכניקות שִׁוְיוּן (equalization) ו-de-embedding, רמות הריצוד והרעש הנוספים על ידי ציוד בדיקות ומדידה אף עולות יותר. בעוד הטכניקות הללו מסייעות להימנע מהחלפת חומרי לוח ויכולות לפתוח אף את העיניים (eyes) הסגורות ביותר, הן אינן מקטינות את ההפרעות של האוסילוסקופ. במקום זאת הן רק מחמירות את ההשפעה שלהם. לאוסילוסקופי זמן אמת יש מגבלות חשובות כולל רצפת רעש, רצפת מדידות ריצוד, וטווח תדרים. כל המגבלות הללו שוחקות שוליים חיוניים בתכנון שלך. לא ניתן להתעלם יותר מתרומתם של אוסילוסקופים ומפרטי שלמות האותות שלהם לשולי התכנון. אפילו לאחר רכישת האוסילוסקופ עם מפרטי שלמות האותות “הטובים ביותר”, ידע בחומרה ותוכנה של אוסילוסקופים יכול לשמש כדי להוסיף ולמרב (maximize) את שולי התכנון.
מפרטים שיש לשקול בעת הרכישה
ישנם מספר מפרטי מפתח אשר יש לשקול כאשר מבצעים הערכה של אוסילוסקופים. מרוב (maximizing) של שולי התכנון מתחיל בהערכה הראשונית של האוסילוסקופ ששוקלים לרכוש. כל מפרט יכול להשפיע ואכן ישפיע על שולי התכנון. בנוסף למפרטי החומרה, הכרת tradeoffs של כלים שונים של יצרני אוסילוסקופים כגון כלי ריצוד, שִׁוְיוּן (equalization) וטרנספורמציה של צורות גל תשפיע על השוליים. בנוסף, ביחון (probing) הינו חשוב ביותר כך שידיעת ביצועי החומרה של הבחונות (probes) עשויה להיות ההבדל ביו הצלחה וכישלון. צירוף שלושת תחומי המפתח הללו של הערכה, ובחירת האוסילוסקופ אשר עונה בצורה הטובה ביותר על צרכי החברה יחסכו בסופו של דבר זמן וכסף. מאמר זה יתמקד בביצועי החומרה של האוסילוסקופ.
ביצועי חומרה
ספרות של יצרני אוסילוסקופים לעיתים קרובות תהיה חלוקה בנוגע לשאלה מהם המפרטים החשובים ביותר לצורך הערכה. מפרטים אלה לעיתים קרובות כוללים רצפת רעש, ריצוד פנימי, טווח תדרים, מספר ביטים אפקטיבי, יכולת נשנות (repeatability) של גלי סינוס ועוד. כל המפרטים הללו הינם בהחלט מועילים כאשר מבצעים מרוב של שוליים, אולם עבור בדיקות שוליים של עין זמן אמת של אות דיגיטלי, רצפת הרעש של האוסילוסקופ הינה אחד מהמפרטים החשובים ביותר. הרעש של האוסילוסקופ שוחק את גובה העין ומשפיע אל רוחב העין שכן הוא ישחק את זמני העלייה (rise). יצרנים יפרטו את רצפת הרעש בשתי דרכים שונות. ראשית, יצרנים יקבעו את האוסילוסקופ על
mV/div 50 וינתקו את כל הערוצים. לאחר מכן הם יפעילו היסטוגראמה אנכית של הרעש ויבצעו מדידה. המדידה מושווית לנתונים של יצרני אוסילוסקופ אחרים בעלי אותן הגדרות טווח תדרים. למשל, ב-25 גיגה הרץ ה-Agilent Infiniium DSAX92504A מודד את רצפת הרעש הנמוכה ביותר בתעשייה של פחות
מ- mV 1.8 בהנחה שאין היסט (offset) והאות ממוקם במרכז המסך (ראה תרשים 2). זה מושווה לרצפת רעש של mV 2.8 ב-20 גיגה הרץ עבור יצרני אוסילוסקופ אחרים, כאשר ה-DSA92504A מניב 25 גיגה הרץ עם 45% פחות רעש מכל אוסילוסקופ 20 גיגה הרץ בר-השוואה אחר בשוק.
השיטה השנייה המשמשת למדידת רצפת רעש הינה לקחת בחשבון שמספר יצרנים משתמשים ב-8 חלוקות על המסך בעוד אחרים משתמשים ב-10. סוג זה של מדידה קרוי “אחוז רעש על המסך” (Noise Percentage on Screen). מדידה זו מבוצעת באותה צורה של השיטה הראשונה פרט לכך שערך הרעש מחולק בסך הכולל של mV האפשרי על המסך. למשל, עם 8 חלוקות ב- mV/div 50, ה-DSAX92504A יניב “אחוז רעש על המסך” של mV 2 מחולק ב-mV 400 או ערך מוביל-שוק של 0.5% ב-25 גיגה הרץ.
בנוסף לרעש בלי היסט, מדידת הרעש עם היסט שנוסף הינה חשובה. על מנת לבצע את המדידה הזו, פשוט הזז את המיקום האות של ערוץ אחד (במקרה זה רק רעש) לחלוקה אחת גבוה יותר ואז מקם במרכז המסך (כמוצג בתרשים 2). כעת ההיסטוגראמה מראה את מדידת הרעש החדשה אשר במקרה של ה-DSAX92504A הינה 2.10 mV או 0.52% עבור האחוז על המסך. מספר אוסילוסקופים ישתנו עד 40% בעקבות שינוי פשוט זה במדידה. אוסילוסקופ ה-20 גיגה הרץ המוביל מודד mV 3.3 תחת אותם תנאים. שונות כה גדולה יכולה לרמוז שאות ללא היסט עובר בדיקת מסכה (mask), בעוד אות עם היסט נכשל עקב האוסילוסקופ. כישלון עקב השונות ברעש של האוסילוסקופ הינו בלתי קביל.
כמובן, ישנם היבטים נוספים לדיוק של אוסילוסקופ מעבר לרצפת הרעש שלו; לאוסילוסקופים יש ריצוד פנימי. עם המשך ההצטמצמות של UIs, הריצוד של אוסילוסקופ הינו אף בעל השפעה גדולה יותר על מדידות הריצוד. אפילו יותר חשובה הינה העובדה שמדידת הריצוד הפנימי של האוסילוסקופ מיתרגמת לריצוד אקראי של המכשיר. חיוני לקחת לא רק את מפרט הריצוד המושפע של האוסילוסקופ הרשום בגיליון הנתונים שלו. מספר יצרני אוסילוסקופים יפרטו רק את ערך הריצוד האבסולוטי הנמוך ביותר, תוך הנחה שאין השפעה של רצפת רעש מהאוסילוסקופ. בעוד שריצוד זה (הידוע כריצוד שעון דוגמה, sample clock jitter) הינו חשוב, אין הוא משקף את המציאות של מה שבדיקות בפועל יגלו. רצפת מדידות הריצוד (ריצוד שעון דוגמה בשילוב עם השפעת רעש עקב קצב slew) מושפע על ידי רצפת הרעש של האוסילוסקופ. כל שזמן העלייה (קצב slew) נמוך יותר, כך יש לרצפת הרעש יותר השפעה. חשוב לראות את רצפת מדידת הריצוד של האוסילוסקופ תחת תנאים רבים שונים במקום פשוט לקבל את הרשום בגיליון הנתונים של המוצר.
שקול אוסילוסקופ עם מדידת ריצוד של fs 180 (כגון DSAX92504A) ורצפת רעש של פחות מ- mV 2. לאחר מכן השווה זאת לאוסילוסקופ עם מעל fs 400 של ריצוד ורצפת רעש של יותר מ- mV 3.5. אם קצב ה-slew שלך הינו איטי, נניח ps 100 (10/90%) הרעש של האוסילוסקופ יהיה בעל השפעה מכריעה על התוצאות הסופיות של ההתקן הנבדק. ההבדל במדידות הנובע מההבדל ברצפות הריצוד ורעש הרשומות לעיל יכול להתאים ליותר מפיקו-שנייה של ריצוד אקראי. לאחר מכן הפיקו-שנייה הנוספת מוכפלת בארבע-עשרה עבור מדידת הריצוד הכוללת. בסופו של דבר המשמעות הינה שהאוסילוסקופ מוסיף 14 פיקו-שניות של ריצוד כולל להתקן הנבדק. משמעות הבדל זה במדידה הינה שאוסילוסקופ אחד מעביר את ההתקן הנבדק בעוד השני מכשיל אותו.
מדידת רצפת מדידת הריצוד של אוסילוסקופ יכולה להיות תהליך די פשוט התלוי ברמת התחכום הנדרש. פשוט השתמש במקור בעל דיוק גבוה של גלי סינוס כגון Agilent PSG. לאחר מכן מדוד את גל הסינוס באמצעות האוסילוסקופ. לדיוק הגבוה ביותר, השווה את התוצאות של אוסילוסקופ זמן אמת עם ה-DCA-j (אשר הינו בעל רצפת מדידת ריצוד של פחות מ-50). ברגע שגל הסינוס מוצג, הפעל את מדידת השגיאה של אינטרוול הזמן של האוסילוסקופ (ראה תמונה 2). פרט את שחזור השעון הקבוע כגל סינוס כך שיהיה זה קל עבור שחזור השעון להינעל על קצב הנתונים הנתון.
הרכיב החשוב האחרון של דיוק במדידות הינו טווח התדרים של האוסילוסקופ. כדי למדוד במדויק שפה (edge), צריך להיות טווח תדרים מספיק על מנת לספק ייצוג נכון של השפה. השפה תופיע בקצב הרבה יותר איטי מאשר הינו בפועל אם אין לאוסילוסקופ טווח תדרים מספיק. הייצוג האיטי יותר של שפה יביא לריצוד גבוה יותר מזה הקיים בפועל. החישוב הבא יכול לשמש לקביעת טווח התדרים הנדרש עבור השפה הנמדדת:
ד”ר הווארד וו. ג’ונסון כתב ספר אודות נושא זה שכותרתו הינה High-speed Digital Design – A Handbook of Black Magic1. הוא מתייחס לרכיב תדר עיקרי כתדר “ברך” (fknee). כל השפות (edges) המהירות הינן בעלות ספקטרום אינסופי של רכיבי תדר. יחד עם זאת, ישנה עקומה (או “ברך”) בספקטרום התדרים של שפות מהירות כאשר רכיבי תדר הגבוהים מ-fknee אינם משמעותיים בקביעת הצורה של האות.
ברגע שנקבע ערך עבור fknee, חשוב להבין את היענות התדר (frequency response) של האוסילוסקופ. אם אוסילוסקופ הינו בעל תגובה המתגלגלת מהר מאוד (brickwall response), הוא יכול לייצג במדויק שפות (edges) מהירות יותר עם טווח תדרים פחות. מצד שני, אם לאוסילוסקופ יש יותר היענות גאוסיינית, הוא ידרוש טווח תדרים גדול יותר. הנוסחאות הבאות מתארות את העובדה הזו:
אם למכשיר יש זמן עלייה של ps 25 (10/90%), אזי fknee שווה ל-20 גיגה-הרץ. שילוב תדר הברך הזה במשוואות הרשומות לעיל מראה כי עבור דיוק של 10%, נדרש מהאוסילוסקופ טווח תדרים של 24 גיגה הרץ (בהנחה שהאוסילוסקופ הציג ערך נכון של brickwall response). בפועל, אוסילוסקופים אף פעם לא משיגים brickwall response אמיתי ונוטים להיות בעלי היענות הנעה בין היענות גאוסיינית והיענות brickwall כמוצג בתרשים 5.
מרוב (maximizing) השוליים לאחר רכישה
לאחר הרכישה של אוסילוסקופ, ישנן מספר טכניקות היכולות לסייע למדוד את ההתקן הנמדד בצורה יותר מדויקת. למשל, הידיעה מהו טווח התדרים הנדרש למדידה מסוימת הינה חיונית כאשר דואגים לדיוק המדידה. הנח שנרכש אוסילוסקופ עם טווח תדרים זמן אמת של 25 גיגה הרץ (טווח תדרים זמן אמת הגדול ביותר הזמין כיום), כגון ה-DSAX92504A, ושהבדיקה הנוכחית הינה בעלת זמן עלייה של ps 50. טווח התדרים הנוסף למעשה פועל כמעצור למרוב השוליים. במקרה זה, נדרשים רק 12 גיגה הרץ של טווח תדרים כדי למדוד במדויק את השפה. 20 הגיגה הרץ הנוספים של טווח תדרים מתאימים לרצפת רעש אשר הינה לפחות כפולה מרצפת הרעש של אוסילוסקופ 12 גיגה הרץ. כל יצרני האוסילוסקופים מספקים תכונה הידועה כ”גבול טווח התדרים” (Bandwidth limit). עבור מדידה זו, ניתן להשיג מחדש את הדיוק על ידי הגבלת מכשיר ה-DSAX92504A ל-12 גיגה הרץ. למעשה, ה-DSAX92504 ב-12 גיגה הרץ הינו בעל רצפת הרעש הנמוכה ביותר הזמינה כיום. על ידי הגבלת טווח התדרים של הטכנולוגיה החדישה ביותר, ניתן להגדיל את דיוק המדידה. הגבלת טווח התדרים לא רק מקטינה את רעש האוסילוסקופ, אלא אף מקטינה את רצפת הריצוד רעש של מדידת המכשיר.
מסקנה
כדי למדוד במדויק את העין של אות דיגיטלי, ישנם שלושה רכיבים של אוסילוסקופ היכולים להשפיע על השוליים (margins). רכיבים אלה הינם רצפת הרעש, רצפת הריצוד של המדידה, וטווח התדרים של האוסילוסקופ. כאשר רוכשים אוסילוסקופ עבור מדידות בהן לשוליים ישנה חשיבות, חשוב לבחור במכשיר המבצע מרוב של השוליים. לאחר הרכישה של אוסילוסקופ ישנן דרכים רבות להגדיל אף יותר את השוליים, כולל בחירת טווח התדרים הנכון עבור ההתקן הנבדק. UIs ממשיכים לקטון, ומשמעות הדבר הינה ששוליים נעשים הדוקים יותר. חברות אינן יכולות להרשות להכשיל מכשירים עקב אי דיוקים של אוסילוסקופים, ובחירת האוסילוסקופ הנכון עשויה להקטין את הזמן לשוק של טכנולוגיות מפתח.
