מאת: בריג אסאיי, Agilent Technologies
מבוא: החברות השונות מוציאות כיום אלפי דולרים על ציוד בדיקה ומדידה. מבחינתם של מתכננים שעובדים במהירות גבוהה, אחת הרכישות המשמעותיות ביותר היא ללא ספק האוסילוסקופ שפועל בזמן אמת. בדומה לרוב המכשירים, יצרני האוסילוסקופים דורשים מחירים גבוהים במיוחד עבור רוחבי פס גדולים. החברות מוכנות לשלם סכומים אלה ובלבד שתוכלנה להיות סמוכות ובטוחות, שההתקן תחת בדיקה אכן מיוצג כראוי על-ידי האוסילוסקופ. אוסילוסקופ שרוחב הפס שלו נמוך מדי ידווח בחסר על זמני העלייה ובמקרים רבים עלול לספק דיווחי יתר אודות הריצוד – דיווח העלול לגרום לכרסום בתחום החשמלי המתוכנן, להגדלת העלויות ולהארכת זמן היציאה לשוק. היתרון של תחום רחב יותר הופך את מחירו הגבוה של רוחב הפס להשקעה כדאית. האוסילוסקופ מהווה רק חלק אחד במערכת המדידה השלמה, והפסדי רוחב הפס עלולים להיגרם גם דרך קישורים אחרים במערכת. החיווט מהווה את אחד הקישורים המרכזיים של מערכת המדידה.
איור 1
איור 2: תוכנת N5465A InfiniiSim מראה כיצד להסיר את ניחות ההכנסה דרך התפריט שלה
איור 3: תמונת גבול הכיול של האוסילוסקופ מסדרת 90000 X-Series
מגבלות הכבלים
בהשוואה למחיר האוסילוסקופ, עלות הכבלים של מערכת המדידה היא שולית למדי. עם זאת, כבלים אלה יכולים להשליט תוהו ובוהו במערכת המדידה. איור 1 מתאר כבל שחובר לאוסילוסקופ של 16GHz (המשמעות היא, כי מיקום ה-down point של 3dB היה ב- 16GHz). העכבה הכחולה הבהירה מייצגת את היענות התדר של הכבל. יש לשים לב, כי במקרה זה, נקודת ה-3dB נמצאת ב-3GHz! שווה בנפשך חברה שרכשה אוסילוסקופ של 16GHz (ושילמה את הסכום הגבוה הנדרש עבור רוחב הפס הנוסף), אולם נאלצת כעת להתמודד עם הגבלת רוחב הפס ל-3GHz בגלל הכבל. מעבר להפסד החלק המשמעותי ביותר בהשקעתה (רוחב הפס), הרי שכתוצאה מניחות הכבלים (Cable lost), יורדים לטמיון גם תחומים יקרי ערך. כאילו לא די בכך, ערוצי המדידה של החברות השונות כוללות כיום קישורים רבים יותר, כולל מתגים (לצורך מדידת ערוצים מרובים), מתאמים והתקנים שונים. מבחינה פוטנציאלית, נתונים דומים של היענות תדר עשויים לאפיין כל אחד מרכיבים אלה, כשכל אחד מהם בתורו תורם לכרסום בתחום הקריטי וגורם לבזבוז אפשרי של מאות אלפי דולרים. למרות כל זאת, הנטייה הרווחת היא להתעלם במידה רבה מכרסומים אלו.
איור 4: הפולס שנוצר באמצעות המתמטיקה הדיפרנציאלית של הגבול המהיר
איור 5: FFT של פולס המתמטיקה הדיפרנציאלית שנוצר מתוך גבול הכיול של סדרת 90000 X-Series
איור 6: אשף של תוכנת PrecisionProbe, הפועל שלב אחר שלב.
התגברות על ניחות כבלים
ניחות ההכנסה (insertion loss) המוגדר כ-S21 מתואר כניחות שחווה הכבל בגין הפסד דיאלקטרי או התנגדות מוליך. בקו התמסורת, S21 הוא מקדם ההעברה. כאשר S21 מובע ביחידות dB, אובדן אות מסוג insertion loss הוא המקבילה השלילית שלו ומייצג את ההפסד שנגרם לאורך התמסורת. כאשר לכבל עכבה אופיינית (Z0) של 50ohms, וכאשר המקור והעומס הם 50ohms, ניחות המעבר שנמדד הוא בפועל הפסד הכבל המחושב עבור אורך הכבל הספציפי. אם אין התאמה מוחלטת בין המקור לבין העומס, עלולות להיגרם החזרות – אשר מצריכות מידול מעמיק יותר. עם זאת, מאמר זה יתמקד אך ורק במקרים שבהם יש התאמה בין המקור לבין העומס.
בפני המהנדסים עומדות שתי דרכים אפשריות להתמודדות עם ניחות מעבר מסוג S21. הראשונה כוללת השקעה בכבלים איכותיים יותר; אם כי גם הכבלים האיכותיים ביותר נידונים לאובדן רוחב פס כתוצאה מניחות שנגרם בעיקרו על-ידי DC, כך שבמילים אחרות, שיטה זו אינה אלא התעלמות מניחות הכבלים. למרבה הצער, זהו הפתרון שנבחר לעתים מזומנות על-ידי המהנדסים. השיטה השנייה, שמיועדת לפתור את בעיית ההפסדים בערוצים, כוללת את אפיון היענות התדר (עוצמה ופאזה) וקיזוז כל שגיאה דרך שיפור העיבוד של האותות הדיגיטליים. היתרון של השיטה השנייה נעוץ בעובדה, כי המהנדסים יכולים לאפיין ולקזז כל כבל מכבלי המערכת. הקיזוז מאפשר תיקון של אובדן אותות בכל הכבלים. עם זאת, לשיטה זו שני חסרונות: ראשית, היא דורשת השקעה של זמן ומומחיות במדידה ובאפיון של הכבל ושנית, האפיון עצמו עלול להיות שגוי. כתוצאה מכך, האפשרות הראשונה היא לרוב התשובה הנבחרת.
אפיון וקיזוז אובדן אות מסוג S21
עבור אותם מהנדסים שבוחרים לאפיין ולקזז את ניחות הכבלים, קיימות בשוק מגוון שיטות שמיועדות לאפיין את מרכיבי הקישורים השונים. עד לאחרונה, השיטות כללו נתחי רשת וקטוריים (VNA), טכנולוגיות Time Domain Reflectometry והדמיה דרך כלים כגון ADS. לכל אחת משיטות אלה חסרונות שאותם יש לקחת בחשבון. בסופו של דבר, המטרה היא להפוך את האפיון לקובץ (ידוע כקובץ s-parameter) שניתן לקריאה על-ידי האוסילוסקופ, אשר בתורו יוצר פונקצית העברה. במקרה של ביטול הניחות, הקובץ המדובר הוא למעשה מודל פשוט של שתי יציאות. כל יצרני האוסילוסקופים האיכותיים מספקים תוכנות de-embedding, אשר יוצרות את פונקצית ההעברה ומסירות את הפסד הכבל. לדוגמה, Agilent מספקת את תוכנת N5465A InfiniiSim, אשר זמינה בגרסה בסיסית ומתקדמת. הגרסה הבסיסית היא כל שנדרש לצורך התמודדות עם ניחות הכבלים.
כפי שנאמר לעיל, שיטות האפיון הנוספות של ניחות כבלים כוללות VNA ו-TDR. ה-VNA הוא מכשיר שמודד את היענות התדר של ההתקן תחת בדיקה (DUT). היחס בין גל הסינוס המועבר אל ה-DUT ועוצמת הווקטור מחושב בין אותות הייחוס והאות המועבר (S21) או המוחזר (S11). היענות התדר מושגת על-ידי ביצוע sweeping של אותות הכניסה לרוחב התדר. מסנן מעביר-פס (bandpass) משולב במקלט לצורך הרחקת רעשים ואותות לא רצויים מן המדידה, במטרה לשפר את רמת הדיוק. טכנולוגיית ה-TDR פועלת על-ידי הזרקת תצורת גל בעלת rising edge מהיר לתוך ה-DUT לצורך מדידת תצורת הגל המוחזרת, ולאחר מכן מציגה את המאפיינים על בסיס ההחזרות שנגרמו. יתרון ה-TDR טמון בעובדה, כי המחשב המרכזי (mainframe) שמבצע את מדידות ה-TDR (לרוב אוסילוסקופ דגימה) יכול לשמש גם למדידת ה-DUT. אוסילוסקופ המיינפריים משתמש בכונן קשיח משותף, כך שלא נדרש כל ייצוא של קבצים. בנוסף, המשמעות היא גם כמות פחותה של ציוד, שכן נדרשים רק שני מודולים ולא שני מכשירים נפרדים לחלוטין. מובן, כי השיטות מבוססות ה-VNA וה-TDR אינן זמינות עבור אוסילוסקופים בזמן אמת. הן ה-VNA והן ה-TDA מצריכים מומחיות בהפעלה. אם מאפייני הכבל נמדדים בצורה שגויה, הרי שגם קובץ ה-s-parameter יהיה לא חוקי. לרוע המזל, תוכנות האוסילוסקופים אינן מבחינות בין קבצים חוקיים ללא חוקיים. פונקציות ההעברה ייווצרו בכל מקרה, והמשמעות היא, כי קיים פוטנציאל לשגיאה (בדרך כלל, שינוי צורת הגל מזהיר את המשתמשים, כי נוצר קובץ לא חוקי). בעקבות מורכבות המשימה של יצירת קובצי s-parameter דרך VNA או TDR, משתמשי האוסילוסקופים נוטים להתעלם מניחות הכבלים. הסברה היא, כי השעות הרבות שנדרשות לצורך אפיון הכבל (כמו גם הדרישה לציוד נוסף) יסתכמו בסופו של דבר בתוספת של פיקו-שניות בודדות לתחום; ומתוך כך צומחת ההנחה הרווחת, כי הכבלים, למעשה, הנם נטולי הפסדים. למרבה הצער, ככל שהנתיבים הטוריים גבוהי המהירות הולכים והופכים מהירים יותר, כך גדלה עוד יותר החשיבות של מדידה נאותה ושל קיזוז ניחות הכבלים – שכן ההפסדים כבר אינם זניחים עוד.
מדע המדידה המתפתח
כדי להימנע מן האתגרים הכרוכים בשיטות היצירה של קובצי s-parameter אשר מבוססות על טכנולוגיות ה-TDR וה-VNA, פותחה שיטת אפיון חדשה, אשר מכונה בסדרת האוסילוסקופים זמן אמת של Agilent, תוכנת N2809A או תוכנת PrecisionProbe. ה-PrecisionProbe היא תוכנת אפיון של ניחות כבלים, ומעבר לכך – תוכנת קיזוז, אשר פועלת בשילוב עם אוסילוסקופים בזמן אמת. היתרון העיקרי של כלי תוכנה (כלי אפיון מבוססי אוסילוסקופים) כדוגמת PrecisionPobe נובע מן העובדה, כי האפיון ניתן לביצוע באמצעות אוסילוסקופ זמן אמת ונמשך דקות ספורות בלבד ולא שעות. יתרון נוסף הוא, כי לאחר אפיון הכבל, התוכנה מבצעת את פעולת הקיזוז אוטומטית ובזמן אמת. אין כל צורך להריץ תוכנת de-embedding, שכן התהליך כולו מבוצע באמצעות כלי התוכנה. כלי תוכנה כגון PrecisionProbe פועלים באמצעות שימוש בגבול המהיר שמובנה באוסילוסקופ ומיועד לכיול הסקופ (המהירות של Agilent 90000 X-Series פחותה מ-15ps). לאחר מכן מחושב הממוצע העמוק של גבול הכיול, מתמטיקה דיפרנציאלית מוחלת על ה-גבול המהיר ויוצרת פולס, התמרת הפורייה המהירה מופקת מתוך הפולס ונלמדים מאפייני הגבול. תוכנת PrecisionProbe מבצעת מדידת בסיס כמפורט לעיל והכבל החדש מתווסף למעגל המדידה כמתואר בתמונה 1. לאחר מכן מבוצעת השוואה בין מדידת הבסיס לבין המדידה חדשה. ידוע, כי ההפרשים נובעים מהוספת הכבל ומאפייני S21 מתבררים. בדרך כלל, נעשה שימוש באשף אשר מדריך את המשתמש לאורך השלבים והתהליך כולו נמשך פחות מחמש דקות. חשוב לציין, כי לא נדרש כל ציוד נוסף למעט האוסילוסקופ זמן אמת, אשר ממילא נמצא כבר ברשות המשתמש. לאור פשטות התהליך, המתכננים אינם צריכים עוד להתעלם מניחות הכבלים ויכולים במקום זאת לבצע את האפיון באמצעות האוסילוסקופ שברשותם ואף לקזז את ההפסדים.
לסיכום
אף על פי שניחות הכבלים מכרסמים בתחום החשמלי, המתכננים ומשתמשי האוסילוסקופים נוטים לרוב להתעלם מהם. הסיבות להתעלמות זו נובעות בעיקר מן הצורך בציוד נוסף שמחייב מומחיות מיוחדת, כך שבמקום לעבור תהליכים אלה, הנטייה היא להתעלם מן הניחות. בעצם ההתעלמות מניחות הכבלים, החברות מסתכנות בהפסד או בבזבוז של אלפי דולרים שהושקעו ברוחב פס והנם מיותרים מבחינת האוסילוסקופ. כדי לפתור את הבעיה, יצרני האוסילוסקופים פיתחו תוכנות חדשות, כגון N2809A PrecisionProbe של Agilent, שעושות שימוש בחומרה המובנית באוסילוסקופ. תוכנה זו מאפשרת למהנדסים לבצע אפיון וקיזוז מהירים עבור כבלים, התקנים או הפסדים במסגרת מטריצת מיתוג, מבלי שיידרשו לציוד נוסף. כמו כן, היא מאפשרת למהנדסים לשחזר את התחום יקר הערך שירדו לטמיון בגלל הכבלים – תחום שיסייע להם לקצר את זמן היציאה לשוק של המוצר.
