Le interfacce seriali ad alta velocità trasmettono spesso dati con segnalazione differenziale. Per accedere alle tracce del circuito stampato che trasportano tali segnali si possono utilizzare le sonde differenziali. Oltre agli ingressi differenziali, queste sonde dispongono di un collegamento a massa.
Una domanda importante quando si collegano le sonde multimodali modulari R&S®RT-ZMxx è se collegare o meno la massa della sonda (GND) al dispositivo in esame (DUT).
L'oscilloscopio ad alte prestazioni R&S®RTP è una soluzione ideale, omnicomprensiva, per il test delle interfacce digitali ad alta velocità. Le sonde modulari R&S®RT-ZMxx, insieme a un'ampia gamma di punte per sonde (R&S®RT-ZMAxx) e di accessori, consentono di accedere facilmente ai segnali dati e di superare i problemi di connessione meccanica ed elettrica per una maggiore sicurezza di misura.
Figura 1: Punta della sonda a saldare R&S®RT-ZMA10
Quando si verificano le interfacce digitali ad alta velocità, la corretta connessione del circuito è fondamentale per le misure. Per prima cosa è necessario decidere se analizzare un segnale di dati da un host a un dispositivo (o viceversa) o se eseguire un test di conformità. Quando si analizza un segnale di dati da un host a un dispositivo, è possibile utilizzare la sonda R&S®RT-ZM160 per rilevare il segnale dal vivo. Il test di conformità richiede un adattatore di test standard che possa accedere al segnale utilizzando un'apparecchiatura standard da 50 Ω (cavo, connettore, balun...).
Questa scheda applicativa descrive l'analisi del segnale dati di una tipica unità di memoria flash con interfaccia USB 3.2 Gen 1. Dopo aver controllato tutti i parametri, come la larghezza di banda, la finestra di tensione operativa e il carico, prendere l'unità R&S®RT-ZM160 e una punta della sonda R& S®RT-ZMA10 e saldare la punta della sonda (vedere Figura 1) con P, N, GND all'interfaccia USB della chiavetta (porta TX) e collegare la chiavetta a un computer desktop.
Figura 2: Diagramma a occhio del segnale differenziale dopo il collegamento di P, N, GND
Verificare innanzitutto l'integrità del segnale differenziale (modalità DM) con un test con diagramma a occhio (vedere Figura 2). Il diagramma a occhio rivela qui alcuni difetti. L'occhio ha un jitter elevato anche se il dispositivo è collegato direttamente al trasmettitore, il fattore Q è basso, mentre il segnale differenziale ha un offset e non è simmetrico intorno a 0 V.
Iniziare a indagare sul problema della corrente continua e scoprire perché il segnale differenziale è affetto da una componente di polarizzazione. Impostare un trigger di larghezza (1 ns) per acquisire cinque bit della stessa polarità per il carattere SKP (K28.1) che si verifica frequentemente. Ora verranno acquisite le tracce per il segnale differenziale, di modo comune, p e n (vedere Figura 3). Per verificare i parametri in continua, sono stati abilitati la funzione voltmetro della sonda (probe meter) e la funzione di misura della media per il segnale di modo comune.
Figura 3: Separazione del segnale in parti differenziali (R1), di modo comune (R2), P (R3) e N (R4)
Si può notare che le tracce p e n sono approssimativamente simmetriche rispetto alla traccia di modo comune. Ciò solleva due domande. Innanzitutto, se p e n sono simmetrici attorno a un valore in continua (segnale CM in verde), la traccia differenziale dovrebbe essere simmetrica attorno allo 0 V, poiché il valore in continua viene annullato. In secondo luogo, il valore di modo comune (6 mV) del voltmetro della sonda e il valore (137 mV) della misura della media del segnale di modo comune non corrispondono. Tenendo presente questo aspetto, è necessario esaminare l'intero circuito al di là delle consuete tracce ad alta velocità. L'inclusione dei collegamenti di alimentazione (vedere Figura 4) può essere utile insieme all'utilizzo di un multimetro digitale per verificare la resistenza tra lo schermo USB, facilmente accessibile, e la massa dell'oscilloscopio, inferiore a 10 mΩ con una sonda scollegata.
Il desktop, la chiavetta USB e l'oscilloscopio con la sonda R&S®RT-ZM sono illustrati nel diagramma del circuito equivalente (vedere Figura 4). La tensione di alimentazione rilevante, ovvero la tensione del bus USB (VDD 5 V), è indicata insieme alle connessioni USB ad alta velocità RX e TX. Vengono introdotti i valori della resistenza della traccia di alimentazione (RE, Rschermo, RT, RC) insieme alle tensioni di alimentazione.
REindica il carico resistivo del collegamento alla terra di protezione (< 10 mΩ). Rschermoè la resistenza di schermatura del cavo della sonda (circa 30 mΩ). RTè la resistenza della traccia host (max. 167 mΩ) e RCè la resistenza del connettore accoppiato (max. 30 mΩ). Sia RTsia RCsono stabilite nel capitolo 11.4.2 delle specifiche USB 3.2 (vedere la tabella seguente). RT, RCinsieme a REe Rschermoformano un attenuatore di corrente per la corrente di massa nell'unità flash USB quando è connesso il collegamento di massa contrassegnato in blu della punta della sonda. Di seguito, si stima l'influenza della rete e si ipotizza che l'implementazione abbia un terzo del valore massimo per le specifiche RTe RC. Ciò significa che i valori sono all'incirca quelli delle resistenze REo Rschermo.
La corrente continua significativa è contrassegnata come IVDDe fluisce nelllo schermo coassiale della sonda. Supponendo che la corrente di alimentazione di 500 mA sia estratta dal segnale dati del driver USB, la corrente che attraversa la sonda e l'oscilloscopio è stimata in 300 mA, con una caduta IR di 9 mV lungo lo schermo del cavo della sonda.
Poiché l'amplificatore nella punta della sonda è riferito alla massa locale e l'ingresso dell'oscilloscopio alla massa comune, la differenza di potenziale tra la punta e il telaio è di 9 mV. Può sembrare poco, ma la sonda si attenua a 10:1 o 2:1 a seconda della scala verticale. In questo caso, il software moltiplica tutte le tensioni provenienti dalle porte di ingresso con una sonda collegata utilizzando l'attenuazione reciproca e la differenza di 9 mV diventa di 90 mV con un'attenuazione di 10:1.
Questo effetto è evidente nel segnale differenziale, poiché il segnale viene convertito da differenziale a sbilanciato (single-ended) nell'amplificatore della punta della sonda, con il riferimento locale a massa della sonda e lo scostamento di potenziale di 9 mV aggiunto successivamente.
Un altro effetto collaterale deriva dal fatto che il convertitore analogico-digitale (ADC) nel percorso del segnale dell'oscilloscopio è riferito alla massa comune, mentre l'ADC nel misuratore della sonda è riferito alla massa locale del DUT, creando la differenza osservata nella tensione di modo comune (6 mV contro 137 mV).
| Resistenza di alimentazione massima USB | ||
|---|---|---|
| Resistenza della traccia dell’host | RT | 167 mΩ |
| Resistenza del connettore accoppiato | RC | 30 mΩ |
| Resistenza del cavo | RW | 190 mΩ |
Figura 5: Diagramma a occhio del segnale differenziale dopo aver rimosso il collegamento GND dalla punta della sonda
La soluzione è semplice. Dopo aver controllato la scheda tecnica per verificare che la finestra di tensione operativa sia sufficientemente ampia, rimuovere il collegamento a massa dalla punta della sonda sul dispositivo USB. Non c'è più corrente attraverso lo schermo e la caduta IR non influisce sulla misura. Il nuovo diagramma a occhio è soddisfacente: non c'è offset in continua e per la maggior parte i parametri di misura dell'occhio sono migliorati (vedere Figura 5). Anche il voltmetro della sonda e la misura della media di modo comune (R2) hanno ora valori comparabili.
Si noti che questa soluzione è specifica per questa configurazione. Altre configurazioni potrebbero non funzionare con la massa scollegata nella punta della sonda, in particolare per le misure in modalità CM, N e P. Si noti inoltre che questa situazione non è legata in modo specifico alla tecnologia USB. Prendendo la stessa chiavetta USB e collegandola a un computer portatile o a un qualsiasi dispositivo autoalimentato con la punta della sonda, la situazione cambierà in modo significativo e sarà necessario un collegamento a massa, poiché non sarà disponibile un anello di massa dalla terra protetta.
Questa configurazione è stata disturbata principalmente dalla corrente continua e il carico induttivo della linea di alimentazione non è stato preso in considerazione, ma potrebbe essere un problema in altre configurazioni.
L'oscilloscopio R&S®RTP e una sonda modulare, come il modello R&S®RT-ZM160, sono eccellenti per il rilevamento e l'analisi di segnali digitali ad alta velocità. Inoltre, la combinazione può essere utilizzata per eseguire il debug delle linee di alimentazione e degli anelli di massa grazie al voltmetro della sonda e alle modalità di funzionamento della sonda, che può passare dall'acquisizione di segnali differenziali a quelli di modo comune. Non esiste una soluzione universale, è necessario esaminare i problemi di configurazione della massa caso per caso e quindi adottare le misure necessarie per trovare la soluzione corretta per le proprie esigenze.
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