“تحتوي تصميمات اليوم المدمجة القائمة على المتحكمات الدقيقة (MCUs) ، ومصفوفات البوابة القابلة للبرمجة الميدانية (FPGAs) ، ومعالجات الإشارات الرقمية (DSPs) عادةً على مكونات تمثيلية ورقمية. استخدم مهندسو التصميم تقليديًا راسمات الذبذبات والمحللات المنطقية لاختبار وتصحيح هذه التصاميم المدمجة للإشارات المختلطة. الآن ، تمكّنك فئة جديدة من أدوات القياس – راسمات الذبذبات مختلطة الإشارة (MSOs) – من تصحيح أخطاء التصميمات القائمة على MCU و FPGA و DSP بشكل أفضل.
“
تحتوي تصميمات اليوم المدمجة القائمة على المتحكمات الدقيقة (MCUs) ، ومصفوفات البوابة القابلة للبرمجة الميدانية (FPGAs) ، ومعالجات الإشارات الرقمية (DSPs) عادةً على مكونات تمثيلية ورقمية. استخدم مهندسو التصميم تقليديًا راسمات الذبذبات والمحللات المنطقية لاختبار وتصحيح هذه التصاميم المدمجة للإشارات المختلطة. الآن ، تمكّنك فئة جديدة من أدوات القياس – راسمات الذبذبات مختلطة الإشارة (MSOs) – من تصحيح أخطاء التصميمات القائمة على MCU و FPGA و DSP بشكل أفضل.
إذن ما هو راسم الذبذبات المختلط ، وما متطلبات استخدامه وكيف يمكنه مساعدتك في الاختبار؟
عندما يتعلق الأمر بـ MSO لموسم الذبذبات المختلط ، فهناك العديد من المواصفات الرئيسية التي يجب أن تكون على دراية بها: عدد القنوات وعرض النطاق الترددي ومعدل العينة. يعد تلبية هذه المتطلبات أمرًا أساسيًا للمراقبة الفعالة لمختلف إشارات الإدخال / الإخراج التناظرية والرقمية في تصميم نموذجي قائم على MCU / FPGA / DSP. ستتعرف أيضًا على أنواع مختلفة من مشغلات الإشارات المختلطة التي يجب أن تركز عليها في كاشف الذبذبات المختلط الخاص بك MSO لاختبار وتصحيح تصميماتك المضمنة بشكل فعال.
ما هو راسم الإشارة المختلط (MSO)؟
راسم الإشارة المختلط MSO عبارة عن أداة اختبار هجينة تجمع بين إمكانات القياس الكاملة لمؤشر الذبذبات الرقمية للتخزين (DSO) ، بما في ذلك القياس التلقائي ، وتعليق الزناد ، والثبات اللانهائي للقنوات التناظرية والرقمية ، وتصحيح انحراف المجس / القناة. يتم دمج وظائف القياس للمحلل المنطقي في جهاز واحد. باستخدام MSO ، ستتمكن من رؤية العديد من أشكال الموجات التناظرية والرقمية المحاذاة زمنياً على نفس شاشة العرض ، كما هو موضح بواسطة راسمات الذبذبات الفردية في الشكل 1. في حين أن MSOs قد تفتقر إلى العديد من إمكانيات القياس الرقمية المتقدمة والعديد من قنوات الاستحواذ الرقمية الموجودة في أجهزة تحليل المنطق الكامل ، بالنسبة لتطبيقات تصحيح أخطاء التصميم المضمنة اليوم ، تتمتع MSOs ببعض المزايا الفريدة التي لا تمتلكها راسمات الذبذبات التقليدية وأجهزة التحليل المنطقية.
تتمثل إحدى المزايا الرئيسية لموسم الإشارة المختلط MSO في طريقة استخدامه ، والتي تشبه في كثير من النواحي راسم الذبذبات. غالبًا ما يتردد مهندسو التصميم والاختبار في استخدام أدوات التحليل المنطقي – حتى عندما يحتاجون إلى تصحيح أخطاء التصاميم المعقدة بكفاءة – نظرًا للوقت الذي يستغرقه تعلم كيفية استخدام محلل المنطق أو مراجعته. حتى لو كان المهندس على دراية بكيفية استخدام محلل المنطق ، فإن خطوات الإعداد لإجراء قياس معين تكون أكثر تعقيدًا من إعداد راسم الذبذبات. بالإضافة إلى ذلك ، غالبًا ما تكون إمكانات القياس المتقدمة لأجهزة التحليل المنطقية معقدة للغاية بالنسبة للعديد من التصميمات القائمة على MCU و FPGA و DSP.
راسمات الذبذبات هي أدوات الاختبار الأكثر استخدامًا في بيئات البحث والتطوير. يجب أن يكون لدى جميع مصممي الأجهزة المضمنة فهم أساسي لكيفية استخدام مرسمة الذبذبات لقياس جودة الإشارة وخصائص التوقيت للتصاميم المدمجة للإشارة المختلطة. ولكن لرصد تفاعلات التوقيت المهمة بين الإشارات التناظرية والرقمية المتعددة ، تكون قياسات راسم الذبذبات ثنائية أو 4 قنوات غير كافية بشكل عام. وهذه هي قوة MSO.
نظرًا لأن راسم الذبذبات المختلط الإشارة MSO يوفر قدرة قياس “كافية” للمحلل المنطقي دون زيادة كبيرة في التعقيد التشغيلي ، فهو أداة مثالية لتصحيح الأخطاء في التصميمات المضمنة. كما ذكرنا سابقًا ، يتم استخدام MSOs بنفس طريقة استخدام DSOs. في الواقع ، يمكنك ببساطة التفكير في MSO على أنه راسم تذبذب متعدد القنوات حيث توفر القنوات التناظرية دقة رأسية عالية (عادةً 8 بتات) وتوفر القنوات المنطقية / الرقمية المضافة دقة قياس منخفضة (1 بت). يعد حل قياس الإشارات المختلطة MSO المتكامل للغاية أسهل في الاستخدام من DSO ، وله معدل تحديث موجي أسرع ، ويعمل مثل راسم الذبذبات أكثر من كونه محلل منطقي.
يعد معدل تحديث الشكل الموجي مقياسًا مهمًا لأي راسم ذبذبات. ستؤثر السرعة البطيئة والاستجابة البطيئة على الاستخدام العادي لمؤشر الذبذبات ، سواء كان DSO أو MSO ليس استثناءً. لذلك ، عندما تضيف الشركة المصنعة لجهاز راسم الذبذبات قناة اكتساب المنطق إلى DSO لتشكيل MSO ، يجب عدم التضحية بمعدل تحديث شكل الموجة. خلاف ذلك ، ستعاني طريقة استخدام راسمات الذبذبات التقليدية. يمكن أن تكون حلول قياس الإشارات المختلطة غير مستجيبة ويصعب استخدامها إذا كانت تستخدم تكوينًا مزدوج الصندوق ، أو تستخدم ناقل اتصال خارجي مثل USB لتوصيل الواجهة المنطقية. يتبنى MSO بنية أجهزة متكاملة للغاية ، وهي ليست أكثر استجابة فحسب ، بل أسهل أيضًا في الاستخدام.
لمعرفة المزيد حول أهمية معدلات تحديث الشكل الموجي ، قم بتنزيل ملاحظة تطبيق Keysight “يحدد معدل تحديث شكل الموجة Oscilloscope احتمالية التقاط الأحداث غير المتكررة” (المدرجة في نهاية هذه المقالة).
في عملية التقييم قبل شراء راسم الإشارة المختلط MSO ، يجب عليك أولاً مقارنة خصائص التشغيل وأداء القياس الموصوف في الكتيبات المطبوعة الخاصة بكل مصنع والأدبيات عبر الإنترنت (البيانات التقنية). هذا له قيمة مرجعية معينة لتقييم قابلية التطبيق واستجابة الأداة ؛ ولكن الطريقة الوحيدة الفعالة حقًا هي البدء واختبارها شخصيًا.
تطبيق قياس MSO نموذجي للإشارة المختلطة والأداء المطلوب
في حين أن MSO هي مثالية لالتقاط الإشارات التناظرية والرقمية على أجهزة الإشارات المختلطة مثل المحولات التناظرية إلى الرقمية (ADCs) والمحولات الرقمية إلى التناظرية (DACs) ، فإن تطبيقات القياس الخاصة بها تشمل أيضًا التحقق من وتصحيح الأخطاء. يعتمد على MCU / FPGA / DSP ويتضمن تصميم إشارة مختلطة لعناوين مضمنة وناقلات البيانات. الشكل 2 عبارة عن مخطط كتلة لتصميم نموذجي مضمن للإشارة المختلطة مع جوهر متحكم.
الشكل 2. تصميم نموذجي مدمج قائم على راسم الذبذبات المختلط الإشارة MSO
على الرغم من أن المتحكمات الدقيقة و DSPs يُنظر إليها عمومًا على أنها أجهزة تحكم ومعالجة رقمية بسيطة ، إلا أن الغالبية العظمى من وحدات MCU و FPGA و DSPs هي في الواقع أجهزة إشارة مختلطة تتضمن دوائر تمثيلية مدمجة. لذلك ، من الضروري مراقبة منافذ الإدخال / الإخراج التناظرية والتحقق منها ، ومنافذ الإدخال / الإخراج الرقمية المتوازية ، والإشارات الموجودة في حافلات الاتصال التسلسلي الرقمي مثل I2C و SPI في النظام.
لاحظ أن مخطط الكتلة في الشكل 2 لا يُظهر أي عنوان أو إشارات ناقل بيانات. وذلك لأن بنية الناقل الداخلي لمعظم وحدات MCU و DSP تتضمن أيضًا ذاكرة مدمجة (ذاكرة الوصول العشوائي وذاكرة القراءة فقط).
نظرًا لأن MSO اليوم يحتوي على 16 قناة استحواذ رقمية ، يعتقد بعض المهندسين خطأً أنه لا يمكن استخدام MSO إلا لتطبيقات معالجة 8 بت (بيانات 8 بت + عنوان 8 بت = 16 بت). ولكن يتم استخدام MSO بشكل أساسي لمراقبة الإدخال / الإخراج التناظري والرقمي ، وتتوفر جميع الإشارات عادةً في التصميمات القائمة على MCU و DSP. لا تحاول ربط عدد قنوات الاستحواذ الرقمية في MSO مع عدد بتات المعالجة في وحدة MCU أو DSP داخلية قائمة على الناقل ، حيث لا ترتبط عادةً. لمراقبة التصميمات والتحقق منها استنادًا إلى 8 بت أو 16 بت أو حتى 32 بت MCU / DSP ، تكون 16 قناة اكتساب رقمية و 2 إلى 4 قنوات اكتساب تمثيلية وقنوات تشغيل أكثر من كافية بشكل عام.
ومع ذلك ، فإن مراقبة العناوين المتوازية وخطوط البيانات في تصميم خارجي قائم على الناقل (مثل جهاز كمبيوتر بمعالج دقيق 32 بت) ليس تطبيق القياس الأساسي لموسم الذبذبات المختلط الإشارة MSO.
إذا كنت بحاجة إلى التقاط إشارات من عدة نواقل بيانات وعناوين للتحقق من التوقيت وتدفق شفرة المصدر في الأنظمة الخارجية القائمة على الناقل ، فقد يكون محلل المنطق مع تحليل الحالة وقدرات التفكيك أداة قياس أفضل. ولكن إذا كنت بحاجة أيضًا إلى ربط الخصائص التناظرية و / أو التناظرية للإشارات الرقمية في نفس الوقت ، فإن الحل المزدوج متعدد البائعين (راسم الذبذبات + محلل المنطق) يتضمن استيراد شكل موجة راسم الذبذبات إلى شاشة عرض مرتبطة بالوقت. في المنطق محلل. ولكن عندما تتبنى حل اختبار الصندوق المزدوج هذا عالي الأداء ، يتعين عليك أيضًا قبول العملية الأكثر تعقيدًا لمحلل المنطق ، بما في ذلك معدلات تحديث الموجي البطيئة أو أحادية اللقطة.
ولكن حتى في الأنظمة ذات 32 بت التي تحتوي على أجهزة ذاكرة خارجية ، فإن كاشف الذبذبات المختلط الإشارة MSO مع 16 قناة زمنية منطقية وقناتين إلى 4 قنوات تناظرية عادةً ما يكون كافياً لقياس معلمات الوقت الحرجة. الشكل 3 هو مثال لاستخدام MSO للتحقق من وقت إعداد جهاز ذاكرة عالي السرعة (SDRAM) في نظام 32 بت (IBM PowerPC 405GP). باستخدام وظيفة مشغل نمط MSO ، يمكن فقط لـ 4 قنوات رقمية MSO إكمال قياس أوامر القراءة والكتابة المحددة (CS ، RAS ، CAS ، WE). القناة التناظرية لمؤشر الذبذبات مؤهلة بشكل أكبر للتشغيل على حافة واحدة من إشارة الساعة عالية السرعة وإجراء قياسات توقيت حرجة على إشارة الساعة 100 ميجاهرتز (أعلى تتبع أصفر) بالنسبة لإشارة بيانات محددة (تتبع أخضر متوسط) ، وقت الاستقرار الناتج لجهاز الذاكرة الخارجية هذا هو 8 نانوثانية. هذه القياسات غير ممكنة باستخدام DSO تقليدي ثنائي أو 4 قنوات ، وستستهلك وقتًا طويلاً للغاية مع محلل منطقي متصل بجهاز راسم تذبذب عالي السرعة.
ΔX = 8.00 نانو ثانية
1 / X = 125.00 ميجا هرتز
DY (1) = 0.0 فولت
الشكل 3. قياسات وقت الاستقرار الحرج باستخدام راسم الإشارة المختلط MSO في نظام 32 بت
بالنسبة لهذه الأنواع من قياسات سلامة الإشارة في التصميمات المدمجة للإشارة المختلطة ، غالبًا ما يكون أداء الاستحواذ التناظري والرقمي لـ MSO أكثر أهمية بكثير من عدد القنوات. إن المواصفات الأساسية لأداء الاستحواذ التناظري في راسم الذبذبات هي النطاق الترددي ومعدل العينة. للحصول على قياسات تناظرية أكثر دقة ، يجب أن يكون عرض نطاق راسم الذبذبات على الأقل خمسة أضعاف الحد الأقصى لمعدل ساعة النظام. على سبيل المثال ، إذا كنت بحاجة إلى مراقبة إشارة رقمية بحد أقصى لتردد الزناد / الساعة 200 ميجاهرتز باستخدام القنوات التناظرية لجهاز راسم الذبذبات ، فيجب أن يكون عرض النطاق الترددي التناظري لجهاز راسم الذبذبات 1 جيجاهرتز لالتقاط التوافقي الخامس بدقة معقولة. بالنسبة للقياسات في الوقت الفعلي / الفردي ، يجب أن يكون معدل عينة راسم الذبذبات 4 أضعاف عرض نطاق راسم الذبذبات أو أسرع. لمعرفة المزيد حول العلاقة بين النطاق الترددي ومعدل العينة ، قم بتنزيل مذكرة تطبيق Keysight “ما تحتاج لمعرفته حول معدلات أخذ العينات” وملاحظة التطبيق “تقييم عرض النطاق الترددي اللازم لتطبيقك”.
لسوء الحظ ، لا يقدر بعض مستخدمي راسمات الذبذبات والمحللات المنطقية تمامًا نوع أداء الاستحواذ الرقمي الذي يحتاجه راسم الذبذبات المختلط الإشارة MSO والمحلل المنطقي. من المهم جدًا أن يكون أداء الاستحواذ الرقمي لـ MSO متناسبًا مع أداء الاكتساب التناظري لجهاز الذبذبات. لكن هذا لا يعني أنه مزيج بسيط من راسم الذبذبات عالي الأداء ومحلل توقيت منطقي منخفض الأداء. توصي Keysight بأن يكون معدل عينة نظام الاستحواذ الرقمي / المنطقي الخاص بـ MSO على الأقل ضعف النطاق الترددي لقناة الاستحواذ التناظرية لجهاز الذبذبات. في المثال الذي ناقشناه للتو أعلاه ، يحتاج راسم الذبذبات بسرعة 1 جيجاهرتز إلى التقاط الخصائص التناظرية للإشارة الرقمية بمعدل إطلاق / ساعة يبلغ 200 ميجاهرتز ، بينما يلزم التقاط نفس الإشارة على القنوات الرقمية / المنطقية الخاصة بـ MSO مع توقيت مناسب الدقة ، يجب أن تحقق القناة المنطقية معدل أخذ عينات يبلغ 2 GSa / s.
عند استخدام قنوات اكتساب منطقية / رقمية ، فإن دقة القياس محدودة بـ ± 1 فترة عينة. على سبيل المثال ، إذا كنت تنوي التقاط إشارات رقمية بأقصى معدل تشغيل / ساعة يبلغ 200 ميجاهرتز (الفترة = 5 نانوثانية) ، فقد تكون كل نبضة عالية أو منخفضة ضيقة مثل 2.5 نانوثانية (بافتراض دورة عمل بنسبة 50٪). هذا يعني أنه إذا قام نظام الاستحواذ الرقمي MSO الخاص بك بأخذ عينات بمعدل أقصى قدره 2 GSa / s ، فقد يصل خطأ قياس التوقيت على أي حافة نبضة واحدة إلى ± 500 ps ، وهي الحالة الأسوأ لقياسات الفارق الزمني. 1 نانوثانية خطأ من الذروة إلى الذروة ، أو خطأ 40 ٪ على نبضة 2.5 نانوثانية. نعتقد أن خطأ توقيت أكثر من 40٪ غير مقبول لكل من MSO والمحللات المنطقية ، ولهذا السبب نوصي بأن يكون معدل عينة قناة الاستحواذ الرقمي ضعف عرض النطاق الترددي لموسم الذبذبات على الأقل.
بالإضافة إلى عرض النطاق الترددي ومعدل العينة ، هناك عامل مهم آخر يجب مراعاته وهو عرض النطاق الترددي للمسبار ؛ كل من عرض النطاق الترددي للأنظمة التناظرية والرقمية. إذا كانت الإشارة التناظرية أو الرقمية التي تريد التقاطها تحتوي على محتوى تردد كبير يزيد عن 500 ميجاهرتز ، فأنت بحاجة إلى استخدام مجسات نشطة على القنوات التناظرية. وبالمثل ، يجب أن يكون مسبار نظام الاستحواذ الرقمي قادرًا على توفير إشارة تردد أعلى لدائرة أخذ عينات النظام الرقمي لالتقاط كل نبضة بشكل موثوق في قطار نبضي عالي التردد.
تشغيل إشارة مختلطة
يعني العدد الأكبر من قنوات الاستحواذ الخاصة بمؤشر الذبذبات المختلط MSO (مقارنة بـ DSO) أنه يمكنك الآن تنفيذ المزيد من طرق التشغيل للحصول على تفاعلات محددة من إشارات الإدخال / الإخراج التناظرية والرقمية على وجه التحديد. على الرغم من أنها ليست متطورة مثل محلل المنطق عالي الأداء ، إلا أن قدرات التشغيل الخاصة بـ MSO تتجاوز بكثير قدرات التشغيل المحدودة لراسم الذبذبات القياسي ثنائي أو رباعي القنوات.
يمكن لمعظم MSO أو حلول قياس الإشارات المختلطة في السوق اليوم تشغيل حالة تشغيل النمط المتوازي أحادي المستوى على الأقل ، بل إن بعض MSO تقدم أيضًا تسلسل نمط ثنائي المستوى يشتمل على شرط إعادة التعيين. ومع ذلك ، حتى إذا كنت تستخدم أسلوبًا بسيطًا نسبيًا لتشغيل نمط أحادي المستوى ، فستجد اختلافات كبيرة في إمكانات التشغيل بين مختلف حلول قياس الإشارة المختلطة / MSO. أولاً وقبل كل شيء ، يمكن تشغيل MSO على مجموعة من المدخلات التناظرية والرقمية. بالنسبة لحلول قياس الإشارات المختلطة الفضفاضة إلى حد ما ، لا يمكن تنفيذ التشغيل الموثوق به إلا على جانب واحد أو آخر من نظام الاستحواذ نظرًا لانحراف الإشارة الكبير بين القنوات التناظرية والمنطقية. أي أنه لا يمكنك التشغيل إلا على مرسمة الذبذبات في حالة الزناد التناظري التقليدي ، أو في حالة واحدة فقط من الظروف الرقمية المتوازية – وليس في كلتا الحالتين في نفس الوقت. يجب أن يوفر MSO إطلاق إشارة مختلطة مع محاذاة زمنية دقيقة بين القنوات التناظرية والرقمية التي يتم تشغيلها. سنجسد الحاجة إلى التشغيل في ظروف الإشارة المختلطة لاحقًا في هذه المقالة بحيث يمكن أن يكتسب راسم الذبذبات في وقت واحد على مرحلة إخراج محددة من DAC التي يتحكم فيها MCU.
من الاعتبارات الهامة الأخرى بالنسبة إلى MSO ، منظار الذبذبات المختلط الإشارة ، ما إذا كان إطلاق نمطه يتضمن أي نوع من التأهيل الزمني. بالإضافة إلى الدخول و / أو الخروج من مؤهلات الزناد ، يجب أن تتضمن شروط إطلاق النمط الحد الأدنى من القيود الزمنية. طريقة سهلة لتوضيح ذلك تتمثل في تشغيل حالة انتقال غير مستقرة أولاً ؛ ثم توضيح الأدوات التي يمكن أن يستخدمها راسم الذبذبات لتجنب عدم الاستقرار هذا. الشكل 4 هو مثال على التشغيل على النمط CE (1100 1110) باستخدام Keysight 6000 X-Series MSO. يمكننا رؤية هذه الحالة من النصف العلوي من الشاشة (مما يعطي صورة شاملة أفضل للإشارة).
تعتبر CE و EE حالات انتقال غير مستقرة بين DE و E4 على الحافلة. على الأرجح ليس المشغل الذي قصده المستخدم. في هذه المرحلة ، يمكن للمستخدم استخدام قائمة الحد الزمني (المؤهل) من الذبذبات لتعيين الحد الزمني للمشغل ، أي أن حالة التشغيل يجب أن تظل أطول أو أقصر من الوقت المحدد ؛ أو البقاء داخل أو خارج النطاق الزمني المحدد.
الحد الأدنى للوقت مهم لتجنب الانطلاق في ظل ظروف انتقالية / غير مستقرة. عندما تغير الإشارات الرقمية المتوازية حالتها ، قد تكون عملية التبديل متزامنة تقريبًا – ولكنها ليست متزامنة تمامًا. بالإضافة إلى سرعات الحافة المرتفعة والمنخفضة المحدودة للإشارة عندما لا تكون عالية أو منخفضة ، حتى في أفضل الأنظمة المصممة سيكون هناك تأخيرات طفيفة بين الإشارات. هذا يعني أن نظامك سيشهد دائمًا ظروف إشارة متوترة / غير مستقرة عند تبديل الإشارات. أنت بالتأكيد تريد DSO / MSO أو محلل المنطق لتجنب التشغيل في ظل هذه الظروف غير المستقرة إن أمكن.
إن راسمات الذبذبات (بما في ذلك MSO من راسمات الذبذبات المختلطة) قادرة على التشغيل بدقة عند مستوى الزناد التناظري / نقطة عبور العتبة ، في حين أن محللي المنطق عادة ما يستخدمون التحفيز المستند إلى العينة. سينتج عن التحفيز المستند إلى العينة ارتعاش / عدم يقين من الذروة إلى الذروة لمدة ± 1 عينة (أسوأ حالة عدم يقين من الذروة إلى الذروة = فترتا عينة). باستخدام “التشغيل المستند إلى العينة” ، نسمح أولاً للأداة بأخذ عينات عشوائية من إشارة الإدخال ، ثم إنشاء نقطة مرجعية للتشغيل بناءً على البيانات المأخوذة من العينات. ينتج عن هذا النوع من التحفيز ارتعاش كبير في الزناد ، والذي قد يكون مقبولاً لبعض المحللين المنطقيين النموذجيين ، ولكنه غير مقبول لقياسات راسم الذبذبات العادية أو قياسات MSO المستخدمة لمراقبة الإشارات المتكررة.
الشكل 4. راسم الذبذبات يعمل على انتقالات غير مستقرة بدون قيود زمنية دنيا.
الشكل 5 هو راسم الذبذبات مع خيار إشارة مختلطة يولد أحداث تشغيل من بيانات العينة. يوضح الشكل 6 مثالاً على مرسمة الذبذبات MSO ذات الإشارات المختلطة من Keysight والتي تستخدم مقارنات الأجهزة التناظرية للتشغيل على جميع إشارات الإدخال التناظرية والرقمية.
الشكل 5. أدى تشغيل النمط المستند إلى العينة إلى ظهور ارتعاش في الزناد 4 نانوثانية (باستخدام خيار LeCroy WaveRunner مع خيار MSO لمراسم الإشارة المختلطة).
في مثال قياس الإشارة المختلطة هذا ، يتم إعداد كل راسم ذبذبات للتشغيل على نمط 8 بت محدد على منفذ الإخراج الرقمي لـ MCU. تتم مزامنة هذه الحالة مع الحافة الصاعدة لقناة الإدخال الرقمي D4 (A4). لقياس سلامة إشارة إشارة D4 (A4) ، قمنا بإعداد إحدى القنوات التناظرية لجهاز الذبذبات من أجل “التحقيق المزدوج” للإشارة الرقمية نفسها. كما ترى في الشكل 5 ، ينتج عن راسم الذبذبات مع التشغيل الرقمي على البيانات المأخوذة عينة من اهتزاز الزناد من الذروة إلى الذروة لما يقرب من 4 نانوثانية لأن الحد الأقصى لمعدل عينة القناة الرقمية / المنطقية هو 500 مللي أمبير / ثانية فقط (± 1 فترة أخذ عينات عدم اليقين ). ملاحظة: هناك “مسحة” 4 نانوثانية من الذروة إلى الذروة في التتبع التناظري المتكرر (التتبع الأخضر في المنتصف) عند استخدام وضع عرض الثبات اللانهائي للنطاق.
يوضح الشكل 6 نتائج نفس قياس الزناد المتكرر الذي تم إجراؤه باستخدام Keysight Mixed Signal Oscilloscope MSO ، والذي يولد أحداث إطلاق تستند إلى تقنية أجهزة المقارنة التناظرية في الوقت الفعلي بدلاً من التشغيل المستند إلى العينة. مع ضبط النطاق على 5 ns / div ، تمكنا من ملاحظة آثار تناظرية مستقرة جدًا مع وضع عرض الثبات اللانهائي للنطاق ، على الرغم من أن التشغيل كان يعتمد فقط على مدخلات القناة الرقمية / المنطقية للنطاق. يمكننا الآن إجراء قياسات أكثر دقة لسلامة الإشارة على إشارات الإدخال المتكررة باستخدام إحدى قنوات الإدخال التناظرية لجهاز راسم الذبذبات.
الشكل 6. ينتج نمط أجهزة المقارنة في الوقت الحقيقي الذي يتم تشغيله في Keysight MSO تشويشًا منخفضًا للغاية.
آخر شيء يجب مراعاته عند تقييم مختلف حلول قياس الإشارة المختلطة / MSO لتطبيقك المضمن للإشارة المختلطة هو ما إذا كان يمكن تشغيل مرسمة الذبذبات. يستخدم المسلسل I / O على نطاق واسع في التصميمات المضمنة اليوم. في القسم التالي من هذه المقالة ، سنعرض مثالاً حيث يلزم التشغيل التسلسلي للتسبب في حصول مرسمة الذبذبات بشكل متزامن على إشارة خرج تناظرية محددة “غرد” بناءً على أمر إدخال تسلسلي في تصميم مضمن بإشارة مختلطة.
تنشيط وتصحيح التصاميم الحقيقية المضمنة للإشارات المختلطة
دعنا الآن نلقي نظرة على عملية التنشيط وتصحيح الأخطاء لمنتج مضمن مختلط الإشارات صممه Solutions Cubed، Inc. في شيكو ، كاليفورنيا. الشكل 7 هو مخطط هيكل المنتج.
في قلب هذا المنتج المضمن ذي الإشارات المختلطة ، توجد وحدة التحكم الدقيقة Microchip PIC18F452 / PT ، والتي تعمل باستخدام مجموعة تعليمات داخلية 16 بت. نظرًا لأن MCU الخاص به يحتوي على هيكل ناقل داخلي ويتضمن محولًا مضمنًا من التناظرية إلى الرقمية (ADC) ، فإن جهاز الإشارات المختلطة والدوائر الطرفية المقابلة مفيدة للغاية لتنشيط وتصحيح تصميمات الإشارات المختلطة المضمنة باستخدام راسم إشارة مختلط MSO مثال جيد.
الهدف النهائي من هذا التصميم هو توليد إشارات خرج تناظرية بأطوال وأشكال وسعات متفاوتة بناءً على مجموعة متنوعة من شروط الإدخال / الإخراج التناظرية والرقمية والتسلسلية. (“الزقزقة” هي إشارة خرج تناظرية نابضة بالتردد الراديوي تتضمن عددًا محددًا من الدورات ، غالبًا ما يتم مواجهتها في تطبيقات الطيران والدفاع والسيارات).
الشكل 7. تصميم مضمن بإشارات مختلطة ينتج عنه إخراج “غرد” تناظري من إدخال / إخراج تناظري ورقمي ومتسلسل
تراقب وحدة MCU في نفس الوقت المدخلات الثلاثة التالية لتوصيف إشارة غرد الإخراج:
1. استخدم منفذ الإدخال / الإخراج الرقمي المتوازي على MCU لمراقبة حالة لوحة التحكم في النظام لتحديد شكل إشارة الزقزقة (الجيب ، المثلث ، المربع) الناتجة عن الإخراج.
2. راقب مستوى خرج مستشعر إدخال التسارع التناظري من خلال إدخال ADC على MCU لتحديد اتساع إشارة الزقزقة الناتجة عن الإخراج.
3. استخدم منفذ الإدخال / الإخراج التسلسلي I2C المخصص على MCU لمراقبة حالة ارتباط اتصال I2C التسلسلي لتحديد عدد النبضات المتولدة في غرد الإخراج. يتم إنشاء إشارة إدخال اتصال I2C هذه بواسطة مكون نظام فرعي ذكي آخر في التصميم المضمن.
استنادًا إلى الحالات الثلاث للمدخلات التناظرية والرقمية والمتسلسلة ، تمت برمجة MCU لإخراج سلسلة من الإشارات المتوازية باستمرار إلى DAC خارجي 8 بت لتوليد غردات تناظرية بمختلف السعات والأشكال والأطوال. يتم تغذية خرج الدرج غير المفلتر الخاص بـ DAC إلى مرشح تمرير منخفض تناظري لتنعيم الإشارة وتقليل الضوضاء. يقدم هذا المرشح التناظري أيضًا مقدارًا محددًا مسبقًا من تحول الطور إلى إشارة الخرج. أخيرًا ، تولد MCU مخرجات رقمية متوازية من خلال منفذ إدخال / إخراج رقمي آخر متاح لتشغيل شاشة LCD لتزويد المستخدم بمعلومات حالة النظام.
في هذا التصميم ، تتمثل الخطوة الأولى في تصميم / برمجة MCU في تكوين إدخال / إخراج MCU بالعدد المناسب من منافذ الإدخال / الإخراج التناظرية والرقمية. يتعين على مصممي الأنظمة المضمنة مراعاة المفاضلة بين عدد منافذ الإدخال / الإخراج التناظرية وعدد منافذ الإدخال / الإخراج الرقمية في MicroChip ، وهو متحكم دقيق معين.
قبل محاولة برمجة MCU لمراقبة المدخلات المختلفة وإنشاء إشارات الإخراج النهائية المحددة ، قرر فريق التصميم أنه من الأفضل تطوير كود اختبار ينشط جزءًا / وظيفة معينة من التصميم المضمن ، قبل إضافة التعقيد التفاعلي. تحقق من ذلك يعمل بشكل صحيح وسلامة الإشارة. الجزء الأول من الدائرة / الوظيفة الأولى للتنشيط والتصحيح هو إخراج DAC الخارجي والمدخلات والمرشح التناظري. للتحقق من أن الدائرة والبرامج الثابتة الداخلية تعمل بشكل صحيح ، قمنا في البداية بترميز MCU لتوليد موجة جيبية مستمرة / متكررة ذات سعة ثابتة بغض النظر عن ظروف إشارة الإدخال.
الشكل 8 عبارة عن لقطة شاشة لـ Keysight InfiniiVision Series Mixed Signal Oscilloscope MSO ، والذي يلتقط في نفس الوقت الإدخال الرقمي المستمر لـ DAC الخارجي (إخراج منفذ الإدخال / الإخراج الرقمي لـ MCU) ، بالإضافة إلى إخراج الدرج الخاص بـ DAC والإخراج التناظري المرشح . نظرًا لأن هذه الإشارة المعينة هي إشارة خرج ذات مستوى منخفض نسبيًا ، باستخدام 16 مستوى فقط من 8 بت DAC (حتى 256 مستوى) ، يمكننا بسهولة ملاحظة خصائص خرج شكل الموجة لسلالم المحول على شاشة عرض الذبذبات (التتبع الأخضر).
قم بتعيين هذا الاستحواذ الخاص ليتم تشغيله عندما يصل إخراج DAC إلى أعلى مستوى إنتاج له (وسط الشاشة). لا يمكن التفعيل عند هذه النقطة بالذات باستخدام راسم الذبذبات العادي ، حيث يتطلب تشغيل راسم الذبذبات انتقالات حافة. للتشغيل عند هذه النقطة / المرحلة من إشارة الخرج ، نقوم أولاً بإنشاء حالة تشغيل بسيطة لنمط أحادي المستوى استنادًا إلى إشارة إدخال رقمية تتوافق مع أعلى مستوى تناظري للإخراج من DAC الخارجي. للتشغيل عند هذه النقطة بالضبط على شكل الموجة ، أدخل المصمم النمط الثنائي المتوازي “1110 0110”. نظرًا لأن MSO يستخدم تشغيل نمط “مؤهل للوقت” ، يتم تشغيل مرسمة الذبذبات دائمًا في بداية النمط المحدد ولا يتم تشغيلها مطلقًا في ظروف غير مستقرة / القفز.
الشكل 8. تلتقط Keysight InfiniiVision Series MSO المدخلات الرقمية المتوازية والمخرجات التناظرية لـ DAC التي يتم التحكم فيها بواسطة MCU.
الشكل 9. Keysight MSO ينطلق عند 50٪ كروس أوفر باستخدام مزيج من إطلاق الأنماط التناظرية والرقمية
يوضح الشكل 9 حالة تشغيل أخرى لـ MSO بالإضافة إلى حالة المشغل التناظرية. عند استخدام نمط التشغيل على إشارات المدخلات الرقمية المتوازية ، فإنه يضبط MSO ليتم تشغيله بدقة عند مستوى إخراج 50٪ من DAC. كما ذكرنا سابقًا ، لا تسمح جميع حلول قياس الإشارة المختلطة / MSO بإطلاق إشارة مختلطة على مجموعة من الظروف التناظرية والرقمية. ولكن نظرًا لوجود شرطين تناظريين للمخرجات على نفس المستوى (مستوى ارتفاع بنسبة 50٪ ومستوى هبوط بنسبة 50٪) ، فإن التوافق مع إطلاق نقطة صعود أو هبوط يتطلب أكثر من مجرد نمط إدخال مكون من 8 بتات على النمط. من خلال التأهل أيضًا للتشغيل على المستوى “0” للقناة التناظرية 1 (أعلى تتبع أصفر) ، يمكن أن يستخدم راسم الذبذبات مجموعة من تشغيل النمط التناظري والرقمي لبدء المرحلة المطلوبة. لاحظ أن الإشارة التناظرية تعتبر “1” فوق مستوى الزناد التناظري و “0” تحت مستوى الزناد.
يوضح الشكل 9 أيضًا القياسات البارامترية التلقائية لإشارة الخرج المرشحة ، بما في ذلك السعة والتردد وانزياح الطور بالنسبة لإخراج DAC غير المرشح.
بعد التنشيط والتحقق من أن DAC الخارجية ودائرة التصفية التناظرية تعمل بشكل صحيح ، فإن الخطوة التالية في عملية التصميم / التنشيط هي البرمجة لإنشاء عدد محدد من نبضات موجة جيبية غير متكررة (غردات) استنادًا إلى إدخال I2C التسلسلي. يوضح الشكل 10 التداخل (الثبات اللانهائي) للغردات ذات الأطوال المختلفة التي تم الحصول عليها باستخدام تشغيل حافة النطاق القياسي. في المقابل ، لا يمكن أن يقتصر تشغيل حافة راسمات الذبذبات التقليدية على زقزقة بطول محدد.
الشكل 10. لا يمكن أن يزامن إطلاق حافة راسم الذبذبات التقليدي إطلاق زقزقة بطول معين.
باستخدام تشغيل I2C ، يمكن أن تبدأ راسمات الذبذبات Keysight MSO عمليات التزويد بشكل متزامن في ظروف إدخال تسلسلية محددة. هذه الشروط ترشد MCU لتوليد غرد إخراج بطول محدد (عدد النبضات).
يوضح الشكل 11 قدرة مرسمة الذبذبات على التشغيل على غرد 3 دورات ومشغل I2C على العنوان التسلسلي ومحتوى البيانات. يتم تعريف قناة البيانات D14 و D15 على أنها ساعة I2C وإشارة تشغيل إدخال البيانات على التوالي. يمكننا في الواقع تحديد أي من القنوات الرقمية الـ 16 أو من 2 إلى 4 قنوات لمراسم الذبذبات التناظرية لتشغيلها بشكل تسلسلي على إشارات الإدخال هاتين. أثناء مراقبة الإدخال التسلسلي وإشارات الإخراج التناظرية ، يتم تعيين D0-D7 لمراقبة إشارة إدخال DAC الخارجية (خرج MCU) في عرض تراكب “الناقل”.
الشكل 11. التشغيل على غرد من 3 دورات باستخدام مشغل I2C ووظيفة فك التشفير في Keysight MSO.
يوضح الجزء السفلي من الشكل 12 آثار فك التشفير التسلسلي I2C المرتبطة بالوقت. يمكنك أيضًا عرض فك الشفرات التسلسلية بتنسيق جدولي أكثر شيوعًا ، كما هو موضح في النصف العلوي من الشاشة.
الشكل 12. يمكن عرض إشارات I2C في شكل مرتبط بالوقت أو مفكك ترميز الجدول (انظر النصف العلوي من هذه الشاشة).
على الرغم من عدم إظهاره ، يمكن إعداد قناة تناظرية أخرى من راسم الذبذبات للكشف في وقت واحد عن إشارة الإدخال التناظرية والحصول عليها من مقياس التسارع لتحديد حجم إشارة الخرج. بدلاً من ذلك ، يمكنك استخدام قنوات MSO الرقمية المجانية لمراقبة و / أو تأهيل المزيد من التشغيل على مدخلات لوحة التحكم الرقمية و / أو إشارات مشغل خرج LCD.
لخص
تعتبر راسمات الذبذبات المختلطة (MSOs) مثالية لتصحيح الأخطاء والتحقق من أن تصاميم الإشارات المختلطة المتنوعة القائمة على MCU و FPGA و DSP تعمل بشكل صحيح. تتيح قدرة MSO على عرض أشكال الموجات التناظرية والرقمية المرتبطة بالوقت في وقت واحد على جهاز واحد مع تشغيل إشارة مختلطة قوية على جميع القنوات التناظرية والرقمية للمصممين استخدام واجهة المستخدم المألوفة التي تشبه راسم الذبذبات وتصحيح التصاميم المدمجة للإشارة المختلطة بشكل أسرع باستخدام أدوات الطريق.
قم بتنزيل إصدار تجريبي مجاني من Embedded Software Suite لتجربة تشغيل MSO وفك تشفيره.
هناك العديد من MSO وأدوات قياس الإشارات المختلطة الشاملة في السوق اليوم.قبل أن تقرر الشراء ، يجب عليك تقييم إمكانيات القياس والتطبيق العملي لهذه الأدوات بعناية.
يجب أن تنتبه بشكل خاص إلى الميزات السبع التالية:
1. يجب استخدام MSO مثل راسم الذبذبات المألوف لديك – وليس كمحلل منطقي.
2. يجب أن يتمتع MSO بجميع إمكانيات القياس الخاصة بمؤشر الذبذبات دون التضحية بالميزات الأخرى مثل المقياس التلقائي ، وتعليق الزناد ، والثبات اللانهائي (القنوات التناظرية والرقمية) ، وتصحيح الانحراف بالمسبار / القناة.
3. يجب أن يوفر MSO معدل تحديث موجي سريع مثل راسم الذبذبات ، ولكن ليس معدل تحديث بطيء مثل محلل المنطق.
4. يجب أن يتطابق أداء نظام الحصول على القناة الرقمية / المنطقية الخاصة بـ MSO (معدل أخذ العينات وعرض نطاق الكشف) مع أداء نظام الاستحواذ التناظري في راسم الذبذبات.
5. يجب أن يكون MSO قادرًا على التشغيل عبر القنوات التناظرية والرقمية (إطلاق الإشارات المختلطة) بمحاذاة زمنية دقيقة.
6. يجب أن يكون MSO قادرًا على التشغيل على النمط وفقًا للحد الأدنى من الوقت لتجنب التشغيل في ظل ظروف التحويل الرقمي غير المستقرة / القفز.
7. يحتاج MSO إلى أن يكون قادرًا على توفير كل من التشغيل التناظري والرقمي استنادًا إلى تقنية المقارنة التناظرية في الوقت الحقيقي – وليس التشغيل المستند إلى العينة (يمكن أن ينتج هذا الأخير اهتزازًا كبيرًا في الزناد على أشكال الموجة التناظرية المتكررة).