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Principios
básicos de integridad de la señal
Principios básicos de integridad de la señal
Fundamentos
Contenido
Introducción --------------------------------------------------4
¿Qué es la “Integridad de la señal”?
4
Resolución de problemas de integridad de la señal ------22
Ejemplos de aplicación --------------------------------------22-25
Tecnología digital --------------------------------------------5
Tecnología digital y la era de la información
5
Generalidades técnicas --------------------------------------6-7
Diseño con los conceptos de la integridad de la señal
6-11
Resumen------------------------------------------------------------26
Soporte Tektronix --------------------------------------------------27
Soluciones para la validación--------------------------------12
Requerimientos para la validación de la integridad de
la señal
12
Los analizadores lógicos descubren fallos digitales
13
Soluciones para las sondas de los analizadores lógicos
14
Los osciloscopios digitales revelan las aberraciones
analógicas
15-16
Soluciones para las sondas de los osciloscopios
17
La importancia del ancho de banda del osciloscopio
18-19
Los analizadores lógicos y los osciloscopios aúnan sus
esfuerzos para identificar problemas de integridad de
la señal
20
Las herramientas de análisis de “jitter” simplifican las
medidas complejas
21
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Principios básicos de integridad de la señal
Fundamentos
¿Qué es la “Integridad de la
señal”?
La expresión “integridad” significa, en su definición
tradicional, “completa y sin deterioros”. Por lo tanto, una
señal digital con una buena integridad tendrá transiciones
limpias y rápidas, niveles lógicos estables y válidos, un
emplazamiento preciso en el tiempo y además estará libre
de transitorios. Por razones que se explicarán aquí, cada
vez resulta más difícil producir y mantener señales
completas y sin deteriorar en los sistemas digitales.
La integridad de la señal digital se ha convertido en una
cuestión preocupante para los diseñadores de sistemas.
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El propósito de este manual es proporcionar algunos
conocimientos acerca de las causas, características,
efectos y soluciones de los problemas relacionados con
la integridad en los sistemas digitales.
Principios básicos de integridad de la señal
Fundamentos
Tecnología digital y la era de
la información
Hace dos décadas que el ordenador personal apareció en
su formato actual y casi 15 años desde que la telefonía
celular pasó a ser un fenómeno de consumo. A lo largo
de todo este margen de tiempo, una tendencia ha sido
constante: la demanda de más funciones y servicios
y del ancho de banda necesario para proporcionarlos.
Los usuarios de la primera generación de PC que en su
día estaban entusiasmados con la potencia de una simple
hoja de cálculo, exigen ahora gráficos, audio y vídeo.
Los abonados de telefonía móvil que antes se sentían
felices con el simple hecho de poder conversar sin
necesidad de cables, hoy en día esperan mensajes de
texto, cotizaciones de la bolsa, búsquedas en Internet,
etcétera.
Los negocios, los gobiernos y los individuos de todo el
mundo se han acostumbrado a depender de todos estos
nuevos elementos y de su rápida y segura disponibilidad.
La expresión “era de la información” se acuñó para
describir la interdependiente cultura actual basada en
la información.
Al encuentro de la demanda por información ha venido una
corriente continua de adelantos tecnológicos en las áreas
de semiconductores, arquitecturas de bus para PC,
infraestructuras de red y comunicaciones digitales
inalámbricas. En los PC (e incluso todavía más en los tipos
especiales de PC conocidos como servidores), las
velocidades del procesador se han intensificado hasta el
rango de varios GHz; la velocidad de las memorias y las
velocidades de los buses internos se han acrecentado en
igual medida.
Los ordenadores tan sólo son una faceta de la avidez
por ancho de banda en la era de la información.
Los diseñadores de equipos de comunicaciones digitales
(particularmente aquellos que desarrollan los elementos
de la infraestructura eléctrica y óptica para redes fijas
y móviles) están explorando velocidades de datos del orden
de los 40 Gb por segundo y los equipos de desarrollo de
productos digitales de vídeo están diseñando una nueva
generación de equipos de transmisión para vídeo
interactivo de alta definición. La Tabla 1 resume algunas
de las velocidades de datos existentes en los sistemas
digitales actuales.
Numerosas tecnologías apuntalan estos avances en la
velocidad de datos. Con la aparición de diversos buses
serie se están derribando las barreras de velocidad
inherentes a las antiguas arquitecturas de bus paralelo.
Componentes, tales como dispositivos de memoria
Rambus, utilizan un entorno de impedancia de 28 ohmios
estrechamente controlado (en lugar del habitual de
50 ohmios) para garantizar la integridad de la señal
a velocidades máximas de reloj, y los módulos de circuito
más densos y diminutos que utilizan CI con matriz de rejilla
de esferas y vías sumergidas, resultan cada vez más
habituales conforme los diseñadores buscan medios para
maximizar la densidad y minimizar la longitud de las pistas.
Este drástico aumento en las velocidades permite
soportar aplicaciones de ordenador tales como juegos
tridimensionales y programas de diseño asistido por
ordenador. Las imágenes tridimensionales texturizadas
y sombreadas que aparecen en la pantalla requieren de
una enorme cantidad de ancho de banda por parte de la
circuitería, donde la CPU, los subsistemas gráficos y la
memoria deben estar constantemente intercambiando
información conforme la imagen se desplaza.
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Principios básicos de integridad de la señal
Fundamentos
Diseño con los conceptos de
la integridad de la señal
La temporización digital puede causar
problemas en la integridad de la señal
El aumento de ancho de banda hace ganar
importancia a los “detalles” del diseño digital
Es probable que un ingeniero que esté trabajando en el
diseño de un sistema digital en proceso de desarrollo se
encuentre con problemas de integridad de la señal en su
forma digital. Es decir, señales binarias en las salidas del
bus o dispositivo que presentan valores incorrectos.
Los errores pueden aparecer en la presentación de las
formas de onda (en diagrama de tiempos) de un analizador
lógico; o pueden aparecer incluso a nivel de estados o de
protocolo. Recuerde que un bit erróneo puede afectar
drásticamente el resultado de una instrucción o de una
transacción.
La carrera del ancho de banda digital requiere una
mentalidad innovadora. El aumento de la velocidad de
operación de un sistema no es cuestión tan sólo de diseñar
un reloj más rápido. Conforme aumenta la frecuencia, las
pistas en un módulo de circuito se convierten en algo más
que simples conductores. A frecuencias bajas, tal como
la velocidad de reloj de un antiguo sistema digital, la pista
muestra características resistivas en su mayor parte.
Conforme aumenta la frecuencia, la pista comienza
a comportarse como un condensador. A frecuencias más
altas, la inductancia de la pista empieza a jugar un papel
más importante. La integridad de la señal puede verse
afectada negativamente por todas estas características.
A frecuencias de reloj de cientos de megaciclos y
superiores, cada detalle en el diseño resulta importante:
Distribución del reloj
Diseño de la ruta de la señal
Derivaciones
Margen de ruido
Impedancias y cargas
Efectos de líneas de transmisión
Corrientes de retorno en la ruta de la señal
Terminaciones
Desacoplos
Distribución de la energía
Todas estas consideraciones afectan la integridad de las
señales digitales que deben transportar relojes y datos por
todo un sistema. Un pulso digital ideal es coherente en
tiempo y amplitud; sin aberraciones ni inestabilidades y con
transiciones rápidas y limpias. Conforme aumenta la
velocidad del sistema, cada vez será más difícil mantener
las características ideales de la señal. Ésta es la razón por
la cual la integridad de la señal se convierte
“repentinamente” en un problema. Un tiempo de subida de
un pulso puede ser adecuado en un sistema con reloj a 50
MHz, pero no bastará con velocidades de reloj de 500 MHz
y superiores. La integridad de la señal es un problema de
creciente preocupación conforme las velocidades de reloj
del orden de gigabits/s empiezan a ser habituales en los
sistemas digitales.
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Las aberraciones de una señal digital son el resultado
de muchas causas principales, siendo especialmente
habituales las relacionadas con la temporización:
Cuando dos dispositivos controladores intentan utilizar
la misma línea de bus al mismo tiempo, se produce
un conflicto de bus que, inevitablemente, dará lugar
a aberraciones. Normalmente, uno de los controladores
debería situarse en un estado de alta impedancia
y permanecer “fuera de escena” mientras que el otro
envía los datos. Si el dispositivo de alta impedancia no
cambia a tiempo, los dos controladores se disputarán
el bus. Ninguno de los dos controladores ganará,
forzando al bus a una amplitud indeterminada que
puede no llegar a alcanzar el umbral de voltaje, creando,
por ejemplo, un nivel lógico “0” donde debería haber
un nivel lógico “1”.
En los sistemas digitales se pueden producir
violaciones de los tiempos de establecimiento
y retención. Un dispositivo síncrono tal como un flip
flop D, necesita que los datos permanezcan estables
a su entrada durante un tiempo especificado antes de
que llegue el reloj, lo cual se conoce como tiempo de
establecimiento. De forma similar, los datos de entrada
deberán permanecer válidos durante un tiempo
especificado después del flanco anterior del reloj,
hecho que se conoce como tiempo de retención.
Principios básicos de integridad de la señal
Fundamentosr
La violación de los requerimientos de los tiempos de
establecimiento y/o retención pueden causar espurios
impredecibles en la salida o ninguna transición de salida
en absoluto. Los requerimientos para los tiempos de
establecimiento y retención disminuyen conforme aumenta
la velocidad del dispositivo, haciendo que las relaciones
de temporización resulten más difíciles de diagnosticar.
La metaestabilidad es un estado de datos indeterminado
o inestable que resulta de una violación de temporización,
tal como un problema de establecimiento y retención.
La señal de salida resultante puede ser un espurio
causante de problemas.
Se pueden dar condiciones indefinidas cuando los
estados de conmutación en las entradas múltiples de
un dispositivo lógico no se encuentran correctamente
alineadas en el tiempo, lo cual puede ser debido
a variaciones o errores en el retardo de estas señales
a la entrada.
Los instrumentos de adquisición digital, y los analizadores
lógicos en particular, disponen de potentes herramientas
que ayudan al usuario en el disparo, almacenamiento
y visualización de las señales digitales en diversos formatos.
Las sondas conectadas al sistema bajo prueba envían
los datos hacia múltiples canales del analizador lógico.
Los avanzados analizadores lógicos actuales pueden
capturar datos desde miles de puntos de prueba a la vez.
El modo más elemental de presentación es la presentación
en tiempos que muestra secuencias de pulsos digitales
y su ubicación en el tiempo relativa entre ellas, como se
observa en la Figura 1. La presentación de estado
(Figura 1) muestra los datos cualificados por una señal
de reloj generada dentro de la unidad bajo prueba,
permitiendo que el diseñador evalúe el estado del circuito
digital. Estos resultados pueden interpretarse
adicionalmente con la ayuda de desensambladores
y paquetes de soporte de procesadores que permiten
al analizador lógico comparar la traza de software en
tiempo real (correlacionada con el código fuente) con el
nivel más bajo de actividad del hardware. En la mayoría
de los instrumentos, esta operación se encuentra limitada
al dominio digital.
Figura 1. Pantalla de analizador lógico mostrando formas de onda de
temporización y traza de software en tiempo real correlacionada con el código fuente.
Con este tipo de adquisición de un analizador lógico
convencional, pueden existir errores de amplitud y espurios
que aparezcan como niveles lógicos válidos aún cuando
contengan datos incorrectos. Se podrá observar un error
en el código hexadecimal, por ejemplo, pero seremos
incapaces de ver porqué está ocurriendo. Si no se dispone
de medios para examinar con más profundidad el
comportamiento de la señal, puede resultar muy difícil
localizar la causa del error lógico.
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Principios básicos de integridad de la señal
Fundamentos
Tiempo disponible
de datos válidos
Entrada A
Datos
Entrada B
Reloj A
Salida
Reloj B
Tiempo de subida lento
Tiempo de subida rápido
Figura 2. La traza negra en la Entrada A es una vista analógica de
la señal real. El lento tiempo de subida de la forma de onda
negra cruza tarde el umbral, lo que resulta en un pulso de
salida estrecho. La integridad de la señal en la Entrada A
es muy pobre.
Localización de aberraciones analógicas
Muchos problemas digitales son mas fáciles de determinar
si se puede examinar con detalle el comportamiento de la
señal y ver la representación analógica de la señal digital
defectuosa. Aunque el problema pueda aparecer como un
pulso digital desplazado, la causa de la señal problemática
pudiera estar relacionada con sus características
analógicas. Las características analógicas pueden
convertirse en fallos digitales cuando las señales de baja
amplitud se convierten en estados lógicos incorrectos,
o cuando unos tiempos de subida lentos hacen que los
pulsos se desplacen en el tiempo. La comparación de una
secuencia de pulsos digitales con una vista analógica
simultánea de estos mismos pulsos es el primer paso en
la localización de problemas de este tipo.
En cualquier discusión acerca de la integridad de la señal,
las transiciones de señal merecen una atención especial.
El diagrama de tiempos de la Figura 2 explica el motivo.
Supongamos que hay dos entradas alimentando una
puerta normal AND. La traza gris de la Entrada A muestra
el pulso como “debería ser”. La traza negra distorsionada
y superpuesta es una vista analógica de la señal actual.
Debido a su lento tiempo de subida, la señal real cruza
el valor del umbral mucho más tarde de lo debido.
Como resultado, el pulso de salida es mucho más estrecho
de lo que debería ser (el ancho correcto de pulso se
muestra en gris). Este problema puede causar errores en
los pasos lógicos posteriores. La integridad de la señal en
la Entrada A es muy pobre y con serias consecuencias
para los elementos digitales en cualquier zona del sistema.
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Figura 3. Si se utiliza el Reloj A para muestrear los datos, su lento tiempo
de subida utilizará demasiado tiempo de datos. El flanco más
rápido del Reloj B deja mucho más tiempo para suministrar el
valor de los datos. (No se muestra a escala).
Supongamos que la salida continuó hasta formar parte de
una dirección de memoria. La brevedad del pulso podría
hacer que la memoria viera un “0” donde debería haber un
“1” y, por lo tanto, seleccionar una ubicación de memoria
completamente diferente de la esperada. Por supuesto,
el contenido de esa ubicación resultará totalmente
inadecuado para la transacción que se está manejando
y el resultado final de la transacción no será válido.
Unos flancos lentos en la transición de la señal pueden
dar lugar a fallos intermitentes del sistema incluso aunque
no estén causando errores de forma repetitiva.
Las disponibilidades de temporización en los sistemas
más rápidos dejan muy poco tiempo para las transiciones
de subida y bajada de la señal. Los tiempos de
establecimiento y retención se han reducido de forma
drástica en los años recientes. La especificación actual de
los tiempos de establecimiento y retención en las memorias
Rambus y DDR (doble velocidad de datos), por ejemplo,
son de unos pocos cientos de picosegundos.
Los flancos lentos pueden dejar muy poco margen en la
disponibilidad de tiempo para que los datos sean válidos
y estables, como se indica en la Figura 3, donde, para dar
más énfasis al concepto se han exagerado las relaciones
temporales. Un tiempo de transición lento en el reloj puede
consumir tiempo de datos válidos en la señal de datos.
Estos dos ejemplos muestran algunos de los efectos
potenciales de los problemas de flanco en un sistema
digital.
Principios básicos de integridad de la señal
Fundamentos
Disposición del circuito, tiempos de
transición e integridad de la señal
Según hemos visto, unos tiempos de subida y bajada
distorsionados pueden ser los responsables directos de
fallos digitales. Las rápidas tecnologías digitales actuales
requieren señales con flancos rápidos y nítidos.
Es importante recordar que muchos sistemas digitales
diseñados con velocidades de reloj más lentas pueden,
aún así, tener flancos muy rápidos. Los avances en la
tecnología de dispositivos semiconductores han hecho
llegar velocidades de flanco más rápidas a, virtualmente,
cada familia lógica. Estos flancos pueden contener
componentes de alta frecuencia sin tener en cuenta la
velocidad del reloj. Los flancos rápidos aportan muchos
beneficios pero también pueden añadir complicaciones a la
tarea del diseñador.
Las actuales arquitecturas de bus tienen tiempos de subida
y bajada del orden de algunos cientos de picosegundos.
La Tabla 1 muestra algunos ejemplos.
Los tiempos de transición en este rango exigen que el
diseñador preste una atención especial a la elección del
componente, su terminación y disposición. Las pistas de
los módulos de circuito de sólo seis pulgadas de largo
actúan como líneas de transmisión cuando circulan por
ellas señales que muestran tiempos de transición inferiores
a dos nanosegundos, sin tener en cuenta el tiempo del
ciclo de reloj.
Dispositivo digital
DDR RAM
FireWire IEEE 1394b
InfiniBand
USB 2.0
Tiempo de transición
(Tiempo de subida y bajada)
<250 ps
80 a 300 ps
≈100 ps
>500 ps
Tabla 1. Diversos tiempos de transición digital.
Cuando los flancos conmutan a altas velocidades,
aparecen nuevas rutas para la señal. Estas conexiones
intangibles no aparecen en los esquemas, pero no obstante
proporcionan un medio para que las señales se influencien
unas a otras de forma impredecible. Por ejemplo, los
planos de tierra y los planos de alimentación pasan
a formar parte de los sistemas de líneas de transmisión
que se forman por los recorridos de la señal en el módulo
del circuito y, como consecuencia, interactúan entre sí.
Estas interacciones tienen nombres: diafonía y rebotes
de tierra.
Efectos como éstos son fenómenos analógicos clásicos
y el origen de muchos fallos que arruinan los nuevos
diseños de sistemas digitales. La integridad de la señal
digital depende de su comportamiento en el dominio
analógico.
Las tecnologías de los dispositivos actuales han
sobrepasado esta velocidad de transición en un orden
de magnitud, lo que significa que la velocidad de transición
es un factor a tener en cuenta en cada diseño digital.
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Principios básicos de integridad de la señal
Fundamentos
Integridad de la señal: un término con muchos significados.
A los efectos de este análisis, un problema de “integridad de la señal” se define como un fenómeno que puede poner
en peligro la capacidad de una señal para transportar información binaria. En los dispositivos digitales reales en
funcionamiento, estas señales “binarias” tienen atributos analógicos que son el resultado de complejas interacciones
entre muchos elementos del circuito y que van desde las salidas del controlador hasta las terminaciones de las rutas
de señal.
Entre los problemas específicos se incluyen:
Problemas de amplitud
Aberraciones de flanco
Los problemas de amplitud incluyen rizados (oscilaciones),
“decaimientos” (menor nivel de amplitud al comienzo de un pulso)
y “seudopulsos” (aquellos que, simplemente, no alcanzan su
amplitud total).
Las aberraciones de flanco pueden ser consecuencia de problemas
en la disposición de los módulos como se ha descrito con anterioridad,
o de una terminación incorrecta, o incluso de problemas de calidad
en los dispositivos semiconductores. Las aberraciones incluyen preimpulsos, suavizados, sobreimpulsos, oscilaciones, tiempos de subida
lentos, etc.
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Principios básicos de integridad de la señal
Fundamentos
Reflexiones
Rebotes de tierra
Las reflexiones pueden ser originadas por problemas en las terminaciones y en las disposiciones de los módulos. La señal de salida
puede rebotar hacia su fuente de origen e interferir con los pulsos
subsiguientes.
El rebote de tierra, causado por un excesivo drenaje de corriente
(y/o excesiva resistencia en las pistas de la fuente de alimentación
y del retorno a tierra), puede dar lugar al desplazamiento del nivel de
referencia de tierra del circuito cuando las necesidades de corriente
son elevadas.
Diafonía
Inestabilidad (“Jitter”)
La diafonía se puede originar cuando pistas largas circulan próximas
unas a otras acoplándose sus señales a través de las capacitancias
e inductancias mutuas. Además, cuanto mayor es la corriente solicitada por los flancos rápidos, mayor es la cantidad de energía
magnética radiada y, por tanto, la diafonía.
El “jitter” surge cuando las señales digitales presentan minúsculas
variaciones en el posicionamiento de los flancos entre sus ciclos.
Este fenómeno puede afectar a la precisión de la temporización
y al sincronismo de todo un sistema digital.
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Principios básicos de integridad de la señal
Fundamentos
Requerimientos para la validación
de la integridad de la señal
Las observaciones y medidas directas de la señal son el
único camino para descubrir las causas de los problemas
relacionados con la integridad de la señal. Como siempre,
la elección de la herramienta más adecuada simplificará el
trabajo. En líneas generales, las medidas de integridad de la
señal se efectuarán con los mismos instrumentos familiares
que existen en cualquier laboratorio de ingeniería electrónica.
Estos instrumentos incluyen el analizador lógico y el
osciloscopio. Las sondas y el software de aplicación
complementarán este conjunto de herramientas básicas.
Adicionalmente se pueden utilizar fuentes de señal para
proporcionar señales distorsionadas en las pruebas de
fatiga y evaluación de nuevos dispositivos y sistemas.
¿Cuáles son las preguntas básicas a realizar cuando se va
a confeccionar una configuración de medida de integridad
de la señal? Las consideraciones más importantes son:
Sistema de sondas —¿ puede el instrumento de medida
transmitir con precisión las señales desde el dispositivo
bajo prueba hasta la unidad de adquisición del sistema?
Las sondas, ¿son fiables y fáciles de utilizar?
Ancho de banda y respuesta al escalón —¿puede el
instrumento de medida distinguir de forma fiable la
actividad de la señal (tanto digital como analógica) en
todas sus etapas hasta el rango de los picosegundos?
Posiblemente, las características de medida más
importantes cuando se trabaja con la integridad de la
señal sean el ancho de banda del osciloscopio y la
respuesta al escalón. Estas características garantizan
una adecuada captura de las aberraciones de la señal
que definirán la integridad de la misma.
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Resolución temporal de la captura —¿puede el
instrumento de medida capturar correctamente los
tiempos de transición en cada ciclo de datos, incluso
a las más altas velocidades de reloj? La resolución
temporal del analizador lógico es la clave para una
detección inicial de los pulsos y flancos fuera de lugar
y que podrían implicar problemas en la integridad de
la señal.
Longitud de registro —¿cuántas muestras de adquisición
puede almacenar el instrumento a altas velocidades de
muestreo?
Disparo —¿incluye el instrumento de medida una
selección versátil de disparos? y, aún más importante,
¿dispone de disparos que puedan localizar con precisión
problemas relacionados con la integridad de la señal?
Presentación y análisis —¿puede el instrumento de
medida presentar los resultados de forma tal que se
puedan leer e interpretar fácilmente?
Integración —¿se puede integrar el instrumento de
medida con otros instrumentos para formar una solución
de medida digital y analógica equilibrada que proporcione
una completa visibilidad del sistema a niveles digitales,
analógicos y de protocolo?
Principios básicos de integridad de la señal
Fundamentos
Característica del analizador lógico
Integración del osciloscopio
Sistema de sondas
Resolución de las medidas de temporización
Velocidad de adquisición en estados
Profundidad de memoria de adquisición
Disparo
Análisis
Presentación
Capacidad recomendada para el análisis de integridad de la señal
Trazas de osciloscopio alineadas en tiempos en la pantalla del analizador lógico, diagramas de ojo
multicanal
Adquisición simultánea de tiempos, estados y señal analógica a través de la misma sonda del
analizador lógico
125 ps (velocidad de reloj a 8 GHz)
Hasta 800 MHz
Hasta 256 MB
Flanco, Espurio, Lógico, Establecimiento/Retención, etc.
Paquetes de soporte de procesadores y desensambladores
Presentaciones múltiples
Tabla 2. Los análisis de integridad de la señal necesitan un analizador lógico con las más altas prestaciones
disponibles.
Los analizadores lógicos
descubren fallos digitales
Como se ha mencionado anteriormente, el analizador
lógico es la primera línea de defensa en la solución de
problemas digitales, especialmente en sistemas complejos
que incluyen numerosos buses, entradas y salidas.
Este instrumento tiene un elevado número de canales,
profundidad de memoria y disparos avanzados para poder
adquirir la información digital procedente de muchos
puntos de prueba, mostrando posteriormente la
información de forma coherente.
Dado que es un verdadero instrumento digital, el analizador
lógico detecta los cruces de los umbrales en las señales
monitorizadas y después presenta las señales lógicas tal
como las reciben los circuitos integrados lógicos. Las formas
de onda de temporización resultantes son claras
y comprensibles, y pueden compararse fácilmente con
los datos esperados para confirmar que todo está
funcionando correctamente. Estas formas de onda de
temporización son habitualmente el punto de partida en
la búsqueda de problemas de señales que ponen en
peligro la integridad de la señal.
No todos los analizadores lógicos tienen la capacidad
necesaria para analizar la integridad de la señal a las
extremadamente elevadas (¡y en aumento!) velocidades de
datos digitales actuales. La Tabla 2 proporciona algunas
pautas de las especificaciones que se deben tener en
cuenta al elegir un analizador lógico para obtener una
solución avanzada de problemas de integridad de la señal.
Con todo el énfasis puesto en las velocidades de muestra
y en las capacidades de memoria, es fácil pasar por alto
las características de disparo de un analizador lógico.
Sin embargo, los disparos son a menudo el método más
rápido de detectar un problema. Después de todo, si un
analizador lógico dispara, es una prueba de que ha
ocurrido un error. La mayoría de los analizadores lógicos
actuales incluyen disparos que pueden ayudar a la
detección de ciertos eventos que ponen en peligro la
integridad de la señal (eventos tales como espurios
y violaciones de los tiempos de establecimiento
y retención). Estas condiciones de disparo se pueden
aplicar a la vez a través de cientos de canales (una
capacidad sin igual de los analizadores lógicos).
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Principios básicos de integridad de la señal
Fundamentos
Soluciones para las sondas de los
analizadores lógicos
El esquema de sondas de un analizador lógico desempeña
un papel crítico en la adquisición digital a alta velocidad.
La sonda debe proporcionar la señal al analizador lógico
con la mayor fidelidad posible. La mayoría de los
analizadores lógicos han alcanzado esta necesidad
fundamental pero otros han llevado este concepto incluso
más lejos.
Algunos analizadores lógicos requieren conectarse
mediante sondas separadas para las adquisiciones de
tiempos y estados. Muchos analizadores lógicos requieren
conectarse mediante sondas separadas para las
adquisiciones en tiempos (forma de onda digital) y en
estados. Esta técnica, conocida como “doble sistema
de sondas”, puede poner en peligro el entorno de la señal,
afectando a las distintas medidas que se están tratando de
realizar. Por ejemplo, la conexión de dos sondas al mismo
punto de prueba y al mismo tiempo puede generar niveles
inaceptables de carga de la señal y si se conectan una
a una, el punto de prueba quedará expuesto a un doble
riesgo de daño o de una incorrecta conexión. Además,
la conexión de dos sondas por separado al mismo
dispositivo bajo prueba requiere mucho tiempo.
Algunos analizadores lógicos poseen la capacidad de medir
al mismo tiempo adquisiciones en tiempos y estados
a través de la misma sonda. Esta adquisición simultánea
de tiempos/estados acelera la solución de problemas
y permite el análisis de la integridad de la señal minimizando
el impacto de las sondas en el sistema bajo prueba.
Otros avances recientes han elevado a un nuevo nivel la
tecnología de los sistemas de sondas. La última generación
de sondas de analizador lógico puede facilitar información
digital (tiempos y estados) al analizador lógico y proporcionar
estas mismas señales a un osciloscopio como señales
analógicas. Una sola sonda de analizador lógico gestiona
todos los aspectos de la señal. Cualquier pin de la sonda
se puede utilizar tanto para adquisición digital como
analógica. La señal analógica se encamina hacia un
osciloscopio externo a través del analizador lógico. De esta
forma, es posible determinar casi instantáneamente si un
error digital está relacionado con un fallo analógico.
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En sistemas digitales de alto rendimiento, el método más
práctico de medir señales es habitualmente algún tipo de
punto de prueba dedicado. Algunos de estos puntos de
prueba están equipados con pines para simplificar la
conexión de sondas de enganche y conjuntos de cables.
Estos tipos de conectores de prueba tienen un determinado
efecto sobre el entorno de la señal del dispositivo de
destino, incluso cuando no está conectado a un analizador
lógico.
Se pueden montar sondas de analizador lógico en los
conectores dedicados del sistema bajo prueba. Para esta
aplicación, se utiliza el conector compacto Mictor, un
conector de alta densidad que se enchufa en un conector
apropiado de la sonda del analizador lógico. Los conectores
montados en el módulo ofrecen conexiones rápidas
y seguras, pero aumentan el coste del dispositivo de
destino y pueden afectar al funcionamiento de la señal
de alta velocidad.
Como alternativa a los conectores Mictor para sondas
convencionales, han surgido las sondas de compresión de
alta densidad (HD) para analizador lógico y la tecnología
de sondas D-Max™. Estas nuevas sondas no necesitan
conectores en el dispositivo bajo prueba. En su lugar, se
adaptan directamente a islas en el módulo del circuito.
La Figura 4 muestra una sonda D-Max™ sin conector
instalada sobre un módulo de un circuito. Fijadas en su
lugar mediante piezas roscadas, estas sondas resuelven la
problemática de la inductancia de los cables y presentan
una carga capacitiva muy baja de tan sólo 0,7 pF. Además,
proporcionan medidas tanto diferenciales como de
terminación simple sin reducción en el número de canales.
Estas sondas de compresión de HD presentan el menor
efecto sobre la señal respecto a cualquier otro esquema de
sondas de analizador lógico.
Principios básicos de integridad de la señal
Fundamentos
Los osciloscopios digitales revelan
aberraciones analógicas
La otra mitad en la solución del análisis de medida de
integridad de la señal es el osciloscopio digital. Éste es el
instrumento a utilizar para el seguimiento de los problemas
analógicos una vez que han sido capturados (en su forma
digital) por el analizador lógico. Los osciloscopios digitales
se presentan bajo varias formas tales como el osciloscopio
de almacenamiento digital (DSO), el osciloscopio de fósforo
digital (DPO), y el osciloscopio de muestreo.
Entre los activos más valiosos de un DSO o de un DPO,
figuran su capacidad de adquisición de eventos en disparo
único, no repetitivos. El DSO, o el DPO, captura las
características analógicas de las señales a las que está
conectado. Puede presentar una onda cuadrada, un pico
de señal transitorio, o una simple onda sinusoidal, con la
misma facilidad y precisión. Puede disparar sobre la señal
que se está visualizando o al recibir una orden desde un
instrumento al que esté conectado, tal como un analizador
lógico.
Figura 4. La nueva arquitectura de sondas sin conector D-Max™ para
analizador lógico proporciona una conexión sencilla y que
suministra a los instrumentos señales de alta fidelidad del
sistema bajo prueba.
Una sonda sin conector D-Max™ para analizador lógico
supone mucho menos impacto para el módulo del circuito
que una conexión de tipo Mictor, pero todavía las plantillas
de islas deberán haber sido incluidas en el diseño del
módulo. La ubicación sobre la cual se pruebe un bus
puede suponer diferencias en el aspecto de las señales.
Por tanto, habitualmente es preferible colocar los puntos de
conexión de prueba cercanos a los dispositivos receptores,
donde la señal muestra las características visibles por los
circuitos integrados lógicos. Gracias a su reducido tamaño,
la tecnología de sondas sin conector D-Max™ ofrece mayor
flexibilidad para su ubicación.
Otra ventaja es la facilidad de manejo de sus sondas.
Mientras que normalmente el analizador lógico se conecta
al sistema bajo prueba mediante un conector fijo (o en el
caso de los instrumentos de última generación, por medio
de un punto de prueba fijo sin conectores), el osciloscopio
suele utilizar sondas móviles de elevado ancho de banda,
sondas de terminación simple o diferenciales, o incluso
sondas de corriente.
Resulta habitual que muchos osciloscopios digitales
alcancen su máxima velocidad de muestreo para una sola
entrada, la mitad de esa velocidad para dos, y solamente
1
/4 de la velocidad total de muestreo cuando se utilizan las
cuatro entradas. La reducción de la velocidad de muestreo
puede tener impacto sobre la calidad de la adquisición.
Con velocidades de muestreo reducidas solamente se
obtienen unas pocas muestras de cada ciclo de la forma
de onda medida, dificultando una exacta reconstrucción
de la forma de onda adquirida. Incluso aunque el ancho
de banda del amplificador de entrada del osciloscopio
permanezca inalterado, la calidad de la adquisición se
resiente cuando se utilizan bajas velocidades de muestreo.
¡Obviamente esto es contraproducente cuando se está
analizando la integridad de la señal con un osciloscopio!
www.tektronix.com/signal_integrity 15
Principios básicos de integridad de la señal
Fundamentos
Característica del osciloscopio
Ancho de banda/tiempo de subida
Velocidad de muestreo
Canales
Disparo
Longitud de registro
Alineación de canales
Precisión de tiempo Delta
Sistema de sondas
Pantalla
Integración
Automatización y análisis
Capacidad recomendada para análisis SI
6 GHz de ancho de banda, 70 ps de tiempo de subida, tiempo real, disparo único
20 GS/seg., velocidad de muestreo máxima en múltiples canales
4
Disparo sin “jitter” con disparos lógicos, por violación de establecimiento/retención y serie
240.000 puntos (simultáneamente en múltiples canales)
Capacidad de alineación de las entradas de todos los canales
1,5 picosegundos RMS
Sonda móvil de 6 GHz o sonda fija de compresión HD a través de analizador lógico
Color
Trazas de osciloscopio de alta velocidad alineadas en tiempos con trazas de analizador en una sola pantalla
Paquetes de medidas automáticas para “jitter”, estándares de bus, etc.
Tabla 3. Especificaciones básicas de los osciloscopios digitales para análisis y solución de problemas de integridad de la señal.
Los DSO actuales evitan estos efectos de la velocidad de
muestreo, muestreando a una velocidad de tres a cinco
veces el ancho de banda del osciloscopio y sobre múltiples
canales de forma simultánea. Así se aseguran puntos de
muestreo adecuados incluso cuando se estén utilizando
todos los canales. Actualmente, las mejores prestaciones
en lo que se refiere a la velocidad de muestreo para evento
único en un osciloscopio digitalizador es de 20 GS/seg en
cada canal.
¿Por qué es esto tan importante? Imaginemos el análisis
sobre un punto de prueba con un DSO convencional que
dispone de una alta velocidad de muestreo, pero que
carece de la capacidad de mantener esa velocidad de
muestreo en entradas múltiples. Cuando se efectúa la
conexión al primer punto de prueba, el tiempo de subida
del flanco de la señal es claro y legible a 400 picosegundos,
por ejemplo. Cuando se realiza la segunda entrada de
señal sobre un segundo punto de prueba, ambas señales
muestran un tiempo de subida más lento y más aberraciones.
Esto es debido a que la velocidad de muestreo se ha
reducido a la mitad dando lugar a un inframuestreo que
evita que el osciloscopio capture con precisión un tiempo
de subida de flanco de 400 picosegundos.
El inframuestreo supone añadir aberraciones y un tiempo
de subida más lento. Esta inexacta (¡y engañosa!)
reconstrucción de la forma de onda se conoce como
“aliasing” o “representación falsa. La mejor forma de evitar
la “representación falsa” es utilizar un instrumento que
16 www.tektronix.com/signal_integrity
ofrezca prestaciones completas para evento único en todos
los canales utilizados.
El osciloscopio, al igual que el analizador lógico, debe
satisfacer requerimientos muy rigurosos en cuanto
a prestaciones si se va a utilizar en medidas de integridad
de la señal. La Tabla 3 resume algunas especificaciones
básicas.
Las funciones de disparo en el DSO son tan críticas como
las de un analizador lógico. Al igual que en éste, el disparo
del osciloscopio es la prueba de que ha ocurrido un tipo
de evento específico. El disparo de un DSO difiere en su
capacidad de detectar y responder a múltiples eventos
analógicos:
Condiciones de nivel de flanco y velocidad de transición
Características del pulso, incluyendo espurios, eventos
de baja amplitud y condiciones de anchura de pulso
Violaciones de los tiempos de establecimiento y retención
Patrones digitales serie de alta velocidad
Todos estos tipos de disparo pueden ayudar a los
ingenieros en, primeramente, la detección y, posteriormente,
el seguimiento de los problemas de integridad de la señal.
Existen también diversas combinaciones de disparos por
tensión, tiempo o estado lógico, así como disparos
especiales para aplicaciones tales como pruebas de
conformidad USB 2.0.
Principios básicos de integridad de la señal
Fundamentos
Soluciones para las sondas de los
osciloscopios
Más incluso que la sonda del analizador lógico, la sonda
del osciloscopio es un elemento crítico en las medidas de
análisis de integridad de la señal. La sonda del osciloscopio,
en efecto, debe llevar las máximas prestaciones en lo que
se refiere al ancho de banda del sistema y su respuesta al
escalón hasta el punto de prueba. Al mismo tiempo,
deberá ser duradera y lo suficientemente compacta para
poder probar tarjetas de circuito de alta densidad. Durante
la solución de problemas de integridad de la señal,
normalmente será necesario tener una sonda “fijada” en
un punto de prueba en el que aparece un error (ésta puede
ser la sonda analógica en el analizador lógico, si está
disponible) y otra sonda puede rastrear la ruta de la señal
para localizar el origen del problema.
Dos características importantes de una sonda para realizar
tareas de alta velocidad son la inductancia y capacitancia
de la misma. Cada sonda tiene resistencia (R), inductancia
(L) y capacitancia (C). Sin embargo, los efectos de la
capacitancia y de la inductancia aumentan con la frecuencia.
La combinación de estos efectos puede cambiar la señal
y los resultados de la medida.
La Figura 5 muestra los efectos de carga de la sonda en
una señal típica de alta velocidad (pulso de 250 mV
referenciado a tierra y con un tiempo de subida de ~200 ps).
Esta imagen muestra la misma señal, con carga y sin
carga, en un osciloscopio de 4 GHz. La inclusión de la
sonda ha cargado la señal original (traza blanca) según
muestra la traza verde, haciendo algo más lenta la esquina
frontal del pulso. De forma simplificada, conforme
aumentan C y L, la carga sobre la señal aumentará también.
De forma similar, la inductancia producida por la longitud
del cable puede causar una seria distorsión en la señal que
se está midiendo.
Las características de entrada de la sonda y la inductancia
producida por la longitud del cable pueden realmente
causar problemas de integridad de la señal. Se podría
llegar a la conclusión, por ejemplo, de que el bus en sí
Figura 5. Efectos de la carga de la sonda en una señal de alta
velocidad.
mismo está degradando el tiempo de subida de la señal
digital y causando problemas lógicos. Si cambiamos a una
sonda de baja capacitancia, resultará claro que en definitiva,
el tiempo de subida no se ha degradado. El error lógico es
debido a un motivo diferente: ¡efectos del sistema de
sonda! La Figura 5 muestra cómo los efectos del sistema
de sonda pueden reducir la velocidad de un flanco, incluso
hasta el punto de causar errores que no existían
anteriormente.
La respuesta a los problemas de medida de integridad
de la señal y de alta velocidad es una nueva generación
de sondas de capacitancia ultrabaja para osciloscopios.
Con un ancho de banda de 6 GHz en la punta de la
sonda, y menos de 0,5 pF de capacitancia de entrada,
estas nuevas sondas conservan mejor la señal cuando
se dirige hasta la entrada del osciloscopio.
Las prestaciones de las sondas son críticas porque son el
primer enlace en la cadena de subsistemas de medida que
deben capturar, conservar y presentar la señal de la forma
más exacta posible. Una sonda de baja capacitancia con
una punta de sonda y una longitud de cable muy corta,
asegurará que no se desperdicie el ancho de banda del
osciloscopio.
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Principios básicos de integridad de la señal
Fundamentos
TLa importancia del ancho de banda del
osciloscopio
El ancho de banda de un osciloscopio es un elemento
indispensable en cualquier proceso de solución de
problemas de integridad de la señal. Esta breve guía de
estudio explica por qué es esencial utilizar un instrumento
con el ancho de banda más alto disponible.
Ya hemos comentado las características que definen los
problemas de integridad de la señal de alta velocidad.
Muchos de estos problemas aparecen durante las
transiciones de la señal o como transitorios no deseados,
resultantes de las violaciones de temporización. Es de
importancia crítica capturar tan exactamente como sea
posible estos flancos y transitorios. Y eso implica un
ancho de banda suficiente.
Error de amplitud (%)
El ancho de banda de un osciloscopio se especifica
tradicionalmente sobre el punto de caída de la respuesta
en frecuencia a –3 dB para una onda sinusoidal. La
Figura 6 ilustra este hecho. Aquí un osciloscopio de
1 GHz tiene un error creciente de amplitud conforme la
frecuencia de la onda sinusoidal asciende hasta la marca
de 1 GHz. Cuando la frecuencia de la onda sinusoidal
iguala el ancho de banda especificado, el error de
amplitud es de –3 dB o casi el 30%.
Un osciloscopio con un ancho de banda insuficiente para
las tareas de medida, será un obstáculo en las medidas
de tiempos de subida y bajada de la señal digital. Debido
a los drásticamente decrecientes tiempos de transición
de las tecnologías digitales actuales, éste será un factor
crítico en la elección de las herramientas de medidas
adecuadas.
Para entender este concepto, consideremos este modelo
de un solo polo del tiempo de subida de entrada de un
osciloscopio para una señal al escalón de alta velocidad:
Tiempo de subida del osciloscopio ≈
0,35
Ancho de banda del osciloscopio
Para un osciloscopio moderno donde el tiempo de
subida x del ancho de banda ~0,42, esto da como
resultado alrededor de 210 picosegundos en un
osciloscopio de 2 GHz y aproximadamente 84 ps en
un instrumento de 5 GHz. Una fórmula general para el
tiempo neto de subida medido produce la característica
de respuesta al escalón:
100
Tiempo de subida medido =
(Tiempo de subida del + (Tiempo de subida de
2
2
osciloscopio)
la señal)
85
70,7
0,1
0.5
0,5
Frecuencia (GHz)
-3
-3dB
dB
1,0
Figura 6. Gráfico de respuesta en frecuencia en un osciloscopio típico
de 1 GHz
*1 La constante en esta fórmula puede oscilar desde 0,35 para un modelo
de un solo polo hasta 0,45 para un filtro rectangular ideal. El valor típico
en un moderno osciloscopio con ancho de banda elevado es de 0,42.
18 www.tektronix.com/signal_integrity
Utilizando estas fórmulas se puede demostrar que una
señal que tenga un tiempo de subida real (RT) de
85 picosegundos presentará un tiempo de subida de
135 picosegundos si se mide con un osciloscopio de
4 GHz de ancho de banda (BW) (utilizando BW x RT =
0,42). Un osciloscopio de 6 GHz reduce el tiempo de
subida medido a 110 picosegundos aproximadamente,
mejorando de forma sustancial la precisión de la lectura.
Principios básicos de integridad de la señal
Fundamentos
Figura 7a. Resultados de la medida en el flanco de un pulso con
un tiempo real de subida de 85 ps en un DPO TDS7404
de 4 GHz.
Figura 7b. Resultados de la medida en el flanco de un pulso con
un tiempo real de subida de 85 ps en un DSO TD6604
de 6 GHz.
Resumiendo las discusiones sobre el ancho de banda
y la respuesta al escalón, en ambos casos las cifras
calculadas y las medidas en el mundo real confirman que
el ancho de banda del osciloscopio marca la diferencia
en los resultados que se ven en pantalla. Con tantos
problemas a nivel de sistema que son el resultado directo
de efectos y aberraciones de flanco, un osciloscopio cuyo
ancho de banda sea de 3 a 5 veces el de la señal
a medir es la herramienta adecuada para la solución
de problemas de integridad de la señal.
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Principios básicos de integridad de la señal
Fundamentos
Los analizadores lógicos y los
osciloscopios integrados identifican
problemas de integridad de la señal
El analizador lógico y el DSO son dos potentes
herramientas en el conjunto de elementos de diagnóstico
de integridad de la señal. Con los recientes avances en su
integración, se ha multiplicado la potencia de estas dos
herramientas individuales.
Estas nuevas herramientas de visualización integrada
posibilitan la conexión de un DSO (que cubra las
necesidades de ancho de banda del dispositivo bajo
prueba) a un analizador lógico (con el número de canales,
profundidad de memoria y velocidad de muestreo
adecuados) para poder gestionar los requerimientos de
medidas analógica y digital. La pantalla del analizador
lógico presentará información digital así como la forma de
onda analógica del osciloscopio.
Las dos formas de onda se encuentran alineadas en el
tiempo de forma que se pueda examinar la forma de onda
digital con su forma de onda analógica. Por ejemplo, en la
pantalla de la Figura 8 las medidas de formas de onda
analógica y digital relacionadas en el tiempo ofrecen cuatro
vistas diferentes de las mismas señales. Las dos formas de
onda superiores son formas de onda del bus de 4 y 8 bits
con marcas rojas que indican las ubicaciones de varios
espurios. Las dos formas de onda siguientes son líneas de
señales individuales que forman parte de las dos formas de
onda superiores del bus. Las marcas rojas en estas dos
señales indican ubicaciones de espurios. Las dos formas
de onda siguientes son formas de onda de temporización
de alta resolución que muestran los detalles acerca de la
relación de los espurios con los flancos anteriores de la
otra señal. Las dos últimas formas de onda son formas
de onda analógicas de las mismas dos líneas de señales
del osciloscopio. Todas estas formas de onda están
relacionadas en el tiempo y se muestran en la misma
pantalla. Se puede apreciar fácilmente que las dos líneas
de señales presentan diafonía mediante un análisis de las
vistas relacionadas en el tiempo de las formas de onda
digital y analógicas.
20 www.tektronix.com/signal_integrity
Figura 8. Los errores de diafonía se identifican rápidamente con las
medidas digital y analógica relacionadas en el tiempo en la
misma pantalla.
La visualización integrada es una valiosa característica, pero
hay que recordar que la información analógica presente en
la pantalla es tan precisa como lo son el ancho de banda
y la respuesta al escalón del osciloscopio que se utilice.
Ésta es la razón por la cual es importante seleccionar
herramientas que permitan la adaptación de las capacidades
del osciloscopio digital al nivel de prestaciones necesario
para realizar las medidas digitales.
Principios básicos de integridad de la señal
Fundamentos
Las herramientas de análisis de
“jitter” simplifican las medidas
complejas
El análisis de la integridad de la señal no siempre se reduce
a encontrar un flanco lento o una baja amplitud de la señal
en alguna parte del sistema. Según se ha explicado
anteriormente, factores tales como el “jitter” pueden
desempeñar un importante papel en la estabilidad del
sistema. El “jitter” se origina típicamente en el sistema de
circuitos del reloj, pero puede también surgir del ruido en
la fuente de alimentación, diafonía y circuitos de bucle de
enganche de fase (PLL). El “jitter” puede afectar los datos,
las direcciones, las líneas de habilitación, etc. y, de hecho,
a virtualmente cualquier señal en el sistema.
Las medidas de “jitter” se han convertido en un problema
creciente en los nuevos diseños digitales de alta velocidad.
Los actuales requerimientos de medida de “jitter” incluyen
medidas individuales de ciclo a ciclo (en lugar de en forma
acumulada a través de muchas adquisiciones), análisis de
sus tendencias temporales, estadísticas con histogramas,
medidas de relojes de espectro ensanchado, análisis de
secuencias de datos serie, etc. Las señales de alta
velocidad, con sus rápidos tiempos de subida y pequeños
márgenes temporales, necesitan una exactitud en las
medidas de “jitter” del orden de 1 ps de RMS.
Es evidente que este nivel de prestaciones requiere de un
osciloscopio rápido y estable. No menos importante resulta
el conjunto de herramientas de software que soporta las
medidas de “jitter”. Debido a que el “jitter” se presenta en
muchas formas, y debido a que las medidas de “jitter”
dependen profundamente de cálculos estadísticos, un
paquete dedicado de software para el análisis de “jitter”
es una buena solución para realizar un eficiente trabajo de
comprobación de la integridad de la señal. Los paquetes
más recientes se han integrado en los osciloscopios
digitales de elevado ancho de banda y pueden realizar
medidas de temporización en todos y cada uno de los
ciclos dentro de una sola adquisición. Estos paquetes de
análisis de temporización pueden también acumular datos
de análisis estadísticos a través de múltiples adquisiciones.
La Figura 9 ilustra una pantalla típica de medidas de “jitter”.
La barra de menú y las teclas programables guían al
usuario a través de los pasos de medida, mientras que los
resultados estadísticos aparecen claramente presentados
en un formato tabular en la mitad inferior de la ventana.
Figura 9. Pantalla de aplicación de medidas de “jitter”.
El software de análisis de medidas de temporización debe,
por supuesto, integrarse en un osciloscopio que por sí
mismo añada tan poco “jitter” como sea posible a la señal.
Para la mayoría de los estándares de transmisión de datos
sería deseable una inestabilidad de disparo en el orden de
7 ps RMS. Otras importantes características incluyen la
precisión en las medidas relativas de tiempos en el orden
de 1,5 ps RMS y, por supuesto, un elevado ancho de
banda con sobremuestreo. Un osciloscopio con un ancho
de banda de 6 GHz y 20 GS/s de velocidad de muestreo
para disparo único en múltiples canales, cumple con los
requerimientos clave de especificaciones para medidas de
“jitter” de alta velocidad en buses y dispositivos digitales
rápidos.
www.tektronix.com/signal_integrity 21
Principios básicos de integridad de la señal
Fundamentos
Resolución de problemas de
integridad de la señal
En este manual, hemos examinado la causa y efecto de
los problemas relacionados con la integridad de la señal.
A lo largo de nuestra discusión, hemos analizado cómo
obtener la mejor fidelidad de la señal de los equipos de
pruebas y medidas para solucionar estos problemas.
solucionar los problemas, pudo fijar las plantillas de
contacto en el espacio disponible. Estas plantillas fueron
simuladas formando parte integral del trazado del módulo.
Configuración
Unidad central de analizador lógico TLA715
Módulo de adquisición de analizador lógico de 102
canales TLA7AA3
Ahora utilizaremos tres situaciones de diseño para ilustrar
las herramientas y técnicas necesarias para solucionar
problemas intermitentes de integridad de la señal en un
entorno de diseño del mundo real.
Sonda de analizador lógico de terminación simple
P6860 HD
Ejemplos de aplicación
Interfaz iView™
Situación I
Ha surgido un problema de calidad en un módulo de un
sistema digital que se encuentra a punto de entrar en fase
de fabricación. El módulo es una pieza clave de un nuevo
producto estrella de la compañía, un sofisticado controlador
de maquinaria, y debe ser anunciado conforme a lo
que estaba previsto puesto que ha sido objeto de un
considerable avance publicitario en su mercado.
Las primeras muestras de producción están
experimentando fallos intermitentes. Los fallos aparecen en
el bus del sistema del módulo, pero no parecen originarse
allí. El bus del sistema es bidireccional con múltiples
dispositivos que envían y reciben datos a través del mismo.
Dado que este módulo es primordial para el funcionamiento
del sistema, la fabricación no puede continuar hasta que no
se haya solucionado el problema.
El sistema trabaja a velocidades “medias”, pero dado que
la mayor parte de la lógica es capaz de desarrollar rápidos
flancos de subida y bajada, se deberán tener en
consideración los posibles problemas de integridad de
la señal. Otras posibilidades también abarcan desde errores
lógicos hasta problemas de ubicación de los componentes.
El equipo de diseño, consciente de que las características
de depuración integradas pueden ahorrar un tiempo valioso
en la solución del problema, optó por introducir puntos de
prueba en el módulo para el analizador lógico. Fue una
propuesta controvertida puesto que la densidad y compacto
diseño del módulo no dejaban espacio para conectores
convencionales. Debido a que el equipo de diseño estaba
utilizando un analizador lógico Tektronix TLA7AA3 para
22 www.tektronix.com/signal_integrity
DSO TDS6604
La configuración para el diagnóstico de problemas
aprovecha la capacidad de la Serie TLA700 de encaminar
las señales analógicas a través de la sonda del analizador
lógico, adquirirlas con el osciloscopio y mostrar esas
señales en la pantalla del analizador lógico.
El analizador lógico se configuró para disparar sobre
la instrucción READ que produce un valor defectuoso de
los datos.
Descubrimiento
La pantalla del analizador lógico muestra las formas de
onda de temporización de las señales seleccionadas en el
bus y revela el problema en la señal que está produciendo
el error. La forma de onda de temporización de alta
resolución (8 GHz, 125 ps) del instrumento aclara que no
existe un problema de temporización en los datos que se
están leyendo (traza 031:DATA). Sin embargo, la dirección
parece errática, con ubicaciones omitidas ocasionalmente,
lo que implica un problema en el bit menos significativo de
la dirección 0.
La traza analógica alineada en tiempos en la parte inferior
de la pantalla revela el verdadero problema de integridad de
la señal. El osciloscopio TDS6604 adquiere la señal a través
de la sonda de referencia a tierra P6860 del analizador
lógico y posteriormente la muestra en la pantalla de éste
por medio de la interfaz iView.
Principios básicos de integridad de la señal
Fundamentos
Figura 10. La traza analógica revela un nivel lógico no válido (cursor de software 1 y 2) que está
causando problemas digitales en el sistema.
En este caso, el nivel lógico de la señal AD0 (Dirección 0)
no es válido en el momento en que es leído por el reloj.
No es ni alto ni bajo. Sospechando que puede ser un
problema de conflicto en el bus, el ingeniero rastrea el bus
hasta que descubre que debido a un error de diseño hay
dos dispositivos habilitados al mismo tiempo en la línea de
dirección.
Como la mayoría de los diseños digitales complejos, el
módulo incluye puntos de prueba para el analizador lógico.
Estos puntos están equipados con conectores Mictor que
son compatibles con las sondas de analizador lógico de la
serie TLA700.
Configuración
Este procedimiento demuestra cómo los problemas de
temporización digital algunas veces se analizan mejor
observando las señales en el dominio analógico. También
da una lección acerca de la forma de planificar los puntos
de prueba. Sin unos puntos de conexión adecuados para
el analizador lógico, pudiera haber resultado difícil ver la
señal con el detalle suficiente como para evaluar la distorsión.
Unidad central de analizador lógico TLA715
Situación II
Interfaz iView™
La nueva placa madre de un servidor de próxima generación
experimenta problemas intermitentes inexplicables. El primer
y segundo prototipos funcionan de forma fiable a bajas
velocidades de reloj. Cuando se pasa a la velocidad de reloj
especificada, se producen fallos aparentemente aleatorios.
Osciloscopio de fósforo digital TDS7104
Se sospecha que existan problemas relacionados con el
trazado del módulo, pero ha sido difícil confirmarlo con
herramientas convencionales. El programa del proyecto
incluye solamente dos partidas de módulos de prototipos,
pero a menos que se pueda localizar el problema
intermitente, es posible que sea necesario un tercer
prototipo. Esta nueva acumulación de tiempos y costes
pone en peligro el éxito del nuevo producto.
Módulo de adquisición de analizador lógico de 136
canales TLA7AA4
Sonda de analizador lógico de terminación simple
P6860 HD
Adaptador de compresión P6860 HD a Mictor
Descubrimiento
Los problemas intermitentes son a menudo causados por
señales que “se supone no deberían estar allí” llamadas
espurios. Sospechando esto, el ingeniero prepara el
TLA715 para disparar sobre espurios, una de sus muchas
funciones de disparo.
El analizador lógico TLA715 detecta un espurio durante el
ciclo de Prebúsqueda en una línea de señal denominada
IFETCH. El analizador lógico dispara y marca el punto en el
tiempo en que ocurre el espurio. La traza Mag_IFETCH
muestra con claridad un pulso estrecho.
www.tektronix.com/signal_integrity 23
Principios básicos de integridad de la señal
Fundamentos
Espurio detectado y marcado en
la señal.
Traza MagniVuTM a 500 ps que
muestra el espurio con mayor
detalle.
Forma de
onda digital
Forma de onda
analógicas
Superposición
de formas de
onda analógica
y digital
Traza analógica hasta 20 GS/s
capturada en el TDS y transferida a la
pantalla del TLA mostrando la causa
del espurio.
Figura 11. La pantalla iView™ muestra un espurio en la primera traza de la forma
de onda (segunda desde arriba) que resulta de un cruce momentáneo
del umbral en la línea IFETCH (tercera desde arriba) debido a reflexiones
de terminación.
Superposición de múltiples
formas de onda para realizar
comparaciones visuales completas.
Los 125 ps de resolución de la adquisición de temporización
MagniVu™ de alta resolución aseguran una precisa captura
del instante y de la duración del pulso.
El disparo en el espurio también provoca una adquisición
en el osciloscopio TDS7104 que está integrado con
el analizador lógico a través de la interfaz iView™. El
osciloscopio utiliza la sonda iConnect™ del analizador
lógico para medir la misma señal.
24 www.tektronix.com/signal_integrity
La adquisición analógica resultante aparece en el centro
de la pantalla del analizador lógico mostrando la verdadera
naturaleza del espurio. Este espurio es una aberración
analógica que cruza brevemente por encima y después por
debajo del umbral lógico, creando un nivel lógico alto válido
con la duración justa para crear el problema del espurio.
Con este conocimiento acerca del problema analógico, el
ingeniero determina que el trazado del módulo en el área
de esta línea de señal es propenso a reflexiones de las
terminaciones conforme aumenta la velocidad del flanco.
Una simple reubicación del trazado elimina el problema.
Principios básicos de integridad de la señal
Fundamentos
Situación III
Un prototipo de una nueva y rápida estación de trabajo
tiene un oscilador con bucle de enganche de fase (PLL)
configurado como fuente de reloj con “retardo cero” para
su sistema de memoria. El PLL recibe una señal externa de
reloj, se engancha en su frecuencia y retransmite la señal
a los elementos de la memoria a través de una red de
distribución de reloj. Al hacer esto, se corrigen todos los
retardos conocidos a lo largo del trayecto de distribución.
Sin embargo, la memoria parece almacenar datos
incorrectos de forma ocasional. Se cree que esto es debido
a un error de temporización en el reloj que está haciendo
que los datos lleguen a la memoria a destiempo, antes de
que todas las líneas de datos estén “preparadas”. ¿Cuál
puede ser la naturaleza de este error de temporización?
¿Cuál es el origen? La solución a un problema de sistema
depende de las respuestas a estas dos preguntas.
Configuración
Analizador lógico TLA614
Sonda de analizador lógico P6418
DSO TDS6604
Sonda móvil P7260 de elevado ancho de banda para
TDS6604
Software de análisis de “jitter” y temporización TDSJIT3
Descubrimiento
Figura 12. Esta pantalla de medida TDSJIT3 incluye varias medidas de
“jitter” concatenadas tomadas a 20 GS/s y revela una señal
PLL que tiene casi 1 ns de error en un ciclo de 7,5 ns.
claro que el componente PLL permanece la mayor parte
del tiempo dentro de su tolerancia de frecuencia, pero se
adelanta ocasionalmente como si estuviese corrigiendo una
deriva en la frecuencia. En la Figura 12, el error asciende
a casi 1 ns en un ciclo de 7,5 ns.
Una segunda función de TDSJIT3 ayuda a detectar el
origen del comportamiento del PLL. Mediante las
herramientas FFT de la aplicación, se detecta un pico
de energía inesperado a los 120 kHz. Un rápido vistazo
al esquema del sistema revela que es la frecuencia de la
fuente de alimentación conmutada del sistema. A partir
de ahí, resulta sencillo filtrar la frecuencia errónea para
eliminarla de la conexión de alimentación del PLL.
Después de observar los errores digitales con el analizador
lógico TLA614, el ingeniero sospecha de una inestabilidad
en la señal del reloj procedente de oscilador PLL. Aunque
es intermitente, el error no parece ser completamente
aleatorio.
Se ha comprobado que una medida de inestabilidad en
tiempo real es la solución más productiva. Conectando una
sonda P7260 a la señal de reloj, el ingeniero realiza varias
medidas a una velocidad de muestra de 20 GS/s y las
concatena en la aplicación TDSJIT3 integrada. Si se
compara la muestra ciclo a ciclo utilizando la medida CycCyc Period y la función Cycle Trend de TDSJIT3, queda
www.tektronix.com/signal_integrity 25
Principios básicos de integridad de la señal
Fundamentos
Resumen
Las medidas de integridad de la señal han pasado
a convertirse en un problema crítico en los procesos de
desarrollo de sistemas digitales. En los rápidos sistemas
actuales, un ligero error de temporización en el bus de
datos del controlador puede circular por todo el sistema
y aparecer como un fallo en un bus serie I/O. El ingeniero
de diseño tiene la responsabilidad de localizar y eliminar
estos problemas en cualquier parte del sistema.
Para ello necesitará un potente conjunto de herramientas
de medida que tenga el ancho de banda y características
para ahorro de tiempo adecuados para trabajar con
las aberraciones de la señal de alta velocidad. Estas
herramientas incluyen osciloscopios digitales, analizadores
lógicos, sondas de alta fidelidad y software de análisis.
26 www.tektronix.com/signal_integrity
Para ayudar al diseñador en el diagnóstico de problemas
relativos a la integridad de la señal, han surgido innovadoras
soluciones de medida tales como sondas de compresión
de HD, software de "jitter" para aplicaciones específicas
y visualización lógica de la forma de onda integrada en el
analizador/osciloscopio. Con estas potentes herramientas
a mano, el ingeniero puede rápidamente localizar los fallos
y seguirles la pista hasta su origen.
Hasta hace poco los problemas invisibles de integridad
de la señal eran los culpables de los retrasos en las
programaciones y de los problemas de fiabilidad en los
nuevos productos digitales. Actualmente, el diseñador
dispone de medios para abordar con éxito incluso los más
duros desafíos de integridad de la señal.
Principios básicos de integridad de la señal
Fundamentos
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Expertos en productos y tecnología
Los profesionales de soporte de Tektronix son expertos
entrenados en campos, productos e industrias específicas,
que le ofrecen sus conocimientos y experiencia para
solucionar sus necesidades de soporte y servicio.
Le proporcionan ayuda dándole una rápida respuesta
en temas relacionados con información de tecnologías,
industria y productos; soporte de aplicaciones y operaciones,
soporte en resolución de problemas y servicios. También se
puede obtener acceso a nuestra experiencia en productos
y tecnologías a través del entrenamiento en productos
y aplicaciones, lo que le permite optimizar rápidamente
la implantación de sus productos Tektronix.
La atención total incluye 90 días de garantía de servicio
que cubre cualquier fallo que pueda ocurrir en los 90 días
siguientes a la última fecha de servicio.
*Servicio disponible en los lugares seleccionados.
Soporte mundial
Nuestro sistema mundial de gestión de servicios asegura
una correcta distribución de recursos, lo que resulta en
unos tiempos de respuesta cortos y en servicios de alta
calidad. Tenemos soporte en 61 países respaldados por
centros de servicios Tektronix, proveedores autorizados de
servicios e ingenieros locales de atención al cliente.
www.tektronix.com/Measurement/Service
Rápida respuesta
Nuestros equipos de soporte tienen el compromiso de
proporcionarle una rápida respuesta, generalmente al día
hábil siguiente a su petición. Además, nuestra estructura de
soporte a nivel mundial le garantiza que sus necesidades
estarán rápidamente cubiertas donde quiera que se
encuentre y que recibirá una rápida respuesta de los
centros de servicio de Tektronix.
Opciones de soporte flexibles
El centro de servicios de Tektronix es un grupo de soporte
que le proporciona un amplio rango de flexibles opciones
de soporte que posibilitarán el éxito a lo largo del ciclo total
de vida de sus productos.
Existe un amplio rango de servicios postgarantía a su
disposición: desde servicios de reparación y calibración
efectuados en un centro de servicios Tektronix, hasta
servicios a domicilio*, y programas de autoservicio,
incluyendo pedidos de repuestos y servicios de
intercambio*.
La sección de soporte de nuestras páginas web
proporciona amplia información y herramientas,
incluyendo intervalos de calibración recomendados,
registro de garantías, descarga de manuales
seleccionados, actualizaciones de información de
producto, precios de repuestos y peticiones de servicio*.
www.tektronix.com/signal_integrity 27
Principios básicos de integridad de la señal
Fundamentos
Contacto con Tektronix:
Asociación de Naciones del Asia Sudoriental
(ASEAN) / Australasia / Pakistán (65) 6356 3900
Austria +41 52 675 3777
Bélgica 07 81 60166
Brasil y Sudamérica 55 (11) 3741-8360
Canadá 1 (800) 661-5625
EE.UU. 1 (800) 426-2200
EE.UU. (Exportaciones) 1 (503) 627-1916
España (+34) 901 988 054
Europa Central y del Este, Ucrania y Países Bálticos
+41 52 675 3777
Europa Central y Grecia +41 52 675 3777
Dinamarca +45 80 88 1401
Finlandia +41 52 675 3777
Francia y norte de África +33 (0) 1 69 81 81
Alemania +49 (221) 94 77 400
Hong Kong (852) 2585-6688
Italia +39 (02) 25086 1
Japón 81 (3) 6714-3010
Sociedad limitada privada de
La India (91) 80-22275577
Los Balcanes, Israel, Sudáfrica y otros países ISE
+41 52 675 3777
Luxemburgo +44 (0) 1344 392400
México, Centroamérica y países del Caribe 52 (55) 56666-333
Noruega 800 16098
Oriente Medio, Asia y norte de
África +41 52 675 3777
Países Bajos 090 02 021797
Polonia +41 52 675 3777
Portugal 80 08 12370
Reino Unido e Irlanda +44 (0) 1344 392400
República de Corea 82 (2) 528-5299
República Popular China 86 (10) 6235 1230
Rusia, CEI y países bálticos 7 095 775 1064
Sudáfrica +27 11 254 8360
Suecia 020 08 80371
Suiza +41 52 675 3777
Taiwán 886 (2) 2722-9622
Si desea obtener información sobre otras zonas,
póngase en contacto con Tektronix, Inc. en e 1 (503) 627-7111
Última actualización: 6 de abril de 2005
Para obtener información adicional, diríjase a:
Tektronix, Inc., P.O. Box 500, Beaverton, Oregon 97077-0001, EE.UU.,
1 (800) 426-2200.
En otras áreas, póngase en contacto con Export Sales en el 1 (503) 627-1916.
www.tektronix.com
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in ISO registered facilities.
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Tektronix están cubiertos por patentes de Estados Unidos y extranjeras, emitidas y
pendientes. La información en esta publicación sustituye a la de cualquier otro
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especificaciones y precios. TEKTRONIX y TEK son marcas comerciales registradas
de Tektronix, Inc. Todas las demás marcas comerciales a que se hace referencia
son marcas de servicio, marcas comerciales o marcas comerciales registradas de
sus respectivas compañías.
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HB/PG
55S-15465-3