As interfaces seriais de alta velocidade frequentemente transmitem dados com sinalização diferencial e pontas de prova diferenciais podem ser usadas para avaliar traços de sinais. Além de entradas diferenciais, essas sondas têm uma ligação de aterramento.
Uma questão importante ao conectar sondas modulares com múltiplos modos R&S®RT‑ZMxx é se devemos ou não conectar o aterramento da sonda (GND) ao dispositivo em teste (DUT).
O osciloscópio de alto desempenho R&S®RTP é uma solução ideal e única para os testes de interfaces digitais de alta velocidade. As sondas modulares R&S®RT-ZMxx, juntamente com uma ampla gama de pontas da sonda (R&S®RT-ZMAxx) e acessórios, podem contribuir para que você avalie com facilidade os sinais de dados e supere desafios de conexões mecânicas e elétricas para maior confiança em medições.
Figura 1: Ponta da sonda R&S®RT-ZMA10 em arame de solda
Ao testar interfaces digitais de alta velocidade, a conexão de circuitos é decisiva para as medições. Primeiro, você precisa decidir se vai analisar um sinal de dados de host para dispositivo (ou vice-versa) ou realizar testes de conformidade. Ao analisar um sinal de dados de host para dispositivo, uma sonda R&S®RT-ZM160 pode ser usada para monitorar o sinal ao vivo. Os testes de conformidade requerem um adaptador em conformidade com os padrões capaz de avaliar o sinal usando equipamentos 50 Ω padrão (cabo, conector, balão, …).
Esta ficha de aplicação examina a análise de sinais de dados para uma unidade flash de memória convencional USB 3.2 de geração 1. Depois de verificar todos os parâmetros, tais como largura de banda, carga e janela de tensão operacional: pegue a R&S®RT-ZM160 e uma ponta da sonda R&S®RT-ZMA10; solde a ponta da sonda (veja a figura 1) com P, N, GND para a interface USB na unidade flash de memória (porta do transmissor) e conecte a unidade flash a um computador desktop.
Figura 2: Diagrama de olhos do sinal diferencial depois de conectar P, N, GND
Primeiro verifique a integridade do sinal diferencial (modo DM) com um teste de diagrama de olhos (veja a figura 2). Este diagrama de olhos apresenta algumas falhas. O olho tem um jitter alto apesar do dispositivo estar conectado diretamente no transmissor, o fator Q é baixo, ao mesmo tempo em que o sinal diferencial tem um desvio e não é simétrico por volta de 0 V.
Comece investigando a questão de CC e descubra por que o viés aparece no sinal diferencial. Defina um trigger de largura (1 ns) para capturar cinco bits de mesma polaridade para o caractere SKP (K28.1) que ocorre frequentemente. Em seguida, os traços para diferencial, modo comum, p e n serão adquiridos (veja a figura 3). O medidor de sonda e uma medição de média para o sinal de modo comum foram ativados nos parâmetros de teste CC.
Figura 3: Separação do sinal em diferencial (R1), modo comum (R2), P (R3), e N partes (R4)
Você pode observar que os traços n e p são aproximadamente simétricos ao traço de modo comum. Isso gera duas questões. A primeira é que, se p e n são simétricos ao redor de um valor CC (sinal CM em verde), o traço diferencial deveria ser simétrico ao redor de 0 V, pois o valor CC foi cancelado. A segunda questão é que o valor de modo comum (6 mV) do medidor de sonda e o valor (137 mV) da medição de média para o sinal de modo comum não correspondem. Com isso em mente, reveja todo o circuito além dos traços de alta velocidade usuais. Pode ser útil incluir as conexões de fonte de alimentação (veja a figura 4), ao mesmo tempo em que se utiliza um multímetro digital para verificar a resistência entre a blindagem USB facilmente acessível e o aterramento do osciloscópio de menos de 10 mΩ com uma sonda desconectada.
O desktop, a unidade flash USB e o osciloscópio com a sonda R&S®RT-ZM são ilustrados no diagrama de circuito equivalente (veja a figura 4). A tensão de alimentação relevante, ou seja, a tensão do barramento USB (VDD 5 V), é mostrada juntamente com as conexões de transmissor e receptor USB de alta velocidade. Os valores de resistência do traço de alimentação são introduzidos (RE, Rshield, RT, RC) juntamente com as tensões de alimentação.
REdesigna a carga resistiva do aterramento de proteção (< 10 mΩ). Rshieldé a resistência de blindagem do cabo da sonda (aproximadamente 30 mΩ). RTé a resistência do traço do host (máx. 167 mΩ) e RCé a resistência do conector de acasalamento (máx. 30 mΩ). Ambos RTe RCsão estipulados na especificação USB 3.2, seção 11.4.2 (veja a tabela abaixo). RT, RCjuntamente com REe Rshieldcompõem um divisor de corrente para a corrente de aterramento na unidade flash USB quando a conexão de aterramento marcada em azul na ponta da sonda é conectada. A seguir, a influência da rede é estimada e assume-se que a implementação tenha um terço do valor máximo para as especificações RTe RC. Isso significa que os valores são aproximadamente os dos resistores REou Rshield.
A corrente CC significativa está marcada como IVDDe flui através da blindagem coaxial da sonda. Assumindo que a corrente de alimentação de 500 mA seja extraída dos dados da unidade USB, a corrente através da sonda e do osciloscópio é estimada em 300 mA, resultando em uma queda de IR de 9 mV através da blindagem de cabo da sonda.
Como o amplificador na ponta da sonda faz referência ao aterramento local e a entrada do osciloscópio ao aterramento comum, a diferença de potencial entre a ponta e o chassi é 9 mV. Pode parecer pouco, mas a sonda atenua em 10:1 ou 2:1 dependendo da escala vertical. Neste caso, o software multiplica todas as tensões das portas de entrada com uma sonda conectada usando a atenuação recíproca e a diferença de 9 mV torna-se 90 mV com 10:1 de atenuação.
Esse efeito é aparente na diferença de sinal, pois o sinal é convertido a partir de um diferencial para um sinal com extremidade única no amplificador da ponta da sonda, com a referência local de aterramento da sonda e a mudança de potencial de 9 mV adicionada posteriormente.
Outro efeito colateral deriva do fato de que o conversor digital-analógico (ADC) no caminho de sinal do osciloscópio faz referência ao aterramento comum, enquanto o ADC no medidor de sonda faz referência ao aterramento local do dispositivo em teste, gerando a diferença observada na tensão de modo comum (6 mV ao invés de 137 mV).
| Resistência de fonte máxima USB | ||
|---|---|---|
| Resistência de traço do host | RT | 167 mΩ |
| Resistência do conector de acasalamento | RC | 30 mΩ |
| Resistência do cabo | RW | 190 mΩ |
Figura 5: Diagrama de olhos do sinal diferencial depois da remoção da conexão GND da ponta da sonda
A solução é simples. Depois de verificar a ficha técnica para assegurar que a janela de tensão operacional seja suficientemente grande, remova a conexão de aterramento da ponta da sonda no dispositivo USB. Não há mais corrente fluindo através da blindagem e a queda de IR não vai afetar a medição. O novo diagrama de olhos é satisfatório: não há desvio de CC e a maioria dos parâmetros para a medição do olho foram aprimorados (veja a figura 5). O medidor de sonda e uma medição de média do modo comum (R2) agora também têm valores comparáveis.
Observe que esta solução é específica para esta instalação. Outras instalações podem não funcionar com um aterramento desconectado na ponta da sonda, principalmente os modos de medição P, N e CM. Observe também que esta situação não está relacionada especificamente à tecnologia USB. A mesma unidade flash USB, ao ser conectada a um computador portátil ou qualquer dispositivo autoalimentado com a ponta da sonda, vai alterar significativamente a situação e será necessário fazer uma conexão de aterramento, pois nenhum circuito de aterramento estará disponível a partir do aterramento protegido.
Esta instalação recebe interferências principalmente por corrente CC e as cargas indutivas da linha da fonte de alimentação não foram consideradas, mas podem constituir um problema em outras instalações.
O osciloscópio R&S®RTP e uma sonda modular, como R&S®RT-ZM160, são excelentes para monitorar e analisar sinais digitais de alta velocidade. Além disso, essa combinação pode ser usada para depuração de alimentações de linhas e circuitos de aterramento com os modos de sonda e de medidor de sonda que podem alterar de sinais diferenciais para sinais de modo comum. Não existe uma solução universal, você deve examinar as questões da instalação de aterramento caso a caso e, somente então, implementar as etapas necessárias para encontrar a solução correta para suas necessidades.
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