Оптимизация разностных измерений на высокоскоростных интерфейсах

Измерительная задача

Задача заключается в измерении характеристик таких высокоскоростных интерфейсов, как PCIe, USB 3.1 и 10-гигабитный интерфейс Ethernet, в которых используется дифференциальная передача данных. Для дифференциальных сигнальных каналов используются взаимосвязанные положительная и отрицательная линии вместо одного заземления с помощью сигнальной линии (несимметричная передача данных). Измеряемый дифференциальный сигнал представляет собой разницу между отрицательным и положительным входными сигналами. Из-за высокоимпедансных входов дифференциальные пробники могут измерять сигналы между любыми двумя потенциалами, так как они входят в динамический диапазон пробника. Дифференциальный пробник измеряет и усиливает разность напряжений сигналов двух уровней.

Контрольно-измерительное решение

Для точного анализа высокоскоростных интерфейсов необходимо правильно выбрать дифференциальный пробник. На рисунке 1 показана упрощенная схема измерения с дифференциальным пробником с положительным (V_P) и отрицательным (V_N) входными напряжениями для измерения сигнала USB 3.1 Gen1. В данном примере USB-накопитель подключается к ноутбуку, который не подключен к сети питания. Здесь отображаются дифференциальное напряжение (V_DM= V_P– V_N) и синфазное напряжение (V_CM= ½ (V_P+ V_N)).

У пробника также есть заземление. Это соединение имеет паразитную и обычно неизвестную индуктивность L_параз., которая зависит от свойств и качества заземления, например, от расстояния до земли. Высокая индуктивность заземления приводит к ухудшению качества измеряемого высокоскоростного сигнала из-за зависимости частоты от подавления синфазного сигнала. Заземление необходимо для улучшения степени подавления синфазного сигнала (CMRR) пробника.

Применение

Влияние заземления на результаты дифференциальных измерений можно анализировать на базе схемы, показанной на рисунке1:

• USB-накопитель подключается к ноутбуку
• Передаваемый сигнал обнаруживается модульным пробником R&S^®RT-ZM60, который подключен к R&S^®RTO2064

В первой схеме используется заземление в модуле наконечника. Во второй схеме заземление не выполняется для сравнения с целью оценки влияния этого дополнительного заземления.

Вначале в обеих схемах измеряется синфазное напряжение (с заземлением и без него), а затем измеряется дифференциальное напряжение. Модульный пробник R&S^®RT-ZM является идеальным выбором, так как он позволяет переключаться между измерениями дифференциального напряжения (DM) и синфазного напряжения (CM) без повторного подключения или перепайки пробника.

На рисунке 2 показан результат измерения напряжения CM. Синий сигнал отображает результаты измерения с заземлением (схема 1). Желтый сигнал отображает результаты измерения без заземления (схема 2). Размах (PTP) и среднеквадратическое (RMS) значение напряжения CM отображаются в разделе результатов измерения Meas Results (Результаты измерения) (справа), что позволяет сравнивать напряжение CM в обеих схемах измерения.

Результаты измерения размаха и среднеквадратического значения напряжения CM с заземлением (PTP = 95 мВ, среднеквадратическое значение = 9 мВ) существенно ниже результатов измерения без заземления (размах = 123 мВ, среднеквадратическое значение = 12,3 мВ. Это означает, что для точных измерений синфазного напряжения необходимо заземление.

Фиолетовый сигнал на рисунке 3 является примером непредсказуемого и неизвестного воздействия, когда пробник не заземлен. Здесь отображается результат измерения без заземления (желтый сигнал на рисунке 2), когда ноутбук подключен к сети питания через источник питания. Фиолетовый сигнал показывает, что теперь также измеряется частота переключения (ок. 55 кГц) источника питания, которая оказывает влияние на результат измерения. Результат измерения размаха синфазного напряжения утраивается до 298 мВ(значение PTP в поле Meas Result (Результаты измерения)).

Если пробник заземлен, подключение ноутбука к сети не влияет на результаты измерения. Результаты показывают, что заземление пробника также влияет на результаты измерений дифференциального напряжения. Для сравнения одних и тех же шаблонных данных в обоих измерениях используется запуск по протоколу для последовательной шины.

Синий сигнал на рисунке 4 отображает результаты измерения с заземленным пробником. Желтый сигнал отображает результат измерения без заземления. Джиттер TIE для синего сигнала отображается на зеленой гистограмме внизу.

Джиттер среднеквадратического значения схемы с заземлением соответствует стандартному отклонению гистограммы σ = 10,8 пс(красная стрелка). Выполнение того же измерения на желтом сигнале приводит к джиттеру среднеквадратического значения σ = 14,5 пс, что выше на 34%. Это коррелируется с выбросами желтого сигнала, которые отображаются в окне масштабирования. Это ведет к повышению точности воспроизведения сигнала при использовании пробника с заземлением.

Рисунок 1 — Пример дифференциального пробника, измеряющего передаваемый сигнал Gen1 интерфейса USB 3.1

Рисунок 2 — Сравнение результатов синфазных измерений, размаха и среднеквадратического напряжения в обеих схемах измерения.

Рисунок 3 — Измерение напряжения CM без заземления, когда ноутбук подключен к сети питания.

Рисунок 4 — Сравнение результатов дифференциальных измерений.

Заключение

Модульный пробник R&S^®RT-ZM содержит специальные функции для выполнения дифференциальных, синфазных и несимметричных измерений. Использование заземления имеет существенное значение для дифференциальных измерений, так как это обеспечивает стабильность работы схемы, а также устойчивые и воспроизводимые сигналы в диапазоне измерений дифференциального пробника, в частности, для высоких частот.

Заземление также снижает паразитную индуктивность, которая должна быть минимально возможной для поддержания целостности сигналов. Дифференциальные пробники с подключенным заземлением могут обеспечивать высокую помехоустойчивость.