Las interfaces serie de alta velocidad transmiten a menudo datos con señalización diferencial, y para acceder a las trazas de señal se pueden utilizar sondas diferenciales. Además de las entradas diferenciales, estas sondas disponen también de una conexión a tierra.
Una cuestión importante cuando se conectan sondas multimodo R&S®RT‑ZMxx modulares es si se debe conectar o no la conexión a tierra de la sonda (GND) al objeto examinado.
El osciloscopio de alto rendimiento R&S®RTP es una solución ideal «todo en uno» para medidas de interfaces digitales de alta velocidad. Las sondas modulares R&S®RT-ZMxx, junto con una amplia gama de puntas de sonda (R&S®RT-ZMAxx) y accesorios, pueden ayudarle a acceder con facilidad a señales de datos y a superar las dificultades de conexión mecánica y eléctrica para obtener medidas más fiables.
Figura 1: Punta de sonda de soldadura R&S®RT-ZMA10
A la hora de probar interfaces digitales de alta velocidad, la conexión del circuito tiene una importancia crucial en las medidas. En primer lugar hay que decidir si se va a analizar una señal de datos de un equipo anfitrión o host a un dispositivo (o viceversa) o si se trata de un ensayo de conformidad. Si se analiza una señal de datos de host a dispositivo, se puede utilizar una sonda R&S®RT-ZM160 para captar la señal en directo. Para el ensayo de conformidad se requiere un adaptador de fijación conforme a los estándares capaz de acceder a la señal con equipamiento estándar de 50 Ω (cable, conector, globo, …).
Esta ficha de aplicación trata el análisis de señales de datos en una unidad de memoria convencional con USB 3.2 de generación 1. Tras verificar todos los parámetros, como ancho de banda, ventana y carga de tensión de operación, se toma la sonda R&S®RT-ZM160 y una punta R&S®RT-ZMA10, y se suelda la punta de prueba (véase la figura 1) con P, N, GND a la interfaz USB de la unidad de memoria (puerto TX) y se conecta la unidad a un ordenador de sobremesa.
Figura 2: Diagrama de ojo de la señal diferencial tras conectar P, N, GND
En primer lugar se verifica la integridad de la señal diferencial (modo DM) con un test de diagrama de ojo (véase la figura 2). El diagrama de ojo en este caso presenta unas pocas anomalías. El ojo tiene un alto jitter incluso a pesar de que el dispositivo está conectado en el transmisor, el factor de calidad (Q) es bajo, mientras que la señal diferencial tiene un offset y no es simétrica alrededor de 0 V.
Hay que empezar analizando el problema de CC y averiguar el motivo de la polarización en la señal diferencial. Se ajusta un disparo ancho (1 ns) para capturar cinco bits con la misma polaridad para el carácter SKP (K28.1) que aparece con frecuencia. A continuación se adquieren las trazas diferencial, de modo común, p y n (véase la figura 3). El medidor de sonda y una medida de promedio de la señal en modo común se han activado para probar los parámetros de CC.
Figura 3: Separación de la señal en las partes diferencial (R1), modo común (R2), P (R3) y N (R4)
Posiblemente se observe que las trazas p y n son ligeramente simétricas a la traza de modo común. Esto da lugar a dos preguntas. Primero, si p y n son simétricas alrededor de un valor de CC (señal de modo común en verde), la traza diferencial debería ser simétrica alrededor de 0 V, puesto que el valor de CC está anulado. Segundo, el valor de modo común (6 mV) del medidor de sonda y el valor (137 mV) de la medida de promedio de la señal de modo común no coinciden. Teniendo esto en cuenta, deberá revisarse todo el circuito más allá de las trazas de alta velocidad habituales. Incluir las conexiones de alimentación (véase la figura 4) puede servir de ayuda, utilizando al mismo tiempo un multímetro digital para verificar la resistencia entre el apantallamiento USB fácilmente accesible y la conexión a tierra del osciloscopio de menos de 10 mΩ con una sonda desconectada.
El ordenador de escritorio, la memoria USB y el osciloscopio con la sonda R&S®RT-ZM se ilustran en el diagrama de circuito equivalente (véase la figura 4). La tensión de alimentación relevante, es decir, la tensión del bus USB (VDD 5 V), se muestra junto con las conexiones USB de recepción y transmisión de alta velocidad. Los valores de resistencia de la traza de alimentación (RE, Rshield, RT, RC) se introducen junto con las tensiones de alimentación.
REse refiere a la carga resistiva de la tierra de protección (< 10 mΩ). Rshieldes la resistencia de apantallamiento del cable de sonda (alrededor de 30 mΩ). RTes la resistencia de la traza del host (máx. 167 mΩ), y RCes la resistencia del conector acoplado (máx. 30 mΩ). RTy RCestán estipulados en la especificación USB 3.2, apartado 11.4.2 (véase la tabla más abajo). RT, RCjunto con REy Rshieldforman un atenuador de corriente para la corriente de puesta a tierra en la memoria USB cuando está conectada la conexión a tierra marcada en azul de la punta de sonda. A continuación se calcula la influencia de la red y se parte de que la implementación tiene un tercio del valor máximo de las especificaciones de RTy RC. Esto significa que los valores son aproximadamente los de las resistencias de REo Rshield.
La corriente de CC relevante se marca como IVDDy fluye a través del apantallamiento coaxial de la sonda. Suponiendo que se extrae una corriente de alimentación de 500 mA de los datos del controlador USB, se calcula que la corriente a través de la sonda y el osciloscopio es de 300 mA, resultando una caída de tensión óhmica de 9 mV en el apantallamiento del cable de sonda.
Puesto que el amplificador de la punta de sonda está referenciado respecto a la conexión a tierra local y la entrada del osciloscopio a la conexión a tierra común, la diferencia de potencial entre la punta y el chasis es de 9 mV. Esto puede parecer poco, pero la sonda atenúa a 10:1 o 2:1, dependiendo de la escala vertical. En este caso, el software multiplica todas las tensiones de los puertos de entrada con una sonda conectada utilizando la atenuación recíproca y la diferencia de 9 mV se convierte en 90 mV con una atenuación de 10:1.
Este efecto es evidente en la señal diferencial, ya que la señal se convierte de una señal diferencial a una señal con terminación única en el amplificador de la punta de sonda, y la referencia de la conexión a tierra local de la sonda así como la desviación de potencial de 9 mV se agregan después.
Otro efecto secundario proviene del convertidor analógico/digital (ADC) en el trayecto de señal del osciloscopio, que está referenciado respecto a la conexión a tierra común, mientras que el ADC del medidor de sonda está referenciado respecto a la conexión a tierra local del objeto examinado, de lo que se deriva la diferencia observada en la tensión de modo común (6 mV frente a 137 mV).
| Resistencia de alimentación máxima de USB | ||
|---|---|---|
| Resistencia de traza del equipo anfitrión (host) | RT | 167 mΩ |
| Resistencia de conector acoplado | RC | 30 mΩ |
| Resistencia de cable | RW | 190 mΩ |
Figura 5: Diagrama de ojo de la señal diferencial tras retirar la conexión GND de la punta de sonda
La solución es sencilla. Tras revisar la hoja de datos para comprobar que la ventana de tensión de operación es lo suficiente grande, deberá retirarse la conexión a tierra de la punta de sonda en el dispositivo USB. Por el apantallamiento deja de fluir corriente y la caída de tensión no afectará a la medida. El nuevo diagrama de ojo es satisfactorio: no presenta offset de CC y la mayoría de los parámetros para la medida de ojo han mejorado (véase la figura 5). El medidor de sonda y una medida de promedio en modo común (R2) presentan ahora también valores comparables.
Tenga en cuenta que esta solución se limita a esta instalación concreta. Puede que otras instalaciones de medida no funcionen con la conexión de tierra desconectada en la punta de sonda, especialmente en los modos de medida CM, N, y P. Debe tener también en cuenta que esta situación no se refiere de forma específica a la tecnología USB. Si se toma la misma memoria USB y se enchufa a un laptop o cualquier otro dispositivo con alimentación propia con la punta de sonda, la situación variará de forma notable y se necesitará una conexión a tierra, ya que la puesta a tierra de protección no dispondrá de bucle de tierra.
La instalación descrita presentaba en general anomalías de corriente CC y la carga inductiva de la linea de alimentación no se tuvo en cuenta, pero podría ser problemática en otras configuraciones.
El osciloscopio R&S®RTP y una sonda modular como la R&S®RT-ZM160 son excelentes para captar y analizar señales digitales de alta velocidad. La combinación se puede utilizar además para solucionar fallos de alimentación de línea y bucles de tierra con el medidor de sonda y modos de sonda que pueden cambiar de señales diferenciales a señales en modo común. No existe una solución universal, por lo que deben examinarse los problemas de la instalación de puesta a tierra en cada caso concreto para adoptar las respectivas medidas necesarias que permitan dar con la solución más apropiada a sus necesidades.
Related products
