Simularea și măsurarea sunt esențiale pentru procesul de proiectare a electronicii. In ce fel sunt ei diferiti? Afla acum.

Descărcați acest articol în format .PDF
Acest tip de fișier include grafică și schemă de înaltă rezoluție.

Simularea și măsurarea sunt esențiale pentru procesul de proiectare a electronicii. In ce fel sunt ei diferiti? Dacă ne referim la forme de undă, sperăm că există foarte puține diferențe. Întotdeauna doriți ca formele de undă simulate să arate exact ca măsurătorile de laborator. Dar înțelegerea diferențelor dintre capacitățile și limitările atât de măsurare, cât și de simulare sunt esențiale pentru ca acest lucru să se întâmple. Simularea și măsurarea permit o perspectivă unică asupra performanței designului dvs. electronic și se completează reciproc în mai multe moduri.

Cuprins

Care este răspunsul real?

Este tentant să pretindem că măsurarea oferă răspunsul real la performanța sistemului, deoarece se bazează pe hardware fizic real. Dar este important să ne amintim că măsurăm circuite electronice și că, pentru a face acest lucru, trebuie să schimbăm circuitul. De fapt, echipamentul de măsurare în sine este alcătuit dintr-o serie de circuite electronice, precum și software.

Măsurarea electricității este mult diferită decât măsurarea unei bucăți de lemn. Când scoateți banda de măsurare, știți că lemnul are o lungime de 2 picioare și 3/16 de inch. Dar nu putem vedea electricitatea, deci avem nevoie de o mașină ca un osciloscop care să o interpreteze și să o afișeze într-un mod pe care îl putem înțelege ca un grafic tensiune-timp. Deci, trebuie să avem încredere că măsurarea interpretează corect energia electrică, ceea ce implică o mai bună înțelegere a modului în care funcționează decât să crezi că tipul de la compania cu bandă măsurătoare pune toate semnele în locul potrivit.

Articole similare

Pe măsură ce viteza electronică a crescut de-a lungul anilor, la fel au crescut și viteza și capacitățile instrumentelor de măsurare. Au realizat sonde osciloscopice cu lățime de bandă mai mare pentru a putea măsura semnale mai rapide și cu impedanță mai mare pentru a minimiza impactul asupra funcționării circuitului. Dar viteza a crescut atât de mult, încât măsurătorile la bord pentru multe autobuze, în special autobuze diferențiale de mare viteză, cum ar fi PCI Express, au devenit impracticabile. Pentru aceste semnale, măsurătorile trebuie luate folosind plăci de testare speciale, cum ar fi plăcile de testare a conformității asociate cu PCI Express. Aceasta duce măsurarea și mai departe de realitate, dar totuși nu fără o mare valoare.

Pe de altă parte, în simulare, puteți căuta oriunde în circuit. Acest lucru vă permite să vedeți în interiorul IC-urilor, procesarea semnalului trecut pe cip, cum ar fi egalizarea, care este esențială pentru evaluarea performanței legăturilor diferențiale de mare viteză în gama multi-gigabit. Cu toate acestea, pentru a face acest lucru, toate piesele autobuzului trebuie modelate cu precizie.

Tipuri de simulare și măsurare

Există multe tipuri de simulare pentru electronică: digitală, analogică, integritatea semnalului, integritatea puterii și chiar simulare termică (vezi tabelul). Unul dintre cele mai comune tipuri de simulare utilizate în electronica modernă este integritatea semnalului, care se concentrează pe caracteristicile analogice ale autobuzelor digitale. Scopul principal al simularii integrității semnalului este de a verifica dacă cele digitale arată ca unele și zerourile arată ca zerouri, ceea ce se realizează prin analiza formelor de undă tensiune-timp ale semnalelor. Aceste forme de undă sunt de obicei privite ca o serie de mai mulți biți, sau uneori șiruri de biți foarte lungi suprapuse unul pe altul, care se numește diagramă oculară.

Formele de undă ale semnalului pot fi măsurate și pe un osciloscop. Osciloscopul este conectat la receptorul semnalului pe o placă cu circuite imprimate (PCB) printr-o sondă sau cabluri SMA, ceea ce îi permite să capteze forma de undă a semnalului. Osciloscopul poate fi plasat într-un mod care construiește o diagramă oculară prin măsurarea unui flux de date pentru o serie foarte lungă de biți și fiecare punct de eșantionare a măsurării este așezat unul peste celălalt până când se creează o imagine care arată „densitatea” relativă. dintre punctele capturate. Punctele cu densitate mai mare apar ca culori diferite în diagrama oculară (Fig. 1).

simulare
1. Măsurătorile formei de undă pot fi efectuate într-un osciloscop „virtual” în HyperLynx, precum și într-un osciloscop real. Comenzile soft de pe osciloscopul virtual oferă controalele familiare care există pe osciloscopul real, facilitând trecerea de la hardware la dispozitivul software.

Diagramele oculare sunt unul dintre multele tipuri de forme de undă ale semnalului utilizate în analiza integrității semnalului. Sunt relativ ușor de evaluat. Un ochi deschis înseamnă o stare de trecere, iar un ochi închis înseamnă eșec. Sunt analizate și alte tipuri de forme de undă. De exemplu, pentru o magistrală paralelă, un ceas și un semnal de date trebuie adesea comparate între ele pentru a se asigura că specificațiile de sincronizare sunt îndeplinite. Un alt tip de simulare este o simulare a diafragmei, unde sunt analizate rețelele cuplate pentru a vedea ce zgomot este cuplat de la un semnal la următorul.

Pentru a genera aceste forme de undă, instrumentul de simulare trebuie să aibă cunoștințe despre comportamentul bufferelor I/O pe un cip, calendarul intern al cipului, paraziții pachetului, comportamentul urmelor de pe placă și orice alte piese a interconectării, cum ar fi via, pini și conectori. Toate aceste componente ale unei simulări au modele asociate. Modelele de tampon I/O includ IBIS, Spice și VHDL-AMS.

Modelele de pachete și parametri S sunt de obicei în format Spice sau S-parametru. Modelele pentru interconectare sunt în general create nativ în instrumentul de simulare și necesită un anumit tip de rezolvator de câmp bidimensional sau tridimensional. Toate aceste modele sunt transmise într-un simulator de circuit care generează formele de undă care urmează să fie analizate. Și, desigur, toate aceste modele trebuie să fie corecte dacă se așteaptă ca rezultatele simulării să se potrivească cu formele de undă măsurate.

Cu toate acestea, formele de undă nu sunt singurul tip de rezultat generat din simulări și măsurători. Odată cu proliferarea interconectărilor seriale din ce în ce mai rapide în domeniul multi-gigahertz, apariția analizei jitter și bit rate rate (BER) a însoțit nevoia de diagrame oculare. Jitterul este practic varianța timpului marginilor într-un flux de date și are ca rezultat închiderea diagramei oculare.

Există multe surse de jitter într-un link și fiecare tip de jitter are o semnătură unică. Jitterul poate fi, de exemplu, sinusoidal, uniform sau gaussian. Multe surse de jitter fac parte inerent dintr-o simulare regulată, cum ar fi interferența inter-simbol (ISI), care este creată atunci când rulează secvențe lungi de biți aleatori, în timp ce altele pot fi adăugate independent la simulare. În mod similar, diferite surse de jitter pot fi extrapolate dintr-un ochi măsurat și măsurate pe un osciloscop (Fig. 2).

2. Diferite tipuri de analize de semnal pot fi extrase dintr-un simulator (a) și un osciloscop (b). În (a), există trei moduri de a reprezenta diagrame oculare: osciloscop (stânga jos), grafic grafic (stânga sus) și 3D (dreapta sus). În partea dreaptă jos reprezintă distribuția jitterului în domeniul frecvenței. În (b), diagramele oculare sunt reprezentate în partea de sus și distribuția de frecvență gaussiană în partea de jos. Unul dintre avantajele simulării este varietatea mai largă de reprezentări ale datelor, permițând o interpretare mai semnificativă.

Unele surse de jitter, cum ar fi zgomotul termic pe circuite integrate, nu pot fi simulate. Dar, deoarece distribuția lor este cunoscută ca fiind gaussiană, ele pot fi adăugate artificial la o simulare. Acest lucru permite simularea să imite fluctuația aleatorie care există pe toate formele de undă și poate fi văzută în măsurare. De fapt, zgomotul termic este principala sursă de jitter aleatoriu în circuitele electronice. Și, deoarece distribuția sa este gaussiană, este nelimitată, ceea ce înseamnă că în cele din urmă toate diagramele oculare se vor închide. Acesta este motivul pentru care măștile pentru ochi sunt definite cu diferite BER-uri.

Jitterul poate fi, de asemenea, examinat în termeni de BER și „curbe de cadă”, cum ar fi cele din Figura 2, și poate fi creat din formele de undă de semnal pentru a descrie acea relație. În mod similar, în simulare, contururile ochilor la diferite niveluri BER pot fi create pentru a prezice performanța. Identificarea performanței la niveluri foarte scăzute de BER este ceva care ar fi foarte dificil de măsurat, deoarece ar necesita captarea eșantioanelor unui flux de date pe un osciloscop timp de luni și, eventual, ani.

Obținerea corelației

Fizica și matematica electromagneticii au fost bine înțelese de zeci de ani. Cu toate acestea, cheia pentru realizarea unui instrument de simulare eficient este să puteți genera niveluri practice de performanță de calcul fără a sacrifica precizia. Și aceasta este doar o parte a problemei. Celălalt este să vă asigurați că modelați cu precizie structurile fizice.

Pe un PCB, de exemplu, unul dintre cele mai importante lucruri de modelat corect este stivuirea plăcii. Aceasta înseamnă înțelegerea înălțimilor dielectrice exacte utilizate de producătorul plăcii și a proprietăților materialului dielectric, în special a constantei dielectrice și a tangentei de pierdere. În plus, cuprul utilizat pe tablă trebuie să fie modelat corespunzător, inclusiv greutatea precisă a cuprului, modificările lățimilor de urmărire de la procesul de gravare și textura reală sau rugozitatea suprafeței, din cupru.

Modelarea necorespunzătoare a stivei de placă este una dintre principalele surse de discrepanță care poate exista între o simulare și o măsurare. Studiile de corelație sunt exerciții incredibil de utile pentru determinarea surselor de eroare în procesul de simulare și măsurare. Figura 3 prezintă rezultatele unui exemplu de studiu.

3. Un studiu de corelație a comparat rezultatele simulărilor HyperLynx folosind interconectarea modelată de simulator (stânga) și interconectarea măsurată (dreapta). Aici, datele măsurate au fost substituite în HyperLynx și sunt afișate cot la cot cu datele de simulare. Corelația este extrem de bună.

Deoarece mai multe modele sunt utilizate într-o simulare, erorile în oricare dintre ele pot duce la rezultate eronate. Numărul surselor de eroare crește, în general, odată cu creșterea frecvenței și a dorinței unei corelații mai exacte. Modelele pot fi grupate în două domenii principale: cip și placă.

Modelele cu cip includ modele și pachete tampon I/O. Chipsurile sunt în general mai greu de caracterizat și necesită echipamente specializate. Puteți măsura comportamentul de transmisie al unui cip executându-l într-un dispozitiv de text și măsurând forma de undă rezultată cu un osciloscop. Acest lucru are o utilitate limitată, totuși, deoarece funcționarea cipului va fi de obicei afectată semnificativ de sistemul în care este plasat.

Pe de altă parte, placa poate fi caracterizată destul de bine, deoarece este un dispozitiv pasiv. Există dispozitive de măsurare special concepute pentru măsurarea plăcilor. Un analizor de rețea vectorială (VNA), de exemplu, adaugă un stimul la placa de interconectare și măsoară cantitatea de energie transmisă prin interconectare și reflectată de interconectare. Stimulul utilizat este o undă sinusoidală la o gamă de frecvențe diferite, care ajută la furnizarea unui model bazat pe frecvență al interconectării numit parametru de împrăștiere sau parametru S.

Un alt dispozitiv de măsurare, un reflectometru cu domeniu de timp (TDR), poate caracteriza o interconectare uitându-se în mod similar la energia reflectată și/sau transmisă, dar folosind în schimb o margine (tranziție de la mică la înaltă) ca stimul. Aceste dispozitive de măsurare pot caracteriza cu precizie o interconectare și sunt extrem de valoroase pentru a ajuta la identificarea surselor de eroare între simulare și măsurare.

Concluzie

Pe măsură ce tehnologia de simulare și măsurare continuă să avanseze, obținem o mai bună înțelegere a capacităților și limitelor dispozitivelor electronice pe care le proiectăm. Capacitățile fiecăruia se completează reciproc și ne permit să ne îmbunătățim continuu procesele de proiectare pentru a fi mai eficienți și pentru a proiecta hardware performant și fiabil, care continuă să depășească limitele de performanță generație după generație.

Referințe

Patrick Carrier are mai mult de un deceniu de experiență în integritatea semnalului și a puterii. A lucrat ca inginer de integritate a semnalului la Dell timp de cinci ani, înainte de a se alătura Mentorului în septembrie 2005, unde este manager de marketing al produselor pentru instrumentele de analiză PCB de mare viteză.

Chuck Ferry este manager de marketing pentru produse pentru instrumente de mare viteză la Mentor Graphics, axat pe definirea produsului pentru integritatea semnalului și soluțiile de integritate a puterii. El a petrecut ultimii 14 ani abordând o gamă largă de provocări de design digital de mare viteză, de la proiectarea plăcii de bază la nivel de sistem până la analiza canalelor multi-gigabit. A absolvit Universitatea Alabama din Huntsville cu o ESB în inginerie electrică și a continuat cursurile de absolvire în limbaje de procesare a semnalului și descriere hardware.