Las interfaces en serie de alta velocidad a menudo transmiten datos con señalización diferencial y pueden utilizar sondas diferenciales para acceder a trazas de señales. Además de entradas diferenciales, estas sondas tienen una conexión a tierra.
Una cuestión importante al conectar las sondas multimodo modulares R&S®RT‑ZMxx es si debe conectarse o no la conexión a tierra de la sonda (GND) al dispositivo.
El osciloscopio de alto rendimiento R&S®RTP es una solución «todo en uno» ideal para pruebas 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), así como de accesorios, pueden ayudarlo a acceder de manera fácil a las señales de datos y dominar los desafíos de conexión mecánica y eléctrica para incrementar la confianza de medición.
Figura 1: punta de sonda de soldadura R&S®RT-ZMA10
Al probar interfaces digitales de alta velocidad, es crucial la conexión del circuito para las mediciones. En primer lugar, debe decidirse si se analiza una señal de datos de host a dispositivo (o viceversa) o se realiza una prueba de conformidad. Al analizar una señal de datos de host a dispositivo, puede utilizarse una sonda R&S®RT-ZM160 para muestrear la señal viva. Las pruebas de conformidad requieren de un adaptador de fijación de conformidad estándar que pueda acceder a la señal mediante equipamiento estándar de 50 Ω (cable, conector, globo, etc.).
Esta ficha de aplicación analiza la señal de datos para una memoria convencional USB 3.2 de 1.ª generación. Después de verificar todos los parámetros, como ancho de banda, ventana del voltaje de funcionamiento y carga, tome el R&S®RT-ZM160 y una punta de sonda R&S®RT-ZMA10 y suelde la punta de sonda (véase figura 1) con P, N, GND a la interfaz USB en la memoria USB (puerto transmisor) y conecte la memoria USB a una computadora de escritorio.
Figura 2: diagrama de ojo de la señal diferencial después de conectar P, N, GND
En primer lugar, verifique la integridad de la señal diferencial (modo DM) con una prueba de diagrama de ojo (véase figura 2). El diagrama de ojo aquí revela algunas imperfecciones. El ojo presenta un elevado jitter a pesar de que el dispositivo esté conectado directamente al transmisor, el factor de calidad es bajo, mientras que la señal diferencial tiene un offset y no es simétrica alrededor de 0 V.
Comience por investigar el problema de CC y entérese de por qué aparece un valor bias en la señal diferencial. Configure un disparo de ancho (1 ns) para capturar cinco bits de la misma polaridad para el carácter SKP (K28.1) que sucede con frecuencia. Ahora, se adquirirán las trazas para el diferencial, modo común, p y n (véase figura 3). Se activaron, para probar los parámetros de CC, el medidor de sonda y una medición promedio para la señal en modo común.
Figura 3: separación de la señal en diferencial (R1), modo común (R2), P (R3), y N (R4)
Pueden verse que las trazas p y n son casi simétricas a la traza de modo común. Esto plantea dos cuestiones. Primera, si p y n son simétricas alrededor de un valor de la CC (señal CM de color verde), la traza diferencial debería ser simétrica alrededor de 0 V, debido a que se cancela el valor de la CC. Segunda, el valor del modo común (6 mV) del medidor de sonda y el valor (137 mV) de la medición promedio para la señal en modo común no coinciden. Con esto en cuenta, debe revisar todo el circuito por encima de las trazas habituales de alta velocidad. Incluir las conexiones de la fuente de poder (véase figura 4) junto con un multímetro digital puede ser de mucha ayuda para verificar la resistencia entre el blindaje de la USB de fácil acceso y la conexión a tierra del osciloscopio de menos de 10 mΩ con una sonda desconectada.
La computadora 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). Se muestra el voltaje de alimentación relevante, es decir, el voltaje del bus USB (VDD 5 V), junto con las conexiones del receptor y transmisor de alta velocidad del USB. Se ingresan los valores de resistencia de la traza suministrada (RE, blindajeR, RT, RC) junto con los voltajes de alimentación.
RErepresenta la carga resistiva de la conexión a tierra de protección (< 10 mΩ). Rblindajees la resistencia del blindaje del cable de la sonda (alrededor de 30 mΩ). RTes la resistencia de la traza del host (máx.167 mΩ) y RCes la resistencia del conector conectado (máx. 30 mΩ). Se estipulan tanto RTcomo RCen la especificación USB 3.2, capítulo 11.4.2 (véase la tabla de abajo). RT, RCjunto con REy Rblindajeforman en la memoria USB un divisor de corriente para la corriente que se dirige a la puesta a tierra cuando se conecta la conexión a tierra marcada de color azul en la punta de sonda. A continuación, se calcula la influencia de la red y se asume la implementación para obtener un tercio del valor máximo para las especificaciones RTy RC. Esto significa que los valores se aproximan a los de las resistencias REoRblindaje.
La corriente continua importante se marca como IVDDy fluye a través del blindaje coaxial de la sonda. Asumiendo que se extrae una corriente de alimentación de 500 mA de los datos del controlador de dispositivos USB, se calcula la corriente que fluye a través de la sonda y del osciloscopio en 300 mA, lo que resulta en una caída de IR de 9 mV a lo largo del blindaje del cable de la sonda.
Debido a que el amplificador en la punta de la sonda se referencia a la puesta a tierra local y la entrada del osciloscopio a una puesta a tierra común, la diferencia de potencia entre la punta y el chasis es de 9 mV. Esto puede parecer poco, pero la sonda se atenúa a 10:1 o 2:1 en función de la escala vertical. Aquí, el software multiplica todos los voltajes de los puertos de entrada con una sonda conectada que utiliza la atenuación recíproca y además la diferencia de 9 mV se convierte en 90 mV con una atenuación de 10:1.
Este efecto se evidencia en la señal diferencial, debido a que la señal se convierte de una señal diferencial a una señal de un solo extremo en el amplificador de punta de sonda, con la referencia local a tierra de la sonda y el desplazamiento potencial de 9 mV añadido posteriormente.
Otro efecto colateral se debe a que el convertidor analógico-digital (CAD) en el trayecto de señal del osciloscopio está referenciado a la puesta a tierra común, mientras que el CAD en el medidor de la sonda está referenciado a la puesta de tierra del dispositivo local, lo que crea la diferencia observada en el voltaje de modo común (6 mV versus 137 mV).
| Resistencia de alimentación máxima del USB | ||
|---|---|---|
| Resistencia de la traza del host | RT | 167 mΩ |
| Resistencia del conector conectado | RC | 30 mΩ |
| Resistencia del cable | RW | 190 mΩ |
Figura 5: diagrama de ojo de la señal diferencial después de retirar la conexión GND de la punta de sonda
La solución es sencilla. Después de verificar la ficha técnica para asegurarse de que la ventana del voltaje de funcionamiento es lo suficientemente amplia, retire la conexión a tierra de la punta de sonda en el dispositivo USB. Ya no fluye corriente por el blindaje y la caída de IR no afectará la medición. El nuevo diagrama de ojo es satisfactorio: no existe offset de CC y la mayoría de parámetros para la medición del ojo han mejorado (véase figura 5). Esto significa que los resultados de medición de la sonda y del modo común (R2) ahora también tienen valores comparables.
Tenga en cuenta que esta solución es específica para esta configuración. Otras configuraciones pueden no funcionar con una puesta a tierra desconectada en la punta de sonda, en particular las mediciones en modo CM, N y P. También debe tenerse en cuenta de que esta situación no está relacionada específicamente a la tecnología USB. Tomar la misma memoria USB y conectarla a una laptop o a cualquier dispositivo autoalimentable con la punta de sonda alterará de manera considerable la situación y se necesitará de una conexión a tierra, ya que no se dispondrá de ningún bucle de tierra de la tierra protegida.
Esta configuración se vio perturbada principalmente por la corriente continua y no se tomó en consideración la carga inductiva de la línea de alimentación, pero podría ser un problema en otras configuraciones.
El osciloscopio R&S®RTP y una sonda modular, como la R&S®RT-ZM160, son excelentes para muestrear y analizar señales digitales de alta velocidad. Más aún, la combinación puede utilizarse para depurar alimentación de líneas y bucles de tierra con el medidor de sonda y los modos de sonda que pueden cambiar de señales diferenciales a señales de modo común. No existe una solución universal, se necesita examinar los problemas de la configuración de la puesta a tierra individualmente y posteriormente tomar las medidas necesarias para encontrar la mejor solución a sus necesidades.
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