Ли Морган (Lee Morgan), менеджер по маркетингу Tektronix
Во многих современных электронных схемах используется несколько линий питания – до четырех или даже более. Для одной ИС ,такой как ПЛИС, сигнальный процессор или микроконтроллер, может потребоваться несколько линий питания, предъявляющих особые требования к последовательности их включения или отключения. Например, производитель микроконтроллера может запретить подавать питание на порты ввода-вывода, пока не установится напряжение питания ядра. Или он может потребовать, чтобы источники питания включались с определенным сдвигом по времени относительно друг друга, чтобы избежать продолжительной разницы напряжения на разных выводах питания. Также может оказаться очень важной последовательность подачи питания на процессор и внешнюю память.
Производитель микросхем может предъявить требования к стабильности определенных источников питания во избежание ложного сброса при просадке напряжения. Это непростая задача, так как для компенсации больших пусковых токов нужны очень хорошие стабилизаторы. В этом случае нужно учитывать форму пускового тока и последовательность включения источников питания. Объединив в одном проекте источники питания ИС, мощные источники питания, источники опорного напряжения и вторичные стабилизаторы можно легко получить до семи или восьми линий питания.
Использование 4-канального осциллографа для проверки временных соотношений при подаче питания во встраиваемой системе может потребовать много времени, но именно так вынуждено поступать большинство инженеров. В этой статье мы сначала покажем, почему использование 4-канального осциллографа для этой цели может оказаться проблематичным, а затем рассмотрим несколько примеров использования 8-канальных осциллографов, которые становятся всё более распространенными в отрасли.
Традиционный 4-канальный осциллограф
Один из подходов при использовании 4-канального осциллографа заключается в разбиении анализа системы питания на блоки – в этом случае выполняется несколько захватов для поблочной оценки временных соотношений. Для сравнения блоков между собой можно настроить запуск по одной из линий питания или по сигналу готовности питания и выполнить несколько захватов, определяя время включения и выключения по отношению к этому опорному сигналу. Поскольку захваты выполняются в течение нескольких циклов включения/отключения питания, разброс относительного времени включения источников довольно трудно охарактеризовать. Тем не менее, диапазон вариаций задержки включения каждого источника от цикла к циклу можно определить, выполняя измерения в нескольких циклах с бесконечным послесвечением экрана осциллографа.
Другой распространённый подход заключается в каскадном включении нескольких осциллографов. Обычно это делается путём запуска развёртки осциллографов от одного из источников питания или от общего сигнала готовности питания.
Оба этих подхода отнимают много времени и требуют особого внимания к запуску:
- Нужно уделить особое внимание запуску и временным погрешностям
- Возможна агрегация данных для построения временной диаграммы всей системы, но это требует много времени
- С ростом числа контролируемых линий питания растёт и сложность измерения
- Схемы измерения должны быть идеально согласованными
- Один измерительный канал нужно использовать для запуска
Осциллограф смешанных сигналов (MSO) может предоставить дополнительные каналы для исследования последовательности включения питания. Чтобы это работало, цифровые входы осциллографа смешанных сигналов должны поддерживать соответствующий диапазон напряжения и независимо настраиваемые пороги. Например, стандартная опция MSO предлагает 16 цифровых входов с независимо настраиваемыми порогами для каждого канала, что подходит для большинства источников питания, используемых в современных проектах. Обратите внимание, что этот подход работает хорошо, если нужно просто измерить временные соотношения, но он не позволяет измерять время нарастания/спада и форму (монотонность) питающих напряжений в процессе включения/выключения.
Применение осциллографа с восемью аналоговыми каналами значительно сокращает время и сложность измерения по сравнению с любым из рассмотренных ранее методов. 8-канальный осциллограф позволяет измерять напряжения до восьми линий питания, используя для этого аналоговые пробники. Кроме того, для измерения взаимного времени включения и отключения линий питания можно использовать осциллограф смешанных сигналов с цифровыми входами и независимо настраиваемыми порогами.
Задержка при включении
Показанный на рис. 1 импульсный источник питания подаёт стабилизированное постоянное выходное напряжение 12 В с большим током нагрузки. Управление этим источником питания осуществляется дистанционно с помощью выключателя на передней панели прибора. Вскоре после замыкания выключателя подаётся дежурное напряжение +5 В, позволяющее запустить импульсный преобразователь. После стабилизации выходного напряжения +12 В появляется сигнал готовности питания (PW OK), сообщающий о том, что питание находится в норме.
Положительный перепад дежурного питания +5 В используется для запуска захвата других сигналов. Автоматические измерения подтверждают, что задержка включения выходного напряжения не превышает 100 мс, а задержка от включения выходного напряжения до появления сигнала PW OK лежит (в соответствии со спецификациями) в диапазоне 100 – 500 мс.
Задержка выключения при дистанционном управлении
После выключения импульсный преобразователь отключается, и выходное напряжение начинает падать. Согласно спецификациям источник питания должен стабилизировать напряжение не менее 20 мс после размыкания выключателя. Самое главное, чтобы сигнал PW OK переходил на низкий уровень за 5-7 мс до того, как выходное напряжение +12 В перестанет стабилизироваться, что даст время нагрузке среагировать и корректно завершить работу. Как показано на рис. 2, для запуска захвата соответствующих сигналов используется отрицательный перепад сигнала PW OK. Измерительный курсор показывает, что предупредительный сигнал PW OK соответствует спецификациям.
Проверка временных соотношений за несколько циклов включения питания
Чтобы убедиться, что задержка включения питания остаётся в пределах нормы в течение нескольких циклов включения/выключения, можно использовать режим бесконечного послесвечения экрана для отображения временных флуктуаций сигнала и статистические измерения временных параметров для количественной оценки этих флуктуаций. В схеме, измерение которой показано на рис. 3, в качестве точки отсчёта используется момент достижения дежурным напряжением +5 В уровня 50 %. Последовательность включения повторяется 10 раз, и значения измеренных временных параметров за это время различаются не более, чем на 1 %.
Измерение времени нарастания и спада напряжения источника питания
Для удовлетворения спецификаций некоторых ответственных компонентов системы, нужно контролировать не только задержку включения, но и время нарастания питающих напряжений. Автоматизированные измерения времени нарастания и спада тоже выполняются по отношению к опорным точкам, которые по умолчанию автоматически рассчитываются по уровню 10 и 90 % от амплитуды сигнала в каждом канале. В показанном на рис. 4 примере время нарастания положительных источников питания и время спада отрицательных источников питания показано в полях результатов в правой части экрана.
Широкое применение в современных системах нескольких линий питания представляет собой серьезную проблему для измерения и тестирования. При оптимизации энергопотребления, производительности и скорости даже простой системы приходится иметь дело с общим источником питания 12 В, парой источников 5 В, а также с источниками 3,3 В и 1,8 В. Проверку и устранение неисправностей, связанных с включением и выключением этих источников питания, можно выполнить более эффективно с помощью осциллографов, которые предлагают больше, чем традиционные 4 канала.
Об авторе
Ли Морган является менеджером по маркетингу в компании Tektronix UK Ltd и специализируется в области встраиваемых систем, энергетики и автопрома. Располагая более чем 18-летним опытом в области контрольно-измерительных технологий для решения множества задач в мобильной связи, электронике и энергетике, он имеет отличное представление о том, как современные измерительные приборы могут помочь инженерам уже сегодня создавать продукты завтрашнего дня.
