La stabilità dell’alimentazione è fondamentale per il corretto funzionamento a lungo termine dei circuiti integrati. Si tratta di un aspetto certamente critico per i sistemi elettronici sofisticati, basati ad esempio su FPGA, ma anche la presenza di bus seriali a bassa velocità può causare disturbi.

Una rapida analisi eseguita tramite un oscilloscopio, anche di di tipo economico, può aiutare a migliorare significativamente le prestazioni del sistema. Ottimizzando opportunamente alcune impostazioni dell’oscilloscopio, è possibile migliorare notevolmente la qualità dell’indagine.

Questo articolo illustra alcuni metodi per analizzare in modo ottimale gli effetti indotti sull’alimentazione dal normale funzionamento di un sistema embedded. L'esempio descritto mostra un'analisi di una linea di alimentazione di una FPGA con interfaccia CAN eseguita utilizzando un oscilloscopio R&S RTB2000.

Impostazione ottimizzate per la misura di tensioni continue

Inizialmente la tensione continua viene letta senza preoccuparsi delle impostazioni dell'oscilloscopio. La figura 1 mostra la tensione acquisita con una sonda passiva (10:1). Al fine di visualizzare il segnale sullo schermo la scala verticale deve essere impostata a 1 V per divisione.

Fig. 1 - Misura di una tensione continua senza impostazioni ottimizzate.La funzione di misura picco-picco con statistica consente di determinare l'ondulazione residua (ripple) sovrapposta alle tensione di alimentazione continua.

Il voltmetro integrato fornisce il valore della continua pari a 4,92 V. Con queste impostazioni il ripple medio misurato è pari a 179,90 mV (indicato con un circolo rosso grazie allo strumento integrato per le annotazioni presente in questo oscilloscopio, molto utile per creare la documentazione).

Approfondiamo il ruolo della risoluzione verticale dell’oscilloscopio.

Iniziamo con una veloce stima della risoluzione attesa con queste impostazioni. Il modello R&S RTB2000 utilizza un convertitore analogico-digitale a 10 bit e quindi ha 1024 livelli di discriminazione.

L’impostazione di 1 V/div corrisponde ad un fondo scala di 10 V. Questo corrisponde ad una risoluzione teorica di circa 10 mV. Sebbene la tensione di alimentazione appaia piatta su questa scala, il ripple medio ricavato da oltre 10.000 misure è pari a 179,90 mV cioè al 3.5%.

Fig. 2 - Offset a 4,92 V e scala verticale a 20 mV/divPer migliorare l’accuratezza della misura impostiamo l’offset del canale a 4,92 V e la scala verticale a 20 mV/div, Così facendo, riusciamo a migliorare l’accuratezza di un fattore 50.

Come mostrato in figura 2, le media delle misure picco-picco è ora pari a 68,28 mV, un valore 2,5 volte inferiore rispetto al caso precedente e molto più accurato essendo ora la risoluzione dell’ADC pari a circa 0,2 mV.

Identificazione dei disturbi

Il secondo passo è l’identificazione e la correlazione dei disturbi che si accoppiano alla tensione continua a causa di altri eventi.

Osservando il segnale sulla scala temporale della figura 2 è difficile identificare i disturbi, non essendo la scala dei tempi adeguata. Un approccio tipico è di acquisire intervalli di tempo più lunghi per aumentare la probabilità di osservare eventi esterni, spesso dovuti a segnali lenti.

Una tipica sorgente di segnali che si accoppiano nei sistemi embedded sono i convertitori AC/DC operanti a frequenze armoniche della frequenza di rete, pari a 50 Hz in Europa. Al fine di identificare tali pattern, la base dei tempi dell’oscilloscopio dovrebbe essere impostata a 10 ms/div.

Fig. 3 - Eventi spuri a bassa ed alta velocità sono catturati grazie ad una memoria interna molto profondaIn figura 3, tale configurazione è impiegata con una finestra di zoom aggiuntiva.

Nella traccia superiore un pattern che si ripete ogni 25 ms può essere identificato.

Nella traccia inferiore, il segnale viene ingrandito di un fattore 1000. Abbiamo usato lo strumento di annotazione integrato nel R&S RTB2000 per indicare gli impulsi spuri che si ripetono ogni 15 µs. Stiamo quindi osservando due famiglie di eventi periodici.

Entrambe le sequenze di eventi periodici sono visibili nella stessa schermata grazie alla memoria interna profonda 10 milioni di campioni per canale del modello R&S RTB2000 che consente di mantenere un’elevata frequenza di campionamento.

In questa applicazione significa che la completa sequenza di 120 ms viene acquisita ad una frequenza di campionamento di 62,5 Msps.

In altre parole, anche eventi con durata di pochi nanosecondi possono essere identificati, consentendo una rivelazione affidabile di eventi periodici veloci. In questo articolo ci concentriamo sui disturbi più ampi, che sono tipicamente più lenti, e ne indaghiamo le origini.

Lo strumento R&S RTB2000 è un oscilloscopio mixed-signal in grado di supportare, in modo opzionale, fino a 16 ingressi digitali, nonché il trigger seriale e la decodifica di segnali su bus CAN.

Fig. 4 - Visualizzazione simultanea della tensione analogica continua di alimentazione e del protocollo del bus CAN, sia in forma di stringa digitale che di segnale decodificatoUno di questi segnali digitali può essere utilizzato per catturare messaggi sul bus CAN. Questo protocollo viene decodificato impiegando un’accelerazione hardware ed uno schema di colori per identificare gli indirizzi di lettura/scrittura, i dati e tutti gli altri bit di un messaggio. Lo screenshot di figura 4 mostra il canale digitale e la decodifica del messaggio del CAN bus insieme alla tensione di alimentazione sotto indagine.

Il pattern che si ripete a bassa velocità (25 ms) sovrapposto alla tensione continua può essere immediatamente correlato al messaggio sul bus CAN.

Ogni volta che la FPGA inizia a trasmettere dati sul bus, carica l’alimentazione producendo un fenomeno di ripple. Osservando le fluttuazioni della tensione nella finestra di zoom, si evince che il disturbo ripple principale si manifesta quando commutano i bit.

In questo esempio, agganciando uno specifico indirizzo o dato CAN ed impiegando la funzione del dispositivo sotto indagine di inviare messaggi ripetuti, possiamo trovare il ripple dovuto solamente alla commutazione dei bit.

Fig. 5 - Utilizzo della media per rimuovere i contributi al ripple sulla tensione di alimentazione non dovuti alla commutazioni dei bit del bus digitaleL’oscilloscopio R&S RTB2000 ha il trigger impostato per agganciarsi ad un messaggio CAN ricorrente e mediare numerose acquisizioni. Il risultato è mostrato in figura 5.

La funzione media rimuove ogni contributo di rumore non correlato con la commutazione dei bit. Ora il ripple dovuto alla trasmissione dei segnali digitali sul bus è isolato e risulta pari a 49,20 mV.

Confronto tra le misure

Utilizzando un oscilloscopio economico con banda di 300 MHz e ADC a 10 bit, abbiamo dimostrato come l’ottimizzazione delle impostazioni orizzontali e verticali consenta di ottenere informazioni approfondite sulle origini del rumore sull’alimentazione in corrente continua.

Anche la profondità della memoria di campionamento è estremamente importante, dato che la maggior parte degli eventi indesiderati che si accoppiano sono generalmente più lenti dei segnali circolanti nel sistema.

Inoltre, la possibilità di attivare il trigger su specifici messaggi seriali rende possibile isolare le cause originali ed eseguire misure di ripple precise.

La misura iniziale del ripple era di circa 180 mV. Ottimizzando le impostazioni della scala verticale si è scoperto che il ripple effettivo è di circa 68 mV. Infine, la trasmissione di dati CAN è stata identificata come la causa principale di tale disturbo.

L'aumento dell'accuratezza e l'identificazione della causa in questo caso sono state rese possibili dalla memoria capiente e dalla facilità di acquisizione dei segnali digitali. Grazie al trigger su uno specifico dato digitale CAN e alla funzione media, il ripple misurato, dovuto alla sola commutazione dei bit, è pari a 49 mV, che è circa l’1% della tensione nominale.

*Andreas Grimm è Product Sales Manager Oscilloscopes di Rohde & Schwarz