Выбор частоты дискретизации для анализа сигналов последовательных шин

Осциллографы компании Teledyne LeCroy имеют уникальный тип программных опций - TDME, которые объединяют измерения, синхронизацию, декодирование, графический анализ и построения глазковых диаграмм для более чем 20 стандартов последовательных шин, и этот список постоянно пополняется. В данной статье будут рассмотрены практические советы по успешному использованию программной опции TDME и продемонстрированы некоторые примеры применения возможностей TDME для решения реальных проблем.

Учитывая широкий спектр поддерживаемых протоколов, пользователю будет полезно знать, как выбрать оптимальную частоту дискретизации осциллографа для данного конкретного стандарта при получении сигналов последовательных данных. Оптимальное значение частоты дискретизации определяется тремя основными факторами:

1. Ширина полосы сигнала, оцифровываемого аналого-цифровым преобразователем (АЦП) осциллографа.
2. Желаемое время захвата.
3. Дальнейшие действия с захваченным сигналом.

Обычно третий пункт не затрагивается при обсуждении частоты дискретизации, но на самом деле он может быть важным фактором при выборе оптимального значения частоты дискретизации.

Ширина полосы сигнала определяет наивысшую частоту, которая должна быть оцифрована АЦП. Критерии Найквиста требуют, чтобы частота дискретизации была, как минимум, вдвое больше максимального значения частоты сигнала. Полоса пропускания цифрового сигнала, например, при анализе последовательных данных, может быть оценена, исходя из знания времени нарастания фронта сигнала с помощью уравнения:

BW = k/Trise, где

• Ширина полосы (BW) в герцах - это отношение коэффициента k к времени нарастания сигнала (Trise) в секундах.
• Значение коэффициента k зависит от полосы пропускания осциллографа. Для осциллографа с полосой пропускания 1 ГГц, k = 0,35. Для осциллографов с полосой пропускания свыше 1 ГГц, k = 0,45.

Например, рассмотрим сигнал CAN, работающий со скоростью 125 кб/с (килобит в секунду) со временем нарастания приблизительно 21 нс. Согласно приведенной выше формуле, полоса пропускания осциллографа, для обработки данного сигнала, должна быть не менее 16,7 МГц. Частота Найквиста - 33,4 МГц. Это минимальная частота дискретизации, необходимая для оцифровки сигнала с полосой пропускания 16,7 МГц. Для обеспечения наиболее точных и достоверных измерений на физическом уровне, рекомендуется увеличить частоту дискретизации осциллографа три или четыре раза по сравнению с частотой Найквиста.

Однако декодирование шины не требует такой высокой частоты дискретизации, как выполнение точных измерений на физическом уровне. Фактически, для более низкоскоростных протоколов частота дискретизации может быть уменьшена до четырех точек дискретизации на бит, при этом будет сохраняться возможность точного декодирования содержимого пакетных данных. Если все, что вам нужно сделать, это выполнить базовые измерения синхронизации пакетов, проверить правильность переходов, найти ошибки протокола или другие задачи, которые могут быть выполнены путем визуальной оценки трафика шины, вы можете выиграть драгоценное время сбора данных, значительно снизив частоту дискретизации.

На рисунке 1 показан сигнал, захваченный по шине CAN с тактовой частотой 125 кб/с, частота дискретизации осциллографа превышает тактовую частоту сигнала в четыре раза и составляет 500 квыб/с. Увеличенное изображение в середине рисунка ясно показывает четыре точки выборки в каждый тактовый период. Данное значение частоты дискретизации достаточно для декодирования данных, характеристики логических уровней и предварительной визуальной оценке передачи данных.

Следующий важный элемент при анализе последовательных данных, это длительность захвата. Длительность зависит от объема памяти осциллографа и выражается следующим уравнением:

T = M/SR, где

• T - продолжительность сбора данных в секундах,
• M - длина памяти осциллографа (выборки)
• SR - частота дискретизации в выборках в секунду (выб/с).

Более длительное время сбора данных может потребоваться для оценки таких характеристик, как уровень загрузки канала шины, процент времени, в течение которого шина активна. В осциллографе, с объемом памяти 250 Мвыб при частоте дискретизации 500 квыб/с, продолжительность сбора данных, согласно приведенной выше формуле, составит 500 секунд или 8,3 минуты. На рисунке 2 показано получение 190 552 пакетов сообщений по CAN шине при данной частоте дискретизации. Это весьма большой объём информации.

С другой стороны, более высокая частота дискретизации обеспечивает более точные измерения сигнала на физическом уровне. Если пользователю необходимо измерить электрические характеристики сигнала, то необходимо выполнить сбор данных с максимальной частотой дискретизации, достаточной для длительного захвата, достаточного для достоверных измерений. Стоить помнить, что большинство автоматических измерений в осциллографе выполняется только в видимом окне сбора данных, поэтому необходимо убедится, что на экране прибора отображена вся необходимая для анализа информация.

Как показано на рисунке 3, при соотношении частоты дискретизации к тактовой частоте как 800 к 1 погрешность при измерении времени нарастания может достигать 5% от реального значения. Ниже этой частоты края дискретизируются недостаточно для правильного измерения.

В заключении необходимо обобщить основные правила для выбора оптимального значения частоты дискретизации (SR) осциллографа для конкретной задачи при анализе сигналов последовательных шин.

• Декодирование: SR как минимум в четыре раза превышает тактовую частоту сигнала.
• Глазковые диаграммы: SR как минимум в 100 раз превышает тактовую частоту сигнала.
• Измерения сигнала на физическом уровне: SR как минимум в 1000 раз превышает тактовую частоту сигнала.

Автор:  Teledyne LeCroy
Дата публикации:  01.03.2021