Tendance
INSTRUMENTATION
Ouvrez grand vos yeux
sur les bus à haute vitesse
En conception, les mesures de diagramme
de l’œil réalisées à l’aide d’un oscilloscope
permettent de détecter les problèmes
d’intégrité du signal. Encore faut-il
pouvoir assurer une récupération d’horloge sur les bus série rapides, réduire les
distorsions injectées par les sondes et
connaître la gigue de son appareil. Entre
autres. Le point sur la question avec
Agilent Technologies.
lus l’utilisation des nouvelles interconnexions
série haute vitesse
prend de l’ampleur
dans les E/S et les fonds
de panier, plus l’intégrité du
signal devient critique. Dans une
déclaration récente, Eric Bogatin, directeur de la technologie
de GigaTest Labs, a cerné la
situation en ces termes: les ingénieurs se divisent désormais en
deux groupes, ceux qui ont déjà
été confrontés à des problèmes
d’intégrité du signal et ceux qui
ne vont pas tarder à l’être. Si vous
faites partie du premier groupe,
bienvenue au club! Mais si vous
appartenez au second, j’espère
que cet article facilitera votre
entrée dans le club.
L’intégrité du signal peut être
affectée par de nombreux types
de défauts. Par exemple : des
échos provoqués par des terminaisons incorrectes ; une diaphonie qui se manifeste entre
deux lignes de transmission; du
bruit injecté dans les signaux par
des défauts d’alimentation et de
masse ; ou encore une gigue
engendrée par des sources
externes qui modulent le signal
ou par des retards dépendant des
données (interférences intersymboles et distorsion du rapport cyclique).
La puissance de l’analyse du diagramme de l’œil réside dans sa
P
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capacité à procurer une vue complète sur chacun des problèmes
d’intégrité du signal, ou sur tous
à la fois. Par un emploi efficace
des mesures de diagramme de
l’œil, les ingénieurs sont à même
de gagner un temps considérable
dans leurs projets: ils bénéficient
d’une précieuse visibilité sur les
problèmes d’intégrité du signal,
le cas échéant à un stade très
précoce par simulation, ce qui
leur permet de les résoudre plus
rapidement et d’être davantage
assurés d’avoir atteint leurs
objectifs en la matière.
Que contient l’œil?
Les signaux logiques classiques
sont composés d’une ou plusieurs
lignes de données et d’une horloge. L’horloge détermine les instants d’échantillonnage pour l’obtention des valeurs des données.
Les bascules et les circuits de
verrouillage (latches) présentent
des spécifications indiquant la
durée pendant laquelle les données doivent rester stables, avant
et après la transition d’horloge,
pour éviter les erreurs ou métastabilité. C’est ce que l’on appelle
respectivement le temps d’établissement et le temps de maintien.
Supposons que vous connectiez
votre oscilloscope aux entrées
horloge et données d’un latch.
Configurez l’appareil pour qu’il se
Une acquisition de données en monocoup
FIGURE 1
L’oscilloscope affiche ici une séquence de données 101 acquise sur
le front montant de l’horloge.
déclenche sur l’entrée d’horloge.
Sélectionnez la persistance infinie afin que chaque forme d’onde
acquise reste affichée. Réglez l’oscilloscope sur monocoup (singleshot) et appuyez une fois sur
«Run». Le résultat qui apparaîtra sur l’écran ressemblera à la
figure 1.
Appuyez une nouvelle fois sur
«Run» et vous obtiendrez l’équivalent de la figure 2, avec deux
groupes de données en relation
avec l’horloge. En mode répétitif,
l’affichage sera similaire à la
figure 3, sur laquelle sont superposés de nombreux groupes de
données représentatifs du com-
Deux acquisitions superposées en monocoup
FIGURE 2
L’oscilloscope affiche désormais deux séquences de données (101 et
011) capturées sur deux fronts montants de l’horloge.
Février 2005 n°155 - Electronique
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portement du signal. Idéalement,
dans ce mode on retrouvera
toutes les séquences de données
binaires 000, 001, 010, 011, 100,
101, 110, 111.
Notez que le signal d’horloge
semble stable; en effet, l’oscilloscope est déclenché sur l’horloge
et celle-ci fait office de référence
temporelle lors de chaque acquisition de données. En examinant
l’œil, vous vérifiez rapidement la
conformité de votre signal à tous
les paramètres essentiels du latch
(figure 4): marges de bruit supérieure et inférieure, temps d’établissement et de maintien.
Acquisition en répétitif et en temps réel
FIGURE 3
Dans ce mode, l’accumulation des données donne naissance à un
diagramme de l’œil. Notez la finesse de la trace de l’horloge au
point de déclenchement, signe d’une faible gigue de déclenchement.
Bus série et récupération
d’horloge
Pour un grand nombre d’interfaces série à grande vitesse, il n’y
a plus d’horloge séparée : les
informations temporelles sont
codées sur un seul fil avec les
données, ou sur plusieurs «pistes» où chaque fil doit transporter à la fois des données et les
informations temporelles qui leur
sont propres. Comment vérifier,
dans ces conditions, «l’ouverture
de l’œil»?
Divers constructeurs proposent
des oscilloscopes pourvus d’une
solution logicielle ou matérielle
pour résoudre ce problème. Le
but étant d’extraire les informations temporelles du flux de données, comme doit le faire un
récepteur.A partir de cette récupération d’horloge, il est possible
d’examiner chaque cycle de données – également appelé «intervalle unitaire» ou UI (unit interval) – pour connaître les éléments
temporels d’un signal en rapport
avec l’horloge. Ici aussi, le diagramme de l’œil est un allié précieux pour examiner l’ensemble
formé par un grand nombre de
cycles successifs.
Les circuits matériels de récupération d’horloge disponibles sur
certains oscilloscopes se composent essentiellement d’une boucle
à verrouillage de phase. Le signal
d’horloge récupéré est injecté
dans une voie de l’oscilloscope
pour déclencher celui-ci (figure 5).
La mesure de l’œil est ensuite
similaire à celle effectuée classiquement avec un signal d’horloge séparé.
Dans les systèmes de transmission de données récemment
introduits, le circuit de récupération d’horloge du récepteur
Electronique - Février 2005 n°155
Analyse du diagramme de l’œil
FIGURE 4
Les informations incluses dans un diagramme de l’œil permettent
de contrôler rapidement la conformité aux paramètres essentiels
du latch.
intègre presque toujours un
moyen permettant de découvrir
la relation temporelle optimale
entre l’horloge et les données entrantes. Pour cela, il faut généralement que l’émetteur envoie une
«séquence d’apprentissage» au
récepteur. C’est donc uniquement
la taille d’ouverture de l’œil qui
importe, et non sa relation avec le
signal d’horloge récupéré. C’est
pourquoi, dans la plupart des
spécifications des interfaces qui
utilisent des données série avec
un signal d’horloge codé, vous en
trouvez une concernant les
dimensions de l’œil, mais aucune
pour les temps d’établissement
et de maintien.
Il existe quelques problèmes
potentiels dont il faut tenir
compte.Ainsi, les PLL matérielles
mises en œuvre pour la récupération d’horloge ont une gamme
de fréquence limitée.Vérifiez par
conséquent que le circuit disponible sur l’oscilloscope que vous
avez l’intention d’utiliser couvre
la fréquence d’horloge avec
laquelle vous travaillez.
Les caractéristiques de gain de
boucle et de réponse en fréquence de la PLL ont un effet
plus subtil. Pour beaucoup d’interfaces série, le gain et la bande
passante de la boucle à verrouillage de phase assurant la
récupération d’horloge du récepteur sont spécifiés dans la norme.
Si la PLL matérielle de l’oscilloscope ne présente pas les mêmes
caractéristiques, l’œil affiché par
l’appareil sera différent de l’œil
« vu » par le récepteur, et la
mesure ne vous indiquera pas si
le signal est conforme ou non aux
exigences de la norme.
Dans une récupération d’horloge
logicielle, l’oscilloscope capture
en mémoire de nombreux cycles
successifs du signal. Un logiciel
spécial examine ensuite l’enregistrement et détermine les fronts
d’horloge actifs. Les intervalles
unitaires peuvent ensuite être
superposés à l’écran, chacun
étant aligné sur son front d’horloge récupéré. L’image à l’écran
est identique à celle obtenue via
une récupération matérielle.
L’avantage de l’approche logicielle réside dans la possibilité
de réglage par l’utilisateur du
gain de boucle et de la bande passante de récupération d’horloge.
De ce fait, l’œil qui en résulte
constitue une représentation précise de celui qui est stipulé dans
la norme appropriée.
Avec ce type de récupération
d’horloge, il convient de s’assurer
que l’oscilloscope dispose d’une
mémoire adéquate pour capturer les composantes de plus
faibles fréquences de la gigue à
étudier. En principe, la gigue de
fréquence la plus basse pouvant
être détectée de façon fiable est
égale à 1 divisé par l’étendue
temporelle acquise en mémoire.
Supposons que l’oscilloscope
échantillonne le signal entrant
à 20 Géch./s et possède une
Récupération matérielle d’horloge
FIGURE 5
Le signal d’horloge récupéré est injecté dans le circuit de déclenchement de l’oscilloscope.
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mémoire de 1Mpoint. L’intervalle
de temps en mémoire est alors
de 1.106 x (1/20.109), soit 50µs. Si
le signal est modulé en fréquence
à 20kHz, un cycle entier de modulation sera capturé en mémoire
(la modulation de fréquence est
un moyen intuitif de se représenter la gigue).
Quels sont les besoins minimaux ? Tout dépend des caractéristiques de gain de boucle de
la PLL de récupération d’horloge
de votre circuit. La plupart des
PLL ont un gain important aux
basses fréquences, ce qui permet
de suivre aisément les changements basse fréquence du signal
entrant. Les normes spécifient
souvent une gamme de fréquence de gigue. Cet aspect
mérite donc toute votre attention. Tant que vous disposez
d’une profondeur mémoire
suffisante pour enregistrer plusieurs cycles de la gigue de fréquence la plus basse qui vous
intéresse, vous pouvez en toute
Œil à 1,5 Gbit/s d’un circuit sans sonde
Diagrammes de l’œil à l’entrée
et à la sortie d’une sonde
FIGURE 9
Ces diagrammes d’une séquence pseudo-aléatoire de 2,5 Gbits/s pris
à l’entrée et à la sortie d’une sonde de 7GHz ne diffèrent que fort
peu, ce qui témoigne de l’excellente qualité de la sonde en question.
FIGURE 6
Un générateur de données 1,5Gbit/s est relié à l’oscilloscope par
câble coaxial 50Ω.
Œil à 1,5 Gbit/s d’un circuit avec sonde
à fils de 1 pouce
FIGURE 7
Avec une sonde connectée par des fils de 2,5cm, de la gigue et des
distorsions importantes apparaissent.
confiance garantir la conformité
à la norme.
A titre d’exemple, la méthode de
mesure du diagramme de l’œil
de la couche physique PCI Express exige que celle-ci soit effectuée sur 3500 cycles consécutifs.
A 2,5Gbits/s, la durée nominale
d’un cycle est égale à 400ps. Par
conséquent, 3500 cycles consécutifs représentent 1,4µs. Si l’on
considère qu’il faut à l’oscilloscope, au minimum, une cadence
d’échantillonnage de 20Géch./s
pour assurer une acquisition adéquate des composants haute fréquence du signal PCI Express, la
mémoire requise est donc de
1,4.10-6 x 20.109 =28000 points.
Ouvrez l’œil!
Œil à 1,5 Gbit/s avec une sonde conçue
pour une charge minimale
FIGURE 8
Une telle sonde ajoute peu de gigue et introduit des distorsions
minimales circonscrites aux extrémités des fronts.
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Nous avons décrit jusqu’à présent des mesures de l’œil qui
seraient parfaites. «Alors», allezvous me dire, « j’ai acheté le
meilleur oscilloscope que j’aie pu
m’offrir, je peux bien lui faire
entièrement confiance?» En fait,
tout commence avec la pointe de
sonde. C’est elle qui détermine
la précision des mesures, y compris des mesures de l’œil, et c’est
souvent l’aspect le plus difficile.
Peu importe le prix de votre oscilloscope, la précision de ses mesures ne peut pas être meilleure
que celles que permet la sonde.
En pratique, les sondes d’oscilloscope ont deux types d’effet.
Tout d’abord, elles deviennent
partie intégrante de votre circuit
et peuvent de ce fait influer sur
l’intégrité du signal. En effet,
quelle que soit la qualité de sa
conception, la sonde d’oscilloscope injecte une charge réactive et une résonance dans le circuit sous test. La figure 6 montre
l’œil d’un circuit sur lequel
aucune sonde n’est connectée.
La figure 7 représente le même
circuit, avec une sonde de très
bonne qualité connectée via des
fils de 2,5cm. La figure 8 illustre
à nouveau le même circuit, dont
le diagramme de l’œil a été
obtenu à l’aide d’une sonde
conçue pour injecter une charge
minimale à son point de fixation.
La différence est bien visible.
Bien sûr, vous n’avez pas envie
de gaspiller votre temps à tenter
de résoudre les problèmes introduits par la sonde de la figure 7.
Pour plus de détails concernant
les sondes et les charges –ce qui
sort du cadre du présent article–,
reportez-vous à la note d’application de la référence 2, vous ne
perdrez pas votre temps.
Par ailleurs, les sondes ajoutent
du bruit et des distorsions et ont
elles-mêmes des limites en bande
passante. Le rapport signal/bruit,
la bande passante et la réponse
en fréquence du système de
mesure ne peuvent pas être
meilleurs que ceux de la sonde
et ils sont même parfois limités
par celle-ci. La figure 9 représente l’entrée et la sortie d’une
sonde 7GHz de qualité, la sortie
étant ici très fidèle à l’entrée. Ce
test est relativement facile à
Février 2005 n°155 - Electronique
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Diagrammes de l’œil à 3 Gbits/s
FIGURE 10
En a, la gigue de déclenchement de l’oscilloscope est inférieure à
1psrms; en b, elle est de 7psrms et réduit notablement l’ouverture
de l’œil.
a)
b)
effectuer sur votre oscilloscope
avec sa sonde. La procédure et
le détail de ce sujet se trouvent
également dans la note de la référence2.
Au final, assurez-vous que vos
sondes vous disent la vérité et ne
la «maquillent» pas elles-mêmes.
Et la gigue?
Le second paramètre le plus
important est la gigue de l’oscilloscope. En effet, il se peut que
l’ouverture de l’œil soit réduite
par cette gigue, et pas seulement
par celle qui est réellement présente dans votre circuit.
La gigue de l’oscilloscope prend
deux formes différentes: la gigue
de déclenchement et la gigue de
la base de temps. Dans les
mesures de l’œil classiques, avec
déclenchement sur l’horloge et
utilisation de l’oscilloscope en
mode répétitif avec persistance
infinie, c’est la gigue de déclenchement qui tend à dominer. La
Suite p.38
Mesure de la gigue de déclenchement
de l’oscilloscope
FIGURE 11
L’histogramme de la position du point où le signal franchit le seuil
de déclenchement fournit la valeur efficace de la gigue de déclenchement.
Electronique - Février 2005 n°155
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➤ figure 10 montre des mesures
de l’œil sur un signal de 3Gbits/s
obtenues, d’une part, avec une
gigue de déclenchement de
1psrms et, d’autre part, avec une
gigue de déclenchement de
7psrms.Vous constatez aisément
la différence dans l’ouverture
apparente de l’œil.
La gigue de déclenchement est
facile à identifier et à mesurer. Il
suffit pour cela de déclencher
l’oscilloscope sur un signal d’un
temps de montée raisonnablement rapide. Réglez la base de
temps pour que le front montant
présente un angle d’environ 45
degrés (ou l’angle le plus petit
pouvant être obtenu avec les
vitesses de balayage disponibles
sur votre oscilloscope). Positionnez le point de déclenchement
au milieu de l’écran, avec la commande de décalage (position
horizontale) de la base de temps
(T=0). Configurez l’oscilloscope
en persistance infinie. Notez l’endroit où le signal franchit le
niveau de déclenchement (la
plupart des oscilloscopes comportent un indicateur ou un marqueur de niveau de déclenchement qui facilite cette observation).
Idéalement, l’intersection du
signal se trouve au point de largeur zéro, puisqu’il est censé être
la référence de temps 0 pour la
base de temps. Si l’oscilloscope
est doté d’une fonction histogramme, celle-ci peut servir à
mesurer la gigue de déclenchement. Créez un histogramme du
signal au point de franchissement du niveau de déclenchement. La valeur de la déviation
standard de cet histogramme
représente la gigue de déclenchement efficace (figure 11).
Par contre, si vous créez le diagramme de l’œil à l’aide du mode
d’acquisition monocoup et de la
récupération du signal d’horloge
par le logiciel interne de l’oscilloscope, la gigue de déclenchement n’a aucune importance. Ce
qui compte alors, c’est la gigue
et les déviations erratiques de la
base de temps de l’oscilloscope.
Recherchez dans la liste des spécifications les valeurs de gigue
de déclenchement et de gigue de
base de temps (qui est peut-être
exprimée sous la forme de plancher de bruit de la mesure de
gigue). Il est un peu plus compliqué de caractériser la gigue de
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Transfert DDR
FIGURE 12
Sur les interfaces série qui utilisent la signalisation DDR, les données sont transmises sur les fronts montants et descendants de
l’horloge.
Test de l’œil sous contrainte
FIGURE 13
Pour ce test qui permet d’évaluer la tolérance à la gigue d’un
circuit, la sortie du générateur d’impulsions est modulée par une
source de signal externe.
base de temps, car il faut utiliser
à cette fin une source de signal
très stable, de gigue inférieure à
celle de l’oscilloscope.
On néglige souvent une source
de gigue apparente: le bruit vertical (en tension) introduit par
l’oscilloscope et la sonde. Sur un
front dont le temps de montée
est différent de zéro, le bruit vertical se traduit en bruit dans le
temps, car l’instant de franchissement du niveau de déclenchement vu par l’oscilloscope est
dépendant du bruit superposé
au signal utile.
DDR ou comment voir
double
Nombreuses sont les nouvelles
interfaces série qui mettent en
œuvre des transferts à double
débit de données (ou DDR pour
double-data-rate), les transmissions étant assurées sur les fronts
montants et descendants de
l’horloge (figure 12). Etant donné
que votre oscilloscope ne se
déclenche que sur un front montant ou descendant (mais pas sur
les deux), l’œil que vous voyez si
vous procédez à des mesures de
l’œil classiques ne correspond
qu’à un seul type de front. Pour
visualiser l’œil opposé, vous
devez basculer la polarité de
déclenchement de l’oscilloscope.
La récupération d’horloge logicielle affranchit de cette limitation. Vous pouvez spécifier des
fronts montants, des fronts descendants, ou les deux.
D’autres outils pour
les mesures de l’œil
De nombreux oscilloscopes intègrent une large gamme de mesures automatiques de l’œil: hauteur et largeur de l’œil, test de
violation de masque, « crossing
percent», facteur Q, distorsion du
rapport cyclique… Des tests de
masque standard sont souvent
disponibles pour le test de préconformité à différentes normes
de l’industrie.
Les mesures de l’œil exigent parfois une source de signaux. Choisissez un générateur d’impulsions qui ne génère pas lui-même
de gigue. Pour vérifier qu’un circuit rejette bien la gigue, prenez
un générateur d’impulsions dont
la sortie peut être modulée par
des valeurs connues de gigue,
fournies par une source externe
(figure 13). Les références 3 et 4
présentent des mesures de l’œil
sous contrainte, effectuées avec
un générateur d’impulsions et de
données et un oscilloscope.
Certains analyseurs logiques permettent maintenant d’effectuer
des mesures de l’œil simultanément sur de nombreux signaux.
Cette technique procure un gain
de temps considérable par rapport à l’analyse de dizaines ou
de centaines de nœuds, réalisée
au mieux par groupes de quatre,
avec les sondes d’oscilloscope.
La référence 5 décrit cette
méthode.
Au stade de la conception, il
existe maintenant de nombreux
outils de simulation pour prédire
l’ouverture de l’œil à partir de
modèles de circuits.Avant de vous
engager sur des cartes ou du silicium, le contrôle de l’ouverture de
l’œil par simulation est susceptible de vous faire gagner beaucoup de temps en détectant les
problèmes au stade le plus précoce du projet.
ART PORTER
(AGILENT TECHNOLOGIES)
Pour en savoir plus
Références bibliographiques:
[1] Shortening the Development Cycle with Effective Eye Measurements,
http://www.netseminar.com/nss/showSeminar?sem_num=604&branding=NSS&
clientID=NSS
[2] Restoring Confidence in Your High-Bandwidth Probe Measurements, Agilent
publication number 5988-7951EN,
http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5988-7951EN.pdf
[3] Jitter Analysis Techniques for High Data Rates, Agilent publication number
5988-8425EN, http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5988-8425EN.pdf
[4] Characterizing Jitter On High-Speed Communications Signals,
http://www.netseminar.com/index.cgi?sem_num=570
[5] Saving Time with Multiple-channel Signal Integrity Measurements, Agilent
publication number 5988-5409EN, http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf
/5988-5409EN.pdf
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