Misura di segnali differenziali HIGH SPEED (Balanced) con oscilloscopio single-ended (Unbalanced)

 

PREMESSA
Nel presente articolo vedremo com’è sempre più comune l’eventualità di dover monitorare e misurare segnali veloci di tipo Differential (Balanced Signals), corrispondenti linee di clock High Speed o Serial Data Bus ad alta velocità, durante gli interventi di riparazione, debug e/o collaudo, di apparati elettronici. Talvolta però, l’unico strumento a disposizione è un oscilloscopio con canali singoli Single Ended e riferiti a GND (Unbalanced), magari con banda estesa (nel nostro caso utilizziamo un R&S RTO1044 (4GHz di banda, 4GSa/s). Vedi Fig. 1 per riferimento.

Fig. 1: esempio di connessione Single-ended e Differential
Fig. 1: esempio di connessione Single-ended e Differential

 

Anche selezionando l’ingresso dell’oscilloscopio settato e terminato a 50 ohms si avrebbe comunque forte disadattamento poiché una delle linee differenziali, ad esempio "I" (vedi Fig. 1), verrebbe connessa a GND.
Nei paragrafi seguenti viene descritto un metodo operativo semplice ed utile per ovviare al problema di tale disadattamento, nelle molteplici situazioni che possono verificarsi in fase di collaudo, debug, riparazioni.

CATENA DI GENERAZIONE E DISTRIBUZIONE DIFFERENTIAL CLOCK 512MHz
Nel caso specifico in analisi, in fase di debug/riparazione di un sistema di test elettronico, è stato necessario monitorare il segnale di clock @512MHz generato e distribuito mediante la catena mostrata in Fig. 2. I “test point” in cui è stato necessario misurare il segnale differenziale sono indicati come TP1 – TP8.

Fig. 2: catena del sistema elettronico sottoposta a debug/riparazione
Fig. 2: catena del sistema elettronico sottoposta a debug/riparazione

 

Il segnale di clock @512MHz originalmente generato da U104_1, consiste in un’onda quadra LVPECL la cui apprezzabilità mediante oscilloscopio coinvolge almeno le seguenti armoniche:

  • 1st harmonic: 512MHz
  • 3rd harmonic: 1536MHz
  • 5th harmonic: 2560MHz

Per la verifica della correttezza di tale spettro è stato utilizzato l’analizzatore di spettro ed opportuna sonda RF, misurando le uscite CLK+ e CLK- del dispositivo U104_1. Lo spettro rilevato è riportato in Fig. 3.
 

Fig. 3: contenuto spettrale del segnale di clock @5125MHz in uscita da U104_1
Fig. 3: contenuto spettrale del segnale di clock @5125MHz in uscita da U104_1

 

Dalla Fig. 3 (dal contenuto spettrale del segnale di clock differenziale) è possibile verificare come siano apprezzabili anche la 7a e 9a armonica! (3584MHz e 4608MHz)
A questo punto non rimane che verificare con l’oscilloscopio la propagazione e distribuzione del segnale di clock generato lungo tutta la catena di Fig. 2 (test point TP1- TP8).

 

MONITORAGGIO LINEE DIFFERENZIALI E CLOCK 512MHZ CON OSCILLOSCOPIO E FILTRO DI ACCOPPIAMENTO ADATTATO ED ISOLATO
Al fine di evitare il disadattamento delle linee differenziali nei vari punti di misura TP1 – TP8, per il monitoraggio dei segnali differenziali con oscilloscopio 50R, è stato realizzato un filtro di accoppiamento adattato ed isolato con trasformatori BAL-UN (modello RFXF9503), a doppio canale adattato, il cui schema elettrico è mostrato in Fig. 4. Nel caso specifico la Vref è stata collegata a tensione N2V.
 

Fig. 4: schema elettrico del filtro di accoppiamento con trasformatori BAL-UN
Fig. 4: schema elettrico del filtro di accoppiamento con trasformatori BAL-UN

 

Il filtro è stato realizzato su piastrina millefori, con componenti SMD e brevi cavetti COAX per collegare i connettori SMA di uscita. La realizzazione del filtro è riportata in Fig. 5.
 

Fig. 5: realizzazione del filtro di accoppiamento con trasformatori BAL-UN
Fig. 5: realizzazione del filtro di accoppiamento con trasformatori BAL-UN

 

Il filtro è stato quindi inserito saldando i terminali dei due ingressi differenziali nei vari test point TP1 – TP8, in punti comodamente accessibili sul PCB (vedi Fig. 6 e 7).

Fig. 6: montaggio filtro di accoppiamento su PCB per misure mediante oscilloscopio
Fig. 6: montaggio filtro di accoppiamento su PCB per misure mediante oscilloscopio

Fig. 7: montaggio filtro di accoppiamento su PCB per misure mediante oscilloscopio
Fig. 7: montaggio filtro di accoppiamento su PCB per misure mediante oscilloscopio

Nelle figure seguenti Fig. 8 e Fig. 9 è possibile apprezzare le misure rilevate con oscilloscopio, in particolare in Fig. 8 all’uscita di U105 si può constatare la perdita di qualità del segnale prelevando lo stesso senza inserzione del filtro di accoppiamento isolato.

Fig. 8: monitoraggio con oscilloscopio, U104_1_OUT con filtro di adattamento, U105_OUT senza filtro di adattamento
Fig. 8: monitoraggio con oscilloscopio, U104_1_OUT con filtro di adattamento, U105_OUT senza filtro di adattamento

Fig. 9: monitoraggio con oscilloscopio, U104_1_OUT e U105_OUT entrambi con filtro di adattamento
Fig. 9: monitoraggio con oscilloscopio, U104_1_OUT e U105_OUT entrambi con filtro di adattamento

CONCLUSIONE
Nei paragrafi precedenti è stato illustrato un semplice e utile metodo per la misurazione di segnali “High Speed” differenziali in fase di debug, collaudo, riparazione direttamente su PCB.
La realizzazione a basso costo di un semplice filtro di accoppiamento adattato ed isolato ha permesso di monitorare un segnale di clock @512MHz apprezzando con oscilloscopio a banda larga 1a e 3a armonica (512MHz e 1536MHz) del contenuto spettrale e soprattutto la dinamica corretta di 800mVpp. Ciò non si verifica nel caso dell’uscita U105_OUT che risulta molto più distorta ed attenuata omettendo l’inserzione del filtro di accoppiamento (vedi Fig. 8).
Tuttavia è possibile notare due ulteriori aspetti:

  1. Il segnale U105_OUT non è pulito allo stesso modo del segnale generato U104_1_OUT (vedi Fig. 8);
  2. La 5a armonica, attenuata di oltre 20dB rispetto la 3a (vedi Fig. 3), non è apprezzabile mediante oscilloscopio.

L’aspetto relativo al punto 1 è dovuto a piste del PCB di eccessiva lunghezza e parziale perdita d’integrità del segnale. Questo è proprio un difetto che è stato possibile confermare mediante il metodo di misura descritto.
L’aspetto relativo al punto 2, comunque legato alla bassa dinamica della 5a armonica e confermata mediante analizzatore di spettro (vedi Fig. 3), potrebbe essere migliorato realizzando il filtro di accoppiamento su PCB con piste, layer, connessioni, connettori e cavi verso l’oscilloscopio di qualità notevolmente superiore, ma con costi maggiori.
Dato il basso costo, il filtro di accoppiamento realizzato, sebbene artigianale, è risultato essere un metodo notevolmente utile ed efficiente in caso di interventi di debug, riparazione, collaudo, per misure di segnali differenziali “High Speed” mediante oscilloscopio ed anche analizzatore di spettro.

Vi ringraziamo per la vostra attenzione, se avete domande o volete lasciare un commento saremo felici di rispondervi.

Cristiano Cenci
Paolo Stocchetti

 

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