Interfejsy szeregowe wysokiej szybkości często do transmisji danych wykorzystują sygnały różnicowe. Do rejestracji takiego sygnału potrzebne są zatem sondy różnicowe. Poza różnicowym wejściem, sondy te zazwyczaj mają dodatkowe połączenie z masą – szczególnie w przypadku modeli przeznaczonych na wyższe pasmo. Możliwość uziemienia wielofunkcyjnych, modularnych sond R&S RT-ZMxx pozwala poprawić jakość pomiarów interfejsów różnicowych wysokich szybkości.

Zadanie

Zadanie polega na pomiarze przebiegów interfejsów wysokiej szybkości, takich jak PCIe, USB 3.3 lub Ethernetu 10 Gbit, które wykorzystują transmisję różnicową. Różnicowe linie sygnałowe o przeciwnych znakach wyznaczają poziomy napięcia w odniesieniu do siebie nawzajem, zamiast odniesienia do jednej linii masy (jest to tzw. transmisja asymetryczna). Zmierzony sygnał różnicowy stanowi zatem różnicę między poziomem wejścia dodatniego i ujemnego. Dzięki swej wysokiej impedancji wejściowej sondy różnicowe są w stanie zmierzyć różnicę między dwoma dowolnymi potencjałami, o ile tylko różnica ta nie przekracza zakresu dynamicznego sondy. Sonda różnicowa mierzy i wzmacnia różnicę napięć między dwoma sygnałami.

Rozwiązanie pomiarowo-testowe

Aby przeprowadzić dokładną analizę interfejsów wysokiej szybkości, należy starannie dobrać sondę różnicową. Rys. 1. przedstawia uproszczony system pomiarowy, w którym sonda różnicowa o napięciach wejściowych V_P (dodatnim) i ujemnym V_N mierzy sygnał USB 3.1 Gen 1. W tym przykładzie dysk USB jest podłączony do laptopa, natomiast nie jest podłączony do sieci zasilania. Widoczne jest napięcie różnicowe V_DM = V_P – V_N  oraz napięcie sumacyjne

Sonda ma również połączenie z masą. To połączenie ma z kolei pasożytniczą i najczęściej nieznaną indukcyjność L_parasitic, która zależy od jakości i właściwości takich, jak odległość od masy. Wysoka indukcyjność masy powoduje pogorszenie jakości pomiaru sygnału wysokiej szybkości ze względu na zależność tłumienia składowej sumacyjnej od częstotliwości. Połączenie z masą jest potrzebne, aby zwiększyć współczynnik tłumienia składowej sumacyjnej (CMRR) sondy.

Realizacja

Wpływ połączenia masy na pomiary różnicowe można przeanalizować za pomocą konfiguracji widocznej na rys. 1:

• Napęd USB jest podłączony do laptopa

• Transmitowany sygnał jest mierzony za pomocą modularnej sondy R&S RT-ZM60, która jest podłączona do oscyloskopu cyfrowego R&S RTO2064.

W pierwszej konfiguracji zostało wykorzystane uziemienie modułu końcówki. W drugiej konfiguracji uziemienie nie zostało zrealizowane, aby zademonstrować różnicę wynikającą z dodatkowego połączenia z masą.

Najpierw mierzona jest składowa sumacyjna dla obu konfiguracji (z uziemieniem oraz bez), następnie mierzone jest napięcie różnicowe. Modularna sonda R&S RT-ZM doskonale nadaje się do tego celu, ponieważ pozwala na przełączenie między pomiarem składowej różnicowej (DM) i sumacyjnej (CM) bez potrzeby rozłączania czy lutowania sondy.

Rys. 2. przedstawia wyniki pomiaru składowej stałej. Niebieski przebieg oznacza pomiar z uziemieniem (konfiguracja 1). Zielony przebieg pokazuje wyniki pomiaru bez uziemienia (konfiguracja 2). Wartość międzyszczytowa (PTP) oraz średniokwadratowa (RMS) napięcia składowej sumacyjnej jest pokazana w okienku „Meas Results” po prawej, co pozwala na porównanie wartości sumacyjnej z obu pomiarów.

Zarówno wartość międzyszczytowa (95 mV), jak i średniokwadratowa (9 mV) zmierzonej składowej sumacyjnej w przypadku podłączenia do masy są znacznie niższe, niż przy braku takiego połączenia (PTP = 123 mV, RMS = 12,3 mV). To oznacza, że uziemienie jest konieczne w celu uzyskania dokładnych pomiarów składowej sumacyjnej.

Ciemnoróżowy przebieg widoczny na rys. 3. jest przykładem nieprzewidywalnego i nieznanego oddziaływania występującego, gdy sonda nie jest uziemiona. Odpowiada on pomiarowi w kolorze zielonym na rys. 2. – sytuacji, w której laptop jest podłączony do sieci przez zasilacz. Ciemnoróżowy przebieg pokazuje, że jego częstotliwość pracy zasilacza (ok. 55 kHz) także jest mierzona, co ma istotny wpływ na wyniki pomiaru. Wartość międzyszczytowa pomiaru składowej sumacyjnej jest przez to trzykrotnie wyższa, osiągając poziom 298 mV (PTP w okienku „Meas Results”).

Rys. 1. Przykład sondy różnicowej mierzącej sygnał transmitowany przez interfejs USB 3.1 Gen 1

Rys. 2. Porównanie pomiaru składowej sumacyjnej – wartości międzyszczytowej oraz średniokwadratowej w obu konfiguracjach testowych

Gdy masa sondy jest podłączona, połączenie laptopa z siecią zasilania nie ma wpływu na wyniki pomiarów.

Wyniki tego eksperymentu wskazują, że podłączenie masy sondy ma wpływ również podczas pomiarów napięcia różnicowego.

Aby porównać tę samą sekwencję danych w obu pomiarach, zostało wykorzystane wyzwalanie na podstawie protokołu magistrali szeregowej. Niebieski przebieg widoczny na rys. 4. przedstawia wyniki pomiaru przy pomocy uziemionej sondy, natomiast przebieg żółty – wyniki dla sondy nieuziemionej. Jitter opisujący wahania zegara (TIE) niebieskiego przebiegu jest przedstawiony na zielonym histogramie poniżej.

Rys. 3. Pomiary napięcia składowej sumacyjnej bez podłączenia do masy w sytuacji, gdy laptop jest podłączony do sieci zasilania

Rys. 4. Porównanie pomiarów składowej różnicowej

Wartość średniokwadratowa jitteru dla przypadku połączenia z masą odpowiada odchyleniu standardowemu histogramu σ = 10,8 ps (czerwony kursor). Wykonanie tego samego pomiaru dla żółtego przebiegu daje wynik  σ = 14,5 ps, czyli o 34% więcej. To wiąże się z występowaniem przestrzałów w żółtym przebiegu widocznych na powiększeniu. Wyniki te dowodzą, że wierność odwzorowania sygnału jest lepsza w przypadku użycia sondy podłączonej do masy.

Podsumowanie

Modularne sondy R&S RT-ZM oferują specjalne funkcje pozwalające na pomiar składowej różnicowej, sumacyjnej oraz pomiar linii niesymetrycznej. Podłączenie sondy do masy jest niezbędne w przypadku pomiaru składowej różnicowej, ponieważ zapobiega wahaniom poziomów w obwodzie, zapewniając stabilne i powtarzalne przebiegi sygnałów w zakresie obsługiwanym przez sondę różnicową – zwłaszcza na wysokich częstotliwościach. Podłączenie do masy obniża również pasożytniczą indukcyjność. Powinna być tak mała, jak to tylko możliwe, aby zagwarantować odpowiednią integralność sygnału. Sondy różnicowe z uziemieniem mogą zapewnić wysoką odporność na interferencje.