Упрощение проверки последовательности подачи питания с помощью 8- канального осциллографа
Дэйв Перелес (Dave Pereles), Tektronix
Большинство встраиваемых систем использует несколько питающих напряжений, в некоторых случаях четыре или даже больше. Одна интегральная схема, такая как ПЛИС, сигнальный процессор или микроконтроллер, может использовать несколько питающих напряжений, к последовательности подачи которых предъявляются особые требования. Например, производитель может рекомендовать дождаться стабилизации питания ядра перед подачей напряжения на цепи ввода/вывода. Или производитель может потребовать, чтобы питающие напряжения подавались с определённой задержкой друг за другом во избежание больших перепадов напряжения на разных линиях питания. Очень важную роль может играть также последовательность подачи питания на процессоры и внешнюю память.
Производители ИС иногда указывают, что некоторые напряжения должны нарастать монотонно во избежание многократных сбросов по питанию. Реализация таких условий может оказаться проблематичной, поскольку пусковые токи предъявляют жёсткие требования к вторичным стабилизаторам напряжения. В этом случае форма напряжения питания в момент запуска не менее важна, чем последовательность запуска.
Объединив в одном проекте источники питания ИС, мощные источники питания, источники опорного напряжения и вторичные стабилизаторы можно легко получить до семи или восьми линий питания.
Использование 4-канального осциллографа для проверки временных соотношений при подаче питания во встраиваемой системе может потребовать много времени, но именно так вынуждено поступать большинство инженеров. Общаясь с пользователями осциллографов, мы выяснили, что именно оценка последовательности включения и выключения питания является одной из основных причин, по которой инженеры хотят иметь больше четырёх каналов. В этой статье мы кратко опишем применение с этой целью 4-канального осциллографа, а затем приведём некоторые примеры использования 8-канального осциллографа.
Традиционные методы измерения с помощью 4-канального осциллографа
Один из подходов заключается в разбиении анализа системы питания на блоки – в этом случае выполняется несколько захватов для поблочной оценки временных соотношений. Для сравнения блоков между собой можно настроить запуск по одной из линий питания или по сигналу готовности питания и выполнить несколько захватов, определяя время включения и выключения по отношению к этому опорному сигналу. Поскольку захваты выполняются в разных циклах включения питания, разброс относительного времени включения источников довольно трудно охарактеризовать. Тем не менее, диапазон вариаций задержки включения каждого источника от цикла к циклу можно определить, выполняя измерения в нескольких циклах с бесконечным послесвечением экрана.
Другой распространённый подход заключается в каскадном включении нескольких осциллографов. Обычно это делается путём запуска развёртки осциллографов от одного из источников питания или от общего сигнала готовности питания.
Оба эти подхода отнимают много времени и требуют особого внимания к запуску:
- Нужно уделить особое внимание запуску и временным погрешностям
- Возможна агрегация данных для построения временной диаграммы всей системы, но это требует много времени
- С ростом числа контролируемых линий питания растёт и сложность измерения
- Схемы измерения должны быть идеально согласованными
- Один измерительный канал нужно использовать для запуска.
Расширение числа каналов с помощью осциллографа смешанных сигналов
Осциллограф смешанных сигналов может предоставить дополнительные каналы для исследования последовательности включения питания. Чтобы это работало, цифровые входы осциллографа смешанных сигналов должны поддерживать соответствующий диапазон напряжения и независимо настраиваемые пороги. Например, Tektronix MDO4000C с опцией MSO предлагает 16 цифровых входов с независимо настраиваемыми порогами для каждого канала и динамическим диапазоном ± 30 Впик-пик на частоте до 200 МГц, что подходит для большинства источников питания, используемых в современных конструкциях. Обратите внимание, что этот подход работает хорошо, если нужно просто измерить временные соотношения, но он не позволяет измерять время нарастания/спада и форму (монотонность) питающих напряжений в процессе включения/выключения.
8-канальные осциллографы ускоряют процесс
Применение осциллографа с восемью аналоговыми каналами существенно сокращает время и сложность измерений по сравнению с описанными выше методами.8-канальный осциллограф позволяет измерять напряжения до восьми линий питания, используя для этого аналоговые пробники. Кроме того, для измерения взаимного времени включения и отключения линий питания можно использовать осциллограф смешанных сигналов с цифровыми входами и независимо настраиваемыми порогами.
А теперь давайте рассмотрим некоторые типичные случаи измерения последовательности подачи питания.
Задержка включения при дистанционном включении/выключении
Исследуемый импульсный источник питания на приведённом ниже рисунке подаёт стабилизированное постоянное выходное напряжение 12 В с большим уровнем тока. Управление этим источником питания осуществляется дистанционно с помощью выключателя на передней панели прибора. Вскоре после нажатия на выключатель подаётся дежурное напряжение +5 В, позволяющее запустить импульсный преобразователь. После стабилизации выходного напряжения +12 В появляется сигнал готовности питания (PW OK), сообщающий о том, что питание находится в норме.
Дежурное питание +5 В даёт простой нарастающий фронт, который используется для запуска захвата других сигналов. Автоматические измерения проверяют, что задержка включения выходного напряжения не превышает 100 мс, и что задержка от включения выходного напряжения до появления сигнала PW OK лежит (в соответствии со спецификациями) в диапазоне 100 – 500 мс.
Рис.1 На этом снимке показан процесс включения импульсного источника питания после нажатия кнопки на передней панели.
Задержка выключения при дистанционном включении/выключении
После выключения кнопкой импульсный преобразователь отключается, и выходное напряжение начинает спадать. Согласно спецификациям источник питания продолжает стабилизировать напряжение не менее 20 мс после нажатия на кнопку. Но, самое главное, сигнал PW OK должен пропасть за 5-7 мс до того, как выходное напряжение +12 В перестанет стабилизироваться, что даст время нагрузке среагировать и корректно завершить работу.
Как показано ниже, для запуска захвата соответствующих сигналов используется спад сигнала PW OK. Измерительный курсор показывает, что предупредительный сигнал PW OK соответствует спецификациям.
Рис.2 Для проверки соответствия предупредительного сигнала PW OK спецификациям можно использовать измерительный курсор.
Проверка временных соотношений за несколько циклов включения питания
Чтобы убедиться, что задержка включения питания остаётся в пределах нормы в течение нескольких циклов включения/выключения, можно использовать режим бесконечного послесвечения экрана для отображения временных флуктуаций сигнала и статистические измерения временных параметров для количественной оценки этих флуктуаций. На приведённом ниже рисунке в качестве точки отсчёта используется момент достижения дежурным напряжением +5 В уровня 50 %. Последовательность включения повторяется 10 раз, и разброс задержки за 10 циклов включения не выходит за пределы одного процента.
Рис.3 Многократные измерения включения можно выполнить в режиме бесконечного послесвечения с одновременным измерением статистических показателей.
Временные параметры вторичных стабилизированных источников питания
На приведённом ниже рисунке показан процесс включения семи вторичных стабилизированных источников питания системной платы. Входное напряжение поступает на плату от дежурного источника +5 В и мощного источника +12 В, описанных в предыдущем примере.
В данном случае автоматические измерения задержки включения выполнялись по отношению к 50-процентному уровню каждого сигнала, то есть, каждое измерение имело свою конфигурацию с разным набором измерительных порогов. Первое измерение показывает задержку от включения дежурного питания +5 В до включения мощного источника +12 В, а второе измерение показывает задержку до включения основного питания +5 В. Остальные измерения показывают критически важные задержки от момента включения основного питания +5 В.
Рис.4 Это измерение показывает последовательность включения семи стабилизированных источников питания.
Последовательность выключения стабилизированных источников питания
В данном случае автоматические измерения задержки выключения выполнялись между точками, в которых напряжения снижались на 5 процентов от номинального значения. В отличие от порогов прежнего измерения, которые выражались в процентах, здесь каждое измерение имело абсолютное пороговое напряжение. При выключении источника питания сигнал готовности питания пропадает. Как видно на приведённом ниже рисунке, некоторые источники нагружены больше и выключаются быстрее других.
Рис.5 Некоторые источники нагружены больше и выключаются быстрее других.
Задержка включения более чем 8 линий питания
Автоматическое измерение задержек основано на измерении времени пересечения каждым сигналом соответствующих пороговых уровней. Поскольку каждое автоматическое измерение может использовать уникальное значение порога (обычно 50 % от амплитуды сигнала), и каждый цифровой канал может иметь уникальное значение порога (которое обычно тоже устанавливается на 50 % от напряжения источника питания), осциллографы смешанных сигналов могут измерять задержки включения источников питания, число которых равно числу имеющихся цифровых входов, как показано ниже. В зависимости от модели осциллографа число каналов может лежать в диапазоне от 8 до 64.
Рис.6 Применение цифровых каналов для измерения задержки включения более восьми стабилизированных источников питания.
Измерение времени нарастания напряжения источника питания
Для удовлетворения спецификаций некоторых ответственных компонентов системы нужно контролировать не только задержку включения, но время нарастания питающих напряжений. Автоматические измерения времени нарастания и спада тоже выполняются по отношению к опорным точкам, которые по умолчанию автоматически рассчитываются
по уровню 10 и 90 % от амплитуды сигнала в каждом канале. В приведённом ниже простом примере время нарастания положительных источников питания и время спада отрицательных источников питания показано в полях результатов в правой части экрана.
Рис.7 Измеренные времена нарастания и спада показаны в полях результатов в правой части экрана.
Об авторе:
# # #
Дэйв Перелес работает в компании Tektronix менеджером по техническому маркетингу и более 25 лет занимал различные должности в сфере производства контрольно- измерительных приборов, включая разработку приложений и управление реализацией продукции. Он имеет степень бакалавра электроники Тринити-Колледжа в городе Хартфорд, штат Коннектикут, и степень магистра бизнеса Университета Сиэтла.
Если Вас заинтересовало оборудование, описанное в данной статье, обратитесь к нашим специалистам. Они порекомендуют приборы для решения Ваших задач. Присылайте свои вопросы на эл.почту br@sernia.ru.
