SZIMULÁCIÓ VAGY MÉRÉS

A szimuláció és a mérés egyaránt az elektronikai fejlesztési folyamat alapvető része. Miben különböznek mégis? Ha csak a hullámformában megjelenített eredményt hasonlítjuk össze, akkor kis eltérésre számíthatunk. Természetesen azt szeretnénk, ha a szimuláció a laboratóriumi méréssel egyező hullámformát ábrázolna. Hogy ezt elérjük, elengedhetetlen megérteni a két módszer közötti különbséget és annak korlátait. A szimuláció és a mérés együttesen egyedülálló betekintést ad az elektronikai tervek tulajdonságaiba, és sokféleképpen egészítik ki egymást.

Melyik az igazi?

Könnyelmű a kijelentés, hogy csak mérések során jutunk el a valós teljesítmény adatokhoz, mert azt ténylegesen cél eszközökkel végezzük. Nem feledkezhetünk meg róla, hogy a mérés maga is befolyásolja az áramköri paramétereket, hiszen a mérőműszer is áramkörök és szoftverek egységéből épül fel.

Az elektromos jelek mérése nem hasonlítható egy darab fa méréshez, ahol egy mérőszalaggal könnyen meghatározható, hogy az milyen hosszú. Az elektromosság nem látható, így céleszközökre van szükségünk, mondjuk oszcilloszkópra, hogy megtudjuk jeleníteni és például egy feszültség-idő függvény formájában elemezhessük.

Az elmúlt évek során, a frekvencia tartományok növekedésével, a mérőműszerek teljesítményei is fejlődtek. Nagy sebességű jelek méréshez nagyobb sávszélességű mérőfejek érhetőek el. Ugyanakkor a sebesség olyan mértékben növekedett, hogy egy felépített áramköri lapon bizonyos mérések, különösen nagy-frekvenciás differenciális buszok esetén, mint amilyen a PCI Express is, egyszerűen kivitelezetlenek. Egyedi teszt áramkörökre van szükség, ami szintén hatással van a tényleges mérési eredményre és ezért nem célravezető.

Szimulációval az áramkör bármelyik részét megvizsgálhatjuk. Betekinthetünk az integrált áramkör belsejébe, akár már a félvezetőn belüli jelfeldolgozásba is, például a jelek kiegyenlítése esetén. Ez lényeges lehet, ha több gigabites tartományban dolgozó differenciális párok tulajdonságait akarjuk megvizsgálni, hogy megfeleljenek a tervezési előírásoknak. Természetesen ez csak akkor lehetséges, ha a busz összes alkotó elemét pontosan modellezzük.

 

Szimulációk és mérések

Több különböző szimuláció típus van: digitális, analóg, jelintegritás, tápintegritás vagy akár a termikus szimuláció. A modern elektronikák esetén az egyik leggyakoribb a jelintegritás vizsgálat, ami a digitális buszok analóg jellemzőire fókuszál. A fő célja, hogy ellenőrizzük, hogy a digitális egyes úgy nézzen ki, mint egy egyes, a nulla, pedig mint egy nulla, ami a feszültség-idő függvény jelalakjának analízisével végezhető el. Ezeket a jelalakokat gyakran bit-sorozataként (karakter sorozat) tekintjük meg, nagyon hosszú karakter sorozat (strings of bits) esetén elfedik egymást, amely tulajdonképpen a szemábra (eye-diagram).

A hullámformák oszcilloszkóppal is mérhetőek. Az oszcilloszkóp bemenete a nyomtatott áramkörhöz csatlakozik, mérőfejjel vagy SMA csatlakozóval, hogy a jelalakot megfigyelhessük. Az oszcilloszkóp egy bizonyos üzemmódban felrajzolja a szemdiagramot egy nagyon hosszú bit-sorozat adatfolyamát mérve, és minden egyes mintavételezési pontot egymásra rajzol, amíg a kép a felvett pontok alapján egy relatív sűrűséget mutat. A nagyobb sűrűség pontja eltérő színnel jelenik meg a szemábrán.

Kép: HyperLynx_2D_Eyediagram.png

A több különböző hullámforma típus közül a szemábra az egyik, amely a jelintegritás szimulációhoz használatosak. Előnye, hogy relatív könnyű kiértékelni, ha a szem nyitva akkor megfelel a feltételeknek, ha zárva akkor az valamilyen hibát jelent. Más hullámformákat is használunk a vizsgálatokhoz, például amikor a párhuzamos buszok esetén az óra és adat jeleket egymáshoz hasonlítjuk, hogy meggyőződjünk az időzítés paraméterei megfelelnek a követelményeknek. Egy másik szimuláció az áthallás (crosstalk), amikor néhány jelvezetéket (net) elemzünk, hogy lássuk, az milyen zajt kelt egy másik jelvezetékben.

A szimulációs eszköznek, ahhoz hogy pontosan le tudja képezni ezeket a diagramokat, ismernie kell az integrált áramkörön belül elhelyezkedő I/O bufferek viselkedését, a belső időzítéseket, késleltetéseket, az egyéb parazita paramétereket, a vezetősáv viselkedését a nyák-on és az összeköttetések minden más jellemzőjét. A szimuláció minden egyes eleméhez tartozik egy modell, például az I/O buffer modellek az IBIS, Spice, és VHDL-AMS leírásokat is magukba foglalják.

Nem a hullámformák az egyedüli eredmény típusok, amiket szimuláció vagy mérés során létrehozunk. Az egyre jobban elterjedő, gyorsabb és gyorsabb soros összeköttetések a több gigahertzes tartományban, a jitter-ek és bit hibaarány (BER) analízise magával hozta a szemdiagramok szükségességét. A jitterek lényegében digitális jelek ideális, időbeli pozíciójához képest mutatkozó eltérés mértéke egy adatfolyamban, ami a szemdiagram ábrán a szem bezárását eredményezi.

Együttműködésben

Az elektromágnesesség fizikája és matematikája már évtizedek óta jól ismert. A hatékony szimulációs eszköz egyik kulcsa, hogy gyakorlathoz közeli számítási eredményeket érjen el, a pontosság feláldozása nélkül. A másik, az alkotó elemek fizikai jellemzőinek precíz modellezése.

Egy NyÁK esetében az egyik legfontosabb, az áramkörök rétegfelépítésének helyes modellezése. Fontos a réz felület precíz modellezése is, kezdve a réz magasság, a vezetősávok szélesség változásaitól, egészen a réz tényleges felületi érdességéig. A rétegfelépítés pontatlan modellezése az egyik leggyakoribb hibaforrása a szimulációs és a mérési eredmények közötti eltéréseknek. Éppen ezért a két módszert összehasonlító eljárások nagyon hasznos adatokkal szolgálhatnak a hibaforrások meghatározásában.

Mivel szimuláció során számos modellel dolgozunk, ezért bármelyik modellben is található hiba, az könnyen téves eredményhez vezethet. A hibalehetőségek száma a frekvencia tartománnyal együtt növekszik.

A szimulációs modelleket két fő csoportba oszthatjuk: áramköri lap és integrált áramkör modellek.

Az integrált áramkör modellek tartalmazzák az I/O buffer modelleket és a tokozás tulajdonságait. Az IC-k jellemzőit bonyolultabb meghatározni és mindez csak speciális berendezésekkel lehetséges. Az integrált áramkörök átviteli tulajdonságait egy speciális vizsgálati környezetben mérhetjük meg és a keletkező hullámformát egy oszcilloszkóp segítségével jelenítjük meg. Az eljárás több korláttal rendelkezik, hiszen az IC működésére kihat maga a vizsgálati környezet, amiben elhelyeztük.

Ezzel szemben az áramköri lapok jellemzőit, az erre kialakított mérőeszközökkel, elég jól meg lehet határozni. A vektor hálózatanalizátor (VNA) egy meghajtó jelet küld az áramköri lap bemeneti csatlakozására és méri az azon átvitt és a visszavert energia mennyiséget. A meghajtó jel eltérő frekvencia tartományú szinusz hullámokból áll össze, így meghatározható vele az összeköttetés frekvenciafüggése.

Szimuláció

Mérés

Fejlesztési szakasz

Korai fázisban

Csak az utolsó szakaszban

Eszköz igény

Szimulációs szoftver

Oszcilloszkóp / VNA / TDR / NyÁK prototípus

Felhasználási terület

Rendszer korlátainak megértése Tervezési iránymutatás Terv vizsgálata / megfeleltetése

A prototípus vizsgálatára

Szakértelem igény

Kezdő szinttől

Szakmai tudást igényel

Korlátok

Az alkatrészek pontos modellezése Nem minden hatást lehet vizsgálni Feltételezéseket alkalmaz

Befolyásolja az áramkört Mérőhelyiségre van szükség Feltételezéseket alkalmaz

Előnyök

Nincs szükség prototípusra Bárhol felhasználható Terv változatok könnyű összehasonlítása Lehetőségek egyszerű vizsgálata

Legtöbb hatást képes vizsgálni Közel valós eredmény

Összegezve

A szimulációs és mérési technológiák egyre fejlődnek, hogy segítségükkel egyre jobban megérthessük az általunk tervezett elektronikai eszközök képességeit és korlátait. Egymást kiegészítve az eszközök lehetővé teszik számunkra, hogy folyamatosan értékeljük és az aktuális elvárásokhoz igazítsuk a tervezési folyamatainkat, és így generációról-generációra nagyobb teljesítményű és megbízhatóbb hardvereket alkossunk.

A PADS csomagokban integráltan, de önállóan is elérhető HyperLynx® funkciók teljes körű analízis és ellenőrzés eszközei, szükség szerint a fejlesztés bármely szakaszában a hardvermérnökök rendelkezésére állnak. A folyamat részeként, hatékony és könnyen kezelhető szimulációs erőforrást biztosít, a kritikus követelmények ellenőrzésére és a költséges újra tervezési fázisok elkerülésére, ezáltal mind a fejlesztési idő, mind a költségek lecsökkennek.

EDMD Solutions Kft.

info-hu@edmd-solutions.com

www.edmd.hu

No Such Template. Please Select Valid Template and Try Again.