Яка різниця між моделюванням та вимірюванням?

Моделювання та вимірювання є важливими для процесу проектування електроніки. Чим вони відрізняються? Дізнайся зараз.

Завантажте цю статтю у форматі .PDF
Цей тип файлу включає графіку та схеми з високою роздільною здатністю.

Моделювання та вимірювання є важливими для процесу проектування електроніки. Чим вони відрізняються? Якщо ми маємо на увазі форми хвиль, сподіваємось, різниці дуже мало. Ви завжди хочете, щоб ваші імітовані форми хвиль виглядали точно так само, як у лабораторних вимірах. Але розуміння відмінностей між можливостями та обмеженнями як вимірювання, так і моделювання є важливим для досягнення цього. Моделювання та вимірювання дають унікальне уявлення про ефективність вашої електронної конструкції та багато в чому доповнюють одне одного.

Зміст

Що таке справжня відповідь?

Спокусливо стверджувати, що вимірювання дають реальну відповідь на те, якою є продуктивність системи, оскільки воно базується на фактичному фізичному обладнанні. Але важливо пам’ятати, що ми вимірюємо електронні схеми, і для цього ми повинні змінити схему. Насправді саме вимірювальне обладнання складається з ряду електронних схем, а також програмного забезпечення.

Вимірювання електрики значно відрізняється від вимірювання шматка дерева. Коли ви дістаєте рулетку, ви знаєте, що дерево має довжину 2 фути і 3/16 дюйма. Але ми не бачимо електрику, тому нам потрібна машина, як осцилограф, щоб інтерпретувати її та відображати так, щоб ми могли зрозуміти її як графік напруги-часу. Отже, нам потрібно довіряти, що вимірювання правильно інтерпретує електрику, що передбачає трохи більше розуміння того, як це працює, ніж просто переконання, що хлопець із рулетки розмістив усі позначки в потрібному місці.

Пов’язані статті

Оскільки швидкість електроніки зростала з роками, зростали і швидкості, і можливості вимірювальних інструментів. Вони зробили зонди осцилографа з більшою пропускною здатністю, щоб мати можливість вимірювати швидші сигнали та з більшим імпедансом, щоб мінімізувати вплив на роботу схеми. Але швидкості зросли настільки, що бортові вимірювання для багатьох шин, зокрема високошвидкісних диференціальних шин, таких як PCI Express, стали недоцільними. Для цих сигналів вимірювання необхідно проводити за допомогою спеціальних тестових плат, таких як тестові плати на відповідність, пов'язані з PCI Express. Це робить вимірювання ще більш віддаленим від реальності, але все одно не без великої цінності.

З іншого боку, в моделюванні ви можете шукати де завгодно в схемі. Це дозволяє побачити всередині ІС, минулу обробку сигналів на мікросхемі, як вирівнювання, що є важливим для оцінки продуктивності високошвидкісних диференціальних ліній зв'язку в мультигігабітному діапазоні. Однак для цього всі шматки автобуса повинні бути точно змодельовані.

Види моделювання та вимірювання

Існує багато типів моделювання для електроніки: цифрове, аналогове, цілісність сигналу, цілісність живлення і навіть теплове моделювання (див. Таблицю). Одним з найпоширеніших типів моделювання, що використовується в сучасній електроніці, є цілісність сигналу, яка фокусується на аналогових характеристиках цифрових шин. Основна мета моделювання цілісності сигналу полягає в тому, щоб перевірити, чи цифрові виглядають як одиниці, а нулі - як нулі, що робиться шляхом аналізу сигналів напруги і часу сигналів. Ці сигнали зазвичай розглядаються як серія з декількох бітів або іноді дуже довгих рядків бітів, накладених один на одного, що називається діаграмою очей.

Форми сигналу також можна виміряти на осцилографі. Осцилограф підключений до приймача сигналу на друкованій платі (друкованій платі) через щуп або кабелі SMA, що дозволяє йому фіксувати форму сигналу. Осцилограф може бути розміщений у режимі, який створює діаграму ока, вимірюючи потік даних для дуже довгої серії бітів, і кожна точка вибірки вимірювань накладається одна на одну, поки не буде створено зображення, яке показує відносну "щільність" із захоплених очок. Точки більш високої щільності відображаються у вигляді різних кольорів на діаграмі ока (рис. 1).

1. Вимірювання форми хвилі можна проводити як у “віртуальному” осцилографі HyperLynx, так і в реальному осцилографі. М'яке управління віртуальним осцилографом забезпечує знайоме управління, яке існує на реальному осцилографі, полегшуючи перехід від апаратного до програмного пристрою.

Діаграми очей - це один із багатьох типів сигналів, що використовуються для аналізу цілісності сигналу. Їх порівняно легко оцінити. Відкрите око означає стан, що проходить, а закрите - відмова. Також аналізуються інші типи сигналів. Наприклад, для паралельної шини частота та сигнал сигналу часто повинні порівнюватися між собою, щоб переконатися, що специфікації синхронізації виконуються. Іншим типом моделювання є моделювання перехресних перешкод, де зчеплені мережі аналізуються, щоб побачити, який шум пов'язаний від одного сигналу до наступного.

Для формування цих сигналів інструмент моделювання повинен мати знання про поведінку буферів вводу-виводу на мікросхемі, внутрішній хронометраж мікросхеми, паразитизм пакету, поведінку слідів на платі та будь-які інші фігури. взаємозв'язку, як виа, шпильки та роз'єми. Всі ці компоненти моделювання мають пов'язані моделі. Моделі буфера вводу-виводу включають IBIS, Spice та VHDL-AMS.

Моделі пакунків та S-параметрів зазвичай мають формат Spice або S-параметр. Моделі взаємозв'язку, як правило, створюються за допомогою інструмента моделювання і вимагають певного типу двовимірного або тривимірного розв'язувача поля. Усі ці моделі передаються в симулятор схеми, який генерує сигнали, що аналізуються. І, звичайно, всі ці моделі повинні бути точними, якщо очікується, що результати моделювання будуть відповідати виміряним формам хвиль.

Однак сигнали - це не єдиний тип результатів, отриманих в результаті моделювання та вимірювань. З розповсюдженням все більш швидких та швидших послідовних з’єднань у мультигігагерцовій царині, поява аналізу коливань та коефіцієнтів помилок в бітах (BER) супроводжувала потребу в діаграмах очей. Джиттер - це, в основному, дисперсія часу в ребрах потоку даних, що призводить до закриття діаграми ока.

У посиланні є багато джерел тремтіння, і кожен тип тремтіння має унікальний підпис. Наприклад, тремтіння може бути синусоїдальним, рівномірним або гауссовим. Багато джерел тремтіння за своєю суттю є частиною звичайного моделювання, наприклад, міжсимвольної перешкоди (ISI), яка створюється при запуску довгих послідовностей випадкових бітів, тоді як інші можуть бути додані незалежно до моделювання. Подібним чином різні джерела тремтіння можна екстраполювати з вимірюваного ока і виміряти на осцилографі (рис. 2).

2. Різні типи аналізу сигналів можуть бути отримані з симулятора (а) та осцилографа (б). У (а) є три способи представити діаграми очей: осцилограф (внизу зліва), графічний графік (вгорі ліворуч) та 3D (вгорі праворуч). У нижньому правому куті представлено розподіл тремтіння в частотній області. У (b) діаграми очей представлені вгорі, а розподіл частоти Гауса по низу. Однією з переваг моделювання є ширша різноманітність подань даних, що дозволяє більш змістовне тлумачення.

Деякі джерела тремтіння, такі як тепловий шум на мікросхемах, не можуть бути змодельовані. Але оскільки їх розподіл, як відомо, є гауссовим, їх можна штучно додати до моделювання. Це дозволяє моделювати імітувати випадкове тремтіння, яке існує на всіх формах хвиль і може бути видно при вимірюванні. Насправді тепловий шум є основним джерелом випадкового тремтіння в електронних схемах. І оскільки його розподіл є гауссовим, він безмежний, що означає, що врешті-решт всі діаграми очей закриються. Ось чому маски для очей визначаються з різними BER.

Джиттер також можна досліджувати з точки зору BER та "кривих ванни", таких як ті, що зображені на малюнку 2, і може бути створений на основі сигнальних сигналів для опису цього зв'язку. Подібним чином, при моделюванні можуть бути створені контури очей на різних рівнях BER для прогнозування продуктивності. Визначення продуктивності за дуже низькими рівнями BER - це те, що виміряти було б дуже важко, оскільки це вимагало б збору зразків потоку даних на осцилограф протягом місяців і, можливо, років.

Отримання кореляції

Фізика і математика електромагнетики були добре зрозумілі протягом десятиліть. Однак ключовим фактором створення ефективного інструменту моделювання є можливість створення практичних рівнів обчислювальної продуктивності без шкоди для точності. І це лише одна частина проблеми. Інший - переконатися, що ви точно моделюєте фізичні структури.

Наприклад, на друкованій платі однією з найважливіших речей для правильного моделювання є складання плати. Це означає розуміння точних висот діелектриків, що використовуються виробником плати, та властивостей діелектричного матеріалу, зокрема діелектричної проникності та дотичної втрати. Крім того, мідь, що використовується на дошці, повинна бути змодельована належним чином, включаючи точну масу міді, зміни ширини слідів від процесу травлення та фактичну текстуру або шорсткість поверхні міді.

Неправильне моделювання складання дошки є одним з основних джерел розбіжностей, які можуть існувати між моделюванням та вимірюванням. Дослідження кореляції - це неймовірно корисні вправи для визначення джерел помилок у процесі моделювання та вимірювання. На малюнку 3 показані результати прикладного дослідження.

3. У кореляційному дослідженні порівнювали результати моделювання HyperLynx з використанням модельованого симулятором з'єднання (ліворуч) та вимірюваного з'єднання (праворуч). Тут виміряні дані було замінено на HyperLynx і показано поряд із даними моделювання. Кореляція надзвичайно хороша.

Оскільки в моделюванні використовується кілька моделей, помилки в будь-якій з них можуть призвести до помилкових результатів. Кількість джерел помилок, як правило, збільшується із збільшенням частоти та прагнення до більш точної кореляції. Моделі можна згрупувати за двома основними напрямками: мікросхема та плата.

Моделі мікросхем включають моделі буферів вводу-виводу та пакети. Як правило, чіпси важче охарактеризувати і потребують спеціального обладнання. Ви можете виміряти передавальну поведінку мікросхеми, запустивши його в текстовий прилад і вимірявши отриману форму осцилографа. Однак це обмежено корисно, оскільки на роботу мікросхеми, як правило, суттєво впливає система, в якій він розміщений.

Натомість дошку можна досить добре охарактеризувати, оскільки вона є пасивним пристроєм. Існують вимірювальні прилади, спеціально призначені для вимірювання дощок. Наприклад, векторний мережевий аналізатор (VNA) додає стимул до плати міжмережевого з'єднання і вимірює кількість енергії, що передається через межсоединение і відбивається межсоединением. Використаним стимулом є синусоїда в діапазоні різних частот, що допомагає забезпечити частотну модель взаємозв'язку, яка називається параметром розсіювання або S-параметром.

Інший вимірювальний пристрій, рефлектометр у часовій області (TDR), може характеризувати взаємозв'язок, аналогічно розглядаючи відбиту та/або передану енергію, але замість цього використовуючи край (перехід від низького до високого) як стимул. Ці вимірювальні прилади можуть точно характеризувати взаємозв'язок і надзвичайно цінні для того, щоб допомогти виявити джерела помилок між моделюванням та вимірюванням.

Висновок

Оскільки технологія моделювання та вимірювання продовжує прогресувати, ми отримуємо більше розуміння можливостей та меж електронних пристроїв, які ми проектуємо. Можливості кожного доповнюють одне одного і дозволяють нам постійно вдосконалювати наші дизайнерські процеси, щоб бути більш ефективними, та розробляти більш ефективне, надійне обладнання, яке продовжує розширювати межі продуктивності покоління за поколінням.

Список літератури

Патрік Кар'єр має більш ніж десятирічний досвід роботи в галузі цілісності сигналів та живлення. Він працював інженером з цілісності сигналів у Dell протягом п'яти років, перш ніж приєднатися до Mentor у вересні 2005 року, де він є менеджером з маркетингу продуктів для високошвидкісних засобів аналізу друкованих плат.

Чак Феррі є менеджером з маркетингу продуктів для високошвидкісних інструментів у Mentor Graphics, зосередженим на визначенні продуктів для рішень щодо цілісності сигналу та цілісності живлення Він провів останні 14 років, вирішуючи широкий спектр високошвидкісних завдань цифрового проектування, починаючи від проектування материнської плати на системному рівні до аналізу мультигігабітних каналів. Закінчив Університет штату Алабама в Хантсвіллі, отримавши ступінь BSE з електротехніки, і продовжив аспірантські курси з обробки сигналів та мов опису апаратного забезпечення.