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 kijelentés, hogy csak mérésekkel juthatunk valós teljesítményadatokhoz, mert azt ténylegesen céleszközökkel, valódi áramkörön, valódi műszerekkel végezzük. Nem feledkezhetünk meg azonban arról, 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 hosszának megméréshez, amely egy mérőszalaggal könnyen elvégezhető. Az elektromosság nem látható, ezért céleszközökre, például oszcilloszkópra van szükségünk, hogy meg tudjuk jeleníteni például egy feszültség–idő függvény formájában, amit aztán részletesen elemezhetünk.
Az elmúlt évek során az elektromos eszközeinkben előforduló frekvenciák növekedésével a mérőműszerek teljesítménye is fej-lődött. Nagysebességű jelek méréséhez nagyobb sávszélességű mérőfejek állnak rendelkezésre. Ugyanakkor a sebesség olyan mértékben növekedett, hogy egy felépített áramköri lapon bizonyos mérések, különösen nagyfrekvenciás, differenciális buszok esetén – mint amilyen például a PCI Express is – gyakorlatilag kivitelezhetetlenek. Egyedi tesztáramkörökre van szükség, ami szintén hatással van a tényleges mérési eredményre, és ezért nem célravezető.
Szimulációval viszont az áramkör bármelyik részét megvizsgálhatjuk. Betekinthetünk az integrált áramkör belsejébe, például akár már a félvezetőn belüli jelfeldolgozásba is. Ez lényeges lehet, ha több gigabites tartományban dolgozó differenciális jelvezető-párok tulajdonságait akarjuk megvizsgálni, hogy megfeleljenek a tervezési előírásoknak. Természetesen ez csak akkor lehetséges, ha a busz összes alkotóelemét pontosan modellezzük.

1. ábra

Szimulációk és mérések

Több különböző szimulációtípust ismerünk: digitális, analóg, jelintegritás, tápintegritás vagy akár a termikus szimuláció (1. ábra). A modern elektronikák esetén leggyakrabban a jelintegritás-vizsgálatot használjuk, ami a digitális buszok fizikai rétegének analóg jellemzőit segít megismerni. Fő célja annak ellenőrzése, hogy a digitális jelek magas és alacsony logikai szintje feleljen meg a buszspecifikációnak. Ez a feszültség–idő függvény jelalakjának analízisével végezhető el. Ezeket a jelalakokat gyakran bitsorozatként vagy karaktersorozatként kezeljük. Nagyon hosszú sorozatok esetén a magas és alacsony logikai szintű szakaszok átfedik egymást. Az így keletkező képet gyakran nevezzük szemábrának (eye-diagram).
A hullámformák oszcilloszkóppal is mérhetők (2. ábra). Az oszcilloszkóp bemenete – mérőfejjel vagy SMA-csatlakozóval – a nyomtatott áramkörhöz csatlakozik, hogy a jelalakot megfigyelhessük. Az oszcilloszkóp egy bizonyos üzemmódban egy nagyon hosszú bitsorozat adatfolyamából felrajzolja a szemdiagramot, 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.

2. ábra

Ez utóbbi – több más különböző hullámforma-megjelenítési típus közt a legalkalmasabb a jelintegritás vizsgálatára (3. ábra). Előnye, hogy aránylag könnyű kiértékelni; ha a szem „nyitva van” akkor megfelel a feltételeknek. Ha zárt, az valamilyen jelalak-hibára utal.
Más hullámformákat is használunk a vizsgálatokhoz, például amikor a párhuzamos buszok esetén az óra- és az adatjeleket hasonlítjuk egymáshoz, annak ellenőrzésére, hogy az időzítés paraméterei megfelelnek-e a követelményeknek. Egy másik szimuláció az áthallás (crosstalk), amikor néhány jelvezetéket (net) elemzünk, hogy lássuk, az milyen zajt kelt egy másik jelvezetékben.
Ahhoz, hogy a szimulációs eszköz pontosan le tudja képezni ezeket a diagramokat, ismernie kell az integrált áramkörön belül elhelyezkedő I/O-bufferek viselkedését, a belső időzítéseket, a késleltetéseket, az egyéb parazita paramétereket, a vezetősáv viselkedését a nyákon és az összeköttetések minden más jellemzőjét. A szimuláció minden egyes eleméhez tartozik egy modell; például az I/O-buffer modellek az IBIS, a Spice és a VHDL-AMS leírásokat is magukba foglalják.
Az egyre jobban elterjedő, mind gyorsabb, több gigahertzes soros összeköttetéseknél a jitter- és a bithibaarány (BER) analízise is növelte a szemdiagramok alklamazása iránti igényt. A jitter lényegében a digitális jelek ideális időbeli pozíciójához képest mutatkozó eltérés mértéke egy adatfolyamban, ami a szemdiagram ábrán a szem bezárását eredményezi.

3. ábra

Együttműködésben

Az elektromágnesség fizikája és matematikája már évtizedek óta jól ismert. A szimulációs eszköz akkor hatékony, ha a gyakorlati mérési eredményekhez közeli számított eredményeket ad a pontosság feláldozása nélkül. Ennek feltétele az alkotóelemek fizikai jellemzőinek precíz modellezése.
Egy NyÁK esetében az egyik legfontosabb követelmény az áramkörök rétegfelépítésének helyes modellezése. Fontos a rézfelület precíz modellezése is a réz rétegvastagságától a vezetősávok szélességváltozásain át egészen a réz tényleges felületi érdességéig. A szimulációs és mérési eredmények közötti eltérések egyik leggyakoribb oka a rétegfelépítés pontatlan modellezése. Éppen ezért a két módszert összehasonlító eljárások nagyon hasznos adatokkal szolgálhatnak a hibaforrások meghatározásához.
Mivel a szimuláció során számos modellel dolgozunk, és ezek bármelyikében előfordulhat hiba, a szimuláció könnyen téves eredményhez vezethet. A hibalehetőségek száma a frekvencia-tartománnyal együtt növekszik.
A szimulációs modellek két fő csoportja az áramköri lapot és az integrált áramkört szimuláló modelltípus. Az integráltáramkör-modellek tartalmazzák az I/O-buffer modelleket és a tokozás tulajdonságait. Az IC-k jellemzőit bonyolultabb meghatározni, mivel az 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 is, amiben elhelyeztük.
Ezzel szemben az áramköri lapok jellemzőit elég jól meg lehet határozni az erre kialakított mérőeszközökkel. A vektor hálózat-analizátor (VNA) egy meghajtójelet küld az áramköri lap bemeneti csatlakozására, és méri az azon átvitt és a visszavert energiamennyiséget. A meghajtójel eltérő frekvenciatartományú szinusz-hullámokból áll össze, ezért vele az összeköttetés frekvenciafüggése is meghatározható.

Összegzés

A szimulációs és mérési technológiák egyre fejlődnek, hogy segítségükkel mind 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 tervezési folyamatainkat, és ennek segítségével generációról generációra nagyobb teljesítményű és megbízhatóbb hardvereket alkossunk.
A PADS-csomagokban integráltan, de önállóan is elérhető HyperLynx^®-funkciók a teljes körű analízis és ellenőrzés eszközei, amelyek szükség szerint a fejlesztés bármely szakaszában a hardvermérnök rendelkezésére állnak. A folyamat részeként hatékony és könnyen kezelhető szimulációs erőforrást kínál a kritikus követelmények ellenőrzésére és a költséges újratervezési fázisok elkerülésére, ezáltal mind a fejlesztés időszükséglete, mind pedig a költsége csökken.

Fülöp Attila, Pál Gergely ‑ EDMD Solutions Kft.

EDMD Solutions Kft.

1087 Budapest, Könyves Kálmán krt. 76.
Tel.: +36 1 461 9000
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.edmd.hu

Még több EDMD

Címkék: szimuláció | eye diagram | HyperLynx