アプリケーション ノート 図 1. MSO4000Bシリーズ 用 デジタル プローブ1 本 で 異 なるロジック ファミリ (TTLとLVPECL)のスレッショルドを 設 定 した 例 上 3つのチャンネルはTTL 信 号 でスレッショルドは1.4V 下 2つのチャンネルはLVPECL 信 号 でス

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1 アプリケーション ノート ミックスド シグナル オシロスコープによる デジタル 回 路 のテスト 方 法 ミックスド シグナル オシロスコープ(MSO)はアナログとデ ジタルの 両 方 の 信 号 が 観 測 できるので デジタル 回 路 の 検 証 とデ バッグに 最 適 な 計 測 器 です このアプリケーション ノートは MSOを 使 用 した デジタル 設 計 の 効 率 的 なデバッグに 役 立 つヒントを 説 明 します 具 体 的 には ロジック スレッショルドの 設 定 クロック チャンネル デス キューなどの 重 要 な 設 定 について 説 明 します また いくつかの 例 を 使 用 しながら 最 小 のパルス 幅 違 反 セットアップ/ホール ド 時 間 違 反 のトリガ 方 法 アナログ デジタル コンバータの 出 力 コードの 検 証 方 法 についても 説 明 します テクトロニクスのMSO2000シリーズとMSO5000シリーズ ミックスド シグナル オシロスコープは 優 れたオシロスコー プ 性 能 と 基 本 的 な16チャンネル ロジック アナライザ 機 能 を 併 せ 持 っています MDO3000シリーズ MDO4000シリーズ には 16チャンネルのロジック アナライザ 機 能 が 装 備 されてい ます このアプリケーション ノートで 説 明 しているMSOの 機 能 は MDOシリーズにも 搭 載 されています

2 アプリケーション ノート 図 1. MSO4000Bシリーズ 用 デジタル プローブ1 本 で 異 なるロジック ファミリ (TTLとLVPECL)のスレッショルドを 設 定 した 例 上 3つのチャンネルはTTL 信 号 でスレッショルドは1.4V 下 2つのチャンネルはLVPECL 信 号 でスレッショルドは 2.00Vに 設 定 されている 図 2. MSOシリーズによるタイミング 解 析 の 例 4 種 類 のパラレル バスが 定 義 され 下 3つはデバイスのクロック 信 号 に 同 期 したデコードがなされている デジタル 信 号 のスレッショルド 設 定 ミックスド シグナル オシロスコープでは デジタル チャンネル を 使 ってデジタル 回 路 の 信 号 を デジタル ハイまたはデジタル ローとして 表 示 します これは リンギング オーバーシュート グランド バウンスなどのロジックの 遷 移 が 発 生 しないことを 前 提 としています MSOではアナログ 特 性 は 無 視 されます MSO は ロジック アナライザのようにスレッショルド 電 圧 を 基 準 に して 信 号 が 論 理 ハイなのか 論 理 ローなのかを 判 断 し 表 示 します MSO5000シリーズ MSO4000シリーズはチャンネルごと にスレッショルドを 設 定 できるため さまざまなロジック ファミリが 混 在 するような 回 路 のデバッグに 最 適 です 図 1は MDO4000シリーズのデジタル プローブの1つのプローブ ポッドで5 種 類 のロジック 信 号 を 測 定 した 例 です 3つのTTL (Transistor-Transistor Logic) 信 号 と2つのLVPECL(Low- Voltage Positive Emitter-Coupled Logic) 信 号 が 同 時 に 測 定 されています MSO2000シリーズとMSO3000シリーズでは スレッショル ドはプローブ ポッド(8チャンネル)ごとに 設 定 するため TTL 信 号 を1つのポッドに LVPECL 信 号 をもう1つのポッドに 接 続 します タイミング 解 析 とステート 解 析 ロジック アナライザによるデジタル 信 号 の 取 込 みには 2 種 類 の 方 法 があります 一 つはタイミング 解 析 であり サンプル レー トにしたがって 同 一 の 時 間 間 隔 でデジタル 信 号 をサンプリングし ます 各 サンプル ポイントにおいて 信 号 の 論 理 値 を 保 存 し 信 号 のタイミング 波 形 を 表 示 します もう 一 つの 取 込 みがステート 解 析 です ステート 解 析 では デジ タル 信 号 の 論 理 状 態 が 有 効 で 安 定 する 時 間 を 定 義 します 同 期 回 路 クロック デジタル 回 路 では 一 般 的 です クロック 信 号 は 信 号 状 態 が 有 効 なときの 時 間 を 定 義 します 例 えば 入 力 信 号 の 安 定 時 間 は Dフリップフロップのクロックの 立 上 りエッジ 付 近 になります 出 力 信 号 の 安 定 時 間 は Dフリップフロップのクロッ クの 立 下 りエッジ 付 近 になります 同 期 回 路 のクロック 周 期 は 固 定 されていないため ステート 解 析 による 取 込 みの 時 間 間 隔 はタ イミング 解 析 のように 一 定 ではありません ミックスド シグナル オシロスコープのデジタル チャンネルは 図 2 下 半 分 に 示 すように ロジック アナライザのタイミング 解 析 モードに 似 ています ステート 情 報 が 必 要 な 場 合 MDO/ MSOシリーズ オシロスコープはロジック アナライザのステート 表 示 のように タイミング アクイジションからクロック バス 表 示 ( 図 2)やイベント 表 示 ( 図 3)へのデコードが 行 えます 2 jp.tektronix.com/bench

3 ミックスド シグナル オシロスコープによるデジタル 回 路 のテスト 方 法 図 3. デコードされたデータは ロジック アナライザのステート 解 析 表 示 のように イベント 表 示 できる 図 4. プローブのカラーは 波 形 のカラーと 同 じであるため 信 号 とテスト ポイント が 簡 単 に 識 別 できる カラーコードによるデジタル 波 形 表 示 デジタル タイミング 波 形 は ハイかローのロジック 値 が 表 示 さ れることを 除 けば アナログ 波 形 によく 似 ています タイミング 解 析 は 主 に 特 定 の 時 間 ポイントにおけるロジック 値 を 特 定 した り 1つまたは 複 数 の 波 形 間 のエッジ トランジション 間 の 時 間 を 測 定 します 解 析 が 容 易 になるよう 当 社 のMDO/MSOはデ ジタル 波 形 のロジック ローを 青 で ロジック ハイを 緑 で 表 示 するため 信 号 のトランジションが 見 えにくい 場 合 でもロジック 値 を 確 認 することができます 波 形 のラベル カラーもプローブ のカラーと 同 じであるため 図 4のように 信 号 とテスト ポイン トが 容 易 に 識 別 できます デジタル タイミング 波 形 は グルーピングしてバス 表 示 するこ ともできます グループ 内 の 任 意 のデジタル 信 号 を 最 下 位 ビット として 定 義 し その 他 のデジタル 信 号 も 最 上 位 ビットまで 自 由 に 並 びかえることができます オシロスコープは バスをデコード してバイナリまたは16 進 にします MDO/MSOはイベント 表 示 も 可 能 で ロジック 状 態 をバイナリまたは16 進 で 表 示 すること もできます どのステートにもタイムスタンプが 付 くため タイ ミングが 簡 単 に 測 定 できます 当 社 のMSOシリーズは クロック 同 期 表 示 または 非 クロック 同 期 表 示 によるパラレル バス 表 示 が 行 えます クロック 同 期 表 示 で は クロックとして 設 定 した 信 号 の 立 上 りエッジ 立 下 りエッジ または 両 方 のエッジでバスのロジック ステートを 決 定 します これにより バスの 有 効 なトランジションのみが 表 示 され デー タが 有 効 でない 場 合 のトランジションは 無 視 されます 非 クロッ ク 同 期 表 示 では サンプル ポイントごとにバスをデコードし すべてのバスのトランジションを 表 示 します クロック 同 期 表 示 では デコードされるバス 表 示 とイベント 表 示 は ロジック ア ナライザのステート 表 示 によく 似 たものになります バスのデ コード 表 示 は 取 込 んだ 後 の 処 理 ですので 解 析 中 にデコード 形 式 を 変 更 することもできます 当 社 のMDO/MSOシリーズは 機 種 によって 異 なりますが 最 高 で2~16までのバスを 同 時 にデコードすることができます バス としては パラレルとシリアル(I 2 C SPI USB CAN LIN FlexRay RS-232/422/485/UART Ethernet MIL- STD-1553 I 2 S/LJ/RJ/TDM)が 定 義 できます パラレル バスは D0~D15のデジタル チャンネルを 任 意 に 組 み 合 わせ ることができます シリアル バスは アナログの1~4チャン ネルとデジタルのD0~D15チャンネルを 任 意 に 組 み 合 わせるこ とができます MSO2000/3000/4000シリーズは 最 大 4つの アナログ チャンネル 4つのリファレンス 波 形 1つの 演 算 波 形 3つのバスと16のデジタル チャンネルを 同 時 に 表 示 できるため 詳 細 な 設 計 検 証 が 可 能 になります MSO5000シリーズにはさ らに 優 れた 解 析 機 能 があり 最 大 4つの 演 算 波 形 と16のバスが 同 時 に 表 示 できます jp.tektronix.com/bench 3

4 アプリケーション ノート 図 5. 統 計 測 定 による5V CMOSの 信 号 振 幅 測 定 図 6. 5V CMOS 信 号 のデジタル スレッショルドをMSOで2.5Vに 設 定 した 例 デジタル 信 号 取 込 みの 準 備 MSOでデジタル 信 号 を 取 込 むには 2 種 類 の 基 本 的 な 作 業 があり ます まず ロジック アナライザと 同 様 論 理 レベルを 正 しく 取 込 むよう 測 定 するロジック ファミリに 合 ったデジタル チャン ネルのスレッショルドを 設 定 する 必 要 があります 次 に アナロ グ チャンネルとデジタル チャンネル 間 の 時 間 相 関 が 正 確 にと れるように アナログ チャンネルのスキューを 調 整 する 必 要 が あります MSOのアナログ チャンネルは デジタル 信 号 のロジック ス イングを 詳 細 にチェックするために 使 用 します 図 5は 複 数 の 波 形 取 込 みにより5V CMOS 信 号 の 振 幅 を 統 計 測 定 によって 自 動 的 に 測 定 した 例 です CMOSなどの 対 称 性 の 電 圧 スイングを 持 つ ロジック ファミリでは スレッショルドは 信 号 振 幅 の1/2にな ります 図 6は デジタル チャンネルのスレッショルドを5V CMOS 信 号 の 振 幅 の1/2である2.5Vに 設 定 した 例 です しかし TTLなどの 非 対 称 性 の 電 圧 スイングを 持 つロジック ファミリで は コンポーネントのデータ シートを 参 照 し ロジック デバ イスの 最 大 ロー レベル 入 力 電 圧 (TTL VIL = 0.8V)と 最 小 ハ イレベル 入 力 電 圧 (TTL VIH = 2.0V)の 中 間 点 (TTL Vthreshold = 1.4V)に 設 定 します 図 6に 示 すように 同 じ 信 号 のアナログ 波 形 とデジタル 波 形 の 立 上 りエッジ 間 にタイミング スキューがあるのがわかります ア ナログ 波 形 の 方 がデジタル 波 形 に 比 べて 進 んでいます 正 確 な 測 定 のためには アナログとデジタルのタイミング スキューを 取 り アナログ 波 形 とデジタル 波 形 間 の 時 間 相 関 を 正 確 にします 当 社 のMDO/MSOシリーズは アナログ プローブのスキュー を 調 整 することができ アナログ チャンネル 間 およびアナログ チャンネルとデジタル チャンネル 間 のスキューを 取 ることがで きます アナログ チャンネルのスキュー 調 整 は 異 なったプロー ブの 伝 播 遅 延 の 補 正 にも 利 用 できます 当 社 のすべてのMDO/MSOシリーズには ロジック プローブ が 付 属 しています デジタル 測 定 が 簡 単 になるように オシロス コープはあらかじめロジック プローブの 伝 播 遅 延 を 補 正 してい ます このため デジタル チャンネルにはプローブ スキュー 調 整 はありません 4 jp.tektronix.com/bench

5 ミックスド シグナル オシロスコープによるデジタル 回 路 のテスト 方 法 アナログ チャンネルとデジタル チャンネルのスキューを 合 わ せるため CMOSのアナログ 波 形 の2.5Vポジションの 位 置 を 2.5VスレッショルドにおけるCMOSロジックのトランジション に 合 わせています 図 7は -1.60nsのスキューをとり(デス キューとも 呼 びます) アナログ チャンネルとデジタル チャン ネルを 合 わせています このデスキュー 処 理 を 他 のアナログ チャンネルでも 繰 り 返 します アナログ チャンネルのスキューは アナログ プローブを 交 換 するたびに 確 認 する 必 要 があります また 異 なったロジック ファミリを 測 定 する 場 合 には デジタル スレッショルドも 確 認 する 必 要 があります スレッショルドとスキューが 確 認 できれば MSOによるデジタル 回 路 の 検 証 とデバッグの 準 備 は 完 了 です 次 に MSOを 使 用 した 設 計 の 検 証 例 をいくつか 説 明 します 図 7. タイミング スキューのとれたアナログ チャンネルとデジタル チャンネル 図 8. TTLのバースト 信 号 予 測 できない 信 号 へのトリガ 最 初 の 例 は 図 8に 示 すような8つの 正 極 性 のパルスを 持 ったTTL バースト 信 号 の 検 証 です 正 極 性 のパルス 幅 の 仕 様 は23.2~ 25nsであり パルス 間 の 間 隔 は26~27nsとなっています バー スト 間 の 時 間 間 隔 は 規 定 されていません MSOのデジタル チャンネルをTTLバースト 信 号 に 接 続 し ス レッショルドをTTLロジックに 設 定 します また 立 上 りエッジ でトリガするように 設 定 します 検 証 が 迅 速 に 行 えるよう カー ソル 間 での 正 極 性 と 負 極 性 のパルス 幅 を 自 動 的 に 測 定 するように MSOを 設 定 します 図 9は 最 初 のパルス エッジでトリガしたシングルショット アクイジションの 様 子 です MSOのシングルショット アクイジ ション ボタンを 押 すタイミングによって 異 なった 立 上 りエッ ジでトリガされる 場 合 もあります 図 9. TTLのバースト 信 号 取 込 まれた 信 号 から 8つのパルスがあり 仕 様 に 収 まっている ことが 確 認 できます パルス 幅 は 自 動 で 測 定 されており 最 初 の 正 のパルス 幅 は23.88ns 負 のパルス 幅 は26.18nsとなってい ます どちらの 値 も 仕 様 の 範 囲 内 に 収 まっています MDO/ MSOシリーズのカーソル 機 能 はリンクされており 一 回 のカー ソル 操 作 で2 本 のカーソルが 同 時 に 移 動 できるため 正 と 負 のパ ルス 幅 が 一 度 に 測 定 できます すべてのパルス 幅 が 仕 様 の 範 囲 内 に 収 まっていることが 確 認 できました jp.tektronix.com/bench 5

6 アプリケーション ノート 図 10. MSOシリーズの 統 計 測 定 によるTTLバースト 信 号 の 正 / 負 極 性 のパルス 幅 MSOのアクイジション モードをSingleからRunに 変 更 するこ とで 正 / 負 のパルス 幅 をより 厳 密 にチェックすることかできま す 正 / 負 パルスの 統 計 値 ( 平 均 値 最 小 値 最 大 値 標 準 偏 差 ) は 複 数 の 波 形 取 込 みから 計 算 され 2~1,000 回 の 波 形 取 込 回 数 を 選 択 することができます 図 10は 統 計 測 定 の 例 を 示 しており 正 パルス 幅 の 平 均 値 は 23.87ns 標 準 偏 差 は53.62psとなっています 正 パルス 幅 の 最 小 値 は23.76ns 最 大 値 は24.00nsであり 共 に 仕 様 の 範 囲 内 です 同 様 に 負 のパルス 幅 も 検 証 し 仕 様 の 範 囲 内 であること を 確 認 しました ここまでは TTLバースト 信 号 の 検 証 はスムー ズに 進 んでいます この 検 証 方 法 は 連 続 信 号 のどの 部 分 を 取 込 み 解 析 するかによっ て 異 なったものになります より 確 実 に 検 証 する 場 合 MDO/ MSOシリーズの 強 力 なトリガ 機 能 を 使 ってすべてのパルスを チェックする 方 法 があります 例 えば すべてのTTLバースト 信 号 のすべての 正 パルスを 測 定 し 23.2nsより 小 さな 幅 のパルス にトリガします トリガ 後 シングルショット アクイジション モードでMSOを 止 めてからエラー パルスを 解 析 します 図 11は 23.2nsより 小 さな 幅 の 正 パルスにトリガした 様 子 を 示 しています この 取 込 みでは 2つのエラーが 取 込 まれています 最 初 のエラーは 7 番 目 のパルスの 幅 が3.636nsであり 最 小 値 の23.2nsの 仕 様 を 満 たしていません 2 番 目 のエラーは 8 番 目 のパルスがないことです この 例 は MSOのデジタル トリガ 機 能 を 利 用 して 不 適 切 なデジタル 信 号 を 検 出 した 例 です また 図 11. MSOのトリガで 検 出 された3.636nsの 正 極 性 のエラー パルス 不 適 切 なデジタル 信 号 を 検 出 するなかで25.6nsより 大 きな 幅 の パルスを 検 出 することもできますが この 例 では 検 出 されません でした このエラーの 原 因 は 設 計 不 良 です パルスのゲーティングを 制 御 する 信 号 がパルス 生 成 と 非 同 期 なため ゲーティング 間 隔 がとき おり 変 動 していました この 結 果 内 部 のゲーティング 信 号 が 最 後 のパルスを 間 欠 的 に 切 り 取 ってしまい 7 番 目 のパルスを 欠 け させてしまいました エラーにトリガするこの 検 証 方 法 は 夜 間 や 週 末 にかけての 長 い 時 間 間 隔 で より 厳 密 な 設 計 検 証 で 信 号 を 監 視 するような 場 合 に 適 しています 6 jp.tektronix.com/bench

7 ミックスド シグナル オシロスコープによるデジタル 回 路 のテスト 方 法 2.4V 1.6V Signal 1 2.4V 1.6V Signal 0 図 ns 周 期 のLVPECLのSignal 0と 90ns 周 期 のSignal 1の 信 号 アナログとデジタルによる 波 形 取 込 み この 例 では 2つのLVPECL(Low-Voltage Positive Emitter- Coupled Logic) 信 号 を 検 証 します 0.8VのLVPECLのロジッ ク ハイは 約 2.4V ロジック ローは 約 1.6Vであるため MSOのデジタル チャンネルのスレッショルドは2.0Vに 設 定 し ます 図 12に 示 すように Signal 0は 周 期 が 約 50nsの 方 形 波 Signal 1 は 周 期 が 約 90nsの 方 形 波 です 2つの 信 号 間 に 時 間 的 な 関 連 性 はありません 先 ほどのTTLバースト 信 号 の 例 で 使 用 した 方 法 で LVPECL 信 号 を 検 証 します 不 適 切 な 信 号 をチェックするため 22.4ns 未 満 のパルス 幅 でトリガするようにMSOを 設 定 します 図 13は 下 の 信 号 の727.3psのグリッチにトリガした 例 です このグリッ チを 取 込 むためには 727.3psより 小 さなタイミング 分 解 能 を 持 ったMSOが 必 要 になります デジタル 信 号 の 取 込 みで 重 要 になるアクイジション 仕 様 が MSO のタイミング 分 解 能 の 仕 様 です 優 れたタイミング 分 解 能 で 信 号 を 取 込 むことができれば 信 号 が 変 化 した 際 より 正 確 なタイミン グ 測 定 が 可 能 になります 例 えば 500MS/sの 取 込 レートは2ns のタイミング 分 解 能 であり 取 込 むことのできる 信 号 エッジの 確 度 は2nsになります タイミング 分 解 能 が60.6ps(16.5GS/s) であれば 信 号 エッジの 確 度 は60.6psになり より 高 速 な 信 号 変 化 を 取 込 むことができます 図 13. 下 に 表 示 されているLVPECL 信 号 の727.3psのグリッチにトリガした 例 MSO5000シリーズ MDO4000シリーズは 内 部 で2 種 類 の 取 込 みにより 同 時 にデジタル 信 号 を 取 込 むことができます 一 つは 最 大 250Mポイントのレコード 長 で2nsまでのタイミング 分 解 能 で 取 込 みます もう 一 つは MagniVuと 呼 ばれる 高 速 ア クイジション モードです MagniVuのタイミング 分 解 能 は 最 小 で60.6ps トリガを 中 心 として 最 大 レコード 長 は10,000ポ イントです MDO3000シリーズのMagniVuでは タイミング 分 解 能 は 最 小 で121.2psです MagniVuは 十 分 なタイミング 分 解 能 を 持 たない 計 測 器 では 観 測 できないようなグリッチなどの 信 号 のトランジションを 詳 細 に 表 示 することができます 図 13では 下 の 信 号 のグリッチが 上 の 信 号 の 立 上 りエッジと 同 時 に 発 生 していることがわかります これはクロストークが 原 因 と 思 われますが より 詳 細 な 情 報 が 必 要 になります jp.tektronix.com/bench 7

8 アプリケーション ノート 図 14. 2つのLVPECL 信 号 間 の 立 上 りエッジによるクロストークで 生 ずるグリッチ 図 F74 Dフリップフロップ MSOは 信 号 のデジタルとアナログの 両 方 の 特 性 を 取 込 み 時 間 的 に 相 関 をとって 表 示 できるため デジタル 信 号 のシグナル インテ グリティを 調 べるのに 適 しています グリッチは 2つのLVPECL 信 号 間 の 立 上 りエッジによるクロストークが 原 因 です LVPECL の 立 上 りエッジのトランジションは 立 下 りエッジに 比 べて 大 き く 高 速 です このため 立 上 りエッジは 立 ち 下 がりエッジに 比 べてより 多 くのクロストークを 発 生 します この 取 込 みからは 立 下 りエッジによるクロストークは 見 られません 非 モノトニック( 単 調 性 のない)エッジと セットアップ/ホールド 時 間 違 反 の 取 込 み 図 回 の 取 込 みでは 正 常 に 見 えるDフリップフロップ オシロスコープのアナログ チャンネルを2つのLVPECL 信 号 に 接 続 し 再 度 小 さな 不 適 切 なパルスを 探 します この 測 定 では 1.091nsのグリッチにトリガし 図 14に 示 すようにLVPECL 信 号 の 詳 細 を 表 示 しています 他 の 信 号 の 立 上 りエッジと 同 時 にア ナログのグリッチが 発 生 していることがわかります ほとんどの アナログ グリッチは2つのLVPECLのロジック スレッショル ドよりも 小 さいのですが いくつかはロジック スレッショルド を 超 えており 上 の 波 形 の 左 端 に 見 えるようなロジック エラー として 表 示 されます この 例 では TTL 74F74 Dフリップフロップの 動 作 を 検 証 しま す Dフリップフロップは クロックの 立 上 りエッジのタイミン グでD 入 力 をQに 出 力 します( 図 15 参 照 ) 例 えば クロックの 立 上 りエッジのタイミングでD 入 力 がハイであれば Q 出 力 はハ イになります 図 16の 下 の 波 形 は クロックの 立 上 りエッジにトリガした 様 子 を 示 しています Dフリップフロップのデータ 入 力 が 中 央 の 波 形 Q 出 力 が 上 の 波 形 です それぞれの 波 形 が 識 別 しやすいように デジタル チャンネルにはOUT DATA CLKというラベルを 付 けています 8 jp.tektronix.com/bench

9 ミックスド シグナル オシロスコープによるデジタル 回 路 のテスト 方 法 図 17. MSOで 捉 えた727.3psのクロック グリッチ 図 18. クロック グリッチは 単 調 に 増 加 していない 立 上 りエッジが 原 因 一 見 すると 立 上 りエッジの 直 後 に 入 力 データが 出 力 に 現 れてい るため 問 題 がないように 見 えます MSO4000シリーズの MagniVuを 使 用 すれば60.6psの 分 解 能 でタイミング 解 析 できる ため Dフリップフロップの 伝 播 遅 延 を 測 定 することかできます クロックの 正 パルス 幅 は7.455nsであり 6.40ns 未 満 の 不 適 切 なクロック パルスを 検 出 するようにトリガ 設 定 します 図 17は 正 常 なクロック パルス 直 前 の727.3psのグリッチにト リガしている 様 子 を 示 しています アナログ チャンネルをクロッ ク 信 号 に 接 続 し 再 度 取 込 みを 行 い グリッチの 詳 細 を 観 測 しま す 図 18は クロックのグリッチにトリガし グリッチの 原 因 となっているアナログ 特 性 を 示 しています クロックの 立 上 り エッジが 非 モノトニック( 単 調 性 がない)になっています カー ソルを 使 用 した 測 定 では グリッチの 中 間 レベルが2Vであり カーソルを500psほど 右 に 移 動 するとクロックの 電 圧 は1.76V に 低 下 します この 電 圧 低 下 が 原 因 となり クロック 信 号 の 電 圧 が 単 調 に 増 加 していく 途 中 で ロジックが 短 時 間 ハイからローに なっています 74F74の 仕 様 では 最 大 ローレベル 入 力 電 圧 は0.8VIL 最 小 ハ イレベル 入 力 電 圧 は2VIHとなっています クロック 信 号 のVILと VIH 間 で 立 上 り 時 間 が 遅 かったり 非 モノトニックな 特 性 があると Dフリップフロップは 規 定 されたように 動 作 しなくなる 原 因 とな ります この 波 形 取 込 みを 見 る 限 り 非 モノトニックなクロック エッジによって 問 題 は 起 こっていないように 見 えます 検 証 レポー トにこの 非 モノトニック クロック エッジのことを 記 し 次 の Q 出 力 動 作 検 証 に 進 みます Q 出 力 は 入 力 の 変 化 に 対 してのみ 変 化 するものであり その 変 化 は クロックの 立 上 りエッジにDフリップフロップの 伝 播 遅 延 を 加 えた 時 間 において 発 生 するものです クロックは 周 期 20nsで 固 定 です Q 出 力 は20ns 離 れたクロックの 立 上 りエッジ でのみ 変 化 するため Q 出 力 には20ns 未 満 の 幅 のパルスは 含 ま れていないはずです Q 出 力 において19.2ns 未 満 のパルス 幅 で トリガするようにMSOを 設 定 します jp.tektronix.com/bench 9

10 アプリケーション ノート 図 19. DフリップフロップのQ 出 力 エラー 図 20. DフリップフロップのQ 出 力 エラーのアナログ 検 証 図 19は 19.2ns 未 満 の 幅 のQ 出 力 パルスをMDO/MSOで 取 込 ん だ 様 子 を 示 しています このQ 出 力 のパルス 幅 は クロックの 周 期 より 短 くなっています クロックの 立 上 りエッジにおいてD 入 力 はハイになっていることもわかります Q 出 力 のローからハイ へのトランジションは 正 しいのですが その 次 のハイからローへ のトランジションはクロックの 立 上 りエッジと 関 係 していないた め Dフリップフロップの 動 作 としてはエラーです 問 題 を 詳 細 に 観 測 するため アナログ チャンネルをQ 出 力 に 接 続 し 問 題 を 詳 細 に 観 測 します( 図 20 参 照 ) Q 出 力 のアナログ 信 号 は 増 加 を 開 始 していますが すぐに 減 少 しています Q 出 力 のアナログ 信 号 は 正 常 なアナログのロジック ハイ レベルに 達 する 前 に 減 少 してしまっていることがわかります 過 去 の 経 験 から これはD 入 力 とクロック エッジのセットアッ プ/ホールド 時 間 違 反 によって 起 こるメタステーブル グリッチ であるといえます 図 20において D 入 力 のセットアップ 時 間 はカーソル 測 定 で 4.188nsとなっています このセットアップ 時 間 は 74F74の 最 小 セットアップ 時 間 の 仕 様 である2nsの2 倍 はあります クロッ ク エッジの 前 の4.188nsでD 入 力 は 変 化 しているにも 関 わらず 74F74は 正 しく 動 作 していません 図 21. クロックの 立 上 りエッジ 前 の4.488nsのセットアップ 時 間 による Dフリッ プフロップの 正 常 なQ 出 力 オシロスコープのセットアップ/ホールド 時 間 違 反 のトリガ 設 定 を 変 更 し 74F74が 正 しく 動 作 するためにはどの 程 度 のセット アップ 時 間 が 必 要 なのかを 調 べます 図 21は D 入 力 とクロック の 立 上 りエッジの 間 のセットアップ 時 間 4.488nsでQ 出 力 が 正 し く 動 作 している 様 子 を 示 しています 波 形 取 込 みを 繰 り 返 した 結 果 4.188ns 以 下 のセットアップ 時 間 では 時 々Q 出 力 にグリッチ が 発 生 することがわかりました 10 jp.tektronix.com/bench

11 ミックスド シグナル オシロスコープによるデジタル 回 路 のテスト 方 法 図 23. センサ データ アクイジション システムの 出 力 レンジ 検 証 A/Dコンバータをチェックして 喪 失 したコードを 確 認 する 図 22. クロックの 立 上 りエッジ 周 辺 に 設 定 したカーソルA/B 間 のDフリップ フロッ プのセットアップ/ホールド 時 間 ウィンドウにおけるデータの 変 化 にトリガした 様 子 次 に D 入 力 のセットアップ/ホールド 時 間 違 反 をチェックします MSOのセットアップ/ホールド 時 間 違 反 トリガを セットアップ 時 間 2ns ホールド 時 間 1nsに 設 定 し クロックの 立 上 りエッジ 付 近 のデータ 有 効 ウィンドウにおけるD 入 力 の 変 化 をチェックし ます 図 22は D 入 力 のセットアップ/ホールド 時 間 において 重 大 な 違 反 があることを 示 しています カーソルAはクロックの 立 上 りエッ ジ 前 の 最 小 セットアップ 時 間 2nsの 位 置 に カーソルBはクロック の 立 上 りエッジ 後 の 最 小 ホールド 時 間 1nsの 位 置 にセットしてあ ります D 入 力 は クロックのこの 立 上 りエッジ 周 囲 3nsのデー タ 有 効 ウィンドウにおいて 安 定 していなければなりません この データ 有 効 ウィンドウ 内 でD 入 力 が 変 化 しているため Dフリッ プフロップは 正 しく 動 作 することが 保 証 できません この 例 では センサのデータ アクイジション システムの 出 力 レンジを 固 定 の 三 角 波 テスト 信 号 で 検 証 します センサのデー タ アクイジション システムは 20MS/s 6ビットのA/Dコン バータのアナログ 信 号 調 整 回 路 です A/Dコンバータの6ビット バスはA/Dコンバータの 立 下 りエッジで 有 効 になります アクイ ジション システムの 入 力 における 三 角 波 テスト 信 号 振 幅 は ADC 出 力 において00~3F hexの 範 囲 となるはずです オシロスコープのアナログ チャンネルを 信 号 調 整 回 路 の 出 力 (A/Dコンバータの 入 力 )に 接 続 します これにより 信 号 調 整 回 路 の 出 力 とA/Dコンバータの 入 力 信 号 をすばやく 確 認 すること ができます デジタル チャンネルD0はA/Dコンバータのクロッ ク 出 力 に デジタル チャンネルD1~D6はA/Dコンバータの6 ビット データ バスに 接 続 します( 図 23を 参 照 ) A/Dコンバー タの 入 力 信 号 の 立 上 りエッジにトリガするようにMSOを 設 定 し ます 検 証 のこの 時 点 で Dフリップフロップの 動 作 および 信 号 に3つ の 問 題 点 があることがわかりました まず クロックの 立 上 りエッ ジが 非 モノトニックである( 単 調 性 がない)ということです ク ロック エッジが 単 調 に 変 化 するよう クロック 回 路 を 設 計 しな おす 必 要 があります 次 の 問 題 点 は D 入 力 のセットアップ 時 間 が2~4.188nsでは74F74は 正 しく 動 作 しないということで す これは クロックの 立 上 りエッジが 曖 昧 であるか 74F74 が 仕 様 を 満 たしていないことに 関 係 しています 3 番 目 の 問 題 点 は D 入 力 のセットアップ/ホールド 時 間 違 反 です クロック エッジ 周 囲 のセットアップ/ホールド 時 間 ウィンドウ 内 では D 入 力 が 変 化 しないように 回 路 を 設 計 しなおす 必 要 があります jp.tektronix.com/bench 11

12 アプリケーション ノート 図 24. A/Dコンバータ 入 力 の 立 上 りエッジにトリガし Wave Inspectorでズーム 表 示 すると パラレル バスの16 進 デコード 結 果 が 表 示 される 三 角 波 テスト 信 号 はCh1であり 一 番 下 の 波 形 は デジタル チャンネルD0でA/Dコンバータのクロッ ク デジタル チャンネルD1~D6はA/Dコンバータの 出 力 であり クロック 波 形 の 上 に 表 示 されている A/Dコンバータのデジタル 信 号 は グルーピングされてク ロック パラレル バスとしてディスプレイ 中 央 に 表 示 されている 図 25. Wave Inspectorの 検 索 を 使 って 確 認 しても テスト 信 号 に00 hexがない ことを 示 している 図 24は A/Dコンバータ 入 力 の 立 上 りエッジにトリガしている 様 子 を 示 しています 当 社 独 自 のWave Inspector 機 能 により トリガ ポイント 周 辺 を20 倍 でズーム 表 示 しており パラレル バスのデコード 結 果 が 表 示 されています A/Dコンバータのデー タは 立 ち 下 がりエッジで 安 定 しており クロックの 立 下 りエッジ においてバスの 値 にデコードされています したがって A/Dコン バータのデータが 安 定 したときにクロックの 立 下 りエッジでパラ レル バスが 更 新 されます MDO/MSOの 強 力 なトリガ 機 能 は パラレル バスまたはシリ アル バスで 信 号 異 常 を 検 出 し トリガし 問 題 となっているエ リアのデータを 取 込 みます しかし 一 度 データを 取 込 んだなら ば それ 以 降 トリガは 機 能 しません 長 いレコード 長 をマニュ アルで 検 索 することはイライラしたり 時 間 のかかる 作 業 となり ます 10Mポイントの 波 形 レコード 長 は 10,000 画 面 に 相 当 します 最 高 分 解 能 で10Mポイントの 波 形 をスクロールするに は 2 時 間 45 分 以 上 かかります Wave Inspectorを 使 えば 10Mポイントのレコード 長 から6 ビット データ バスを 検 索 して マークを 付 けるのにかかる 時 間 はわずか30 秒 です データを 検 出 してマークを 付 ければ 前 面 パネルの 矢 印 ボタンを 押 すだけで マークの 付 いたポイントにす ばやく 移 動 することができます この 検 索 機 能 は エッジ パル ス 幅 ラント セットアップ/ホールド 時 間 ロジック 立 上 り/ 立 下 り 時 間 バスのデータ 値 などのトリガ タイプでも 利 用 でき ます 図 25は Wave Inspectorにより A/Dコンバータのパラレル バ スの 各 三 角 波 テスト 信 号 にあるべき00 hexの 値 を 検 索 した 様 子 です ディスプレイ 上 部 に 白 い のマークがないこと またディス プレイ 下 のリードアウトにも Bus Search events found : 0 とあるように 00 hexの 値 は 検 出 できませんでした 00 hexが ないということは 00 hexに 相 当 するA/Dコンバータへのアナ ログ 入 力 がないことを 意 味 しています アクイジション システ ムのアナログ 信 号 調 整 回 路 はテスト ランプ 信 号 の 最 小 ピークを 正 しく 処 理 できておらず A/Dコンバータが00 hexを 出 力 する ための 最 小 A/D 入 力 電 圧 になっていません 12 jp.tektronix.com/bench

13 ミックスド シグナル オシロスコープによるデジタル 回 路 のテスト 方 法 図 26. Wave Inspectorは テスト 信 号 のピークにおいて 数 多 くの3F hexを 検 出 し ている 図 27. Wave Inspectorは テスト 信 号 のピークの3F hexのマークにジャンプして いる 図 26は A/Dコンバータの 最 大 出 力 値 3F hexをwave Inspector で 検 索 した 様 子 であり 18 個 のイベントを 検 出 しています こ れらのイベントは3つのグループに 分 かれており 三 角 波 テスト 信 号 のピーク 部 分 に 現 れています それぞれのピーク 部 分 には 複 数 の3F hexがありますが 本 来 であれば 各 三 角 波 テスト 信 号 の ピークに1つだけのはずです 図 27は Wave Inspectorの 矢 印 ( )キーを 押 して 図 26の トリガ ポジションから 最 初 の 右 の 位 置 にある マークの 付 いた 3Fのイベントにジャンプしている 様 子 を 示 しています MSOの 表 示 の 中 央 部 分 を 見 ると A/Dコンバータのバスが A 3B 3C 3D 3Eとなり 次 に6 個 の3Fが 続 いてい ます 本 来 であれば 三 角 波 テスト 信 号 のピーク 部 分 に1つだけ 3F hexが 表 示 されるはずです A/Dコンバータ 入 力 の 三 角 波 テスト 信 号 の 最 上 部 が 切 り 取 られて 複 数 の3F hexになっていることも 考 えられますが A/Dコンバー タのアナログ 入 力 波 形 を 見 る 限 り 正 常 であるため 三 角 波 テスト 信 号 のピーク 部 分 が 切 り 取 られていたり 歪 んだりしているので もないようです そうではなく 三 角 波 テスト 信 号 のピーク 部 の 複 数 の3F hexは アナログ 信 号 がA/Dの 最 大 入 力 電 圧 を 超 えてい ることを 示 しています 調 整 された 三 角 波 テスト 信 号 がA/Dの 最 大 入 力 電 圧 を 超 えたため 処 理 された 信 号 がA/D 最 小 入 力 電 圧 ま で 達 していません この 問 題 を 解 決 するためには アクイジション システムの 信 号 調 整 のオフセットとゲインを 調 整 する 必 要 があり ます 図 27のディスプレイ 左 下 を 見 ると A/Dコンバータの 入 力 波 形 の 最 大 値 は1.871V 最 小 値 は854.1mVであることがわ かります 信 号 調 整 を 正 しく 行 うためには オフセット ゲイン の 両 方 を 適 切 に 調 整 して 下 げる 必 要 があります jp.tektronix.com/bench 13

14 アプリケーション ノート 図 28. 各 ランプ ピークにただ1つの3F hexがある 正 しい 動 作 図 29. 各 ランプの 底 にただ1つの00 hexがある 正 しい 動 作 図 28は アクイジション システムのアナログ 信 号 調 整 でゲイン とオフセットを 調 整 し 適 切 な 三 角 波 テスト 信 号 がA/Dコンバー タに 入 力 された 様 子 を 示 しています ゲインとオフセットを 調 整 した 結 果 A/Dコンバータの 入 力 波 形 の 最 大 値 が1.871Vから 1.838Vに 低 下 しており テスト ランプ 信 号 のそれぞれのピー ク 部 分 には3F hexが1つだけ 表 示 されています A/Dコンバータ の 最 大 入 力 が 適 性 になったことを 示 しています 図 28を 見 ると このアクイジションにおけるA/Dコンバータの 変 換 時 間 が 簡 単 にわかります A/Dコンバータの 変 換 時 間 は ア ナログ 入 力 のピークからA/Dコンバータ 出 力 に3F hexが 現 れる までの 時 間 となります 図 29は Wave Inspectorにより A/Dコンバータのパラレル バスの 各 ランプ 信 号 の 底 にあるべき00 hexの 値 を 検 索 した 様 子 です 3つの00 hexが 検 出 されており それぞれが 各 テスト ラン プ 信 号 に 対 応 しています 最 後 に Wave Inspectorの 矢 印 ( ) ボタンを 押 して テスト ランプ 信 号 の 底 から 最 初 の 左 の 位 置 に ある マークの 付 いた00 hexにジャンプしています( 図 29を 参 照 ) カウントは 最 小 値 の00 hexまで 減 り その 後 増 えており アクイジション システムが 正 しく 動 作 していることを 示 してい ます バスの 値 はCSVファイルに 保 存 できるため Microsoft Excelを 使 って 値 が 欠 落 していないか 重 複 していないかを 確 認 することができます この 例 では MSOのデジタル チャンネルをクロック 同 期 でデ コードし Wave Inspectorを 使 ってA/Dコンバータのバスの 最 大 値 最 小 値 の 有 無 をすばやく 特 定 しました この 結 果 アナロ グ 信 号 調 整 回 路 に 問 題 があったことがすばやく 特 定 できました 14 jp.tektronix.com/bench

15 ミックスド シグナル オシロスコープによるデジタル 回 路 のテスト 方 法 まとめ 当 社 のMDO/MSOシリーズは 設 計 におけるデジタル アナログ ソフトウェアの 複 雑 な 関 係 を 検 証 するエンジニアには 欠 かせない オシロスコープです 基 本 的 なロジック アナライザ 機 能 と 使 いや すいオシロスコープ 機 能 を 併 せ 持 ち 強 力 なデジタル トリガ 機 能 高 分 解 能 アクイジション 性 能 内 蔵 の 解 析 ツールなどを 備 えてお り デジタル 回 路 をすばやく 検 証 デバッグすることができます MSO/DPOシリーズには 豊 富 な 機 種 が 用 意 されており 最 適 な 一 台 をお 選 びいただけます MSO5000Bシリーズ MDO4000Cシリーズ MDO3000シリーズ MSO2000Bシリーズ 周 波 数 帯 域 2GHz 1GHz 500MHz 350MHz 1GHz 500MHz 350MHz 200MHz 1GHz 500MHz 350MHz 200MHz 100MHz 200MHz 100MHz 70MHz チャンネル 数 レコード 長 (ポイント 全 チャンネル) 4(アナログ) 16(デジタル) 25M( 標 準 ) 最 大 125M(オプション) 4(アナログ) 16(デジタル オプション) 2または4(アナログ) 16(デジタル オプション) 2または4(アナログ) 16(デジタル) 1(スペクトラム アナライザ 1(スペクトラム アナライザ) オプション) 1(AFG オプション) 1(AFG オプション) 20M 10M 1M サンプル レート(アナログ) 最 高 10GS/s 最 高 5GS/s 最 高 5GS/s 1GS/s サンプル レート(デジタル) 500MS/s ( 全 レコード 長 ) 16.5GS/s (トリガ 中 心 で 10kポイントの 場 合 ) 500MS/s ( 全 レコード 長 ) 16.5GS/s (トリガ 中 心 で 10kポイントの 場 合 ) 500MS/s ( 全 レコード 長 ) 8.25GS/s (トリガ 中 心 で 10kポイントの 場 合 ) 1GS/s(1つのプローブ ポッドでD7~D0の 任 意 の チャンネル 使 用 時 ) 500MS/s(2つのプローブ ポッドでD15~D0の 任 意 の チャンネル 使 用 時 ) カラー ディスプレイ 10.4 型 XGA 10.4 型 XGA 9 型 WVGA 7 型 WQVGA パラレル バス 解 析 シリアル バス トリガ/ 解 析 アプリケーション Opt. SR-EMBD: I 2 C SPI DPO4EMBD 型 : I 2 C SPI MDO3EMBD 型 : I 2 C SPI DPO2EMBD 型 : I 2 C SPI Opt. SR-COMP: RS-232/422/485/UART DPO4USB 型 : USB2.0 MDO3USB 型 : USB2.0 DPO2COMP 型 : RS-232/422/485/UART Opt. SR-USB: USB2.0 Opt. SR-AUTO: CAN LIN FlexRay Opt. SR-AERO: MIL-STD-1553 Opt. SR-810B: 8B/10B 解 析 Opt. SR-PCIE: PCI Express 解 析 Opt. SR-DPHY: MIPI D-PHY 解 析 Opt. SR-ENET: Ethernet DPO4COMP 型 : RS-232/422/485/UART DPO4AUTO 型 : CAN LIN DPO4AUTOMAX 型 : CAN LIN FlexRay DPO4AUDIO 型 : I 2 S/LJ/RJ/TDM DPO4ENET 型 : Ethernet DPO4AERO 型 : MIL-STD-1553 MDO3COMP 型 : RS-232/422/485/UART MDO3AUTO 型 : CAN LIN MDO3FLEX 型 : FlexRay MDO3AUDIO 型 : I 2 S/LJ/RJ/TDM MDO3AERO 型 : MIL-STD-1553 DPO2AUTO 型 : CAN LIN その 他 のアプリケーション サポート パワー 解 析 リミット/マスク テスト パワー 解 析 HDTV/カスタム ビデオ パワー 解 析 HDTV/カスタム ビデオ ジッタ/タイミング リミット/マスク テスト リミット/マスク トリガ USB 2.0の 適 合 性 拡 張 RFパワー レベル トリガ BroadR-Reachの 適 合 性 MOSTの 適 合 性 ビジュアル トリガ jp.tektronix.com/bench 15

16 お 問 い 合 わせ 先 : ASEAN/オーストラリア ニュージーランドと 付 近 の 諸 島 (65) オーストリア バルカン 諸 国 イスラエル 南 アフリカ その 他 ISE 諸 国 ベルギー ブラジル +55 (11) カナダ 中 央 / 東 ヨーロッパ バルト 海 諸 国 中 央 ヨーロッパ/ギリシャ デンマーク フィンランド フランス ドイツ 香 港 インド イタリア 日 本 81 (3) ルクセンブルク メキシコ 中 央 / 南 アメリカ カリブ 海 諸 国 52 (55) 中 東 アジア 北 アフリカ オランダ ノルウェー 中 国 ポーランド ポルトガル 韓 国 ロシア +7 (495) 南 アフリカ スペイン スウェーデン スイス 台 湾 886 (2) イギリス アイルランド アメリカ 年 4 月 現 在 jp.tek.com テクトロニクス/ケースレーインスツルメンツ お 客 様 コールセンター ヨッ! 良 い TEL: 東 京 都 港 区 港 南 品 川 インターシティB 棟 6 階 記 載 内 容 は 予 告 なく 変 更 することがありますので あらかじめご 了 承 ください Copyright 2015, Tektronix. All rights reserved. TEKTRONIX およびTEK はTektronix, Inc. の 登 録 商 標 です 記 載 された 製 品 名 はすべて 各 社 の 商 標 あるいは 登 録 商 標 です 2015 年 12 月 3GZ オ シ ロ 電 話 受 付 時 間 / 9:00~12:00 13:00~18:00 ( 土 日 祝 弊 社 休 業 日 を 除 く)