Toda medição começa com um trigger

Visão geral

Os produtos de eletrônica de consumo e das aplicações automotivas e aeroespaciais estão ficando cada vez mais complexos. Com isso, aumentam exponencialmente as exigências impostas aos instrumentos de teste, pois eles precisam testar um número cada vez maior de funções em cronogramas cada vez mais apertados, para que os produtos possam ser lançados no mercado com rapidez cada vez maior.

Conteúdo

Um requisito importante para instrumentos como os osciloscópios é a capacidade de detectar um determinado evento em um grande fluxo de sinais e disparar o trigger de maneira rápida e confiável. Quanto mais rápido um evento específico puder ser detectado, mais rapidamente um problema em um projeto eletrônico poderá ser resolvido, reduzindo o tempo de desenvolvimento e teste de fabricação.

Essa importância não é ignorada pelos fornecedores de osciloscópios. Muitos fornecedores oferecem mais de 100 triggers predefinidos, para ajudar os usuários a isolar rapidamente as condições mais comumente encontradas nos sinais, e também as menos frequentes. Isso traz maior flexibilidade, mas a escolha do melhor trigger pode ser mais difícil do que a própria captura do sinal, dada a enorme variedade de triggers, por tipo, velocidade, largura de banda, retenção, software e outros parâmetros; além disso, cada tipo de trigger exige uma escolha entre flexibilidade e tempo morto (dead time). Entender os tipos de trigger e suas características pode ajudar a identificar a escolha ideal para otimizar as chances de um evento de trigger ser executado corretamente.

 

Dois aspectos determinam o desempenho do trigger de um osciloscópio:

  1. A flexibilidade do trigger descreve a facilidade com a qual podemos definir um limiar ou condição de trigger conforme as condições do sinal sob teste para obter uma maior eficiência. A maior parte dos osciloscópios fornece várias funções de trigger definidas pelo fabricante com poucos ajustes, como nível ou largura, sem permitir nenhuma customização.
  2. O tempo morto do trigger indica o tempo durante o qual o osciloscópio não consegue detectar triggers entre aquisições. Isso resulta na perda de condições de trigger, caso o evento de interesse aconteça dentro desse tempo morto. O tempo morto do trigger é uma característica inerente de todas as arquiteturas de trigger, mas há métodos e técnicas que podem minimizar esse tempo morto. Muitos fornecedores de osciloscópios oferecem triggers por software, para proporcionar maior flexibilidade. Entretanto, essa abordagem implica em um tempo morto significativo, devido à necessidade de pós-processamento, o que não é ideal para eventos muito raros e pouco frequentes.

 

Triggers convencionais

O trigger de borda (que inicia uma aquisição na subida ou descida de transição de um sinal) é um dos modos de trigger mais comuns nos osciloscópios atuais. A maior parte das funções simples de depuração e teste é realizada com um trigger de borda. Entretanto, às vezes é necessário utilizar uma configuração de trigger mais complexa, para podermos isolar um determinado formato de sinal ou uma determinada sequência de vários formatos diferentes. Opções de trigger mais avançadas são também comuns em osciloscópios. Essas opções oferecem maior flexibilidade para a captura de protocolos seriais, como o I2C ou SPI, além de eventos avançados e características de sinais, como glitches, runt, largura, taxa de variação e timeout, para citarmos somente alguns.

 

Figura 1. Diagrama de bloco de um osciloscópio baseado em processamento digital de sinais. A memória de aquisição e a unidade de processamento de sinais determinam a taxa de atualização da aquisição e o tempo morto do osciloscópio.

 

Muitas condições de trigger são implementadas no hardware, mas opções de trigger e qualificações de sinais mais sofisticadas são muitas vezes realizadas no software, como mostrado na figura 1. Triggers de software oferecem a maior flexibilidade, mas aumentam o tempo necessário para a transferência de dados e processamento, durante o qual os osciloscópios não podem detectar novos triggers, como mostrado na figura 2. Esse período, durante o qual o sistema de trigger fica "cego", é denominado "tempo morto", que pode facilmente ter uma ordem de magnitude acima do que o registro de dados adquirido — em outras palavras, o sistema de trigger de um osciloscópio pode ficar "cego" mais de 95% do tempo. Isso dificulta a detecção de eventos raros ou pouco frequentes, o que resulta em tempos de teste mais longos. E o que é pior ainda: os usuários podem chegar à falsa conclusão de que nenhum dos eventos esperados ocorreu, pois eles são tão raros que não foram detectados durante a medição.

 

Figura 2. Aquisição e análise de formas de onda em osciloscópios tradicionais, com tempos mortos entre aquisições instantâneas (acima) e processamento contínuo (abaixo) das formas de onda.

 

Se os recursos disponíveis de trigger ou análise de sinais de um osciloscópio não forem suficientes para uma determinada tarefa, a única opção para os usuários será adquirir segmentos longos da forma de onda e transferir os dados brutos adquiridos a um PC, para um pós-processamento que possa encontrar o evento desejado. Entretanto, isso inclui um nível adicional de complexidade no projeto do sistema, além de aumentar os tempos de teste, devido à latência na transferência de dados e o tempo de processamento necessário.

 

Crie o melhor trigger para você

Embora a maior parte das opções de trigger inteligente ou baseado em software possa atender as necessidades de projeto e teste dos circuitos elétricos, frequentemente encontramos eventos raros que podem atrasar significativamente o desenvolvimento de um produto, se não forem isolados e corrigidos rapidamente. Devido às limitações da maior parte das funções de trigger dos osciloscópios, o usuário somente pode acessar o que lhe tiver sido colocado à disposição pelo fornecedor.

Com a capacidade de implementar seus próprios algoritmos em um osciloscópio, os usuários podem customizar o instrumento para tarefas específicas, não ficando limitados às funções definidas pelo fornecedor do instrumento. Por exemplo, usuários podem definir condições de trigger para capturar uma condição no sinal específica de sua aplicação, o que pode ajudar a reduzir significativamente o tempo do teste, eliminando a necessidade de pós-processamento de dados no PC, como mostrado na figura 3.

A tecnologia que permite o uso de processamento in-line dos dados nos osciloscópios e proporciona flexibilidade para reprogramar algoritmos é principalmente o FPGA. FPGAs são basicamente chips programáveis, que podem realizar processamento de sinais e algoritmos de controle customizados em altas taxas e com real paralelismo. A flexibilidade dos FPGAs permite a modificação ou inclusão de algoritmos de trigger específicos do usuário, enquanto que o processamento em alta velocidade permite a análise de amostras de dados em tempo real durante a aquisição, em vez de em um processamento posterior. Isso elimina o tempo morto, evita a perda de triggers e ajuda a detectar eventos raros com rapidez muito maior.

Como exemplo de trigger definido pelo usuário, podemos citar a detecção de formatos ou transições de sinais diferentes das definições padrão de trigger, como ocorre com o sinal mostrado na figura 3. Esse sinal digital mostra uma borda não monotônica, como a causada por reflexões de sinal ou defeito na fonte de alimentação do circuito testado. Um trigger padrão de borda ou largura não detectaria esse sinal indesejado; a detecção por meios normais seria quase impossível. Para capturar esse evento de maneira exata e consistente, seria necessário criar um novo tipo de trigger. Para lidar com cenários como esse, pode ser desenvolvido um trigger de software; entretanto, devido ao longo tempo morto do trigger associado a esse método, um evento raro não seria detectado com rapidez. Como alternativa, um FPGA programável pelo usuário pode ser empregado para fornecer janelas de trigger que comparam os pontos de amostragem adquiridos com uma máscara, de forma que sempre que todas as janelas de trigger detectarem simultaneamente uma condição válida de trigger, um trigger combinado seja emitido e o sinal adquirido.

Como o FPGA avalia o sinal continuamente e em tempo real, o osciloscópio pode capturar eventos únicos e eventos sucessivos sem tempo morto entre as aquisições.

 

Figura 3. Uma transição de sinal específica é capturada com o uso de um trigger definido pelo usuário; essa função é implementada no FPGA de um osciloscópio reconfigurável.

 

Osciloscópios reconfiguráveis

Há muitos anos, os engenheiros de testes utilizam ferramentas de software como o LabVIEW — em vez do software fixo utilizado nos instrumentos de bancada tradicionais — para automatizar sistemas de teste, analisar e apresentar medições e reduzir o custo do teste. Essa abordagem oferece flexibilidade e aproveita as vantagens das mais recentes tecnologias de PC e CPU. Muito frequentemente, entretanto, os usuários querem ir um passo além e também modificar o modo como os instrumentos fazem medições, para melhor atender as necessidades de uma aplicação.

Os instrumentos comerciais tradicionalmente são definidos pelo fornecedor, oferecendo apenas um conjunto predefinido de recursos. Mas a NI está abrindo caminho para instrumentos mais abertos e flexíveis, baseados na tecnologia FPGA. O resultado é um hardware de RF pronto para o uso, com o melhor dos dois mundos: tecnologia de medição fixa, de alta qualidade, integração com os mais novos barramentos digitais e lógica que pode ser customizada pelo usuário, com alto paralelismo, baixa latência e ligada diretamente às E/S, com processamento in-line.

Figura 4. Diagrama de blocos do osciloscópio reconfigurável NI PXIe-5171R.

 

No passado, a tecnologia FPGA somente estava ao alcance de engenheiros que conheciam profundamente o projeto de hardware digital com ferramentas como o Verilog ou VHDL. O advento de ferramentas de projeto de sistemas de alto nível, como o LabVIEW, mudou as regras da programação dos FPGAs, oferecendo novas tecnologias que convertem diagramas de bloco em circuitos de hardware digital. Todos os produtos de hardware FPGA da NI (incluindo o NI PXIe-5171R) são baseados na arquitetura de E/S reconfiguráveis (RIO) do LabVIEW, que oferece poderosos processadores de ponto flutuante, FPAGs reconfigurávais e E/S modulares. A arquitetura LabVIEW RIO simplifica o desenvolvimento e reduz o tempo de lançamento de seus produtos no mercado quando utilizado no projeto de aplicações avançadas de controle, teste e monitoramento. Com o LabVIEW, os usuários podem aumentar os recursos de seus instrumentos, por exemplo, com triggers customizados ou sinais adicionais de temporização e controle. Os usuários podem também implementar seus próprios algoritmos no FPGA de instrumentos projetados por software, reconfigurando as funções do hardware para realizar tarefas totalmente diferentes. Um osciloscópio pode, por exemplo, ser transformado em um analisador de espectro de tempo real, registrador de transientes, analisador de protocolo, receptor de RF e muito mais.

Isso ajuda a reduzir o custo do equipamento, por exigir a compra e manutenção de um menor número de instrumentos, o que é um aspecto significativo de custo para os sistemas de teste. Isso pode ser especialmente útil sempre que houver a necessidade de fornecer recursos de teste e instrumentação por um tempo bastante longo (acima de 10 anos), por exemplo, em sistemas de teste militares ou aeroespaciais. Essas aplicações muitas vezes exigem a reconstituição do comportamento de instrumentos antigos, não mais disponíveis.

Os instrumentos reconfiguráveis são úteis para essa aplicação, pois eles podem ser reprogramados para imitar o comportamento de um instrumento antigo. Isso ajuda a reduzir custos, pois o software do sistema de teste exigirá muito menos retrabalho e novas certificações para trabalhar com esse novo instrumento.

Um exemplo desse tipo de instrumento é o osciloscópio reconfigurável NI PXIe-5171R, que usa um FPGA Xilinx Kintex-7 para processar amostras adquiridas em oito entradas em tempo real. A figura 4 mostra como o FPGA programável pelo usuário é integrado no percurso de dados e fornece acesso aos sinais de controle e temporização do instrumento.

 

Conclusão

Os métodos convencionais de trigger nos osciloscópios têm um difícil desafio na captura de eventos muito raros ou complexos, por sua falta de flexibilidade e análise em tempo real. Novas abordagens podem aproveitar a tecnologia FPGA para definir funções de trigger customizadas para as condições de trigger mais complexas, além de processar e analisar os sinais em tempo real.

Veja nessa demonstração como você pode eliminar o tempo morto, customizando o seu trigger. 

 

Veja nossa demonstração