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Augendiagramme als Diagnosewerkzeug für serielle Busse

Augendiagramme sind ein wichtiges Diagnosewerkzeug für serielle Datenprotokolle wie den CAN-Bus. Augenmuster sind eine Überlagerung einer großen Anzahl von Übergängen zusammen mit der Nachleuchtanzeige des Oszilloskops. Die Qualität eines Datensignals lässt sich leicht an der Größe des Auges oder der vertikalen Öffnung von logisch niedrig zu logisch hoch erkennen. Augendiagramme liefern einen schnellen Überblick über eine Reihe von Signalintegritätsproblemen, die in einem CAN-Bus-Signal vorhanden sein können. Dabei spielt es keine Rolle, ob sie mit der Spannung, dem Timing oder beidem zusammenhängen. Jitter, Reflexionen, Glitches, Runt-Impulse, Intersymbol-Interferenz (ISI), Übersprechen, nicht monotone Flanken, langsame Anstiegs-/Abfallzeiten, Überschwingen, Rauschen und mehr lassen sich in einem Augendiagramm erkennen.

Als Beispiel soll ein verzerrtes CAN-FD-Augendiagramm dienen. Es zeigt eine unübersichtliche Öffnung mit verstreuten Nulldurchgängen. Das CAN-FD-Signal ist ein sich wiederholendes 0x22-Muster. Mit dem Track- Mathe-Operator (F2) kann man sich die Datenbitperioden ansehen. Die Breite variiert von Bit zu Bit erheblich. Die Abtastrate kann der Anwender wählen. Allerdings sollte man nicht die maximale Abtastrate als Standard einstellen. Unter der Abtastrate eines Oszilloskops versteht man die Geschwindigkeit, mit der es den Spannungspegel eines Eingangssignals digitalisieren und aufzeichnen lässt. Ein analoges Signal wird über Tastköpfe in das Oszilloskop von einem A/D-Wandler digitalisiert und im Erfassungsspeicher abgelegt. Kurz: Die Abtastrate ist die Rate, mit der das Oszilloskop die Spannungspegel liest und in eine digitale Form umwandelt und speichert.

Wie das Oszilloskop seinen Erfassungsspeicher benutzt

Das Abtasttheorem von Nyquist besagt: Für eine Abtastung mit der Nyquist-Rate muss das Signal mindestens zweimal mit der höchsten Frequenz abgetastet werden. Jedoch heißt das nicht, das Signal mit der doppelten Bitrate abzutasten, da die höchste Frequenzkomponente eine Störung oder ein anderes Phänomen sein könnte.

Abtastrate und Speicher sind miteinander verbunden. Bild 14 zeigt vereinfacht, wie ein Oszilloskop seinen Erfassungsspeicher benutzt. Bei begrenztem Speicher sind mehr Abtastungen in kurzer Zeit möglich, um eine höhere Dichte zu erreichen (blau) oder weniger Abtastungen über einen längeren Zeitraum (rot). Wenn man wissen will, wie lang ein CAN-Bus-Signal aufgenommen werden kann, dann hilft die Formel:

Die Auswirkungen der Abtastrate auf ein CAN-Signal

CAN-Bus-Signale erfassen und dekodieren geht mit geringer Abtastrate. Die Abtastrate lässt sich auf bis zu vier Samples/Bit senken. Bei einer Datenrate von 125 kBit/s und einer Abtastung mit 500 kSa/s ist das ein Verhältnis von 4:1 und alle Felder der CAN-Bus-Botschaften lassen sich dekodieren. Die Datendichte eine Signals auf dem CAN-Bus kann sehr hoch sein. Bei 100 Mio. Abtastpunkten, einer horizontalen Zeitbasis von 500 ps/div und man möchten durch die gesamte Wellenform scrollen en, dann ist die Anzeige bei einer Bildschirmbreite von 8 Zoll rund 200 km lang.

Für die Auswirkungen der Abtastrate auf ein CAN-Signal einige Beispiele mit einer Datenrate von 125 kBit/s (Bild 16). Oben ist eine Kurve zu sehen, die mit der maximalen Abtastrate des Oszilloskops von 10 GSa/s erfasst wurde. Die gemessene Anstiegszeit beträgt 21,19 ns und das Verhältnis von Abtastrate zu Datenrate 80.000:1. Im nächsten Bild sinkt die Abtastrate auf 1 GSa/s (8.000:1 Oversampling).

Die gemessene Anstiegszeit verschlechtert sich geringfügig auf 21,12 ns. Bei einer Abtastrate von 100 MSa/s (800:1) zeigt sich eine deutliche Verschlechterung mit einer gemessenen Anstiegszeit von 22,32 ns. Der Messfehler von fünf Prozent kann je nach Anforderungen signifikant sein oder nicht. Bei 10 MSa/s und 80:1 bricht die Messung der Anstiegszeit zusammen. An der Flanke selbst gibt es keine Abtastpunkte. Das Oszilloskop gibt eine Warnmeldung aus und liefert eine Anstiegszeit von <79,98 ns.

Das entspricht einem Fehler von 277 Prozent. Ein Verhältnis von 80:1 ist nicht annähernd genug Oversampling für Arbeiten zur Signalintegrität. Bei den empfohlenen Abtastraten für CAN-Signale ist ein Minimum von 4:1 Samples/Bit für eine genaue Dekodierung ausreichend. Bei einem Augendiagramm sind mindestens 100:1 Samples/Bit zu verwenden. Für Messungen von Anstiegs-/Abfallzeiten ist ein Oversampling von mindestens 1.000:1 Samples/Bit erforderlich.

* Mike Hertz Anwendungstechniker bei Teledyne LeCroy.

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