Oszilloskope Schnell erfasst

Bandbreite, Abtastrate und Speichertiefe sind Leistungsdaten, nach denen ein Messtechniker ein digitales Speicheroszilloskop auswählt. Dabei sollte der Anwender auch die Aktualisierungsrate des...

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Bandbreite, Abtastrate und Speichertiefe sind Leistungsdaten, nach denen ein Messtechniker ein digitales Speicheroszilloskop auswählt. Dabei sollte der Anwender auch die Aktualisierungsrate des Signals berücksichtigen. Schließlich nimmt ein Oszilloskop mit dieser Rate das Messsignal auf, aktualisiert den Bildschirm und beeinflusst darüber hinaus entscheidend die Möglichkeit, zufällig und selten auftretende Ereignisse wie Glitches zu erfassen. Anhand einer Debugging-Applikation lesen Sie in diesem Beitrag, wie sich Phänomene dieser Art ermitteln lassen und auf welche Spezifikationen es ankommt.

Beim Kauf eines digitalen Speicheroszilloskops (DSO) sollte der Messtechniker unbedingt auf die Reaktionsschnelligkeit des Gerätes achten. Um festzustellen, ob ein DSO spontan reagiert, kann man ein schnelles, sich ständig wiederholendes Signal anlegen und die Reaktion am Display des Gerätes beobachten. Reagiert das Display zu langsam, d.h. wird der Bildschirm nicht mindestens 20-mal/s aktualisiert, kann diese Trägheit den Einsatz des Gerätes zu einem frustrierenden Erlebnis machen. Vereinzelte Anbieter von DSOs geben Aktualisierungsraten im Bereich von mehreren Tausend Messsignalen/s an. Das Problem: Das menschliche Auge kann die Unterschiede in der Leistungsfähigkeit in diesem Bereich nicht mehr wahrnehmen. Dabei sind die Aktualisierungsraten wichtig, wenn man eine schnelle digitale Schaltung auf Fehler untersucht. Sie verbessern die Fähigkeit, unregelmäßig auftretende Ereignisse zu erfassen um ein Wesentliches. Bleiben die Messwerte, die man auf einem DSO-Bildschirm beurteilen muss, stets gleich und enthalten sie keine Anomalien, sind extrem schnelle Aktualisierungsraten ohne Bedeutung. Wiederholen sich die Signale dagegen nicht exakt und kontinuierlich und treten Anomalien auf, verursachen diese selten und zufällig auftretenden Ereignisse den Ingenieuren größtes Kopfzerbrechen.

Nur ein einziger Glitch in 50 000 Abtastzyklen

Bild 1 ( siehe Heftausgabe) zeigt einen selten auftretenden Zustand (einen Glitch). Dieser Glitch tritt bei 50 000 Abtastzyklen des gemessenen Signals im Durchschnitt ein einziges Mal auf. Wüsste man im Vorfeld, dass dieses Ereignis eintritt, ließe sich das Trigger-Set-up der meisten DSOs auf Glitches einstellen. Kennt man diesen Glitch aber nicht, wird man diverse Schaltungssignale messen, um das richtige Signalverhalten zu verifizieren. Dazu wird der Messtechniker das Standard-Geräte-Set-up zum Triggern auf steigende oder fallende Flanken wählen. Wegen ihrer relativ langsamen Aktualisierungsraten erfassen die meisten DSOs Signale über längere Zeiträume hinweg, um unregelmäßig eintretende Ereignisse zu ermitteln. Will man die gängige Debugging-Methode einsetzen, also jeden Testpunkt lediglich wenige Sekunden mit dem Tastkopf kontaktieren (das so genannte „Browsing“), und unregelmäßig eintretende Ereignisse erfassen, die an jenen Testknoten auftreten können, benötigt man ein Gerät mit sehr schneller Aktualisierungsrate.

Der Glitch in Bild 1 wurde mit einem Oszilloskop der aktuellen Serie 6000 mit Mega-Zoom-III-Technologie von Agilent Technologies erfasst. Laut Hersteller kann dieses Gerät mittels Echtzeitabtastung Signale bis zu 100 000-mal/s aktualisieren – dies selbst bei sinx/x-Rekonstruktion und voller Speichertiefe. Dank dieser Aktualisierungsrate bietet das Gerät statistisch gesehen die Möglichkeit, ein fehlerträchtiges Ereignis etwa 2-mal/s zu erfassen. Hat man nun festgestellt, dass die Schaltung ein unerwartetes Verhalten zeigt, kann man mit weiteren Debugging-Maßnahmen am System beginnen. Verwendet man zudem die Logikkanäle eines Mixed-Signal-Oszilloskops von Agilent, lassen sich die Triggerbedingungen auf kombinierte Logikmuster für mehrere analoge und digitale Kanäle einstellen. Dieser Vorgang deckt auf, wenn ein System gelegentlich die wichtige Set-up-and-Hold-Zeit verletzt – z.B. durch einen Takt-Jitter (Bild 2, siehe Heftausgabe).

Die Echtzeitabtastverfahren herkömmlicher DSOs weisen eine Aktualisierungsrate von etwa 60 bis 700 Signalerfassungen/s auf. 60 Messwerterfassungen sind bereits schnell genug, dem Oszilloskop den Anschein einer Echtzeitfähigkeit zu geben. Dennoch muss der Tastkopf rd. 14 min mit dem Testpunkt kontaktiert bleiben, um nur einen einzigen intermittierenden Zustand innerhalb von 50 000 Zyklen zu erfassen. Selbst bei 700 Signalaktualisierungen/s muss der Tastkopf durchschnittlich noch über 1 min kontaktiert bleiben, um einen Glitch zu ermitteln. Setzt man nun die gängige Debugging-Methode ein, was eben bedeutet, dass man den Tastkopf schnell von Testpunkt zu Testpunkt bewegt und dort nur wenige Sekunden belässt, lässt sich dieser Glitch mit dem standardmäßig aktivierten Echtzeitabtastverfahren anderer DSOs wahrscheinlich nicht erkennen. Dafür notwendig ist ein Gerät, das den Messwert mehrere 10 000-mal/s und öfter aktualisiert.

Ein komplettes Signal besteht aus 1000 Punkten

Nicht alle Messsignale werden auf die gleiche Weise generiert. Daher stellt sich die Frage, wie man eine „komplette“ Signalform definiert. Generell gilt: Verwendet man die Echtzeitabtastung mit sinx/x-Rekonstruktion, ergibt jeder Erfassungszyklus ein komplettes Signal, das aus mind. 500 bis 1000 Punkten besteht. Setzt man jedoch die Equivalent-Zeit/Repetitiv-Abtastung ein, erzeugen herkömmliche Oszilloskope bei „speziellen“ Messwerterfassungsmethoden meistens unvollständige Signalzüge, deren Stützpunkte wegen der schnelleren Zeitbasis weiter auseinander liegen. Beispiel: Ein Modell des Herstellers x kann bei 200 ps/Skalenteil durchschnittlich nur 2,5 Punkte während jeder Signalformerfassung erzeugen, weil die max. Abtastrate des Oszilloskops auf 1,25 GS/s beschränkt ist, wenn dessen spezieller „schneller Erfassungsmodus“ gewählt wird.

Um aber ein vollständiges Signal zu definieren, ist dies eine viel zu geringe Anzahl an Messpunkten. Selbst wenn dieses Oszilloskop dank der schnelleren Zeitbasisbereiche über 100 000 Messwerterfassungen/s erreichen kann, generiert es bei dieser Einstellung keine 100 000 vollständigen Signale/s.Um Signale von verschiedenen Oszilloskopen zu vergleichen, die diverse spezielle Equivalent-Zeit-Abtasttechniken einsetzen, sollte man die aktuelle Messwerterfassungsrate bei schnelleren Zeitbasisbereichen normalisieren, um die „kompletten“ Messwert/s-Aktualisierungsraten berechnen zu können. Laut Hersteller sollte man einen Normalisierungsfaktor von mindestens 500 digitalisierten Punkten ansetzen. Im Klartext: Ein Oszilloskop mag zwar in der Lage sein, 100 000 Signale/s zu aktualisieren, aber bei lediglich 2,5 Punkte pro Erfassung würde das Gerät rund 200 Zyklen benötigen, um ein „vollständiges“ Signal zu erzeugen, das aus 500 Punkten besteht.

Die effektive Signalaktualisierungsrate würde nicht bei 100 000 Signalen/s liegen (bei schnellen repetitiven Abtasttechniken), sondern tatsächlich nur bei 500 „vollständigen“ Signalen/s. Vorsicht ist auch bei der Zahlen-Spezifikation von speziellen, schnellen Signalerfassungs-Modi geboten, weil weitere Set-up-Variablen die Aktualisierungsrate von Messwerten zusätzlich beeinflussen. Diese Variablen sind z.B. der Zeitbasisbereich, die Art der Messung, die Anzahl der aktiven Kanäle, der Speicher oder die Komplexität des dargestellten Signals. Bild 3 zeigt ein Diagramm von Messwerten/s auf Grundlage einer Zeitbasiseinstellung beim 6000er-Modell von Agilent.

Johnnie Hancock und Peter Kasenbacher

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