Zone-Trigger im Oszilloskop So lassen sich komplexe Signalanomalien grafisch isolieren

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Komplexe Signalanomalien lassen sich mit herkömmlichen Hardware-Triggern oft nur schwer oder gar nicht erfassen. Bei grafischen Zone-Trigger kann man durch einfaches Markieren auf dem Oszilloskop-Display Fehler isolieren. Ein Leitfaden für den Zeit- und Frequenzbereich.

Das Oszilloskop ist das Messinstrument für die Fehlersuche und Problemerkennung in elektronischen und elektrischen Systemen. Ein zentrales Element ist die Triggerfunktion zur Isolierung bestimmter Ereignisse. In der Regel verfügen Oszilloskope über mehrere Triggerarten zur Untersuchung unterschiedlicher Ereignisse wie Flanken, Pulsbreiten, Muster und sonstiger parametrischer Bedingungen.

Diese hardwarebasierten Trigger eignen sich für die Isolierung seltener Ereignisse, stoßen jedoch zuweilen an ihre Grenzen. So kann es beispielsweise vorkommen, dass ein Nutzer eine Anomalie zwar grafisch angezeigt bekommt, das Ereignis mit den verfügbaren Triggeroptionen aber nicht ohne Weiteres isolieren kann. Ein grafischer Trigger, auch Zone-Trigger genannt, ergänzt die herkömmliche hardwarebasierte Triggerung und verschafft hier Abhilfe. Er bringt mehr Flexibilität in die Analyse der Signale. Da diese Funktion je nach Hersteller auf unterschiedliche Weise umgesetzt wird, ist es wichtig, sich vor dem Kauf eines Oszilloskops mit Zone-Trigger-Funktion genau zu überlegen, welche Anforderungen damit erfüllt werden sollen.

Was ist ein Zone-Trigger?

Wer versteht, wie ein Zone-Trigger funktioniert, kann besser beurteilen, in welchen Fällen sein Einsatz sinnvoll ist. Beim Zone-Triggering zieht der Nutzer auf der Bildschirmanzeige des Oszilloskops einen oder mehrere Bereiche auf. Jeder dieser markierten Zonen (Bild 1) kann er die Bedingung „Schneiden“ oder „Nicht schneiden“ zuweisen. Anschließend überprüft das Oszilloskop bei jeder Erfassung, ob ein aufgezeichneter Signalverlauf in diese Zonen eindringt oder nicht. Erfüllt das Signal die vom Nutzer festgelegten Zonenbedingungen, wird es auf dem Display dargestellt. Ist das nicht der Fall, wird die Erfassung vom Gerät verworfen. Folglich werden nur diejenigen Signalverläufe angezeigt, die exakt den festgelegten Bedingungen entsprechen.

Ein Zone-Trigger wird üblicherweise als zweite Triggerstufe hinter einer herkömmlichen hardwarebasierten Triggerbedingung eingesetzt. Das geschieht ähnlich wie bei einem Flankentrigger. So können Nutzer zunächst bestimmte Ereignistypen grundlegend isolieren und anschließend die Analyse mit einem Zone-Trigger verfeinern.

Typische Anwendungen für Zone-Trigger

Mithilfe eines Zone-Triggers können Nutzer grafisch Bedingungen festlegen, um ein bestimmtes Ereignis im erfassten Signalverlauf zu isolieren. Dies ist in der Praxis oft intuitiver als die Überlegung, wie sich derartige Signalereignisse mit einer herkömmlichen hardwarebasierten Triggerbedingung aufspüren ließen. Hauptsächlich wurden Zone-Trigger jedoch entwickelt, um Ereignisse zu isolieren, für die klassische Triggerarten schlicht ungeeignet sind. Ein typischer Anwendungsfall ist beispielsweise die Definition einer Zone, um in aufeinanderfolgenden Taktperioden eines Signals ein bestimmtes Muster aus Einsen und Nullen zu finden. Darüber hinaus lässt sich ein Zone-Trigger auch auf mathematisch berechnete Signalverläufe anwenden. Das kann etwa auf das Produkt aus Strom und Spannung sein, um gezielt auf einen bestimmten Leistungspegel in Watt zu triggern.

Zone-Trigger für mathematisch berechnete Signale

Die herkömmliche Triggerung eines Oszilloskops erfolgt direkt während der Signalerfassung an den analogen oder digitalen Kanälen, also an den physikalisch anliegenden Signalen. Da die Zone-Triggerung jedoch erst nach der eigentlichen Erfassung ausgeführt wird, sind den Einsatzmöglichkeiten kaum Grenzen gesetzt. Dabei ist es sogar möglich, mathematisch verarbeitete Signale (Mathematikkanäle) als Triggerquelle zu verwenden. Bild 2 zeigt mehrere Zonen, die auf Basis einer solchen mathematischen Verknüpfung festgelegt wurden. Daraus ergeben sich völlig neue Möglichkeiten bei der Isolierung von Ereignissen:

Nutzt ein Anwender beispielsweise eine Stromzange und einen Spannungstastkopf, lässt sich durch die Multiplikation der beiden Signale direkt die Leistung darstellen. Nun kann mithilfe von Zonen gezielt auf bestimmte Leistungspegel oder Anomalien im Leistungsverlauf getriggert werden. Wendet der Anwender zusätzlich eine Integralfunktion auf dieses Leistungssignal an, lässt sich sogar ein bestimmter Energiewert in Joule als Triggerbedingung nutzen. Die neue Möglichkeit, mathematisch verarbeitete Signale als Quelle für die Zone-Triggerung zu verwenden, bringt enorme Flexibilität in die Isolierung komplexer Ereignisse.

Früher konnten Oszilloskope ausschließlich auf Ereignisse im Zeitbereich triggern. Auch Geräte mit FFT-Funktion, bei denen die Transformation in den Frequenzbereich erst nach der eigentlichen Erfassung stattfindet, boten keine Möglichkeit zum Triggern im Spektrum. Bild 3 zeigt, wie Anwender mit einem Zone-Trigger nun sogar Ereignisse eines Signals gezielt in dessen Frequenzbereich isolieren können. Durch das Einzeichnen entsprechender Zonen lässt sich grafisch bestimmen, bei welchen Frequenzen und Pegeln das Oszilloskop triggern soll.

Mit einem Zone-Trigger im Frequenzbereich lassen sich schnell benutzerdefinierte Filter erstellen, die nur die Erfassung bestimmter Frequenzanteile zulassen. Eine (Sperr-)Zone auf der linken Seite, also bei den niedrigen Frequenzen, kann beispielsweise die Funktion eines Hochpasses übernehmen. Befindet sich die Zone dagegen ausschließlich auf der rechten Seite, ergibt sich die Wirkung eines Tiefpassfilters. Ein Bandpassfilter lässt sich durch das Kombinieren mehrerer Zonen definieren (Bild 4).

Schnellere und zuverlässigere Erfassung mit ASIC-basierten Zone-Triggern

Wie so oft in der Technik hat ein herkömmlicher Zone-Trigger nicht nur Vorteile, denn klassischerweise handelt es sich dabei um eine reine Software-Nachverarbeitung. Dies birgt zwei unerwünschte Konsequenzen: Zum einen verringert sich durch den hohen Rechenaufwand die Aktualisierungsrate (Waveform Update Rate) des Oszilloskops erheblich. Diese kann bei Aktivierung eines Software-Zone-Triggers durchaus um den Faktor 1.000 einbrechen. Zum anderen – und das ist für die Messtechnik noch kritischer – erhöht sich die Blindzeit (Dead Time) zwischen den einzelnen Signalerfassungen drastisch. Ein rein softwarebasiertes Zone-Triggering lässt sich daher in der Praxis meist nur für streng periodische, sich wiederholende Signale effektiv einsetzen, da seltene Ereignisse sonst in die lange Blindzeit fallen könnten.

Einige wenige aktuelle Oszilloskop-Modelle verfügen jedoch über einen Hardware- oder ASIC-basierten Zone-Trigger. Dies gilt zum Beispiel für die Oszilloskope der Serien MXO 3, MXO 4, MXO 5 und MXO 5C von Rohde & Schwarz. Deren Zone-Trigger kann bis zu 600.000 Signalerfassungen pro Sekunde verarbeiten und ist damit um ein Vielfaches schneller als ein rein softwarebasierter Ansatz. Der ASIC-basierte Zone-Trigger bietet eine extrem kurze Trigger-Reaktivierungszeit von nur etwa 1 µs. Dieser Wert ist selbst im Vergleich zu den Reaktivierungszeiten klassischer Hardware-Trigger der meisten auf dem Markt befindlichen Oszilloskope herausragend.

Auswahlkriterien für Zone-Trigger

Wer über die Aufrüstung eines vorhandenen oder die Anschaffung eines neuen Oszilloskops mit Zone-Trigger nachdenkt, sollte dafür folgende Kriterien heranziehen: Zunächst muss das Gerät diese Funktion natürlich grundsätzlich unterstützen. Entscheidend ist dann aber ein genauer Blick auf die Implementierung. Die Unterschiede zeigen sich vor allem in der Geschwindigkeit: Ein ASIC-basierter Trigger ist erheblich schneller und zuverlässiger (kürzere Blindzeit) als ein reiner Software-Trigger.

Zudem ist wichtig, welche Signalquellen für die Triggerfunktion unterstützt werden. Zwar kann in der Regel jeder Zone-Trigger einen analogen Kanal als Quelle nutzen, deutlich flexibler sind jedoch Geräte, die auch mathematisch berechnete Signale und das Signalspektrum (FFT) zulassen. Gerade ein Zone-Trigger in der Spektrumanzeige eröffnet weitreichende Analysemöglichkeiten, die klassische Trigger im Zeitbereich schlicht nicht bieten können.

Darüber hinaus unterscheiden sich Zone-Trigger in vielen praktischen Details. Manche Modelle unterstützen beispielsweise nur rechteckige Zonen, während andere freie Formen (Polygone) erlauben. Hier entscheidet der jeweilige Anwendungsfall, was am besten geeignet ist. Auch der Bedienkomfort spielt im Laboralltag eine große Rolle: Wie intuitiv lassen sich Größe, Form, Quelle und Logik (Schneiden/Nicht schneiden) der Triggerzone anpassen? Am besten testet der Anwender bei den Geräten in der engeren Auswahl selbst, wie flüssig das Hinzufügen und Entfernen von Zonen über den Touchscreen von der Hand geht. In der Praxis geschieht dies häufiger als ursprünglich erwartet. Ein letztes, ebenfalls wichtiges Kriterium ist die maximale Anzahl an Zonen, die sich auf dem Oszilloskop für eine Messaufgabe gleichzeitig definieren lassen.

Wenn herkömmliche Trigger an ihre Grenzen stoßen

Der Zone-Trigger ist eine nützliche Funktion, die die klassische Oszilloskop-Triggerung ergänzt und sich in der Praxis zunehmender Beliebtheit erfreut. Er kommt genau dort zum Einsatz, wo herkömmliche Triggerarten an ihre Grenzen stoßen. Zu den wichtigsten technologischen Fortschritten in diesem Bereich zählen die enorm gesteigerte Verarbeitungsgeschwindigkeit durch ASIC-basierte Hardware-Trigger sowie die Flexibilität, Zonenbedingungen nicht nur im Zeitbereich, sondern auch auf mathematisch berechnete Signale und im Signalspektrum (FFT) anwenden zu können. (heh)

Tests und Fehlersuche

MXO-Oszilloskope bieten ASIC-basierten Zone Trigger

* Joel Woodward ist strategischer Produktmanager für Oszilloskope bei Rohde & Schwarz. Er verfügt über mehr als 35 Jahre Erfahrung in der Messtechnikbranche und hat einen Abschluss in Electrical and Computer Engineering von der Brigham Young University sowie einen MBA von der Regis University. Darüber hinaus hat er Kurse an der Harvard Business School absolviert und besitzt ein Patent für FPGA-Debugging.

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