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Grundlagenwissen Oszilloskope

Welche Vorteile es bringt, wenn das Oszilloskop verschiedene Messgeräte vereint

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Anbieter zum Thema

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG
dataTec AG
ISH Ingenieursozietät GmbH
Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG

Spektrum der analogen Eingangssignale

Bild 1: Zweipfadarchitektur für unabhängiges und gleichzeitiges Einstellen der Zeit- und Spektrumanalyseparameter.
Bild 1: Zweipfadarchitektur für unabhängiges und gleichzeitiges Einstellen der Zeit- und Spektrumanalyseparameter.
(Rohde & Schwarz)
Einige Software-Implementierungen erlauben es, durch Gating einen Zeitbereich auszuwählen. An der bereits durch den reduzierten Speicher heruntergesetzten Abtastrate kann der Ansatz aber nichts mehr ändern. Wichtig für die Analyse sind zudem zusätzliche Messwerkzeuge und Darstellungsoptionen. In der Spektrumanalyse gehören dazu: Min Hold, Max Hold und Average, mit denen sich Grenzfälle und Durchschnittswerte schnell erfassen lassen. Marker zur automatischen Suche von Spitzenwerten unterstützen bei der Analyse des Spektrums. Zeitliche Veränderungen im Spektrum oder sporadische Störsignale macht die Spektrogrammdarstellung sofort sichtbar. Hierbei werden Amplitudenwerte gegen Frequenz und Zeit farbkodiert.

Bilid 2: Mit dem Nahfeldsondenset R&S RT-HZ15 lassen sich gezielt Leitungen oder Bauteile mit dem Oszilloskop untersuchen.
Bilid 2: Mit dem Nahfeldsondenset R&S RT-HZ15 lassen sich gezielt Leitungen oder Bauteile mit dem Oszilloskop untersuchen.
(Rohde & Schwarz)
Das R&S RTM2000 bietet speziell die Option Spektrumanalyse und Spektrogramm (R&S RTM-K18). Dank einer entsprechenden Architektur (Bild 1) ist es möglich, das Spektrum der analogen Eingangssignale von DC bis zur Gerätebandreite zu analysieren. So lässt sich beispielsweise die Korrelation von Datenfehlern an digitalen Schnittstellen mit spektralen Störungen analysieren. Ausschlaggebend ist die separate Implementierung des Spektrumanalyse-Signalpfades direkt nach dem A/D-Wandler. Um hohe Analysegeschwindigkeiten zu ermöglichen, wird das Spektrumsignal durch einen in Hardware realisierten Digital Down Converter (DDC) auf die für die Analyse relevanten Komponenten reduziert. Die Einstellungen der Messparameter sind unabhängig optimierbar; im Zeitbereich also Zeitdauer und -auflösung, im Frequenzbereich direkt über Mittenfrequenz, Span und Auflösebandbreite.

EMI-Fehlersuche an einem Schaltnetzteil

Bild 3: Emissionsprofil eines SMPS untersucht mit der Spektrumsanlayse und Spektrogramm Option des R&S RTM2000. Im Spektrogramm (oben) werden die verschiedenen Modi gut sichtbar. Im Spektrumsfenster (unten) zeigt die Max-Hold Kurve die Maxima aller Modi an.
Bild 3: Emissionsprofil eines SMPS untersucht mit der Spektrumsanlayse und Spektrogramm Option des R&S RTM2000. Im Spektrogramm (oben) werden die verschiedenen Modi gut sichtbar. Im Spektrumsfenster (unten) zeigt die Max-Hold Kurve die Maxima aller Modi an.
(Rohde & Schwarz)
Mit den Messwerkzeugen der R&S RTM-K18 lässt sich beispielweise eine der Hauptquellen für elektromagnetische Störungen effizient untersuchen: die für verschiede Spannungslevel nötigen, omnipräsenten SMPS und DC/DC-Converter sowie ihre Leitungen. Typischerweise liegen die Störsignale der Netzteile deutlich unter 20 MHz und die meisten EMV-Standards spezifizieren leitungsgebundene Limits bis 30 MHz und Abstrahlungslimits bis 1 GHz. Während spezialisierte Labore dies insbesondere im Fernfeld messen, lassen sich mit der R&S RTM-K18 und den passenden Nahfeldsonden (Bild 3), gezielt Leitungen oder Bauteile analysieren. Problematische Stellen im Design sind so schnell gefunden und können behoben werden.

Ein Tastendruck aktiviert die Spektrumanalyse, anschließend lässt sich die Anzeige flexibel anpassen. Im Beispiel (Bild 3) ist zur Fokussierung auf die Frequenzspektren die Zeitbereichsansicht deaktiviert. Das aktuelle Spektrum ist im unteren Teilfenster dargestellt, der zeitliche Verlauf der einzelnen Spektren Zeile für Zeile im oberen Teilfenster. Dort sind klar die verschiedenen Betriebszustände des SMPS zu erkennen. Ebenfalls augenscheinlich ist, dass einige Störer unabhängig von der Belastung auftreten. Mittels Markern und der Max Hold-Kurve (blau) im unteren Teilfenster sind die Frequenzen schnell bestimmt. Da durch die Analyse mit der Nahfeldsonde auch der Ort der Emission lokalisiert ist, lässt sich das Problem gut über gezielte Schirmung oder Tauschen von Bauteilen lösen.

Analyse eines spannungsgesteuerten Oszillators

Bild 4: Analyse eines VCOs mit Fehlern im Frequenzwechselverhalten. Dargestellt sind im oberen Teilbild die analogen Signale sowie der dekodierte serielle Bus, im unteren das aktuelle Spektrum mit farbkodierter Amplitude. Mehrfach auftretende gleiche Zeilen im mittleren Teilbild, dem Spektrogramm, zeigen eine fehlerhafte Frequenzumschaltung.
Bild 4: Analyse eines VCOs mit Fehlern im Frequenzwechselverhalten. Dargestellt sind im oberen Teilbild die analogen Signale sowie der dekodierte serielle Bus, im unteren das aktuelle Spektrum mit farbkodierter Amplitude. Mehrfach auftretende gleiche Zeilen im mittleren Teilbild, dem Spektrogramm, zeigen eine fehlerhafte Frequenzumschaltung.
(Rohde & Schwarz)
Die Analyse des Umschaltverhaltens eines über ein serielles Protokoll kontrollierbaren spannungsgesteuerten Oszillators (Voltage-controlled Oscillator, kurz VCO) ist ein komplexer Vorgang. Im Beispiel (Bild 2) soll dieser zwischen drei Zuständen wechseln. Zur Selektion der zu analysierenden Ereignisse ist der Protokolltrigger auf Kommandos eingestellt, welche die Frequenz setzen (oberes Teilbild). Mit Hilfe der auf Teilbereiche des Zeitsignals einschränkbaren Spektrumanalyse lassen sich elegant die Zustände vor, nach und während des Umschaltens analysieren.

Im Beispiel ist der zu untersuchende Zeitbereich kurz nach dem jeweiligen Umschaltvorgang (Data: 01h) eingestellt, was durch die beiden vertikalen weißen Linien angezeigt wird. Das Wechseln zwischen den verschiedenen Zuständen ist am besten im Spektrogramm (mittleres Teilbild) ersichtlich. Es zeigt sich, dass der untersuchte Oszillator fälschlicherweise mehrfach auf die gleiche Frequenz gesetzt wird, was zu wiederholt auftretenden gleichen Zeilen im Spektrogramm führt. Der aus der links unten überlagerten Tabelle ablesebare zeitliche Abstand zwischen den Frequenzumschaltungen deutet auf das zugrunde liegende Problem in der Steuerung hin.

Einmal erkannt, kann der Entwickler dessen Ursache beheben. Im Spektrogramm wären zudem etwaige Ausreißer leicht sichtbar und damit gut isolier- und analysierbar. Ist die Option History and Segmented Memory (R&S RTM-K15) aktiviert, lässt sich die fehlerhafte Messkurve und ihr zugehöriges Spektrum (unterstes Teilbild) aus dem Speicher mit bis zu 460 MSample laden und mit den Analysewerkzeugen des Oszilloskops auf die Fehlerursache hin untersuchen.

* Dr. Philipp Weigell ist Produktmanager für Oszilloskope bei Rohde & Schwarz in München.

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