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Fehlersuche mit dem Digitaloszilloskop

Vielfältige Messungen an Schaltungsentwürfen

27.07.2007 | Autor: Trevor Smith*

Universal-Digitaloszilloskope gehören zur Grundausstattung eines Ingenieurs. Mit ihren vielfältigen Funktionen lassen sich Fehler in Schaltungen aufzuspüren und die Messresultate abschließend zu dokumentieren.

Die meisten Universaloszilloskope erfüllen grundlegende Anforderungen an die Bandbreite und Fehler lassen sich schnell auffinden. Zu den typischen Messaufgaben eines Oszilloskopes gehören:

Darstellen schwierig fassbarer Glitches und Signalanomalien,
Fehlerbeseitigung im Timing von Digitalschaltungen,
Verifizieren von Zeitbezügen,
Prüfen der Signalintegrität,
Blockaden in Digitalsystemen verhindern,
Untersuchungen an Videosignalen,
Aufspüren von Störquellen in Schaltungen und
Analyse von Netzspannungs-Oberwellen.

In schnellen Digitalstufen können Glitches und sporadisch auftretende Signalanomalien in Schaltkreisen Fehlfunktionen hervorrufen. Die Peak-Detect-Funktion spürt solche Fehler auf. Dabei bestimmt sie zuerst in jedem Abtastintervall den höchsten und niedrigsten Wert und zeigt dann alle Abtastwerte an, die zwischen diesen beiden Werten liegen. Schnell sind alle Extremwerte erkennbar, die sich während eines Abtastintervalls zwischen den beiden Schwellwerten ereignen. Mit Peak-Detect lassen sich kurze Glitches erkennen, wobei sogar Niederfrequenz-Signale überlagert sein dürfen.

Sporadisch auftretende Signalanomalien sind ebenfalls ein Problem. Oszilloskope mit einstellbarer Nachleuchtdauer bis hin zur unendlichen Nachleuchtdauer können solche Anomalien darstellen. Damit lassen sich Signalveränderungen über eine bestimmte Zeitperiode visualisieren. Variables Nachleuchten zeigt das Bild 2, wobei das aktuellste Signal hervorgehoben ist. Mit der Display-Updaterate lässt sich die Häufigkeit abschätzen, mit der eine festgestellte Anomalie über die Zeit hinweg auftritt.

Fehlerbeseitigung im Timing von Digitalschaltungen

Eine Reihe von Timing-Problemen müssen beim Digitalschaltungsentwurf gefunden und gelöst werden. Das sind beispielsweise Transienten oder Race-Conditions (Race Hazards) zwischen Einzelkomponenten. Hier ist ein Pulsbreitentrigger das richtige Werkzeug. Das Oszilloskop triggert, wenn die Impulsbreite des Signals gegenüber einem einstellbaren Sollwert größer, kleiner, gleich oder ungleich ist. Ein Pulsbreitentrigger mit der Triggerbedingung „kleiner als“ zählt zu den schnellsten Methoden.

Vermutete Transienten auf dem Bus oder am Ausgang einer Baugruppe lassen sich schnell aufspüren. Die Bedingung “größer als” hilft beim Finden von Bitverklemmungen (Stuck Bits) oder ähnlichen Störungen, bei denen ein Signal nach einigen Transaktionen nicht mehr zu seinem Standardzustand zurückkehrt. Die Triggerbedingung “gleich zu” stellt eine Alternative zum Triggern auf Spannungspegel dar. Die verfügbaren Triggersignale (z.B. Output-Enable) haften Transienten oder Rauschüberlagerungen an.

Ob sich ein Entwurf wie erwartet verhält (Verifizieren) ist ein wesentliches Prüfkriterium. Dabei sind Zeitmessungen wie Impulsbreite, Periodendauer oder Frequenz Grundlage der Prüfung. Solche Messungen sind schnell erledigt, wenn das Oszilloskop mit Cursors ausgestattet ist (Bild. 3). Zur Zeitmessung drückt man einfach die Taste Cursor und wählt im Parametermenü des Gerätes die Messgröße Time. Wenn ein Zeitbezug zwischen zwei Signalen gemessen werden soll, wird ein Cursor auf den Startpunkt und ein zweiter auf den Endpunkt gelegt.

Der Endpunkt sollte ungefähr den gleichen Spannungswert wie der Startpunkt haben. Die Messwertausgabe der beiden Cursors zeigt den Zeitversatz relativ zum Triggerzeitpunkt. Im (Bild 3) ist der Messwert ?t die Periodendauer des Signals. Der Kehrwert aus 1/?t ist die Frequenz des Messsignals.

Signalintegritätsmessungen in der Entwurfsphase

In der Entwurfsphase muss das Verhalten einer Schaltung auf Signalintegrität wie Überschwingen, Oszillieren, Massepotenzialanhebung (Ground-Bounce) oder Übersprechen hin überprüft werden. Signalintegritätsmessungen, wie die Cursorvermessung starker Unterschwinger (Peak-Ringing below Ground), beginnen mit der Auswahl der Betriebsart Amplitude. Der Cursor wird auf 0 V gestellt, der andere auf den stärksten Unterschwinger (negativer Peak). Die absoluten Spannungsmesswerte lassen sich jetzt in den Ausgabefeldern der Cursors am Display ablesen. Ebenso einfach sind automatisch ausgeführte Signalintegritätsmessungen (Bild 4).

Eine Ursache für Blockaden in Digitalsystemen sind Aussetzer im Systemtakt. Mit unterschiedlichen Triggerstufen lassen sich solche Unterbrechungen aufspüren. Im Menü wird als Triggertyp Pulstrigger ausgewählt und anschließend werden Timing und Pulsbreite so eingestellt, dass die Signalerfassung auf den Systemtakt triggert.

Videosignal mit dem Oszilloskop untersuchen

Ein Schnelltest soll feststellen, ob das untersuchte Videosignal an unterschiedlichen Messpunkten vorhanden ist oder fehlt. Alle aktuellen Modelle bieten Videotrigger, die in Kombination mit einer automatischen Geräteeinstellung die Erfassung und Darstellung von Videosignalen vereinfachen. Für den Schnelltest genügt es, das Videosignal über einen Adapter mit 75-Ohm-Abschluss ins Oszilloskop einzuspeisen. Danach wird die Funktion Autoset aufgerufen und als Triggertyp der Zeilentrigger ausgewählt. Ist das Videosignal ein Standardformat, zeigt das Oszilloskop einen stabil abgebildeten Signalverlauf und triggert bei jeder Bildzeile neu.

Je nach Bedarf lassen sich jetzt diverse Feineinstellungen vornehmen, z.B. das künstliche Nachleuchten der Signalspur verlängern, Vertikalposition und Skalierung anpassen oder Änderungen an der Triggereinstellung durchführen. Um bei einer CCD-Videokamera defekte Pixel ausfindig zu machen, können Techniker jede beliebige Zeile eines Videosignals gezielt untersuchen (Bild 5).

Aufspüren von Störquellen in Schaltungen

Im Zeitbereich sind verrauschte Signale nicht immer einfach zu untersuchen. Ingenieure greifen daher bei solchen Analysen auf die Fast-Fourier-Transformation (FFT) zurück. Mit ihr lässt sich die spektrale Frequenzverteilung eines Signals sichtbar machen. Das Oszilloskop zeigt dann nicht den Pegelverlauf über der Zeit, sondern eine Spektraldarstellung mit einzelnen Frequenzlinien. Ihre Höhe ist ein Maß für die Intensität der einzelnen Frequenzkomponenten und sie lassen sich bekannten Systemfrequenzen zuordnen, etwa Systemtaktsignalen, Oszillatoren, Schreib-/Lese-Impulsen, der Displaysteuerung oder auch Schaltnetzteilen.

Aufgerufen wird die FFT-Darstellung über das Bildschirmmenü. Dabei lassen sich die mathematischen Funktionen des Oszilloskops auswählen. Ein Hanning-Fenster gewährleistet die beste Frequenzauflösung. Mit der Vertikal- und Horizontalpositionierung und dem größer/kleiner-zoomen lässt sich die FFT-Darstellung am Display abbilden und mit Hilfe von Cursors präzise vermessen. Wie sich in einer FFT-Ansicht der Hinweis auf eine Störquelle zeigt, ist in Bild 6 erkennbar: Dem Messsignal ist dort eine Frequenzkomponente von 20 MHz überlagert, die der Systemtakt unerwünscht einkoppelt.

Bei der Entwicklung von Schaltnetzteilen darf auch die Rückwirkung des Netzteils auf das Netz nicht vernachlässigt werden. Im Idealfall stellt ein Netzteil für das Netz eine konstante Last dar. Die Realität sieht dagegen häufig anders aus und führt dazu, dass Schaltnetzteile das Stromnetz mit Harmonischen mehr oder weniger stark belasten. Moderne Oszilloskope benötigen nur einfache Ergänzungen, um Auskunft über die Ströme eines Netzteils und die Harmonischen auf der Netzzuleitung zu geben.

Im Menü des Oszilloskopes wird zuerst auf Strommessung umgeschaltet und dann der zum Messwertaufnehmer passende Skalierungsfaktor gewählt. Die vertikale Achse zeigt jetzt die Einheit mA an. Die eingebaute Berechnungssoftware unterstützt mit FFT-Algorithmen genaue Amplitudenmessungen. Alle Frequenzkomponenten auf der Netzzuleitung, von der Grundwelle bis zu mehrfachen ganzzahligen Vielfachen davon werden dargestellt.

Dokumentation der gewonnenen Messergebnisse

Unabhängig ob im Labor oder vor Ort gemesssen wird, müssen die Messergebnisse dokumentiert werden. Früher wurden dazu Screenshots angefertigt, die zunächst auf einem entfernbaren Speichermedium des Oszilloskops abgelegt und später am PC für Dokumentationszwecke geladen wurden. Mit der OpenChoice-PC-Software lassen sich Screenshots nun via USB direkt vom Oszilloskop auf einen PC übertragen. Das Oszilloskop kopiert die Grafik in eine Zwischenablage und von dort lässt sie sich in das Messprotokoll der Dokumentation übernehmen.

Messresultate eines Oszilloskops müssen sehr häufig manuell abgespeichert werden, um z.B. durch Vergleiche Fortschritte in der Entwicklung einer Schaltung zu erkennen. Das ist zeitaufwendig und nicht die optimale Voraussetzung für eine gleich bleibende Qualität der Dokumentation. Besser ist es, die Daten via USB an den PC zu übertragen. Unter dem Leistungsmerkmal TekXL verbirgt sich eine Werkzeugleiste, die mit Blick auf die Tabellenkalkulation Excel ein Zusammenstellen von Daten sowie Dokumentationsaufgaben erleichtert.

Messergennisse mit dem Digitaloszilloskop auswerten

Moderne Digitaloszilloskope verfügen bereits über leistungsfähige Analysefähigkeiten. Für einige Anwendungen eignet sich die Auswertung der Messergebnisse mit einer PC-gestützten Analyse besser. SignalExpress von National Instruments erlaubt tief gehende Analysen und unterstützt Plug-and-Play über die USB-Schnittstelle.

Für die Messdatenanalyse muss das Oszilloskop über ein USB-Kabel mit dem PC verbunden und dann SignalExpress gestartet werden. Die Software greift automatisch auf das Oszilloskop zu und überträgt die Messdaten. Die Kombination aus OpenChoice- und SignalExpress-Software gewährleistet schnelles, einfaches und direktes Archivieren der Ergebnisse und Signalverläufe. Zugleich schafft sie die Voraussetzung, um mit Word und Excel auf einfache Weise Berichte anzufertigen. Die Software bietet zusätzlichen Funktionen wie Analyse live gemessener Signale, Fernbedienung des Oszilloskops und tiefer reichenden Analysefunktionen.

Im Bild 7 ist ein Grenzwertest dargestellt: Ein Messsignal wird gegenüber spezifizierten Grenzen betrachtet, die von der Software als analoges Histogramm im Zeitbereich dargestellt werden. Eine zusätzliche Hilfe für die Dokumentation von Messresultaten ist der Direktdruck über die PictBridge-Schnittstelle: Am Oszilloskop genügt ein einziger Tastendruck, um einen Druckauftrag abzusetzen.

Effiziente Fehlersuche ermöglichen

Für die Fehlersuche an Schaltungsentwicklungen leisten Digitaloszilloskope gute Dienste. Die Peak-Detect-Funktion erkennt kurze Glitches, auch wenn Niederfrequenz-Signale überlagert sind. Sporadische Anomalien lassen sich mit der Nachleuchtdauer schnell aufspüren. Ebenso müssen Timing-Probleme, Transienten oder Race-Conditions während der Entwicklung erkannt und beseitigt werden. Videosignale lassen sich ebenfalls einem Schnelltest unterziehen. Verschiedene Feineinstellungen helfen bei der Analyse der Schaltungsentwürfe.

Mit der Fast-Fourier-Transformation lässt sich die spektrale Frequenzverteilung sichtbar machen. Abschließend werden die gewonnenen Daten mit OpenChoice und SignalExpress via USB auf einen PC übertragen und dort ausgewertet sowie archiviert.

*Trevor Smith ist EMEA Market-Development-Manager Oszilloskope und Signalgeneratoren bei Tektronix.

Redakteur: Hendrik Härter

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