Analoge und digitale Signale Digitales Debugging mit einem Mixed-Signal-Oszilloskop

Autor / Redakteur: Hailey Percival * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

In zwei Welten zuhause: Ein MSO versteht sowohl die digitale als auch die analoge Information eines Signals. Das macht das Gerät interessant für die Messtechnik. Was leistet so ein Gerät im Alltag?

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Messen und analysieren: Mit dem Mixed-Signal-Oszilloskop lässt sich die digitale mit der analogen Welt vereinen.
Messen und analysieren: Mit dem Mixed-Signal-Oszilloskop lässt sich die digitale mit der analogen Welt vereinen.
(Tektronix)

In modernen elektronischen Systemen ist das korrekte Zusammenspiel von analogen und digitalen Signalen sehr wichtig. Dabei kommt es besonders auf die richtige zeitliche Abstimmung dieser beiden Signalkategorien an. Zusätzlich werden durch den Trend von parallelen zu seriellen digitalen Bussen immer höhere Taktraten eingesetzt. Durch schnellere Taktraten werden die theoretisch rechteckigen Signale durch analoge Effekte stark verzerrt. Um diese Phänomene beurteilen zu können müssen wiederum analoge Messmethoden eingesetzt werden.

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Was ist ein Mixed-Domain-Oszilloskop?

Sowohl die analoge als auch die digitale Welt mit einem Messgerät betrachten: Das war die Idee von Tektronix, ein sogenanntes Mixed-Domain-Oszilloskop zu entwickeln. Damit sollen sich mehrere Domains – zwei unterschiedliche Bereiche – untersuchen und analysieren lassen. Ein MSO vereint die Funktionen eines Oszilloskopes und die eines Spektrumanalysators. Ein Mixed-Domain-Oszilloskop kann somit mehrkanalige zeitbezogene, vielkanalige digitale und frequenzbezogene Signale eines Messobjekts messen und analysieren. Die zeit- und frequenzbezogenen Darstellungen werden gleichzeitig auf dem Oszilloskopschirm dargestellt.

Damit hat der Messtechniker die Möglichkeit, analoge und zeitbezogene Signale zu erfassen und gleichzeitig auf dem Display auch Pegel und HF-Signale zeitkorreliert in Zeit- und Frequenzdarstellung zu analysieren. Grundlage eines MSO sind schnelle A/D-Wandler. Sie tasten das analoge Eingangssignal ab und digitalisieren es. Ein weiterer Wandler sorgt zusammen mit einem Digital Signal Processor für die Spektrumanalyse.

Moderne sogenannte Mixed-Signal-Oszilloskope, mit digitalen und analogen Messkanälen, kombinieren die Stärken und Funktionalität eines Oszilloskops mit dem Leistungsumfang eines Logikanalysators. Das Besondere daran ist die Fähigkeit, diese beiden Ebenen zeitlich korreliert und parallel darzustellen. Damit vereinfachen sich die Fehlersuche und die Verifikation von modernen elektronischen Designs.

Der traditionelle Ansatz zur Verifizierung einer digitalen Schaltung – ein Logikanalysator – bietet leistungsfähige Funktionen, wie einen Dekoder für den Parallelbus und Timinganalyse. Ergänzende Tools wie Software-Debugging und In-Circuit-Emulator ergänzen den Logikanalysierer. Dank dieser Werkzeuge können die Messtechniker und Ingenieure Soft- und Hardware besser integrieren.

Mixed-Signal im Vergleich zum Logikanalysator

Mit Hilfe eines Mixed-Signal-Oszilloskops, welches Logikanalysator-Funktionalität und Oszilloskop vereint, lassen sich besonders einfach Funktionsfehler und Probleme schneller digitaler Signale entdecken und analysieren. Um den Energieverbrauch und ungewünschte thermische Effekte zu minimieren, wird oft der Spannungshub zwischen logisch 0 und logisch 1 auf ein nötiges Minimum reduziert. Allerdings steigt damit auch die Gefahr, dass kleine Design-Abweichungen und Signalstörungen zu Anomalien im Betrieb führen. Die Identifizierung und Lokalisierung dieser kleinsten Abweichungen mit Hilfe von Messinstrumenten ist für Entwickler ein zeitraubender Prozess.

Der Grund: Logikanalysatoren zeigen meist nicht alle Details, sondern nur eine Abstraktion des gemessenen Signals. Störimpulse lassen sich nur dadurch erfassen und darstellen, wenn zusätzlich analog gearbeitet wird. Mit einem Mixed-Signal-Oszilloskop hingegen lässt sich der Debugging-Prozess deutlich vereinfachen. Mit einem Messgerät lassen sich die Signale gleichzeitig digital und analog beurteilen.

Anders als mit einem Logikanalysator kann ein Mixed-Signal-Oszilloskop digitale Signale auch analog erfassen: So können neben dem zeitlichen Versatz zwischen den Signalleitungen auch unsaubere Flanken und variierende Anstiegszeiten beurteilt werden. Die Mixed-Signal-Oszilloskope der Serien MSO2000, MSO3000, MSO4000 und MSO5000 von Tektronix wurden speziell im Hinblick auf diese und weitere Anforderungen entwickelt. Darüber hinaus gibt es eine Reihe von weiteren spezifischen Merkmalen, die ein MSO unterstützen sollte.

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Das Signal digital und analog darstellen

Mittlerweile sind unterschiedliche digitale Logikfamilien im Einsatz, wobei nicht nur der Spannungshub variiert, sondern auch die jeweiligen Logikschwellen. Ein Instrument, das solche Signale erfasst, muss deshalb auch verschiedene Logikfamilien unterscheiden können. Wird ein MSO für die Aufzeichnung von digitalen Signalen verwendet, dann sollte das möglichst eine Einstellung der Logikschwellen pro Kanal unterstützen. Damit lassen sich Schaltungen auf Fehler untersuchen und eleminieren, die zum Beispiel mehrere Logikfamilien wie TTL und LVPECL enthalten. Und der Vorteil, alles mit nur einem Instrument.

Einstellbare Logikschwellen sind auch bei Logikanalysatoren verbreitet. Ein MSO bietet aber den zusätzlichen Vorteil, dass sich gleichzeitig auch die analogen Merkmale der Signale erfassen und anzeigen lassen. Dadurch kann der Ingenieur ein Signal sowohl in der von den anderen digitalen Bauteilen in der Schaltung wahrgenommenen logischen Darstellung als auch aus der analogen Perspektive betrachten. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, dass das MSO die beiden Signale zeitlich korrelieren kann, um die durch die Tastköpfe verursachten Verzögerungen zu entfernen. Normalerweise muss hierzu der Skew zwischen den Signalen entfernt werden, was nur erreicht werden kann, wenn genaue Darstellungen des Signals simultan verfügbar sind. Zudem müssen die Tastköpfe einen Skew-Abgleich von analogen Signalen in Bezug auf das korrespondierende digitale Signal unterstützen.

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