Embedded-Systeme: Das Oszilloskop misst die Spannung

| Autor / Redakteur: Lee Morgan * / Hendrik Härter

Eingebettete Systeme: Hier finden sich oft verschiedene Spannungsversorgungen. Untersuchen lassen sie sich mit einem Oszilloskop.
Eingebettete Systeme: Hier finden sich oft verschiedene Spannungsversorgungen. Untersuchen lassen sie sich mit einem Oszilloskop. (Bild: Clipdealer)

Mit einem Vier-Kanal-Oszilloskop lässt sich das Schaltverhalten von Spannungsversorgungen untersuchen, kann aber schnell aufwendig werden. Abhilfe versprechen Oszilloskope mit acht Eingängen.

In vielen elektronischen Systemen finden sich nicht nur eine, sondern oftmals vier oder noch mehr Versorgungsspannungen. Ein einzelner integrierter Schaltkreis, wie beispielsweise ein FPGA, DSP oder Mikrocontroller, erfordert bereits unterschiedliche Versorgungsspannungen mit spezifischen Anforderungen an das Timing. Hinzu kommt, dass Chiphersteller empfehlen, die Core-Spannungsversorgung stabil anzulegen, bevor die I/O-Spannungsversorgung eingeschaltet wird. Es ist außerdem möglich, dass Hersteller vorschreiben, einzelne Spannungsversorgungen innerhalb einer spezifizierten Zeit zueinander hochzufahren, um länger anhaltende Spannungsunterschiede auf verschiedenen Versorgungs-Pins zu vermeiden. Die Einschaltsequenz zwischen Prozessoren und externen Speicherbausteinen ist ebenfalls wichtig.

Ein Chiphersteller gibt oft eine zeitlich monotone Einschaltsequenz bestimmter Spannungsversorgungen vor, damit mehrfache Neustarts beim Einschalten verhindert werden. Problematisch wird es, wenn die Einschaltströme sehr große Transienten an den POL-Reglern (Point-of-Load) abfragen. Hier ist es für den Entwickler wichtig, das Profil des Versorgungsstromes sowie die zeitliche Abfolge während der Inbetriebnahme zu kennen. Sind alle Anforderungen an die verschiedenen Spannungsversorgungen der Chips, die Hauptspannungsversorgung, Referenzspannungsquellen und diverse POL-Regler für weitere ICs in Ihrem Design kombiniert, dann kommt man schnell auf bis zu sieben oder acht Versorgungsspannungen.

Klassische Methode mit einem Vierkanal-Oszilloskop

Nutzt der Entwickler ein Vierkanal-Oszilloskop, um die Versorgungsspannungen zu verifizieren sowie dessen Timing in einem eingebetteten System zu untersuchen, kann das schnell sehr zeitaufwendig werden. Auch wenn man bedenkt, nach dem aktuellen Stand der Technik zu handeln. Der folgende Text zeigt anschaulich, weshalb sich die Messaufgabe mit einem Vierkanal-Oszilloskop als schwierig herausstellt und warum es sinnvoller ist, mit einem Achtkanal-Oszilloskop zu arbeiten.

Kommt ein Oszilloskop mit vier Eingangskanälen zum Einsatz, nutzt der Entwickler die blockweise Analyse der Stromversorgung mithilfe von mehreren Akquisitionen, um das Timing zu überprüfen. Zum Vergleich zwischen den einzelnen Blöcken kann eine der Versorgungsspannungen oder ein Statussignal, um mehrere Aufzeichnungen zu triggern. Damit lässt sich das Timing während des Ein- und Ausschaltvorgangs relativ zum Referenzsignal bestimmen. Da die Akquisitionen über mehrere Ein- und Ausschaltzyklen aufgezeichnet werden, sind die Fluktuationen im Timing nur sehr umständlich zu charakterisieren. Trotzdem kann das Maß der Fluktuationen jeder einzelnen Versorgungsspannung von Cycle-to-Cycle über mehrere Ein- und Ausschaltzyklen mithilfe der sogenannten Infinite-Persistence-Einstellung am Oszilloskop herausgestellt werden.

Es lassen sich auch mehrere Oszilloskope kaskadieren. Das wird in der Regel durch die Triggerung der Oszilloskope auf eine der Versorgungsspannungen oder auch ein Statussignal realisiert. Beide Ansätze mit einem Vierkanal-Oszilloskop sind zeitintensiv und die Synchronisierung ist zeitaufwendig:

  • Die Synchronisierung und auftretende zeitliche Messunsicherheiten sind zeitintensiv.
  • Die Datenaggregation zur Entwicklung eines systemumfassenden Zeitdiagrams ist möglich, aber zeitintensiv.
  • Der Umfang steigt mit der Anzahl der zu überwachenden Spannungsversorgungen.
  • Die Einstellungen müssen vollkommen konsistent bleiben.
  • Ein Kanal geht zur Synchronisierung verloren.

Ein Mixed-Signal Oszilloskop (MSO) stellt zusätzliche digitale Kanäle bereit, um die Sequenzierung aufzuzeichnen. Das funktioniert nur, wenn die zusätzlichen Kanäle des MSOs einen geeigneten Spannungsbereich abdecken und dem Benutzer unabhängig voneinander einstellbare Spannungsgrenzwerte anbieten. Ein klassisches MSO bietet 16 digitale Eingänge mit unabhängigen Spannungsgrenzwerten innerhalb eines Spannungsbereiches für jeden Kanal an, der die meisten Spannungspegel eines typischen Elektronikdesigns abdeckt. Allerdings lässt sich damit nur das Timing bestimmen, nicht jedoch die Anstiegs- und Abfallzeiten oder Stromprofile während des Ein- und Ausschaltvorgangs messen. Der Einsatz eines Oszilloskops mit acht analogen Kanälen verkürzt deutlich den Arbeitsaufwand. Mit einem Achtkanal-Oszilloskop kann der Entwickler eine Systemstromversorgung mit bis zu acht einzelnen Versorgungsspannungen mithilfe von anlogen Tastköpfen charakterisieren. Damit die zeitlichen Zusammenhänge der Ein- und Ausschaltvorgänge von mehr als acht Versorgungsspannungen gemessen werden können, lässt sich ebenfalls ein MSO mit digitalen Eingängen und unabhängig einstellbaren Spannungsgrenzwerten verwenden.

Einschalt- und Ausschaltverzögerung untersuchen

Das zu messende Schaltnetzteil in Bild 1 generiert einen hohen Strom und wandelt auf eine Ausgangsspannung von 12 VDC und wird mit einem Schalter auf der Frontblende aus der Ferne bedient. Kurz nachdem der Schalter gedrückt wurde, wird die Standby-Spannung von 5 V eingeschaltet, die den Schaltwandler aktiviert. Nachdem die Ausgangsspannung von 12 V in Betrieb ist, geht das Power-Good-Signal (PW OK) auf logisch High, um der Last damit eine zuverlässige Versorgung zu signalisieren. Das Standby-Spannungssignal von 5 V liefert eine einfache steigende Flanke, welche sich gut zur Triggerung für die Akquisition aller relevanten Signale eignet. Automatische Messungen verifizieren, dass das Delay bis zum Einschalten der Ausgangsspannung <100 ms ist und das Delay von dem Einschalten der Ausgangsspannung bis zum PW OK innerhalb der Spezifikationen von 100 bis 500 ms liegt.

Ist der Hauptschalter der Stromversorgung ausgeschaltet, wird das Schaltnetzteil ausgeschaltet und die Ausgangsspannung nimmt ab. Dabei ist die Stromversorgung so spezifiziert, dass es mindestens weitere 20 ms in Betrieb bleibt, nachdem der Schalter gedrückt wurde. Vor allem das PW-OK-Signal ist so spezifiziert, dass es 5 bis 7 ms auf logisch Low übergeht, bevor die Ausgangsspannung mit 12 V ausfällt und der Last somit ebenfalls ein sauberes Herunterfahren ermöglicht. Wie in Bild 2 dargestellt, liefert das PW-OK-Signal eine fallende Flanke, welche sich als Trigger zur Akquisition aller relevanten Signale eignet. Die Cursor-Messungen verifizieren dem Entwickler, dass die Vorwarnung des PW-OK-Signals wie zuvor angegeben arbeitet.

Das spezifizierte Einschalt-Timing über mehrere Zyklen lässt sich über die Einstellung Infinite Persistence am Oszilloskop dazu nutzen, die zeitlichen Fluktuationen des Signals darzustellen. Die automatischen Funktionen zur Zeitmessung liefern außerdem die statistischen Kennwerte, welche die Fluktuationen genau quantifizieren. In den Einstellungen gemäß Bild 3 dient der 50%-Pegel einer Standby-Spannung von 5 V als Zeitreferenz. Die Einschaltsequenz wird zehnmal wiederholt und die Fluktuationen liegen über zehn Einschaltzyklen mit etwa 1% innerhalb der Spezifikationen.

Die Anstiegszeit der Stromversorgung messen

Zusätzlich zur Sequenzierung müssen die Anstiegszeiten einer Stromversorgung so gesteuert werden, dass sie die Anforderungen der kritischen Komponenten in einem System erfüllen. Automatische Messungen der Anstiegs- und Abfallzeiten basieren auf den Referenzwerten, welche automatisch als 10%- und 90%-Werte der Signalamplitude eines jeden Kanals berechnet werden. Das Beispiel im Bild 4 zeigt die Anstiegszeiten der positiven Versorgungsspannung und die Abfallzeiten der negativen Versorgungsspannung in den Ergebnis-Feldern auf der rechten Seite der Anzeige. Die Verbreitung von Stromversorgungen in unterschiedlichen Systemen stellt hohe Ansprüche an die elektrische Messtechnik. Für einen optimalen Stromverbrauch, Leistung und Geschwindigkeit können einfache Systeme bereits eine 12-V-Hauptversorgung, mehrere Spannungsversorgungen mit 5, 3,3 und 1,8 V enthalten. Verifikation und Fehlersuche innerhalb der Ein- und Ausschaltsequenz lassen sich mit Oszilloskopen mit mehr als vier Eingangskanälen effizienter gestalten.

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* Lee Morgan arbeitet als Market Development Manager für Tektronix UK und hat sich auf Embedded-, Power- und Automotive-Anwendungen spezialisiert.

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