Oszilloskop für ein anspruchsvolles Embedded-Design

| Autor / Redakteur: Guido Schulze * / Hendrik Härter

Multitalent im Labor: Das Oszilloskop R&S RTP unterstützt bei der entwicklungsbegleitenden Fehlersuche. Das Bild zeigt einen automatischen PCI-Express-Konformitätstest mit zusätzlich angeschlossenen Monitor.
Multitalent im Labor: Das Oszilloskop R&S RTP unterstützt bei der entwicklungsbegleitenden Fehlersuche. Das Bild zeigt einen automatischen PCI-Express-Konformitätstest mit zusätzlich angeschlossenen Monitor. (Bild: Rohde & Schwarz)

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Ein Multitalent für den Laboralltag unterstützt bei der entwicklungsbegleitenden Fehlersuche. Was ein aktuelles Oszilloskop alles leisten muss, um im Labor eingesetzt werden zu können, lesen Sie im Beitrag.

Gestiegene Anforderungen in der Messtechnik machen es erforderlich, dass Entwickler im Labor auf leistungsfähigere Oszilloskope zurückgreifen können: Es sollte über eine entsprechend hohe Messgenauigkeit, Geschwindigkeit und Funktionsvielfalt verfügen. Solch ein Oszilloskop ist beispielsweise das R&S RTP von Rohde & Schwarz.

Zu den Eckdaten des Gerätes gehören Bandbreiten von vier bis acht Gigahertz. Die vier analogen Eingangs-Kanäle adressieren Zeitbereichsmessungen an schnellen Schnittstellen, Taktsignalen oder breitbandigen Funksendern. Anwender können die Eingangssignale aber auch im Frequenzbereich analysieren. Hier ähnelt die Bedienung der eines Spektrumanalysators mit der typischen Konfiguration über Start- und Stoppfrequenz und Auflösebandbreite.

Verschiedene Funktionen und Schnittstellen

Funktionen wie die logarithmische Achsenskalierung, das Wasserfalldiagramm (Spektrogramm) oder eine hohe Erfassungsrate vereinfachen die Suche nach sporadischen EMI-Störern. Die bis zu 16 digitalen Kanäle mit Bandbreiten von 400 MHz eignen sich speziell für die Analyse langsamerer protokollbasierter Steuer- und Programmierschnittstellen wie I²C, SPI oder CAN. Über die Option R&S RT-ZVC stehen bis zu 16 zusätzliche Kanäle mit einer Bandbreite von einem Megahertz sowie einer vertikalen Auflösung von 18 Bit für exakte Spannungs- und Strommessungen zur Verfügung.

Darüber hinaus lässt sich eine differenzielle Pulsquelle für Pulse mit einer Anstiegszeit von 22 ps und einer Bandbreite von 16 GHz einbauen, die sich sowohl als Stimulusquelle für Messobjekte wie auch zu Transmissions- bzw. Reflexionsuntersuchungen (TDT/TDR) an Signalleitungen eignet. Die Messgenauigkeit verdankt das Gerät unter anderem den von Rohde & Schwarz entwickelten analogen Eingangskomponenten: Eingangsverstärker, Sampler und A/D-Wandler sind auf hohe Empfindlichkeit, große Messdynamik und hohe Temperaturstabilität getrimmt. Spezielle Filter direkt nach den A/D-Wandlern optimieren die Messgenauigkeit in Echtzeit. Diese Besonderheit bietet beispielsweise den Vorteil einer minimalen vertikalen Skalierung bis 1 mV/Div bei voller Bandbreite für das Messen kleiner Signale.

Neue Wege beim Deembedding

Die Korrektur von Übertragungsverlusten durch sogenanntes Deembedding ist bei breitbandigen Oszilloskopen gängige Praxis. Dazu werden die erfassten Messkurven in der Nachverarbeitung mit Korrekturfiltern behandelt, um Fehler wie Reflexionen an Übergängen oder Verluste durch induktive und kapazitive Lasten auszugleichen. Die Berechnung in der Nachverarbeitung erfordert in der Regel jedoch viel Zeit, so dass die Reaktion des Oszilloskops träge ist und Anwender die Deembedding-Funktion daher eher meiden.

Einen neuen Weg ist man bei Rohde & Schwarz in Sachen Deembedding mit dem RTP gegangen. Die Filterstrukturen für die Echtzeitentzerrung direkt nach dem A/D-Wandler sind flexibel konfigurierbar und damit dem Übertragungsverhalten des jeweiligen Messaufbaus anpassbar. Vorteil für den Anwender: Einzelne Elemente des Übertragungspfads lassen sich spezifiziert im Konfigurationsdialog einstellen. Dieser stellt Komponenten wie Kabel, Adapter oder Testfixtures zur Auswahl. Dann müssen für jede Komponente die S-Parameter geladen werden, die die Übertragungsverluste und die Anpassung beschreiben.

Im letzten Schritt akkumuliert die Deembedding-Software das Übertragungsverhalten der gesamten Signalkette und berechnet einen entsprechenden Korrekturfilter, der auf das Gerät geladen wird. Die anschließenden Messungen profitieren von der Echtzeitentzerrung: Die Kurven werden ohne Übertragungsverluste dargestellt – so wie sie wirklich am Messobjekt vorliegen, und das ohne Verzögerungen durch zeitaufwendige Berechnungen in der Nachverarbeitung.

Maßgeschneidertes Triggern fokussiert Signaleigenschaften

Bei der Fehlersuche oder bei der gezielten Signalanalyse möchten Anwender mit maßgeschneiderten Triggerbedingungen die Messkurvenerfassung auf dedizierte Signaleigenschaften fokussieren. Mit herkömmlichen Oszilloskopen ist das aufgrund der limitierten Empfindlichkeit ihres Triggersystems und ihrer begrenzten Bandbreite für komplexe Triggertypen schwierig. Das schon von anderen Oszilloskopen von Rohde & Schwarz bekannte digitale Triggersystem verwendet die Abtastwerte des A/D-Wandlers und arbeitet damit konsistent zu den Werten der eigentlichen Messkurve. Es kann auf alle Triggerereignisse bis zur vollen Gerätebandbreite und mit einer zeitlichen Auflösung von 125 fs reagieren.

Da das Triggersystem die Signale hinter den Echtzeit-Entzerrfiltern abgreift, ist erstmals das Triggern auf Signale möglich, die per Deembedding korrigiert wurden. In Verbindung mit dem High-Definition-Aufzeichnungsmodus bei 16 Bit lässt sich die erhöhte vertikale Auflösung durch das Triggersystem nutzen. Das Oszilloskop arbeitet mit einem speziellen ASIC, um Signale zu erfassen und zu verarbeiten. Messkurven in parallelen Prozessen lassen sich schneller verarbeiten, als das mit PC-Ressourcen möglich ist. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Oszilloskop reduziert sich die Blindzeit und seltene Fehler werden schneller gefunden. Die maximale Erfassungsrate beträgt nahezu eine Million Messkurven pro Sekunde.

Werkzeuge für die Analyse in Hardware implementiert

Analysewerkzeuge wie Maskentests oder Histogramme sind in der Hardware umgesetzt und liefern schnelle Ergebnisse mit hoher statistischer Sicherheit. Die Analyse einer elektronischen Schaltung auf elektromagnetische Störungen (EMV) ist ein wichtiger Bestandteil der Entwicklungsarbeit. Hier dient das RTP einerseits zur Fehlersuche, wenn sich Komponenten gegenseitig in ihrer Funktion stören und Maßnahmen zur Isolation bzw. Entkopplung getestet werden. Anderseits hilft es, wenn Prüflinge für einen EMV-Zulassungstest vorbereitet werden. Mit dem Gerät kann bereits im Entwicklungslabor eine Vorqualifizierung erfolgen. Eine wichtige Funktion dabei ist der Maskentest. Anwender definieren im Spektrum Bildschirmbereiche, die nicht verletzt werden dürfen. Da die RTP-Oszilloskope Signale sehr schnell erfassen und verarbeiten können, finden Anwender sporadische Fehler in kurzer Zeit.

Der Zonentrigger ist eine weitere entscheidende Funktion für die EMI-Fehlersuche. Er benutzt ebenfalls am Bildschirm definierte Bereiche (Zonen). Je nach Konfiguration wird eine Messkurve nur dargestellt, wenn die Zone verletzt oder nicht verletzt wurde. Sind mehrere Messkurven aufgezeichnet, lassen sich diese nachträglich mit der History-Funktion für weitere Analyseschritte anzeigen. Mit einer Speichertiefe von bis zu zwei Gigasample pro Kanal sind Analysen über lange Zeiträume möglich.

Dank seiner Messgenauigkeit und Eingangsempfindlichkeit eignet sich das RTP für die zeitsynchrone mehrkanalige Messung von HF-Signalen bis 8 GHz. Das gilt für Funksignale wie WLAN IEEE 802.11ac oder das kommende 5G New Radio, aber auch für Radarsignale in den Bereichen Automotive, Luftfahrt oder in militärischen Anwendungen. Für Messungen bei höheren Trägerfrequenzen bis 85 GHz lässt sich das Oszilloskop mit dem Signal- und Spektrumanalysator R&S FSW kombinieren. Dabei ist eine effektive Analysebandbreite bis zu fünf Gigahertz erreichbar. Die Analyse digital modulierter HF-Signale ist mithilfe der optionalen Software Vector Signal Explorer R&S VSE realisierbar. Die Grundoption enthält generische I/Q-Analysefunktionen und erlaubt analoge Demodulationen. Als Windows-PC-Software kann R&S VSE sowohl auf dem Oszilloskop als auch auf einem separaten PC betrieben werden. Für Anwender von proprietären Modulationsprotokollen ist auch eine Anbindung an externe Analysewerkzeuge wie Matlab möglich.

Verschiedene Trigger- und Decodieroptionen

Was bietet das Oszilloskop noch? Gerade im Labor punktet das Gerät durch seine Bautiefe und seinen leisen Betrieb. Ausgestattet ist es mit je zwei Optionseinschüben auf der Vorder- und der Rückseite. Darin finden beispielsweise eine 400-MHz-Mixed-Signal-Option mit 16 Kanälen, eine universelle Generatoroption mit zwei analogen 100-MHz-Kanälen und acht digitalen Kanälen oder die eingangs erwähnte differenzielle Pulsquelle Platz. Für viele Applikationen sind Softwareoptionen erhältlich.

Zum Portfolio gehören Trigger- und Decodieroptionen für Protokolle wie I²C, UART, CAN-FD, Ethernet oder USB 3.1. Außerdem Konformitätstests wie PCI Express oder DDR3, generelle Analyseoptionen wie Jitter oder Deembedding und HF-Signalanalyseoptionen. Speichertiefe und Bandbreite sind per Softwarelizenz aufrüstbar. Der Standardspeicher lässt sich von 50 MSample auf 2 GSample pro Kanal ausbauen. Im gegenwärtig verfügbaren Bandbreitenbereich sind die Oszilloskope der Serie RTP von vier über sechs bis zu acht Gigahertz erweiterbar. Der Hersteller plant für 2019 weitere Modelle mit höheren Bandbreiten im gleichen Geräteformat.

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* Guido Schulze ist Produktmanager Oszilloskope bei Rohde & Schwarz in München.

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