Economy-Oszilloskop von Rohde & Schwarz Spannungsversorgungen von Embedded Designs optimieren

Oszilloskope sind prädestiniert, um zu prüfen, welche Auswirkungen Störeinflüsse auf die Spannungsversorgung in Embedded Designs haben. Dass sich dafür auch preisgünstige Geräte eignen, zeigt Rohde & Schwarz mit dem R&S RTB2000 am Beispiel der DC-Versorgungsspannung eines FPGA mit CAN-Schnittstelle.

Von Andreas Grimm, Product Sales Manager Oscilloscopes, Rohde & Schwarz

Eine stabile Spannungsversorgung ist der Schlüssel für eine zuverlässige Nutzungsdauer integrierter Schaltungen. Auch wenn dies besonders für High-End-Schaltungen auf Basis von FPGAs gilt, können bereits serielle Busse mit relativ niedrigen Geschwindigkeiten das Signal empfindlich stören. Eine schnelle Analyse mit einem Oszilloskop der unteren Preisklasse hilft dabei, die Systemperformance deutlich zu steigern. Und mit den richtigen Einstellungen am Oszilloskop lässt sich die Genauigkeit des Ergebnisses wesentlich verbessern.

Dieser Artikel stellt Verfahren für die gezielte Analyse der Auswirkung von Störeinflüssen auf die Stromversorgung in Embedded Designs vor. Die Analyse wird am Beispiel einer DC-Versorgungsspannung eines FPGA mit einer CAN-Schnittstelle gezeigt. Als Messgerät kommt das Oszilloskop R&S RTB2000 zum Einsatz.

Einstellungen für Gleichspannungsmessungen richtig wählen

Zunächst wird die Gleichspannung analysiert, ohne spezielle Einstellungen vorzunehmen. Bild 1 zeigt die Messung einer Gleichspannung mit einem passiven Tastkopf (10:1). Damit das Signal auf dem Bildschirm sichtbar ist, wird die vertikale Skalierung auf 1 V/Div gestellt und die Welligkeit mit Hilfe einer Spitze-Spitze-Spannungsmessung einschließlich Statistikberechnung bestimmt. Das im Gerät integrierte Voltmeter zeigt einen Wert von 4,92 V als Gleichspannung an. Der Mittelwert der Welligkeit wird bei dieser Einstellung mit 179,90 mV gemessen (mit dem integrierten Notizwerkzeug des R&S RTB2000 mit einem roten Kreis markiert).

Warum spielt die vertikale Auflösung eines Oszilloskops…

...in dieser Anwendung eine so wichtige Rolle? In erster Näherung kann man die theoretische Auflösung des Oszilloskops in dieser Einstellung betrachten. Das R&S RTB2000 nutzt einen 10-Bit-A/D-Wandler mit 1024 Entscheidungsschwellen. Die vertikale Skalierung ist auf 1 V/Div eingestellt; der Gesamtmessbereich beträgt daher 10 V. Rechnerisch ergibt sich damit eine theoretische Auflösung von ca. 10 mV.

Und obwohl die Versorgungsspannung glatt erscheint, ergibt sich für die mittlere Welligkeit über mehr als 10.000 Messungen ein Wert von 179,90 mV, entsprechend etwa 3,5 % der Versorgungsspannung. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit wird der Kanal-Offset auf 4,92 V und die Empfindlichkeit auf 20 mV/Div gesetzt – damit ergibt sich bereits eine Verbesserung um den Faktor 50.

Wie in Bild 2 dargestellt, liegt der Mittelwert der Spitze-Spitze-Messung jetzt bei 68,28 mV und ist damit im Vergleich zur ursprünglichen Messung etwa 2,5 Mal kleiner und deutlich genauer. Mit dem 10-Bit-A/D-Wandler kann bei dieser Einstellung eine Auflösung von 0,2 mV erzielt werden.