Labormesstechnik 30 GHz optimal mit dem Scope messen

Durch die immer höher werdenden Datenraten ist es heute wichtiger denn je, dass sich bei Messungen an Seriell-Datenbussen mit einem Oszilloskop oder Signalanalysator keine Fehler durch das Messgerät oder die Tastköpfe - wie Rauschen, Skew-Effekte oder Fehlanpassungen - einschleichen.

Einer der wichtigsten, oft übersehenen Aspekte, um fehlerfreie Messungen mit einem Oszilloskop oder Signalanalysator entsprechend den neuesten übertragungstechnischen Standards sicherstellen zu können, ist die Signalübertragung zwischen Messpunkt und dem Oszilloskop. Diese Übertragungsstrecke muss heutzutage Frequenzen von bis zu 30 GHz fehlerfrei meistern, um z.B. Konformitätsmessungen bei minimalem Eigenrauschen mit hoher Präzision zu garantieren. Und da die Signalspannungen gerade wegen der steigenden Geschwindigkeiten immer kleiner werden, reduzieren sich auch die Toleranzen zwischen Pass- und Fail-Pegelwerten soweit, dass oft schon die Überlagerung von Signal- und Messsystem-Rauschen genügt, um z.B. bei einer Augendiagramm-Messung das Auge - im wahrsten Sinne des Wortes - zu schließen.

Eine neue Generation von High-Speed-Oszilloskop-Tastköpfen, wie die kürzlich vorgestellte Serie P7600 von Tektronix, stellt sich der Aufgabe, möglichst optimal fehlerfreie und präzise Messungen zu realisieren.

 StandardDatenrate 3. Oberwelle5. Oberwelle
 10GBase-KR / Thunderbolt / SFP+ 10,3125 16 GHz 26 GHz
CEI-1111 Gbit/s17 GHz28 GHz
SAS-312 Gibt/s18 GHz30 GHz
 16G FibreChannel 14,025 Gbit/s 21 GHz 35 GHz
Tabelle. Einige Seriell-Bus-Standards, die aufgrund ihrer Oberwellen-Frequenzen wirklich Hight-Speed-Oszilloskope und -Tastköpfe erfordern.

In der Tabelle sind Beispiele von Standards aufgelistet, bei denen zur Erfassung von relevanten Oberwellen wirkliche High-Speed-Messsysteme benötigt werden. Um genaue Ergebnisse bei der Überprüfung der Signalkonformität sicherzustellen, schreiben die Standardisierungsgremien normalerweise Oszilloskope mit einer Bandbreite vor, die um den Faktor 2 oder mehr (in vielen Fällen sogar um den Faktor 5) höher ist als die Grundfrequenz des Signals. Und neben diesen Bandbreiten-Anforderungen spielen auch andere Eigenschaften des Oszilloskops und eines passenden Tastkopfs eine wichtige Rolle, wie z.B. die Möglichkeit, differenzielle oder unsymmetrische Pegel verarbeiten zu können oder Gleichtaktmessungen durchzuführen. Der Grund: Fast alle Hochgeschwindigkeits-Datenbusse übertragen ihre Daten auf Leitungspaaren mit differenziellen Pegeln. Derartige Buskonzepte werden sowohl für die Upstream- als auch die Downstream-Kanäle verwendet. Zudem lassen sich damit Bussysteme mit mehreren Sende- und Empfangskanälen realisieren. Differenzielle Signale sind ein Muss - aber nicht einfach zu messen.

Um nun diese differenziellen Signale mit einer hohen Gleichtaktunterdrückung (CMRR; Common Mode Rejection Ratio) messen zu können, wird ein Oszilloskop-Tastkopf mit einer Differenzverstärker-Eingangsstufe benötigt. Ein hoher CMRR-Wert ist wichtig, um Signale zu unterdrücken, die auf beiden Seiten eines differenziellen Leitungspaars auftreten. Derartige Gleichtakt-signale können Verzerrungen oder ein erhöhtes Rauschen in der differenziellen Messung verursachen. Die korrekte Messung differenzieller Signale ist also sehr wichtig; ebenso gilt dies aber auch für die Messung an jeder einzelnen Leitung eines differenziellen Paares (unsymmetrische Messung) sowie für die Messung von Gleichtakt-Bestandteilen eines Signales. Bei vielen HSSD-Standards ist deshalb spezifiziert, dass der Bus für den Konformitätstest die vorgegebenen Spezifikationen für differenzielle, unsymmetrische und Gleichtakt-Ausgangsspannungen erfüllen muss.

Differenzielle Tastköpfe mit hoher Bandbreite zur Messung differenzieller Spannungspegel sind bereits erhältlich. Zur gleichzeitigen Messung unsymmetrischer Pegel oder von Gleichtaktspannungen werden dann aber mehrere Tastköpfe benötigt - oder der Tastkopf muss an die jeweiligen Messpunkte versetzt werden, um die differenziellen, unsymmetrischen und Gleichtakt-Anteile messen zu können. Ein entscheidender Fortschritt in Bezug auf die Benutzerfreundlichkeit ist eine neue Generation von Tastköpfen (P7600, Bild 1), die für all die genannten Messvarianten nur einmal mit der zu prüfenden Schaltung zu verbinden sind (die also nicht umgeklemmt werden müssen). Sie führen differenzielle Messungen sowie voneinander unabhängige unsymmetrische und direkte Gleichtakt-Messungen über dieselbe Tastkopfspitze durch; das sogenannte „TriMode“-Konzept ist die technische Basis hierfür.