Fehlersuche mit Oszilloskopen Flexiblere FFT

Eine unabhängige Darstellung von Frequenz- und Zeitdomäne sowie eine schnelle Fourier-Transformation in Oszilloskopen ist problematisc,h aber mit der digitalen Signalverarbeitung lösbar.
Eine unabhängige Darstellung von Frequenz- und Zeitdomäne sowie eine schnelle Fourier-Transformation in Oszilloskopen ist problematisc,h aber mit der digitalen Signalverarbeitung lösbar.

Die schnelle Fourier-Transformation in Oszilloskopen ist limitiert. Eine unabhängige Darstellung von Frequenz- und Zeitdomäne ist meist nicht möglich, und die Speichertiefe beschränkt die Frequenzauflösung. Doch beide Probleme sind mit digitaler Signalverarbeitung lösbar.

Die parallele Darstellung von Zeit- und Frequenzdomäne vereinfacht die Fehlersuche in embedded Systemen. Sie wird auch als Mixed-Domain-Analyse bezeichnet. Hilfreich ist sie besonders bei der Untersuchung von Fragen wie:

  • Was passiert auf den Leitungen der Versorgungsspannung, wenn Daten per Funk übertragen werden?
  • Woher kommen die Emissionen beim Zugriff auf den Speicher?
  • Wie lange braucht die Phasenregelschleife, um sich nach dem Einschalten zu stabilisieren?

Die Mixed-Domain-Analyse ermöglicht eine synchronisierte Darstellung von Signalen aus dem Zeit- und dem Frequenzbereich. Sie unterscheidet sich von einer integrierten FFT-Funktion im Oszilloskop in einigen wesentlichen Punkten. Einer davon ist die unabhängige Kontrolle der Signal- und der Frequenzdarstellung.

Nach Wissen des Autors gibt es bisher nur ein Oszilloskop, das diese Funktion unterstützt – das MDO 4000C von Tektronix. Es arbeitet dafür mit einem dedizierten Spektrumanalysator mit eigenem Eingang. Die maximale Bandbreite des Oszilloskops liegt bei 1 GHz, daher ist die Mixed-Domain-Analyse bisher nur für Signalanalysen im unteren Frequenzbereich verfügbar. Um sie auch für die Hochfrequenz-Analysen verfügbar zu machen, wurde ein neuer Ansatz entwickelt. Mit ihm kommen Oszilloskope auch ohne getrennten Eingangskanal für die Spektrumanalyse aus. Nutzbar ist die neue Analysefunktion über die Software Spectrum-View, die in einem mittlerweile veröffentlichten Firmware-Update enthalten ist.

Verfügbar ist es für die Mixed-Signal-Oszilloskope der MSO-Serien 4, 5 und 6 und greift auf bestimmte Hardware-Komponenten in den Geräten zu. Mit diesem Tool können die Oszilloskope gleichzeitig eine Darstellung im Zeitverlauf, wie links im Bild 1, und eine spektrale Darstellung, wie rechts gezeigt, zur Verfügung stellen. Wichtig für den Anwender ist, dass er die betrachteten Ausschnitte für jede der beiden Domänen unabhängig voneinander wählen kann.

Für eine komplexe Fehlersuche können die Instrumente mit der aktualisierten Firmware eine Mixed-Domain-Analyse auf mehreren Kanälen durchführen. Die Signalverläufe werden mit unterschiedlichen Farben gekennzeichnet und ihnen wird ein entsprechendes Spektrum zugeordnet. Über den gesamten Si­gnalverlauf kann ein Marker verschoben werden, um das synchronisierte Spektrum für jeden Punkt des Signalverlaufs darzustellen.

Unterschied zu integrierten FFT-Funktionen

Spektrumanalysatoren wurden speziell für die Darstellung von Signalen im Frequenzbereich entwickelt. Sie sind aber nicht in jedem Labor verfügbar. Oszilloskope dagegen gehören zur Standardausrüstung, mit der so gut wie jeder Elektronikentwickler vertraut ist. Die meisten Modelle stellen mathematikbasierte FFT-Funktionen bereit, sodass Zeit- und Frequenzdarstellung bereits möglich ist. Wo ist also der große Unterschied zur Mixed-Domain-Analyse?

FFT-Funktionen sind aus zwei Gründen schwer zu nutzen:

  • Erstens: Für eine Frequenzbereichsanalyse vereinfachen die Parameter eines Spektrumanalysators, wie Mit­tenfrequenz, Bandbreite (Span) und Auflösungsbandbreite (Resolution Bandwidth, RBW), die Einstellung für das zu untersuchende Spektrum. In den meisten Fällen unterstützen die FFT-Funktionen von Oszilloskopen nur konventionelle Einstellungen wie Abtastrate, Aufzeichnungslänge und Zeit pro Abschnitt, was eine optimale Darstellung schwierig macht.
  • Zweitens: FFT-Funktionen nutzen dasselbe Erfassungssystem wie die analoge Zeitbereichsdarstellung. Das bedeutet, wird das Zeitraster im Zeitbereich verkleinert, dann reduziert sich die Auflösung im Frequenzbereich. Infolgedessen ist es bei einer konventionellen FFT eigentlich unmöglich, eine optimierte Darstellung in beiden Domänen zu erhalten. Das Beispiel im Bild 2 zeigt einen Screenshot von einem MDO 3000. Hier ist das Zeitbereichsignal klar zu sehen, dagegen aber ist die FFT-Auflösung unzureichend, sodass sich wichtige Details nicht erkennen lassen. Im Bild 3 sind die Details einer Frequenzmodulation mit einer langsameren Einstellung des Zeitrasters deutlicher sichtbar, aber die Darstellung im Zeitbereich ist jetzt praktisch unbrauchbar.

    Im Gegensatz dazu bietet eine Darstellung des Spektrums die Möglichkeit, den Frequenzbereich mit den vertrauten Parametern Mittenfrequenz, Bandbreite und Auflösungsbandbreite anzupassen. Und weil diese Parameter nicht mit der Zeitbereichsskalierung interagieren, lassen sich beide Darstellungen unabhängig voneinander optimieren (Bild 4).

Bilder: 3

Unterschied zu integrierten FFT-Funktionen, Bilder 2-4

Unterschied zu integrierten FFT-Funktionen, Bilder 2-4

Die Quelle des Spektrums im Zeitsignal wird auf dem Bildschirm markiert. Die Synchronisation beider Domänen ist zum Beispiel hilfreich, um Zusammenhänge zwischen der  Signalaktivität auf einer Baugruppe und EMV-Emissionen zu erkennen.