Störungen durch Schaltnetzteile finden Hilfe für die Fehlersuche

Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad bei niedrigen Kosten zu erreichen, werden in batteriebetriebenen Embedded-Systemen oft Schaltnetzteile verwendet. Doch diese bilden häufig auch eine Störungsquelle. Wie können Mixed-Domain-Oszilloskope bei der Lokalisierung helfen?

Die Embedded-Technologie ist inzwischen weit verbreitet – mit Mikrocontrollern, die sich mittlerweile in unterschiedlichsten Anwendungen befinden: Sie steuern beispielsweise Verkehrsampeln ebenso wie künstliche Gliedmaßen und werden immer häufiger auch mit Funkmodulen kombiniert. Hochfrequenz-Funksignale scheinen derzeit allgegenwärtig, sogar Türglocken können integrierte Funkmodule enthalten.

Damit Funkmodule in der Embedded-Technologie problemlos funktionieren, müssen die Entwickler einige Besonderheiten berücksichtigen. Die Embedded-Technologie ist normalerweise für kompakte und mobile Geräte vorgesehen und erfordert kleine Batterien, die lange halten und hocheffizient sind. Aus der Sicht der Schaltungsentwicklung sind deshalb eine niedrige Betriebsspannung und eine geringe Leistungsaufnahme wünschenswert.

Schaltungen, die für normale Betriebsspannungen entwickelt wurden, lassen sich jedoch nicht einfach mit niedrigeren Spannungen betreiben, wie beispielsweise der einer Batterie. Das Rauschverhalten eines Geräts kann sich ändern, wenn die Schaltung nicht so entwickelt wurde, dass sie den großen Spannungsbereich von Batterien unterstützt.

Um die Effizienz zu maximieren, setzen die Entwickler anstatt linearen Stromversorgungen meistens Schaltnetzteile ein. Diese sind effizienter, da Transistoren bei einem Betrieb als Schalter eine sehr geringe Verlustleistung aufweisen. Zudem sind sie kleiner und leichter als lineare Stromversorgungen. Aus der Design-Perspektive ist jedoch der Schaltungsaufbau von Schaltnetzteilen komplexer. Zusätzlich erzeugen sie hochfrequente Signale mit hoher Amplitude, die durch einen Tiefpassfilter blockiert werden müssen, um elektromagnetische Störungen (EMI) zu vermeiden. Solche Störungen treten sowohl bei der Schaltfrequenz als auch bei den entsprechenden harmonischen Frequenzen auf.

Das ist nicht optimal, da jede Störung über die Stromversorgung der Schaltung die Funktion des Geräts beeinträchtigen kann. Deshalb ist eine zusätzliche Filterung der Stromversorgung erforderlich, um eine unerwünschte Beeinträchtigung des Funkmoduls zu vermeiden. Die Schaltung muss daher optimiert werden, um nicht nur eine maximale Leistungsfähigkeit zu erreichen, sondern auch um die entsprechenden Konformitätsanforderungen zu erfüllen. Dies kann schnell kompliziert werden.

Hierfür gibt es mit dem Mixed-Domain-Oszilloskop (MDO) ein effektives Mess- und Testwerkzeug. Das MDO kombiniert die Funktionalität von mehreren Instrumenten in einem Gerät. Es bietet die volle Funktionalität eines Mixed-Signal-Oszilloskops einschließlich einer Zeitbereichs-Darstellung, sodass sich die Signalamplitude (Spannung oder Strom) über die Zeit grafisch darstellen lässt. Aber es kann weit mehr als ein konventionelles MSO, da es auch einen Spektrumanalysator mit einer Frequenzbereichs-Anzeige enthält, der die Amplitude eines Signals über der Frequenz grafisch darstellen kann. Beide Darstellungen sind dabei gleichzeitig zeitkoordiniert auf dem Display zu sehen.

Viele MDOs können gleichzeitig vier analoge Signale, 16 digitale Signale, bis zu vier dekodierte parallele und/oder serielle Bussignale und ein Hochfrequenz-Signal darstellen. Jeder dieser Signaleingänge verfügt über einen eigenen separaten Speicher. Bild 1 zeigt ein MDO von Tektronix zusammen mit einem Funkmodul für Testzwecke. In der unteren rechten Ecke des MDO, rechts neben den vier analogen Eingängen, ist der dedizierte Hochfrequenz-Eingang zu sehen. Genau über diesem Eingang sind die Bedienelemente für die Spektralanalyse zu sehen, die alle üblichen Spektrumanalysator-Funktionen einschließlich Frequenzdarstellungsbereich, Start- und Stoppfrequenz, Auflösebandbreite, Referenz-Pegel und Marker zur Verfügung stellen.