Neuheiten-Übersicht Oszilloskop-Trends 2011

Einige interessante „Spezialitäten“ kennzeichnen derzeit den Oszilloskop-Markt, in den sich mittlerweile auch die „Digitizer“ als systemtaugliche Analysesysteme hineingearbeitet haben. Hier ein Überblick zum Status quo in diesem für Entwickler so wichtigen Messgeräte-Sektor.

Besonders auffallend sind derzeit drei Trends bei den Scopes: Erstens bieten im Economy-Sektor die Geräte nun bereits so viel, wie es früher bestenfalls von gehobenen Mittelklasse-Oszilloskopen erwartet werden konnte. Stichwort: Software macht s möglich. Das Ganze in einem Preisbereich zwischen 1000 und 2000 Euro.

Zweitens arbeiten sich die High-end-Geräte in immer höhere Frequenz- und Abtastraten-Bereiche vor. 30 bis 40 GHz sind hier bereits Standard, und wie am Schluss dieses Artikels ganz aktuell zu sehen ist, sind die hohen Bandbreiten mittlerweile auch für Vielkanal-Konfigurationen verfügbar. Doch es gilt: mit Überlegung auswählen und konfigurieren, denn Leistungsfähigkeit hat ihren Preis.

Drittens übernehmen die Digitizer immer mehr die Funktionen des traditionellen Labor-Scopes, zumindest im Economy- und Mittelklasse-Bereich. Der große Pluspunkt: Diese uneingeschränkt systemfähigen Module (PCI-Express bzw. PXI-Express) sparen sich den Display-Teil, sind deshalb besonders kompakt und können in wenigen Minuten in unterschiedliche Aufbau-Konfigurationen eingebunden werden. Höchstmögliche Flexibilität ist hier gegeben, vor allem auch, weil die Software hier besonders leicht anpassbar und konfigurierbar ist. Stand-alone-Scopes bieten diese Flexibilität nicht.

Neue Digitizer

Immer beliebter werden im Bereich der allgemeinen Labor- und HF-Messtechnik die in Standard-Systembus-Chassis nach dem PCI-Express- bzw. PXI-Express-Standard einbaubaren Digitizer-Module.

Technisch sind diese Einschub-Baugruppen mittlerweile im Bereich der oberen Labor-Oszilloskop-Mittelklasse angelangt; sie bieten insbesondere den Vorteil, mit anderen und für einen speziellen Messaufbau optimal geeigneten Modulen in einem Chassis kombiniert werden zu können. Dies ist ein Vorteil gegenüber einem normalen Labortisch-Stand-alone-Oszilloskop, das viel mehr Fläche einnimmt und bestenfalls über eine speziell zu installierende Netzwerk-Konfiguration in eine bestehende oder neu aufzubauende Test- oder Messplatz-System-Architektur eingebunden werden kann. 

Dementsprechend viel tut sich auf diesem Geräte-Marktsegment, so hat beispielsweise Agilent Technologies die Reihe der Digitizer-Karten aus der U1084A-Serie für PCIe-Chassis-Aufbauten (Bild 1) mit einigen neuen Eigenschaften versehen. Im Wesentlichen arbeiten diese Digitizer mit speziellen FPGAs, die es z.B. auch einem OEM-Anbieter erlauben, eigene Signalerfassungs- und Analyse-Routinen anwendungsspezifisch einzuprogrammieren.

Die genannte Digitizer-Serie ist nun in drei unterschiedlichen Basis-Versionen erhältlich. Das Top-Modell U1084A-001 bietet Abtast-raten bis 4 GS/s bei einer Bandbreite von 1,5 GHz. Die beiden anderen Basis-Typvarianten schaffen Abtastraten von 2 GS/s (Modell -002) und 1 GS/s (Modell -003). Gemeinsam ist allen Modulen der Zweikanal-Aufbau mit einem Interleaving-Modus beim Betrieb mit nur einem Kanal, dann aber mit erhöhter Abtastrate. Sehr nützlich ist auch der 15-ps-Trigger-Timing-Interpolator (TTI) für eine Präzisions-Verbesserung bei Zeitmessungen.

Für spezielle Auswertungen können entsprechende Mathematik-Routinen in das FPGA geladen werden, das Ganze natürlich bei Erhalt der vollen Re-Konfigurierbarkeit des FPGA. Zur Verfügung stehen bis zu 512 Mbyte On-board-Speicher, wobei die Memory-Bereiche auch segmentierbar sind und jeweils mit eigenen Zeitstempeln versehen werden können. Zusätzlich zur normalen Digitizer-Funktion haben die Module eine so genannte Ping-pong-Puffer-Architektur, mit der sich Hunderttausende von Analogsignal-Erfassungen pro Sekunde auf dem PCIe-Bus übertragen lassen. Ein neuer Signal-peak-Algorithmus erlaubt es zusätzlich, Spitzen-Amplitudenwerte über längere Zeiträume hinweg in eine Histogramm-Aufzeichnung zu schreiben, so dass sich sehr gute zeitliche Übersichten über den Spitzenpegel von Signalen gewinnen lassen.

Ebenfalls zur Verfügung stehen eine Echtzeit-Sampling-Funktion sowie ein Mittelwert-Algorithmus, mit dem sich bis zu 16 Millionen Kurvenformen pro s mit einer Triggerfrequenz von maximal 500 kHz aufzeichnen lassen. Der Mittelwert-Algorithmus sorgt in diesem Fall für eine Reduzierung des Rauschteppichs und gleichermaßen für eine Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses und des resultierenden Dynamikbereichs.

5 GHz: Bandbreiten- Rekordmarke für PXI- Digitizer

Die schon seit längerem bestehende Kooperation zwischen National Instruments und Tektronix hat nun zur Realisierung eines mit 8 bit Amplituden-Auflösung arbeitenden PXIe-Digitizers geführt (Bild 2), der bezüglich Bandbreite und Abtastrate in dieser Gerätekategorie neue Rekordmarken setzt.

National Instruments bringt dieses neue Systembus-Gerätekonzept in zwei Varianten heraus: Der PXIe5186 ist ein Zweikanal-Digitizer mit einer maximalen Bandbreite von 5 GHz und einer Abtastrate von 12,5 GS/s. Das andere Modell ist der Typ NI PXIe-5185, der eine Bandbreite von 3 GHz und eine Abtastrate von 12,5 GS/s erreicht, ebenfalls in zwei Kanälen. Ein Beispiel für die Signaltreue, die auf den proprietären Oszilloskop-ASICs der „Tektronix Enabling Technology“ beruht, ist der laut Datenblatt sehr geringe RMS-Jitter von 500 fs, der zu einer beachtenswerten effektiven Bit-Anzahl (ENOB) von 5,5 bei 5 GHz führt. 

Genutzt werden auch spezielle High-speed-PXIe-Übertragungs-Routinen von National Instruments, die für einen hohen Datendurchsatz im Systembus-Rack sorgen: Die für die PXI-Express-Plattform ausgelegten Digitizer können schließlich Daten mit 700 Mbyte/s übertragen und Kanäle über mehrere Module hinweg bis zu einer Auflösung von 160 ps synchronisieren.

Die Digitizer lassen sich mit der Systemdesign- und Auswerte-Programmierumgebung NI LabVIEW für die Messgerätesteuerung und -automatisierung, der ANSI-C-Software-Entwicklungsumgebung LabWindows/CVI sowie mit .NET-Entwicklungswerkzeugen von Microsoft Visual Studio einsetzen. Alle Software-Pakete können mit Hilfe des Messgerätetreibers NI-SCOPE oder des neuen LabVIEW-Jitter-Analysis-Toolkit programmiert werden, das eine Bibliothek mit Funktionen speziell für hohen Durchsatz, Jitter-Messungen, Augendiagramm-Erfassungen und Phasenrauschmessungen bietet.