FPGAs, CPUs und DSPs verifizieren Auf die Reihenfolge kommt es an

Die Kombination aus zwei R&S RT-ZVC-Mehrkanal-Tastköpfen und einem R&S RTE1000- oder R&S RTO2000-Vierkanal-Oszilloskop ermöglicht die gleichzeitige Messung von bis zu 20 Spannungen.

Die Versorgungsspannungen der FPGAs, CPUs oder DSPs müssen in ­einer bestimmten Reihenfolge eingeschaltet werden. Dieses sogenannte Power Sequencing muss bereits während des Schaltungsdesigns und der Produktentwicklung verifiziert werden, um einen zuverlässigen Betrieb sicherzustellen.

Bauteile wie FPGAs, CPUs oder DSPs haben meist sehr individuelle Anforderungen hinsichtlich der Reihenfolge beim Einschalten der unterschiedlichen Versorgungsspannungen. Werden diese in einer falschen Reihenfolge eingeschaltet, kann das die Bauteile beschädigen. Dabei dürfen die Spannungen die vom Hersteller angegebenen Toleranzen nicht überschreiten, und müssen oft definierte Anstiegsgeschwindigkeiten sowie mögliche Wartezeiten nach Erreichen eines Sollwerts einhalten.

Spezifische Reihenfolge beim Einschalten einhalten

Müssen mehrere Versorgungsspannungen in einer spezifischen Reihenfolge und mit bestimmten Verzögerungs- und Anlaufzeiten angelegt werden, dann ist es meist notwendig, zudem die Stromaufnahme zu minimieren und sicherzustellen, dass sich die I/Os beim Anschalten in einem hochohmigen Zustand befinden.

Die empfohlene Ausschaltreihenfolge ist üblicherweise – aber nicht immer – umgekehrt zur Einschaltreihenfolge. Werden bestimmte Abfolgen nicht eingehalten oder überschreitet der Strom die spezifizierten Grenzwerte, kann das zu einer Fehlfunktion oder gar einer Beschädigung der Komponente führen. Beim Schaltungsdesign ist es wichtig, die Charakteristiken mehrerer Spannungen beim Ein- und Ausschalten sowie bei einer Spannungsunterbrechung aufzuzeichnen und zu analysieren.

Die richtigen Oszilloskope

Das R&S RTE1000 ist ein Windows-basiertes Oszilloskop, das Analysefunktionen für anspruchsvolle Entwicklungsarbeiten enthält und für die Bedienung per Touchscreen ausgelegt ist. Mit Bandbreiten von 200 MHz bis 2 GHz und den umfassenden Zeit-, Frequenz-, Protokoll- und Logikanalysefunktionen ermöglicht es eine vollständige Multi-Domain-Testlösung zum schnellen Auffinden von Fehlern in komplexen elektronischen Schaltungen. Mit der hohen Erfassungsrate von mehr als einer Million Messkurven pro Sekunde und einer Speichertiefe von bis zu 200 Msample finden Entwickler auch selten auftretende Fehlerereignisse. Ein typischer Anwendungseinsatz ist daher die Entwicklung von Embedded-Designs oder die Analyse von Leistungselektronikkomponenten.

Die R&S RTO2000-Laboroszilloskope mit Bandbreiten bis zu 6 GHz eignen sich für Aufgaben wie Power-Integrity-Messungen und ermöglichen je nach Modell auch Tests von Funkschnittstellen an 802.11ac-WLAN-Komponenten für IoT-Module im 5-GHz-Band oder von schnellen Kommunikationsschnittstellen wie USB 3.1 mit Datenraten von 5 Gbit/s. Durch die Multi-Domain-Funktionalität lassen sich komplexe und anspruchsvolle Baugruppen untersuchen und dem Entwickler Zeit sparen: Aufeinander synchronisierte Messergebnisse aus Zeit-, Frequenz-, Protokoll- und Logikanalyse erlauben eine systemorientierte, zielorientierte Fehlersuche.

Erweiterte Analysefunktionen

Um die Ein- und Ausschaltreihenfolgen von FPGAs und CPUs zu verifizieren, muss das Ein- und Ausschaltverhalten ihrer Versorgungsspannungen charakterisiert werden. Dabei existieren verschiedene Spannungseigenschaften, die bestimmte Anforderungen erfüllen müssen:

  • Ein-/Ausschaltverzögerung: Die unterschiedlichen Versorgungsspannungen müssen mit bestimmten Zeitverzögerungen angelegt werden, die abhängig vom Bauteil von einigen Nanosekunden bis zu mehreren Millisekunden reichen können.
  • Bestimmte Spannungsanlaufzeiten: Die Pegel der unterschiedlichen Versorgungsspannungen von FPGAs, CPUs und DSPs liegen üblicherweise zwischen 1 V und 5 V. Darüber hinaus gelten für jede Spannung vom Hersteller empfohlene minimale und maximale Anlaufzeiten, die von einigen Mikrosekunden bis zu mehreren Millisekunden reichen. Somit erstrecken sich die empfohlenen Anstiegsraten von wenigen V/μs bis zu mehreren V/ms.
  • Differenz zwischen Versorgungsspannungen: Während des Anlaufens sollte die Differenz zwischen einzelnen Spannungen vorgegebene Werte nicht überschreiten.

Die spezifischen Spannungsverläufe lassen sich mit den in den Oszilloskopen R&S RTE1000 und R&S RTO2000 inte­grierten Mess- und Mathematikfunk­tionen analysieren:

  • Cursors ermöglichen die manuelle Analyse mehrerer Parameter, beispielsweise die Verzögerung zwischen unterschiedlichen Kanälen zu ermitteln.
  • Automatisierte Messfunktionen erlauben die unkomplizierte Bestimmung von Eigenschaften wie der Verzögerung zwischen Kanälen oder der Anstiegszeit einzelner Spannungen. Darüber hinaus genügt die Abtastrate von 5 Msample/s des R&S RT-ZVC, um typische Anstiegsraten von mehreren Volt pro Millisekunde zu messen.
  • Mit Mathematikfunktionen zwischen einzelnen Oszilloskop-Kanälen lässt sich die erforderliche Spannungsdifferenz verifizieren.

Hohe Genauigkeit für enge Spannungstoleranzen

Zusätzlich zum Power Sequencing sind stabile und saubere Spannungen auf den Stromversorgungsleitungen die Basis für eine angemessene Performance eines jeden Elektronikdesigns. Im Allgemeinen sinken die Spannungen auf den Stromversorgungsleitungen und ihre Toleranzen, um die Leistungsaufnahme zu minimieren und die Batterielaufzeit zu verbessern.

Die Analyse kleiner Versorgungsspannungen und enger Toleranzfenster von FPGAs oder CPUs erfordert ein Messgerät mit einer bestimmten Empfindlichkeit und hoher Genauigkeit. Der R&S RT-ZVC hat eine Genauigkeit von 0,1 % bei Spannungsmessungen und 0,2 % bei Strommessungen.

Der Autor

Geeigneten Tastkopf verwenden

Für Power Sequencing benötigen Entwickler das passende Oszilloskop mit einem geeigneten Tastkopf, wie dem R&S RT-ZVC von Rohde & Schwarz. Dieser mehrkanalige Oszilloskop-Tastkopf ist mit jeweils bis zu vier Spannungs- und Stromkanälen ausgestattet, die über einen sehr hohen dynamischen Messbereich verfügen. Jeder Kanal besitzt einen A/D-Wandler mit 18 bit Auflösung bei 5 Msample/s und 1 MHz Bandbreite. Der Tastkopf zeigt seine Stärken im Zusammenspiel mit den Oszilloskopen R&S RTE1000 oder R&S RTO2000. Mit zwei R&S RT-ZVC-Tastköpfen an einem der vierkanaligen Oszilloskope lassen sich bis zu 20 Spannungen parallel analysieren. Für diese Konfiguration müssen die Stromkanäle als hochempfindlicher Spannungsmesser im externen Shunt-Modus betrieben werden. Da der Tastkopf dafür konzipiert ist, mit hoher Auflösung Ströme und Spannungen zu messen, lässt er sich neben Power Sequencing auch speziell für die Stromverbrauchs­messung bei Geräten für das Internet of Things nutzen, bei denen der Stromverbrauch eine sehr zentrale Rolle spielt.

Dr. Tim Paasch-Colberg ist als Produktmanager bei Rohde & Schwarz verantwortlich für Oszilloskope und Tastköpfe. Hierbei betreut er diverse Applikationen, wie Leistungselektronik. Zuvor war er als Marketing Director für einen Hersteller von
Forschungslasern tätig, die in der Quantenoptik, in der Biophotonik und für Präzisionsmessungen eingesetzt werden. In seiner Promotion am Max-Planck Institut für Quantenoptik untersuchte er ultraschnelle Ladungsträgerdynamik in Festkörpern.