Mixed-Signal-Oszilloskope beim Debugging von digitalen Schaltungen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Nützlich: Mehrere Versionen der Signalanzeige
Digitale Signale ähneln analogen Signalen, allerdings werden in einer reinen Digitaldarstellung nur die unteren bzw. oberen Logikpegel, also die Highund Low-Zustände angezeigt. Denn bei der Analyse von zeitbasiert erfassten Signalen geht es vor allem um die Bestimmung der Logikpegel zu einzelnen Zeitpunkten und um die Messung der Zeit zwischen High-Low- und Low-High-Flanken (also ZustandsÜbergängen) an einem oder mehreren Signalzügen. Um die Analyse zu vereinfachen, können die digitalen Signale mehrerer Kanäle auch zu einem Bus gruppiert werden. Der eine Kanal repräsentiert z.B. das niedrigstwertige Bit eines Busses; die anderen digitalen Signale repräsentieren die anderen Bits der Busstruktur bis hinauf zum höchstwertigen Bit. Dann decodiert das Mixed-Signal-Oszilloskop den Bus im Binär- oder auch Hexadezimal-Modus und stellt diese Ergebnisse alphanumerisch dar.
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Parallelbusse können sowohl getaktet als auch ungetaktet decodiert werden. Bei einer getakteten Decodierung ermittelt das Scope den Logikzustand des Busses an der steigenden, der fallenden oder an beiden Flanken des als Takt dienenden Signals. Dies bedeutet, dass nur die gültigen Übergänge auf dem Bus angezeigt werden, nicht die Übergänge zu Zeiten, wenn die Daten ungültig sind. Bei der ungetakteten Decodierung wird der Bus an jedem Abtastpunkt decodiert, und es werden alle Übergänge des Busses angezeigt.
Je nach Bauart des Mixed-Signal-Oszilloskops lassen sich mehrere serielle und parallele Busse gleichzeitig decodieren. Zu den weit verbreiteten seriellen Bussen zählen übrigens I2C, SPI, CAN, LIN, FlexRay, RS 232/422/485 und UART.
Vorbereitung eines MSO zur Erfassung digitaler Signale
Um ein Mixed-Signal-Oszilloskop für die Erfassung digitaler Signale vorzubereiten, müssen zwei grundlegende Einstellungen vorgenommen werden. Als Erstes müssen die Schwellenwerte der digitalen Kanäle so konfiguriert werden, dass die Logikpegel der untersuchten Logikfamilie ordnungsgemäß erfasst werden können. Als Zweites muss der Versatz zwischen den analogen Kanälen so eingestellt werden, dass die analogen und die digitalen Kanäle zeitlich korreliert sind.
Die analogen Kanäle des Mixed-Signal-Oszilloskops lassen sich nutzen, um rasch den Logikspannungshub des untersuchten digitalen Signals zu überprüfen. Bei Logikfamilien mit symmetrischen Spannungshüben (z.B. CMOS) sollte der Schwellenwert auf die Hälfte der Signalamplitude festgelegt werden. Bei Logikfamilien mit asymmetrischen Spannungshüben (z.B. TTL) muss in der Regel das Datenblatt der Komponente zur Bestimmung des Schwellenwerts herangezogen werden. Dieser liegt dann auf halbem Weg zwischen dem maximalen niedrigen Spannungsschwellenwert und dem minimalen oberen Spannungsschwellenwert.
Um zeitlich exakt korrelierte Messungen durchführen zu können, ist unbedingt der durch die Tastköpfe verursachte zeitliche Versatz zwischen analogen und digitalen Signalen zu kompensieren. Die meisten Mixed-Signal-Oszilloskope bieten die Möglichkeit zum analogen Tastkopf-„Deskew“, um den Zeitversatz der analogen Kanäle untereinander und zwischen den analogen und digitalen Kanälen zu beseitigen. Die Deskew-Einstellungen der analogen Kanäle gleichen die unterschiedlichen Laufzeitverzögerungen von Tastköpfen aus (Bild 2).
Im Folgenden zwei Beispiele für die Überprüfung eines Schaltungsentwurfs mit Hilfe eines Mixed-Signal-Oszilloskops.
Beim ersten Beispiel geht es darum, ein TTL-Burstsignal zu überprüfen, das acht positive Impulse aufweist (Bild 3). Die Breite der positiven Impulse muss der Spezifikation nach im Bereich von 23,2 ns bis 25 ns liegen, der zeitliche Abstand zwischen den Impulsen zwischen 26 ns und 27 ns. Die Zeit zwischen den Bursts ist nicht spezifiziert.
Das TTL-Burstsignal wird auf einen der digitalen Kanäle des Mixed-Signal-Oszilloskops gelegt, der Schwellenwert entsprechend der TTL-Logik eingestellt und der Trigger auf die steigende Flanke gesetzt. Um die Überprüfung möglichst schnell durchzuführen, wird das MSO so konfiguriert, dass die Breiten der positiven und negativen Impulse zwischen den Cursorpunkten automatisch gemessen werden.
Bild 4 zeigt eine Einzelschusserfassung, bei der das Mixed-Signal-Oszilloskop auf der Flanke des ersten Impulses getriggert hat. Je nachdem, wann die Taste für die Einzelschusserfassung des Mixed-Signal-Oszilloskops gedrückt wird, hätte die Triggerung auch auf jeder anderen steigenden Flanke erfolgen können.
Das erfasste Signal weist acht Impulse auf und erfüllt daher die geforderten Bedingungen. Die Breite des ersten positiven Impulses beträgt 23,88 ns, die Breite des negativen Impulses 26,18 ns. Beide Werte werden automatisch gemessen.
Diese Werte erfüllen ebenfalls die geforderten Bedingungen. Die Cursor-Linien des Mixed-Signal-Oszilloskops werden dann verknüpft und mit Hilfe eines Drehknopfes am Signal entlang verschoben, um die Breiten der jeweils aufeinanderfolgenden positiven und negativen Impulse zu überprüfen.
Die Breiten der positiven und negativen Impulse können strenger überprüft werden, indem man das Mixed-Signal-Oszilloskop von der Einzelerfassung auf eine kontinuierliche Erfassung umschaltet. Die statistische Auswertung der positiven und negativen Impulse (Mittelwerte, Maxima, Minima und Standardabweichung) erfolgt über mehrere Erfassungen hinweg.
Die in Bild 5 gezeigte Mess-Statistik zeigt für die Breite der positiven Impulse einen Mittelwert von 23,87 ns bei 53,62 ps Standardabweichung. Die minimale Breite der positiven Impulse beträgt 23,76 ns, die maximale Breite 24,00 ns, die Vorgaben werden also eingehalten. Die Auswertung für die Breite der negativen Impulse ergibt ebenfalls das gewünschte Ergebnis. Auf diese Weise lässt sich die Einhaltung der Spezifikationen relativ bequem überprüfen.
Diese Art der Überprüfung hängt davon ab, welche Teile des kontinuierlichen Signals erfasst und analysiert werden. Noch aussagekräftiger wird die Überprüfung, wenn man die leistungsfähigen Triggerfunktionen des Mixed-Signal-Oszilloskops einsetzt, um einzelne Impulse zu messen. Beispielsweise kann das Mixed-Signal-Oszilloskop für die Überprüfung des TTL-Burstsignals so eingerichtet werden, dass sämtliche positiven Impulse gemessen werden und eine Triggerung auf Impulsbreiten unterhalb des Grenzwerts von 23,2 ns erfolgt. Nach erfolgter Triggerung erfolgt eine Einzelschusserfassung, und das Mixed-Signal-Oszilloskop wird angehalten, um eine Untersuchung des außerhalb der Spezifikation liegenden Impulses zu ermöglichen.
In Bild 6 hat das Mixed-Signal-Oszilloskop auf einen positiven Impuls getriggert, dessen Breite unter der Vorgabe von 23,2 ns liegt. Bei dieser Erfassung wurden zwei Fehler ermittelt. Der erste Fehler besteht darin, dass der siebte Impuls nur 3,636 ns breit ist und daher unterhalb des Minimalwerts von 23,2 ns liegt. Der zweite Fehler besteht darin, dass der achte Impuls fehlt. Dieses Beispiel zeigt, wie man den Digitaltrigger eines Mixed-Signal-Oszilloskops dafür verwenden kann, nach digitalen Signalen zu suchen, die bestimmte Spezifikationen nicht einhalten. Der Trigger des Mixed-Signal-Oszilloskops kann auch für die Erfassung von Signalen, deren Länge über dem Maximalwert von 25,6 ns liegt, eingerichtet werden. In diesem Fall wurden keine Probleme ermittelt.
Die Ursache dieses Fehlers ist ein mangelhafter Entwurf. Das für die Gate-Steuerung der Impulse verwendete Signal lief nicht synchron zur Erzeugung der Impulse und zeigte daher gelegentlich Abweichungen bei der Gating-Dauer. Dadurch löschte das interne Gating-Signal zeitweilig den letzten Impuls und verkürzte den siebten.
Diese Überprüfungstechnik, bei der auf Fehler getriggert wird, kann für die Überwachung von Signalen längerer Dauer verwendet werden, um einen Entwurf möglichst genau zu testen.
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- Nützlich: Mehrere Versionen der Signalanzeige
- Praxisbeispiel: Umfassende Analyse mit analoger und digitaler Erfassung
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