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Oszilloskope

Das Embedded-System fest im Blick

Oszilloskop der MSO8000-Serie von Rigol.
Oszilloskop der MSO8000-Serie von Rigol
© Rigol Technologies

Dass man eine vollständige Signalqualitätsanalyse in embedded-Systemen mithilfe von Echtzeit-Augendiagramm und Jitter-Analyse auch budgetfreundlich realisieren kann, zeigt Rigol mit der Oszilloskopserie MSO8000.

Von Boris Adlung, Rigol Technologies EU

Unbestritten: Die zunehmende Vernetzung digitaler Systeme in der Elektronik schafft neue Möglichkeiten und Funktionen. Doch sie erschwert auch die Fehleranalyse der komplexen Signale während der Integrationsphasen. So wird ein modernes Embedded-Design zunehmend zur digitalen Herausforderung, Geschwindigkeit und Datendurchsatz nehmen weiter zu – und damit ergeben sich immer mehr Probleme aus den analogen Wechselwirkungen der Signale. Vor allem, weil diese Systeme oft in einen relativ kleinen FPGA oder ASIC integriert werden.

Viele Entwickler komplexer Embedded-Systeme nutzen bei der Analyse ein Oszilloskop. Mit seinen bisherigen Funktionen, den digitalen Kanälen eines Mixed-Signal-Oszilloskops, der seriellen Decodierung sowie der Suche und Aufzeichnung eines Signals, ist es das wichtigste Werkzeug für die grundlegende Fehlersuche. Allerdings geraten herkömmliche Oszilloskope bei bestimmten Aufgaben wie etwa der Jitter-Analyse oder der Untersuchung von Si­gnalverzerrungen schnell an ihre Grenzen. Hierfür werden erweiterte Analysefunktionen benötigt, die jedoch oft außerhalb des Entwicklungsbudgets liegen.

UltraVision-II-Plattform

Eine praxis- und budgetgerechte Lösung für dieses Dilemma bietet Rigol mit seinen Oszilloskopen der Serie MSO8000. Das MSO8000 (Bild 1) ist Rigols vollständigstes Embedded-Design-Gerät mit der Fähigkeit, Signale bis zu 2 GHz zu charakterisieren und komplexe Signalintegritäts-, Verzerrungs- und Zeitverlauf-Probleme zu analysieren. Die Geräte basieren auf Rigols UltraVision-II-Plattform, die mehrere benutzerdefinierte ASICs mit FPGAs kombiniert und so eine hochintegrierte und gleichzeitig erschwingliche Testplattform mit erweitertem Analysekonzept darstellt.

Die UltraVision-II-Plattform zeichnet sich zum einen durch die hohe Abtastrate von max. 10 GSample/s gerade in Verbindung mit der hohen Speichertiefe von 500 Mpts aus und zum anderen durch die hohe Messgeschwindigkeit von bis zu 600.000 wfms/s. Darauf aufbauend bietet die MSO8000-Serie die umfassendsten Analysefunktionen, den tiefsten Speicher und die höchste Abtastrate ihrer Klasse.
Die MSO8000-Funktionen wurden für die Analyse und das Debugging von Embedded-Designs entwickelt. Betrachten wir die Analysefunktionen im Detail.

Jitter sicher ­charakte­risieren

Die Genauigkeit eines Signaltaktes ist entscheidend für die digitale Datenübertragung, speziell bei hohen Datenraten. Bereits feinste Änderungen der Taktfrequenz beeinflussen die Fehlerraten und den Datendurchsatz erheblich. Allerdings können diese zeitlich basierenden Fehler nicht einfach durch ein traditionelles Oszilloskop visualisiert werden. Abhilfe schafft die Jitter-Analyse-Funktion der MSO8000-Serie. Dank der hohen Abtastrate und der großen Speichertiefe vergleicht das Oszilloskop die Zeitänderungen zwischen tausenden Taktübergängen. Dadurch können zeitliche Schwankungen unter 100 ps visualisiert werden, und gleichzeitig kann der Anwender diese Änderungen über lange Zeiträume nachverfolgen.

Jitter wirkt sich generell wie eine Art unerwünschte Phasenmodulation auf das Signal aus. Für eine Optimierung des Jitter-Verhaltens ist es wichtig, die Art des Jitters zu kennen, damit die Ursachen abgestellt oder zumindest soweit reduziert werden, dass die Qualität der Datenübertragung nicht mehr relevant beeinflusst wird. Grundlegend gibt es unterschiedliche Arten von Jitter. Ein nicht symmetrischer oder zufälliger Jitter entsteht zum Beispiel durch Impulsstörungen, Nebensprechen oder Rauschen. Eine ungewollte Beeinflussung durch ein anderes Taktsignal hingegen wird als symmetrischer oder deterministischer Jitter bezeichnet, dessen Einfluss dann auch dominiert. Dieser kann sich als datenabhängiger oder periodischer Jitter auswirken. Sobald ein deterministischer Jitter einem Störsignal zuzuweisen ist, kann dieser Einfluss abgestellt werden.

Für die Vermessung des Jitters ist es wichtig, den Zeitintervallfehler (Time Interval Error, TIE) visuell darzustellen. Der Zeitintervallfehler wird durch die Zeitdifferenz zwischen der idealen und der tatsächlich gemessenen Taktflanke definiert. Es gibt zwei Messmethoden für die Vermessung des TIE zur Fehleranalyse: Zum einen die Darstellung des TIE-Trenddiagramms, das den akkumulierten Fehler der TIE-Werte über die Zeit anzeigt, was sich wie eine Integration des Störsignals interpretieren lässt. Diese Trenddarstellung ist ein wertvolles Analysewerkzeug, weil es periodische Jitter-Ursachen hervorhebt. Bild 2 zeigt ein Hochgeschwindigkeitstaktsignal (Kanal 1, gelb) und den TIE-Jitter-Trend (violett).

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Der TIE-Trend-Graph stellt ein periodisches Jitter-Verhalten dar
Bild 2: Der TIE-Trend-Graph stellt ein periodisches Jitter-Verhalten dar.
© Rigol Technologies

Die in Bild 2 gezeigte vertikale Achseneinheit für den TIE-Trend beträgt 10 ns/DIV. Der Trend zeigt, dass sich der Jitter-TIE periodisch verhält. Das bedeutet, dass ein periodisches Signal oder Ereignis die Taktfrequenz beeinflusst. Mit der Verwendung des Cursors lässt sich anschließend der TIE-Trend genauer vermessen. Durch den Cursor lässt sich die Periode des Signals einfach ausmessen und die Frequenz berechnen (1/DX). Eine direkte Frequenzmessung kann ebenfalls am TIE-Trend durchgeführt werden.
Neben dem TIE-Trend kann man auch die Verteilung der TIE-Werte berechnen. Die Form und Standardabweichung der TIE-Werte sind ein wichtiger Bestandteil, um die Jitter-Ursache noch klarer zu ermitteln. Hierfür eignet sich die Histogrammdarstellung des Signals (Bild 3).

TIE-Trend und TIE-Histogramm
Bild 3: TIE-Trend und TIE-Histogramm.
© Rigol Technologies

Dabei ist es wichtig, die Art der TIE-Werte und -Trends sowie die Interpretation der Verteilung richtig zu verstehen. Wie bereits beschrieben, wird der TIE als eine sich periodisch anhäufende Änderung des Störsignals berechnet. Das heißt, der TIE-Trend sieht wie das Integral des Störsignals aus. Somit lässt sich aus dem TIE-Trend in Bild 3 eine quadratische Wellenänderung in der Periode ableiten. In diesem Beispiel ist zu sehen, dass sich die Periode des Taktsignals linear vergrößert (Anstieg des Trends) und sich danach wieder linear verkleinert (Abfall des Trends). Durch diese lineare Vergrößerung ist erkennbar, dass die Taktperiode des Signals zwar stabil ist, aber größer sein muss als die erwartete optimale Taktperiode. Genauso verhält es sich mit der linearen Verkleinerung, bei der die Periode ebenfalls einen stabilen Wert haben muss und kleiner ist als die erwartete Periode. Somit ändert sich die Periode zwischen zwei stabilen Werten, die einmal über und einmal unter dem erwarteten Zeitraum liegen. Durch die Frequenzmessung am Trend lässt sich erkennen, dass die Jitter-Ursache an einem 10-kHz-Rechtecksignal liegt. Die Histogrammdarstellung zeigt zudem, dass der Jitter konstant verteilt ist, was dann die Symmetrie des Störsignals bestätigt. Bei der Messung aus Bild 3 konnte die Jitter-Ursache – ein 10-kHz-Taktsignal von einem anderen Bereich der Schaltung – ohne Weiteres ermittelt und abgestellt werden.

 


  1. Das Embedded-System fest im Blick
  2. Messung mit ­Histogramm

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