Funkmodul, Prozessor, Spannungsversorgung und Sensoren: Hochintegrierte Embedded Designs umfassen viele Komponenten auf engem Raum. Um Fehler im Zusammenspiel der einzelnen Funktionseinheiten aufzuspüren, nutzen Entwicklungsingenieure Oszilloskope. Diese führen parallel Zeit-, Frequenz-, Logik- und Protokollanalysen durch und stellen die Ergebnisse zeitkorreliert gegenüber.

Hochintegrierte Designs stellen für Entwickler eine Herausforderung dar, denn sie sind besonders anfällig für gegenseitige Funktionsstörungen. Die Ingenieure müssen unerwünschte Wechselwirkungen mit genauem Zeitbezug beseitigen. Für diese Aufgabe entwickelte der Messgerätehersteller Rohde & Schwarz ein Oszilloskop für Multi-Domain-Anwendungen, das R&S RTO2000 mit Bandbreiten von 600 MHz bis 4 GHz. Es unterstützt Ingenieure bei der Optimierung und Fehlersuche an Embedded Designs.

Damit das Oszilloskop im Zeitbereich mit hoher Genauigkeit und Dynamik messen kann, hat Rohde & Schwarz die analogen Kanäle mit selbstentwickelten, rauscharmen Eingangsstufen und 10-GHz-Single-Core-A/D-Umsetzern ausgestattet. So erreicht das Gerät ein effektives Rauschen von unter 100 µV. Die A/D-Umsetzer erzielen mehr als sieben effektive Bits (ENOB), und die Kanal-zu­Kanal-Isolierung liegt bei über 60 dB. Der Anwender kann über die analogen Kanäle Spannungspegel über die Zeit messen und parallel spezielle Analysen durchführen, wie Jitter-Analysen an Takt- oder Datensignalen. Aufgrund der hohen Messdynamik sind über diese Kanäle auch FFT-basierte Analysen im Frequenzbereich möglich. Die Ergebnisse können direkt in Bezug zu anderen Messgrößen gestellt werden. 16 digitale Kanäle erweitern die Messressourcen des Oszilloskops. Über diese Eingänge kann der Anwender beispielsweise an digitalen Schnittstellen die logischen Pegel (High, Low) zeitlich vermessen. Auch Timing-Fehler in parallelen Schnittstellen lassen sich damit schnell aufdecken.

Hardware-basierte Signalverarbeitung

Der eingesetzte ASIC (Application Specific Integrated Circuit) wurde speziell für die intensive Parallelverarbeitung konzipiert. Er verarbeitet die digitalen Eingangssignale in kurzer Zeit. Diese Signalverarbeitung ist einer PC-basierten, externen Nachverarbeitung überlegen. Ein R&S RTO2000 kann bis zu 1 Million Messkurven pro Sekunde erfassen, bearbeiten und darstellen, selbst wenn parallel Histogramme, Masken oder Cursor-Messungen aktiv sind. Diese Fähigkeit ist entscheidend für die schnelle und erfolgreiche Suche nach sporadisch auftretenden Fehlern.

Für die Analyse protokoll-basierter serieller Schnittstellen bietet das Oszilloskop zahlreiche Trigger- und Decodier-Optionen für Standards wie I²C, SPI, USB oder Ethernet. Dabei kann der Anwender sowohl an analogen wie digitalen Signalen eine Protokoll-Decodierung durchführen.

Die Messkurven und Analyseergebnisse der verschiedenen digitalen und analogen Kanäle sind zeitlich definiert und lassen sich deshalb genau aufeinander beziehen. Nebenstehende Abbildung zeigt am Beispiel einer IoT-Anwendung (Internet of Things) mit WiFi-Funkmodul, wie verschiedene Funktionseinheiten zeitlich zusammenwirken: Kanal 1 (gelb) erfasst das WiFi-Signal und stellt es im Zeitbereich dar. Aber erst im Spektrum (WIFI Bursts) ist die Signalform deutlich zu sehen. Den Einfluss der Funkaktivität auf den Stromverbrauch visualisiert Kanal 3 (orange). Zusätzlich können auch die Steuerbefehle der USB-Schnittstelle im zeitlichen Zusammenhang betrachtet werden. Die mit Kanal 2 und 4 (grün und blau) erfassten Signale decodiert das Gerät optional in lesbare USB-Daten.

Analyse kleiner Ströme in Bezug zu Systemfunktionen

Ein weiteres Beispiel zeigt, welche Messungen sinnvoll sind, wenn der Anwender bei einer Schaltung für mobile Anwendungen den Stromverbrauch minimieren möchte. Dazu bedarf es einer Messtechnik, die kleine Ströme bis in den 1-mA-Bereich auflösen kann. Zudem lassen sich Stromänderungen mit Aktivitäten der Schaltung in einen zeitlichen Bezug setzen: Interessant ist beispielsweise, wie sich der Stromverbrauch beim Senden von Funksequenzen oder beim Eintritt in einen Stromsparmodus verändert. Die hohe Dynamik und Empfindlichkeit der analogen Eingangskanäle eines R&S RTO2000 erlaubt das Messen von solch kleiner Spannungen und Ströme. Zudem ist für das Gerät eine Stromzange verfügbar, die bei einer Bandbreite von 120 MHz Ströme bis 1 mA misst.

Bei Messungen mit kleinen Amplituden kann der integrierte High-Definition-(HD-)Modus des Oszilloskops hilfreich sein: Damit lassen sich zum Beispiel bei Strommessungen dynamische Schwankungen bis auf 100 µA genau auflösen. Im HD-Modus begrenzen hochwertige Tiefpassfilter die Signalbandbreite hinter dem A/D-Umsetzer und erreichen so eine vertikale Auflösung von 16 Bit. Der Anwender entscheidet sich im Einzelfall für eine geeignete Kombination aus Bandbreite und Auflösung. Das digitale Trigger-System arbeitet auch im HD-Modus. So kann der Anwender auf kleinste Signal-Details triggern.

Erweitertes Debugging im Spektrum

Die Spektrumanalyse erfolgt bei allen analogen Kanälen FFT-basiert. Aufgrund der schnellen Signalverarbeitung sowie einer FFT-Berechnung per Digital Down Conversion (DDC) auf einen ausgewählten Frequenzbereich erreicht das Oszilloskop eine höhere Darstellungsgeschwindigkeit und Auflösung als andere Oszilloskope mit dieser Funktion. Durch die hohe Messdynamik der Kanäle sind auch schwache Signalstörungen identifizierbar. Relevant ist das zum Beispiel für die Analyse und Fehlersuche bei Funksignalen, für die Suche nach elektromagnetischen Störern (EMV-Untersuchungen) oder für die spektrale Bewertung von Spannungsversorgungen.

Der Anwender kann auch bei der Spektrumanalyse auf Funktionen wie automatische Messungen, Peak-Listen, Max-Hold-Detektoren oder Maskentests zugreifen. Eine Besonderheit ist der Nachleuchtmodus, ein Spektrogramm, das Änderungen von Frequenzkomponenten über der Zeit sichtbar macht. In diesem Modus werden schnelle Signalveränderungen oder sporadische Störsignale bei Signalüberlagerung sichtbar.

Zonen-Trigger im Zeit- und im Frequenzbereich

Mit dem integrierten Zonen-Trigger kann der Anwender Ereignisse im Zeit- sowie im Frequenzbereich grafisch separieren. Bis zu acht Zonen beliebiger Form können als Trigger-Bedingung logisch verknüpft werden. Ein Trigger wird ausgelöst, wenn definierte Zonen vom Messsignal durchlaufen oder umgekehrt nicht berührt werden. Damit lassen sich beispielsweise bei der EMV-Fehlersuche Störer im Spektrum detektieren oder Lese- und Schreibzyklen von Speicher-Controllern separieren.

Das R&S RTO2000 ist als 2- und 4-Kanal-Modell erhältlich mit Bandbreiten von 600 MHz, 1, 2, 3 und 4 GHz. Alle Modelle sind nachträglich bezüglich Bandbreite und Erfassungsspeicher erweiterbar. Die große Speichertiefe bis maximal 2 Gsample kommt auch der History-Funktion zugute. Zudem sind Hardware-Optionen wie die digitalen Kanäle oder ein 10-MHz-OCXO-Referenztakt und Software­Optionen für spezielle Aufgaben verfügbar.