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4-2021

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Messtechnik

Messtechnik Mixed-Signal-Oszilloskope: Embedded-Design-Herausforderungen meistern DAC-Ausgang erzeugt. Mithilfe der Parallelbus-Decodierung (Bild 1) erhält man einen kurzen Blick auf die Übergänge dieser einzelnen Leitung. Diese Einzeldekodierung liefert jedoch nicht die komplette Information, da der DAC eine Reihe von Datenleitungen verwendet, um das Ausgangssignal einzustellen. Um vollständige Daten zu erhalten, ist ein anderer Ansatz erforderlich. Dazu verschiebt man alle DAC-Leitungen gemäß Bild 2 auf die digitalen Eingänge des MSO. Somit sieht man, wie die digitalen Leitungen wirklich mit dem DAC-Ausgang koordinieren. Zur weiteren Untersuchung lässt sich die Dekodierung vereinfachen, um Hexadezimal-Werte anzuzeigen und durch Zoomen die decodierten Daten. Mit der Zoom-Funktion lässt sich nun die Beziehung zwischen den Bit- und DAC-Übergängen klar erkennen (Bild 3). Um zusätzlich die Anstiegszeit von dem Digitaleingängen zu vermessen, wurde ein Digitalkanal zusätzlich auf dem analogem Kanal 2 (in Blau) geschaltet. Durch 500-faches Einzoomen von 50 µs pro Division auf 100 ns pro Division wird erkannt, dass die Bitübergänge 140 ns vor dem Taktübergang auftreten und der DAC-Ausgang beginnt, sich synchron mit dem Takt zu ändern. Der Cursor wird verwendet, um das Zeitverhalten in den Übergängen oder um die Anstiegszeit des Taktes deutlicher und klarer zu vermessen, ebenfallszu erkennen in Bild 3. Eine andere Alternative: auf digitale Muster anstelle des analogen Signals triggern. Das Triggern mittels eines digitalen Musters kann beim Debuggen von entscheidender Bedeutung sein. Es ist nicht immer einfach, Ereignisse von der analogen Seite eines Systems aus zu verfolgen. Embedded-Designs und insbesondere Designs mit langsamen seriellen Signalen (LSS, Low-Speed Signals) gehören immer noch zu den am schnellsten wachsenden Bereichen in der Entwicklung von digitalen Elektronikkomponenten. Autor: Boris Adlung RIGOL Technologies Europe GmbH www.rigol.eu Der Bedarf an Kommunikation zwischen Modulen, FPGAs und Prozessoren in vielen Bereichen der Unterhaltungs- und Industrieelektronik ist rasant angestiegen. Die Verwendung benutzerdefinierter Kommunikationsprotokolle und Busse ist für die Effizienz des Designs und die Markteinführung des Produktes von entscheidender Bedeutung, birgt jedoch das Risiko, dass Analyse und Fehlerfindung sich als schwierig erweisen: Zu den häufigsten Ursachen und Problemen bei LSS-Daten in einer Embedded-Anwendung gehören Timing, Rauschen, Signalqualität und das Erreichen einer ausreichenden Datenqualität. Dieser Artikel geht auf die unterschiedlichsten Fehlerarten ein und zeigt die jeweilige Messlösung mit einem Oszilloskop der Serie MSO5000. Zu den Fehlerarten Das Timing ist in jedem seriellen Datensystem von entscheidender Bedeutung. Signalverzögerungen können unter anderem durch den Einfluss von Einzelkomponenten sowie deren Verarbeitungszeiten oder die Länge einer Übertragung oder weitere Variablen entstehen, was die Analyse nicht gerade vereinfacht. Am Beispiel einer einfachen 8-Bit-Digital/Analog-Konverter-Schaltung soll dieses Verhalten näher beschrieben werden. Zu allererst ist es wichtig, die Spezifikation des Signals zu verstehen. Etwa zu wissen, ob die Daten direkt auf der Taktflanke erfasst werden oder wie weit ein Takt von den Datensatz entfernt sein kann, um eine gute Übertragung zu gewährleisten. Sobald diese Eckpunkte bekannt sind, können die Hardware-Subsysteme Tx und Rx experimentell überprüft werden. Jetzt wird die Zeitverzögerung auf Systemebene und die Gesamtgenauigkeit der Konvertierungen analysiert, da es gilt, die logischen als auch die analogen Kanäle zeitkorreliert direkt zu messen. Es lassen sich die decodierten Bitmuster gleichzeitig numerisch auf dem MSO5000 anzeigen. Ein einfaches Beispiel zeigt die Messung eines (von acht) Bits auf Kanal 2 (blau), das den DAC-Eingang ansteuert und eine Sinuswelle auf Kanal 1 (gelb) am 36 hf-praxis 4/2021

Messtechnik Bild 1 Bild 2 Bei Verwendung einer digitalen Triggermethode, müssen die zusätzlichen Triggerparameter festgelegt werden. Diese können Startbits oder sogar Adressen und Daten für einige Protokolle enthalten. Selbst für einen solchen einfachen parallelen Bus müssen die Bus-Kanäle definiert und angeordnet werden, um die Ergebnisse am einfachsten interpretieren zu können. Ein genaues Timing serieller Bussysteme ist für die Systemstabilität von entscheidender Bedeutung. Daher ist sicherzustellen, dass die eingesetzten Messinstrumente dazu geeignet sind, die Signale präzise und einfach zu triggern, zu überwachen und zu analysieren, um die Entwicklungseffizienz und letztendlich die Markteinführung zu verbessern. Zu Störungen und Rauschen Eines der häufigsten Probleme bei der korrekten Messung serieller Daten ist der Umgang mit „Systemrauschen“, welches eine Reihe von Ursachen haben kann, wie beispielsweise schlechte Erdung, Bandbreitenprobleme, Übersprechen oder eine mangelhafte elektromagnetische Störfestigkeit (EMI). Manchmal liegt das Problem im Gerät selbst, aber mit verbesserten Prüf- und Messtechniken lassen sich auch die Ergebnisse erheblich verbessern. Man sollte daher immer erst sicherstellen, dass die besten Messmethoden zur Anwendung kommen. Bild 4 zeigt ein decodiertes I 2 C-Bussignal, das mit dem MSO5000 mit der Dichtigkeitsdarstellung vermessen wurde. Im ersten Beispiel sind die eingesetzten Tastköpfe schlecht geerdet. Da die Erdung des Oszilloskops direkt mit der Erdung der Stromversorgung verbunden ist, können dadurch andere verrauschte Komponenten enthalten und zu solchen Ergebnissen führen. Es ist auch möglich, dass eine hohe Stromaufnahme durch die Erdung der lokalen Stromversorgung Erdungsschleifen erzeugt, die ein Rauschen im System verursacht. Zunächst werden die Tastkopfanschlüsse betrachtet. Normalerweise verwendet man das Erdungsband der Tastkopfklemme, um eine Erdungsverbindung herzustellen. Ist diese Verbindung korrekt und das Problem besteht weiter, muss man möglicherweise stattdessen die Erdungsfeder verwenden. Die Erdungsfeder liegt näher an der Tastkopfspitze an und verringert mögliche Schleifen erheblich. Dies kann das Rauschen und die Signalqualität (Bild 5) erheblich verbessern, insbesondere bei Hochgeschwindigkeitssignalen oder Signalen, die empfindlich auf Kapazitäten oder gekoppelte Spannungen reagieren. Wenn das „Erdungsrauschen“ immer noch problematisch ist, sollte versucht werden das Prüfobjekt gegen die Erde zu isolieren. Hierfür kann ein Differenzialtastkopf wie die RP1100D von Rigol verwendet werden, mit der Messungen ohne Bezug zur Erdung des Oszilloskops möglich sind. Bei zum Beispiel LVDS-Bussen (Low-Voltage Differential Signaling) ist der Einsatz eines Differenzialtastkopes möglicherweise die einzige Möglichkeit, um das Signal klar vermessen zu können. Busse wie dieser verschieben absichtlich die Referenzlinie, um die Bandbreite zu maximieren und die Kommunikationsabstände zu erhöhen. Möglicherweise ist jedoch eine echte differenzielle Abtastung oder die Verwendung mehrerer Kanäle des Oszilloskops erforderlich, um das Signal korrekt anzuzeigen. Nach der Verbesserung des Störabstands durch Verringern des erdungsbedingten „Rauschens“ kann man sich der Bandbreitenfilterung widmen. Ein Hochfrequenzrauschen in Bild 3 Bild 4 hf-praxis 4/2021 37

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