Detaillierte Analysen von Elektronik-Designs mit dem R&S MXO 5

Das R&S MXO 5 knüpft an das R&S MXO 4 an, einem 4-Kanal-Gerät mit bis zu 1,5 GHz Bandbreite, welches zur Markteinführung 2022 mit einer Reihe von Branchenneuheiten, wie eine Echtzeitaktualisierungsrate von 4,5 Millionen Signalzüge pro Sekunde (wfm/s) und einem standardmäßigen Erfassungsspeicher von 400 Megapoints (Mpts) pro Kanal auf allen vier Kanälen gleichzeitig, aufwarten konnte.

Das neue Oszilloskop bringt nun bis zu acht Kanäle und 2 GHz Bandbreite in die MXO-Serie. Als erstes 8-Kanal-Oszilloskop mit einer Erfassungsrate von 4,5 Millionen wfms/s pro Kanal und 18 Millionen wfms/s über mehrere Kanäle erlaubt es Ingenieurinnen und Ingenieuren komplexe Signaldetails und selten auftretende Ereignisse präzise zu erfassen.

Funktionen für EMV-Tests

Durch entwicklungsbegleitende Messungen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) lassen sich elektromagnetische Probleme frühzeitig in der Designphase entdecken und somit kostspielige Überarbeitungen in der Vorproduktion vermeiden. Das neue Oszilloskop erfasst bis zu 99 Prozent der tatsächlichen Signalzeit. Somit registriert es auch seltene und zufällige Ereignisse und beschleunigt damit die Signalanalyse. Diese kurze Blindzeit zwischen den Erfassungen macht das Gerät zur geeigneten Wahl für EMV-Tests und das Untersuchen von Oberschwingungen.

Um Test und Fehleranalysen durchzuführen, ermöglichen das Oszilloskop neben Zeitbereichsmessungen auch HF-Spektrum-Messungen. Mit 45.000 FFT (schnellen Fourier-Transformationen) pro Sekunde eignet es sich für HF-Messungen sowohl im Zeit- als auch im Frequenz-Bereich. Bei der schnellen Fourier-Transformation wird ein digitales Signal in seine Frequenzanteile zerlegt und anschließend analysiert.

Dies vereinfacht die Fehlersuche an verschiedenen elektronischen Designs wie Leistungsumwandlern oder im Automotive-Umfeld, denn was wie ein gewöhnliches Sinussignal aussieht, kann viele weitere Frequenzanteile enthalten. Wie Bild 1 zeigt, ermöglicht das R&S MXO 5 in der Vier-Spektrum-Ansicht vier verschiedene zeitunabhängige Frequenzbereiche sowie Frequenzbreiten auszuwählen und parallel anzuzeigen, um Signaldetails besser untersuchen zu können.

Power Sequencing

Mehr Messkanäle vereinfachen es Entwicklern, Einschaltreihenfolgen zu überprüfen, was auch als Power Sequencing bezeichnet wird. Hat ein Prüfling mehr Stromversorgungsleitungen als das Oszilloskop Messkanäle, muss die Einschaltreihenfolge entweder in mehreren Messdurchgängen charakterisiert werden oder mit Hilfe eines zweiten Oszilloskops. In beiden Fällen entsteht ein extra Aufwand zum Synchronisieren der Messungen. Sind genügend Messkanäle vorhanden, um alles mit einem Gerät in einem Messdurchgang zu erledigen, entfällt dieser Aufwand.

Für Messaufgaben im Automotive-Bereich unterstützt die neue Oszilloskop-Serie Konformitätstests für Ethernet sowie USB und bringt alle gängigen Trigger- und Decodier-Funktionen für Industriestandard- und Automotive-Bussysteme mit. Die Oszilloskope versorgen bis zu acht aktive Tastköpfe gleichzeitig, was für die Entwicklung von Antriebssträngen vorteilhaft ist, wo häufig mit mehreren Strom- und Hochspannungstastköpfen parallel gearbeitet wird.

Größter Standardspeicher dieser Klasse

Standard-Erfassungsspeicher von 500 Mpts (Megapunkten) pro Kanal auf allen acht Kanälen gleichzeitig (erweiterbar bis 1 GPunkte, Kanäle interleaved) entsprechen dem Fünffachen der üblichen Ausstattung in dieser Leistungsklasse. Optional lässt sich der Speicher erweitern und es ist eine Aufzeichnungslänge von 1 Gpts möglich. Diese Speichertiefe ist wichtig für einige Anwendungen zur Fehlerbehebung. So können auch über längere Zeiträume Abstriche bei der Genauigkeit der Bandbreitendaten erfasst werden, und das auch bei langsamerer Zeitbasiseinstellung. Für Signale mit regelmäßigen Pausenzeiten, die beim Aufzeichnen ausgespart werden sollen, steht ein segmentierter Speicher mit 10.000 Segmenten (erweiterbar auf 1 Millionen Segmente) zur Verfügung. Typische Anwendungen dafür sind das Aufzeichnen von Laserpulsen, Signalen von seriellen Bussen oder HF-Pulsen.

Zur Grundausstattung gehört der History-Modus. Mit ihm lassen sich frühere Messungen schnell und einfach zur näheren Untersuchung wieder aufrufen. Dafür stehen alle Mess- und Analysetools zur Verfügung, einschließlich Decodierung serieller Busse und automatischer Messungen.

HD-Modus in Hardware

Jeder Eingangskanal hat einen eigenen 12-bit-A/D-Wandler mit 2¹², also 4096 Quantisierungsstufen in der vertikalen Auflösung, unabhängig von der gewählten Abtastrate. Noch mehr Signaldetails werden durch die 18-Bit-Architektur und einen in Hardware ausgeführten High-Definition-Modus (HD-Modus) sichtbar, wie in Bild 2 zu sehen. Anders als bei einem ERES-Modus (Enhanced Resolution) oder HiRES-Modus (High Resolution) geht die höhere Auflösung nicht zu Lasten der Abtastrate. Stattdessen beseitigt ein Gleitender-Mittelwert-Filter Alias-Effekte. Die hohe Auflösung geht nicht durch Rauscheffekte gleich wieder unter und steht außerdem für den Trigger zur Verfügung.

Mit einer Empfindlichkeit bis zu 500 µV/Div und einem Rauschpegel bei 1 mV/Div von 130 mV – auch bei vollen 2 GHz Bandbreite – ermöglicht das Oszilloskop extrem präzise Messungen. Triggern auf sehr kleine Signale ist durch die digitale Trigger-Architektur möglich, eine Eigenentwicklung des Unternehmens, die sich bereits in den High-End-Oszilloskopen und dem R&S MXO 4 bewährt hat. So ist es möglich, auch schwer aufspürbare kleine Anomalien auf der Bitübertragungsschicht in Gegenwart stärkerer Signale zu isolieren. Der Offset-Bereich von ±2 V bei empfindlich gewählter vertikaler Skalierung vereinfacht Messungen der Spannungswelligkeit (Ripple-Spannung).

Nachhaltigkeit

Bis zu 90 Prozent des CO₂-Fußabdrucks von Elektronikgeräten entstehen durch ihre Stromaufnahme über die Lebenszeit. Gerade ferngesteuerte Messgeräte befinden sich häufig im Dauerbetrieb. Eine automatische Einschaltfunktion schafft Abhilfe: Im Betrieb an einer smarten Steckdose lässt sich das Oszilloskop für Leerlaufzeiten ausschalten und nach Bedarf aus der Ferne wieder einschalten. Die automatische Einschaltfunktion reagiert auf die über die smarte Steckdose steuerbare Hausstromversorgung. Im Standby-Betrieb benötigt ein R&S MXO 5 gegenüber einem vergleichbaren Oszilloskop rund 40 Prozent weniger Strom.

Benutzererlebnis

Dank des kapazitiven 15,6"-Full-HD-Touchscreen und der intuitiven Benutzeroberfläche, sorgen die R&S-MXO-5-Oszilloskope für ein flüssiges Benutzererlebnis. Weil der Platz auf dem Labortisch immer knapp ist, wurde das neue Oszilloskop mit 153 mm x 445 mm Standfläche und 314 mm Höhe kompakt ausgelegt. Mit rund 9 kg Masse ist es außerdem gut tragbar und kann über eine optionale VESA-Halterung auch an der Wand montiert werden, sodass gar keine Stellfläche mehr nötig ist.

Mit 25 dB(A) Betriebsgeräusch in 1 m Abstand zur Gerätevorderseite (etwa so laut wie Flüstern) eignet sich das Oszilloskop für Laborumgebungen und Büroarbeitsplätze. Ein integrierter Webserver ermöglicht den Fernzugriff über einen Webbrowser. Für sensible Messdaten, die nicht dauerhaft auf dem Gerät abliegen sollen, ist eine M.2-Steckkarte vorhanden.

8 Kanäle auch in der Einstiegsklasse

Die neuen Oszilloskope werden sowohl als Vier- als auch als Achtkanal-Modelle mit Bandbreiten von 100 MHz, 200 MHz, 350 MHz, 500 MHz, 1 GHz und 2 GHz angeboten. Benutzer mit speziellen Anforderungen können die Leistung ihres Oszilloskops mit verschiedenen Upgrade-Optionen erweitern, wie z. B. mit der Integration von 16 digitalen Kanälen mit einer MSO-Option (Mixed-Signal Oscilloscope), einem integrierten Zweikanal-100-MHz-Arbiträrgenerator, Protokolldecodierungs- und Trigger-Optionen für Industriestandard-Busse und einem Frequenzgang-Analysator.

Anwendungsbeispiele: Elektromobilität und erneuerbare Energien

Zu den Anwendungsbereichen, die unter anderem von den acht Kanälen des Oszilloskop profitieren, gehören die Elektromobilität und erneuerbare Energien. Hier kommen Leistungs-Halbleiter der dritten Generation, also Siliziumkarbid und Galliumnitrid zum Einsatz, die im Vergleich zu Silizium ein schnelleres Schalten und dank ihrer geringeren Größe eine höhere Leistungsdichte ermöglichen. Im Bereich der Elektromobilität kann so eine kürzere Ladezeit, eine längere Reichweite und eine allgemein bessere Fahrleistung erreicht werden. Auch der Ausbau der erneuerbaren Energien profitiert von der höheren Leistungsdichte und dem schnelleren Schalten der Leistungshalbleiter, denn so sind ein höherer Wirkungsgrad, ein kleinerer Formfaktor und besser Speicherung und Einspeisung realisierbar.

Entwickler können von den Eigenschaften der neuen Oszilloskop-Serie profitieren, wenn es darum geht, am Antriebsstrang von elektrischen Fehrzeugen das Schaltverhalten und das Transistor-Gate-Timing zu überwachen: Es stehen hier acht Kanäle zur Beobachtung von Strom und Spannung beim 3-Phasen-Wechselrichter zur Verfügung. Außerdem können die Geräte dank der großen Aufzeichnungslänge auch langsamere Ereignisse erfassen und es ist eine Spektralanalyse der charakteristischen Motoreigenschaften möglich.

Bei der Leistungsumwandlung im Bereich der erneuerbaren Energien ist besonders die Effizienz wichtig, damit Verluste möglichst klein bleiben. Auch die Power-Integrität sowie Timing und Sequenzen zur Verbesserung der Load-Handling (Lastaufnahme) sind zu berücksichtigen. Mit dem R&S MXO 5 können Entwickler mit den vorhandenen acht Kanälen mehrere Punkte im Schaltkreis, insbesondere für Leistungssequenzen, testen. Durch den digitalen Trigger mit einer Empfindlichkeit von 0,0001 Div erkennen sie Ereignisse zuverlässig. Außerdem steht ihnen zur Analyse des Regelkreisverhaltens eine Bode-Plot-Analyse bis hinunter zu 10mHz zur Verfügung.

Fazit

Das R&S MXO 5 ist ein vielseitiges Messgerät für die tägliche Arbeit von Ingenieurinnen und Ingenieuren und ermöglicht detaillierte Analysen von Elektronik-Designs. Highlights der Serie sind der große Gerätespeicher von standardmäßig 500 MPunkten pro Kanal sowie der 12-Bit-A/D-Wandler mit 18-Bit-HD-Modus und hervorragendem Rauschverhalten. Zudem ermöglichen hardwarebeschleunigte Messungen eine schnelle Datenaufbereitung für statistische Auswertungen.