Oszilloskop-Signal-Erfassungsraten

Wer kennt ihn nicht – den Vorführeffekt? Schaut man jedoch tiefer in die Schaltung und die Signalpfade, so wird man meist feststellen, dass Unregelmäßigkeiten für derartiges Fehlverhalten der Module und Geräte verantwortlich ist. Es stellt sich die Frage: „Wie wird man dieser sporadisch auftretenden Signalfehler Herr?“ bzw. „Wie können diese Fehler aufgespürt werden?“ Gerade in digitalen Schaltungen können derartige Störer zu fatalen Fehlfunktionen führen. Auslöser dafür können sein: Übersprechen, ein zu enges Timing Design, ein hoher Jitter, beispielsweise ausgelöst durch zu hohes Rauschen oder Übersprechen von parallel verlaufenden Signalleitungen, zu hohe kapazitive oder fan-out Belastungen digitaler Signalausgänge, die zu einer Verlängerung der Anstiegs- oder Abfallzeit und damit zu „schleichenden“ Schaltschwellen führen.

In früheren Jahren konnten nur mit Oszilloskopen, die über einen speziellen Bildschirm mit entsprechender Nachleuchtdauer (persistence) verfügten, derartige Signalaussetzer festgestellt werden. Nur ein Zeitbezug zu anderen Signalen ließ sich nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand aufzeigen.

Digital-Oszilloskope bieten hier einen Vorteil und erleichtern die Lösung derartiger Fragestellungen erheblich. Dabei ist die richtige Auswahl des Oszilloskopes wichtig. Eine hohe Speichertiefe, eine kurze Totzeit bzw. eine hohe Signal-Erfassungsrate und die Aktualisierung der Anzeige sind neben den klassischen Auswahlkriterien wie Bandbreite, Abtastrate, Kanalzahl usw. die wesentlichen Charakteristika. Dem Oszilloskop kommt daher beim Erfassen von zufälligen und indifferenten Ereignissen besondere Bedeutung zu. Zudem müssen diese Ereignisse in einem zeitlichen Bezug zu anderen aufgenommenen Signalen stehen, um eine zielsichere Analyse der Fehlerursache vornehmen zu können.

In diesem Zusammenhang ist es wichtig, dass bei den MSOs (Mixed Signal Oszilloskop) nicht nur die Aktualisierungsrate der aufgenommenen Signale im Oszilloskop-Modus von derzeit 106 (1 Mio.) Signalformen pro Sekunde erfolgt, sondern auch in der Darstellung „Digital-Modus“ und/oder im Modus zur „Seriellen Bus-Decodierung“ eine hohe Aktualisierungsrate erreicht wird. Gerade hier setzt Agilent mit der InfiniiVision-Serie Maßstäbe.

Wenn man in neuen Designs Fehler sucht, sind Signalform und Signal-Decodierungs-Update-Raten wichtig – speziell, wenn man versucht, seltene Signal-Fehler oder -Aussetzer zu finden. Dies sind typischerweise die schwierigsten Probleme, die es zu lösen gilt. Schnelle Signal- und Daten-Update-Raten erhöhen die Möglichkeit des Scopes, schwer zu erfassende Signal-Ereignisse sichtbar zu machen. Dazu ist es Voraussetzung zu wissen, was die „blind-time“ (Blind-Zeit oder auch „dead-time“ – Tot-Zeit) eines Oszilloskops ist.

Die Totzeit

Alle Oszilloskope haben eine Tot-Zeit (Bild 2). Dies ist die Zeit zwischen der Darstellung des zuvor aufgenommenen Signalverlaufes und einer erneuten Signalerfassung sowie ihrer Darstellung auf dem Bildschirm. Während dieser beiden Darstellungen ist das Oszilloskop blind und kann Signal-Änderungen und Signal-Anomalien nicht darstellen. Die in Bild 2 im roten Kreis dargestellten Signalspitzen werden nicht dargestellt und werden dem Betrachter vorenthalten. Ist die Update-Rate des Oszilloskops bekannt, dann kann die prozentuale Tot-Zeit einfach errechnet werden. Sie berechnet sich zu:

DT%  = 100 % x (1/U – W) x U

mit DT% = Tot-Zeit in % und U = Update-Rate des Scopes

DT% = 100 % x (1 – UW)

mit W = Zeitspanne im Anzeigefenster (Window).

Die prozentuale Tot-Zeit eines Oszilloskops basiert auf der Akquisitions-Zyklus-Zeit abzüglich der im Display dargestellten Zeitspanne, dividiert durch die Akquisitions-Zyklus-Zeit des Scopes. Die Akquisitions-Zyklus-Zeit ist der reziproke Wert der Signal-Update-Rate, die jeweils für die einzelnen Scope-Einstellparameter (Zeitbasis/Modus) gemessen werden muss (siehe unten).

Dass die Tot-Zeit oft erheblich länger ist als die angezeigte Zeitspanne, wird meist von den anderen Herstellern verschwiegen. Dies gilt auch für Oszilloskope, die eine hohe Aktualisierungsrate (Update-Rate) aufweisen. Dies legt den Verdacht nahe, dass der Nachweis von seltenen und schwer erfassbaren Ereignissen einem Zufalls-Treffer von unterschiedlichen, am Oszilloskop eingestellten Messparametern gleicht.

Über die Wahrscheinlichkeit, ein Störsignal zu „erwischen“

Bei einem Scope soll S das Verhältnis des durchschnittlichen Auftretens eines Signal-Ereignisses, relativ zu der angezeigten Display-Zeitspanne sein. Wenn nun eine Störstelle alle 10 ms erscheint (also 100 mal pro Sekunde) und die Oszilloskopzeitbasis auf 20 ns/div eingestellt ist, dann ist die auf dem Bildschirm dargestellte Zeitspanne 200 ns. Damit ergibt sich S zu:

S = 10 ms/ 200 ns = 50.000

Dieses eine Stör-Ereignis in der Anzeige zu sehen, bedeutet: 1 Ereignis aus 50.000 Ereignissen, die einem Erfassungszyklus entsprechen, aufzufinden. Oder umgekehrt, das Stör-Ereignis nicht zu finden, bedeutet: 49.999 Ereignisse von 50.000 Ereignissen vergebens zu beobachten. Um nun den Störer doch sichtbar zu machen, ist es notwendig, die Beobachtungszeit zu verlängern bzw. die Anzahl der Erfassungszyklen – also das Messen des Signals bzw. die Erfassungsrate – deutlich zu erhöhen.

Es sei T die Beobachtungszeit, W die auf dem Oszilloskop darstellbare, durch die Zeitbasis sichtbare Zeitspanne. Damit errechnet sich die Wahrscheinlichkeit PT, ein anomales Signal darzustellen, zu:

PT = 100 % x [1 – (1 – R x W)(U x T)]

PT = Wahrscheinlichkeit, eine Anomalie innerhalb T zu entdecken; T = Beobachtungszeit; U = Update-Rate des Scopes bei den Parameter-Einstellungen; R = Rate des Erscheinens der Anomalie; W = angezeigte Zeitspanne = Zeitbasis x Anzahl der horizontalen Einheiten.

Ein Beispiel – Eine Gegenüberstellung

Es sollen zwei Oszilloskope mit einer Bandbreite von 500 MHz unterschiedlicher Hersteller gegenübergestellt werden. Für diesen Versuch wurde ein IC verwendet, das einen zufälligen metastabilen Fehler zeigt, der etwa fünfmal pro Sekunde (entspricht R in obiger Formel zur Berechnung von PT) auftritt. Der Störimpuls des ICs hat eine Dauer von ca. 5 bis 15 ns. Die optimale Einstellung für die Zeitbasis des Oszilloskops beträgt daher 10 ns/div (entspricht einem dargestellten Zeitfenster W von 100 ns = 10 ns/div x 10 div). Bei jedem Scope wurde mit der Grundeinstellung (default setup) der Einstellparameter begonnen. Bei beiden Scopes waren keine zusätzlichen Funktionen wie Messfunktionen, Signal-Mathematik, serielle Bus-Analyse oder Digital-Signal-Analyse eingeschaltet, um die maximale Aktualisierungsrate des Scopes zu erhalten. Bei den Oszilloskopen wurde eine 5 s andauernde Nachleuchtzeit (entspricht der Beobachtungszeit T in obiger Formel zur Berechnung der Wahrscheinlichkeit PT)  eingestellt, die die optimale Aktualisierungsrate nicht beeinträchtigt. Bei den Oszilloskopen wurden die Trigger-Grundeinstellungen beibehalten und der Trigger-Level auf +1,4 V gesetzt. Mit diesen Voraussetzungen sollten die Fehler im Zentrum des Displays sichtbar werden. Die Wahrscheinlichkeit, die Störstellen innerhalb der 5 s Beobachtungszeit zu erkennen, wurde als eine angemessene Zeitspanne erachtet.

In Bild 3 sieht man das Ergebnis für Agilents InfiniiVision-Oszilloskop der 3000 X-Serie. Mehrere dieser Störimpulse sind in der Bildmitte innerhalb der 5 s Beobachtungszeit sichtbar. Das Oszilloskop hat eine Update-Rate U (bei den zuvor genannten Einstellungen) von 106/s. Für dieses Agilent-Oszilloskop berechnet sich die prozentuale Tot-Zeit zu:

DT% = 100% x (1 – UW) = 100 % x (1 – 106 1/s x 100 ns) = 90 %,

wobei bei diesem Scope mit der Einstellung von 10 ns/div die prozentuale Tot-Zeit von 90 % sehr lang erscheint, die Wahrscheinlichkeit, das Ereignis bei einer Beobachtungszeit von 5 s zu finden, mit:

PT = 100 % x [1 – (1 – R x W)(U x T)]

P(5 s) = 100 % x [1 – (1 – 5/s x 100 ns)(1000000/s x 5 s)] = 91,8 %

als sehr hoch anzusehen ist.

Untersucht man nun die Werte für das Tektronix-Modell aus der DPO3000-Serie, stellt man fest, dass die Ergebnisse im Vergleich zu dem Agilent-Modell sehr unterschiedlich sind. Wie in Bild 4 zu sehen, kann beim Tektronix-Modell kein Störimpuls entdeckt werden. Aber warum? Die Aktualisierungsrate für dieses Scope wird angegeben mit maximal 55.000 Updates/s. Bei 10 ns/div beträgt die Aktualisierungsrate allerdings nur noch 2600 Updates/s. Berechnet man für dieses Oszilloskop die beiden Werte „prozentuale Tot-Zeit“ und die Wahrscheinlichkeit, die Ereignisse zu entdecken, ergeben sich folgende Werte

DT% = 100% x (1–UW) = 100% x (1 – 2600/s x 100 ns) = 99,97 %

und die Wahrscheinlichkeit zu

PT = 100 % x  [1 – (1 – R x W)(U x T)]

P(5 s) = 100 % x [1 – (1 – 5/s x 100 ns)(2600/s x 5 s)] = 0,65 %.

Zusammenstellung der Ergebnisse

Agilent InfiniiVision 3000 X: Prozentuale Tot-Zeit DT% 90 %, Wahrscheinlichkeit PT(5 s) 91,8 %. Tektronix DPO/MSO3000: Prozentuale Tot-Zeit DT% 99,97 %, Wahrscheinlichkeit PT(5 s) 0,65 %.Zur Gegenüberstellung die beiden Zahlengleichungen für die Oszilloskope, um die Bedeutung der Signal-Erfassungsrate herauszustellen:

Agilent: P(5 s) = 100 % x [1 – (1 – 5/s x 100 ns)(1000000/s * 5 s)] = 91,8 %

Tektronix: P(5 s) = 100 % x [1 – (1 – 5/s x 100 ns)(2600/s * 5 s)]  = 0,65 %

 Beide Formeln unterscheiden sich nur in der Aktualisierungsrate! Ein Exponenten-Vergleich zeigt auf, wie hoch die Beobachtungszeit gewählt werden müsste, um mit dem Tektronix-Modell den gleichen Wahrscheinlichkeitswert P zu erhalten:

106 x 5 s  (Agilent-Modell) = 2600 x t (Tektronix-Modell)

Dieser Vergleich zeigt auf, dass die Beobachtungszeit auf t = 32 Minuten verlängert werden müsste, um ein Bildschirm-Ergebnis wie bei dem Agilent-Oszilloskop zu erhalten!

Der Trick: Bestimmung der aktuellen Signal-Erfassungsrate

In den wenigsten Oszilloskop-Spezifikationen der Hersteller steht die Signal-Erfassungsrate für die einzelnen Messparameter-Werte. Typischerweise wird nur der Bestwert angegeben – eine trügerische Sicherheit! Im Einzelfall muss die Erfassungsrate selbst bestimmt werden, um dann mit den beiden angegebenen Formeln die prozentuale Tot-Zeit und die Wahrscheinlichkeit zur Erfassung eines Fehlers abschätzen zu können.

Der wichtigste Einflussfaktor für die aktuelle Signal-Erfassungsrate ist die eingestellte Zeitbasis am Oszilloskop. Eine Zeitbasiseinstellung von 5 ns/div und 10 div für das Zeitfenster ergeben eine Beobachtungszeit von 50 ns, was zu einer theoretischen maximalen Erfassungsrate von 1/50 ns = 20 x 106 1/s Erfassungen führen würde. Dabei wäre aber die Tot-Zeit gleich Null, was technisch nicht sein kann. Wenn es also für die Messaufgabe wichtig ist, die genaue aktuelle Signal-Erfassungsrate zu kennen, dann muss sie gemessen werden. Die Messung der Signal-Erfassungsrate ist recht einfach. Typischerweise hat jedes Oszilloskop einen Trigger-Ausgang, um andere Messgeräte zu synchronisieren. Die Trigger-Ausgangs-Frequenz kann mit einem Zähler gemessen werden. Der reziproke Wert ist dann die aktuelle Signal-Erfassungsrate.

Die Tabelle 1 zeigt Signal-Erfassungsraten für unterschiedliche Oszilloskope unterschiedlicher Hersteller. Die Oszilloskope liegen jeweils im gleichen Preisbereich und haben jeweils 500 MHz Bandbreite. Die Messkonditionen gehen von den „default setup“-Einstellungen des jeweiligen Oszilloskops aus und es ist nur ein Kanal aktiv. Außerdem ist die Speichertiefe bei jeder Zeitbasiseinstellung optimiert, indem der minimal verfügbare Abtastspeicher aktiv ist. Dadurch wird die jeweils maximale verfügbare Abtastrate genutzt. Die Messwerte in der Tabelle sind für optimale Signal-Erfassungsraten dargestellt, da nur der analoge Signal-Erfassungsmodus genutzt wurde. Werden zusätzliche Funktionen eingeschaltet wie z. B. Amplituden-Messung, Spitzenwerterfassung, Signalfrequenz-Messung, Signalmathematik, MSO-Modus  oder die Mess-Speichertiefe vergrößert, so kann die aktuelle Signal-Erfassungsrate deutlich sinken.

(jj)