Mixed-Signal-Tests mit modularen PC-Instrumenten

Bild 1: Das Blockdiagramm eines PLL-basierten Fractional-N-Frequenzsynthesizers zur Takterzeugung. Es handelt sich in erster Linie um eine analoge Schaltung, die aber digitale Steuerelemente mit einer serielle Datenschnittstelle beinhaltet. Spectrum Instrumentation

Analoge Messungen, mit einer möglichst hohen Amplitudenauflösung, erfassen die physikalischen Eigenschaften der untersuchten Signale, wie Amplitude, Übergangszeiten, Rauschen und Frequenzstabilität. Die digitalen Messungen, bei denen die Amplitude nur zwischen logisch 0 und logisch 1 variiert, sind nötig, um den Dateninhalt und die Protokollstruktur zu prüfen und zu bewerten.

Die Elektronikwelt wird zunehmend digitaler. Neben ganz offensichtlich gemischten Signalschaltungen wie Analog-Digital-Wandlern (ADCs) und Digital-Analog-Wandlern (DACs) gibt es auch Field-Programmable-Gate-Arrays (FPGAs) und Phasenregelkreise (PLLs), für die analoge und digitale Messungen gleichzeitig durchgeführt werden müssen. Diese Systeme arbeiten typischerweise mit höheren Frequenzen und erfordern daher Messinstrumente mit großer Bandbreite.

Ein Mixed-Signal-Digitizer bietet viele Vorteile beim Testen heutiger elektronischer Komponenten und Systeme, da jedes Signal gleichzeitig im analogen und im digitalen Bereich anzeigbar ist. Die Erfassung ist dabei komplett synchron, was für das Auffinden von Fehlern und Störungen sehr wichtig ist. Die Diagnose wird auch dadurch unterstützt, dass sich entweder analoge oder digitale Quellen auslösen lassen. Eine Reihe von Mess- und Analysewerkzeugen ergänzen die verschiedenen Akquisitionsmöglichkeiten, um sowohl die analogen als auch digitalen Daten zu verarbeiten.

Test eines PLL-Frequenzsynthesizers

Als erstes Beispiel wird ein PLL-basierter Frequenzsynthesizer mit gebrochenem Teilverhältnis (fractional-N) getestet, der für die Taktgenerierung zum Einsatz kommt. Sein Blockdiagramm ist in Bild 1 zu sehen. Dies ist im Grunde eine analoge Schaltung, die durch den Inhalt digitaler Register gesteuert wird. Sie bietet auch die Möglichkeit, eine interne digitale PLL zum Erstellen eines Hybridsynthesizers zu verwenden. Der Dateninhalt des Registers wird über eine digitale serielle Schnittstelle eingegeben, in diesem Fall eine inter-integrierte Schaltung oder I²C. Zusätzlich bietet der Hilfsausgang Zugriff auf andere digitale Signale wie die PLL-Lock-Anzeige. Um diesen Frequenzsynthesizer zu testen, sind Messinstrumente mit analogen und digitalen Eingängen von großem Vorteil.

Spectrum Instrumentation hat seine bestehende M4i.44xx-Serie, die aus acht verschiedenen Breitband-PCIe-Digitizerkarten besteht, um eine 8-Bit-Digitaleingangsoption (DigSMA) erweitert. Die Kombination aus Digitizer und Zusatzmodul ist in Bild 2 zu sehen. Mit einer solchen Digitizerkarte plus Zusatzmodul wird ein PC zu einem schnellen und leistungsstarken Mixed-Signal-Messinstrument. Diese Digitizer verwenden eine 8-fache Gen2-PCIe-Schnittstelle, so dass Daten mit einer Geschwindigkeit von bis zu 3,4 GB/s zum und vom PC übertragbar sind. Das ist ideal für Anwendungen, bei denen automatisierte Tests mit gemischten Signalen so zügig wie möglich durchzuführen sind.

Die M4i.44xx-Serie im Überblick

Die M4i.44xx-Serie umfasst acht verschiedene Modelle mit zwei oder vier analogen Kanälen, die jeweils eine Abtastrate von 250 MS/s bei 16-Bit-Auflösung bzw. 500 MS/s bei 14-Bit-Auflösung bieten. Die analoge Bandbreite der Digitizer liegt je nach ausgewähltem Modell zwischen 125 und 250 MHz. Beispielsweise verfügt die gezeigte Karte M4i.4451-x8 über vier analoge Eingänge mit jeweils 14-Bit-Amplitudenauflösung und einer analogen Bandbreite von 250 MHz bei einer Abtastrate von 500 MS/s.

Die digitale Eingangsoption M4i.44xx-DigSMA verwendet für die digitalen Eingänge eine zusätzliche PCIe-Frontplatte mit acht SMA-Anschlüssen, wofür ein zusätzlicher PCIe-Steckplatz erforderlich ist. Die digitalen Eingänge sind vielseitig einsetzbar. Jeder Eingang hat eine Impedanz von 10 kΩ (bis 3,3 V). Dadurch können die Eingänge 3,3-V-LVTTL-Signale mit Eingangsspannungspegeln zwischen -0,5 V und +4,0 V verarbeiten. Die digitale Eingangsbandbreite beträgt 125 MHz, und die Softwareauswahl ermöglicht sowohl synchrone als auch asynchrone Erfassungsmodi. Für die erfassten digitalen und analogen Daten steht ein Onboard-Speicher mit 2 GS zur Verfügung. Der Digitizer verfügt außerdem über eine Vielzahl von speichereffizienten Auslesemodi, einschließlich mehrfacher (segmentierter) Erfassung, Gated-Sampling und FIFO-Streaming.

Für Anwendungen, die eine höhere Anzahl an analogen und digitalen Eingängen erfordern, kann das Star-Hub-Zusatzmodul zum Einsatz kommen. Mit einem Star-Hub-Modul lassen sich bis zu acht Karten miteinander verbinden, die dann völlig synchron mit gemeinsamen Takt und Trigger benutzt werden können. Ein Beispiel: Mit drei M4i.4451-x8-Digitizerkarten, zwei davon mit der digitalen Option DigSMA und eine mit der Star-Hub-Option, ist ein System mit zwölf analogen und 16 digitalen Kanälen realisierbar. Die Erweiterbarkeit ist ein wesentlicher Vorteil modularer Systeme.

Diese Digitizerfamilie ist eine gute Wahl, um die analogen HF-Signale des untersuchten Synthesizers zu messen und gleichzeitig die zugehörigen digitalen Signale zu erfassen.

Testen des seriellen I²C-Busses

Bild 3: Die Unterschiede zwischen der analogen und der digitalen Version eines I2C-Datensignals. Die digitale Version zeigt die logischen Zustände 0 und 1 im Zeitverlauf, während die analoge Version mit größerer Amplitudenauflösung Details wie Übergangszeiten und Rauschen anzeigt. Spectrum Instrumentation

Der I²C-Bus ist ein serieller Kommunikationsbus mit relativ niedriger Geschwindigkeit. Die Busgeschwindigkeiten betragen 100 kbit/s für den Standardmodus, 400 kbit/s im Full-Speed-Modus, 1 Mbit/s für den schnellen Modus und 3,2 Mbit/s im High-Speed-Modus. Dies sind die maximalen Taktspezifikationen für jeden Modus. Beim Testen des physikalischen I²C-Signals werden Signalamplituden, Datenraten und Übergangszeiten untersucht. Möglicherweise sind auch Rauschen, Amplituden und Frequenzstabilität zu bewerten. Analoge Messungen behandeln diese Parameter, indem sie die Signalamplituden im zeitlichen Verlauf mit möglichst großer Amplitudenauflösung untersuchen. Bei digitalen Messungen werden dagegen die Datenzustände im zeitlichen Verlauf betrachtet. Jede digitale Spur stellt ein einzelnes Bit dar, das mit der digitalen Abtastrate abgetastet und untersucht wird. Die Amplitude variiert grundsätzlich nur von logisch 0 bis logisch 1, je nachdem, ob sie niedriger oder höher ist als der voreingestellte logische Schwellenwert. Digitale Wellenformen befassen sich mit der Sicherstellung des Dateninhalts und der Überprüfung der richtigen Protokollstruktur. Beim Vergleich analoger und digitaler Messungen lassen sich die Unterschiede leicht erkennen (Bild 3).

Die analogen und digitalen Versionen des I²C-Datensignals werden mit der Software SBench6 von Spectrum Instrumentation verglichen. SBench 6 ist ein sehr praktisches Werkzeug, um den Digitizer komplett zu steuern und die Messdaten zu erfassen und zu analysieren. Alternativ lässt sich der Digitizer auch direkt vom Benutzer steuern. Softwaretreiber ermöglichen benutzerdefinierte Setups, mit denen perfekt passende Mixed-Mode-Lösungen generierbar sind. Ein Software Development Kit (SDK) unterstützt die Digitizerkarte und die digitale Option und umfasst die Programmierung mit C++, C#, VB.NET, Python, JAVA, LabVIEW oder MATLAB. Das SDK ist standardmäßig im Lieferumfang enthalten.

Vergleich des analogen und digitalen I²C-Datensignals

Die analoge Version des I²C-Datensignals ist in Bild 3 im oberen linken Raster zu sehen. Darunter befindet sich die digitale Version desselben Signals, bei der nur der digitale Zustand 1 oder 0 anzeigt wird. Dieselben Signale sind in den Rastern rechts daneben horizontal gezoomt worden. Beim Vergleich zwischen dem analogen und dem digitalen Signal im mittleren Raster ist erkennbar, das im analogen Signal (oberes Raster) ein Rauschen zu sehen ist, welches im digitalen Signal (unteres Raster) fehlt. Die analoge Signalerfassung basiert auf einer Amplitudenauflösung von 14 Bit, während die digitale Darstellung im Grunde nur den digitalen Zustand 1 oder 0 anzeigt. In den Rastern ganz rechts ist außerdem zu sehen, dass das analoge Signal eine Anstiegsflanke hat, während das digitale Signal einen sofortigen Übergang zwischen den logischen Zuständen aufweist, da es eben nur ein einziges Bit Auflösung besitzt.

Die digitale Version wird zur Auswertung des Datenzustands verwendet und lässt sich zur Bereitstellung des Protokollinhalts dekodieren. Die analoge Erfassung liefert die vollständigen Details der Wellenform. Um eine einwandfreie Phasensynchronisation der analogen und digitalen Signale zu garantieren, werden vom Digitizer die digitalen Ein-Bit-Signale in die höherwertigen Bits der analogen Wellenformen platziert. Wenn beispielsweise ein 16-Bit-Digitizer M4i.4421-x8 mit Digitalmodul auf allen vier analogen und acht digitalen Kanälen Daten erfasst, wird die Auflösung der analogen Kanäle von 16 Bit auf 14 Bit verringert, um zusätzlich je zwei der digitalen Signale zu transportieren.

Automatische Messungen mit SBench 6

Bild 4: Die beiden Anzeigeformate für digitale Wellenformen: Die Busansicht im oberen Raster und die Linien- bzw. Leiteransicht im unteren Raster für dasselbe Signal. Buswertanzeigen können binär, hexadezimal, oktal, vorzeichenbehaftet oder vorzeichenlos dezimal erfolgen. Spectrum Instrumentation

Die SBench-6-Software kann automatische Messungen für die gängigsten Signalparameter durchführen, einschließlich Frequenz, Arbeitszyklus, Impulsbreite, Amplitude, Effektivwert, Anstiegszeit, Abfallzeit und vieles mehr. Die Zyklus-Zeitparameter wie Frequenz, Impulsbreite und Arbeitszyklus lassen sich aus der digitalen Wellenform ermitteln. Alle weiteren Parameter, einschließlich der amplitudenbezogenen Parameter wie Amplitudenwert, Anstiegszeit, Abfallzeit und Effektivwert sowie zyklusbasierte Parameter, müssen an der analogen Wellenform gemessen werden. Die Anstiegszeit des analogen Signals wird in Bild 3 im oberen rechten Raster ermittelt (Bereich zwischen roter und blauer Hilfslinie).

Digitale Informationen lassen sich in SBench 6 auf zwei Arten anzeigen. Die digitalen Wellenformen können einzeln in einer Linienansicht dargestellt werden (manchmal auch als „Leiter-Anzeige“ bezeichnet) oder gebündelt als Busansicht. Beispiele für beide Ansichten zeigt Bild 4.

Die digitalen Signale lassen sich einzeln als Linien bzw. Leitern darstellen, wie im unteren Raster zu sehen. Sie sind aber auch zu einer Gruppen- oder Busansicht kombinierbar, wie im oberen Raster gezeigt. Die Busansicht wird in einer erweiterten Darstellung mit Anmerkungen versehen, um den Buszustand anzuzeigen. Dabei lässt sich das Bus-Wort, welches sich aus den einzelnen Signalen ergibt, auf verschiedene Arten anzeigen: Binär (wie im unteren Signal gezeigt), Hexadezimal (wie im oberen Signal zu sehen), Oktal sowie vorzeichenbehaftete und vorzeichenlose Dezimalformate.

Analoge Kanäle

Bild 5: Erfassung und Messung eines 50 MHz-Takts vom Frequenzsynthesizer zusammen mit der FFT des Taktsignals, die die signifikanten harmonischen Oberwellen zeigt. Spectrum Instrumentation

Die Digitizer der 44er-Serie bieten auf ihren zwei oder vier analogen Kanälen eine modellabhängige Bandbreite von 125 bis 250 MHz. Es ist wichtig, die Messbandbreite im Auge zu behalten, denn der untersuchte Synthesizer besitzt einen Rechteckwellenausgang. Wenn die Frequenz auf 50 MHz eingestellt ist, erfordern amplitudenabhängige Messungen wie Anstiegs- oder Abfallzeit, dass die Bandbreite groß genug ist, um die harmonischen Oberwellen des Signals zu erfassen. Gegenwärtig ist es üblich, bis zur fünften Harmonischen zu messen. Für ein Rechtecksignal mit 50 MHz ist daher eine Messbandbreite von 250 MHz erforderlich. Bild 5 zeigt die Erfassung und Messung des 50 MHz-Rechteckausgangs mit der Software SBench 6.

Das obere Raster zeigt eine Zoomansicht des 50 MHz-Takts. Das untere Gitter enthält die schnelle Fourier-Transformation (FFT) des Taktsignals. Die FFT zeigt die Frequenzansicht, mit der grundlegenden Spektralkomponente bei 50 MHz sowie der dritten harmonischen Oberwelle bei 150 MHz und der fünften Harmonischen bei 250 MHz.

Die harmonischen Oberwellen tragen einen erheblichen Teil zur Signalform bei. Ohne ausreichende Messbandbreite wäre die Wellenform verzerrt dargestellt worden. Da der Digitizer eine ausreichende Bandbreite für den 50 MHz-Takt aufweist, können Messungen wie gezeigt durchgeführt werden. Das Informationsfenster links zeigt die Werte für Anstiegszeit, Frequenz, Abfallzeit, effektive Spannung (RMS) und Arbeitszyklus des Taktsignals. Die Frequenzmessung wird erweitert dargestellt, um auch Maximum, Minimum und Standardabweichung anzuzeigen. Messwerte werden auch für die FFT geliefert: Die Spitzenamplitude der Grundfrequenz beträgt -10,539 Dezibel unter dem vollen Maßstab (dBFS).

Kombination mit digitalen Steuersignalen

Bild 6: Durch gleichzeitiges Anzeigen der Wellenformen für den analogen Eingang (oben), den analogen Ausgangs (Mitte) und das digitale Anzeigesignal "entkoppelt" (unten) kann die Ursache für den entsperrten Zustand der PLL ermittelt werden. Spectrum Instrumentation

Es gibt eine Reihe von Mixed-Mode-Messungen, bei denen analoge Ein- und Ausgangssignale und digitale Steuersignale gleichzeitig zu erfassen sind. Ein Bespiel ist eine PLL. Durch Kombinieren der analogen Eingangs- und Ausgangssignale mit dem digitalen Signal lässt sich die Ursache für den Zustand unlocked/entkoppelt identifizieren. Dies ist in Bild 6 dargestellt.

Das digitale Statussignal „entkoppelt“ zeigt an, dass der PLL-Eingang und -Ausgang nicht mehr phasenverriegelt sind. Durch Messen des Statussignals zusammen mit den analogen Ein- und Ausgangssignalen wird die Ursache dafür sichtbar: Es gibt eine abrupte Phasenverschiebung im Eingangssignal. Dies erfordert, dass sich die PLL an die Änderung der Eingangsphase anpasst, und die Kopplung geht dabei verloren. Der Resynchronisationsprozess dauert ca. 4 µs. Während dieser Zeit befindet sich das Signal „unlocked“ im High-Status.

Andere gemischte Signalmessungen

Bild 7: Die vier digitalen Adressleitungen im oberen Raster bestimmen, welcher Eingang mit dem Ausgang verbunden wird. Das Ausgangssignal befindet sich im mittleren Raster. Die FFT des Ausgangssignals zeigt, dass es acht verschiedene Eingangsfrequenzen von 1 bis 8 MHz gibt. Spectrum Instrumentation

Ein anderes übliches gemischtes Signalgerät ist der analoge Multiplexer (MUX) oder HF-Schalter. Der MUX hat mehrere Eingänge und einen gemeinsamen Ausgang. Parallele digitale Adressleitungen oder eine serielle Datenschnittstelle adressieren den MUX und senden den ausgewählten Eingang an den Ausgang. Bild 7 zeigt ein Beispiel für einen 16-Kanal-MUX. Es gibt 16 Eingänge, die basierend auf dem Status eines Vier-Bit-Parallelbusses ausgewählt werden.

Das obere Raster enthält ein Leiterdiagramm, das die vier digitalen Adressleitungen S0 bis S3 zeigt. Das niederwertigste Bit wechselt alle 12,5 µs seinen Zustand und erzeugt somit 16 Einzelzustände über einen Messzeitraum von 200 µs. Jeder der 16 Binärzustand von 0000 bis 1111 wählt einen der 16 Eingänge aus. An den Eingängen 1 bis 8 liegen Sinuswellen mit Frequenzen von 1 bis 8 MHz an. An den Eingängen 9 bis 16 liegen ebenfalls Sinuswellen an, jedoch mit Frequenzen, die von 8 MHz auf 1 MHz abfallen. Die digitalen Signale sind perfekt synchronisiert und auf die analogen Signale abgestimmt, wodurch die Übergangspunkte auf den analogen Wellenformen markiert und identifizierbar sind.

Bild 8: Ein Mixed-Signal-Digitizer kann sowohl die digitalen Eingänge (linkes Raster) als auch den Ausgang (rechtes Raster) eines 8-Bit-Offset-DAC anzeigen. Spectrum Instrumentation

Das untere Raster ist die FFT-Analyse des Ausgangssignals und zeigt die acht Frequenzkomponenten der 16 Kanäle. Die Spektrallinien sind dabei extrem breit, weil die Signalsegmente abgeschnitten werden. Das letzte Beispiel zeigt einen 8 Bit Digital-Analog-Wandler (DAC), der zur Bereitstellung eines programmierbaren DC-Offsets verwendet wird, siehe Bild 8. Die Möglichkeit, sowohl die acht digitalen Eingänge als auch den analogen Ausgang zu sehen, bietet eine wichtige Hilfe bei der Fehlersuche, weil beobachtete Anomalien am Ausgang zum digitalen Eingangsbit zurückverfolgbar sind.

(na)