Autor: Boris Adlung, RIGOL Technologies Europe
Bei der Ausstattung eines Entwicklungslabors stellt sich neben der klassischen Frage, ob ein Spektrumanalysator oder ein Oszilloskop angeschafft und im Entwicklungsprojekt eingesetzt werden soll, häufig die Frage nach dem geeigneten Testequipment. Einerseits ist eine Analyse im Zeitbereich essentiell, da sie für viele Aufgaben notwendig ist. Allerdings liegen die gewünschte Frequenz und Bandbreite oft in einem so hohen Bereich, dass ein herkömmliches Oszilloskop allein nicht ausreicht. Andererseits können die Signalkomponenten und die Antwort einiger Komponenten nur im Frequenzbereich wirklich visualisiert werden. Der Nachteil dabei ist, dass die Elementaranalyse im Zeitbereich nur bis zu einem bestimmten Punkt durchgeführt werden kann. Viele Entwicklungsingenieure lösen dieses Dilemma, indem sie beide Geräte kaufen, was mehr Platz benötigt und die Kosten erhöht. Zum einen ist es wesentlich schwieriger, die oft zwingend notwendige Synchronisation der Messergebnisse beider Messgeräte zu bewerkstelligen, um zu einem bestimmten Zeitpunkt Messungen im Zeit- und Frequenzbereich zu erhalten.
Das neue Hochleistungsoszilloskop der DS70000-Serie von RIGOL bietet eine optimale Lösung für verschiedene Anwendungen, insbesondere für Forschung und Entwicklung. Diese Serie stellt das erste Gerät der StationMax-Serie dar und ist in zwei Versionen mit vier analogen Kanälen und Bandbreiten bis 3 GHz oder bis 5 GHz erhältlich, 5 GHz Bandbreite kann mit maximal zwei Kanälen und bei allen vier Kanälen erreicht werden verwendet werden, stehen weiterhin 4 GHz Bandbreite mit einer maximalen Abtastrate von 10 GS/s und einer Speichertiefe von 1 Gpts pro Kanal zur Verfügung. Diese Geräteklasse basiert auf der neu verbesserten UltraVision III-Plattform, die den von RIGOL selbst entwickelten und erweiterten ASIC-Chipsatz enthält, der eine Echtzeit-Abtastrate von bis zu 20 GS/s ermöglicht. Mit diesem Gerät ist es möglich, bis zu 2 Millionen Signalrahmen zu speichern und für eine detailliertere Analyse zu reproduzieren.
Der im Oszilloskop eingebaute ASIC-Chipsatz besteht aus zwei Chips. Das Beta-Phoenics wird als ein analoges Frontend pro Kanal installiert und kombiniert verschiedene Eigenschaften wie hochstabile Bandbreite, lineare Verstärkung und Implementierung von 1 MΩ (bis zu 500 MHz) und 50 Ω Eingangsimpedanzen. Zusätzlich enthält dieser Chip einen sehr schnellen Überspannungsschutz, der im µs-Bereich reagiert. Der zweite ASIC ist vor dem A/D-Wandler (ADC) eingebaut und enthält unter anderem einen digitalen Signalprozessor (DSP). Hauptaufgabe ist die Signalverarbeitung im Oszilloskop und die schnelle Digitalisierung der unterschiedlichen Signalwege sowie die Stabilisierung der Signalamplitude, um beispielsweise einen möglichst hohen Signal-Rausch-Abstand zu erreichen. Hard- und Software des DS70000 sind so ausgelegt, dass sie in Zukunft mit zusätzlichen Funktionen versehen werden können; B. Schnittstellen für spätere TDR-Messungen oder die bereits in diesem Gerät verbaute Highspeed-SFP+-Schnittstelle. Auch der interne Speicher und die Prozessoren sind so ausgelegt, dass dieses Gerät beispielsweise um weitere, noch in der Entwicklung befindliche Dekodierungsfunktionen erweitert werden kann. Die Bildschirmfläche, bestehend aus einem 15,6-Zoll-Touchscreen und einem 3,5-Zoll-Bedienbildschirm, lässt sich bei Bedarf mit einem automatisch einstellbaren Neigungswinkel in die gewünschte Position verschieben. Der Hauptbildschirm kann in mehrere Bildschirme unterteilt werden, wenn verschiedene Funktionen gleichzeitig ausgeführt werden müssen. Die Ergebnisse der jeweiligen Messungen werden seitlich angezeigt, so dass dies die Anzeige der Messung nicht beeinflusst.
Die neue UltraVision III-Plattform bietet einen sehr tiefen Speicher von bis zu 2 Gigapunkten. So kann beispielsweise bei einer Abtastrate von 20 GS/s ein Bereich von 100 ms bis zu einem sehr kleinen Wert mit der Zoomfunktion analysiert werden. Obwohl der Zeitbereich für diese Bandbreite sehr hoch ist, können selbst kleinste Signalanteile mit hoher Genauigkeit bei einer Frequenz von bis zu 5 GHz über die Zeit dargestellt werden, um beispielsweise Störungen oder andere unerwünschte Effekte zu messen (siehe Abbildung 1). Da die Messgeschwindigkeit gerade bei sporadischen Signalen eine wichtige Rolle spielt, kann diese Geräteserie auch zur Messung sporadischer Störungen eingesetzt werden, da das Oszilloskop eine sehr schnelle Triggergeschwindigkeit von 1 Mio. Wellenformen/s erreicht. Dadurch kann die Messzeit zur Erfassung eines solchen Störsignals deutlich reduziert werden. Sporadische Signaländerungen können mit den vielseitigen integrierten Triggeroptionen getriggert und visualisiert werden.
Dieses Gerät bietet auch zwei Arten von FFT, um eine effiziente Spektrumanalyse zu ermöglichen. Eine Variante besteht darin, das Zeitsignal mit bis zu 65.535 Samples zu konvertieren. Die zweithäufigste Variante wendet eine deutlich schnellere FFT-Berechnung mit bis zu 10.000 FFT/s an. Bei dieser Geschwindigkeit kann die Spektrumanalyse in Echtzeit mit all ihren Vorteilen durchgeführt werden. Damit ist das Gerät die optimale Lösung für komplexe Messaufgaben sowohl im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich. Darüber hinaus ermöglicht Ihnen die Echtzeitmessung die Vorteile der Sweep-basierten Spektrumanalyse. Beispielsweise gibt es bei dieser Art der Analyse keine Blindzeiten und es können mehr Signalinformationen gemessen und dargestellt werden. Damit können weitere Tests, wie z. B. eine Leckagemessung, mit oder ohne Persistenz und mit voller Information über das Signal über die eingestellte Bandbreite durchgeführt werden (siehe Abbildung 2). In diesem Sinne kann jedes Signal gleichzeitig zeitlich und frequenzmäßig analysiert werden. Der große 15,6-Zoll-Touchscreen ist teilbar, so dass gleichzeitig verschiedene Messungen durchgeführt und ungewollte Abweichungen jeglicher Art erkannt werden können.
Optional können Sie mit dem Augendiagramm in Echtzeit eine sehr mächtige Funktion zur digitalen Signalanalyse nutzen. Dadurch ist es möglich, sehr schnelle Datenübertragungsgeschwindigkeiten zu messen. Dieser Bitstrom wird synchron mit einigen tausend Frames überlagert, wodurch eine Grafik entsteht, die wie ein Auge aussieht. Je nachdem, wie das Auge horizontal und/oder vertikal geschlossen ist, ist dies ein wichtiges Qualitätskriterium für die Datenübertragung (siehe Abbildung 3).
Das Echtzeit-Augendiagramm eignet sich nicht nur zur Darstellung des gesamten Datenstroms, sondern es können auch verschiedene Testparameter ausgelesen werden. Ein Beispiel ist der Q-Faktor, der anhand eines mathematischen Zusammenhangs Auskunft über die Bitfehlerrate (BER) der Datenübertragung gibt. Hier hingegen werden der Einfluss von Rauschen und die unerwünschten Auswirkungen von Jitter sichtbar. Andererseits sind auch sporadische Effekte sichtbar, wenn beispielsweise der Einfluss eines Transienten kurzzeitig den Signalpegel stark beeinflusst, was durch eine Änderung der Stromversorgung auftreten kann. Diese Darstellung ermöglicht auch die Kenntnis der Bandbreite, die mit der Anstiegszeit des Augendiagramms zusammenhängt. Allerdings ist zu beachten, dass auch die Bandbreite der verwendeten Sonde sichtbar ist. In diesem Fall sollte ein Tastkopf mit entsprechend hoher Bandbreite verwendet werden, wie zB der neue RIGOL-Tastkopf der PVA8000-Serie, um dessen Einfluss auf die Bandbreite und damit auf die Anstiegs- und Abfallzeit des Datensignals zu minimieren. Die oben beschriebene Synchronisation ist ein wichtiger Aspekt, um das gewünschte Datensignal anzuzeigen. Auf dem DS70000 werden verschiedene Arten der Synchronisation angeboten, die je nach Anwendung genutzt werden können; beispielsweise wenn ein Datenstrom mit einer PLL oder mit einer Uhr synchronisiert wird.
Jitter im Datensignal kann auch durch die unerwünschten Auswirkungen von Jitter auf das verwendete Taktsignal beeinflusst werden. Dazu kann die am Oszilloskop bereitgestellte Jitter-Analyse verwendet werden. Eine detaillierte Jitter-Analyse zeigt den Grad des Einflusses von Jitter auf die betroffene Uhr. Nun gilt es herauszufinden, woher dieser Einfluss kommt und welcher Art er ist. Einerseits kann Rauschen asymmetrischen oder zufälligen Jitter verursachen. Dem kann teilweise durch entsprechende Maßnahmen abgeholfen werden. Andererseits kann eine definierte Störung einen symmetrischen oder deterministischen Jitter erzeugen. Sind diese Symmetrie und das Störsignal bekannt, kann der Einfluss auf das Datensignal eliminiert werden. Die Jitter-Analyse mit Trendanzeige und die Verwendung eines Histogramms sowie die Jitter-Darstellung im Frequenzbereich sind geeignete Werkzeuge, um Jitter schnell zu klassifizieren und zu reduzieren. Der Trend spiegelt wieder die Integration von Jitter-Störungen wider. Ist beispielsweise ein Sägezahnverlauf sichtbar, ist klar, dass der Jitter als periodischer Puls variiert und einem symmetrischen Jitter entspricht. Wenn die Histogrammverteilung hinzugefügt wird, ist es möglich, mehr Details des Signals zu sehen. Mit der Kenntnis des Störsignals kann man nun die Uhr designtechnisch entweder abkoppeln oder besser vor dem Störsignal schützen. Neben der Darstellung der Jitterfrequenz kann gleichzeitig die Frequenzdarstellung des Datensignals angezeigt werden, um die Auswirkungen von durch Jitter verursachten Störfrequenzen zu analysieren. Eine detaillierte Darstellung des Jitter-Ergebnisses gibt Aufschluss über den Jitter-Typ. Beispielsweise wird die Summe des Jitters oder der deterministische oder periodische Jitteranteil gemessen und in der Ergebnistabelle angezeigt.
Die beschriebene Jitteranalyse kann parallel zur Augendiagrammmessung in Echtzeit durchgeführt werden. Durch die gleichzeitige Anzeige beider Anwendungen gleichzeitig können Sie das Datensignal schnell und bequem vollständig analysieren.
Auch für Bussysteme wie FlexRay, CAN-FD, LIN, I70000C und viele mehr, die gerade in der Automobilindustrie häufig zum Einsatz kommen, bietet das DS2 diverse Trigger- und Decodiermöglichkeiten. Gerade bei komplexeren Schaltungen mit unterschiedlichen Bussystemen ist es wichtig, mehrere Busse gleichzeitig zu dekodieren. Mit der DS70000-Serie können bis zu vier Busse, auch unterschiedliche, gleichzeitig dekodiert werden. Das Ergebnis kann in einer Ereignistabelle angezeigt werden, die auch als *.csv-Datei gespeichert werden kann. Je nach Speichereinstellung kann das Gerät bis zu 2 Millionen Zeitintervalle speichern und ohne Zeitverlust beliebig oft abspielen. Die Signale können auch nachträglich analysiert und dekodiert werden.
Das Oszilloskop bietet die Möglichkeit, eine Physical-Layer-Pre-Compliance-Messung von beispielsweise USB2.0 HS oder Ethernet 10-/100-/ oder 1000BaseTX nach dem Standard IEEE 802.3-2018 durchzuführen. Es können verschiedene Tests durchgeführt werden, wie Spitzenwert- oder Gleichtaktspannungsamplitudengenauigkeit oder Zeitmessungen wie Jitter-Antwort oder Dämpfungseffekte. Auf diese Weise kann überprüft werden, ob die Datenübertragung dem Standard entspricht.
Die vertikale Auflösung der DS70000-Serie kann erhöht werden, was ein wertvolles Analysetool in der Leistungselektronik ist, um kleinste Änderungen in den Strom- und Spannungsverläufen zu visualisieren. Die vertikale Auflösung kann je nach Bandbreite und Abtastrate bis zu 16 Bit betragen. Diese Auflösung ist auch möglich, da das Signal mit einer Bildschirmauflösung von 1920 x 1080 Pixel hochauflösend dargestellt werden kann (siehe Abbildung 4). Da es nicht nur auf die Darstellung, sondern auch auf die Datenübertragung der Messwerte ankommt, hat RIGOL in dieser Gerätevariante verschiedene Schnittstellen integriert, die dank LAN-Schnittstelle über das Web mit einem Browser bedient werden können. Darüber hinaus bietet das Gerät eine USB 3.0-Schnittstelle und eine optische 10-GB-SFP+-Schnittstelle, um Daten mit hoher Geschwindigkeit vom Gerät auf den PC hochzuladen. Es integriert auch einen HDMI-Anschluss, wenn Sie einen größeren Bildschirm für eine Präsentation anschließen möchten.
Mit der Ankündigung der DS70000-Serie erweitert RIGOL auch seinen Zubehörkatalog um die aktive Differenzsonde der PVA8000-Serie. Der Kopf dieses Tastkopfes enthält den von der Firma selbst entwickelten Y-Phoenics-Eingangsstufen-ASIC (Phoenics-Reihe). Die Besonderheiten dieses Chipsatzes sind seine rauscharmen Eigenschaften und die sehr lineare Verstärkung des Signals, je nach Version, bis zu einer maximalen Frequenz von 3,5 GHz, 5 GHz oder 7 GHz lineare Amplitude über den Frequenzbereich ist direkt in den Chip eingebaut, was ihn wesentlich robuster gegenüber wechselnden Umwelteinflüssen macht.
Mit der neuen DS70000-Serie und dem Prüfkopf der PVA8000-Serie bietet RIGOL eine neue Dimension in der Messtechnik, die Flexibilität und Vielseitigkeit mit der Leistungsfähigkeit der neuen UltraVision III-Plattform verbindet. Dank dieser neuen Messtechnik bietet RIGOL zudem ein hervorragendes Preis-/Leistungsverhältnis bei gewohnt hoher RIGOL-Qualität. Diese Vielseitigkeit ermöglicht den Einsatz des Oszilloskops in vielen industriellen Anwendungen sowie in Forschung und Entwicklung und Ausbildung.
