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Je mehr Aufgaben eingebettete Systeme übernehmen, desto komplexer werden diese Systeme. Gleichzeitig nehmen sowohl die Vielfalt als auch die Anzahl der Schnittstellen zwischen digitalen und analogen Komponenten zu.

Ein typischer Entwurf könnte 1-Bit-Signale, getaktete und nicht getaktete parallele Datenbusse und serielle Datenbusse, standardisierte oder proprietäre Übertragungsformate und eine Vielzahl von Datenraten verwenden.

Wer die zunehmende Komplexität in den Griff bekommen will, muss all diese Schnittstellen auf verschiedenen Abstraktionsebenen analysieren. Dies erfordert normalerweise komplexe Testaufbauten mit mehreren Instrumenten: Analoge Signalverläufe werden mit einem Oszilloskop, digitale Signale mit einem Logikanalysator und Übertragungsprotokolle mit einem Protokollanalysator untersucht.

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Ein Mixed-Signal-Oszilloskop bietet zusätzlich zu den analogen Kanälen digitale Kanäle zur Analyse digitaler Zustände und Protokolldetails.

Ein Vorteil ist, dass Benutzer die Schaltkreise auf den verschiedenen Abstraktionsebenen mit nur einem Instrument und damit nur einer Benutzeroberfläche analysieren können.

Zwei-Phasen-Prinzip: Erfassung und Analyse

Die Funktionsweise eines digitalen Oszilloskops kann in zwei aufeinanderfolgende Phasen unterteilt werden, wobei auf die Erfassungsphase die Analysephase folgt. Während der Erfassungsphase werden die abgetasteten Testsignale in einem Datenspeicher gespeichert.

Die Erfassungsphase ist durch die Abtastfrequenz, die Erfassungstiefe und die Triggeroptionen gekennzeichnet.

Während der Analysephase werden die erfassten Wellenformen analysiert und über die Benutzeroberfläche ausgegeben. dh auf den Instrumentenbildschirm oder auf Dateien. Die Datenanalysefunktionen eines digitalen Oszilloskops umfassen die Funktionen Zoom, Test, Cursor, Mathematik und Suche.

Ein Mixed-Signal-Oszilloskop verwendet dieses Zwei-Phasen-Prinzip sowohl für den analogen als auch für den digitalen Kanal. Das Instrument muss weiterhin als herkömmliches Oszilloskop dienen und die Funktionalität der analogen und digitalen Kanäle muss sauber integriert werden. Die vielen Kanäle und die sich daraus ergebenden Einstellmöglichkeiten machen eine einfache und übersichtliche Benutzeroberfläche noch wichtiger.

Um die Zeitsynchronisation in einem Mixed-Signal-Bereich zu betrachten, sehen wir, dass analoge und digitale Kanäle synchron auf demselben Instrument erfasst werden, sodass analoge Wellenformen, digitale Signale und Protokolldetails zeitkorreliert sind und an einem Ort analysiert werden können.

Für die synchrone Signalerfassung ist eine Verzögerungskompensation zwischen dem analogen und dem digitalen Kanal erforderlich.

Diese Verzögerungskompensation kann zwischen den digitalen Kanalsondenboxen und den analogen Sondenanschlüssen im Gerät erfolgen. Solange die Verzögerung zwischen den analogen Sonden und den Sondenspitzen auf den digitalen Kanälen für den Benutzer nicht wichtig ist, sind keine weiteren Einstellungen erforderlich.

Zeitauflösung und Erfassungszyklus

Eine hohe zeitliche Auflösung sowohl für den analogen als auch für den digitalen Kanal ist ein bevorzugtes Merkmal, da die Ereignisse in den digitalen Signalen mit einem hohen Maß an zeitlicher Genauigkeit analysiert werden und enge Störimpulse erkannt werden können.

Auf diese Weise ist es auch wichtig, dass bei der Verwendung von digitalen Kanälen als Triggerquelle die Triggerzeit mit einem hohen Maß an Genauigkeit bestimmt wird, um sicherzustellen, dass der Wellenform-Jitter während der Visualisierung minimal ist.

Beispielsweise hat der R & S RTO-Oszilloskop mit der Mixed-Signal-Option B1 eine Abtastfrequenz von 5 Gsample / s für die 16 digitalen Kanäle im Vergleich zu 10 Gsample / s für die analogen Kanäle. Die resultierende Zeitauflösung für die digitalen Kanäle beträgt 200ps.

Wenn die Zeitauflösung in den analogen Kanälen die in den digitalen Kanälen überschreitet, wie dies bei einer Abtastrate von 10 Gsample / s oder während der Interpolation der Fall ist, werden die digitalen Kanäle durch Sample & Hold-Interpolation an die Abtastrate der analogen Kanäle angepasst . Dadurch ist eine gemeinsame Analyse von analogen und digitalen Signalen gewährleistet.

Es ist auch wichtig, die Erfassungstiefe pro digitalem Kanal zu berücksichtigen, um lange Datensequenzen von seriellen Bussen zu erfassen. Eine Bitrate von 400 Mbit / s und eine Abtastfrequenz von 5 Gsample / s ergeben beispielsweise eine Erfassungstiefe von 16 Mbit.
Für die digitalen Kanäle werden häufig Oszilloskop-Triggertypen angeboten, für die eine einzige Amplitudenschwelle (dh die Schwelle für den logischen Übergang) ausreicht.

Messgeschwindigkeit

Eine typische Herausforderung bei der Entwicklung digitaler Oszilloskope ist die Reduzierung der „Blindzeit“. Dies ist die Zeit, in der keine Datenerfassung stattfindet und daher möglicherweise interessante Ereignisse nicht gesehen werden. Wie kann die Blindzeit reduziert werden, damit seltene Ereignisse schneller erkannt werden?

Durch die Optimierung der Analysephase wird die Blindzeit verkürzt.

Das Oszilloskop-Design kann dies mit dedizierten Asics beheben, bei denen Datenerfassung und -analyse gleichzeitig stattfinden. Das Ergebnis ist eine Instrumentengeschwindigkeit von bis zu einer Million visualisierten Wellenformen pro Sekunde.

Ebenso erfolgt im Mixed-Signal-Modus die Signalverarbeitung innerhalb eines FPGA über den gesamten Prozess von der Erfassung und Auslösung über die Visualisierung bis hin zu Cursorfunktionen und Messungen. Die Analyse wird für alle 16 digitalen Kanäle parallel durchgeführt. Dies geschieht mit einer Geschwindigkeit von bis zu 200.000 visualisierten Wellenformen pro Sekunde.

Typischerweise findet alle 30 ms eine Bildschirmkopie statt, die der visuellen Wahrnehmung des menschlichen Auges entspricht. Zwischen zwei Bildschirmauszügen überlagert die Hardware des Oszilloskops die Wellenformen der analogen Kanäle, um alle Wellenformen auf dem Bildschirm anzuzeigen. Die Mixed-Signal-Option des Oszilloskops verwendet diese Anzeigemethode auch für die digitalen Kanäle.

Bussignale hingegen werden nicht überlagert, da sie Dateninhalte aus mehreren kombinierten Binärsignalen enthalten. Um die Analyse von Bussignalen zu ermöglichen, kann der Benutzer das Anzeigeformat an das Busformat anpassen. Es wird zwischen ungetakteten und getakteten Datenbussen unterschieden. Bei nicht getakteten Datenbussen wird der logische Zustand für jede Abtastperiode bestimmt. Bei getakteten Datenbussen wird nur für gültige Flanken ermittelt. Die Anzeige erfolgt im Busformat, im Tabellenformat oder als analoge Wellenform in den Formaten Binär, Hexadezimal, Dezimal und Bruchzahl.

Signalanalyse

Kritische Faktoren für die effektive und effiziente Untersuchung von Signalverläufen sind die Anzahl und Qualität der vom Oszilloskop bereitgestellten Analysefunktionen. Insbesondere werden automatisierte Amplituden- und Zeitmessungen einschließlich ihrer statistischen Analyse, mathematischen Funktionen und Cursorfunktionen bereitgestellt. Für digitale Kanäle werden nur Zeitmessungen und die zugehörigen statistischen Auswertungen verwendet. Mathematikfunktionen sind auf logische Verknüpfungen für Binärsignale reduziert.

Im Mixed-Signal-Modus kann das mathematische Signal beispielsweise eine beliebige logische Kombination aller 16 digitalen Kanäle sein. Dies wird auch als Quellensignal für Messfunktionen verwendet. Cursorfunktionen können für Binärsignale, für Bussignale und für logisch kombinierte Digitalsignale verwendet werden.