Tidigare användes oscilloskopet för att visualisera en elektrisk spänning över tid. Idag har det utvecklats till ett universellt testinstrument. I sin nya konfiguration som blandsignaloscilloskop (MSO – Mixed Signal Oscilloscope), med förutom analoga även digitala kanaler, kan det analysera såväl digitala tillstånd och som detaljer i protokollen. Dr Wolfgang Herbordt, Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG skriver här bl a ”Det ger användaren möjlighet att, med hjälp av ett enda mätinstrument och ett gemensamt användargränssnitt, analysera de olika gränssnitten och med olika abstraktionsnivåer”.

Ju fler uppgifter inbyggda system skall hantera, desto mer komplexa blir de. Samtidigt ökar både variationerna av och antalet gränssnitt mellan digitala och analoga komponenter. Inom en enda konstruktion kan det finnas 1-bits signaler, synkrona och asynkrona parallella databussar och seriella databussar som följer standardiserade eller proprietära överföringsformat och varierande klockfrekvenser.
Den som vill hantera den ökande komplexiteten måste analysera alla dessa gränssnitt med olika abstraktionsnivå. För detta krävs vanligtvis komplexa testuppkopplingar med olika typer av instrument, som alla fungerar på olika sätt: analoga vågformer studeras med ett oscilloskop, digitala signaler med en logikanalysator och överföringsprotokoll med en protokollanalysator.
Tidigare användes oscilloskopet för att visualisera en elektrisk spänning över tid. Idag har det utvecklats till ett universellt testinstrument. I sin nya konfiguration som blandsignaloscilloskop (MSO – Mixed Signal Oscilloscope) har det förutom de analoga kanalerna flera digitala kanaler för att analysera digitala tillstånd och protokollsdetaljer. Det ger användaren möjlighet att, med hjälp av ett enda mätinstrument och ett gemensamt användargränssnitt, analysera de olika gränssnitten och med olika abstraktionsnivåer. Detta gör blandsignaloscilloskop användbara under hårdvaruutvecklingen för att analysera signalkvalitét och därefter under mjukvaruutvecklingen för att studera innehållet i signalerna.
Denna artikel undersöker vilka funktioner som finns hos ett blandsignaloscilloskop och hur de används. Som exempel används oscilloskopfamiljen RTO från Rohde & Schwarz med inbyggd blandsignaloption R&S RTO-B1.

Två faser: insamling och analys
Funktionen hos ett digitalt oscilloskop kan delas in i två sekventiella faser, insamlingsfasen följd av analysfasen. Under insamlingsfasen sparas den samplade testsignalen ner i ett dataminne.    Insamlingsfasen karaktäriseras av samplingsfrekvensen, insamlingsdjupet och triggmöjligheterna.
Under analysfasen analyseras de insamlade vågformerna och resultatet presenteras via användargränssnittet, till exempel visas på instrumentets skärm eller sparas till fil. Till analysfunktionen på ett digitalt oscilloskop hör zoom-, test-, markör-, matematik- och sökfunktionerna.

Fig 1. R&S RTO-oscilloskop med integrated R&S RTO-B1 blandsignaloption.

Blandsignaloscilloskopen använder denna tvåfasprincip både för analoga och digitala kanaler. Instrumentet måste fortfarande fungera som ett vanligt oscilloskop och funktionaliteten hos de analoga och digitala kanalerna måste passa ihop. På grund av de många kanalerna och de många inställningsmöjligheterna som det ger upphov till, är det viktigt att användargränssnittet är enkelt och lättöversiktligt.
Med sin grunda menystruktur och sina signalflödesdiagram är oscilloskopet R&S RTO ihop med blandsignaloptionen väldigt enkelt och intuitivt att använda. Funktionsmenyerna är transparenta och testfönstren förblir synliga. På så sätt syns varje förändring av inställningarna som påverkar vågformerna omedelbart. För ännu bättre överblick kan vågformerna grupperas i olika fönster på skärmen.

Tidssynkronisering
Analoga och digitala signaler samlas in synkront på samma instrument så att analoga vågformer, digitala signaler och protokollsdetaljer är tidskorrelerade och kan analyseras på ett och samma ställe.
Det är nödvändigt med en kompensering för fördröjningen mellan analoga och digitala signaler för synkron insamling av signalerna. Med blandsignaloptionen görs denna kompensation mellan boxarna för probarna för de digitala signalerna och kontakterna för de analoga probarna inne i instrumentet. Så länge fördröjningen mellan de analoga probarna och probspetsarna på de digitala kanalerna inte är viktig för användaren, så behövs inga ytterligare inställningar.

Tidsupplösning och insamlingsfas
En hög tidsupplösning för både de analoga och digitala kanalerna har flera fördelar: händelser i de digitala signalerna analyseras med hög noggrannhet vad gäller tiden och även korta glitchar detekteras säkert. Även när digitala kanaler används som triggkälla, bestäms triggtiden med hög precision, så att jittret på mätsignalen minimeras när den skall presenteras.

Fig 2. Presentation av alla insamlade vågformer med händelsefrekvens vid en insamlingshastighet av 200 000 vågformer/s

Blandsignaloptionen R&S RTO-B1 har därför en samplingfrekvens av 5 Gsample/s för de 16 digitala kanalerna, jämfört med 10 Gsample/s för de analoga kanalerna. Den resulterande tidsupplösningen för de digitala kanalerna är 200 ps. Tidsupplösningen över hela insamlingsdjupet på 200 Msample är unik för den här klassen av instrument. Även händelser som uppträder långt efter triggtillfället registreras med hög tidsnoggrannhet. Dataminnet för blandsignaloptionen är separat från grundenheten. Insamlingsdjupet på 200 Msample påverkas därför inte av hur många analoga och digitala signaler som används.
Om tidsupplösningen på de analoga kanalerna är högre än på de digitala kanalerna, till exempel vid en samlingshastighet på 10 Gsample/s eller i samband med interpolation, används sample & hold interpolation för att anpassa de digitala kanalerna till de analoga kanalernas samplingshastighet. På så sätt försäkrar man sig om en gemensam analys av analoga vågformer och digitala signaler.
Insamlingsdjupet på 200 Msample per digital kanal passar till exempel för att samla in långa datasekvenser från seriella bussar i många applikationer. En bithastighet på 400 Mbit/s och en samplingsfrekvens på 5 Gsample/s, ger exempelvis ett insamlingsdjup av 16 Mbit.
Insamlingsdjupet kan användas både för att samla in långa datasekvenser och för att samla in ett stort antal på varandra följande vågformer.

Triggmöjligheter
För digitala kanaler används ofta en enda amplitudnivå som tröskelnivå (det vill säga tröskelnivå för den logiska övergången). Blandsignaloptionen R&S RTO-B1 stödjer triggtyperna Edge, Width, Timeout, Pattern, State, Data-to-Clock och Serial Pattern tillsammans med Holdoff-funktionerna Time, Event and Random Time. Triggkällorna är individuella digitala kanaler, bussignaler eller också godtyckliga logiska kombinationer av alla digitala kanaler, till exempel med de logiska operatorerna AND, OR eller XOR. Alla signaler som man kan använda som triggkällor, inte minst de logiska kombinationerna av de digitala kanalerna, finns tillgängliga under analysfasen för visualisering.

Hög mäthastighet
En typisk utmaning när det gäller utveckling av digitala oscilloskop är reduktion av dess ”dödtid”. Detta är den tid då inga data samlas in och därför potentiellt intressanta förlopp inte heller kan ses. Hur kan dödtiden minskas så att sällan förekommande förlopp upptäcks snabbare?
Dödtiden kortas genom att man optimerar analysfasen. Rohde & Schwarz använder i oscilloskopfamiljen R&S RTO en högintegrerad ASIC (Application Specific Integrated Circuit) där insamling och analys hanteras tillsammans. Resultatet är ett instrument som kan presentera upp till en miljon mätkurvor per sekund.

Fig. 3: Presentation av en parallell buss som analog vågform.

När man använder blandsignaloptionen är också de digitala kanalerna högintegrerade. Från insamling och trigghantering till presentation, markörfunktioner och mätningar, sker signalhanteringen i en och samma FPGA (Field Programmable Gate Array). Analysen sker parallellt för alla 16 digitala kanalerna. Detta görs med en hastighet av upp till 200 000 presenterade vågformer per sekund. Den maximala hastigheten är oberoende av antalet analoga och digitala kanaler som analyseras.

Signalberoende presentationen
En skärmdump görs var 30e ms för att passa uppfattningsförmågan hos det mänskliga ögat. Mellan två skärmdumpar görs därför i oscilloskopfamiljen R&S RTO en överlagring av de analoga vågformerna i hårdvaran för att sedan kunna presentera alla vågformer på skärmen. Blandsignaloptionen använder motsvarande teknik för de digitala kanalerna.
Binära signaler från alla insamlingsfaser mellan två skärmdumpar överlagras. Vid en insamlingshastighet av 200 000 vågformer per sekund, presenteras alla 6 000 insamlade vågformer simultant på skärmen. Detta ger användaren en överblick av frekvensen av de binära tillstånden och av flankövergångarna över hela tidsförloppet. Användaren kan sedan använda sökfunktionerna för att plocka fram enskilda vågformer ur minnet och analysera dem mer i detalj.
Bussignaler, å andra sidan, överlagras inte eftersom de innehåller data från ett flertal sammansatta binära signaler. För att få en översiktlig analys av bussignaler, kan användaren anpassa presentationsformen till bussformatet. Det kommer att vara olika för synkrona och asynkrona databussar. För asynkrona databussar bestäms det logiska tillståndet för varje samplingsperiod. För synkrona databussar, bestäms det enbart för giltiga klockflanker. Presentationen görs i bussformat, som tabell eller som analog vågform i binärt, hexadecimalt, decimalt eller bråktals format.

Signalanalys
Avgörande för en målinriktad och effektiv undersökning av vågformer är antalet analysfunktioner hos oscilloskopet och kvalitén hos dessa funktioner. Då avses framför allt automatiska amplitud- och tidmätningar samt för dessa statistisk utvärdering, matematik- och markörfunktioner. För digitala kanaler används bara tidmätningar och tillhörande statistiska funktioner. Matematiska funktioner reduceras när det gäller binära signaler till enbart logiska funktioner.

Fig. 4: Mätningar och markörfunktioner för digitala kanaler.

Blandsignaloptionen erbjuder ett stort urval av tidmätningar och statistisk analys av dem. Den matematiska signalen kan vara en godtycklig logisk kombination av alla 16 kanalerna. Denna används också som källsignal för mätfunktionerna. Markörfunktionerna kan användas på binära signaler, på bussignaler och på logiska kombinationer av digitala signaler.

Marknadsutsikter
Dagens blandsignaloscilloskop utökar funktionaliteten hos oscilloskopet så att det får grundläggande funktionalitet också från logik- och protokollanalysatorer. För användaren är fördelarna enklare testuppkopplingar, en enhetlig handhavandestrategi och synkron presentation av analoga vågformer, digitala signaler och protokolldetaljer i ett och samma instrument. Användaren kan således snabbare fokusera på uppgiften att analysera kretsen. Hårdvaruutvecklare använder således blandsignaloscilloskopet för att analysera signalkvalitét, medan mjukvaruutvecklare använder det för att analysera signalinnehåll.
Blandsignaloscilloskopen kommer att hålla jämna steg med den ökande komplexiteten hos analoga och digitala kretsar i framtiden också. Signalbandbredden kommer att öka, så att man kan analysera gränssnitt med högre datahastighet. Ytterligare funktionalitet från logik- och protokollanlysatorer kommer att byggas in och antalet testfunktioner och analysoptioner kommer att öka. Oavsett vilka förbättringar man inför, kommer dock fokus hela tiden att ligga på ett enkelt och intuitivt handhavande.

Den nya blandsignaloptionen
Förutom de analoga kanalerna som ingår i basenheten, kan man i oscilloskopfamiljen R&S RTO sätta in en blandsignaloption som ger tillgång till 16 digitala kanaler. Dessa samplas med 5 Gsample/s och en tidsupplösning av 200 ps. Vid en samplingshastighet av 5 Gsample/s är minnesdjupet 200 Msample, annars 100 Msample per digital kanal. Den maximala ingångsfrekvensen är 400 MHz vid en minsta spänningsförändring av 500 mV. Vid normaldrift samlas upp till 200 000 visualiserade vågformer per sekund in från analoga och digitala kanaler. De 16 digitala kanalerna är fördelade över två probar med vardera 8 kanaler. Den uppmätta ingångsimpedansen för probarna är 100 k??4 pF. Tröskelnivåerna kan ställas ±8 V i steg om 25 mV. Hysteresen är ställbar i tre lägen för att minska påverkan från brus.
Dr Wolfgang Herbordt, Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG

Om författaren:
Dr Wolfgang Herbordt studerade vid Institut National des Sciences Appliquées i Rennes och vid Universitetet i Erlangen-Nürnberg, där han fick sin doktorsgrad inom området digital signalbehandling. Idag arbetar han med projektledning och systemdesign för oscilloskop inom Rohde&Schwarz.
wolfgang.herbordt@rohde-schwarz.com

Filed under: Matteknik