Power-Integrity-Tests Oszilloskop: Der Einsatz von Histogramm und Free-Run-Modus

Power-Integrity-Tests von Stromversorgungsschienen erfolgen am besten mit einem Oszilloskop. Dabei helfen Funktionen wie Histogramm und der Free-Run-Modus.

Angesichts immer niedrigerer Gleichspannungen und Toleranzen auf den Stromschienen sind Oszilloskope nach wie vor ein wichtiges Werkzeug für Entwicklungsteams, die sich mit Power-Integrity-Messungen befassen. Der anhaltende Trend zu niedrigeren Spannungen und Toleranzen hat dazu geführt, dass Stromschienen-Tastköpfe zu wichtigen Begleitern von Oszilloskopen geworden sind.

Die Frage lautet nicht mehr: „Sollen wir in einen Power-Rail-Tastkopf investieren?“, sondern „Was ist die beste Messtechnik?“ Die bisherigen Methoden wurden auf Basis der Erfahrungen und Erkenntnisse von Anwendern und Oszilloskop-Herstellern weiterentwickelt. Unter den Experten für Power-Integrity-Messungen hat sich eine neue, überlegene Technik verbreitet, die bisher noch relativ unbekannt ist. Die Verwendung von Histogrammen und des Free-Run-Triggermodus bietet drei wesentliche Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Ansatz:

• Ein Messkurvenhistogramm ermöglicht die visuelle und statistische Darstellung der Eigenschaften der Stromschiene.

• Die Prüfzeit wird erheblich verkürzt, da anstelle einer Einzelmessung für jede Messkurve nur eine Histogrammmessung für alle erfassten Messkurven durchgeführt wird. Außerdem wird eine hohe Genauigkeit erreicht.

• Dank des Free-Run-Triggermodus profitiert der Anwender von einer besseren Echtzeit-Abdeckung der Stromschiene, während die Totzeit, in der die Signalaktivität der Stromschiene vom Gerät nicht erfasst wird, reduziert wird.

Alle großen Hersteller von Oszilloskopen bieten Power Rail-Tastköpfe an. Sie sind in vielerlei Hinsicht überlegen, wenn es um hochgenaue Messungen kleiner Spannungen mit engen Toleranzen geht. Die Vorteile der Power Rail Tastköpfe sind bekannt. Dazu gehören die minimale DC-Belastung der Stromschiene, ein integrierter Offset, der die Verwendung einer kleinen vertikalen Skalierung ermöglicht, und ein Dämpfungsverhältnis von 1:1 zur Rauschminimierung. Das relativ neue Histogramm-basierte Verfahren für Messungen an Stromschienen verkürzt die Prüfzeit um mehr als den Faktor 50 und liefert gleichzeitig genauere Messergebnisse.

Die herkömmliche Methode, um Toleranzen von Stromschienen zu messen

Bei der herkömmlichen Methode zur Messung der Toleranzen von Stromschienen wird mit dem Oszilloskop eine Spitze-Spitze-Messung der Spannung durchgeführt (Bild 1), um die Gesamtamplitude aus Rauschen, Restwelligkeit und periodischen Störungen zu bestimmen. Benutzer eines Oszilloskops sind sich einig, dass diese Methode immer noch unter der Blindzeit des Oszilloskops leidet. Bei allen Oszilloskopen tritt zwischen den einzelnen Erfassungen eine Blindzeit auf. Während dieser Zeit verarbeitet das Oszilloskop die letzte Aufzeichnung.

Bis diese Verarbeitung abgeschlossen ist, ist keine neue Aufzeichnung möglich. Dies ist den Ingenieuren im Allgemeinen bekannt, aber nicht allen ist klar, wie groß die Blindzeit im Vergleich zur Echtzeit-Signalerfassung ist. Es ist nicht ungewöhnlich, dass die Blindzeit 1.000 mal länger ist als die Erfassungszeit. Mehrere Faktoren, die bei der Prüfung von Stromschienen eine Rolle spielen, verursachen zusätzliche unerwünschte Blindzeiten. Oszilloskop-Benutzer erreichen nie die hohe Aktualisierungsrate, die für effizientere Prüfungen erforderlich wäre, und können daher nur kurze Zeitabschnitte prüfen, während der Blindzeit ein großer Teil der Signalaktivität der Erfassung entgeht.

Aktualisierungsrate von Messkurven

Die Hersteller geben für bestimmte Familien von Oszilloskopen eine Messkurven-Aktualisierungsrate (Messkurven/s) an. Dieser Wert beschreibt die maximale Geschwindigkeit, mit der das Gerät Signale erfassen und darstellen kann. Die schnellsten Oszilloskope der Welt bieten eine Aktualisierungsrate von mehr als einer Million Messkurven pro Sekunde, während langsamere Oszilloskope Aktualisierungsraten im zweistelligen Bereich erreichen. Die Messkurvenaktualisierungsrate gibt einen Maximalwert an. Dieser Wert ist jedoch nicht typisch für Power-Integrity-Messungen.

Die maximalen Aktualisierungsraten werden nur bei einer bestimmten Zeitbasiseinstellung mit der höchsten Abtastrate und ohne aktive Messungen erreicht. Diese Bedingungen sind bei einem Power-Integrity-Testaufbau nicht gegeben. Bei einer Zeitbasis von 1 µs und langsamer, wie sie für Messungen an Stromschienen typisch ist, ergibt sich eine längere Blindzeit.

Fehlendes Triggersignal bei Messungen an Stromschienen

Im Gegensatz zu anderen Prüfungen ist bei Messungen an Stromschienen ein Triggersignal nicht immer leicht verfügbar. Die meisten Oszilloskope benötigen einen minimalen Spannungshub, um ein Triggerereignis zu erkennen. Stromschienen haben oft keinen ausreichenden Signalhub. Viele Anwender wählen daher den Auto-Trigger - wenn das Oszilloskop keinen geeigneten Trigger findet, wird nach einer vordefinierten Wartezeit, in der Regel einige Millisekunden, eine Aufzeichnung durchgeführt.

Auch dieses Triggerproblem trägt dazu bei, dass der Anwender viel Zeit verliert, in der das Oszilloskop keine Signalaktivität erfasst. Alternativ muss das Oszilloskop im normalen Modus, wenn es auf das Signal triggert, den Trigger nach jeder Erfassung erneut aktivieren, was wiederum die Aktualisierungsrate der Messkurve verringert.

Dem Oszilloskop entgeht die Stromschienenaktivität

Darüber hinaus gilt für alle Oszilloskope, dass aktive Messungen die Erfassungsrate des Geräts verringern. Ein Oszilloskop, das ohne Messungen eine Million Messkurven pro Sekunde erfasst, kann bei aktiven Messungen auf 350 Erfassungen pro Sekunde reduziert werden. Erfasst das Oszilloskop normalerweise 50 Messkurven pro Sekunde, so kann man auf fünf Erfassungen pro Sekunde verringern, wenn eine Messung aktiviert ist. Während der Verarbeitung der Messung geht zusätzliche Zeit verloren, in der das Gerät keine Stromschienenaktivität erfasst.

Wie viel Stromschienenaktivität entgeht dem Oszilloskop? Beispielsweise könnte ein Oszilloskop mit einer hohen Aktualisierungsrate, einer Zeitbasiseinstellung von 1 µs/div und einer einzelnen Messkurven-Messung eine Aktualisierungsrate von 300 bis 400 Messungen pro Sekunde erreichen. Ist das schnell? Bei dieser Kombination von Aktualisierungsrate und Zeitbasis entgehen dem Oszilloskop ganze 99,6 Prozent der Echtzeit-Stromschienenaktivität.

Alle Anomalien, die während dieser Blindzeit auf der Versorgungsspannung auftreten, werden vom Oszilloskop weder erkannt noch gemessen. Diese Verarbeitungsgeschwindigkeit übertrifft jedoch die anderer Oszilloskope, bei denen die Aktualisierungsrate nur wenige Messungen pro Sekunde beträgt, so dass > 99 Prozent des Signalverhaltens der Stromversorgungsschine im Dunkeln bleiben. Für jede Messkurve wird eine Spitze-Spitze-Spannungsmessung durchgeführt, und die Ergebnisse werden für mehrere Aufzeichnungen akkumuliert.

Auf diese Weise wird der Spitze-Spitze-Bereich für jede Messkurve erhalten. Der größte Maximalwert gegenüber dem kleinsten Minimalwert aus mehreren aufeinanderfolgenden Erfassungen ist jedoch nicht enthalten. Es ist eine Spitze-Spitze-Messung erforderlich, die alle Erfassungen abdeckt und aktualisiert wird, wenn das Oszilloskop eine neue Signalaktivität auf der Stromversorgungsschiene erfasst.

Die weniger bekannte Funktion des Messkurvenhistogramms

Durch verschiedene Modifikationen der herkömmlichen Methode kann die Prüfzeit erheblich verlängert und gleichzeitig ein genaueres Messergebnis erzielt werden. Die verbesserten Messmethoden basieren auf weniger häufig verwendeten Oszilloskop-Einstellungen, die zwar seit langem existieren, aber bisher nicht in Kombination für eine bestimmte Anwendung verwendet wurden. Die Leistungsintegrität ist nun eine wichtige Anwendung, bei der die Kombination dieser Fähigkeiten ein Ergebnis liefert, das weit über dem herkömmlichen Messansatz liegt, auf den sich die meisten Ingenieure heute verlassen.

Einige Oszilloskope verfügen über eine weniger bekannte Funktion, das Messkurvenhistogramm (Bild 2). Das Gerät berechnet alle Messkurvenwerte und erstellt ein entsprechendes Histogramm, aus dem hervorgeht, welche vertikalen Werte die Messkurve hatte und wie viel Prozent der Messwerte bei einer bestimmten Amplitude erfasst wurden. Histogramme sind in gewisser Weise eine sehr kompakte Darstellung der Amplitudenwerte der Messkurve an jedem Abtastpunkt. Das Histogramm enthält keine Details über die Form der einzelnen Messkurven, sondern nur die vertikalen Werte. In der Praxis sind es aber genau diese Informationen, die für die Bestimmung der Leistungsintegrität benötigt werden.

Bild 3 zeigt ein Histogramm der Messkurve einer Stromversorgungsschiene. Anhand des Histogramms kann der Benutzer schnell feststellen, wie viel Zeit das Testsignal bei jedem Pegel verbringt. Das Histogramm enthält Informationen über alle erfassten Abtastwerte jeder Erfassung und wird nach jeder nachfolgenden Erfassung mit den zusätzlichen Daten aktualisiert. Warum ein Histogramm der Messkurve verwenden?

Für Spannungstoleranztests ist die Form der Messkurve nicht entscheidend. Wichtig sind die minimalen und maximalen Werte. Restwelligkeit, Rauschen und Störungen treten als Anomalien auf, die die Spannungstoleranzgrenzen überschreiten können. Ein Histogramm ist ein hervorragendes Visualisierungsinstrument, um festzustellen, ob die Toleranzgrenzen überschritten wurden.

Bei vielen Oszilloskopen erfolgt die Verarbeitung des Messkurvenhistogramms in Hardware, so dass die maximale Aktualisierungsrate der Messkurve des Oszilloskops nicht oder nur geringfügig reduziert wird. Moderne Oszilloskope bieten hohe Aktualisierungsraten - beispielsweise erreicht das R&S RTO6 1 Mio. Messkurven/s. Mit Messkurvenhistogrammen erreicht das Gerät 20-mal mehr Messkurven pro Sekunde, als wenn bei jeder Messung eine separate U_ss-Messung erfolgt. Damit erfasst das Oszilloskop 20-mal mehr Echtzeit-Signalaktivität auf der Stromversorgungsschiene.

Messung der Spitze-Spitze-Spannung (U_ss) im Histogramm

Die U_ss-, Min- oder Max-Messung wird auf das Histogramm der Messkurven angewendet, anstatt jede Messkurve einzeln zu messen. Warum ist es besser, die U_ss-Messung auf ein Messkurvenhistogramm anzuwenden als auf einzelne Messkurven? Da das Messkurvenhistogramm Informationen über die Messkurven der Stromversorgungsschiene aus allen vergangenen Aufzeichnungen enthält, gilt die Messung für alle Erfassungen. Wenn ein Histogramm beispielsweise aus 1.000 wiederholten Erfassungen besteht, enthält eine einzige Spitze-Spitze-Messung im Histogramm die Gesamtinformation aller 1.000 Erfassungen.

Das Oszilloskop muss jedoch nur eine Messung anstelle von 1.000 Messungen ausführen, und die Aktualisierungsrate des Oszilloskops bleibt entsprechend höher. Mit Ausnahme des Geschwindigkeitsvorteils bezieht sich die Spitze-Spitze-Messung im Histogramm auf alle aufgezeichneten Daten. Sie liefert die tatsächliche maximale Spitze-Spitze-Spannung vom höchsten bis zum niedrigsten Wert der Gesamtdaten. Es handelt sich also um den korrekten Spitze-Spitze-Wert über alle Messwerte, während bei der herkömmlichen Methode nur der Einzelmesswert mit dem schlechtesten Ergebnis bestimmt wird, der nicht unbedingt die höchste Maximalspannung und die niedrigste Minimalspannung aller Messwerte aufweist.

Der Free-Run-Trigger anstelle des Auto- oder Norm-Triggers

Eine dritte Technik, die umfassendere und damit aussagekräftigere Power-Integrity-Prüfungen von Stromschienen ermöglicht, ist die Triggerung des Oszilloskops. Um die Spannungstoleranzen von Stromschienen zu prüfen, ist es nicht erforderlich, auf einen bestimmten Teil der Messkurve zu triggern. Tatsächlich benötigen Oszilloskope in vielen Fällen größere Spannungshübe, als sie auf Stromschienen auftreten. Aus diesem Grund wird die Prüfung von Stromversorgungsschienen häufig mit dem Standardautotriggermodus des Oszilloskops durchgeführt.

Findet das Oszilloskop innerhalb einer kurzen Zeitspanne – in der Regel wenige Millisekunden - keinen Trigger, startet es die Aufzeichnung. Der Auto-Trigger-Modus reduziert notwendigerweise die Erfassungsrate des Oszilloskops, so dass die Prüfung nur einen kleinen Teil der Echtzeit-Signalaktivität auf der Stromversorgungsschiene erfasst. Durch Umschalten des Triggermodus auf Standard wird eine ähnliche Aktualisierungsrate wie mit Auto-Trigger erreicht.

Wenig gebräuchlicher Trigger: Freilauf oder Free Run

Für die Prüfung der Leistungsintegritätstoleranz ist es nicht erforderlich, auf einen bestimmten Teil der Messkurve zu triggern. Viele Oszilloskope verfügen über einen weniger gebräuchlichen Triggermodus, der als Freilauf oder Free Run bezeichnet wird (Bild 4). Wenn der Trigger auf Free Run eingestellt ist, erfasst das Oszilloskop Daten, verarbeitet die Daten und fährt dann mit der nächsten Erfassung fort, ohne nach einem Triggerereignis suchen oder darauf warten zu müssen. Der Nachteil ist, dass die Triggerung nicht jedes Mal an der gleichen Stelle der Signalform erfolgt.

Bei Toleranzprüfungen der Leistungsintegrität ist es nicht erforderlich, jedes Mal auf den gleichen Teil des Signals zu triggern, und die asynchrone Triggerung ist von Vorteil. Im Free-Run-Modus wird eine wesentlich höhere Aktualisierungsrate der Messkurve erreicht als im automatischen oder normalen Triggermodus. Bei der Serie R&S RTO6 mit einer Zeitbasiseinstellung von 1 µs/div beträgt die Erfassungsrate im Auto-Trigger-Modus beispielsweise 1.200 Messkurven/s, während die Erfassungsrate im Free-Run-Modus auf 22.700 Messkurven/s ansteigt, also fast das 20-fache beträgt.

Die Tabelle zeigt den Unterschied zwischen der herkömmlichen Messung für einzelne Messkurven und dem Histogramm-basierten Ansatz in Kombination mit dem Free Run-Triggermodus. Mit einem Oszilloskop aus der Serie R&S RTO6 lassen sich die Unterschiede zwischen den beiden Ansätzen verdeutlichen. Wie häufig bietet die Kombination mehrerer Techniken erhebliche Vorteile.

Bei Tests von Stromversorgungsschienen mit Oszilloskopen ermöglichen Messkurvenhistogramme, Histogramm-basierte Messungen und der Free Run-Triggermodus die Erfassung und Analyse eines wesentlich höheren Prozentsatzes der Signalaktivität als bei der herkömmliche Methode der Messung der Spitze-Spitze-Spannung für einzelne Messkurven mit dem Auto- oder normalen Trigger-Modus.

* Joel Woodward ist Oscilloscope Product Planner bei Rohde & Schwarz.

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