Untersuchung des Testverfahrens einer Input-Lag-Messung

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Messaufbau und Geräte

Oszilloskop Tektronix DSA71254

Tektronix stellte für die gesamte Dauer des Tests ein Oszilloskop des Typs DSA71254, welches über vier Kanäle, einer Bandbreite von 12,5 GHz sowie einer Samplingrate von 50 GS/s verfügt. Dieses High-End Oszilloskop übertrifft sämtliche Anforderungen, die ein solcher Test stellen könnte, bei weitem. Als DSA-Modell verfügt es zudem über spezielle Softwareerweiterungen, die nicht nur das Triggern sondern auch eine Analyse von seriellen Bitmustern erlauben.

Die durchdacht platzierten Bedienelemente unterstützen die intuitive Bedienung des Gerätes und fühlen sich bei der Benutzung sehr wertig an. Keine Taste hat ungewolltes Spiel, jeder Drehregler spricht perfekt auf sämtliche Eingaben an. Auf dem 12,1″ XGA TFT Monitor sind sämtliche Graphen auch in hellen Räumen unter ungünstigen Lichtverhältnissen sehr gut ablesbar. Die hohe Rate der Bildaktualisierungen bei Verwendung normaler Speichertiefen lassen Signale lebendig erscheinen und geben dem Benutzer die Möglichkeit auch seltene Ereignisse ohne „infinite persistence“ wahrzunehmen.

Auch wenn für Benutzer, die bereits ein Oszilloskop bedient haben, bereits auf Anhieb eine blinde Bedienung über die Bedienelemente an der Front möglich ist, kann das Display zusätzlich als Touch-Screen verwendet werden oder wahlweise über die beigelegte handliche Tastatur und optischen Maus gesteuert werden.

Natürlich ist für die Aufnahme und Auswertung von 50 Milliarden Messpunkten (50 GS/s) eine gewisse Rechenleistung erforderlich, die auch hinreichend gekühlt werden möchte. Aus diesem Grund findet man an der linken Seite des Gehäuses ganze sechs 120 mm Lüfter, die zwar temperaturgeregelt aber dennoch unüberhörbar ihren Dienst verrichten.

Auf der Rückseite erkennt man verschiedene Anschlüsse, die für unsere Untersuchung nicht weiter von Interesse sind, und einen Bereich, der an das ATX-IO-Panel eines Mainboards erinnert. Nichts anderes ist dieses, denn im Inneren des Oszilloskops steckt zum Teil PC-Hardware. Ein Pentium 4 mit 3,4GHz wird von 2GB RAM unterstützt, damit unter einem angepassten Windows XP Professional alle Messungen reibungsfrei ablaufen können.

Wer nun allerdings auf die Idee gekommen sein sollte ein solches Messgerät privat anzuschaffen, der wird bei dem Listenpreis von knapp unter 100.000,00 Euro für die aktuelle Version dieses Gerätes, wohl eher Abstand von seiner Idee nehmen und anstelle dessen eine Eigentumswohnung finanzieren.

Die Tastköpfe

Ein Oszilloskop ist kaum zu gebrauchen, wenn man die Signale nicht möglichst verlustfrei zuspielen kann. Da eine verlustfreie Signalübertragung in diesen Frequenzbereichen bereits schwierig genug ist, ergibt sich bei den Tastköpfen noch das Problem, dass sie die zu messenden Signale nach Möglichkeit nicht zusätzlich verfälschen sollten, indem sie z.B. als ohm´sche Last die Pegel des Signals stark reduzieren oder als eine Kapazität für die Schaltung in Erscheinung treten.

Für die Bandbreitenanforderung von „mindestens 4 GHz“ war auch diesmal Tektronix mehr als nur hilfsbereit und stellte insgesamt drei differenzielle Messköpfe aus der brandneuen Baureihe P7500 zur Verfügung. Zwei P7506, mit einer typischen Bandbreite von bis zu 6 GHz, und einen P7508, mit einer typischen Bandbreite von bis zu 8 GHz, standen somit für den Test zur Verfügung.

Das bloße öffnen der Tragetaschen verrät, dass auch diese Zubehörteile nicht gerade günstig ausfallen. Maßgeschneidert fügen sich die Messköpfe und Sortimentkästen in den perfekt passend ausgeschnittenen Schaumstoff.

Die filigranen Anschlüsse an beiden Seiten der Messköpfe sind bereits durch ihre Bauform vor versehentlichen Beschädigungen und ungewollten Berührungen der Kontaktflächen geschützt.

Die Messköpfe erlauben nicht nur eine differentielle Signalnehmung, sondern verfügen über die sogenannte TriMode™-Messumschaltung. Die Betriebsartenumschaltung erlaubt hierbei asynchrone Messungen (Single-Ended), Differenzmessungen (Differential Mode) oder auch Gleichtaktmessungen (Common Mode) durchzuführen ohne den Messkopf wechseln zu müssen.

Die Tastspitzen

Zum Lieferumfang gehören verschiedene anlötbare Messspitzen für unterschiedliche Einsatzgebiete, ein Kalibrationszertifikat, verschiedene Anschlusskabel, eine Platine zur Kalibration, ein Handbuch, sowie diverse Kleinteile, die die Anbringung einer Messspitze an einer Platine erleichtern.

Hierbei stellt die „TriMode Long Reach Solder Tip“, eine Tastspitze für hohe Bandbreiten, die ideale Kombination für den P7508 Tastkopf dar, wenn die höchste Präzision erwünscht wird.

Die Anbringung ist jedoch recht kniffelig, da zwei bis drei 0,02 mm dünne Drähte eingefädelt und angelötet werden müssen, wie im folgenden Beispiel dargestellt.

Einfacher zu handhaben, da bereits kleine Drahtstummel samt Widerständen ab Werk angelötet wurden, sind die beiden anderen im Test verwendeten Messspitzen.

Diese sind für etwas bescheidenere Bandbreiten von 6 GHz respektive 4 GHz geeignet, was für sämtliche Messungen vollkommen ausreichen würde. Eingesetzt wurden sie ausschließlich bei den Signalen mit Frequenzen deutlich unterhalb von 500 MHz.

Der Fotoempfänger

Für den Fotoempfänger waren die Anforderungen klar umrissen: Mit einer bekannten, idealerweise vernachlässigbar geringer Latenz, sollte ausgestrahltes Licht eines Monitors von einem stark begrenzten Bereich der Displayfläche in verwertbare elektrische Impulse umgewandelt werden. Hierbei musste also die gesamte Latenz von Einstrahlung des sichtbaren Lichtes, über die Verstärkung des Signals bis zur Ausgabe an das Oszilloskop weit unterhalb von 1ms geschehen und dabei die Verstärkung ausreichend sein, damit ein Signal gemessen werden konnte.

Der Hersteller Femto aus Berlin war nicht nur so freundlich eines seiner hochqualitativen Produkte zur Verfügung zu stellen, sondern auch noch behilflich, indem die Gesamtlatenz des Gerätes selbst vorab bestimmt wurde.

Verwendet wurde ein Femto OE-200-SI-SMA, der auf 830 nm kalibriert war, knapp oberhalb der sichtbaren Wellenlänge. Da der abgedeckte Wellenlängenbereich dieses Modells von 320 nm bis 1060 nm reicht, war der Empfänger hervorragend für die Messungen im sichtbaren Spektrum (ca. 400 nm bis 800 nm) geeignet.

Der SMA-Eingang wurde als ein abgewandelter Freistrahleingang verwendet und unmittelbar vor der Displayoberfläche platziert. Die Amplitude ist durch die Art der Einkopplung nicht mehr genau bestimmbar, aber da für die Bestimmung des Input-Lags nur die zeitliche Auflösung entscheidend ist, eventuell auch eine relative Pegelhöhe, jedoch nicht die absolut erreichte Helligkeit des Monitors, ist dies für die angestrebte Messung mehr als hinreichend.

Die beiden anderen Eingänge sind eine 3-Pin LEMO-Buchse für die Stromversorgung und der BNC-Anschluss, über den das Oszilloskop angesteuert wurde.

Passend zu der Buchse hat das Netzteil natürlich den notwendigen LEMO-Stecker. Dieses gehört nicht mit zum Lieferumfang und muss bei Femto einzeln bestellt werden.

Mit einer minimalen Flankenanstiegszeit von lediglich 700 ns ist der Fotoempfänger für unsere Messungen, die sich primär im Bereich von Millisekunden abspielen sollten, mehr als schnell genug in der Signalaufnahme. Bei den verwendeten Verstärkungsfaktoren von 10^7 V/W sind im High-Speed-Modus immer noch nur 900 ns für den Flankenanstieg anzusetzen, im Low-Noise-Modus 7 µs. Diese Werte liegen noch immer rund drei Größenordnungen, also einen Faktor 1000, unterhalb dessen, was bei unseren Betrachtungen wichtig wird.

Die Gesamtlatenzen bis zum Erreichen des Endsignals bei rechteckförmigem Eingangssignal sind in der folgenden Tabelle den angegebenen Verstärkungsfaktoren zugeordnet.

Gesamtlatenzen des Femto OE-200-SI-SMA

Die Flankenanstiegszeit ist also nur ein Faktor in der Gesamtlatenz, die um ein vielfaches größer ist und somit zu Recht betrachtet werden muss. Zum Glück des durchführenden Testers sind die Werte jedoch bei weitem gering genug. Ohne das Wissen, dass die Gesamtlatenz des Fotoempfängers mit maximal 20 µs noch immer deutlich unterhalb der Größenordnung der erhofften Genauigkeit liegt, wären Aussagen über den tatsächlichen Input Lag selbst nach einer durchgeführten Messung unmöglich.

Da wir, wie bereits gesagt wurde, auf die absolute Höhe nicht angewiesen sind und somit Einschwingzeiten des Fotoempfängers irrelevant werden, können wir die Latenz bis zur ersten sichtbaren Reaktion auf ein Signal sogar noch als deutlich geringer als die oben angegebene Gesamtlatenz ansetzen, selbst wenn dies bereits bei den gegebenen Zeiten nicht mehr nötig ist.