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Grundlagen eines Oszilloskops Das Amplitudenrauschen bei Oszilloskopen

Autor / Redakteur: Klaus Höing * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Beim Messen mit einem Oszilloskop sollte das Rauschen so gering wie möglich sein. Moderne Oszilloskope verursachen von Haus aus ein geringeres Rauschen.

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dataTec AG
Rigol Technologies EU GmbH
DMB Technics AG
Bild 1: Rauschmessung eines Netzgerätes mit dem Rauschanteil des Oszilloskops und Testkopfes. Vertikal mit 10 mV/div, DC-Offset ca. 4,7 V. Horizontal mit 20 ns/div.
Bild 1: Rauschmessung eines Netzgerätes mit dem Rauschanteil des Oszilloskops und Testkopfes. Vertikal mit 10 mV/div, DC-Offset ca. 4,7 V. Horizontal mit 20 ns/div.
(dataTec)

Alle Oszilloskope sind breitbandige Geräte, bis zu der angegebenen Systembandbreite und noch darüber hinaus. Und damit haben sie eine unangenehme Eigenschaft, das Rauschen. Je breitbandiger die Geräte sind, umso höher ist dieser Rauschanteil bereits im Eingangsbereich. Zudem werden die analogen Signale digitalisiert, was zu weiteren Rauschquellen führt. Geringere Genauigkeit, besonders bei der Messung von geringen Eingangsspannungen, ist die Folge. Gerade zur Auswahl des richtigen Oszilloskops für eine bestimmte Messung oder gar bei der Kaufentscheidung ist die Spezifikation für die Rauschcharakteristik des Oszilloskops wichtig. Tabelle 1 zeigt für einige Oszilloskope den Rauschanteil je nach der eingestellten Eingangsempfindlichkeit des jeweiligen Oszilloskops.

Das vertikale Rauschen führt zu:

  • Amplitudenmessfehler,
  • indiziert Ungenauigkeiten in der (sin x)/x-Rekonstruktion der Messkurve,
  • induziert Fehler in der Messung von Zeitparametern wie Periodendauer, Pulsbreite, Frequenz oder Anstiegszeiten
  • führt zu unverhältnismäßig dick dargestellten Kurvenformen und
  • die Kurvenformen werden unverhältnismäßig dick dargestellt.
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Nicht alle Hersteller geben ausreichende Spezifikationen für ihre Geräte an – und wenn, dann sind sie oft nicht aussagekräftig bzw. es fehlen weitere Angaben. Die in Tabelle 1 a, b genannten Geräte werden hier miteinander verglichen. Zufälliges Rauschen oder „Weißes Rauschen“ genannt, ist theoretisch unbegrenzt und weist eine Gaußsche Verteilung auf. Unbegrenzt heißt in diesem Zusammenhang je mehr Rauschwerte erfasst werden, umso größere Spitzen-Spitzen-Wertepaare werden erfasst. Daher sollten zufälliger Jitter und das Amplitudenrauschen als RMS-Wert angegeben werden (siehe Tabelle 1 a und 1 b). Die Eingänge der Oszilloskope sind auf einen Eingangswiderstand von 50 ? gesetzt, und es ist die maximale Abtastrate eingestellt.

Wird eine Oszilloskop auf die größte Empfindlichkeit eingestellt (geringster V/div-Wert für die vertikale Skalenteilung) so spricht man oft vom „Base-Line Noise Floor“ (Basisrausch-Pegel). Allerdings muss hier darauf geachtet werden, dass die meisten Oszilloskope eine zusätzliche Bandbegrenzung im empfindlichsten Eingangsbereich aufweisen. Wird also der Rauschpegel von Oszilloskopen im empfindlichsten Eingangsbereich miteinander verglichen, muss auf gleiche Bedingungen geachtet werden sonst vergleicht man fälschlich ein Scope höherer mit einem Scope geringerer Bandbreite.

Ergänzendes zum Thema
Keine Chance dem Systemrauschen

Messungen von kleinen Spannungen oder der Kauf eines Oszilloskops, so sollte der Messtechniker unbedingt die Rausch-Charakteristik der des künftigen Messgerätes anschauen. Nicht alle Oszilloskope sind in diesem Punkt gleich. Vertikales Rauschen kann die Messgenauigkeit erheblich beeinflussen als auch die Ablesbarkeit des digitalisierten Signals beeinträchtigen. Beim Vergleich der Rausverhältnisse verschiedener Oszilloskope sollten die Geräte über gleiche Bandbreite, Eingangsempfindlichkeit (V/div), Abtastrate und Speichertiefe verfügen sowie die gleiche Anzahl an abgetasteten Kurvenformen pro Sekunde durchführen können.

Mit unterschiedlichen Messtechniken lässt sich das Systemrauschen minimieren bzw. eliminieren. Sei es durch mathematische Berechnungen, Durchschnittsbildung, DSP-Filterung und Intensitätsveränderung der Kurven-Darstellung. Damit sind genauere Messungen von Kleinsignal-Spannungen und von zufälligen wie auch deterministischen Signalkomponenten möglich. Grundsätzlich gelten die gleichen Überlegungen auch für Oszilloskope deutlich höherer oder geringerer Bandbreite sowie wie in diesem Beitrag nur Geräte mit einer Bandbreite von 500 MHz bis 1 GHz. Eine wesentliche Verbesserung der Rauschverhältnisse kann erreicht werden, wenn für Oszilloskope neuester Generation ein sehr hohes Maß an Integration im Signalpfad, vom Signaleingang bis AD-Wandler zum Einsatz kommt.

Alle im Beitrag genannten Scopes sind aus laufender Produktion und es wurden jeweils nur der Kanal 1 getestet, da die meisten Anwender auch diesen Oszilloskopkanal am ehesten benutzen. Mit diesen Darstellungen ist nicht gesagt, dass die Werte typisch für das jeweilige Gerät sind aber es wurde unterstellt, dass die Werte für alle Geräte aus der laufenden Produktion der jeweiligen Hersteller repräsentativ sind.

Spitzen-Spitzen-Wert für die Rauschspannung

Intuitiv wird oft der Fehler begangen diesen Basisrauschpegel auf die anderen Empfindlichkeits-(V/div)-Einstellungen zu übertragen. Dabei gibt es aber zwei Rauschanteile in einem Oszilloskop: der eine Anteil rührt von dem Eingangsverstärker und Abschwächer her und stellt im empfindlichsten V/div-Bereich den Rausch-Hauptanteil, der andere Anteil wird erst in den oberen V/div-Bereichen relevant und hat seine Ursache im Dynamik-Bereich, der mit dem V/div gewählt wird. Die Kurvenform erscheint im Display in den oberen Dynamik-Bereichen weniger rauschbehaftet. Vergleicht man aber die Werte in den beiden Tabellen 1a und 1b, sind die RMS-Rauschpegel in den oberen Bereichen jedoch beachtlich hoch und sind für die einzelnen Oszilloskope im 2 bis 3,5 %-Bereich bei einer 1 V/div-Einstellung.

In der Regel sollte das Rauschen bei einem Oszilloskop als RMS-Wert angegeben werden. Doch zuweilen ist auch der Spitze-Spitze-Rausch-Wert von Interesse, da in Bezug auf die Amplitudenmessung dieser Wert den größten Fehlereinfluss bei Echtzeitmessungen oder Messungen ohne Durchschnittswertbildung hat. Nachdem aber das Amplitudenrauschen unbegrenzt ist, muss allerdings bei der Peak-Peak-Messung ein Kriterium definiert werden: wie viele Rauschmessungen durchgeführt werden. Die Tabellen basieren auf einer Messung von 1 Million digitalisierten Messpunkten. Selbst diese 1 Mio. Messpunkte können nicht repräsentativ sein. Aus diesem Grunde wurden 10 Messungen á 1 Mio. Messwerte für jede V/div-Einstellung und mit diesen 10 * 1 Mio. Messungen eine Durchschnittsbildung durchgeführt. Ergebnis ist ein Spitzen-Spitzen-Wert für die Rauschspannung, die in den Tabellen 2 a und 2 b aufgelistet sind.

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