Grundlagen eines Oszilloskops

Das Amplitudenrauschen bei Oszilloskopen

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Aktiv oder passiv – Zufallsrauschkomponente ist dabei

Mit dem „Persistence-Mode“ oder auch Nachleuchtdauer lässt sich der Peak-Peak-Messwert erfassen. Das ergibt allerdings keine vergleichbaren Messwerte, da einerseits die resultierende Speichertiefe sehr unterschiedlich sein kann, ferner können die Update-Raten deutlich unterschiedlich sein. Beim WaveRunner 104Xi und dem MSO7104B von Agilent ergibt sich bei der Einstellung von 20 ns/div eine Updaterate der Messkurven von 30/s bzw. ca. 100.000/s beim Agilent-Oszilloskop. Beträgt die Nachleuchtdauer 10 s, dann nimmt das MSO ca. 3000-mal mehr Daten für die Peak-Peak-Messungen auf. Denn je mehr Daten gesammelt werden, desto größer werden die Spitze-Spitze-Messwerte. Grund sind die zufälligen sowie die Gaußsche-Verteilung von Rausch-Amplituden.

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Die Serie Tec Dates

Zusammen mit dem Messtechnik-Distributor dataTec aus Reutlingen präsentieren wir eine Serie, bei der messtechnische Probleme in den Vordergrund gestellt werden. Wir wollen Ihnen, liebe Leser, mit dieser Serie neben Grundlagenwissen auch Problemstellungen aufzeigen. Sie dürfen gespannt sein.

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Egal ob eine aktive oder passive Tastspitze, denn in beiden Fällen wird sie ihre eigene, additive Zufalls-Rauschkomponente beitragen. Heutige Oszilloskope erkennen den Abschwächungsfaktor der Tastspitze und verändern automatisch die V/div-Einstellung, um den Abschwächungsfaktor des passiven Tastkopfes zu kompensieren. Und damit enthalten die verschiedenen Tastköpfe, entsprechend der Tabellen 1 und 2, eine andere Rauschkomponente. Sind am Scope 20 mV/div eingestellt und ein 10:1-Tastkopf angeschlossen, so wird automatisch der Eingangsabschwächer auf 2 mV/div gesetzt. Das führt zu einem höheren Rauschen, das mit Faktor 10 bewertet wird. Müssen nun kleine Signale dargestellt werden wie Rippel eines Netzgerätes, sollte der 1:1-Tastkopf verwendet werden. Die automatische Veränderung der Eingangs-Abschwächung bzw. -Empfindlichkeit verursacht auch bei einer höheren V/div-Scope-Einstellung eine Bandbegrenzung. Und das nicht nur bei der niedersten Eingangsempfindlichkeit des Scopes.

Rauschen des Oszilloskops herausrechnen

Wird im empfindlichsten Bereich des Oszilloskops gemessen, kann zufälliges Rauschen das eigentliche Nutzsignal verdecken. An einem Beispiel soll gezeigt werden, wie mit Hilfe des Oszilloskops ein im Rauschen liegendes Signal sichtbar gemacht werden kann. Es gibt Tricks, mit denen das Rauschen des Oszilloskops herausgerechnet werden kann. Man verwende einen passiven 1:1-Tastkopf, wie oben beschrieben. Versucht man das Rauschen des Netzgerätes zu messen, werden auch Rauschanteile vom Oszilloskop als auch von der Tastspitze dabei sein, die evtl. das gesuchte Signal überdecken. Werden jedoch die einzelnen Rauschanteile separat untersucht, lässt sich daraus der RMS-Rauschanteil des Signals ermitteln.

Eine andere Möglichkeit für ein Netzteil mit 5 V ist die Offset-Kompensation beim Agilent Oszilloskop der 7000er Serie zu nutzen. Bild 1 zeigt eine Messung mit diesem Offset, bei einer Eingangsempfindlichkeit von 10 mV/div, gemessen mit einem 1:1-Tastkopf. Mit den TeledyneLeCroy- und Tektronix-Oszilloskopen ist die Messung nicht möglich, da sie nur eine Offset-Kompensation von ± 1V ermöglichen. Ein Ausweg bei diesen Oszilloskopen ist es, die AC-Kopplung am Scope-Eingang zu nutzen. Dann kann der DC-Anteil nicht mehr gemessen werden.

Wird der 1:1-Tastkopf mit dem Oszilloskop der MSO/DSO7000-Serie von Agilent verwendet, wird ein Rauschen von ca. 1,5 mV (≙ N in Formel) RMS gemessen. Wird die Tastspitze mit der Masse verbunden, wird nur das RMS-Rauschen des Oszilloskop mit Tastkopf im 10 mV/div-Messbereich ermittelt, zudem ist der Scope-Eingangswiderstand auf 1 MΩ eingestellt und nicht die 50 Ω. Daraus kann erklärt werden, warum dieser Rauschwert von ca. 480 µV (= n2, Formel und Bild 2) deutlich höher ist als der Wert von 250 µV RMS aus Tabelle 1. Wird auf diese Rauschkomponenten die Formel angewendet:

Bild: VBM-Archiv
Bild: VBM-Archiv

So ergibt sich für den Rauschanteil des Netzgerätes ein RMS-Wert von ca. n1 = 1,4 mV. Individuelle deterministische und systematische Komponenten wie die Interferenz mit dem Power-Supply-Takt oder einem System-Takt kann ebenfalls genau gemessen werden, obwohl ein hoher System-Rauschpegel vorhanden ist. Dazu verwendet man einen weiteren Oszilloskop-Kanal durch den man auf diese Taktarten triggert. Sich wiederholende Signalfolgen lassen sich im Rauschen sichtbar machen und Rauschkomponenten herausrechnen. Eine derartige Messung ist in Bild 3 dargestellt.

Ein Blick auf Analog-Oszilloskope

Einige Anwender von Oszilloskopen glauben, dass Digital-Speicher-Oszilloskope ein höheres vertikales Rauschen aufweisen wie die früheren Analog-Oszilloskope. Grundlage dieser Behauptung ist die fette Darstellung einer Kurvenform auf dem Display, Bild 4. Jedoch ist der Rauschpegel bei den heutigen DSOs nicht größer wie bei den früheren Analog-Oszilloskopen gleicher Bandbreite. Zwar werden die extremeren Rausspitzen bei den Analog-Scopes nicht so hell dargestellt wie bei den Digital-Oszilloskopen, da sie wesentlich seltener auftreten wie die Signalform selbst bzw. Rauschkomponenten kleiner Amplitude.

Die Analogtechnik brachte aber eine dritte Dimension in die Betrachtungsweise dieser Signalverhältnisse. Sie zeigt die Häufigkeit des Wiedereintreffens von Signalzuständen bzw. „Rausch“-Komponenten innerhalb eines Kurvenverlaufs durch die Helligkeitsintensität. Das bedeutet auch, dass ältere Analog-Oszilloskope selten auftretende Ereignisse visuell unterdrückten bzw. nicht anzeigen konnten. In der Anfangszeit der Digital-Oszilloskope gab es keine Intensitäts-Modulation – alle erfassten Messwerte wurden gleich hell auf dem Display dargestellt. Zwischenzeitlich gibt es jedoch Oszilloskope über mit Helligkeits-Gradation, um seltener vorkommende Signal-Elemente in ihrer Intensität unterschiedlich darzustellen. Die Agilent-Oszilloskope der Infiniium-Familie verfügen über eine 256 stufige Gradationsskala bei den XGA-Farbdisplays.

Bild 4 zeigt ein 10-MHz-Signal bei einer Einstellung mit 10 mV/div und einer 100-prozentigen Intensitätseinstellung. Ohne Intensitäts-Modulation verhindert das Digital-Oszilloskop die Darstellung von selteneren Peak-Peak-Rauschwerten.

Alternativ kann System-Rauschen und zufälliges Rauschen behoben werden, indem eine Durchschnittswert-Bildung durchführt, sofern periodische Signale gemessen werden, wie in Bild 3. Für Echtzeit-Applikationen oder Einzelaufnahmen, wenn die Durchschnittsbildung nicht angewendet werden kann, bieten einige Oszilloskope einen hochauflösenden Abtast-Modus. Mit dieser Methode können auch im Echtzeit- oder Single-Shot-Modus die hohen Frequenzanteile eines Signales herausgefiltert werden wie Rauschen und Interferenz-Signale. Möglich wird das durch DSP (Digital Signal Processing) und durch digitales Filtern um die vertikale Auflösung zu verbessern, was bis zu einer Auflösung von 12 Bit geht – allerdings zu Lasten der System-Bandbreite.

* Klaus Höing ist für die Öffentlichkeitsarbeit bei dataTec in Reutlingen zuständig.

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