Das Oszilloskop und seine vertikale Auflösung

| Autor / Redakteur: David Maliniak * / Hendrik Härter

Qualität des Messergebnisses: Neben der Bandbreite spielt die vertikale Auflösung bei einem Oszilloskop eine entscheidende Rolle. Denn eine hohe Auflösung des A/D-Wandlers hängt zusammen mit der Qualität des Messergebnisses.
Qualität des Messergebnisses: Neben der Bandbreite spielt die vertikale Auflösung bei einem Oszilloskop eine entscheidende Rolle. Denn eine hohe Auflösung des A/D-Wandlers hängt zusammen mit der Qualität des Messergebnisses. (Bild: Teledyne LeCroy)

Bei einem Oszilloskop kommt es auf die Bandbreite an. Doch dieser Wert allein genügt nicht. Auch die vertikale Auflösung hat großen Einfluss auf die Qualität des Messergebnisses.

Wer heute mit einem Oszilloskop arbeitet wird sich kaum noch daran erinnern, wie es in den 1960er und 1970er Jahren zur Blüte der analogen Oszilloskope ausgesehen hatte. Doch viele von diesen Geräten haben überlebt und heute noch im Einsatz. Allerdings darf man keine große Bandbreite verlangen. Auch das kalibrieren der Geräte ist nicht ganz preiswert. Gerade auf lokalen Funkamateur-Ausstellungen findet man noch das eine oder andere Schnäppchen.

Doch der Lerneffekt mit den analogen Oszilloskopen ist enorm. Das trifft gleichfalls bei einem HF-Design zu. Schaut man sich die Entwicklung bei den Oszilloskopen an, so war diese getrieben von der Bandbreite. Für einen Amateur reichte eine Bandbreite von 30 MHz, um beispielsweise einen grundlegenden Blick auf die Ausgangsfrequenz eines HF-Senders zu erhalten. Doch die Bandbreiten bei einem Oszilloskop stiegen recht schnell an: Bandbreiten bis 100 MHz waren möglich, um neben der Grundwelle noch die dritte, vierte oder sogar fünfte Harmonische sehen zu können.

Der A/D-Wandler und die vertikale Auflösung

Doch sind die analogen Oszilloskope längst in den Hintergrund gerückt und haben den digitalen Oszilloskopen den Weg geebnet. Wer sich als Amateur ein Oszilloskop zulegt, gibt sich mit einer Bandbreite bei den digitalen Geräten mit 100 MHz zufrieden. Hingegen benötigen professionelle Anwender viel mehr Bandbreite. Anbieter wie Teledyne LeCroy bieten mit dem LabMaster 10-Zi-A bietet 100 GHz mit Abtastraten von bis zu 240 GS/s. Verbaut ist der aktuellste Stand der Technik.

Für ein digitales Oszilloskop bedeutet Bandbreite viel, ist aber nur ein Teil bei den Spezifikationen. Zum einen gibt es bei hohen Rechenleistungen aktueller Geräte beispielsweise verschiedene Triggeroptionen und eingebaute Messmöglichkeiten, die zu berücksichtigen sind. Neben den High-End-Geräten sind es auch die kleineren, tragbaren Oszilloskope wie die Serien T3DSO1000 und T3DSO2000, die einiges zu bieten haben. Ein Problem bei den digitalen Scopes ist die vertikale Auflösung. Bereits die ersten digitalen Geräte waren besser als die analogen Oszilloskope. Die ersten digitalen Oszilloskope hatten einen A/D-Wandler mit einer Auflösung von sechs Bit. Nach einigen Jahren wichen sie einem A/D-Wandler mit acht Bit. Rechnerisch bietet ein A/D-Wandler mit sechs Bit 64 diskrete Stufen. Diese Auflösung ist für viele Anwendungen ausreichend. Besser sind jedoch A/D-Wandler mit acht Bit: 28 = 256 Stufen.

Hersteller tricksen bei der Auflösung

Doch man muss sagen, dass viele Hersteller hier etwas tricksen. Denn mit Software lässt sich eine höhere vertikale Auflösung nachahmen, einschließlich der Mittelwertbildung mehrerer Messreihen und dem, was der Hersteller als „Enhanced Resolution“ oder „High Resolution“ bezeichnet. Zwar haben beide Techniken ihre Berechtigung, aber doch schränken sie ein und es sind nur Kompromisse, wenn es auf ein genaues Messergebnis ankommt.

Doch die Entwicklung bei den A/D-Wandlern ist nicht stehen geblieben. Es gibt Wandler, die bieten eine Auflösung von bis zu 32 Bit und Abtastraten von bis zu 4 GS/s. Ganz so hoch ist die Auflösung der A/D-Wandler bei Teledyne LeCroy nicht. Doch im Frontend sind Wandler mit 12 Bit verbaut. Das sind immerhin 4096 Quantisierungsstufen. Dazu mussten die Entwickler der Oszilloskope jedoch einiges an Know-how einfließen lassen. Entstanden ist der WavePro HD 12 Bit. Der Wert von 12 Bit ist im Vergleich zu einem Oszilloskop mit 8 Bit um den Faktor 16 besser.

Eine höhere Auflösung senkt den Fehler

Bei unterschiedlichen A/D-Wandlern (blau, rot und grün) wird ein analoges Ausgangssignal unterschiedlich präzise abgetastet. Je höher die Auflösung, desto genauer das Messergebnis.
Bei unterschiedlichen A/D-Wandlern (blau, rot und grün) wird ein analoges Ausgangssignal unterschiedlich präzise abgetastet. Je höher die Auflösung, desto genauer das Messergebnis. (Bild: Teledyne LeCroy)

Was genau bedeutet das für den Anwender? Konkret heißt das, es werden mehr Details des Signals sichtbar. Das Bild links zeigt beispielsweise eine Darstellung, wie 8-Bit-, 10-Bit- und 12-Bit-A/D-Wandler (blau, rot und grün) die Quantisierung einer analogen Signalform ermitteln. Diese Zahl ist eine vergrößerte Ansicht einer rauschfreien, idealen Wellenform. Zu sehen ist der Fehler, der durch das Abtasten dieser Wellenform mit unterschiedlichen Auflösungen verursacht wurde. Bei dieser extremen Zoomeinstellung erzeugt der 8-Bit-Wandler relativ große Fehler, die sich beim 12-Bit-Wandler auf einen relativ kleinen Fehler reduzieren. Es ist wichtig zu beachten, dass es sich um eine ideale, rauschfreie Wellenform handelt und dass sie vergrößert ist, um den Fehler anzuzeigen. Das ist der Unterschied, den ein A/D-Wandler mit vier Bit im Vergleich zu einem 8-Bit-A/D-Wandler und schließlich zu einem 12-Bit-Wandler ausmachen.

Klar ist allerdings auch, dass künftig die Bandbreiten bei den Oszilloskopen weiter steigen werden. Doch was heute bessere Messgeräte antreibt, ist eine höhere vertikale Auflösung, die rein durch eine geänderte Hardware-Architektur des Oszilloskops erreicht wird.

* David Maliniak ist für das Technical Marketing Communications bei Teledyne LeCroy verantwortlich.

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