Grundlagenwissen Messtechnik

Die passende Bandbreite eines Oszilloskops auswählen

| Autor / Redakteur: Klaus Höing * / Hendrik Härter

Bild 1a: Oszilloskop mit einem Gaußschen-Frequenzgang bei fBW < 1 GHz
Bild 1a: Oszilloskop mit einem Gaußschen-Frequenzgang bei fBW < 1 GHz (dataTec)

Welche Bandbreite passt zu meiner Messaufgabe? Wir zeigen einige Überlegungen zur Abschätzung der notwendigen Scope-Bandbreite, wenn digitale oder analoge Signale gemessen werden sollen.

Bandbreite ist die wichtigste Spezifikation bei der Selektion eines Oszilloskops. Passt das Scope zu meiner jeweiligen Messaufgabe? Alle Oszilloskope weisen im Prinzip einen Frequenzgang wie ein Tiefpassfilter auf. Allerdings unterscheiden sie sich darin, wie der Frequenzgang ab der -3 dB-Grenze abfällt. Die meisten Sopes mit einer Bandbreite > 1 GHz weisen einen steileren Abfall auf. Scopes mit einer Bandbreite < 1 GHz haben ein Gaußsches-Verhalten, was bedeutet, dass sie bereits ca. 1/3 ihrer Bandbreite vor dieser -3dB-Grenze die Eingangssignale dämpfen (roll-off).

Der Frequenzgangunterschied

Breitbandigere Oszilloskope (>1 GHz) wiesen einen möglichst flachen Frequenzgang bis kurz vor diesem -3dB-Punkt auf, um dann sehr schnell abzufallen (Bild 1). Der Frequenzgangunterschied wird für weitere Überlegungen noch eine wichtige Rolle spielen. Ein Oszilloskop hoher Bandbreite (>1 GHz) kann wesentlich genauere Messungen der Puls-Flankensteilheit durchführen wie der andere Oszilloskop-Typ, sofern die Signale und deren Signalfrequenzanteile innerhalb der Bandbreite fBW liegen. Haben beide Oszilloskop-Typen die gleiche Bandbreite, so weist das Oszilloskop mit dem Gaußschen Verlauf eine schnellere Eigen-Anstiegszeit auf, sofern in der Nähe der Bandbreite fBW gemessen wird, da die höheren Frequenzanteile nicht so stark gedämpft werden.

Andererseits ist es oft nützlich höhere Signal-Frequenzanteile zu unterdrücken, um das Aliasing zu vermeiden, um damit auch dem Nyquist-Kriterium fS = 2 * fMAX zu genügen; (siehe Beitrag, Heft 13, Seite 52). Egal welchen Frequenzgang nun das Oszilloskop aufweist – der -3 dB-Punkt legt definitionsgemäß die Bandbreite des Oszilloskops fest. Dies bedeutet aber, dass Frequenzanteile bei dieser Bandbreitenfrequenz bereits mit ca. 30% geringerer Amplitude angezeigt werden bzw. in die Messung eingehen. Dies führt dazu, dass keine genauen und aussagekräftigen Ergebnisse erwartet werden können, wenn die zu messenden Signale bedeutende Frequenzanteile in der Nähe der Oszilloskop-Bandbreite aufweisen.

Spezifikation der Eigen-Anstiegszeit

In gleichem Zusammenhang mit der Oszilloskop-Bandbreite ist auch die Spezifikation der Eigen-Anstiegszeit des Oszilloskops zu sehen. Scopes mit der Gaußschen Übertragungsfunktion weisen eine Anstiegszeit (10 bis 90%) von ca. 0,34 /fBW auf, während bei den anderen Oszilloskop-Typen die Anstiegszeit (10 bis 90%) mit 0,4 /fBW gerechnet werden darf – wobei dieses natürlich von der schärfe des Knicks im Frequenzgang abhängt.

Es ist allerdings auseinander zu halten: Die Eigen-Anstiegszeit des Oszilloskops ist der Wert, der auf dem Display zu sehen wäre, wenn das Eingangssignal eine theoretische Anstiegszeit von 0 ps aufweisen würde. Die Spezifikation der Eigen-Anstiegszeit eines Oszilloskops lässt sich nicht direkt messen, da es keinen Pulsgenerator gibt, der eine Anstiegszeit von 0 ps liefert. Allerdings lässt sie sich abschätzen, wenn man Eingangsimpulse hat, die 3 bis 5 mal schneller als die Eigen-Anstiegszeit des Oszilloskops ist.

Die Signal-Anstiegszeiten messen

Als Daumenregel kann man aufstellen: Die Oszilloskopbandbreite sollte 5-mal der Taktfrequenz des schnellsten zu messenden Signals sein, dann ist das Scope in der Lage die 5. Harmonische des Taktsignals zu erfassen. Und damit lässt sich ein Rechteck-Signal als solches auf dem Bildschirm erkennen. Anders sieht es aus, wenn man die Signal-Anstiegszeiten messen will. In diesen Anstiegszeiten „stecken“ die hohen Frequenzanteile und die oben genannte Daumenregel beinhaltet nicht die hohen Frequenzanteile, um die schnellen Flankenzeiten auszumessen.

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