Datenblätter interpretieren Die Spezifikationen eines Oszilloskops und was sie bedeuten

Autor / Redakteur: Thomas Stüber * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Plant eine Entwicklungsabteilung ein neues Oszilloskop, dann werden im Vorfeld Datenblätter verglichen, um das möglichst passendste Gerät zu finden. Doch worauf sollte man genau achten?

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Kann ich den Datenblättern vertrauen? Bei einigen Spezifikationen eines Oszilloskops lohnt es sich, genauer hinzuschauen!
Kann ich den Datenblättern vertrauen? Bei einigen Spezifikationen eines Oszilloskops lohnt es sich, genauer hinzuschauen!
(Bild: Teledyne LeCroy)

Datenblätter sind ein wichtiges und oft verwendetes Informationsmaterial bei der Auswahl eines neuen Produkts. Oftmals ist aber gerade interessant, was nicht oder nur klein gedruckt in einem Datenblatt steht. Dies gilt auch für Oszilloskope, das in der Praxis am häufigsten eingesetzte Messgerät. Schaut man sich die aktuellen Hochglanzprospekte der Anbieter an, so gibt es keinen Hersteller, der nicht die Qualität der Signaldarstellung hervorhebt. Doch was nützt eine die Signaldarstellung, wenn es dabei zu Messfehlern kommt?

Unser Beitrag zeigt einige mögliche Ursachen für Messungenauigkeiten bei modernen Oszilloskopen und zeigt, wo diese Spezifikationen im Datenblatt zu finden sind. Außerdem gibt es Tipps, wie Sie das für Sie richtige Messgerät finden und dieses dann optimal einsetzen können.

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Die wesentlichen Parameter bei einem Oszilloskop

Als ersten Parameter gehen wir auf die analoge Bandbreite ein. Sie ist als die Frequenz definiert, bei der die Eingangsspannung um 1/√2 (-3 dB) gedämpft wird. Man bezeichnet diesen Wert auch als -3-dB-Grenze. In der Praxis wird ein Signal bei dieser Frequenz um fast 30% zu gering dargestellt. Wie verhält sich nun die Amplitudengenauigkeit bis zu dieser Grenzfrequenz?

Leider finden sich in den meisten Datenblättern hierzu keine Angaben und theoretisch sind alle Fehler, die kleiner als 3 dB (also fast 30%), erlaubt. Da jeder Hersteller den typischen Frequenzgang seiner Geräte kennt, lohnt es sich durchaus diese Spezifikation beim Hersteller genauer zu erfragen.

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Spannungsgenauigkeit: Der Amplitudenfehler beträgt bei der Grenzfrequenz bis zu 30%. Doch wie verhält es sich mit der Amplitudengenauigkeit? Die Amplitudengenauigkeit für DC findet sich im Datenblatt. Allerdings geben die Hersteller hier einen Prozentwert von Full-Scale, also von der Vollaussteuerung an. Damit ist dieser Fehler größer als es die Angabe im Datenblatt vermuten lässt. Misst man beispielsweise ein Signal mit 1 V im Bereich 500 mV/Div, so bezieht sich der Fehler nicht auf die 1 V des Signals, sondern auf 500 mV/Div multipliziert mit der Anzahl der vertikalen Einteilungen. Geht man von den üblichen acht Einteilungen aus, so errechnet sich der Fehler aus 8 x 500 mV = 4 V. Hat ein Oszilloskop einen DC-Fehler von 2%, so ergibt sich ein maximaler DC-Fehler von 80 mV oder effektiv 8% bezogen auf die zu messenden Spannung von 1 V.

Wird zur besseren Darstellung das Signal auf dem Bildschirm des Oszilloskops vertikal verschoben, (also der 0-V-Level aus der Mitte der Anzeige mit dem Offset-Regler nach oben oder unten bewegt) kommt zusätzlich noch ein Offsetfehler hinzu. Dieser liegt meistens in der gleichen Größenordnung wie der DC-Fehler.

Die Auflösung und der Einfluss des A/D-Wandlers

Ein digitales Speicheroszilloskop wandelt analoge Signale nicht kontinuierlich, sondern in diskrete Stufen in digitale Werte um. Am häufigsten kommen A/D-Wandler mit 8 Bit zum Einsatz, die ein Signal mit 28 = 256 Amplitudenstufen wandeln. Ein Signal von 1 V kann damit im Idealfall mit 40 mV aufgelöst werden. Dazu muss das Signal mit 1 V den vollen A/D-Wandler-Bereich aussteuern. Das bedeutet, dass Signale, die nur den halben Bildschirm füllen (wenn zwei Signale übereinander dargestellt werden) nur mit maximal 128 Stufen gewandelt werden. Inzwischen gibt es auch DSOs mit verbauten A/D-Wandler und einer Auflösung von 12 Bit = 4096 Amplitudenstufen.

Die Auflösung eines A/D-Wandlers lässt sich mit Hilfe von Software mathematisch verbessern. Das wird als HiRes, ERES oder HD-Auflösung bezeichnet. Allerdings hat das Verfahren auch Nachteile. Da zur Erhöhung der Auflösung dabei Abtastpunkte mathematisch verrechnet werden, geht die Bandbreite deutlich zurück. Problematischer ist, dass diese Verfahren immer davon ausgehen, dass es im Signal Rauschanteile gibt, die spektral gleich verteilt sind (weißes Rauschen). Das gilt nicht immer oder nicht in dem Bereich der Daten, die zusammen gefasst werden, damit sind die Ergebnisse deutlich schlechter als mit einer direkten Abtastung mit einem höher auflösenden A/D-Wandler.

Was bei der Zeitmessung zu beachten ist

Bei Zeitmessungen sind Oszilloskope wesentlich genauer. Der Anwender sollte allerdings einige wichtige Punkte beachten. Zunächst betrachten wir die Anstiegszeit. Für eine korrekte Messung entscheidet die Definition eines Pulses nach IEEE. Hier wird bei einem Puls zwischen Base und Minimum sowie zwischen Top und Maximum unterschieden. Ein Puls kann einen Über- oder Unterschwinger haben, der für die Messparameter, wie die Anstiegszeit, unberücksichtigt bleiben soll.

Um den Base- oder Topwert korrekt zu berechnen, muss ein Histogramm über die Amplitude gebildet werden. Anhand dieses Histogramms kann der Base- und Topwert bestimmt werden. Für ein Histogramm müssen die Messgeräte viel rechnen. Fehlt diese Histogramm-Bildung, so werden Parameter wie Pulsbreite oder Frequenz, die diese Top- und Basewerte als Referenz benötigen, um die korrekten 50% des Amplitudenwerts zu finden, falsche Werte liefern. Ein weiterer Schwachpunkt ist oft, dass nur ein Teil der Kurve oder nur die Bildschirmpunkte zur Berechnung der Messwerte herangezogen werden.

Der Trigger und die Triggerbandbreite

Nur durch den Trigger entsteht ein stehendes Bild. Bereits Einstiegsmodelle bieten Trigger auf Pulsbreiten oder digitale Bitmuster an. Einen Blick auf die Triggerbandbreite des Flankentriggers im Datenblatt sollte man auch nicht vergessen. Vor allem dann, wenn man sich ein DSO mit einer Bandbreite über 1 GHz zulegen möchte. Die Bandbreite sollte ≥ der analogen Bandbreite sein.

Es wäre ärgerlich, wenn ein DSO mit 8 GHz ein Signal nicht sicher erfassen kann, da die Triggerbandbreite auf 3 GHz begrenzt ist. Je mehr Trigger-Funktionen, umso mehr Chancen bei kniffligen Signalen das Problem schnell zu lokalisieren. Nicht alle im Datenblatt aufgeführten Funktionen sind in Hardware realisiert. Oft sind es lediglich Software-Trigger. Sie überwachen das Mess-Signal nicht mit einer Hardware in Echtzeit auf das Triggerereignis, sondern durchsuchen die im Speicher befindlichen Werte nach einem Ereignis und sind für sporadische Ereignisse ungeeignet.

Der Einfluss der Abtastrate auf das Messergebnis

Gibt an, mit welchem zeitlichen Abstand das Oszilloskop ein Signal abtastet. Man unterscheidet zwischen der Abtastrate für Einzelerfassungen (Single Shot) und repetierende Erfassungen. Solche werden als RIS = Random Interleave Mode oder ET = Equivalent Timing Mode bezeichnet. Durch eine Mehrfachabtastung des Signals wird eine zeitlich feinere Auflösung als bei einer Einzelerfassung ermöglicht. Dieser Erfassungsmodus lässt sich nur für wiederkehrende Signale anwenden.

Für die notwendige Abtastrate gibt es einen theoretischen Wert, der sich aus dem Nyquist-Theorem ableitet. Es reichen theoretisch zwei Abtastwerte pro Periode, um ein Sinussignal wiederherzustellen. Interessanter ist der praktische Ansatz, eine schnelle Signalflanke zu messen. Gemessen wird im Beispiel (Bild 3) eine Flanke mit einer Anstiegszeit von 350 ps und das mit drei unterschiedlichen Abtastraten: Blau mit 10 GS/s, Rot mit 5 GS/s und Gelb mit 2,5 GS/s.

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Werden die echten Abtastwerte dargestellt, so wird die Flanke mit 5 GS/s noch ausreichend dargestellt. Die Flanke bei 2,5 GS/s wird mit deutlich zu wenig Punkten dargestellt. Auf die Messwerte bezogen, ist nur die Messung mit 10 GS/s (P3) korrekt. Häufig besitzen die DSOs Funktionen wie sinx/x-Interpolation (Bild 4). Für eine bessere Signaldarstellung lassen sich die erfassten Punkte mit einer Sinusfunktion verbinden.

Selbst das mit 2,5 GS/s zu gering abgetastete Signal sieht mit der Funktion optisch gut aus. Um Fehlmessungen zu verhindern gilt als Faustformel, dass eine Flanke mit mindestens drei Punkten abgetastet werden sollte. Für die Auswahl eines DSOs gilt im Umkehrschluss, dass die Abtastrate so gewählt werden sollte, dass diese Bedingung erfüllt ist. Für ein DSO mit einer Bandbreite von 1 GHz und einer Anstiegszeit von 350 ps ist eine Abtastrate von 350 ps/3 also 100 ps bzw. 10 GS/s ideal.

* Thomas Stüber ist Leiter Applikation beim Messtechnik-Spezialisten Teledyne LeCroy in Heidelberg.

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