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Messen mit dem Oszilloskop Mehr Details im Signal dank vertikaler Auflösung

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

Mehr Details im Mess-Signal. eine verbesserte vertikale Auflösung präzisiert nicht nur das Messergebnis, sondern auch die Darstellung des Messwertes. Wir zeigen, warum ein 12-Bit-Oszilloskop Vorteile bietet.

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Präzisere Darstellung des Messsignals: Die Osziilloskope von Teledyne LeCroy bieten echte 12 Bit und im Vergleich zur 8-Bit-Technik nutzt nicht einmal der High-Resolution-Modus, um das Ergebnis zu verbessern.
Präzisere Darstellung des Messsignals: Die Osziilloskope von Teledyne LeCroy bieten echte 12 Bit und im Vergleich zur 8-Bit-Technik nutzt nicht einmal der High-Resolution-Modus, um das Ergebnis zu verbessern.
(Teledyne LeCroy)

Bereits seit einigen Jahren sind die die traditionellen analogen Oszilloskope durch digitale Speicher-Oszilloskope ersetzt. Die neueste Entwicklung der High-Definition-Technologie verbindet jetzt 12 Bit A/D-Wandler hoher Abtastrate mit Eingangsverstärkern mit großem Signal-Rausch-Verhältnis und eine rauscharmen Signal-Architektur.

Auf der horizontalen Achse haben die Messgeräte eine dramatische Verbesserung der Genauigkeit erfahren und damit einhergehend verbesserte Messergebnisse horizontaler Parameter wie Frequenz, Pulsweite, Duty-Cycle, Phase, Verzögerung oder Laufzeitunterschiede. Außerdem werden so weitergehende Untersuchungen wie des Jitters möglich. Ein typisches analoges Oszilloskop besitzt eine horizontale Genauigkeit von ±3 Prozent (oder ±5 Prozent bei vergrößerter Darstellung). Digital-Oszilloskope boten dagegen eine horizontale Genauigkeit im Bereich von ±0,01 Prozent, eine deutliche Verbesserung von 300 mal gegenüber den bisherigen ±3 Prozent. Heute verfügen viele Oszilloskope über eine horizontale Genauigkeit von ±0,0005 Prozent oder besser.

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Die vertikale Genauigkeit eines digitales Scopes

Die ersten digitalen Oszilloskope erschienen mit A/D-Wandlern und einer Auflösung von 6 Bit. Das bedeutet 26 = 64 diskrete Spannungsstufen. Nach einigen Jahren hatte sich die Technik gewandelt und 8-Bit-A/D-Wandler mit 256 diskreten Spannungsstufen (28 = 256) wurden eingeführt. In den letzten 30 Jahren blieb der 8-Bit-Wandler der Standard und Verbesserungen konzentrierten sich auf höhere Abtastraten zur Echtzeit-Erfassung immer schnellerer Signale. Während ein 8-Bit-Wandler eine gute Leistung bei Standardmessungen bot, blieb der Wunsch bei der nachträglichen Analyse auch die Möglichkeit zu haben, feinere Details sichtbar machen zu können. Der traditionelle Weg, das zu erreichen war die Mittelung über mehrere Erfassungen oder die Verwendung von mathematischen Methoden zur Erhöhung der Auflösung.

Die Mittelung über mehrere Erfassungen bedeutet, das mehrere Kurvenzüge aufgezeichnet werden müssen um dann einzelne Punkte einer Erfassung mit den entsprechenden Punkten der weiteren Erfassungen zu mitteln. Der Hintergrund ist, dass zufälliges Rauschen auf den Signalen herausgemittelt und eine bessere Messung der vertikalen Spannung durch zusätzliche effektive Bits möglich wird.

Das gemittelte Signal im Bild 1 zeigt deutlich eine Signalverbesserung beim Vergleich des gelben Originals mit der roten 16-fach gemittelten Kurve. Noch deutlicher wird es in der unteren vergrößerten Darstellung. Leider ist nicht alles so einfach. Zum Beispiel zeigen manche Oszilloskope keine Vergrößerung der gemittelten Kurve, sondern lediglich der letzten Einzel-Erfassung. Eine weitere Einschränkung ist, das diese Art der Mittelung nicht bei einzelnen, sich nicht wiederholenden Signalen möglich ist, wie Ein- und Abschaltvorgänge, PRBS- (Pseudo-Random-Binary-Sequence-)Signale oder einfache serielle Bussignale. Jedes sich nicht wiederholende Signal kann nicht gemittelt werden, ohne eine Resultat ohne Bezug zum Original zu erhalten.

Das Bild 2 zeigt ein serielles Bussignal (gelbe Kurve), während die 16-fach gemittelte rote Kurve keinerlei Sinn mehr ergibt, da die Mittelung den Informationsgehalt zerstört hat. Klar ist, dass man eine Mittelung bei einer Seriellen-Bus-Analyse oder jedem anderen sich nicht wiederholenden Signal nicht verwenden darf, auch wenn aufgrund des Rauschen des Busses ein recht dickes Signal erscheint, wie man an der gelben Kurve oben sehen kann.

Ergänzendes zum Thema
Warum doch lieber ein 12-Bit-Oszilloskop?

Ein echtes 12-Bit-Oszilloskop bietet eine 16-fach höhere vertikale Auflösung und eine bessere Genauigkeit. Auch wenn viele Hersteller von 8-Bit-Geräten den High-Resolution-Modus empfehlen, so wird dadurch die Auflösung auf Kosten der Bandbreite erhöht.

Höheres Rauschen und eine geringere Genauigkeit bleiben trotzdem erhalten. Zudem stehen diese mathematischen Verfahren auch bei aktuellen 12-Bit-Geräten zur Verfügung, so dass eine Auflösung von 13, 14 oder 15 effektiven Bits möglich ist. Alle Komponenten sind aufeinander abgestimmt, wodurch bestmögliche Ergebnisse in Genauigkeit, Darstellung und Messung erreicht werden können.

Enhanced Resolution oder High-Resolution-Modus

Bei diesen Methoden wird eine verbesserte vertikale Auflösung durch einen nachträglichen mathematischen Filter erreicht, der mehrere Werte innerhalb des Signals nutzt, erreicht. Der Vorteil ist, dass so ein 8-Bit Oszilloskop in ein 11- oder 12-Bit Oszilloskop mit der entsprechenden zusätzlichen Auflösung verwandelt werden kann. 11 Bit bedeuten 2048 und 12 Bit 4096 diskrete Spannungsstufen, deutlich mehr als die 256 Stufen des eigentlichen 8-Bit A/D-Wandlers. Allerdings hat die zusätzliche Auflösung einen Preis und dieser ist eine reduzierte Bandbreite.

Erschwerend kommt hinzu, dass die reduzierte Bandbreite nicht ein fester Wert ist, sondern von der Ausgangs-Abtastrate abhängt. Diese wiederum hängt vom verfügbaren Erfassungsspeicher und der eingestellten Zeitbasis ab. Mit höhere Zeitbasis kann sich die Abtastrate reduzieren, wenn der verfügbare Speicher für eine schnellere Abtastung nicht mehr ausreicht.

Ergänzendes zum Thema
Teledyne LeCroy auf dem Anwenderforum Oszilloskope

Thema: Signale richtig messen, analysieren und auswerten mit modernen Oszilloskopen.

Oszilloskope sind das meistgenutzte Arbeitsmittel von Ingenieuren in der Hardwareentwicklung. Diese Oszilloskope können heute nicht nur Signale erfassen und darstellen. sonder vielfältige Analysen, Auswertungen und auch Dekodierfunktionen übernehmen.

Trotz immer vielfältigerer und ausgeklügelter Software in den Geräten ist die Kenntnis der Grundlagen ein wichtiger Faktor um Messfehler zu verhindern. In diesem Vortag lernen Sie neben wichtigen Grundlagen, die bei der täglichen Arbeit oft vernachlässigt werden, Tipps und Tricks, wie Sie effektiv die volle Bandbreite der Möglichkeiten moderner Oszilloskope ausnutzen.

Weitere Details zum Anwenderforum Oszilloskope finden Sie hier

Das Beispiel-Oszilloskop aus der Tabelle 1 scheint auf dem Papier über eine ausreichende Abtastrate zu verfügen. Betrachtet man die resultierende Bandbreite bei aktivierten Enhanced- bzw. High-Resolution-Filter sieht man deutlich die Konzessionen, die für eine verbesserte vertikale Auflösung notwendig sind. Entscheidend ist, wieviel Erfassungsspeicher zur Verfügung steht und welche Zeitbasis gewählt wurde. Diese Faktoren haben Einfluss auf die Abtastrate eines Oszilloskops.

Bei einer langen Zeitbasis ist immer mehr Erfassungsspeicher erforderlich, um die erfassten Datenpunkte aufzuzeichnen. An einem bestimmten Punkt ist die maximale Speichergröße erreicht und die Abtastrate muss reduziert werden, damit der komplette Erfassungszeitraum abgebildet werden kann. Die digitale Bandbreite muss reduziert werden. Manche Oszilloskope zeigen die aktuelle reduzierte Bandbreite auf dem Bildschirm an, andere jedoch nicht.

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