So erkennen Sie die Signalgüte eines Oszilloskops

Sind Grundrauschen und ENOB-Wert wirklich die wesentlichen Parameter eines Oszilloskops? Wir betrachten diese Parameter genauer und wie sie die Signalgüte wirklich beeinflussen.

Der Eingangsverstärker ist für das auf einem Oszilloskop sichtbare Rauschen verantwortlich. Allerdings ist für einen Großteil des Rauschens ein anderes Teil des Oszilloskops verantwortlich: der A/D-Wandler. Der A/D-Wandler rauscht unabhängig vom Eingangsverstärker und wandelt das Rauschen von analog zu digital bis zu der halben Abtastrate, der Nyquistfrequenz, um.

Das geschieht selbst dann, wenn die Eingangsverstärker bei dieser Nyquistfrequenz gar kein Signal mehr liefern. Diese Nyquistfrequenz, bis zu welcher der A/D-Wandler Rauschen liefert, wird als Rauschbandbreite bezeichnet. Je größer die Rauschbandbreite ist, umso mehr Grundrauschen wird auf dem Oszilloskop angezeigt. Ein Oszilloskop mit einer Abtastrate von 1 GS/s neigt daher zu deutlich weniger Rauschen des A/D-Wandlers als ein Gerät mit 20 GS/s. Dabei spielt es keine Rolle, ob die analoge Bandbreite der beiden Oszilloskope identisch ist.

Die Güte des ENOB-Wertes bestimmen

Begrenzt man die Bandbreite nach der A/D-Wandlung auf die analoge Bandbreite des Eingangsverstärkers mit einem digitalen Filter, lässt sich das Grundrauschen des Oszilloskops deutlich verringern. Die Rauschbandbreite des A/D-Wandlers ist auf ein notwendiges Maß reduziert, ohne dass es negative Auswirkungen auf die Signaldarstellung hat (blaue Kurve, Bild 1).

Für optimale Grundrauschwerte lässt sich die digitale Filterung so steil einstellen, dass oberhalb einer Bandbreite von 3 dB des Eingangsverstärkers keinerlei Signalanteile und somit auch kein Rauschen mehr vorhanden sind (grüne Kurve, Bild 1).Die Filter werden wegen des extrem steilen Frequenzabfalls als Brickwall-Filter bezeichnet. Allerdings haben Brickwall-Filter auch Nachteile, die einen sehr starken Einfluss auf die Signaldarstellung haben. Hier spricht man von einer sogenannten Gruppenlaufzeit-Verzerrung. Den Sachverhalt erklären wir später im Text.

Die Güte eines A/D-Wandlers lässt sich über den ENOB-Wert beurteilen. Auch wenn der Name es vermuten lässt, hat er doch nichts mit der tatsächlichen Auflösung des A/D-Wandlers zu tun. Um den ENOB zu messen, wird ein idealer Sinus mit der für den A/D-Wandler maximalen Amplitude eingespeist. Anschließend wird das digitalisierte Sinussignal auf verschiedene Unstimmigkeiten untersucht, was im Wesentlichen Rauschen und Verzerrungen sind. Fasst man die Fehler im Signal zusammen und wandelt sie in virtuelle Bits um, wird der Wert von der nominalen Auflösung des A/D-Wandlers abgezogen.