So lässt sich die Bandbreite eines Oszilloskops um das Fünffache steigern

| Autor / Redakteur: Daniel Bodganoff * / Hendrik Härter

Bereits wenige Tage, nachdem das Oszilloskop 1000X auf den Markt kam, wurde es gehackt. Auf dem YouTube-Kanal "EEVBlog" wurde gezeigt, wie sich die Bandbreite verdoppeln ließ.
Bereits wenige Tage, nachdem das Oszilloskop 1000X auf den Markt kam, wurde es gehackt. Auf dem YouTube-Kanal "EEVBlog" wurde gezeigt, wie sich die Bandbreite verdoppeln ließ. (Bild: Keysight)

Bei einem modernen Einsteiger-Oszilloskop lässt sich die Bandbreite von 100 MHz problemlos auf 529 MHz erhöhen. Wie das funktioniert und welche Aufgabe der Frequenzzähler dabei hat, zeigt unser Text.

Wer täglich mit einem Oszilloskop arbeitet kommt schnell in die Verlegenheit, mehr aus seinem Messgerät herauszuholen. Das Internet bietet hier reichlich Informationen, wie man die Hardware hacken kann. Eine beliebte Informationsquelle ist der EEVblog [1] des Australiers David L. Jones. Wenige Tage, nachdem das Oszilloskop 1000X von Keysight auf den Markt gekommen war, wurde es gehackt – oder besser gesagt, die Spezifikationen wurden verändert. Im konkreten Fall wurde die Bandbreite verdoppelt.

Dieser sogenannte Spec-Hack könnte man folgendermaßen definieren: Wenn ein Ingenieur fundierte Kenntnisse über seine Ausrüstung dazu einsetzt, eine Geräteleistung zu erzielen, die über die typischen Erwartungen an die Ausrüstung hinausgeht. Der Text soll zeigen, wie man die Spezifikationen des Frequenzzählers in einem Oszilloskop hacken kann. Wer denkt, ein Oszilloskop mit 100 MHz könnte nur Signale bis 100 MHz anzeigen, der irrt. Die Bandbreite eines Oszilloskops ist nicht dadurch beschränkt, was auf der Vorderseite des Gerätes steht.

Was die Bandbreite eines Oszilloskops aussagt

Doch zuerst ein Blick in das Oszilloskop: Ein modernes Oszilloskop ist heute mehr als ein Oszilloskop als man es früher kannte. Seit der Erfindung des Mixed-Signal-Oszilloskops (MSO) durch HP im Jahre 1996 [2] wurden Oszilloskope wie die Einstiegsmodelle der Keysight InfiniiVision 1000 X-Serie mit immer mehr zusätzlichen Messfunktionen ausgestattet. In den letzten Jahren kam auch ein eingebauter Hardware-Frequenzzähler hinzu. Und um die Werbetrommel zu rühren: Man erhält die Zusatzfunktion sogar kostenlos, wenn man das Oszilloskop bei Keysight registriert.

Damit man versteht, wie weit die obere Frequenzgrenze des Frequenzzählers ausgedehnt werden kann, muss man sich anschauen, welche Oszilloskop-Eigenschaften durch die Bandbreiten-Spezifikation beschrieben werden. Ein Oszilloskop mit einer Bandbreite von 100 MHz bedeutet, dass das Oszilloskop für die Amplitude eines sinusförmigen 100-MHz-Eingangssignals einen Wert anzeigt, der um 3 dB unter dem tatsächlichen Amplitudenwert liegt.

Bei einem Sinussignal mit 100 MHz und einer Amplitude von 1 V zeigt das Oszilloskop demnach ein 100-MHz-Sinussignal mit einer Amplitude von 707 mV an. Es mag verrückt erscheinen, dass die gemessene Amplitude eines Signals 30 Prozent kleiner ist als die tatsächliche Signalamplitude – doch genau diese Tatsache beschert eine gewisse Bandbreitenreserve, insbesondere bei Messungen an digitalen Signalen. Es sei daran erinnert, dass ein Rechtecksignal sich aus einer Grundfrequenz und einer unendlichen Anzahl von Harmonischen zusammensetzt.

Die Bandbreite lässt sich austricksen

Wichtig in diesem Zusammenhang ist: Die Bandbreite bestimmt darüber, wie sehr die Amplitude von Signalen jenseits der Bandbreitengrenze abgeschwächt angezeigt werden – und nicht etwa, welche Frequenzen noch zu sehen sind oder nicht. Sie können also auch Signale oberhalb der Bandbreitengrenze sehen, allerdings erscheinen sie kleiner, als sie tatsächlich sind (Bild 1).

Bei der täglichen Arbeit ist das in vielen Fällen tolerierbar. Statt steiler Flanken sieht man mehr oder weniger verschliffene Flanken. Ob das die Design-Entscheidungen beeinflusst oder nicht, hängt vom Einzelfall ab. Will man jedoch den internen Frequenzzähler eines Oszilloskops benutzen, kann man von diesem Effekt profitieren.

Um zu verstehen, warum man bei Frequenzmessungen die Oszilloskop-Bandbreite austricksen kann, muss man die Funktion des Frequenzzählers verstehen. Ein Frequenzzähler heißt deshalb so, weil er die Anzahl der Flanken innerhalb einer gewissen Zeit zählt. Das ist die sogenannte Torzeit. Aus der gezählten Anzahl von Flanken berechnet er dann nach der folgenden Gleichung die Frequenz: Frequenz = Anzahl von Impulsen / Torzeit.

Flankentriggerung und erweiterte Triggerfunktionen

Hardwaremäßig ist ein Frequenzzähler nichts anderes als eine Kombination aus einem Komparator, der Signalflanken erkennt, und einem Mikrocontroller, der diese zählt und anzeigt. In einem Oszilloskop ist diese Infrastruktur bereits im Triggersystem eingebaut.

Die Triggerschaltung eines Oszilloskops enthält Komparatoren im Signalpfad. Die Komparatoren dienen zur Flankentriggerung und für erweiterte Triggerfunktionen. Daher ist es für einen Oszilloskop-Entwickler nicht schwierig, einen Frequenzzähler in das Oszilloskop zu integrieren. Eventuell ist ein wenig zusätzliche Hardware erforderlich, aber die wesentlichen Funktionsblöcke sind bereits vorhanden.

Die wichtigste Spezifikation eines Frequenzzählers ist die Genauigkeit. Je genauer die Zeitbasis, desto genauer der Zähler. Oszilloskope enthalten bereits eine hochgenaue Zeitbasis, die vom Frequenzzähler mitbenutzt werden kann (Bild 2).

Die Triggerschaltung eines Oszilloskops verfügt oft über einen eigenen Signalpfad, der das eigentliche Signal herausfiltert und Rauschen und andere störende Komponenten unterdrückt. Anders als die Signalerfassungsschaltung des Oszilloskops muss die Triggerschaltung das Eingangssignal nicht mit möglichst hoher Genauigkeit rekonstruieren, sondern kann sich auf die einfachere Aufgabe beschränken, Flanken zu identifizieren. Ein Frequenzzähler kann statt des Signalerfassungspfades den Triggersignalpfad nutzen und so die Flanken mit höherer Genauigkeit erfassen.

  • Ein Oszilloskop kann Signale oder Signalflanken jenseits der Bandbreitengrenze anzeigen, wobei jedoch die angezeigte Amplitude kleiner als die tatsächliche ist.
  • Frequenzzähler müssen Flanken zählen, das funktioniert auch dann, wenn die gemessene Amplitude nicht der tatsächlichen entspricht.
  • Ein Oszilloskop verfügt über einen dedizierten, für die Identifikation von Flanken optimierten Signalpfad.

Dadurch kann ein Frequenzzähler im Oszilloskop theoretisch Frequenzen jenseits der Bandbreitengrenze messen. Die Frage ist: Welches ist die höchste messbare Frequenz? Für einen Mitarbeiter von Keysight ist es nicht schwierig, diese Frage zu beantworten. Ich habe mein 100-MHz-Oszilloskop 1000X an einen Performance Signal Generator (PSG) mit 67 GHz angeschlossen. Der PSG lieferte ein gewobbeltes Sinussignal. Jetzt lassen sich die Frequenzanzeigen des PSG und des Oszilloskops beobachten (Bild 3).

Bandbreite stieg von 100 auf 529 MHz

Das 100-MHz-Oszilloskop konnte Frequenzen bis 529 MHz korrekt messen! Das ist mehr als das fünffache der Oszilloskop-Bandbreite (Bild 4). Eine der wichtigsten Spezifikationen eines Frequenzzählers ist die Zeitbasisgenauigkeit. Die Zeitbasisspezifikationen eines Oszilloskop-internen Frequenzzählers entsprechen in der Regel denen des Oszilloskops. Einige Oszilloskope erlauben es, eine externe, hochgenaue Frequenzreferenz zu verwenden. So lässt sich die Zeitbasisgenauigkeit weiter verbessern, auch für Frequenzmessungen.

Es macht immer wieder Spaß, verborgene Fähigkeiten eines Messgeräts zu entdecken. Manchmal handelt es sich dabei um ein in tieferen Menü-Ebenen verstecktes Osterei (Easteregg), manchmal um eine Messung, die zuvor unmöglich galt. Wer genauer und verlässlich messen will, muss über solide Grundlagenkenntnisse verfügen. Dann lassen sich auch Fallen vermeiden, die bei der Fehlersuche in eine falsche Richtung lenken könnten.

Was man über Oszilloskope wissen sollte

Grundlagenwissen Oszilloskope

Messtechnik

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09.04.13 - Um in der Messtechnik ein Signal zu beschreiben, ist es immer noch der beste Weg, wenn es visualisiert wird. Das lässt sich am besten mit einem Oszilloskop bewerkstelligen. Allerdings werden die elektronischen Prüfgeräte immer komplexer und ihre Funktionen umfangreicher. lesen

Referenzen

[1] https://www.eevblog.com/
[2] https://community.keysight.com/community/keysight-blogs/oscilloscopes/blog/2016/09/01/inventing-the-mso (englisch)

* Daniel Bodganoff arbeitet für das technische Marketing bei Keysight Technologies.

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Ganz so einfach, wie sich die Kollegen oben Äußern, hat es sich der Hacker von EEVBLOG nun doch...  lesen
posted am 26.01.2018 um 14:21 von Unregistriert

Netter Bastelvorschlag.  lesen
posted am 26.01.2018 um 14:01 von Unregistriert

Schliesse mich meinen Vorrednern an: Totaler Quatsch! Zudem noch ein Wort zu den genannten...  lesen
posted am 26.01.2018 um 14:00 von roby111

Für ein Fachverlag ein erstaunlich unsinniger Beitrag. Ein Oszilloskop ist bei weitem nicht dazu...  lesen
posted am 26.01.2018 um 11:55 von WolfN

Man nennt diese Methode Keyword Spamming, also unter der Formulierung Bandbreite eines...  lesen
posted am 26.01.2018 um 11:46 von jkirchhof


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