Vertikale Auflösung: Von Bits pro Division und Volt pro Bit

| Autor / Redakteur: Matthias Preß * / Hendrik Härter

Das Sinus-Signal ist eine typische Signalform, die der Messtechniker misst. Je höher die vertikale Auflösung, umso genauer wird das Signal dargestellt.
Das Sinus-Signal ist eine typische Signalform, die der Messtechniker misst. Je höher die vertikale Auflösung, umso genauer wird das Signal dargestellt. (Bild: gemeinfrei / CC0)

Neben der Bandbreite spielt die vertikale Auflösung eine entscheidende Rolle, wenn es um die Messgenauigkeit eines Oszilloskops geht. Doch was bedeuten Angaben wie Least Significant Bit oder Bit pro Division?

Wer mit einem Oszilloskop arbeitet, stellt sich manchmal Fragen wie: „Was bedeuten die Bits?“ oder „Warum sehe ich nicht alles?“ Schließlich genügt es nicht, bei einem Oszilloskop nur auf die zur Verfügung stehende Bandbreite zu achten. Ebenfalls Einfluss auf die Qualität des Messergebnisses hat die vertikale Auflösung. Als Beispiel soll ein Eingangsmodul des DL850E ScopeCorder des Herstellers Yokogawa dienen.

Der A/D-Wandler gibt 16 Bit aus, welche sich über den gesamten Messbereich verteilen. Das Display zeigt ±5 Divisions auf der vertikalen Achse an. Tatsächlich gemessen werden jedoch ±10 Divisions. Es gibt also Reserven jeweils nach oben und unten, damit Signale, die über den Bildschirm-Bereich hinausgehen, nicht gleich abgeschnitten werden.

Auf die Voreinstellungen des Scopes achten

In diesem Zusammenhang fällt oft der Begriff des Least Significant Bit oder kurz LSB. Damit meint der Messtechniker diejenige Amplitudendifferenz, welche durch ein Bit gezeigt wird. Einem LSB werden ganzzahlige Volt oder Millivolt zugeordnet. Wenn man diese Ganzzahligkeit im Messbereich erreichen will, bleiben einige Bit übrig, die dann noch jenseits der ±10 Divisions liegen und zum Teil für Fehlermeldungen genutzt werden.

Der ScopeCorder erfasst ±10 Divisions und zeigt dann nur die Hälfte an? Der Vorteil dieser Voreinstellung ist die Erfassung von unvorhergesehenen großen Amplituden, die weder in ihrer Amplitudenhöhe begrenzt noch optisch beschnitten wurden. Der Hersteller Yokogawa bietet eine Möglichkeit an, die Signale jenseits der ±5 Divisions zu sehen, indem man den vertikalen Zoom-Faktor auf Werte kleiner 1 verändert. In den Spezifikationen der Eingangsmodule wird das im Abschnitt „Measurement Range and Display Range“ beschrieben (Bild 1).

Das LSB als kleinste Einheit

Veranschaulichen wir das an einem Beispiel für 50 V/Div. Der gesamte Messbereich ist ±10 Divisions = 20 Divisions groß. Damit ergeben sich für den Messbereich = ±10 Div x 50 V/Div = 20 Div x 50 V/Div = 1000 V. Die 16 Bit entsprechen 216 = 65.536 Stufen oder 65.536 LSB. Ein LSB = Least Significant Bit ist die kleinste Digitalisierungseinheit. Davon verwendet der ScopeCorder 50.000 LSB, da sich somit ein ganzzahliger Spannungswert für ein LSB bzw. Bit errechnen lässt: 1000 V / 50.000 Bit = 0,02 V/Bit = 0,02 V/LSB.

Zusätzlich bietet der verbaute A/D-Wandler noch ungefähr 15.000 Bit. Davon werden ein paar Bit für unterschiedliche Display-Meldungen (A/D-Error, Overrange oder Underrange) verwendet und die verbleibenden Bits gibt es als Bonus zu den spezifizierten ±10 Divisions. Die Bilder zeigen das Verhalten als Beispiel. Im Bild 2 ist die Sinusschwingung nur teilweise auf dem Display-Bereich zu sehen. Mit dem A/D-Wandler wird trotzdem die gesamte Kurve erfasst.

Der vertikale Zoom-Faktor beträgt hier genau 1. Wird der Faktor auf 0,33 gesetzt, ist deutlich zu sehen, dass die Spitzen der Sinusschwingung abgeschnitten wurden, weil sie den Messbereich überschreiten. Oben links am Rand des Bildschirms kann man ablesen, dass für die Messung 100 mV/Div gewählt wurde, der Zoom jedoch so eingestellt ist, dass 300 mV/Div für die aktuelle Darstellung gelten. Ist eine Gesamtdarstellung des Sinus gewünscht, so kann man wie im Bild 4 den Zoom-Faktor 0,4 wählen. Ergänzend zur Zoom-Funktion ist durch die Offset- oder vertikale Positions-Einstellung eine weitere Optimierung der Darstellung möglich

Das Oszilloskop und seine vertikale Auflösung

Das Oszilloskop und seine vertikale Auflösung

21.05.19 - Bei einem Oszilloskop kommt es auf die Bandbreite an. Doch dieser Wert allein genügt nicht. Auch die vertikale Auflösung hat großen Einfluss auf die Qualität des Messergebnisses. lesen

* Matthias Preß arbeitet im Produktsupport bei Yokogawa in Herrsching.

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