Messtechnik im Wandel

Vom analogen Oszilloskop bis zum digitalen 12-Bit-Gerät

| Autor / Redakteur: David Maliniak * / Hendrik Härter

Hoch aufgelöst: HD4096 ist eine High-Definition-Technologie von Teledyne LeCroy. Echte 12-Bit-Hardware garantiert saubere und rauscharme Signale. Dargestellt ist das HDO4054, ein Oszilloskop mit 4 Kanälen und 500 MHz bei einer Abtastrate von 2,5 GS/s und 12,5 Mpts /ch Speichertiefe pro Kanal.
Hoch aufgelöst: HD4096 ist eine High-Definition-Technologie von Teledyne LeCroy. Echte 12-Bit-Hardware garantiert saubere und rauscharme Signale. Dargestellt ist das HDO4054, ein Oszilloskop mit 4 Kanälen und 500 MHz bei einer Abtastrate von 2,5 GS/s und 12,5 Mpts /ch Speichertiefe pro Kanal. (Teledyne LeCroy)

Die Messtechnik hat sich von analogen Osziloskopen in Richtung hochauflösender, digitaler Speicheroszilloskope mit echter 12-Bit-Auflösung gewandelt.

Es gibt verschiedene Wege, um eine elektromagnetische Wellenform zu beschreiben, von mathematischen Gleichungen, bis hin zu komplexen Beschreibungen mit Amplituden-, Phasen-, Zeit- und Frequenz-Parametern. Alle Methoden beschreiben die Wellenform stark abstrahiert und sie lassen sich nur schwer für eine praktische Anwendung nutzen. Der beste Weg ein Signal zu beschreiben ist immer noch, wenn es visualisiert wird. Und das geht am besten mit den am weitesten verbreiteten Messgerät, das als elektronisches Prüfgerät entwickelt wurde: das Oszilloskop.

Ergänzendes zum Thema
 
Oszilloskope mit 12 Bit sind präziser

Anfang des 20. Jahrhunderts gab es Versuche der Signal-Visualisierung in Form von mechanischen Methoden. Man konzentrierte sich dabei im Wessentlichen auf Oszillographen, die entweder auf Papier zeichneten, nämlich von Hand oder mechanisch, oder die fotografische Bilder erzeugten. Die etwas primitiven Methoden verbesserten sich im Laufe der Zeit. Die Anwender wollten die offensichtlichen Einschränkungen verbessert haben - im Wessentlichen den Frequenzgang.

Das Analog-Oszilloskop für Designer und Entwickler

Der Quantensprung in der Oszilloskop-Technologie kam mit der Kathodenstrahlröhre (CRT). Entwickelt im Jahre 1897 von Karl Ferdinand Braun war sie zunächst ein Laborapparat. Ein Physik-Experiment, mit sehr begrenzten Anwendungsmöglichkeiten in der Wissenschaft und Forschung, in erster Linie durch die sehr hohen Spannungen, die für ihren Betrieb erforderlich waren.

Durch einem stetigen Strom von technischen Veränderungen konnte die Röhrentechnik über die Jahre für die Anwendung in der Forschung und Technik immer mehr verbessert und werden. Wesentlich für den Erfolg war eine verbesserte Stabilität und die thermischen Eigenschaften der Elektronenstahlemission, wodurch die zum Betrieb erforderliche Spannung deutlich reduziert werden konnte.

Am Anfang konnten die Messergebnisse nicht gespeichert werden

Mit den 1940er Jahren hielten auf CRTs basierende analoge Oszilloskope Einzug in Design- und Entwicklungslabors. Die Analog-Oszilloskope gaben dem Anwender, was sie gesucht hatten: eine stabile, präzise Anzeige der erfassten Signale. Das ermöglichte bis dahin nicht gekannte Einblicke in das Verhalten von Schaltungen. Durch zahlreiche technische Fortschritte konnten die analogen Messgeräte Schritt halten mit den Messanforderungen. Und das bis weit hinein in das digitale Zeitalter.

Darunter waren grundlegende Erfindungen wie die getriggerte Signalerfassung, der automatische Sweep-Modus oder der XY-Modus. Der XY-Modus stellt Lissajous-Figuren dar, welche für die Analyse von Phasendifferenzen zweier Eingansgsignale sehr nützlich sind. Allerdings hatten analoge Oszilloskope einige systembedingte Einschränkungen. Zum einen war es nicht leicht, Messungen an den dargestellten Signale zu machen. Und selbst wenn, es gab keine andere Möglichkeit die Ergebnisse zu dokumentieren, als die Zahlen aufzuschreiben. Der Signalverlauf konnte nur mit Hilfe einer Oszilloskop-Kamera als Foto gespeichert werden. Darüber hinaus zeigten die Röhren mit der Zeit oft störende Artefakte, wie das Phosphorblühen, was zu einer Verzerrung der Wellenformen bis hin zu einer schlauchförmigen Anzeige führte.

Digitale Systeme verdrängen Analoge-Geräte

Bild 1: Ein Beispiel für ein analoges Oszilloskop. Das Modell 485 von Tektronix bot 350 MHz und ist ein Dual-Channel-Instrument. Es kam im Jahr 1973 auf den Markt.
Bild 1: Ein Beispiel für ein analoges Oszilloskop. Das Modell 485 von Tektronix bot 350 MHz und ist ein Dual-Channel-Instrument. Es kam im Jahr 1973 auf den Markt. (Teledyne LeCroy)

In den 1980er Jahren erschienen die ersten Digital-Oszilloskop auf der Bildfläche. Das Digital-Oszilloskop verwendet dabei einen modernen Ansatz zur Visualisierung der Signale. Anstatt der direkten Anzeige der erfassten Wellenformen verwenden digitale Oszilloskope Hochgeschwindigkeits Analog zu Digital-Wandler (ADCs), um das analoge Eingangssignal abzutasten und in eine Reihe von digitale Werten proportional der Signalamplitude umzuwandeln. Mit Hilfe der digitalen Amplitudenwerte wird anschließend das Signal rekonstruiert und als einer dem analogen Signal entprechenden Wellenform auf dem Display dargestellt.

Digital-Oszilloskope stellen aus einer Reihe von Gründen einen wichtigen Fortschritt gegenüber analogen Scopes dar. Werden die analogen Eingangssignal in eine digitale Form umgewandelt, können die Signale in vielfältiger Weise nachbearbeitet und analysiert werden. Hierzu gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, einschließlich anspruchsvoller mathematischer Funktionen sowie quantitative Messungen der Signal-Parameter wie Frequenz, Amplitude, Periode, Anstiegszeit/Abfallzeiten, Peak-to-Peak-Spannungen, Phasendifferenzen Anstiegsgeschwindigkeiten, und viele andere.

Welche Parameter bei einem Oszilloskop entscheidend sind

Wird das Eingangssignal digitalisiert werden Parameter wichtig, um die Leistungsfähigkeit des Digital-Speicher-Oszilloskop zu beschreiben. Angeführt wird die Liste von der analogen Bandbreite. Das ist die Frequenz, bis zu dem das Oszilloskop genaue Messergebnisse liefern kann. Die Bandbreite wird in der Regel in Megahertz oder Gigahertz angegeben.

Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Abtastrate. Sie gibt an, wieviele Abtastungen pro Sekunde der ADC das Signal erfasst und die Daten in den Erfassungsspeicher schreiben kann. Schnellere Abtastraten bedeuten, dass das DSO mehr Details im zeitlichen Verlauf auflösen und analysieren kann. Die Speichertiefe ist ein weiterer wichtiger Parameter. Er gibt an, wieviele Signalpunkte das DSO in einer einzelen Erfassung lückenlos aufzeichnen kann. Die Speichertiefe ist begrenzt durch den zur Verfügung stehenden Erfasungsspeicher im DSO und wird typischer Weise in Kilo- oder Mega-Punkte pro Kanal angegeben.

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