Messtechnik im Wandel

Vom analogen Oszilloskop bis zum digitalen 12-Bit-Gerät

| Autor / Redakteur: David Maliniak * / Hendrik Härter

Wie wichtig die vertikale Auflösung des Scopes ist

Im Laufe der Jahrzehnte konnten alle wichtigen Parameter, wie Bandbreite, Abtastrate und Speichertiefe, mit jeder neuen Generation von DSOs übertrofen werden. Allerdings gibt es eine weitere Schlüssel-Spezifikation, die solange es DSOs gibt nicht wirklich hinterfragt wurde: die vertikale Auflösung.

Die vertikale Auflösung hängt von der ADC-Auflösung ab und bestimmt die Fähigkeit, wie fein der ADC die Signale digitalisieren und anschließend auf dem Bildschirm anzeigen kann. Daneben beeinflusst die digitale Auflösung, wie detailiert die Daten für Messungen und Analysen zur Verfügung stehen. Spezifikationen der Auflösung sind für viele Elektronik-Artikel, wie Smartphones, Tablets, Kameras und TV-Monitore, ein wichtiges Qualitätsmerkmal.

Welchen Effekt eine größere ADC-Auflösung in einem Oszilloskop hat, kann man mit den Unterschieden zwischen einer älteren Generation digitaler Fernseher und einem aktuellen Gerät mit einer Auflösung von 1080p vergleichen. Betrachtet man zum ersten mal das Bild eines HDTV Gerätes erkennt man sofort die drastischen Verbesserung der Schärfe, Farbe und Klarheit der Bilder. Den gleichen Effekt hat man, wenn man die Darstellung der Signale von einem älteren digitalen Oszilloskop mit denen eines hochauflösenden Oszilloskop (HDO) vergleicht.

Der Oszilloskop-Parameter, der am stärksten von der ADC-Auflösung betroffen ist, ist die vertikale Genauigkeit. Je höher die vertikale Auflösung, um so detailreicher und feiner kann das Signal abgetastet werden. Die ersten digitalen Oszilloskope, welche die Daten in Echtzeit erfassen konnten, wurden mit 6-Bit-ADCs ausgestattet. ADCs haben eine Auflösung von 2n Bits, im Fall der 6-Bit-ADC bedeutet das 26 Bit oder 64 vertikale Quantisierungspegel.

Sehr schnell wurden diese durch Oszilloskope mit 8-Bit-ADCs abgelöst, die eine Auflösung von 28 Bit, also 256 vertikalen Quantisierungsstufen haben. Dadurch konnte die vertikale Genauigkeit um den Faktor vier verbessert werden, was sich positiv auf die Genauigkeit des Gesamtsystems auswirkte. Doch in den anschließenden 30 Jahren hat sich die Auflösung der Oszilloskope bis auf wenige Nischengeräte nicht verändert. Performance-Verbesserungen wurden vor allem in Form von höheren Abtastraten erzielt. Dies ermöglicht eine schnellere Echtzeit-Signalerfassung, aber die vertikale Auflösung und Präzision blieb dabei aber unverändert.

Mathematische Verfahren verbessern die vertikale Auflösung

Es gibt einige mathematische Verfahren, um die vertikale Auflösung zu erhöhen. Die häufigste ist das sogenannte Averaging. Wird der Mittelwert des selben Signals gebildet, wird ein unkorreliertes Rauschen herausgemittelt. Das führt zu einer höheren effektiven vertikalen Auflösung. Dieser Ansatz hat einige Nachteile. Die Mittelung ist nur sinnvoll bei wiederkehrenden Signalen.

Ebenfalls darf sich das Signal über die Erfassungsdauer nicht ändern und es muss sehr stabil relativ zum gewählten Triggerzeitpunkt sein. Beispiele einer nicht-repetitiven Signalform sind das Ein-/Ausschaltverhalten einer Schaltung, die meisten seriellen Datenströme oder eine pseudo-zufällige Binärsequenz (PRBS). Für jede Signalform die nicht wiederkehrende ist, ob Impuls, Rampe oder Sinussignal, liefert die Mittelung nur bedeutungslose Ergebnisse.

Bild 2: Die Mittelwertbildung aus mehreren Signalerfassungen ist eine Möglichkeit, die vertikale Auflösung per Software zu verbessern. In diesem Beispiel wird ein kontinuierliches Rechtecksignal (grünes Signal) gemittelt und ist als Zoomfunktion (Magenta Signal) vergrößert dargestellt.
Bild 2: Die Mittelwertbildung aus mehreren Signalerfassungen ist eine Möglichkeit, die vertikale Auflösung per Software zu verbessern. In diesem Beispiel wird ein kontinuierliches Rechtecksignal (grünes Signal) gemittelt und ist als Zoomfunktion (Magenta Signal) vergrößert dargestellt. (Teledyne LeCroy)

Mit der Enhanced-Resolution oder auch hochauflösender Erfassungsmodus (HiRes-Modus) erhöht ebenfalls die vertikale Auflösung. Diese Technik beruht auf eine Mittelung benachbarter Abtastpunkte. Bei dieser Methode werden innerhalb einer einzelnen Signalerfassung zeitlich nacheinander erfasste Abtastspunkte gemittelt. Die Art und Weise wie die Abtastpunkte gemittelt werden, beeinflusst die Charakteristik dieser Funktion. Werden alle Abtastpunkte gleich bewertet, spricht man von einem Boxcar-Filter.

Diese sehr einfache Implementierung führt zu starken Signalverzerrungen im Grenzbereich der Funktion. Besser ist eine Gewichtung der Abtastpunkte. Die Enhanced-Resolution nutzt eine Bewertung, die einem digitalen Tiefpaßfilter. Bei allen Verfahren reduziert sich die Bandbreite, je höher die vertikale Bandbreite sein soll. Als Grenze kommen mehrere Faktoren zum Tragen: Im Wessentlichen wird das durch die Abtastrate, der maximal verfügbaren Speichertiefe und der horizontalen Zeitbasis-Einstellung beeinflusst.

Wenn die 12-Bit-Geräte ins Spiel kommen

Bild 3: Die HD4096-Technologie beruht auf echter 12-Bit-Auflösung durch Hardware. Mathematische Verfahren wie Mittelung oder Filterung kommen nicht zum Einsatz. Ein Vergleich mit Bild 2 zeigt, wie sich das Signal unterscheidet.
Bild 3: Die HD4096-Technologie beruht auf echter 12-Bit-Auflösung durch Hardware. Mathematische Verfahren wie Mittelung oder Filterung kommen nicht zum Einsatz. Ein Vergleich mit Bild 2 zeigt, wie sich das Signal unterscheidet. (Teledyne LeCroy)

Die Frage ist, wie sich zu messende Signale möglichst sauber und rauscharm auf dem Display darstellen lassen. Verfügt das Scope über eine größere vertikale Auflösung, ist es besser gerüstet. Es bietet durch die erhöhte Anzahl von Vertikalstufen die Möglichkeit, weit in das Signal hinein zu zoomen und ermöglicht einen tieferen Einblick in die Schaltung. Anstatt zu versuchen, 12-Bit-Auflösung mit bestehenden 8-Bit-ADCs und zusätzlicher Signalverarbeitung zu erzielen, setzt Teledyne LeCroy auf ADCs mit echter 12-Bit-Auflösung. In seinen aktuellen Geräten verzichtet Teledyne LeCroy auf Mittelung oder Enhanced Resolution.

Mit der HD4096-Technlogie ermöglicht eine Auflösung von 12 Bit allein druch die verwendete Hardware. Daduch lassen sich Signale bis zur maximalen Bandbreite und Abtastrate erfassen. Die Signale lassen sich korrekt dargestellen, ohne dass es zu Signalrauschen ohne das die Gefahr besteht, dass durch die gewählte Mittelung Rauschen die im Signal wirklich vorhanden ist, zusammen mit dem Rauschen des DSOs herausgefiltert wird.

* David Maliniak ist Technical Marketing Communications Specialist bei Teledyne LeCroy in den USA.

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