Oszilloskope

Von Abtastrate, Speichertiefe und horizontaler Skalierung

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Einfluss der Oszilloskop-Architektur auf die Update-Rate

Bild: In der Totzeit eines Oszilloskops können sporadisch auftretende Signale untergehen.
Bild: In der Totzeit eines Oszilloskops können sporadisch auftretende Signale untergehen.
(dataTec)
In diesem Zusammenhang sei nur kurz darauf verwiesen, dass auch die Architektur eines Oszilloskops einen entscheidenden Einfluss auf die maximale Abtast- und die Update-Rate (wie viele komplette Messkurven können pro Zeiteinheit auf dem Display angezeigt werden) hat. Solange der Prozessor im Signalpfad liegt, muss er das gesamte Messdaten-Handling übernehmen, wie die Messdaten vom A/D-Wandler in den Speicher schreiben bzw. im Display darstellen, solange kann ein Oszilloskop nicht schnell sein. Diese herkömmliche Architektur wird CPU-basiert genannt.

Wenn aber der Mikroprozessor den Messablauf nur anstößt und die Messwertaufnahme und das Speichern mit der Anzeige und auch mögliche Decodierung serieller Busse ohne sein Zutun funktionieren, ist der Ablauf deutlich schneller. Die Totzeiten, bis eine erneute Messung erfolgt werden deutlich reduziert. Das Eingangssignal kann wesentlich öfter pro Zeiteinheit aufgenommen werden. Signalanomalien werden dadurch wesentlich früher vom Anwender erkannt (Bild 1).

Um eine schnelle Abtastrate wie auch AD-Umsetzung in Kombination mit geringem Rauschen zu erreichen, muss der gesamte Signalpfad in einem IC untergebracht werden (man vergleiche „Das Amplitudenrauschen bei Oszilloskopen“ [2]. Worin besteht nun der Unterscheid zwischen einem CPU-basierten Oszilloskop und einem Oszilloskop mit der Mega-Zoom-Architektur von Keysight Technologies? Aus der unten stehenden Tabelle 2 erkennt man, dass das CPU-basierte Oszilloskop die Display-Update-Rate deutlich reduziert, obwohl die Abtastrate bei beiden Oszilloskopen erhalten bleibt.

Was sich aber „stillschweigend“ erhöht ist die Totzeit des CPU-basierten Oszilloskops. Signalanomalien und Spikes werden vom Anwender nicht erkannt oder er benötigt eine lange Beobachtungszeit, bis er einem Spike gewahr wird. Fatal wird die Situation, wenn bei dieser Oszilloskop-Art auch noch digitale Kanäle eingeschaltet werden – die update-Rate reduziert sich gerade mal auf 120 Waveforms/s (Tabelle 2, 3. Zeile, MSO-Betrieb: „ein“). Die Update-Rate ist Welten von dem entfernt, was vom Hersteller spezifiziert wird. Die CPU ist der Flaschenhals; eklatant auch dann, wenn die sin x/x-Filterung eingeschaltet wird (erste Zeile in Tabelle 2).

Tabelle 2
Tabelle 2
(Bild: VBM)
Anders verhält sich das bei dem Oszilloskop Infinii-Vision 4000 X, bei dem die CPU nicht mehr im Signalpfad ist. Vielmehr wird innerhalb des ASIC die komplette Signalverarbeitung incl. der Decodierung der seriellen Datenkanäle organisiert. Die Signalverarbeitung wird also nicht mehr per Software, wie bei der CPU-basierten Oszilloskop-Architektur durchgeführt, sondern in der Hardware – damit wird die Signalverarbeitung besonders schnell.

Ein weiteres Ausstattungsmerkmal sei hier nur erwähnt, da dieses Konzept bereits von mehreren Herstellern realisiert wurde: das „Segmented Memory“. Damit lassen sich Signale sehr gut analysieren, die eine sehr lange Ruhezeit zwischen benachbarten aktiven Signaländerungs-Bereichen aufweisen, wie bei Radarsignalen. Die Abtastrate und die Update-Rate sind gleichermaßen hoch. Einzelheiten des Radarpulses lassen sich aufnehmen und darstellen; der zeitliche Bereich, in dem keine Signaländerungen vorkommen, wird ausgeblendet.

Quellen:

[1] ELEKTRONIKPRAXIS Heft 13, 2014, Seite 52 bis 54

[2] ELEKTRONIKPRAXIS Heft 15, 2014, Seite 14 bis 15

* Klaus Höing ist für die Öffentlichkeitsarbeit bei dem Messtechnik-Distributor dataTec in Reutlingen zuständig.

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