Von Abtastrate, Speichertiefe und horizontaler Skalierung

Oszilloskope Von Abtastrate, Speichertiefe und horizontaler Skalierung

18.11.2014Autor / Redakteur: Klaus Höing* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Feine Signaldetails und lange Abtastzeiträume: Das sind wichtige Parameter, die ein Oszilloskop liefern muss. Doch worauf kommt es noch an? Wir geben einen Überblick.

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Oszilloskp-Messtechnik: Der Zusammenhang zwischen Abtastrate, Speichertiefe und horizontaler Skalierung.
(dataTec/Keysight Technologies)

Mit einem Oszilloskop will man einerseits möglichst feine Signaldetails sehen, andererseits soll oft ein langer Abtastzeitraum sichtbar gemacht werden. Es gilt also einen möglichst langen Zeitraum eines Signals bei höchster Abtastrate zu erfassen. Klar – dazu ist ein großer Messwertspeicher nötig. Klar ist aber auch, dass sich die Speichertiefe, Abtastrate, Update-Rate und die horizontale Skalierung gegenseitig beeinflussen. Wo liegt der Kompromiss?

Es besteht ein enger Zusammenhang von Speichertiefe und Abtastrate: je größer der Speicher, desto länger kann die Aufzeichnungszeit (Abtastdauer) bei gegebener Abtastrate sein. Und je größer die Abtastrate, umso größer ist die maximale Bandbreite des Oszilloskops, wobei der Frequenzgang der Eingangs-Schaltung (Verstärker, Abschwächer) auf die Oszilloskop-Bandbreite abgestimmt sein muss.

Was ein großer Speicher bewirkt

Offensichtlich gibt es eine Gesetzmäßigkeit: Je größer der Speicher, umso besser. Ein Vergleich (Tabelle 1) zweier Oszilloskope mit gleichen Spezifikationen zeigt die Unterschiede – das eine weist eine Speichergröße von 4 MS, das andere eine Speichergröße von 20 MS auf – je nach der eingestellten zeitlichen Skalierung reduziert sich die Anzahl der Abtastwerte/s.

Die maximal mögliche Abtastrate soll für beide Oszilloskope jeweils 5 GS/s betragen. Dann verändert sich die aktuelle Abtastrate mit dem Zeitbereich, der auf dem Display dargestellt wird: Es gilt: T = darstellbarer Zeitbereich auf dem Display, div=Division; Anzahl der Einheiten auf der x-Achse (10 vorausgesetzt), t=zeitliche Skalierung (siehe Formel oben)

Die Anzahl der theoretischen Abtastpunkte über den dargestellten Zeitbereich berechnet sich: A = ar*T, wobei ar = maximale Abtastrate des Oszilloskops. Das ergibt die sich einstellende Abtastrate AR, sodass der Speicher ausgelastet ist zu

wobei ST die jeweilige Speichertiefe des Oszilloskops ist. Die sich einstellende Abtastrate AR ist also abhängig von dem auf dem Display dargestellten Zeitbereich und von der Speichertiefe und überschreitet die maximal mögliche Abtastrate ar nicht. Die Tabelle 1 zeigt diesen Zusammenhang für die beiden Oszilloskope auf.

Abhängig von den Zeitbereichseinstellungen (zeitliche, horizontale Skalierung) wird sofort klar, dass das Oszilloskop mit der geringeren Speichergröße an eine Grenze für die aufgenommenen Abtastpunkte kommt. Ferner muss man sich darüber im Klaren sein, dass sich mit anderen Zeitbereichseinstellungen auch die Bandbreite des Scopes ändert, da sich auch die Abtastrate AR ändert (siehe auch: „Abtastrate und Wiedergabegenauigkeit“[1] ).

In der Tabelle 1 lässt sich die Reduktion der Abtastrate für die beiden Oszilloskope ablesen und sie wird deutlich kleiner bei größeren horizontalen Skalierungen. Oder anders ausgedrückt, je größer der Speicher ist, desto länger kann mit der hohen Abtastrate gearbeitet werden, obwohl die horizontale Skalierung steigt.

Einfluss der Oszilloskop-Architektur auf die Update-Rate

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).

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.