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Methoden zur Mess- und Signalverarbeitung Das Digitaloszilloskop und eine verbesserte vertikale Auflösung

Autor / Redakteur: Trevor Smith * / Hendrik Härter

Im folgenden Beitrag stellen wir Ihnen verschiedene grundlegende Verfahren vor, um an Tektronix-Oszilloskopen eine verbesserte Signalauflösung zu erreichen. Wir geben Ihnen einen Einblick in notwendige Einstellungen bei Messungen von Signalen mit kleinem Pegel oder mit hoher vertikaler Auflösung.

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Digital-Phosphor-Oszilloskop: Tipps, wie sich die vertikale Auflösung verbessern lässt
Digital-Phosphor-Oszilloskop: Tipps, wie sich die vertikale Auflösung verbessern lässt
(Bild: Tektronix DPO5204)

Zum Messen von Signalen mit kleinen Pegeln oder mit hoher vertikaler Auflösung wäre es für viele Anwender hilfreich, die dafür notwendigen Einstellungen des Scopes sowie den Einfluss von Tastköpfen auf die Messgenauigkeit besser zu kennen. Das hilft, ein geeignetes Gerät und einen optimalen Tastkopf zu finden.

Im ersten Schrit der Betrachtung steht die Auswahl des geeigneten Messsystems. Zum Erfassen der höchsten gewünschten Frequenzkomponente im Signal einschließlich der Oberschwingungen sollte das Scope über die notwendige analoge Bandbreite verfügen. Auch die Tastköpfe müssen die entsprechende Bandbreite aufnehmen können. Als Regel gilt: Das Messsystem sollte eine mindestens fünfmal größeren Bandbreite als die des zu messenden Signals haben. Um beispielsweise ein digitales Taktsignal von 100 MHz zu messen, sollten Tastkopf und Oszilloskop eine Bandbreite von mindestens 500 MHz haben. Dadurch können die signifikantesten Oberwellen erfasst werden. Die Fehler bei der Amplituden- und Phasenmessung, die in der Nähe der Bandflanken auftreten, können minimal gehalten werden.

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Anstiegszeit und Bandbreite eines Oszilloskopes

Bei Niederspannungsmessungen sollte sichergestellt werden, dass die Bandbreite des Geräts im relevanten Empfindlichkeitsbereich ausreichend ist. Selbst ein Tastkopf mit schaltbarer Dämpfung, wie 1X/10X, kann eine sehr hohe Bandbreite im Pfad 10X, jedoch eine sehr niedrige Bandbreite im Pfad 1X aufweisen. Ebenso kann ein Oszilloskop eine verminderte Bandbreitenspezifikation bei einer Vertikalauflösung von 1 mV/div oder grundsätzlich nur eine weniger empfindliche Einstellung ermöglichen. Werden nichtsinusförmige Signale gemessen, ist die Anstiegszeit des Messsystems möglicherweise eine relevantere Spezifikation als die nominelle Bandbreite. Berechnet wird die Anstiegszeit als quadratischer Mittelwert der Anstiegszeiten von Oszilloskop und Tastkopf. An dieser Stelle sei erwähnt, dass eine größere Bandbreite nicht zwangsläufig ein besseres Messergebnis nach sich zieht. Bei größeren Bandbreiten wird zusammen mit dem Signal auch ein höherer Rauschanteil erfasst.

Mit der Abtastrate wird angegeben, wie häufig das Eingangssignal abgetastet wird. Als Grundlage dient das Nyquist-Theorem: Für ein exakt dargestelltes Signal und um Aliasing-Effekte zu vermeiden, sollte das Signal mindestens doppelt so schnell wie seine höchste Frequenzkomponente abgetastet werden. Die genaue Darstellung eines Signals hängt von der Abtastrate und der zur Signaldarstellung verwendeten Interpolationsmethode ab. Bei Interpolation mit sin (x)/x ist es eine gute allgemeine Regel, eine Abtastrate zu verwenden, die fünfmal größer ist als die Systembandbreite. Werden Einzelschuss-Ereignisse und einmalige Ereignisse erfasst, wird durch eine niedrigere Abtastrate die Einzelschuss-Bandbreite des Oszilloskops begrenzt.

Ein entscheidender Punkt ist die Auswahl des optimalen Tastkopfes. Der zum Scope gelieferte passive Tastkopf ist nicht unbedingt die beste Lösung. Sollen sehr kleine Signale gemessen werden, muss die detektierte Signalamplitude maximiert und gleichzeitig das Rauschen minimiert werden. Spannungstastköpfe dämpfen normalerweise das Eingangssignal, indem sie mit der Eingangs­impedanz des Oszilloskops einen Spannungsteiler bilden. Das hat den positiven Effekt, dass die Eingangsimpedanz des Messsystems erhöht wird, es verringert jedoch den Signalpegel am Eingang des Oszilloskops. Dabei kompensiert das Scope die Dämpfung, indem es das Signal – und auch das vom Tastkopf und vom Oszilloskop hinzugefügte Rauschen – verstärkt. Unter dem Aspekt des Signal-Rausch-Verhältnisses ist ein Tastkopf optimal, der wenig oder keine Dämpfung aufweist.

Der Vorteil eines aktiven Tastkopfes

Um die Lasteinwirkungen auf das Signal zu minimieren, empfiehlt sich die Wahl eines Tastkopfs mit sehr hohem Eingangswiderstand und sehr niedriger Eingangskapazität. Wird die Eingangskapazität minimiert, wird die Wahrscheinlichkeit einer Eigenschwingung verringert. Die Eigenschwingung wird durch Resonanzen zusammen mit der zumeist induktiven Masseleitung verursacht. Die Signalquelle wird am wenigsten belastet, wenn ein aktiver Tastkopf verwendet wird. Kompromisse beim Rauschen, Dynamikbereich sowie den Anschaffungskosten haben ebenfalls großen Einfluss. Spannungen werden relativ zu einem Bezugspunkt, häufig gegen Masse gemessen.

Ein genaues Messergebnis und geringe Signalpegel hängen in kritischer Weise von einem Pfad mit niedriger Impedanz zum Referenzpotential ab. Um die Signalverzerrung und das Rauschen zu minimieren, sollten kurze Masseleitungen verwendet werden. Die relativ lange Masseleitung an einem passiven Standardtastkopf ist zwar vorteilhaft, wenn mehrere Messpunkte überprüft werden. Jedoch bildet die induktive Masseleitung einen Resonanzkreis mit der Eingangskapazität, was zu Überschwingungen an schnellen Flanken führt. Eine von Tastkopfspitze und Masseleitung gebildete Schleife verursacht außerdem eine magnetische Rausch-Kopplung. Zusätzlich bedingt ein geringer Abstand zwischen der Masseleitung und potentiellen Rauschquellen eine elektromagnetische Rausch-Kopplung. Die beste Lösung besteht darin, die Länge der Masseleitung zu minimieren und sie möglichst nahe zur Signalquelle zu verbinden.

Hohe Gleichspannungs-Offsets messtechnisch anspruchsvoll

Massebezogene Niedrigstspannungsmessungen sind zwar schwierig, jedoch sind Messungen von sehr kleinen Wechselspannungssignalen mit überlagertem hohem Gleichspannungs-Offsets noch viel schwieriger. Bei hohen Spannungen muss sichergestellt werden, dass sich die Maximalspannungen innerhalb der maximalen Grenzen der Eingangsspezifikationen des Testsystems befinden. Eine einfache Methode ist, das ganze Signal mit einem massebezogenen Tastkopf zu erfassen und anschließend die Wechselspannungskomponente zu messen. Allerdings ist bei dieser Methode das Signal-Rausch-Verhältnis schlecht und der Dynamikbereich kann nicht voll genutzt werden.

Bei einer anderen Methode wird am Eingang des Scopes eine Wechselspannungskopplung verwendet. Dazu wird ein Kondensator in Reihe mit dem Eingangssignal eingefügt. Die Wechselspannungskopplung bewirkt, dass die Gleichspannungskomponenten aus dem Eingangssignal entfernt werden. Allerdings nur solange, wie das Signal nicht verzerrt wird, wie beispielsweise beim Betrieb eines aktiven Tastkopfs außerhalb des Maximalbereichs. Der Kondensator dämpft die niederfrequenten Spannungssignalanteile nur geringfügig. Wird dem Verstärker ein konstanter Gleichspannungs-Offset manuell hinzugefügt, lässt sich das Gleichspannungs-Offset am Eingangssignal kompensieren. Der Offset kann im Verstärker eines aktiven Tastkopfs zugefügt werden.

Bisher wurde asymmetrische oder massebezogene Tastköpfe verwendet. Soll ausschließlich auf den Wechselstromkomponenten des Signals gemessen werden, so empfiehlt sich ein aktiver Differentialtastkopf, der einen Differentialverstärker enthält. Dieser spricht nur auf die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingängen an. Der Differentialtastkopf TDP1000 von Tektronix nutzt die Vorteile der differentiellen Signalmessung zusammen mit einem verbesserten Ersatz der Offset-Methode durch den Gleichspannungsunterdrückungsmodus. Die Gleichspannungsunterdrückung automatisiert den Offset-Vorgang, indem sie das Eingangssignal misst und einen internen Offset erzeugt, der die Gleichspannungskomponente des Signals kompensiert. Da das Eingangssignal immer direkt an den Verstärker gekoppelt ist, werden durch den Gleichspannungsunterdrückungsmodus die Dynamikbereiche des Gleichtakt- und Differential-Modus für Gleichspannungskomponenten nicht erhöht.

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