Das Digitaloszilloskop und eine verbesserte vertikale Auflösung

Den Dynamikbereich und die Hardwarebandbreite begrenzen

Die Verstärker in aktiven Tastköpfen und am Signaleingang sind dafür konzipiert, Signale im Linearbereich zu erfassen. Außerhalb dieses Linearbereiches können die Eingangssignale verzerrt werden. Wird der Linarbereich überschritten, wird der Verstärker übersteuert und dieser benötigt eine lange Erholungszeit. Deshalb ist es wichtig, den Dynamikbreich des Signals extern zu begrenzen. Dabei helfen verschiedene Schaltungen zum Begrenzen der Standardsignale. Viele Oszilloskope und ihre Tastköpfe sind mit einer Schaltung ausgestattet, welche die Messsystem-Bandbreite begrenzt. Ziel ist es, das Rauschen auf dem Signal zu reduzieren. Das Rauschen erhöht sich annähernd im Verhältnis zur Quadratwurzel der Bandbreite. Ein Nebeneffekt ist, dass die Bandbreitenbegrenzung zwar das Rauschen eliminiert, jedoch hochfrequente Signalanteile reduziert oder eliminiert werden können.

Auch mit Software lässt sich die Bandbreite begrenzen. Solche auf Software basierte Filter sind in großer Auswahl verfügbar und bieten schärfere Trenneigenschaft sowie eine bessere Bestimmung von Frequenz- und Phasengang.

Die vertikale Auflösung eines Digitaloszilloskops

Die vertikale Auflösung wird als Maß für die Genauigkeit betrachtet, mit der ein Analog-Digital-Wandler Eingangsspannungen in digitale Werte umwandeln kann. Korrekter ausgedrückt ist sie die Detailgenauigkeit des Umwandlungsprozesses und wird in Bit angegeben. Beispielsweise basieren die meisten Oszilloskope auf ADCs mit 8-Bit-Auflösung, die Abtastwerte des Eingangssignals als eine von 256 diskreten Quantisierungs- oder Digitalisierungsstufen darstellt.

Die Genauigkeit bezieht sich auf die Wiederholbarkeit oder Konsistenz bei Messungen der Amplitude eines Signals. Idealerweise begrenzt die Auflösung eines n-Bit-ADC die Fähigkeit des Messsystems, ein kleines Signal zu erkennen und darzustellen. Diese Fähigkeit kann als Signal-Rausch-Verhältnis (Signal-to-Noise Ratio, SNR) ausgedrückt werden: SNR = 6,08 * N + 1,8. Dabei wird SNR in dB angegeben und N ist die Anzahl von Bits im A/D-Wandler.

Unterschied zwischen vertikaler Auflösung und Genauigkeit

Es ist wichtig, die Begriffe „vertikale Auflösung“ und „vertikale Genauigkeit“ gegeneinander abzugrenzen. Vertikale Genauigkeit bezieht sich auf die Nähe eines Amplitudenmesswerts zum tatsächlichen Amplitudenwert des Signals. Einige Digitaloszilloskope sind mit höher auflösenden ADCs ausgestattet. Obwohl implizit davon ausgegangen wird, dass sie genauer sind als 8-Bit-Produkte, ist dies nicht zwangsläufig der Fall. Unter Berücksichtigung der verfügbaren Tastköpfe und Signalverarbeitungstechnologien sollte nicht automatisch angenommen werden, dass die Messsystemleistung besser ist als bei einem System mit 8-Bit-Auflösung.

Eine andere gängige Oszilloskop-Spezifikation ist die Gleichspannungsgenauigkeit. Dies ist einfach die Genauigkeit, mit der das Gerät einen Gleichspannungswert messen kann. Dies könnte implizieren, dass ein Gerät mit besserer Gleichspannungsgenauigkeit auch bei der Messung von Wechselspannungssignalen genauer ist. Dies ist jedoch nicht zwangsläufig der Fall. Viele weitere Eigenschaften der Oszilloskope und Tastköpfe tragen zur Gesamtgenauigkeit bei. Eine sehr aussagekräftige Spezifikation ist die effektive Anzahl von Bits (ENOB). Diese Spezifikation bezieht sich auf die Fähigkeit eines Geräts zur genauen Darstellung von Signalen bei verschiedenen Frequenzen. Die ENOB ist in der IEEE-Norm 1057 für die Ermittlung der Güte von Analog-Digital-Wandlern definiert.

Die ENOB ist frequenzabhängig und verringert sich in der Regel mit zunehmender Frequenz. Diese Abnahme der A/D-Wandler-Performance kann als erhöhter zufälliger oder pseudozufälliger Rauschpegel des Signals beschrieben werden. Zu den Ursachen dieser Fehler gehören: DC-Offset, Verstärkungsfehler, analoge nichtlineare Verzerrungen, Monotoniefehler und fehlende Codes beim Wandler, Triggerjitter, Abtastzeit-Jitter und unkorreliertes Rauschen.

Die Erfassungsmodi eines Digitaloszilloskops

Bei den Scopes von Tektronix bezieht sich der Begriff „Erfassungsmodi“ auf die ursprüngliche Darstellung von Signaldaten, normalerweise in 8- oder 16-Bit-Auflösung. Alle weiteren Verarbeitungsschritte, wie Anzeige, automatische Messungen, Cursor, Berechnung und Anwendungen, basieren auf der Signaldarstellung, die durch den Erfassungsmodus definiert ist. Der Standarderfassungsmodus bei den meisten Oszilloskopen ist der sogenannte „Sample-Modus“. Dies ist der Standarderfassungsmodus, bei dem das Oszilloskop jeden erfassten Punkt des Signals mit der ausgewählten Abtastrate und einem 8-Bit-Wert darstellt.

Im Peak-Detect-Modus stellt das Oszilloskop jeden Punkt auf dem Signal durch ein Paar von 8-Bit-Werten dar, die den Maximal- und Minimalwerten des Signals in dem ausgewählten Paar von Abtastintervallen entsprechen. Digitaloszilloskope mit Peak-Detect-Modus tasten das Signal normalerweise mit maximaler Abtastrate ab, selbst bei sehr langsamer Zeitskalierung. Schnelle Signaländerungen lassen sich so erfassen, die bei der ausgewählten Abtastrate zwischen Punkten auftreten.

Auf diese Weise ist der Peak-Detect-Modus besonders hilfreich, um schmale Impulse zu erkennen, die zeitlich weit auseinander liegen. Das können beispielsweise Glitches auf einem Niederspannungssignal sein. Der Hüllkurvenmodus ähnelt dem Peak-Detect-Modus, sammelt jedoch die Paare von maximalen und minimalen Signalpunkten aus mehreren Messungen, um ein Signal darzustellen, das die Min/Max-Akkumulation im Laufe der Zeit zeigt. Mit dem Peak-Detect-Modus lassen sich Werte erfassen, die zur Darstellung des Hüllkurvensignals kombiniert werden.

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