Entscheidungshilfen für Messtechniker 10 Kriterien beim Kauf eines Oszilloskopes

Viele Messtechniker stehen immer wieder vor der gleichen Frage: Welches Oszilloskop ist am besten für meine Arbeit geeignet? Der Vergleich von Spezifikationen und Ausstattungsmerkmalen verschiedener Hersteller kann lange dauern und zunächst mehr verwirren, als Klarheit schaffen. Wir zeigen Ihnen die 10 wichtigsten Punkte, damit Sie die richtige Wahl treffen.

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Im folgenden Artikel werden die zehn wichtigsten Eigenschaften von Oszilloskopen erörtert, die beim Kauf beachtet werden sollten. Unabhängig vom Hersteller stellt eine sorgfältige Prüfung der zehn besprochenen Kriterien sicher, dass schließlich das richtige Gerät für die geforderten Bedürfnisse gefunden wird.

• Kriterium 1: Bandbreite

Sie ist das wichtigste Kriterium beim Kauf, denn sie bestimmt den Frequenzbereich, mit dem die Signale dargestellt werden. Von ihr hängt maßgeblich der Preis des Gerätes ab. Welche Bandbreite benötigt wird, ist von den Anstiegszeiten der zu messenden Signale abhängig. Es erscheint wenig sinnvoll, eine Sinuskurve darzustellen, da die Signale Harmonische der Grundfrequenz enthalten. Ist die Bandbreite des Oszilloskops nicht hinreichend groß, werden nur runde Flanken dargestellt, anstatt der zu erwarteten sauberen, steilen Flanken.

Ebenso wichtig ist die Bandbreite des aufzunehmenden Signals. In der modernen Digitaltechnik ist der Takt einer Schaltung üblicherweise die höchste Frequenz, die in diesem System vorkommt. Wenn dieses Signal eine Anstiegszeit >500 ps aufweist, sollte die Oszilloskop-Bandbreite mindestens zwei- bis dreimal so groß sein, als die Taktfrequenz. Sind die Anstiegszeiten kürzer, sind weniger die Frequenzen als die Anstiegszeiten der zu messenden Signale maßgeblich für die Oszilloskop-Bandbreite (Bild 1).

• Kriterium 2: Zahl der Kanäle

In modernen Designs gibt es Digitalsignale, die sich mit herkömmlichen Zwei- oder Vierkanalgeräten nicht erfassen lassen. Mittlerweile spielt die Digitaltechnik eine immer entscheidendere Rolle. Um dieser Tatsache gerecht zu werden, ist eine Klasse von Oszilloskopen zum Debuggen von Digitalschaltungen und Embedded-Systemen entstanden. Die Familie der Mixed-Signal-Oszilloskope bietet neben den zwei oder vier Analogkanälen zusätzlich 16 Digitalkanäle. Mit den bis zu 20 Kanälen, die zeitkorreliert triggern, Signale erfassen und Signale darstellen können, lassen sich serielle Busse dekodieren.

• Kriterium 3: Abtastrate

Die Abtastrate eines Oszilloskops sollte mindestens das 2,5-fache, besser noch das Dreifache von dessen Analogbandbreite betragen. Viele Oszilloskope können die Abtastrate durch Interleaving erhöhen. Dazu werden die A/D-Wandler zwei oder mehrerer Kanäle gekoppelt. Sie liefern dann die maximale Abtastrate auf nur einem oder zwei Kanälen eines Vierkanal-Oszilloskops.

Im Idealfall wirkt sich Interleaving nicht negativ auf die Signalrekonstruktionsgenauigkeit aus. Es muss allerdings beachtet werden, dass Interleaving mit hoher Genauigkeit zu erfolgen hat, da sonst die Signaltreue des Oszilloskops leidet.

Das Nyquist-Shannonsche Abtasttheorem besagt, dass das zu digitalisierende Signal keine Komponenten enthalten darf, deren Frequenzen über dem halben Wert der Abtastfrequenz liegen. Weiterhin muss das Signal in gleichmäßigen (äquidistanten) Zeitabständen erfolgen. Ist eine dieser beiden Bedingungen nicht erfüllt, so treten Aliasing-Effekte auf. Die Bilder 3 und 4 zeigen ungenaues Interleaving und wie es sich auf die Signalrekonstruktion auswirkt. In dem Beispiel sind die Takte für die beiden verschachtelten A/D-Wandler nicht exakt um eine halbe Abtastperiode gegeneinander verschoben.

Dadurch sind die Abtastpunkte (rote Punkte in Bild 3) nicht äquidistant. Somit ist die zweite Bedingung des Nyquist-Theorem nicht erfüllt. Das Signal wird mit einem Algorithmus so rekonstruiert, als ob die Abtastpunkte äquidistant wären. Dadurch liefert die Funktion sin(x)/x-Filter ein verzerrtes Signal (Bild 4).

• Kriterium 4: Speichertiefe

Der A/D-Wandler digitalisiert das Signal am Eingang des Messgerätes und der resultierende Datenstrom wird im schnellen Gerätespeicher abgelegt. Viele Anwender glauben, dass die maximale Abtastrate eines Oszilloskops für alle Einstellungen der Horizontalablenkung gilt. Der Speicherplatz eines Oszilloskops ist jedoch endlich. Deshalb müssen sie alle die Abtastrate mit zunehmender Aufzeichnungsdauer zurücknehmen.

Je mehr Speicher ein Oszilloskop hat, desto länger kann es mit voller Samplingfrequenz aufzeichnen. Deshalb ist zu prüfen, in welcher Weise die Abtastrate von der Stellung der Horizontalablenkung beeinflusst wird (Bild 2). Die erforderliche Speichertiefe kann einfach ermittelt werden: die zu erfassende Zeitdauer wird mit der Abtastrate multipliziert. Für längere Perioden mit hoher Zeitauflösung wird entsprechend mehr Speicher benötigt. Ist die notwendige Speichertiefe festgelegt, muss geprüft werden, wie das Oszilloskop bei Eingaben reagiert. Einige Geräte reagieren bei großer Speichertiefe ziemlich träge.

Ein segmentierbarer Speicher ist bei Signalbursts oder Datenpaketen hilfreich. Damit lässt sich vermeiden, dass der Speicher nur mit den relevanten Daten gefüllt wird, anstatt mit inaktiven (Idle) Phasen vollgeschrieben wird.

• Kriterium 5: Signalaktualisierungsrate

Ein maßgebliches Leistungsmerkmal eines Oszilloskops ist die Signalaktualisierungsrate. Das ist die Frequenz, mit der das Oszilloskop misst und die Werte darstellt. Je schneller das geschieht, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass seltene Phänomene wie Glitches erkannt werden. Die Oszilloskope der Familie InfiniiVision 7000 von Agilent haben beispielsweise eine Signalaktualisierungsrate von bis zu 100.000 Kurven pro Sekunde.

Beim Vergleich der entsprechenden Daten ist allerdings Vorsicht geboten. Die Hersteller geben zwar die höchstmögliche Signalaktualisierungsrate an, die ihre Oszilloskope erreichen können. Manchmal wird der Bestwert aber nur in bestimmten Betriebsarten erreicht, und gelegentlich sind diese Betriebsarten bezüglich Speichertiefe, Abtastrate und Kurvendarstellung erheblich eingeschränkt.

• Kriterium 6: Triggermöglichkeiten

Jedes Universaloszilloskop kann auf Flanken triggern. Weitere Triggermöglichkeiten sind aber durchaus sehr hilfreich. Werden Schaltungen mit seriellen Datenverbindungen entwickelt, können Oszilloskope mit Triggermöglichkeiten für Standards wie I²C, SPI, RS-232/UART, USB, CAN, LIN oder FlexRay ausgerüstet sein. So können Triggeroptionen auf Protokollniveau dem Messtechniker bei seinen Debugging-Aufgaben unterstützen. Eine Glitch-Triggerfunktion kann sowohl auf positive oder negative Glitches triggern oder auf Impulse, die breiter oder schmaler sind.

• Kriterium 7: Tastköpfe

Ist ein wesentliches Kriterium, weil die Bandbreite des Systems von der kleineren der beiden bestimmt wird. Wird beispielsweise ein 1-GHz-Oszilloskop mit einem passiven 500-MHz-Tastkopf verwendet, so wird die volle Bandbreite von 1 GHz nicht genutzt, sondern ist auf die 500 MHz des Tastkopfes begrenzt.

Der Tastkopf ist immer Teil der Schaltung des Testobjekts, sobald er ein Signal ableitet. Die Spitze des Tastkopfs ist physikalisch eine kurze Stichleitung, die für das Testobjekt eine Last darstellt. Aktive Tastköpfe bieten nicht nur größere Bandbreiten als passive. Sie verringern die Belastung des Testobjekts. Agilent hat dieses Problem der Belastung des Testobjekts und die damit verbundene Signalverzerrung minimiert, indem an den aktiven Tastköpfen gedämpfte Spitzen verwendet werden. Sie sorgen dafür, dass die Impedanz des mitschwingenden L-C-Schwingkreises nicht zu klein wird.

• Kriterium 8: Schnittstellen

Viele Digitaloszilloskope verfügen über Schnittstellen wie GPIB, LAN und/oder USB (Host/Device), die zur Datenübertragung dienen. Ein interner CD-/DVD-Brenner kann zum Archivieren der Daten hilfreich sein. Einige Oszilloskope können Kurvendaten im Datei-Format .alb exportieren. Die Datei kann für ein Offline-Analyse-Programm auf den PC importiert werden. Ein verteiltes Arbeiten wird ebenfalls unterstützt. So lassen sich in einer Arbeitsgruppe mit mehreren Standorten gespeicherte Oszilloskop-Messkurven allen Mitgliedern eines Teams zugänglich machen.

• Kriterium 9: Anwendungssoftware

Viele Oszilloskope bieten mathematische-, statistische- sowie FFT-Funktionen. Für eine exakte Auswertung der gemessenen Daten bieten einige Hersteller zusätzliche Softwarepakete, mit denen komplexe Messungen oder mathematische Funktionen individuell angepasst werden können. Messreihen lassen sich direkt am Bedienpaneel des Oszilloskops nachbearbeiten.

Ein Beispiel ist die Software InfiniiScan, die Bestandteil des dreistufigen Triggersystems der 90000A-Reihe ist. Das Programm überprüft die Signalintegrität, indem es tausende Kurven nach Fehlern durchsucht und Signalformabweichungen lokalisiert.

• Kriterium 10: Leicht zu bedienen

Die bisher genannten neun Kriterien haben vermutlich das Feld bereits auf eine kleine Zahl von Oszilloskopen ausgedünnt. Es gilt nun, diese Geräte direkt zu vergleichen. Vor dem Kauf ist es ratsam, das Gerät im eigenen Labor unter Last auszutesten und sein Funktionsspektrum kennenzulernen.

Dabei sind bestimmte Fragen hilfreich:

• Gibt es für häufige Einstellungen (etwa vertikale Empfindlichkeit, Horizontalablenkung und Triggerpegel) fest zugeordnete Bedienelemente?
• Wie viele Knöpfe müssen gedrückt werden, um von einer Messung zur anderen zu kommen?
• Lässt sich das Oszilloskop intuitiv bedienen?

*Robert Lashlee ist Entwicklungsingenieur bei Agilent in Colorado Springs/USA und Peter Kasenbacher ist European Product Line Manager bei Agilent in Böblingen.

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