Oszilloskope Saubere Signaldarstellung durch geteilte Raster

In modernen Oszilloskopen verarbeiten 8-Bit-A/D-Wandler die Messdaten. Die Auflösung steigt, wenn der gesamte Dynamikbereich ausgeschöpft wird. Werden mehrere Kanäle gleichzeitig benutzt, verringert sich die Auflösung, damit die einzelnen Signale übereinander in einem Raster dargestellt werden können. Abhilfe schaffen mehrere Raster, die einzeln den vollen Dynamikumfang darstellen.

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Teledyne GmbH

Speicheroszilloskope der neuen Generation verwenden Analog-Digital-Wandler, um die Eingangssignale in diskrete, digitalisierte Werte umzusetzen. In den meisten Oszilloskope sind 8-Bit-Wandler integriert. Das entspricht 256 diskreten Werten der Signalabbildung pro Kanal. Eine höchstmögliche Auflösung wird erreicht, wenn der gesamte Dynamikumfang des A/D-Wandlers voll ausgenutzt wird. Werden mehrere Kanäle gleichzeitig gemessen, wird die Höhe der einzelnen Signale so weit verringert, dass sie übereinander in einem Raster dargestellt werden. Nachteil des Verfahrens: die Signalauflösung wird verringert. Um die bestmögliche Signaldarstellung bei maximalem Dynamikumfang zu erzielen, ist ein besseres Verfahren notwendig.

Einzelnes Raster führt zu ungenauen Ergebnissen

Alle erfassten Signale von verschiedenen Eingangskanälen werden gegenwärtig gemeinsam in einem einzigen Raster dargestellt. In Bild 1 ist dargestellt, wie ein Oszilloskop mit allen vier Kanälen Signale aus einer Zählerschaltung erfasst. Die vier erfassten Signale werden in dem Raster übereinander liegend dargestellt. Das erschwert aber die Unterscheidung der Signale. Der Anwender wird dadurch verleitet, die vertikale Größe der einzelnen Signale so weit zu verringern, bis die Signale klarer zu sehen sind. Jedoch ändern sich dabei die angezeigten Messwerte wichtiger Zeit- und Amplitudenparameter, wie Spitze-Spitze, Amplitude, Periodendauer, Frequenz, Impulsbreite, Tastverhältnis und Anstiegszeit erheblich. Sie zeigen jetzt ungenaue Ergebnisse. Die Signalauflösung wurde durch die vertikale Einstellung verschlechtert.

Richtige Amplitudeneinstellung für bessere Signalauflösung

Wie schwerwiegend ist der verursachte Verlust an Signalauflösung durch die Amplitudeneinstellung? Als Beispiel soll eine Impulsfolge dienen, die mit einer vertikalen Einstellung von 1 V/Rastereinheit (V/RE) auf einem Kanal erfasst wird. Bei acht Rastereinheiten auf dem Bildschirm lassen sich auf dem gesamten Raster 8 V darstellen. Bei Verwendung der Parametermessung beträgt die Spitze-Spitze-Spannung (pk-pk) des Signals 6,41 V, wenn das Signal 6,41 V/8 V = 80,1% des gesamten Anzeigebereichs belegt. Das den oberen Pegelbereich des Impulses überlagerte Rauschen kann einzeln gemessen werden. Dazu wird der Gültigkeitsbereich der Messung zeitlich auf den oberen Bereich des Impulses beschränkt. Damit wird nur das Rauschen in diesem Bereich des Impulses gemessen.

Bei einer vertikalen Skalierung von 1 V/RE beträgt der gemittelte pk-pk-Wert des Rauschens 886,7 mV. Wird die Empfindlichkeit auf 5 V/RE geändert, so ändert sich der Mittelwert des pk-pk-Rauschens auf jetzt 1,783 V. Die weitere Verstellung der Vertikalempfindlichkeit zeigt einen deutlichen Einfluss auf den gemessenen Rauschpegel. Bei 550 mV/RE wäre der mittlere Rauschpegel 821 mV, bei 2 V/RE beträgt das Rauschen 1,02 V und bei 10 V/RE erhöht sich das gemessene Rauschen auf 3,06 V! Von 2V/RE auf 10 V/RE hat sich das Rauschen verdreifacht, wobei die Empfindlichkeit sich um den Faktor 5 verändert hat.

Zu beachten ist ebenfalls, dass die Einstellung auch die Unsicherheit zeitbezogener Messungen beeinflusst. Horizontale Messungen wie Periodendauer und Frequenz greifen auf die vertikalen Messwerte für obere und untere Pegel zurück, um den Schwellwert festzusetzen. Dadurch werden zeitbezogenen Messungen durch die Verringerung der Eingangsempfindlichkeit beeinträchtigt.

Zusammenhang Dynamikbereich und Amplitudenumfang

Weshalb ändert sich die Messunsicherheit mit der Empfindlichkeitseinstellung? Der Dynamikbereich eines Oszilloskops gibt an, welchen Amplitudenumfang des Signals der A/D-Wandler wirksam verarbeiten kann. Das Minimum ist erreicht, wenn die Signalleistung dem Eigenrauschen entspricht. Das Maximum tritt auf, wo die höchst möglichen Zahlenwerte bei der Digitalisierung des Signals erreicht, aber nicht überschritten werden. Dabei sind die Verzerrungen am geringsten. Ein 8-Bit-A/D-Wandler hat 28 = 256 verschiedene Quantisierungsstufen. Werden hingegen nur ein Viertel des Dynamikbereiches ausgenutzt, wenn beispielsweise das Signal nur ein Viertel der Rasterhöhe belegt, führt das höchstens zu einer Auflösung von 6 Bit des erfassten Kanals (26 = 64). Durch den Verlust an Auflösung wird das Quantisierungsrauschen erhöht.

Vorteil mehrerer Raster

Wie kann der Zielkonflikt zwischen größtmöglichem Dynamikbereich und klarer Darstellung mehrerer Signale gelöst werden? Die Verwendung mehrerer Raster bietet die Möglichkeit, die Bildschirmfläche in mehrere Teilbereiche aufzuteilen, von denen jeder den vollen Dynamikumfang des A/D-Wandlers umfasst. Bild 2 zeigt acht unabhängige Raster, von denen jedes ein Eingangssignal bei voller Aussteuerung enthält. Jedes Raster umfasst den vollen Dynamikumfang, daher tritt bei der Verwendung mehrerer Raster kein Verlust an Signalauflösung auf. Durch die Verwendung mehrerer Raster in der Anzeige kann der Dynamikbereich optimiert werden, wobei alle Signale klar dargestellt werden. Die Aufteilung der Anzeige in mehrere Raster vermeidet Kompromisse zwischen klarer Anzeige mehrerer Signale und der bestmöglichen Ausnutzung des Dynamikbereichs.

Mehr Signale gleichzeitig

Messdaten werden immer öfter gleichzeitig von verschiedenen Quellen aufgenommen. Und sie sollten in Echtzeit dargestellt werden. Der Messtechniker muss die Werte direkt vergleichen können, und deshalb stellen moderne Speicheroszilloskope alle angeschlossenen Kanäle mit vollem Dynamikumfang dar. Die dabei verwendete Auflösung der einzeln dargestellten Kanäle erfolgt in voller Auflösung.

Werden beispielsweise vier Signale in einem Raster dargestellt, so erfolgt die Darstellung der einzelnen Signale übereinander. Das erschwert die Unterscheidung und die Qualität der Signale wird verringert.

*Mike Hertz ist Application Engineer bei LeCroy Corp.

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