So erkennen Sie die Signalgüte eines Oszilloskops

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Von der Güte eines komplexen Signals

Neben dem A/D-Wandler besteht das Oszilloskop aus weiteren Bauteilen, die maßgeblich Einfluss auf die Signalgüte haben. Dazu gehört der Eingangsverstärker. Somit hat die Angabe des ENOB wenig Aussagekraft für das gesamte Oszilloskop.

Selbst wenn der ENOB-Wert für das ganze Oszilloskop bestimmt wird und man berücksichtigt, dass Rauschen und Verzerrungen, die in die ENOB-Werte eingehen, nicht nur frequenzabhängig sind, sondern auch sehr stark von der Aussteuerung und der gewählten Amplitudeneinstellung des Eingangsverstärkers abhängen. Das erschwert die Vergleichbarkeit der ENOB-Werte von den Geräten unterschiedlicher Hersteller. Und die Oszilloskop-Hersteller geben die Werte für das jeweilige Oszilloskop bei den besten Einstellungen an.

Ein wirklich objektiver Vergleich ist so nicht möglich. Glaubt man dem Marketingaussagen verschiedener Oszilloskop-Hersteller, so ist das Oszilloskop umso besser, je geringer das Grundrauschen und je höher die ENOB-Werte sind.

Diese Annahme trifft allerdings nicht zu. Hier muss man tiefer einsteigen und die Art der zu untersuchenden Signale betrachten. In den allermeisten Fällen sind es keine Rauschsignale oder perfekte Sinussignale, sondern komplexe Signalformen.

Um zu verstehen, was die Signalgüte von komplexen Signalen beeinflusst, gehen wir von einer einfachen aber trotzdem komplexen Signalform aus, dem Rechtecksignal. Ein Rechtecksignal (Bild 2) lässt sich als Summe von verschiedenen Sinussignalen betrachten und besteht neben der Grundwelle aus Signalen mit 3-, 5-, 7- bis n-fachen Frequenz. Ein ideales Rechteck hat ein festes Verhältnis dieser Sinussignale. Verändert man die Amplitude der Oberwellen, was beispielsweise durch die begrenzte Bandbreite des Oszilloskop entsteht, so ändert dies die Signalform: Bild 2 (oben rechts) zeigt ein Rechteck mit Frequenzanteilen bis zur 7. Oberwelle, während es bei Bild 2 (unten links) bis zur 15. Oberwelle reicht.

Der Einfluss der Phasenlage auf das Signal

Neben der Amplitude dieser Oberwellen spielt die Phasenlage der Oberwellen eine große Rolle. Verändert man nur minimal die Phasenlage der Oberwellen, so wird aus einem Rechteck ein Signal wie es in Bild 2 (unten rechts) dargestellt ist. Diese Phasenverschiebung zwischen den Frequenzen geschieht in einem Oszilloskop und wird als Gruppenlaufzeit-Verzerrung bezeichnet.

Ein ideales Oszilloskop sollte keine oder zumindest keine sichtbaren Gruppenlaufzeit-Effekte zeigen. Die bereits erwähnten und behandelten Brickwall-Filter führen zu diesen Verzerrungen. Erschwerend kommt hinzu, dass durch die Brickwall-Filter die für eine gute Signaldarstellung erforderlichen höheren Frequenzanteile nahezu komplett fehlen.

Das Bild 3 zeigt ein schnelles Datensignal: Das Augendiagramm wurde von zwei verschiedenen Oszilloskopen mit gleicher analoger Bandbreite, aber komplett unterschiedlicher Filtercharakteristik und Gruppenlaufzeit aufgenommen. Das linke Oszilloskop ist gut abgestimmt. Das rechte Gerät verfügt über eine ungünstige Abstimmung und Signalverzerrungen. Da das Messgerät auf der rechten Seite laut dem Datenblatt bessere ENOB- und Grundrauschwerte als das Oszilloskop links hat, würde man es eher umgekehrt vermuten.

Warum zeigen gerade die Oszilloskope mit Rausch- und ENOB-Optimierung schlechte Signaleigenschaften? Zum einen fehlen durch die Brickwall-Filter die für die Signaldarstellung von Rechtecksignalen höheren Frequenzanteile fast vollständig, zum anderen zeigen Brickwall-Filter negative Gruppenlaufzeit-Effekte. Reichen Grundrauschen und ENOB aus, um ein Oszilloskop zu beurteilen?

* Thomas Stüber ist Leiter Applikationen und Produktspezialist bei Teledyne LeCroy in Heidelberg.

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