Vom analogen Oszilloskop bis zum digitalen 12-Bit-Gerät

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Wie wichtig die vertikale Auflösung des Scopes ist

Im Laufe der Jahrzehnte konnten alle wichtigen Parameter, wie Bandbreite, Abtastrate und Speichertiefe, mit jeder neuen Generation von DSOs übertrofen werden. Allerdings gibt es eine weitere Schlüssel-Spezifikation, die solange es DSOs gibt nicht wirklich hinterfragt wurde: die vertikale Auflösung.

Die vertikale Auflösung hängt von der ADC-Auflösung ab und bestimmt die Fähigkeit, wie fein der ADC die Signale digitalisieren und anschließend auf dem Bildschirm anzeigen kann. Daneben beeinflusst die digitale Auflösung, wie detailiert die Daten für Messungen und Analysen zur Verfügung stehen. Spezifikationen der Auflösung sind für viele Elektronik-Artikel, wie Smartphones, Tablets, Kameras und TV-Monitore, ein wichtiges Qualitätsmerkmal.

Welchen Effekt eine größere ADC-Auflösung in einem Oszilloskop hat, kann man mit den Unterschieden zwischen einer älteren Generation digitaler Fernseher und einem aktuellen Gerät mit einer Auflösung von 1080p vergleichen. Betrachtet man zum ersten mal das Bild eines HDTV Gerätes erkennt man sofort die drastischen Verbesserung der Schärfe, Farbe und Klarheit der Bilder. Den gleichen Effekt hat man, wenn man die Darstellung der Signale von einem älteren digitalen Oszilloskop mit denen eines hochauflösenden Oszilloskop (HDO) vergleicht.

Der Oszilloskop-Parameter, der am stärksten von der ADC-Auflösung betroffen ist, ist die vertikale Genauigkeit. Je höher die vertikale Auflösung, um so detailreicher und feiner kann das Signal abgetastet werden. Die ersten digitalen Oszilloskope, welche die Daten in Echtzeit erfassen konnten, wurden mit 6-Bit-ADCs ausgestattet. ADCs haben eine Auflösung von 2ⁿ Bits, im Fall der 6-Bit-ADC bedeutet das 2⁶ Bit oder 64 vertikale Quantisierungspegel.

Sehr schnell wurden diese durch Oszilloskope mit 8-Bit-ADCs abgelöst, die eine Auflösung von 2⁸ Bit, also 256 vertikalen Quantisierungsstufen haben. Dadurch konnte die vertikale Genauigkeit um den Faktor vier verbessert werden, was sich positiv auf die Genauigkeit des Gesamtsystems auswirkte. Doch in den anschließenden 30 Jahren hat sich die Auflösung der Oszilloskope bis auf wenige Nischengeräte nicht verändert. Performance-Verbesserungen wurden vor allem in Form von höheren Abtastraten erzielt. Dies ermöglicht eine schnellere Echtzeit-Signalerfassung, aber die vertikale Auflösung und Präzision blieb dabei aber unverändert.

Mathematische Verfahren verbessern die vertikale Auflösung

Es gibt einige mathematische Verfahren, um die vertikale Auflösung zu erhöhen. Die häufigste ist das sogenannte Averaging. Wird der Mittelwert des selben Signals gebildet, wird ein unkorreliertes Rauschen herausgemittelt. Das führt zu einer höheren effektiven vertikalen Auflösung. Dieser Ansatz hat einige Nachteile. Die Mittelung ist nur sinnvoll bei wiederkehrenden Signalen.

Ebenfalls darf sich das Signal über die Erfassungsdauer nicht ändern und es muss sehr stabil relativ zum gewählten Triggerzeitpunkt sein. Beispiele einer nicht-repetitiven Signalform sind das Ein-/Ausschaltverhalten einer Schaltung, die meisten seriellen Datenströme oder eine pseudo-zufällige Binärsequenz (PRBS). Für jede Signalform die nicht wiederkehrende ist, ob Impuls, Rampe oder Sinussignal, liefert die Mittelung nur bedeutungslose Ergebnisse.

Diese sehr einfache Implementierung führt zu starken Signalverzerrungen im Grenzbereich der Funktion. Besser ist eine Gewichtung der Abtastpunkte. Die Enhanced-Resolution nutzt eine Bewertung, die einem digitalen Tiefpaßfilter. Bei allen Verfahren reduziert sich die Bandbreite, je höher die vertikale Bandbreite sein soll. Als Grenze kommen mehrere Faktoren zum Tragen: Im Wessentlichen wird das durch die Abtastrate, der maximal verfügbaren Speichertiefe und der horizontalen Zeitbasis-Einstellung beeinflusst.

Wenn die 12-Bit-Geräte ins Spiel kommen

Mit der HD4096-Technlogie ermöglicht eine Auflösung von 12 Bit allein druch die verwendete Hardware. Daduch lassen sich Signale bis zur maximalen Bandbreite und Abtastrate erfassen. Die Signale lassen sich korrekt dargestellen, ohne dass es zu Signalrauschen ohne das die Gefahr besteht, dass durch die gewählte Mittelung Rauschen die im Signal wirklich vorhanden ist, zusammen mit dem Rauschen des DSOs herausgefiltert wird.

* David Maliniak ist Technical Marketing Communications Specialist bei Teledyne LeCroy in den USA.

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