EP Basics: Oszilloskop-Grundlagen Warum ein digitaler Trigger bei einem Oszilloskop wichtig ist

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Oszilloskope mit digitalen Triggern bieten zahlreiche Vorteile. Dazu gehören eine höhere Triggerempfindlichkeit, ein geringerer Triggerjitter und eine größere Auswahl an Filtern. Worauf es bei einem Oszilloskop ankommt.

Die Triggerfunktion eines Oszilloskops synchronisiert den Horizontal-Sweep mit dem Eingangssignal und ist für eine eindeutige Signalanalyse von entscheidender Bedeutung. Je besser das Triggersystem ist, desto weniger Zeit muss für die Isolierung seltener Ereignisse aufgewendet werden. Mit den grundlegenden Triggerfunktionen können sich wiederholende Messkurven stabilisiert werden, indem ein ausgewählter Teil des Eingangssignals wiederholt angezeigt wird. Mit den erweiterten Triggerfunktionen können bestimmte Ereignisse isoliert werden, um die Abtastrate und die Aufzeichnungsdauer zu optimieren.

Digitale versus analoge Triggerung

Die meisten Oszilloskope besitzen noch eine analoge Triggerarchitektur mit einem Datenpfad für das eingehende Signal und einem separaten Pfad für das Triggern. Neuere Oszilloskop-Architekturen nutzen eine digitale Triggerung und führen die beiden Pfade zu einem zusammen (Bild 1).

Bei der analogen Triggerung werden Analogschaltungen verwendet, um das eingehende Signal zu analysieren und den Zeitpunkt für das Auslösen der Aufzeichnung zu bestimmen. Der Signalpfad ist vom Triggerpfad getrennt. Das stellt sicher, dass die Triggerschaltung unabhängig arbeitet. Oszilloskope mit analogen Triggern erkennen Ereignisse typischerweise anhand von Spannungspegeln, Steilheiten oder Impulsbreiten. Dazu werden einstellbare Schwellwerte und Triggermodi wie Flanke, Puls oder Video verwendet.

Die digitale Triggerarchitektur hingegen verwendet einen einzigen gemeinsamen Pfad für die Signal- und die Triggerfunktion. Daher wird die eingehende Messkurve digitalisiert und digital verarbeitet, um die Triggerbedingung zu bestimmen. Die Triggerschaltung arbeitet direkt mit den digitalisierten Daten, was einen präziseren und flexibleren Triggermechanismus ermöglicht. Digitale Trigger können fortschrittliche Algorithmen und hochentwickelte mathematische Funktionen verwenden, um Ereignisse auf der Grundlage komplexer Bedingungen zu erkennen, wie beispielsweise bestimmte Datenmuster, Störspitzen oder Zwergimpulse.

Die Vorteile einer digitalen Triggerung

Die digitale Triggerung bietet gegenüber der analogen Triggerung eine Reihe von Vorteilen:

• Höhere Triggerempfindlichkeit,

• Hysteresesteuerung durch den Bediener,

• Größere Auswahl an Filtern,

• HD-Modus für den Trigger,

• Interpolation und

• Geringeres Trigger-Jitter.

Die Triggerempfindlichkeit bezieht sich auf die minimale Signalamplitude, die das Oszilloskop benötigt, um Triggerereignisse genau zu erkennen. Dies ist wichtig, da eine höhere Triggerempfindlichkeit das Isolieren und Triggern bei kleineren Signalen ermöglicht. Der Wert wird typischerweise in vertikalen Unterteilungen der Oszilloskopanzeige angegeben. Moderne Oszilloskope wie das R&S MXO 4 haben eine außergewöhnlich hohe Triggerempfindlichkeit von 0,0001 Div. Das bedeutet, dass das Oszilloskop bei einer Einstellung von 10 mV/Div (und einer vertikalen Auflösung von insgesamt 100 mV) auf Signale mit einer Amplitude von 10 µV triggern kann (Bild 2).

Bei einem Oszilloskop ist die Triggerschwelle der Wert, den ein Signal überschreiten muss, damit das Oszilloskop es als Triggerereignis erkennt. Die Hysterese oder Fenstergröße schafft ein Fenster über oder unter der Triggerschwelle. Analoge Oszilloskope haben in der Regel voreingestellte Hysteresewerte, während digitale Oszilloskope sowohl automatische Hystereseeinstellungen als auch vom Bediener einstellbare Optionen bieten. Eine vom Bediener einstellbare Hysterese ermöglicht es, Fehlauslösungen durch Rauschen zu vermeiden, indem ein höherer Wert gewählt wird. Eine Auslösung bei kleinen Änderungen der Signalamplitude kann durch die Wahl kleinerer Werte erreicht werden. Diese Flexibilität bei der Einstellung der Hysterese bietet mehr Kontrolle und eine verbesserte Triggerleistung.

Eine genaue Visualisierung und Analyse ist möglich

Oszilloskope bieten verschiedene Signalfilter für die Signalanzeige. Diese Filter können in Form von analoger Hardware, digitalen Signalverarbeitungsalgorithmen oder Software implementiert sein. Signalpfadfilter haben bei Oszilloskopen mit analogen Triggern keinen Einfluss auf die Triggerschaltung. Bei Oszilloskopen mit digitalen Triggern hingegen können Filter auf den Trigger, das Signal oder auf beides angewendet werden. Ein Vorteil digitaler Triggerarchitekturen besteht darin, dass die auf dem Oszilloskop angezeigte Messkurve genau das widerspiegelt, was die Triggerschaltung auswertet, so dass eine genaue Visualisierung und Analyse möglich ist.

Bei den meisten Oszilloskopen muss ein Kompromiss zwischen Bandbreite und vertikaler Auflösung durch die Erfassungsmodi gefunden werden. Diese Modi mitteln benachbarte Abtastwerte oder verwenden Filter auf der Grundlage digitaler Signalverarbeitung, um die vertikale Auflösung zu erhöhen, während die effektive Abtastrate verringert wird. Oszilloskope mit analogen Triggern verfügen über einen Modus mit hoher Auflösung, der sich jedoch nur auf den Signalpfad und nicht auf den Triggerpfad bezieht. Oszilloskope mit digitalen Triggern bieten dagegen einen HD-Modus, in dem die Triggerauflösung und die Rauschunterdrückung durch Verringerung der Bandbreite verbessert werden können.

Begrenzter Schwellwertbereich eines analogen Triggers

Analoge Trigger haben oft einen begrenzten Schwellwertbereich mit groben Schrittweiten. Digitale Trigger bieten hier mehr Flexibilität, da innerhalb des definierten vertikalen Bereichs ein beliebiger Schwellenwert gewählt werden kann. Dies liegt daran, dass die digitale Triggerarchitektur das Signal nach der Analog-Digital-Wandlung auswertet und nicht an Bandbreitenbeschränkungen gebunden ist.

Da die Informationen in digitaler Form vorliegen, kann das Gerät Entscheidungen auf der Grundlage einer Interpolation zwischen den Abtastpunkten treffen. Dies ermöglicht die Isolierung kleinster Signaldetails durch Anpassung der Auslöseschwelle und der Auslöseempfindlichkeit.

Softwareseitige Korrektur für Trigger-Jitter

Oszilloskope mit analogen Triggern müssen den genauen Zeitpunkt im Signalpfad bestimmen, der dem erkannten Triggerereignis entspricht. Das kann zu Trigger-Jitter über mehrere Aufzeichnungen hinweg führen. Einige Oszilloskop-Hersteller bieten softwarebasierte Korrekturverfahren an, um den Trigger-Jitter zu reduzieren.

Mit diesen Korrekturen lassen sich Jitter wirksam reduzieren. Allerdings sind dazu zusätzliche Verarbeitungszyklen notwendig. Das führt zu längeren Trigger-Reset-Zeiten und insgesamt langsameren Aktualisierungsraten. Im Gegensatz dazu weisen Oszilloskope mit digitalen Triggern auch ohne softwarebasierte Korrekturverfahren einen minimalen Triggerjitter auf.

Analoger oder digitaler Trigger: Wie kann ich das erkennen?

Die meisten Oszilloskope verwenden immer noch analoge Triggerung: Wenn das Produktdatenblatt nicht „digitale Triggerung“ angibt, verwendet das Oszilloskop wahrscheinlich analoge Triggerung. Sie können das Triggerverfahren eines Oszilloskops auch durch einen Blick auf andere Spezifikationen im Datenblatt zuverlässig bestimmen.

Ein Oszilloskop nutzt digitale Triggerung, falls:

• es eine Triggerempfindlichkeit von weniger als 0,1 Div bietet. Analoge Trigger können diese Empfindlichkeit nicht erreichen.

• der Benutzer aus einem breiten Bereich von Hysteresewerten von 5 Div bis hinab zu 0,01 Div wählen kann.

Wenn ein Oszilloskop darüber hinaus im Normalmodus (nicht in einem Spezialmodus) eine Trigger-Rückstellzeit in Nanosekunden zwischen 10 und 100 s aufweist, besitzt es wahrscheinlich eine digitale Triggerarchitektur. Ist man sich nicht sicher sind oder Fragen zu den Spezifikationen eines Oszilloskops, dann sollte man sich unbedingt an den Hersteller wenden.

Fazit: Die Triggerfunktion eines Oszilloskops ist von entscheidender Bedeutung für die Synchronisation des horizontalen Sweeps mit dem Signal und ermöglicht eine eindeutige Signalcharakterisierung. Die digitale Triggerung bietet gegenüber der analogen Triggerung mehrere Vorteile, wie beispielsweise eine höhere Triggerempfindlichkeit, die Möglichkeit der Hystereseeinstellung durch den Anwender, eine größere Auswahl an Filtern, die Verwendung des HD-Modus für Trigger, die Möglichkeit der Interpolation und einen geringeren Triggerjitter. Die Triggertechnologie eines Oszilloskops kann durch einen Blick in das Datenblatt oder durch Nachfrage beim Hersteller bestimmt werden.

* Joel Woodward ist Oscilloscope Product Planner bei Rohde & Schwarz.

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