Labor-Oszilloskop Was die ENOB über das Oszilloskop verrät

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Die effektive Amplitudenauflösung, kurz ENOB, ist neben Bandbreite, Abtastrate und Speichertiefe eine wichtige Kenngröße für High-End-Oszilloskope. Doch die ENOB des A/D-Wandlers allein ist nicht aussagefähig. Wir zeigen Ihnen, auf was Sie achten sollten.

Wenn ein Anwender für kritische Messungen ein Oszilloskop auswählt, muss er unbedingt wissen, was das Messsystem des Oszilloskops leistet. Banner-Spezifikationen wie Bandbreite, Abtastrate und Speichertiefe liefern zwar eine Grundlage für den Vergleich, diese Spezifikationen allein reichen aber nicht aus, um die Messqualität des Oszilloskops zu beschreiben.

Erfahrene Oszilloskopanwender vergleichen darüber hinaus die Aktualisierungsrate – und in er Laborklasse auch den Eigenjitter und das Eigenrauschen. Gute Werte bei diesen Parametern sind die Grundlage für bessere Messungen. Für Oszilloskope mit Bandbreiten im GHz-Bereich spielt noch eine weitere Kenngröße eine Rolle: Die Anzahl der effektiven Bits oder der ENOB-Wert des A/D-Wandlers (Effective Number of Bits). Welche Bedeutung hat der ENOB-Wert und welchen Einfluss hat dieser auf die Messgenauigkeit?

Der Einfluss der Eingangsstufe und des A/D-Wandlers auf ein Oszilloskop

Ein Oszilloskop für möglichst hohe Genauigkeiten setzen voraus, dass die Eingangsstufe und der A/D-Wandler präzise arbeiten. Die Eingangsstufe bereitet das Eingangssignal so auf, dass der A/D-Wandler es möglichst gut digitalisieren kann. Eine Eingangsstufe besteht aus Eingangsteiler, Vorverstärker und Signalleitung.

Bei der Entwicklung von Oszilloskop investieren Ingenieure viel Arbeit in eine Eingangsstufe mit flachem Frequenzgang, geringem Rauschen und den erwünschten Grenzfrequenzen. Der hohen Anforderungen wegen entwickelt jeder Oszilloskop-Hersteller seine A/D-Wandler selbst. Die Entwicklung einer Eingangsstufe und eines A/D-Wandlers erfordert einen erheblichen Aufwand, daher werden die entstehenden Baugruppen typischerweise in mehreren Oszilloskop-Baureihen und -Generationen eingesetzt. Maximale Messgenauigkeit wird erzielt, wenn diese Baugruppen das Messsignal möglichst wenig verändern.

Gesamtleistung des Oszilloskops anstatt ENOB oder Rauschen

Die Messqualität von Eingangsstufe und A/D-Wandler lässt sich nicht einzeln, sondern nur zusammen bestimmen. Hierzu gibt es etliche verschiedene Wege. Die Hersteller geben als Kennzahlen meist das Rauschen und die ENOB an, an denen man ermessen kann, wie gut der Eingangsteil (Frontend) eines Oszilloskops ist. Allerdings ist es zweckmäßig, die gesamte Leistung des Oszilloskops zu betrachten, statt nur isoliert auf ENOB oder Rauschen zu blicken.

Das Grundrauschen eines Oszilloskops bei unterschiedlichen Einstellungen für Vertikalablenkung und -Offset stellt ein ausgezeichnetes Kriterium für die Bewertung der Messqualität eines Oszilloskops dar. Es zeigt dem Anwender, wie erfolgreich die Entwickler dabei waren, ihrem Oszilloskops eine möglichst rauscharme Eingangsstufe mitzugeben. Rauschen des Oszilloskops sorgt für unerwünschten Jitter und verkleinert Spielräume beim Design.

Wie sich das Rauschen eines Oszilloskopes beurteilen lässt

Typischerweise weisen breitbandigere Oszilloskope ein höheres Rauschen auf als Geräte mit geringerer Bandbreite, weil bei ihnen auch höhere Frequenzen zum Rauschen beitragen, die bei Geräten mit geringerer Bandbreite durch einen Tiefpass ausgefiltert werden. Eine einfache Methode zur Beurteilung des Rauschens eines Oszilloskops ist, die Eingänge offen zu lassen und dann den Effektivwert der Eingangsspannung bei verschiedenen Empfindlichkeits- und Offseteinstellungen zu messen.

Das IEEE hat eine Methode zur Qualitätsbeurteilung des A/D-Wandlers beschrieben, die auf der ENOB basiert. In heutigen Oszilloskopen arbeiten die A/D-Wandler meist nach dem Bauprinzip Pipeline-Wandler oder Flash-Wandler. Pipeline-Wandler mit zwei oder mehr Unterbereichen und erreichen so eine höhere Abtastrate.

Die Oszilloskope der Familie Agilent 90000A beispielsweise tasten mit 20 GS/s ab. Sie erreichen diese hohe Abtastrate durch die Kombination von 80 Unterbereichen mit je 256 MS/s. Interessanterweise – und auf den ersten Blick widersinnig – erreichen manche Oszilloskope die höchste Genauigkeit nicht bei der höchsten Abtastrate, denn hierbei treten durch das Interleaving zusätzlich Verzerrungen und hochfrequentes Rauschen auf.

Das IEEE und der ENOB-Standard für A/D-Wandler

Flash-Wandler bestehen aus einer Reihe von Komparatoren, die alle gleichzeitig das Eingangssignal prüfen, wobei jeder von ihnen bei "seinem" Ausgangsspannungsbereich ein Ausgangssignal abgibt. Die Komparatoren speisen eine Logikschaltung, die für jeden Spannungsbereich einen Digitalwert abgibt.

Jede A/D-Wandler-Technik hat ihre typischen Grenzen. Flash-Wandler beispielsweise sind anfällig für Nichtlinearitätsfehler, wohingegen Pipeline-Wandler eher Interleaving-Fehler aufweisen. Das IEEE hat seinen ENOB-Standard geschaffen, damit Anwender beurteilen können, wie gut verschiedene A/D-Wandler sind.

Die ENOB des Oszilloskopes ist niedriger als die ENOB des A/D-Wandlers

Die Oszilloskop-Hersteller bestimmen die ENOB ihrer A/D-Wandler und außerdem die ENOB des gesamten Geräts, die etwas niedriger liegt als die ENOB des A/D-Wandlers allein. Weil der A/D-Wandler allerdings Teil des Gesamtsystems ist und nicht separat benutzt werden kann, ist für den Anwender allein die ENOB des Gesamtgeräts eine sinnvolle Kenngröße.

Ein Anwender wird normalerweise weniger als die vollen 8 Bit des A/D-Wandlers seines Oszilloskops ausnutzen. Wollte er tatsächlich die vollen 8 Bit verwenden, müsste er das Eingangssignal so skalieren, dass es den kompletten Messbereich abdeckt. Das erschwert aber das Ablesen des Signals, außerdem riskiert der Anwender, dass er den A/D-Wandler in die Sättigung fährt. Und das mit den entsprechenden nachteiligen Folgen.

Skaliert der Anwender das Signal aber so, dass es nur 90% des Messbereichs abdeckt, so reduziert er seinen 8-Bit-AD-Wandler zu einem 7,2-bit-A/D-Wandler, da 90% von 8 Bit 7,2 sind. Faktoren wie Rauschen der Eingangsstufe, harmonische Verzerrungen und Interleaving-Fehler kosten im A/D-Wandler weitere Auflösung.

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