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5 wichtige Fakten über die ENOB eines Oszilloskopes

1. Was ist die ENOB und wie wird sie gemessen? Die ENOB wird mit einem Sinussignal fester Amplitude gemessen, das über die Oszilloskop-Bandbreite hinweg durchstimmt. Alle gemessenen Spannungen werden erfasst und bewertet. In der Zeitebene werden die ENOB berechnet, indem von der tatsächlich gemessenen Spannung der "theoretisch richtige" Spannungswert subtrahiert wird. Der Unterschied zwischen beiden ist Rauschen.

Das entstandene Rauschen kann aus der Eingangsstufe des Oszilloskops stammen, von Phasennichtlinearitäten oder vom Amplitudenfrequenzgang. Das Rauschen kann auch von Interleaving-Verzerrungen der A/D-Wandler kommen. Wird das gleiche Signal in der Frequenzebene bewertet, so ist die ENOB die Differenz zwischen dem Pegel über dem gesamten Spektrum abzüglich des Pegels des Grundtons. Auf beiden Wegen kommt man zum gleichen Ergebnis. Führt der Anwender eigene ENOB-Messungen durch oder will er die ENOB-Werte kontrollieren, die der Oszilloskop-Hersteller angibt, müssen die ENOB-Ergebnisse von der Spektralreinheit der eingesetzten Signalquelle abhängen.

Zunächst muss sichergestelt werden, dass die ENOB der Quelle (also des Signalgenerators und der zugehörigen Filter) größer ist als die ENOB des Oszilloskops. Zweitens hängen die ENOB-Werte vom Amplitudenverhältnis zwischen Quellsignal und Skalenendwert des Oszilloskops ab. Man erhält jeweils andere ENOB-Werte, wenn das Quellsignal 75 oder 90% des Skalenendwerts des Oszilloskops beträgt. Bei jedem Vergleich der ENOB-Spezifikation mit eigenen Messwerten müssen Amplitude und Frequenz des Testsignals berücksichtigt werden.

2. Was bringt die ENOB? Die ENOB ist ein gutes Maß für die Qualität des A/D-Wandlers eines Oszilloskops. Wenn ein Oszilloskop eine gute ENOB hat, weist es minimale Zeitfehler und niedriges Rauschen auf, und hat keine Zacken im Frequenzgang. Die Zacken werden typischerweise durch Interleaving-Verzerrung verursacht. Wenn in einer Anwendung hauptsächlich Sinussignale vorkommen, stellt die ENOB ein gutes Kriterium für die Auswahl eines geeigneten Oszilloskops dar.

3. Was kann die ENOB nicht?

Zwar ist die ENOB eine Maßzahl für die "Güte" von A/D-Wander und Eingangsstufe, doch lässt sie einige qualitätsbestimmende Parameter außer Acht – insbesondere Offset, Phasenfehler und Frequenzgangverzerrungen. Das Bild 2 zeigt ein Eingangssignal und seine Darstellung auf zwei Oszilloskopen. Trotz gleicher ENOB stellt das eine Oszilloskop das Testsignal erheblich besser dar als das andere.

Die ENOB berücksichtigt Offsetfehler eines Oszilloskops nicht. Zwei Oszilloskope mit gleicher ENOB können vom gleichen Testsignal durchaus die gleiche Kurvenform zeigen, allerdings in absoluten Spannungswerten vertikal verschoben. Offset, Rauschen oder Gleichstromverstärkungsgenauigkeit wären in diesem Fall bessere Maßzahlen zur Bewertung des Oszilloskops.

Die Auswahl eines geeigneten Oszilloskops wäre einfacher, wenn alle Oszilloskope flache Frequenz- und Phasengänge sowie die gleichen Grenzfrequenzen hätten. Das ist allerdings nicht der Fall, und üblicherweise finden sich in den Herstellerunterlagen auch keine Frequenz- und Phasengänge. Dazu gibt die ENOB keine Auskunft darüber, ob der Frequenzgang eben ist und ob Phasenfehler vorliegen.

Jedes Oszilloskop-Modell weist einen unterschiedlichen Frequenzgang und andere Phasenfehler auf. Beispielsweise zeigen zwei Oszilloskop-Modelle, beide mit einer Bandbreite von 6 GHz, von einem 2,1-GHz-Sinussignal jeweils ein anderes Bild auf ihrem Bildschirm. Das eine Gerät mag jenseits der Grenzfrequenz recht langsam abfallen und mit nur geringer Phasenkorrektur arbeiten, während das andere einen Frequenzgang aufweisen mag, der vor der Grenzfrequenz überschwingt, und dazu mit einem Phasenkorrekturalgorithmus arbeiten, der die Phase deutlich korrigiert. Man kann somit leider nicht generell sagen, dass ein Oszilloskop mit einer höheren ENOB das Eingangssignal stets genauer darstellt.

4. Wie kann die ENOB des Oszilloskops verbessert werden? Das einfachste wäre ein Oszilloskop mit einer höheren ENOB zu kaufen. Fragt man Hersteller, teilt er die ENOB-Werte jedes Modells mit. Die meisten High-End-Oszilloskope sind mit Filtern zur Bandbreitenbegrenzung ausgestattet. Ein solcher Filter blendet hochfrequente Signalbestandteile einschließlich Interleaving-Fehler und Rauschen aus, was die ENOB verbessert. Schließlich kann bei repetitiven Signalen das Breitbandrauschen durch Messwertemittelung im so genannten "hochauflösenden Modus" verringert werden. Mit solchen Betriebsarten lässt sich wirkungsvoll die Messgenauigkeit erhöhen.

5. Wie wichtig ist die ENOB bei der Auswahl des richtigen Oszilloskops? Ob die ENOB die Messergebnisse beeinflusst, hängt sehr davon ab, was man messen will. Sicherlich sollten ENOB-Kurven zusammen mit Messungen des Eigenrauschens betrachtet werden. Schnelle serielle Daten weisen an typischen Frequenzen Harmonische auf, die das Messsystem durchlaufen, unbeeinträchtigt von einer Verringerung der Zahl der effektiven Bits.

Bei solchen Signalen ist das Eigenrauschen des Oszilloskops ein besseres Maß für die Messgenauigkeit. Wenn die Messsignale hauptsächlich Sinussignale auf der Grundfrequenz sind (hier kommen einem einige Anwendungen in der Militärtechnik in den Sinn), ist die ENOB oft ein hervorragendes Kriterium.

Der Anwender kann in solchen Fällen den Hersteller seines Oszilloskops nach der ENOB-Kurve des betreffenden Modells fragen, das er einsetzen will. Der Anwender sollte wissen, wie die ENOB-Leistung des Oszilloskops aussieht. Da sich die ENOB mit der Frequenz ändert muss der Messtechniker die komplette spezifizierte Bandbreite des Gerätes kennen.

* * Brig Asay ist Product Manager für High End Realtime Geräte und Peter Kasenbacher ist EMEA Product Line Manager für Oszilloskope. Beide arbeiten für Agilent Technologies.

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