Oszilloskope Welchen Einfluss die Auflösung auf das Messergebnis hat

Bessere Ergebnisse dank einer höheren Auflösung des A/D-Wandlers: Was macht ein Oszilloskop mit 12 Bit besser im Vergleich zu einem Gerät mit 8 Bit?

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Hochauflösende A/D-Wandler gibt es bereits seit einiger Zeit, aber erst Teledyne LeCroy hat jetzt eine neue Serie von rauscharmen, hochauflösenden 12-Bit-Oszilloskopen mit Bandbreiten von 200 MHz bis 1 GHz vorgestellt. Die große Anzahl an vorhandenen konventionellen 8-Bit-Oszilloskopen verfügt über die Möglichkeit eines High-Resolution-Modus, der das Signal-Rausch-Verhältnis, die Auflösung und damit auch die Genauigkeit verbessert. Warum sollte man also in eine neue Technologie investieren?

Jedes Echtzeit-Oszilloskop verfügt über breitbandige Verstärker und A/D-Wandler in den Eingängen. Mit steigender Frequenz der zu messenden Signale wurden immer größere Bandbreiten und immer schnellere A/D-Wandler entwickelt. Das Problem dabei ist jedoch, dass das Rauschen der Eingangsverstärker mit der Wurzel aus der Bandbreite wächst. Es kann also sein, dass bei stetig schneller werdenden zu messenden Signalen im Endeffekt das Rauschen der Oszilloskop-Eingangsverstärker und Störungen angezeigt werden.

Das messtechnische Problem der Mittelung

Eine übliche Methode, um das Rauschen zu reduzieren und die Messauflösung zu verbessern, ist der Einsatz eines High- oder Enhanced-Resolution-Modus, der in vielen Geräten von Teledyne LeCroy, Agilent oder Tektronix verfügbar ist. Bei einer Einzelerfassung der Messsignale wird eine mathematische Funktion angewandt. Bei der einfachsten Variante wird das Signal mit maximaler Geschwindigkeit abgetastet und dann wird jeweils aus einer Anzahl von aufeinanderfolgenden Werten ein Mittelwert gebildet und dargestellt.

Diese Mittelung reduziert das Rauschen des Signals und erhöht die Auflösung. Dadurch wird allerdings die Abtastrate verringert, da jeder Block von Messwerten zu einem Einzigen gemittelt wird und es zu einer Verfälschung des Signals kommt. Die Mittelung reduziert nämlich nicht nur das Rauschen der Eingangsverstärker, sondern auch das des eigentlichen Signals. Daher arbeitet der Anwender nicht mehr mit dem realen Signal, sondern mit einem, aus dem Frequenzbereiche entfernt wurden, die vielleicht für die Analyse relevant sind. Messungen können also irreführend sein. Trotzdem ist der High-Resolution-Modus hilfreich, wenn man niederfrequente Anteile eines Signals untersuchen möchte und wissentlich einen Kompromiss eingeht und die störenden hochfrequenten Anteile entfernt.

Das Problem lässt sich lösen, in dem eine neue Generation rauscharmer, schnell abtastender Oszilloskope mit hoher Bandbreite verwendet werden. Der Anwender kann die realen Signale mit hoher Auflösung bei voller Abtastrate erfassen und anzeigen lassen, ohne sie durch nachfolgende Mittelungen und Filter zu verändern. Natürlich ist dazu eine neue spezielle Technologie erforderlich, welche die Signale erfasst und verarbeitet. Es ist nicht möglich, ein effektives hochauflösendes 12-Bit-Oszilloskop zu entwickeln, indem man einfach in einem vorhandenen 8-Bit-Oszilloskop einen 12-Bit-A/D-Wandler einsetzt.

Ein Vergleich zeigt, dass ein Oszilloskop mit 8 Bit einen theoretischen Dynamikbereich von 48 dB (6 dB pro Bit) besitzt, während es bei 12 Bit bereits 72 dB sind. Die besten Scopes mit 8 Bit erreichen mit ihren Signaleingängen in der Realität etwas mehr als 40 dB. Ob in der Signalverarbeitung danach ein 8-Bit- oder ein 12-Bit-A/D-Wandler folgt, ändert an diesem Dynamikwert nichts mehr. Daher verwenden neue Entwicklungen der High-Definition-Oszilloskope mit 12 Bit spezielle rauscharme Eingangsverstärker zusätzlich zu den 12 Bit A/D-Wandlern. Verbessert wird dadurch der Dynamikbereich gegenüber konventionellen Oszilloskopen um 15 dB auf einen realen Wert von 55 dB. Falls man es in Bezug auf effektive Bit betrachten möchte, so ergibt sich eine Erweiterung um 2,5 Bit. Das verbessert die Signalauswertung und hilft beim Vermessen sowohl in der Zeit- als auch in der Frequenzdarstellung.

Reale Signale messen – Signal-Charakteristiken erfassen

Das gebräuchlichste Verfahren, um die Güte einer Komponente zu beurteilen oder einen Fehler zu suchen ist es, mit einem Oszilloskop eine Signalform zu vermessen. Daher bieten fast alle Oszilloskope eine Auswahl an Parametern an, die automatisch bestimmt und manchmal sogar statistisch ausgewertet werden können. Dazu zählen Mittelwert, Maxi-/Minimum oder Standardabweichung (SDEV). Ein wichtiger Parameter ist die Anstiegszeit einer Flanke, da ein zu geringer Wert zu Zeitfehlern und Fehlfunktionen in einem Schaltkreis führen kann. Ein zu hoher Wert dagegen kann zu Rauschen im Signal führen. Daher haben viele System Toleranzschwellen für die Anstiegszeit.

Hat man nun sehr viel Rauschen im Signal, so kann es sein, dass diese Grenzwerte nicht einfach festgelegt werden können. Der Anwender könnte also versucht sein, das Rauschen herauszufiltern, um eine bessere Messung zu erhalten.

Die eingesetzten Filter reduzieren schließlich nicht nur das Rauschen der Signaleingänge, sondern genauso auch die entsprechenden Bestandteile des zu messenden Signals! Im Bild 3 wird das gleiche Signal mit einem rauscharmen High-Definition-Oszilloskop erfasst. Dieses Gerät arbeitet mit einer Auflösung von 12 Bit ohne jegliche Filter. Wird ein High-Resolution-Modus eingesetzt, können hier sogar Auflösungen bis zu 15 Bit erreicht werden.

Dieses Beispiel zeigt klar den Nutzen, aber auch die Limitation des High-Resolution-Modus an und dass er absolut kein gleichwertiger Ersatz für ein rauscharmes High-Definition-Oszilloskop sein kann.

* * Thomas Stüber ist Leiter Applikationen Deutschland bei LeCroy in Heidelberg.

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