So erreichen Sie uns
Telefon: 06352/78998-0
E-Mail: info@admess.de

Admess
Ernst-Kiefer Str. 9
67292 Kirchheimbolanden

Grundlagen für die richtige Oszilloskop Wahl


Mit steigender Komplexität der Messaufgaben, steigt auch die Anforderung an das richtige Oszilloskop. Die Auswahl eines Oszilloskops scheint eine schwierige Aufgabe zu sein, aber das muss sie nicht. Vielmehr ist es ein mehr oder weniger logischer Prozess, der auf Ihren Messanforderungen basiert. Allerdings kann die Entscheidung schwieriger werden, wenn die Anwendung des Geräts "allgemeine Laborarbeit" ist.

Der erste Schritt im Auswahlprozess besteht darin, alle Anwendungen aufzulisten, die Ihnen einfallen und für die Sie ein neues Oszilloskop verwenden würden. Natürlich ist es fast unmöglich, alle möglichen Anwendungen für ein Oszilloskop vorherzusehen, aber es lohnt sich, es zu versuchen. Sobald die Anwendungen und die Signaleigenschaften, die Sie messen möchten, festgelegt sind, wird der Prozess unkomplizierter.

Grundsätzlich sollten bei einem Oszilloskop folgende Eigenschaften genau betrachtet werden:

  • Bandbreite
  • Vertikale Auflösung
  • Eingangskanäle (analog und digital)
  • Speichertiefe
  • Anstiegszeit (Rise-Time)
  • Abtastrate
  • User-Interface
  • Konnektivität
  • Folgekosten für Software

Analoge Bandbreite

Eine der wichtigsten Grundspezifikationen eines digitalen Oszilloskops ist seine Bandbreite (Angegeben in Hz). Im Allgemeinen versteht man unter Bandbreite den Frequenzbereich, in dem ein bestimmtes Oszilloskop genaue Messungen vornimmt, und wird normalerweise in Megahertz (MHz) oder Gigahertz (GHz) angegeben.

 

Um die Definition ein wenig zu vertiefen: Die Bandbreite eines Oszilloskops ist die Frequenz, bei der eine sinusförmige Wellenform am Eingang des Geräts auf 70,7 % der ursprünglichen Amplitude auf dem Display gedämpft wird. Dies ist der sogenannte -3-dB-Punkt (Abb. 1).

Wie viel Bandbreite sollte Ihr Oszilloskop also haben? Es sollte aufjedenfall über eine ausreichende Bandbreite verfügen, um mit hochfrequenten Änderungen im Eingangssignal Schritt zu halten. Eine unzureichende Bandbreite führt zu Amplitudenverzerrungen und langsameren Flanken.

Eine grobe Regel hierfür besagt, dass um eine maximale Amplitudengenauigkeit zu erreichen, ein Oszilloskop mit einer maximalen Bandbreite des Fünffachen der höchsten zu messenden Frequenzkomponente benötigt wird.

Ein Beispiel wäre ein PCIe Gen 1-Signal mit 2,5 Gb/s (Grundfrequenz von 1,25 GHz). Hier wäre ein 6-GHz-Oszilloskop erforderlich, um das Signal genau darzustellen.

Zu beachten ist jedoch nicht nur die Bandbreite des Oszilloskops, sondern die Systembandbreite der gesamten Messkette. Häufig wird zum Abgreifen des Signals ein Tastkopf verwendet. Dieser muss ebenfalls entsprechend ausgewählt werden, damit das Messsystem im gesamten das Signal richtig und genau erfassen kann. Der Tiefpass mit der geringsten Bandbreite bestimmt letztlich die Systembandbreite. Über die Auswahl des richtigen Tastkopfes erfahren Sie hier mehr.

Vertikale Auflösung

Ein sehr wichtiger - vielleicht sogar entscheidender - Aspekt ist die vertikale Auflösung, die die Amplitudengenauigkeit des ADC (Analog-Digital-Converters) des Oszilloskops beschreibt. Theoretisch kann ein Oszilloskop mit einem 8-Bit-ADC die Amplitude eines Signals auf einen Teil von 256 auflösen. Bei einem Skalenendwert von 800 mV kann das Oszilloskop die Amplitude also bestenfalls in 3,1-mV-Schritte auflösen. Oszilloskope mit 12-Bit-ADCs können das gleiche Signal in 195 μV-Schritte auflösen, was einer 16-mal höheren Auflösung entspricht als bei einem 8-Bit-Oszilloskop.

Warum ist die vertikale Auflösung so wichtig? Sie kommt vor allem dann ins Spiel, wenn kleine Signalelemente in Gegenwart größerer Signale beobachtet werden. Nehmen wir an, Sie betrachten die "Ein"-Spannung eines Schaltnetzteils, die weniger als 1 V beträgt, während die Spannung im "Aus"-Zustand 500 V beträgt. Ein 8-Bit-Oszilloskop hätte eine theoretische Auflösung von nur 1,9 V/Schritt, während ein 12-Bit-Instrument bis zu einem 0,12-V-Schritt auflösen könnte.

Analogen und digitale Eingangskanäle

In der Regel können die meisten Oszilloskope mehrere Signale erfassen und auf Ihrem Bildschirm ausgeben. Jedes dieser Signale wird über einen separaten Kanal erfasst. In der Vergangenheit hatten digitale Oszilloskope häufig 2 oder 4 analoge Eingangskanäle zur Verfügung. Doch im Rahmen der stetigen Entwicklung (besonders im Bereich der Leistungselektronik) werden häufig immer mehr Eingangskanäle benötigt. Aus diesem Grund hat Teledyne LeCroy als erster Oszilloskop-Hersteller ein Gerät mit 8 analogen Eingangskanälen entwickelt. Diese Geräte verfügen sogar über die Möglichkeit gekoppelt betrieben zu werden. Somit stehen dem Anwender bis zu 16 analoge Eingangskanäle zur Verfügung.

Neben den analogen Eingangskanälen gibt es Oszilloskope mit Mixed-Signal-Kanälen (Mixed-Signal-Oszilloskope oder MSO). Diese verfügen neben den analogen Eingangskanälen auch über Digitalkanäle. Meistens verfügen diese Digitalkanäle mit 8, 16 oder 32 Eingänge. Bei Teledyne LeCroy Oszilloskopen ist es Standard, dass alle analogen und digitalen Eingangskanäle gleichzeitig genutzt werden können.

Da es Hersteller am Markt gibt, bei denen die Nutzung von digitalen Kanälen dazu führt, dass analoge Kanäle aufgegeben werden müssen, gilt es hier genau auf die Spezifikationen zu achten.

Speichertiefe

Je länger die Speicherlänge eines Oszilloskops ist, desto länger ist die Dauer des erfassten Signals:

Erfasstes Zeitintervall = Speicherlänge/Abtastrate

Somit ist die Anzahl der Abtastungen durch die Speicherlänge bzw. den Erfassungsspeicher des Oszilloskops limitiert. Möchten Sie ein sporadisch auftretendes Signalereignis erfassen, ist ein möglichst tiefer Speicher notwendig. Aus diesem Grund können Sie verschiedene Oszilloskop Serien von Teledyne LeCroy mit einem Speicher von bis zu 5 GS/s ausrüsten – über einen tieferen Speicher verfügt aktuell kein anderer Hersteller am Markt. 

Anstiegszeit / Flankensteilheit

Die Reaktion eines Oszilloskops im Zeitbereich ist eine Funktion seiner Sprungantwort. Der Schlüsselparameter für die Bewertung der Sprungantwort ist die Anstiegszeit. Die Anstiegszeit der Sprungantwort ist mit der Bandbreite des Oszilloskops durch die folgende Gleichung verbunden:

Anstiegszeit = k/Bandbreite

wobei die Anstiegszeit in Sekunden, die Bandbreite in Hertz und k = 0,35 bis 0,45 je nach dem Frequenzgang des Oszilloskops angegeben ist. Für Bandbreiten unter 2 GHz ist k = 0,35.

Die Sprungantwort eines Oszilloskops kommt bei der Messung digitaler Signale mit schnellen Flanken zum Tragen. Als Faustregel für die Bestimmung der Bandbreite für digitale Signale gilt, dass die Bandbreite des Oszilloskops das 2,5-fache der Bitrate des digitalen Signals betragen sollte. Wenn Sie beispielsweise serielle Daten mit einer Bitrate von 1 Gb/s messen, sollte die Bandbreite des Oszilloskops 2,5 GHz betragen. Da die höchste Datenrate für ein digitales Signal die Hälfte der Bitrate beträgt, bedeutet die Auswahl eines Oszilloskops mit einer Bandbreite von 2,5 x der Bitrate, dass die fünfte Harmonische des Datensignals innerhalb der Bandbreite des Oszilloskops liegt.

Abtastrate

Die Abtastrate eines Oszilloskops gibt an, mit welcher Frequenz der Analog-Digital-Wandler (ADC) die analogen Eingangssignale in digitale Signale umwandelt. Umso höher die Abtastrate ist, umso genauer ist die zeitliche Auflösung und damit auch mehr Details im Signalverlauf erkennbar.

In Bezug auf die Abtastrate legt die Nyguist-Abtasttheorie die Mindestabtastrate für ein digitales Abtastoszilloskop auf das Doppelte der Bandbreite des Geräts fest. In der Praxis ist es in der Regel besser, mit einer Abtastrate von mehr als dem 2,5-fachen der Bandbreite des Geräts abzutasten, da höhere Abtastraten eine höhere Zeitauflösung ermöglichen. Dies geht jedoch auf Kosten eines größeren Erfassungsspeichers, so dass ein Kompromiss erforderlich ist. Die Genauigkeit des Oszilloskops verbessert sich im Allgemeinen mit einer Überabtastung bis zum Fünffachen der Bandbreite. Bei einer Überabtastung von mehr als dem Fünffachen nimmt der Nutzen ab.

User-Interface

Die Art und Weise, wie Benutzer mit einem Oszilloskop interagieren, erfolgt über dessen Benutzeroberfläche; moderne Oszilloskope verfügen über eine Vielzahl interaktiver Funktionen zur Steuerung des Geräts. So hat Teledyne LeCroy alle Geräte mit dem User-Interface MAUI ONE TOUCH ausgestattet. Dies ermöglicht dem Benutzer einen intuitiven Umgang, den er von seinem Smart-Phone oder Tablet gewohnt ist. So können alle wichtigen Funktionen und Einstellungen mit einem Finger auf dem Touch-Display vorgenommen werden. Selbstverständlich ist aber auch eine Einstellung via Drehknöpfe oder externer Maus und Tastatur möglich.

Konnektivität

Viele Benutzer von Oszilloskopen möchten ihre Geräte mit einem externen Computer steuern, wie in einem automatisierten Prüfsystem. Dazu muss das Oszilloskop über Fernsteuerungsfunktionen verfügen. Daher ist die Konnektivität ein wichtiger Faktor, den Sie berücksichtigen müssen, wenn Sie ein Oszilloskop auf diese Weise verwenden möchten. Achten Sie auf Hardware-Schnittstellen für Protokolle wie LAN, LXI, USB oder GPIB sowie auf einen effizienten Befehlssatz für die Fernsteuerung. Hilfssoftware und Treiber sollten verfügbar sein, um das Oszilloskop mit der Programmierumgebung des Benutzers zu verbinden.

Folge Kosten für Firmware-Updates

Wenn Sie ein neues Oszilloskop beschaffen möchten, müssen Sie natürlich auch die Anschaffungskosten betrachten. Doch neben den Anschaffungskosten, sollte auch geprüft werden ob es Folgekosten für den Benutzer gibt. So gibt es einige Hersteller, bei denen eine Lizenzgebühr fällig wird, wenn Sie immer die neuste Firmware nutzen möchten. Bei Teledyne LeCroy Oszilloskopen fallen solche Folgekosten nicht an. So haben die Nutzer immer einen kostenlosen Zugriff auf die neuste Firmware des entsprechenden Oszilloskops.