Warum doch lieber ein 12-Bit Oszilloskop?

Mehr Details im Signal dank vertikaler Auflösung

Mehr Details im Mess-Signal - eine verbesserte vertikale Auflösung präzisiert nicht nur das Messergebnis, sondern auch die Darstellung eines Messwertes. Wir zeigen, warum ein 12-Bit-Oszilloskop Vorteile bietet.

Bereits seit einigen Jahren sind die die traditionellen analogen Oszilloskope durch digitale Speicher-Oszilloskope ersetzt. Die neueste Entwicklung der High-Definition-Technologie verbindet jetzt 12 Bit A/D-Wandler hoher Abtastrate mit Eingangsverstärkern mit großem Signal-Rausch-Verhältnis und eine rauscharmen Signal-Architektur.

Auf der horizontalen Achse haben die Messgeräte eine dramatische Verbesserung der Genauigkeit erfahren und damit einhergehend verbesserte Messergebnisse horizontaler Parameter wie Frequenz, Pulsweite, Duty-Cycle, Phase, Verzögerung oder Laufzeitunterschiede. Außerdem werden so weitergehende Untersuchungen wie des Jitters möglich. Ein typisches analoges Oszilloskop besitzt eine horizontale Genauigkeit von ±3 Prozent (oder ±5 Prozent bei vergrößerter Darstellung). Digital-Oszilloskope boten dagegen eine horizontale Genauigkeit im Bereich von ±0,01 Prozent, eine deutliche Verbesserung von 300 mal gegenüber den bisherigen ±3 Prozent. Heute verfügen viele Oszilloskope über eine horizontale Genauigkeit von ±0,0005 Prozent oder besser.

Die vertikale Genauigkeit eines digitalen Oszilloskop

Die ersten digitalen Oszilloskope erschienen mit A/D-Wandlern und einer Auflösung von 6 Bit. Das bedeutet 26 = 64 diskrete Spannungsstufen. Nach einigen Jahren hatte sich die Technik gewandelt und 8-Bit-A/D-Wandler mit 256 diskreten Spannungsstufen (28 = 256) wurden eingeführt. In den letzten 30 Jahren blieb der 8-Bit-Wandler der Standard und Verbesserungen konzentrierten sich auf höhere Abtastraten zur Echtzeit-Erfassung immer schnellerer Signale. Während ein 8-Bit-Wandler eine gute Leistung bei Standardmessungen bot, blieb der Wunsch bei der nachträglichen Analyse auch die Möglichkeit zu haben, feinere Details sichtbar machen zu können. Der traditionelle Weg, dies zu erreichen war die Mittelung über mehrere Erfassungen oder die Verwendung von mathematischen Methoden zur Erhöhung der Auflösung.

Die Mittelung über mehrere Erfassungen bedeutet, dass mehrere Kurvenzüge aufgezeichnet werden müssen um dann einzelne Punkte einer Erfassung mit den entsprechenden Punkten der weiteren Erfassungen zu mitteln. Der Hintergrund ist, dass zufälliges Rauschen auf den Signalen herausgemittelt und eine bessere Messung der vertikalen Spannung durch zusätzliche effektive Bits möglich wird.

Abbildung1

Bild1: Beispiel für eine Mittelung eines kontinuierlichen Rechtecksignals, Quelle: Teledyne LeCroy 

Das gemittelte Signal im Bild 1 zeigt deutlich eine Signalverbesserung beim Vergleich des gelben Originals mit der roten 16-fach gemittelten Kurve. Noch deutlicher wird es in der unteren vergrößerten Darstellung. Leider ist nicht alles so einfach. Zum Beispiel zeigen manche Oszilloskope keine Vergrößerung der gemittelten Kurve, sondern lediglich der letzten Einzel-Erfassung. Eine weitere Einschränkung ist, das diese Art der Mittelung nicht bei einzelnen, sich nicht wiederholenden Signalen möglich ist, wie Ein- und Abschaltvorgänge, PRBS- (Pseudo-Random-Binary-Sequence-)Signale oder einfache serielle Bussignale. Jedes sich nicht wiederholende Signal kann nicht gemittelt werden, ohne ein Resultat ohne Bezug zum Original zu erhalten.

Bild 2: Das Beispiel einer Mittelung eines seriellen Bussignals, Quelle: Teledyne LeCroy

Das Bild 2 zeigt ein serielles Bussignal (gelbe Kurve), während die 16-fach gemittelte rote Kurve keinerlei Sinn mehr ergibt, da die Mittelung den Informationsgehalt zerstört hat. Klar ist, dass man eine Mittelung bei einer Seriellen-Bus-Analyse oder jedem anderen sich nicht wiederholenden Signal nicht verwenden darf, auch wenn aufgrund des Rauschen des Busses ein recht dickes Signal erscheint, wie man an der gelben Kurve oben sehen kann.

Enhanced Resolution oder High-Resolution-Modus

Bei diesen Methoden wird eine verbesserte vertikale Auflösung durch einen nachträglichen mathematischen Filter erreicht, der mehrere Werte innerhalb des Signals nutzt, erreicht. Der Vorteil ist, dass so ein 8-Bit Oszilloskop in ein 11- oder 12-Bit Oszilloskop mit der entsprechenden zusätzlichen Auflösung verwandelt werden kann. 11 Bit bedeuten 2048 und 12 Bit 4096 diskrete Spannungsstufen, deutlich mehr als die 256 Stufen des eigentlichen 8-Bit A/D-Wandlers. Allerdings hat die zusätzliche Auflösung einen Preis und dieser ist eine reduzierte Bandbreite.

Erschwerend kommt hinzu, dass die reduzierte Bandbreite nicht ein fester Wert ist, sondern von der Ausgangs-Abtastrate abhängt. Diese wiederum hängt vom verfügbaren Erfassungsspeicher und der eingestellten Zeitbasis ab. Mit höhere Zeitbasis kann sich die Abtastrate reduzieren, wenn der verfügbare Speicher für eine schnellere Abtastung nicht mehr ausreicht.

Tabelle 1: Resultierende Bandbreite bei zusätzlichen effektiven Bits abhängig von der Abtastrate, Quelle: Teledyne LeCroy

Das Beispiel-Oszilloskop aus der Tabelle 1 scheint auf dem Papier über eine ausreichende Abtastrate zu verfügen. Betrachtet man die resultierende Bandbreite bei aktivierten Enhanced- bzw. High-Resolution-Filter sieht man deutlich die Konzessionen, die für eine verbesserte vertikale Auflösung notwendig sind. Entscheidend ist, wieviel Erfassungsspeicher zur Verfügung steht und welche Zeitbasis gewählt wurde. Diese Faktoren haben Einfluss auf die Abtastrate eines Oszilloskops.

Bei einer langen Zeitbasis ist immer mehr Erfassungsspeicher erforderlich, um die erfassten Datenpunkte aufzuzeichnen. An einem bestimmten Punkt ist die maximale Speichergröße erreicht und die Abtastrate muss reduziert werden, damit der komplette Erfassungszeitraum abgebildet werden kann. Die digitale Bandbreite muss reduziert werden. Manche Oszilloskope zeigen die aktuelle reduzierte Bandbreite auf dem Bildschirm an, andere jedoch nicht.

Eine echte Auflösung von 12 bit ist notwendig

Trotz einer verbesserten 8-Bit-Auflösung der Oszilloskope mit Enhanced- bzw. High-Resolution-Modus war klar, dass aufgrund der Einschränkungen dieser Verfahren eine echte Verbesserung der Auflösung notwendig sein wird. Zurzeit verwenden die meisten Oszilloskop-Hersteller mathematische Verfahren, um die 256 diskreten Spannungsstufen auf 4096 zu vergrößern.

Dazu sind umfangreiche nachträgliche Berechnungen notwendig, was mit Nachteilen verbunden ist. Teledyne LeCroy bietet verschieden Produktreihen von echten 12-Bit-Oszilloskopen wie HDO 4000A und HDO 6000A mit Bandbreiten zwischen 200 MHz und 1 GHz. Mit den Messlösungen ist es möglich, präzise hoch-aufgelöste Messungen durchzuführen, ohne die Einschränkungen der Mittelung bzw. Enhanced bzw. High-Resolution-Modus.

Das Eingangssignal lässt sich bei voller Abtastrate und Bandbreite betrachten. Es besteht keine Notwendigkeit, das Rauschen des Signal mathematisch zu reduzieren, da die hohe Auflösung der 12-Bit-Oszilloskope verbesserte, rauscharme Eingangsverstärker und eine entsprechende Signalarchitektur erfordern. Es lässt sich brauchbares 12-Bit-Oszilloskop bauen, wenn lediglich ein 12-Bit-A/D-Wandler in ein vorhandenes 8-Bit-Oszilloskop eingebaut wird.

Beim Vergleich der Spezifikationen ergibt sich für ein 8-Bit-Oszilloskop ein theoretischer Dynamikbereich von 48 dB (ca. 6 dB pro Bit), während er für ein 12-Bit-Oszilloskop bei 72 dB liegt. In der Praxis ist das Signal-Rausch-Verhältnis bei einem 8-Bit-Oszilloskop bei <40 dB. Sehr gute 8-Bit-Geräte verfügen über Eingangsverstärker und eine Signalarchitektur mit einem SNR von etwas mehr als 40 dB. Wird einfach ein A/D-Wandler mit einer Auflösung von 12 Bit in ein 8-Bit-Scope verbaut, so verbessern sich die Messergebnisse nicht.

Die High-Definition-Oszilloskope machen es notwendig, dass eine rauscharme Technologie für den Eingangsbereich und die Signalverarbeitung zusätzlich zu einem leistungsfähigeren A/D-Wandler zum Einsatz kommt. Dadurch lässt sich die Dynamik um mehr als 15 dB im Vergleich zu 8-Bit-Oszilloskopen verbessern. Der SNR liegt bei einem Wert von 55 dB. Weiterhin verfügen die 12-Bit-Oszilloskope über eine verbesserte DC-Genauigkeit von ±0,5 Prozent gegenüber ±2 Prozent bei 8-Bit-Geräten. Auf die effektiven Bits bezogen eine Verbesserung um 2,5 Bit. Das verbessert die Signale sowohl in der Zeit- als auch in der Frequenzebene.

Verbessert werden konnte ebenfalls die statistische Betrachtung, da das reduzierte Rauschen bei der Erfassung die Suche nach Abweichungen und Grenzwerten der Messparameter weniger beeinflusst. Der Anwender kann das Signal mit sehr viel geringerem Einfluss von der Signalerfassung-Architektur des Oszilloskops untersuchen.

Kleine Details sind besser sichtbar

In den Bildern 3 a/b sieht man den erfassten Abschaltvorgang. Das obere Signal wurde mit einem 8-Bit, das untere mit einem echten 12-Bit-Oszilloskop erfasst. Deutlich ist der Vorteil der neuen 12-Bit-Technologie im Vergleich zu einem konventionellen 8-Bit-Gerät zu sehen: deutliche, schärfere Signale ohne nachträglich zu Mitteln oder den High-Resolution-Modus zu verwenden.

Bild 3a: Erfassen von Abschaltvorgängen -  8-bit Oszilloskop, Quelle: Teledyne LeCroy

Bild 3b: Erfassen von Abschaltvorgängen – 12-bit Oszilloskop, Quelle: Teledyne LeCroy

In einem weiteren Beispiel (Bild 4a/b) zeigt sich erneut der Vorteil der 12-Bit-Architektur im Vergleich mit einem 8-Bit-Oszilloskop.

Bild 4a: Signaldetails bei einem 8-bit Oszilloskop, Quelle: Teledyne LeCroy

Bild 4b: Signaldetails mit einem 12-bit Oszilloskop – wesentlich mehr Details erkennbar, Quelle: Teledyne LeCroy

Obwohl ein großer vertikaler Messbereich ausgewählt werden musste, um das Signal komplett darstellen zu können, lassen sich mit einem echten 12-Bit-Oszilloskop durch dessen höhere Auflösung selbst kleine Details auf dem Rechtecksignal deutlich besser erkennen, als es mit dem 8-Bit-Oszilloskop möglich wäre.

Autor: Thomas Stüber, Applikations-Ingenieur bei Teledyne LeCroy

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