Oszilloskoptechnik 12 bit statt 8 bit - Was High Resolution bringt

12 bit Amplitudenauflösung bringen mehr Detailtreue in der Signaldarstellung
12 bit Amplitudenauflösung bringen mehr Detailtreue in der Signaldarstellung: HRO-Scope von LeCroy.

Seit kurzer Zeit gibt es neben den traditionellen 8-bit-Oszilloskopen in der Mittelklasse auch sogenannte „High Resolution“-Scopes, die sich durch eine deutlich gesteigerte vertikale Auflösung auszeichnen. Welche Vorteile das hat, zeigt dieser Beitrag.

Bei den High-Resolution-Oszilloskopen, wie sie unlängst von LeCroy (www.lecroy.com) mit der HRO-Serie vorgestellt wurden, ist nicht nur die Auflösung der A/D-Wandler von den traditionell üblichen 8 bit auf 12 bit erhöht worden, optimiert ist vielmehr auch die ganze Signalerfassung in Bezug auf möglichst hohe Dynamik. So beträgt z.B. die DC-Messungenauigkeit der HRO-Serie nur 0,5 %  während diese sonst typisch in dieser Klasse bei 1,5 % liegt. Der Signal/Rauschabstand liegt mit 55 dB ebenfalls über den sonst üblichen Werten von 36 bis 38 dB.

Was ist ein „High Resolution“-Oszilloskop (HRO)?

Bei einem konventionellen Oszilloskop mit 8 bit Auflösung wird das analoge Eingangssignal mit maximal 256 Amplitudenstufen gewandelt. Sehr häufig entspricht der dargestellte Spannungsbereich auf dem Display dabei aber weniger als 256 Stufen, da sich der 8-bit-Bereich über meist zehn Bildschirmteile erstreckt.  Dies ist technisch  durchaus sinnvoll, da sonst Signale, die nur etwas über den Anzeigebereich hinausgehen, beschnitten würden. Geht man davon aus, dass die meisten gemessenen Signale den Bildschirm nur zu 60 bis 70 % füllen, wird ein typisches Signal bei einem 8-bit-Oszilloskop faktisch sogar nur mit ca. 120 bis 150 Amplitudenstufen gewandelt. In einem 12-bit-System hingegen kann das Eingangssignal mit maximal 4096 Amplitudenstufen gewandelt werden, so dass sich für ein typisches Signal eine Auflösung von über 2000 Stufen ergibt.

Entscheidend: Signal/Rausch-Abstand

Erhöht man nur allein die Auflösung der A/D-Wandler in einem Oszilloskop  von 8 auf 12 bit, so begrenzen viele andere Parameter die wirklich nutzbare Dynamik – und der Vorteil des 12-bit-Systems kann nicht voll ausgeschöpft werden.  Ein wesentlicher Punkt, der die Auflösung begrenzt, ist das Oszilloskop-Rauschen, wobei hier nicht das Grundrauschen, sondern der Signal/Rausch-Abstand (SNR) der maßgebliche Parameter ist. Ein Großteil des Rauschens kommt bei einem digitalen Oszilloskop nicht von den Eingangsverstärkern selbst, sondern von dem A/D-Wandler und dem Sample&Hold-Baustein. Je höher die Abtastrate eines A/D-Wandlers, um so größer ist dabei auch das systembedingte Grundrauschen, da jeder A/D-Wandler Rauschen bis zur halben Abtastratrate wandelt, unabhängig davon, ob der Eingangsverstärker vor dem Oszilloskop diesen Bereich auch abdeckt. In der HRO-Serie wurden daher nicht nur die Vorverstärker modifiziert - auch die A/D-Wandler tragen eine großen Beitrag zu dem SNR von 55 dB bei.

Weitere Punkte, die für Applikationen mit hoher Dynamik zu beachten sind, ist die Genauigkeit des Eingangsverstärkers und – speziell  im Leistungsbereich – der verfügbare Offsetbereich der Eingangsverstärker.

Typisch ist bei Oszilloskopen ein DC-Fehler von 1,5 % bis 2 % bezogen auf die den vollen A/D-Wandler-Bereich, was für eine 8-bit-Auflösung akzeptabel ist. Die 12-bit-HROs wurden in diesem Bereich modifiziert und können den bereits erwähnten DC-Fehler von 0,5 % aufbieten. Der Offsetbereich konnte auf 400 V erhöht werden, was z.B., hochauflösende Messungen an Ausgangstufen von Leistungsverstärkern erlaubt.

Ein Beispiel zeigt, wo die Grenzen der Auflösung für 8-bit- und 12-bit-Systeme liegen. Verwendet wird hierfür ein EKG-Signal, das mit einem 16-bit-Arbiträrsignal-Generator erzeugt wurde.

Bild 1a zeigt das Signal, gemessen mit einem 8-bit-Oszilloskop, Bild 1b das identische Signal auf einem 12-bit-Gerät. Bei dem 12-bit-Scope sind in dem im Signal gezoomten Bereich die Digitalisierungsstufen sehr gut zu sehen.

Um die Auflösung zu verbessern, und die Messungen an solchen Signalen auch mit einem 8-bit-System machen zu können,  haben sich verschiedene Verfahren in den Oszilloskopen etabliert, die aber nicht universell eingesetzt werden können, da jedes Verfahren seine Grenzen hat.

Die Mittelwertbildung  ist eine Möglichkeit, die aber voraussetzt, dass das Signal wiederkehrend ist und sich über die Messzeit nicht ändert. Für Einzelereignisse ist diese Art der Mittelung nicht anwendbar, und es finden Verfahren wie das Boxcar Averaging oder die gleitende Mittelwertbildung Anwendung. Beiden Verfahren ist gemeinsam, dass das Signal schneller abgetastet werden muss, als für die Signaldarstellung notwendig ist. Bei dem Boxcar-Averaging werden feste Blöcke von Abtastwerten zu einem einzelnen Wert gemittelt. Bei der gleitenden Mittelwertbildung (ERES= Enhanced RESolution Modus), werden dagegen Daten in einem definierten Fenster gemittelt. Dieses Fenster wird dann über die Länge der Aufzeichnung hinweg geschoben. Der Vorteil dieser Methode ist, dass dieses Fenster gleichzeitig noch als Tiefpassfilter wirkt und hierdurch noch zusätzlich hochfrequentes Rauschen ausgefiltert wird. Beide Verfahren haben den entscheidenden Nachteil, dass die Verbesserung davon abhängt, um wie viel höher die Abtastrate relativ zur benötigten Abtastrate gewählt werden kann. Um eine Auflösung von drei zusätzlichen Bits zu erhalten, muss dieses Verhältnis größer als 100 sein, das heißt, dass bei 1 GS/s Abtastrate die nutzbare Bandbreite auf unter 10 MHz absinkt.