High-Definition-Oszilloskope 16 bit vertikale Auflösung

Mehr Signaldetails werden benötigt bei der vertikale Auflösung eines Oszilloskops
Mehr Signaldetails werden benötigt bei der vertikale Auflösung eines Oszilloskops

Die vertikale Auflösung eines Oszilloskops entwickelt sich neben Bandbreite, Abtastrate und Speichertiefe zu einem Schlüsselparameter. Immer mehr Signaldetails werden benötigt: Kleine Spannungsanteile von wenigen hundert Millivolt sind genau zu messen, während das Signal gleichzeitig hohe Spannungsanteile aufweist

Die vertikale Auflösung eines Oszilloskops bestimmt die Genauigkeit, mit der die Signale dargestellt werden, und ist demzufolge auch dafür verantwortlich, wie präzise die erzielten Messergebnisse sind. Bis vor einigen Jahren wiesen Oszilloskope typischerweise eine vertikale Auflösung von 8 bit auf. Wenn aber das zu untersuchende Signal einen hohen Dynamikbereich aufweist – das heißt kleine Spannungskomponenten im Detail zu analysieren sind und das Signal gleichzeitig Anteile mit hoher Spannung aufweist – reicht eine Auflösung von 8 bit unter Umständen nicht aus, um die Genauigkeitsanforderungen an die Messungen zu erfüllen.

Einige moderne, sogenannte High-Definition-Oszilloskope stellen daher mittlerweile eine höhere vertikale Auflösung bereit.

Eine Möglichkeit ist also die Verwendung von A/D-Wandlern mit mehr als 8 bit. Eine andere ist es, digitale Nachverarbeitungsalgorithmen anzuwenden. Diesen zweiten Ansatz verfolgt Rohde & Schwarz bei seinen Oszilloskopen R&S RTO und R&S RTE mit der Option High Definition (R&S RTO-K17 bzw. R&S RTE-K17). Diese erhöht die Auflösung auf bis zu 16 bit, was gegenüber den 8 bit im Standard-Modus einem 256-fachen Gewinn entspricht. Erreicht wird dies durch ein digitales Tiefpassfilter, das im ASIC der Oszilloskope direkt nach dem A/D-Wandler implementiert ist (Bild 1).

Die Filterung reduziert die Rauschleistung, das Signal-Rausch-Verhältnis steigt und damit auch die vertikale Auflösung. Der Anwender kann die Bandbreite des Tiefpassfilters flexibel von 10 kHz bis 1 GHz an die Charakteristik des angelegten Signals und somit an die Anwendung anpassen. Die zugehörige Filterbandbreite bestimmt die nominelle Auflösung (Tabelle).

FilterVertikale Auflösung
 inaktiv 8 bit
 1 GHz 10 bit
 500 MHz 12 bit
 300 MHz 12 bit
 200 MHz 13 bit
 100 MHz 14 bit
 50 MHz bis 10 kHz 16 bit
Vertikale Auflösung des Oszilloskops R&S RTO in Abhängigkeit von der gewählten Filterbandbreite im High-Definition-Modus

Je niedriger die Filterbandbreite im Vergleich zur Bandbreite des Gerätes ist, desto höher ist der Auflösungs- und Rauschgewinn (Bild 2). Diesen Sachverhalt veranschaulicht Bild 3 im Spektralbereich, wobei fa die Abtastrate des Oszilloskops darstellt, fB die Bandbreite des Tiefpassfilters und S(f) das Nutzsignal. Geht man von reinem weißen Rauschen (AWGN) aus, was für hochwertige A/D-Wandler eine gute Näherung darstellt, und von einem idealen Tiefpassfilter, dann lässt sich der Gewinn im Signal-Rausch-Verhältnis wie folgt darstellen: SNRgain = 10 log(fa/2fB).

 

Bilder: 4

Rauschleistung und vertikale Auflösung in Bilder 2 - 5

Rauschleistung und vertikale Auflösung bei Scopes in Bilder 2-5

Mehr Signaldetails und präzisere Messergebnisse

Eine erhöhte Auflösung führt dazu, dass Messkurven schärfer dargestellt werden und Signaldetails hervortreten, die sonst vom Rauschen verdeckt wären und somit unentdeckt blieben. Um diese kleinen Signale genau analysieren zu können, bieten die R&S-RTO- und R&S-RTE-Oszilloskope eine ebenfalls erhöhte Eingangsempfindlichkeit von 500 μV/div. Dank der rauscharmen Eingangsstufen und der sehr genauen Single-Core-A/D-Wandler sind Messgenauigkeit und Messdynamik sehr hoch. Mit eingeschaltetem High-Definition-Modus profitiert der Anwender von noch genaueren Messergebnissen, wie Bild 4 und Bild 5 zeigen.