A/D-Umsetzer in Oszilloskopen Die Vorteile von 10 bit

Hohe vertikale Auflösungen um kleine Signalanteile messen zu können.
Hohe vertikale Auflösung um kleine Signalanteile messen zu können.

Um kleine Signalanteile großer Amplituden messen zu können, benötigen Oszilloskope eine hohe vertikale Auflösung. Ein 10-bit-Analog-Digital-Umsetzer bietet jedoch im Vergleich zu den üblichen 8 bit die vierfache Auflösung und erlaubt eine wesentlich genauere Darstellung von Signaldetails.

Digitale Oszilloskope sind in der elektronischen Forschung, Lehre und Industrie unverzichtbare Messgeräte. Bei der Auswahl eines geeigneten Oszilloskops stehen häufig die Bandbreite und die Abtastrate im Mittelpunkt. Weitere Aspekte sind die Speichertiefe und Bedienbarkeit; für letztere spielt auch die Bildschirmgröße eine wichtige Rolle. Es gibt allerdings eine wachsende Zahl von Applikationen, bei denen mehr als 8 bit vertikale Auflösung nützlich oder sogar notwendig sind. Neben der Verwendung eines entsprechend leistungsfähigen A/D-Umsetzers werden auch verschiedene alternative Methoden eingesetzt, um die vertikale Auflösung zu erhöhen.

10 bit = viermal mehr Auflösung

In digitalen Oszilloskopen wurden seit ihrem Aufkommen in aller Regel A/D-Umsetzer auf 8-bit-Basis verbaut. Das geschah aus dem einfachen Grund, dass die Technologie für höher auflösende A/D-Umsetzer mit einer entsprechend hohen Abtastrate und geringem Rauschen noch nicht verfügbar war. Darüber hinaus werden normalerweise nur in High-End-Oszilloskopen herstellerspezifische A/D-Umsetzer eingesetzt, während in der Einsteigerklasse aus Kostengründen meist auf Standardkomponenten zurückgegriffen wird. Diese entsprechen jedoch in der Regel nicht dem aktuellen Stand der Technik.

Heute sind A/D-Umsetzer mit 10 oder sogar 12 bit Auflösung und Abtastraten, die typischerweise Bandbreiten von bis zu 1 GHz unterstützen, auf dem Markt verfügbar. Der höhere Preis im Vergleich zu 8-bit-Komponenten hat jedoch bisher die Verwendung in Geräten unterhalb von etwa 5000 Euro Startpreis verhindert. Die neuen R&S-RTB2000-Oszilloskope greifen auf den hauseigenen 10-bit-A/D-Umsetzer zurück, den Rohde & Schwarz ursprünglich für den R&S Scope Rider entwickelt hat. Die Verwendung dieser Eigenentwicklung beim R&S RTB2000 ermöglicht es, im Vergleich zu Oszilloskopen mit 8-bit-A/D-Umsetzer eine deutlich höhere vertikale Auflösung zu erzielen und den Einstiegspreis dennoch bei 1250 Euro zu halten.

 8 bit10 bit
Quantifizierungsstufen (Auflösung)28 = 256 Stufen210 = 1024 Stufen
Mindestauflösung für ein 1-Volt-Signal4 mV1 mV

 

Tabelle. 8-bit- vs. 10-bit-A/D-Umsetzerauflösung

Die heutzutage immer niedrigeren Spannungsniveaus und steigenden
Effizienzanforderungen an die Spannungsversorgung verringern die Toleranzen beim Messen an Elektronikschaltungen. Für Ingenieure können Genauigkeit und Auflösung bei Spannungsmessungen daher kaum hoch genug sein. Die Tabelle zeigt den Unterschied zwischen 8-bit- und 10-bit-Auflösung. Die Beispielrechnung für ein 1-Volt-Signal ergibt beim 10-bit-Wandler eine Auflösung von etwa 1 mV. Entwickler, die Signale leistungselektronischer Bauteile analysieren müssen oder mit hohen Dynamikbereichen zu tun haben, profitieren von dem vierfach höher aufgelösten Signal.

Um diese kleineren Signaldetails gewinnbringend nutzen zu können, benötigt das Oszilloskop eine entsprechend rauscharme Eingangsstufe. Hätte das Oszilloskop im oben beschriebenen Beispiel einen Rauschpegel von 4 mV, würde die höhere Auflösung keine Vorteile bringen, da lediglich das Rauschen des Oszilloskops digitalisiert würde. Neue Signaldetails würden sich im Vergleich zu einem 8-bit-Oszilloskop nicht zeigen. Es ist daher wichtig, nicht nur auf die Auflösung des Oszilloskops, sondern auch die Rauscheigenschaften zu achten.