Oszilloskope Wer schneller ist, sieht mehr

Wesentlich für die optimale Anwendung eines Oszilloskops ist, wie schnell es Fehler finden hilft und wie originalgetreu es Signalverläufe darstellt. Interessant deshalb eine neue Scope-Familie, die sich unter anderem durch sehr kurze „Blindzeiten“ auszeichnet.

In nahezu allen Bereichen der Elektronik, von der Schaltungsentwicklung bis hin zur Produktion, sind Oszilloskope im Einsatz. Wie rasch, fehlerfrei und sicher man damit Signale untersuchen kann, hängt sehr davon ab, wie genau das verwendete Oszilloskop Signalverläufe wiedergibt und wie schnell es möglichst viele Signaldetails erfassen kann. Deshalb hat Rohde & Schwarz die neu entwickelte Oszilloskop-Familie R&S RTO (Bild 1) auf Geschwindigkeit und Signaltreue ausgerichtet.

Erstmals können 1 Mio. Messkurven pro Sekunde ausgewertet und dargestellt werden. Somit sind selbst seltene Fehler sofort sichtbar. Zudem führt das erstmals rein digital realisierte Triggersystem zu sehr kleinem Trigger-Jitter. Aufgrund des geringsten Eigenrauschens in ihrer Geräteklasse bieten die neuen Oszilloskope zudem eine hohe Signaltreue auch bei Messungen an kleinen Signalamplituden. Verfügbar sind die neuen Scopes als 2- und 4-Kanal-Modelle mit 1 und 2 GHz Bandbreite sowie einer Abtastrate von 10 GS/s (GSamples/s). Ein Hochgeschwindigkeits-ASIC, der tiefe Erfassungsspeicher mit 20 MS (MSample) pro Kanal in der Standard-Konfiguration und ein präziser, von Rohde & Schwarz entwickelter Single-Core- A/D-Umsetzer sorgen für einen bisher unerreichten Datendurchsatz. Zusätzlich verfügbar sind neu entwickelte aktive Tastköpfe, mit denen der Anwender über einen Taster an der Tastkopfspitze erstmals verschiedene Funktionen des Oszilloskops auslösen kann.

Fehler finden statt suchen – mit 1 Mio. Messkurven/s

Ein digitales Oszilloskop misst Signale in zwei Schritten: Zuerst tastet es das Signal in einer vorgegeben Zeit ab und speichert die Werte. Anschließend generiert es daraus die Messkurven und stellt diese dar. Während dieser Signalverarbeitung sind digitale Oszilloskope gegenüber dem Messsignal „blind“. Am Testpunkt auftretende Fehler bleiben unentdeckt.

Am kritischsten ist der Einfluss der „Blindzeit“ bei der höchsten Sample-Rate. Bei einer Messung mit einer Sample-Rate von 10 GS/s und einer Aufzeichnungslänge von 1.000 Abtastpunkten sind gängige Oszilloskope 99,5 % des Aufzeichnungszyklus blind. Das Signal wird also nur während 0,5 % der Messzeit erfasst.

Rohde & Schwarz hat hingegen die aktive Aufzeichnungszeit bei seinen Oszilloskopen um den Faktor 20 gesteigert (Bild 2). Möglich ist das durch ein hochintegriertes ASIC in den Geräten. Durch mehrfach parallel-geschaltete Verarbeitungspfade wird die Blindzeit drastisch reduziert. Das Ergebnis ist eine Geschwindigkeit von 1 Mio. dargestellter Messkurven pro Sekunde. Sämtliche Einstellmöglichkeiten und Analysefunktionen für die Messung stehen weiterhin parallel zur Verfügung. Die Fehlersuche mit digitalen Oszilloskopen beginnt man häufig im Nachleucht- Modus (Persistence Mode), um bei den sich überlagernden Messkurven sporadische Abweichungen zu erkennen. Viele Geräte verwenden dazu einen speziellen Aufzeichnungsmodus, der die Blindzeit verkürzt, jedoch gleichzeitig die Signalverarbeitungsund Analysefähigkeit einschränkt. Kompromisse dieser Art gibt es bei den neuen Scopes nicht – sie erfassen und verarbeiten Daten schnell und bleiben dabei vollständig bedienbar.

Auf früher erfasste Messkurven kann der Anwender zudem immer zugreifen. Unabhängig davon, aus welcher Funktion heraus eine Messung gestoppt wurde – die im Speicher abgelegten Messdaten stehen sofort für weitere Analysen zur Verfügung.

Digitales Triggersystem mit minimalem Trigger-Jitter

Bei einem analogen Triggersystem läuft der Triggerpfad parallel zum Signalerfassungspfad. Durch die unterschiedlichen Eigenschaften der Pfade entsteht bei der Signaldarstellung ein Zeit- und ein Amplitudenversatz am Triggerpunkt. Messungenauigkeiten (Jitter) sind die Folge, eine Korrektur durch Nachbearbeitung ist nur zum Teil möglich. In der nun erstmals realisierten rein digitalen Triggerarchitektur (Bild 3) haben Trigger und Messdaten einen gemeinsamen Signalpfad und somit die gleiche Zeitbasis. Das Resultat ist ein sehr geringer Trigger- Jitter in Echtzeit und eine exakte Zuordnung des Signals zum Triggerpunkt.

Zusätzlich zum Trigger-Jitter haben analoge Triggersysteme ein Problem mit langen „Rearm“-Zeiten. Während dieser Zeit reagiert das System nicht auf weitere Triggerereignisse. Signaleigenschaften, auf die man triggern möchte, werden überdeckt. Das digitale Triggersystem kennt dagegen keinen Rearm-Mechanismus und spricht deshalb zuverlässig auf kurz aufeinander folgende Triggerereignisse an. Kein Ereignis geht verloren!

Ein digitaler Trigger kann jeden Abtastpunkt hinsichtlich der Triggerdefinition prüfen. Deshalb sind die neuen Scopes in der Lage, selbst auf kleinste Signalamplituden zu triggern. Um abhängig vom Signalrauschen eine stabile Triggerung zu erzielen, ist die Triggerhysterese frei einstellbar. Bei den R&SRTO- Oszilloskopen sind mathematische Operationen wie Summe, Differenz oder Invertierung auf die als Triggerquelle dienenden Eingangssignale anwendbar. Damit lässt sich zum Beispiel auf ein differenzielles Signal triggern, das mit zwei massebezogenen Tastköpfen aufgenommen wird.

Beispielhafte Signaltreue

Die Abbildungsgenauigkeit des Messsignals ist stark abhängig von der Bandbreite und dem Grundrauschen der Eingangsstufe. Dementsprechend hat Rohde & Schwarz breitbandige, BNC-kompatible Eingänge, sehr rauscharme Eingangsstufen und präzise A/D-Umsetzer entwickelt. Daraus resultiert das geringstmögliche Eigenrauschen (Bild 4) in dieser Geräteklasse.

Gerade kleine Signalamplituden bei digitalen Schnittstellen oder die Signalanalyse im Frequenzbereich stellen erhöhte Anforderungen an die Genauigkeit. Die Genauigkeit der Signaldigitalisierung hängt von der effektiven Anzahl an Bits (ENOB, Effective Number Of Bits) des A/D-Umsetzers ab. Typischerweise werden in digitalen Oszilloskopen A/D-Umsetzer verwendet, die aus einer Zusammenschaltung mehrerer langsamer, zeitversetzt zusammenarbeitender Umsetzer bestehen. Je mehr solcher Komponenten zusammengeschaltet sind, desto größer sind allerdings auch Fehler, die durch uneinheitliches Verhalten der einzelnen Umsetzer entstehen. Deshalb hat Rohde & Schwarz einen monolithischen 8-bit-A/D-Umsetzer mit einer Abtastrate von 10 GS/s entwickelt. Die Single-Core-Architektur dieses Bausteins minimiert Signalverzerrungen und erreicht mit mehr als sieben effektiven Bits eine hervorragende Dynamik, was die Messgenauigkeit deutlich steigert.

Hohe Signaltreue auch bei Messungen an kleinen Signalen: Typische Tastköpfe haben ein Spannungsteilerverhältnis von 10:1 und reduzieren dadurch die Signalamplitude auf ein Zehntel. Verwendet man solche Tastköpfe für Messungen an einem LVDS-Signal mit 350 mV Amplitude, liegen am Eingang des Oszilloskops nur noch 35 mV an. Zur optimalen Darstellung des Signals in diesem Beispiel ist eine Vertikal-Skalierung von 4 mV/Div geeignet. Die neuen Scopes arbeiten auch bei kleiner vertikaler Auflösung (bis 1 mV/Div) mit hoher Messgenauigkeit, denn ihre Empfindlichkeitsstufen sind nicht mit softwarebasiertem Zoom realisiert, sondern mit entsprechend zuschaltbaren Verstärkern in der Eingangsstufe. Darüber hinaus steht ihnen in allen Empfindlichkeitsbereichen bis 1 mV/Div die volle Messbandbreite für genaue Messungen zur Verfügung.

Die Verstärkungs- und Dämpfungsglieder in der Eingangsstufe wurden sehr genau kompensiert, während eine anspruchsvolle Temperaturregelung für eine hohe Temperaturstabilität innerhalb des Gerätes sorgt. Dies alles zusammen gewährleistet einen kontinuierlichen Messbetrieb ohne störende Unterbrechungen durch automatische Abgleichvorgänge. Bei manchen Oszilloskopen verschlechtert sich auch die Messgenauigkeit eines Kanals, wenn weitere Kanäle aktiv sind. Bei den neuen Geräten stellt die Kanalzu- Kanal-Isolierung mit über 60 dB bis 2 GHz sicher, dass das Messsignal eines Kanals einen möglichst geringen Einfluss auf die Signale der anderen Kanäle hat.