Oszilloskop-Know-how Was ist genauer: eine dicke oder dünne Messkurve?

Unterschiedlich dicke Messkurven können im Eigenrauschen des Oszilloskops begründet sein.
Unterschiedlich dicke Messkurven können im Eigenrauschen des Oszilloskops begründet sein.

Wie genau ein Oszilloskop ein Signal anzeigt, ist ein Maß für seine Qualität. Aber angenommen, zwei Scopes haben die gleiche Bandbreite und Abtastrate - ist es dann besser, wenn es die Messkurve dick oder dünn anzeigt? Wichtige Parameter sind die Signalaktualisierungsrate und das Rauschverhalten.

Die Signalaktualisierungsrate gibt an, wie viele Messkurven pro Sekunde ein Oszilloskop erfassen, verarbeiten und darstellen kann. Je höher die Signalaktualisierungsrate, desto schneller kann das Gerät ein aussagekräftiges Bild des Testsignals anzeigen. Umgekehrt: Je langsamer die Signalaktualisierungsrate, desto länger dauert es, feine Details einer Messkurve anzuzeigen.

Heutige Oszilloskope haben Signalaktualisierungsraten zwischen einer Messkurve alle paar Sekunden und 1 Million Messkurven pro Sekunde. Diese große Schwankungsbreite kommt (je nach Messparametern) sogar bei ein und demselben Oszilloskop vor. Die Signalaktualisierungsrate hängt also von etlichen Einstellungen ab, dabei hat die Speichertiefe den größten Einfluss.

Bilder: 5

Messkurven unter der Lupe

Messkurven unter der Lupe

Ein Beispiel soll das verdeutlichen: Der obere Teil in Bild 1 zeigt zwei Oszilloskop-Bildschirme von Geräten gleicher Bandbreite von renommierten Herstellern. Die Geräte laufen mit automatischer Triggerung und zeigen das gleiche 10-MHz-Sinussignal. Ein Gerät stellt die Messkurve dicker dar als das andere. Das hat einen Einfluss auf die Messwerte. Welches Gerät ist nun das genauere? Ein wesentlicher Unterschied zwischen den beiden ist die Signalaktualisierungsrate: Das eine stellt 1 Million Messkurven pro Sekunde dar, während das andere um Faktor 16.000 langsamer ist.

Welchen Einfluss hat das auf die angezeigte Messkurve? Der untere Teil in Bild 1 zeigt, was die Geräte anzeigen, wenn man auf »unendliche Nachleuchtdauer« schaltet. Jetzt bauen beide Geräte das Bild über einen längeren Zeitraum auf. Nach zehn Sekunden zeigen beide Oszilloskope die Messkurve des gleichen Signals mit der gleichen Dicke an. Jetzt zeigt auch das Gerät mit der niedrigeren Signalaktualisierungsrate eine dickere Messkurve, sie beschreibt das Signal genauer, und beide Geräte hätten sie eigentlich schon oben so anzeigen sollen. Durch schlichtes Einschalten der unendlichen Nachleuchtdauer kann der Anwender den Unterschied erkennen.

Der Einfluss des Eigenrauschens

Zeitlich betrachtet (aus Sicht der Horizontalablenkung) sind Messungen mit dem Oszilloskop extrem genau, vertikal betrachtet (aus Sicht des Spannungswerts) jedoch erheblich ungenauer. Ein wesentlicher Grund dafür ist das Rauschen, das den Messwert überlagert. Jedes Oszilloskop hat ein gewisses Eigenrauschen, das das Messsignal überlagert. Die Summe beider wird digitalisiert, weiterverarbeitet und angezeigt. Der AD-Wandler des Oszilloskops kann nicht zwischen Eigenrauschen und dem eigentlichen Messsignal unterscheiden. Man kann aber recht einfach bestimmen, wieviel Rauschen ein Oszilloskop dem Messsignal hinzufügt.

Die beiden Oszilloskope in Bild 2 zeigen das gleiche 10-MHz-Sinussignal an. Das eine stellt eine deutlich dickere Messkurve dar als das andere. Hat das Oszilloskop mit der dickeren Messkurve eine höhere Bildwiederholfrequenz? Nein, beide haben die gleiche, und würde man die unendliche Nachleuchtdauer einschalten, würde das eine Gerät weiterhin eine dicke, das andere eine dünne Messkurve anzeigen. Der Unterschied liegt im Rauschen: Das eine Scope hat ein stärkeres Eigenrauschen als das andere, und das verursacht die dickere Messkurve. Eine weitere Rauschquelle ist der Messaufbau mit seinen aktiven und passiven Tastköpfen. Aktive Tastköpfe schließt man normalerweise an die 50-Ω-Eingänge des Oszilloskops an, die üblicherweise weniger rauschen als die 1-MΩ-Eingänge.

Die meisten Hersteller charakterisieren das Rauschen für jedes Modell und geben die entsprechenden Werte im Datenblatt an. Ist das nicht der Fall, kann man sie erfragen oder sie in wenigen Sekunden selbst messen: Dazu baut man alle Messkabel ab und schaltet das Oszilloskop auf den 50-Ω-Eingang (alternativ auf den 1-MΩ-Eingang), wählt eine vernünftige Signalspeichergröße (100 kPunkte bis 1 MPunkte reichen), schaltet die unendliche Nachleuchtdauer ein und misst die Höhe der Messkurve. Je dicker die Messkurve ist, desto mehr Rauschen erzeugt das Oszilloskop intern.

Jede Einstellung der Vertikalablenkung hat ein eigenes Rauschverhalten. Man kann das Rauschen entweder nur visuell ermitteln, indem man die Dicke der Messkurve betrachtet, man kann aber auch analytischer vorgehen und das Rauschen numerisch als effektiven Wechselspannungswert erfassen. Wird die Vertikalablenkung in Richtung größerer Empfindlichkeit (etwa von 100 mV auf 10 mV/Skt) geändert, zeigt sich, dass das Rauschen bezogen auf den Skalenendwert prozentual steigt.

Oszilloskope mit geringerem Eigenrauschen zeigen dünnere Messkurven, wenn das ursprüngliche Messsignal selbst dünn ist; sie erzeugen bessere Bilder und liefern genauere Messwerte. Reduziert man die Bandbreite eines Oszilloskops, verringert man damit das Rauschen und erzielt dünnere Messkurven. Die Hersteller bieten eine Reihe von Methoden, wie etwa Messwertmittelung, hochauflösende Betriebsarten und Bandbreitenbegrenzung, um das Eigenrauschen eines Oszilloskops zu verringern. Besser als diese Methoden ist aber eine grundsätzliche Rauscharmut des Geräts. Bei einem Scope mit geringem Eigenrauschen wirken die genannten Methoden natürlich auch (wenn nicht sogar noch besser) und sorgen somit für eine weitere Verringerung eines bereits geringen Eigenrauschens.