Labormesstechnik Die Scope-Auflösung verbessern

Die genaue Detail-Darstellung eines Oszilloskop-Signalkurve hängt u.a. vom Rauschen des Scopes, von dessen Einstellungen und den elektrischen Eigenschaften der Prüfspitzen oder Tastköpfe ab. Hier sieben nützliche Tipps, die dazu beitragen, kleinste Signaldetails sichtbar zu machen.

Interessante oder verdächtige Ereignisse können z.B. kleine Amplitudenänderungen an Signalen mit großem Dynamikbereich oder auch sehr kleine Signale sein, bei denen der Dynamikumfang minimal ist: Da geht es oft um wenige mV oder mA. Beispiele aus der Praxis sind Starkstrom-oder Hochspannungs-Applikationen, bei denen auf exakte Kurvenformen (Signalqualität) zu achten ist, die Aufzeichnung kleinster Pegel in medizinelek-tronischen Geräten, kürzeste Impulse in der Hochenergie-Physik sowie Signale in Mobilgeräten mit kritischen Anforderungen an die Leistungsaufnahme.

Tipp 1: ein rauscharmes Oszilloskop wählen

Für die Oszilloskope aller Hersteller gilt: Das Beobachten kleiner Spannungen und Ströme erfordert ein Gerät mit niedrigem Rauschen. Es ist einfach nicht möglich, Signaldetails zu sehen, die kleiner als der Rauschpegel des Oszilloskops sind. Wie kann der Anwender nun schnell feststellen, welches Rauschen ein bestimmtes Oszilloskop aufweist? Die meisten Hersteller spezifizieren das Rauschen in den Produktdatenblättern. Auch kann man diese Information erfragen oder in wenigen Minuten einfach selbst ermitteln: Bei offenen Eingängen stellt man das Oszilloskop auf eine Eingangs-impedanz von 50 Ω, wahlweise auch 1 MΩ. Mit etwas Speichertiefe - ausreichend sind 100.000 bis 1 Mio. Messpunkte - lässt man dann das Gerät im Modus unendlicher Nachleuchtdauer laufen: Je dicker der dann dargestellte Linienzug ist, desto mehr internes Rauschen produziert das Scope.

Jeder Kanal eines Oszilloskops zeigt bei jeder möglichen Vertikaleinstellung ganz spezifische Rauscheigenschaften. Sie lassen sich durch einen Blick auf die Kurvenzugsdicke schätzen oder mit Hilfe einer Effektivwertmessung der Wechselspannung quantisieren.

Mittlerweile bietet die Industrie einige Oszilloskope mit mehr als 8 bit Auflösung an. Wie wertvoll sind nun diese zusätzlichen Bits? Ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis vorausgesetzt, ermöglichen mehr A/D-Wandler-Bits die Darstellung feinerer Signaldetails. Dieser Vorteil der zusätzlichen Auflösungsbits wird jedoch üblicherweise vom Rauschen limitiert.

Tipp 2: Kurvenzüge auf maximale Auflösung des A/D--Umsetzers skalieren

Die Auflösung ist der kleinste Quantisierungsschritt, den der A/D-Umsetzer des Oszilloskops ermöglicht. Ein 8-bit-Umsetzer kann einen analogen Eingang in 28 = 256 unterschiedliche Pegelwerte codieren. Der A/D-Umsetzer arbeitet dabei mit dem Wert der Vertikaleinstellung für den gesamten Bildschirm. Dadurch sind die Quantisierungsschritte direkt mit der Vertikaleinstellung des Oszilloskops verknüpft. Stellt der Anwender das Gerät auf 100 mV pro Bildschirmteilung, dann entspricht der gesamte Bildschirm 800 mV (8 Teilungen zu je 100 mV/Teil). Als Auflösung ergibt sich daraus ein kleinster Quantisierungsschritt von 800 mV dividiert durch 256 = 3,125 mV.

Das Skalieren des Kurvenzuges auf die gesamte Höhe des Displays nutzt den A/D-Wandler des Oszilloskops optimal. Stellt man das Signal so ein, dass es lediglich die Hälfte des Displays einnimmt, reduziert man die Anzahl der signifikanten Wandlerbits von 8 auf 7. Skalieren auf ein Viertel der Höhe entspricht 6 genutzten anstelle von 8 möglichen Bits des A/D-Wandlers. Es gilt also, die Empfindlichkeit der Vertikal-einstellung so zu wählen, dass der Kurvenzug des Signals möglichst den gesamten Bildschirm einnimmt.

Viele Ozilloskope erlauben die simultane Darstellung mehrerer Gitternetze. Damit können die Anwender individuelle Kurvenzüge anstelle deren Überlagerung betrachten. Ein oder mehrere Signalzüge lassen sich in den Gittern platzieren und bezüglich der Vertikaleinstellung so skalieren, dass sie den gesamten Vertikalbereich nutzen (Bild 1).

Können mehr A/D-Bits kleinere Signale sichtbar machen? Theoretisch ja. In der Praxis zeigt sich, dass Geräte mit 12-bit-Umsetzern auch Rauschpegel aufweisen, die weitaus höher sind als der kleinstmögliche Quantisierungsschritt. Nicht alle der 4.096 Pegelschritte liefern also auch ein nutzbares Ergebnis, weil die am wenigsten signifikanten Bits nur das Rauschen quantisieren. 8-bit-A/D-Umsetzer in hochauflösender Betriebsart erzielen die gleichen Rauschpegel wie Oszilloskope mit 12-bit-Wandler, weil das Quantisierungsrauschen vom Eingangsrauschen des Oszilloskops maskiert wird.

Tipp 3: Die Off-Screen-Dynamikspezifikation des Oszilloskops nutzen

Den Kurvenzug so zu skalieren, dass er den vollen Dynamikbereich des 8-bit-A/D-Wandlers im Oszilloskop nutzt, ist ein Schritt in die richtige Richtung. Warum also den vertikalen Zoom nicht noch größer machen? Reicht das Signal zu weit über den oberen oder unter den unteren Rand des Displays hinaus, geht der A/D-Wandler in Sättigung. In diesem Zustand liefert er keine gültigen Werte.

Das Oszilloskop benötigt eine nicht spezifizierte Zeit, um sich von der Sättigung zu erholen. In diesem Zeitraum gibt es keine korrekten Messungen. Oft spezifizieren die Oszilloskop-Hersteller jedoch einen Off-Screen-Dynamikbereich.

Er wird üblicherweise als Anzahl von Teilstrichen angegeben, die das Signal den oberen oder unteren Rand des Displays verlassen darf, ohne dass der A/D-Wandler in Sättigung geht. Damit lässt sich die volle Vertikal-auflösung des Oszilloskops auf jenen Teil des Signals fokussieren, der noch auf dem Bildschirm sichtbar ist.

Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine Verdoppelung der Vertikalauflösung durch Zoomen des Signals um vier Teilungen über den Rand hinaus bei entsprechender Einstellung der Empfindlichkeit.