Oszilloskope mit Äquivalenzzeit- und Echtzeitabtastung Abtasttechnologien im Vergleich

Oszilloskope mit sequenzieller Äquivalenzzeitabtastung bieten sich für vielfältige Anwendungen an, etwa zum Entwickeln und Testen von Kommunikationstechnik, Computern und Unterhaltungselektronik im Hochgeschwindigkeitsbereich mit Datenübertragungen von mehreren Gigabit pro Sekunde.
Oszilloskope mit sequenzieller Äquivalenzzeitabtastung bieten sich für vielfältige Anwendungen an, etwa zum Entwickeln und Testen von Kommunikationstechnik, Computern und Unterhaltungselektronik im Hochgeschwindigkeitsbereich mit Datenübertragungen von mehreren Gigabit pro Sekunde.

Wer ein Oszilloskop kaufen will, muss sich nicht nur über die typischen Eckdaten wie Bandbreite und Speichertiefe Gedanken machen, sondern auch über das zugrunde liegende Abtastverfahren. Im Folgenden beleuchten wir die wesentlichen Funktionen von Oszilloskopen mit Echtzeit- und Äquivalenzzeitabtastung hinsichtlich Erfassung, Taktrückgewinnung und Triggerung.

Es gibt es eine Vielzahl praktischer Anwendungen, bei denen diverse Abtastmethoden eine Rolle spielen, bei heutigen digitalen Oszilloskopen kommen jedoch hauptsächlich zwei grundlegende Technologien zum Einsatz: die Echtzeit- und die Äquivalenzzeitabtastung. Letztere lässt sich noch einmal in zufällig und sequenziell unterscheiden. Um bei der Auswahl eines Geräts für eine bestimmte Anwendung die richtige Entscheidung zu treffen, ist es wichtig, die jeweiligen Stärken und Schwächen beider Varianten genau zu kennen.

Die Echtzeitabtastung eignet sich besonders für Signale, deren höchste Frequenzkomponenten kleiner sind als die Hälfte der maximalen Abtastrate des Oszilloskops (Nyquist-Kriterium). Dabei kann das Oszilloskop ausreichend Punkte des Signals erfassen, um aus den erfassten diskreten Werten ein genaues Abbild des Signals darzustellen. Die Echtzeitabtastung ist speziell für die Erfassung schneller, einzelner, einmaliger Signale mit einem digitalen Oszilloskop geeignet. Die Bandbreite bei dieser Methode steht mit der Abtastrate in der Regel wie folgt in Zusammenhang: z. B.: B = Abtastrate / 2,5.

Wenn sehr hochfrequente Signale gemessen werden, ist das Oszilloskop möglicherweise nicht in der Lage, genug Abtastpunkte zu erfassen. Mit Hilfe der Äquivalenzabtastung lässt sich die Erfassung auch derjenigen Signale vornehmen, deren Frequenz um ein Vielfaches höher ist als der Quotient aus der verfügbaren Abtastrate / 2,5. Bei der Äquivalenzzeitabtastung wird ein Bild eines sich wiederholenden Signals erstellt, indem bei jeder Wiederholung ein bestimmter Informationsanteil erfasst wird. Die Kurve baut sich dann nach und nach auf. Dies ermöglicht dem Oszilloskop die genaue Erfassung von Signalen, deren Frequenzanteile wesentlich schneller sind als die Abtastrate des Oszilloskops.

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Das richtige Abtastverfahren finden

Das richtige Abtastverfahren finden

Signalerfassungsmodi

Beim Vergleich der Erfassungsmodi fällt die überschaubare Funktionsweise von Echtzeit-Oszilloskopen auf: Die Signale werden von ihnen so schnell erfasst, dass sie innerhalb der Bandbreite und des dynamischen Bereichs rekonstruiert werden können.  Das bedeutet, dass die Erfassung in einer höheren als der Nyquist-Frequenz erfolgen muss und die Abtastrate demnach mehr als dem Doppelten ihrer Bandbreite entspricht – beispielsweise sind für ein 20-GHz-Oszilloskop schon 50 GSample/s ausreichend. In der Regel findet die Digitalisierung bei einem Takt statt, der gegenüber dem des Prüflings asynchron ist. Bei der Erfassung eines seriellen Datenstroms wird jedes Signal mit einer zufälligen Phase zwischen dem seriellen Datentakt bzw. Datenstrom und dem Digitalisierer erfasst. Wie später näher erläutert wird, ist der Trigger hierbei nur selten von Bedeutung.

Viele Echtzeit-Oszilloskope unterstützen neben dem Echtzeiterfassungsmodus auch einen Äquivalenzzeitmodus. Auch in diesem Modus läuft der Digitalisierer asynchron gegenüber dem zu erfassenden Signal. Daher ändert sich bei den vielen repetitiven Vorgängen zur Signalerfassung die Phase zwischen dem Takt des Digitalisierers des Oszilloskops und dem des Signals nach dem Zufallsprinzip. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass bei diesem Modus der Triggerzeitpunkt ganz entscheidend ist, weil er dazu verwendet wird, die erfassten Punkte im Verhältnis zum Triggerpunkt in den Datensatz aufzunehmen. Dieser hätte bei einer seriellen Datenerfassung eine feste Zuordnung zum Takt des Prüflings.

Da eine große Anzahl von Erfassungen vorgenommen wird, ist der Abstand zwischen den einzelnen Abtastvorgängen kleiner als derjenige, den der Digitalisierer aufweist. Die dabei entstehende Scheinabtastrate kann Werte im Bereich von TS/s erreichen. Da die Phase für die Erfassungen dem Zufallsprinzip unterliegt, wird der Modus als zufällige Äquivalenzzeitabtastung bezeichnet. Der Abstand zwischen den einzelnen Abtastvorgängen wird also mit zunehmender Anzahl von Erfassungen geringer, was jedoch wegen der Zufälligkeit nicht immer garantiert ist.

Was die Äquivalenzzeit eines „Abtast“-Oszilloskops betrifft, so ist das Erfassungssystem in zeitlicher Hinsicht an den Trigger gekoppelt. Bei seriellen Daten wird der Trigger zusammen mit dem Signal bzw. mit dem Takt des Prüflings ausgelöst, während die zu erfassenden Abtastwerte synchron zum Trigger aufgenommen werden. Für die serielle Datenerfassung bedeutet das, dass zum Prüfling eine kontrollierte Phasenbeziehung besteht. Anders ausgedrückt, werden Abtastungen von links nach rechts vorgenommen, wobei der Takt bzw. die Phase vom Trigger ausgehend zunimmt. Diese Methode ist auch unter der korrekten Bezeichnung „sequenzielle Äquivalenzzeitabtastung“ bekannt. 

Eine interessante Tatsache ist, dass die Bezeichnung „Sampling“-Oszilloskop (engl. „Sampling“ = Abtasten) in der Vergangenheit Oszilloskope sowohl in zeitlicher als auch in vertikaler Hinsicht analog waren) ausreichend war. Heutzutage hingegen, da bei allen Oszilloskopen eine zeitliche Abtastung  (engl. Sampling) erfolgt, ist die Verwendung der Bezeichnung völlig unangebracht, da sie einen Anachronismus darstellt. Andere Begriffe wie Signal- oder Kommunikationsanalysator sind zwar aktueller, aber nicht spezifisch genug, so dass noch immer eine gewisse Unsicherheit in diesem Zusammenhang herrscht.