Neue Ansätze für die Analyse von Signalen mit hoher Dynamik Was bringen 12-Bit-Oszilloskope?

Die beiden Modelle der WaveRunner-HRO-6Zi-Serie punkten mit 12 Bit Vertikalauflösung und beachtlichen Rauschparametern.
Die beiden Modelle der WaveRunner-HRO-6Zi-Serie punkten mit 12 Bit Vertikalauflösung und beachtlichen Rauschparametern.

Vor knapp einem halben Jahr hat LeCroy die ersten Oszilloskope mit einer Vertikalauflösung von 12 Bit vorgestellt - und das mit durchschlagendem Erfolg, wie man vom Hersteller hört. Doch welche Vorteile bringen die High-Resolution-Scopes im Vergleich zu traditionellen 8-Bit-Geräten überhaupt?

»Das reduzierte Rauschen und die höhere Auflösung der 12-Bit-A/D-Wandler-Architektur ermöglichen eine wesentlich detaillierte Signaldarstellung, eine höhere Messgenauigkeit und eine bessere Signalreinheit«, erklärt Thomas Stüber, Applikationsingenieur Messtechnik von LeCroy. »Deutlich wird dies in dem sehr großen Offsetbereich bis 400 V, der extrem kleinen Spannungsauflösung bis 1,95 μV und den +/-0,5 Prozent DC-Genauigkeit unserer WaveRunner-6Zi-HRO-Oszilloskope.«

Oszilloskope mit einer analogen Bandbreite von mehr als 100 MHz setzen meist 8-Bit-A/D-Wandler ein. Der Grund liegt in der A/D-Wandlertechnik, die für Abtastraten im Gigasample-Bereich verfügbar ist. Typischerweise kommen hierbei Fast-A/D-Wandler zum Einsatz, die für jede Amplitudenstufe einen eigenen Komparator verwenden. »Für 8 Bit sind z.B. 256 Komparatoren nötig – und um die Auflösung bei einem Fast-A/D-Wandler nur um 1 Bit zu erhöhen, muss die Anzahl der Komparatoren verdoppelt werden«, verdeutlicht Stüber. »Viele Applikationen benötigen aber eigentlich eine höhere Auflösung, was sich nur mit Hilfe zusätzlicher Hard- und Softwaretools realisieren lässt.« Anwendungsbereiche für eine höhere Auflösung sind etwa die Messung an Leistungsbauelementen oder an Sensoren, aber auch viele medizinische Anwendungen und solche in der Physik/Chemie. Und auch bei der Erfassung und Analyse komplex modulierter HF-Signale ist meist eine höhere Abtastrate nötig.

Um die Auflösung mit einem 8-Bit-System zu verbessern, gibt es verschiedene Verfahren, die aber nicht universell einsetzbar sind, weil jedes Verfahren seine Grenzen hat. Eine Möglichkeit ist die Mittelwertbildung. Sie setzt jedoch voraus, dass das Signal wiederkehrend ist und sich über die Messzeit nicht verändert. Zudem ist für die Mittelwertbildung ein fester Triggerbezug nötig. Für Einzelereignisse ist diese Art der Mittelung nicht anwendbar, daher finden Verfahren wie das Boxcar Averaging oder die gleitende Mittelwertbildung Anwendung. Beiden Verfahren ist gemeinsam, dass das Signal schneller abgetastet werden muss, als es für die Signaldarstellung nötig ist. Beim Boxcar Averaging werden feste Blöcke von Abtastwerten zu einem einzelnen Wert gemittelt. Wird zum Beispiel das Signal um den Faktor zehn zu hoch abgetastet, können immer Blöcke von zehn Werten gemittelt werden. Die Ergebniskurve hat durch diese Mittelung eine höhere Auflösung als das Original. Beim gleitenden Mittelwert wird nicht Block für Block gemittelt, sondern es werden Daten in einem definierten Fenster gemittelt und dieses Fenster über die Länge der Aufzeichnung hinweg geschoben. Der Vorteil dieser Methode ist, dass dieses Fenster gleichzeitig noch als Tiefpassfilter wirkt und hierdurch noch zusätzlich hochfrequentes Rauschen ausgefiltert wird.

Beide Verfahren haben nach Stübers Überzeugung den entscheidenden Nachteil, dass die Verbesserung entscheidend davon abhängt, um wie viel höher die Abtastrate relativ zur benötigten Abtastrate gewählt werden kann: »Um eine Auflösung von drei zusätzlichen Bits zu erhalten, muss dieses Verhältnis größer 100 sein, dass heißt, dass bei 1 GSample/s Abtastrate die nutzbare Bandbreite auf unter 10 MHz absinkt, was für die meisten Anwendungen nicht mehr ausreicht.«