Oszilloskope mit Äquivalenzzeit- und Echtzeitabtastung

Abtasttechnologien im Vergleich

29. August 2012, 15:29 Uhr | Nach Unterlagen von Tektronix

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Zufällige oder sequenzielle Äquivalenzzeitabtastung?

Wie bereits erwähnt, ist mit den meisten leistungsstarken Echtzeit-Oszilloskopen auch eine Äquivalenzzeitabtastung möglich. Der Unterschied zu den herkömmlichen „Sampling“-Oszilloskopen ist jedoch enorm. Bei Echtzeit-Oszilloskopen erfolgt die Äquivalenzzeitabtastung per Zufallsprinzip, während spezielle „Sampling“-Oszilloskope eine sequenzielle Äquivalenzzeitabtastung verwenden.

Beim Zufallsprinzip werden die Abtastungen im (zum Trigger) asynchronen Takt vorgenommen. Außerdem kann eine Sperre die Abtastungen positionieren. Der Vorteil dabei ist, dass dadurch die Erfassung von Abtastungen noch vor dem Trigger ermöglicht wird, wie es in der Regel von einem Echtzeit-Oszilloskop erwartet wird.

Die Genauigkeit bei der Positionierung der Abtastungen entspricht jedoch nicht annähernd der Präzision, die mit der sequenziellen Äquivalenzzeitabtastung erreicht wird. Bei einer Signalqualitätsmessung mit Augendiagramm entsteht u.U. so ein schwächer ausgeprägtes Auge mit starkem Jitter. Bei Oszilloskopen mit sequenzieller Äquivalenzzeitabtastung ist die Abtasterfassung zwar erst nach dem Trigger möglich (sofern keine Verzögerungsleitung verwendet wird), aber dies stellt für die wenigsten Tests mit seriellen Hochgeschwindigkeitsdaten ein Problem dar.

Serielle Daten und Erfassungsmethode per Oszilloskop 

Der wichtigste Aspekt bei einem seriellen Datenempfänger ist, dass die gesamte Funktionsweise von dem Verhältnis zwischen dem Empfängertakt und den Daten abhängt. So kann z. B. der in den Empfänger fließende Datenstrom durch Jitter beeinträchtigt werden. Wenn nun aber die Taktrückgewinnung den Jitter zurückverfolgt und das Verhältnis zwischen Daten und Takt unveränderlich ist bzw. innerhalb eines Bruchteils des Bitintervalls liegt, können Datenströme richtig erkannt werden.

Da das Messgerät dieser Logik folgen sollte, wird der serielle Datenstrom in der Regel so dargestellt, dass die Phase im Verhältnis zum seriellen Datentakt steht. Bei einem Echtzeit-Oszilloskop kann der zurückgewonnene Takt von der Software erzeugt werden, die auch den erfassten Datenstrom verarbeitet. Bei einem Oszilloskop mit Äquivalenzzeitabtastung hingegen gibt es keinen in Echtzeit erfassten Datenstrom, so dass ein realer Takt zurückgewonnen werden muss. Dafür ist eine echte Taktrückgewinnung per Hardware erforderlich, wie sie auch in einem realen Empfänger erfolgt. 

Äquivalenzzeitabtastung bei seriellen Daten 

Durch die in der seriellen Datenkommunikation vorkommenden sehr hohen Bitraten wird das Erfassungssystem eines Echtzeit-Oszilloskops im Hinblick auf die verfügbare Abtastrate sehr häufig in besonderer Weise beansprucht. Erfasst das Oszilloskop nur wenige Datensätze pro Datenbitintervall, erfolgt die Erfassung möglicherweise dennoch innerhalb der Nyquist-Frequenz des Signalspektrums. Doch schon eine geringe Menge an Oversampling beeinträchtigt die Funktion des Oszilloskops, bei der die Abtastwerte zugunsten eines einwandfreien, vollständigen Abtastauges korrekt interpoliert werden. Auch außerhalb der Nyquist-Frequenz ist ein gewisses Maß an Rauschen vorhanden, wodurch die Genauigkeit der Interpolation selbst bei Verwendung eines idealen Algorithmus beeinträchtigt wird.

Bei der Äquivalenzzeitabtastung können Interpolationen eingeschränkt oder gar verhindert werden, da die äquivalente (virtuelle) Erfassungsrate nicht durch die Abtastrate des Digitalisierers begrenzt wird und entsprechend groß sein kann. Dieser Vorteil hat jedoch seinen Preis: Wie bereits erwähnt, ist hierfür eine Taktrückgewinnung per Hardware erforderlich. Darüber hinaus wird der Jitter der erfassten Daten mit dem Eigen-Jitter der Taktrückgewinnung wie auch mit dem Triggerpfad des Oszilloskops belastet. Damit wäre der gesamte Jitter einer Messung schlechter als bei einem Echtzeit-Oszilloskop. Bei letzterem würde es sich lohnen, mit beiden Methoden – der Echtzeiterfassung und der Äquivalenzzeiterfassung – Versuche durchzuführen und anschließend die jeweiligen Vor- und Nachteile beider Methoden zu vergleichen.

Bei einem Oszilloskop mit sequenzieller Äquivalenzzeitabtastung sieht es etwas anders aus: Die Entwickler von Oszilloskopen haben lange daran gearbeitet, den Trigger-Jitter zu minimieren, so dass der Jitter nur wenig Sorgen bereitet. Zudem ist der Bandbreitenabfall des Oszilloskops in der erfassten Reaktion des Geräts nicht zu erkennen, da die verfügbare Bandbreite in der Regel viel größer ist als das Signalspektrum des Prüflings. Sind die Schwierigkeiten mit der vertikalen Interpolation beseitigt und der Eigen-Jitter des verfügbaren Oszilloskops ausreichend niedrig, stellt das Oszilloskop mit Äquivalenzzeitabtastung die genaueste Methode zur Darstellung des seriellen Datensignals dar. Ein weiterer zu berücksichtigender Punkt ist der Nachteil, Oszilloskope mit sequenzieller Äquivalenzzeitabtastung für weniger repetitive oder einmalige Messungen nur eingeschränkt nutzen zu können.

 


  1. Abtasttechnologien im Vergleich
  2. Zufällige oder sequenzielle Äquivalenzzeitabtastung?
  3. Triggerpunkt, -kontrapunkt und Jitter

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