High-Definition-Oszilloskope
16 bit vertikale Auflösung
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Auf kleinste Signaldetails in Echtzeit triggern
Die erhöhte Auflösung von High-Definition-Oszilloskopen macht kleinste Details im Signal sichtbar. Ob es gelingt, auf diese Details auch zu triggern, um eine stabile Darstellung auf dem Bildschirm zu erreichen, hängt stark von den Fähigkeiten des Triggersystems ab. Das digitale Triggersystem von Rohde & Schwarz hat die notwendige Empfindlichkeit, um von dem hochaufgelösten Signal zu profitieren. Jeder einzelne der mit bis zu 16 bit aufgelösten Abtastwerte wird hinsichtlich der Triggerbedingung überprüft und kann einen Trigger auslösen (siehe Bild 1).
Wie Bild 6 zeigt, sind die Oszilloskope damit in der Lage, selbst auf kleinste Amplituden zu triggern und die relevanten Signalereignisse zu isolieren, um sie genauer zu untersuchen. Im Gegensatz dazu kann ein traditionelles analoges Triggersystem auf die hochaufgelösten Signaldetails nicht triggern, da sie von der Hysterese der analogen Bauteile im Triggerpfad maskiert werden.
High-Definition-Modus versus HiRes-Dezimation
Die Option High Definition der Rohde&Schwarz-Oszilloskope bietet gegenüber der Dezimationsart HiRes oder High Resolution, die von den meisten Oszilloskopen auf dem Markt unterstützt wird, entscheidende Vorteile: Erstens weiß der Anwender aufgrund der expliziten Tiefpassfilterung immer genau, welche Signalbandbreite verfügbar ist, zweitens entstehen keine unerwarteten Aliasing-Effekte. Der High-Definition-Modus beruht außerdem nicht auf Dezimation. Das heißt, auch wenn er eingeschaltet ist, bleibt in den R&S-RTO-Oszilloskopen eine Abtastrate von 5 GS/s, in den R&S-RTE-Oszilloskopen 2,5 GS/s voll nutzbar. Das gewährleistet eine bestmögliche zeitliche Auflösung und Detailtreue. Darüber hinaus kann im High-Definition-Modus auf die Signale mit der erhöhten Auflösung getriggert werden, während die Dezimation bei HiRes erst nach dem Triggern erfolgt.
Hohe Erfassungsrate und voller Funktionsumfang für schnelle Messergebnisse
Durch Einschalten des High-Definition-Modus entstehen in den R&S-Oszilloskopen RTO und RTE keine Kompromisse hinsichtlich Messgeschwindigkeit und Messmöglichkeiten: Die Tiefpassfilterung, aus der sich der Auflösungsgewinn und die Rauschunterdrückung ergeben, erfolgt in Echtzeit im ASIC der Oszilloskope. Dadurch bleibt die Erfassungs- und Verarbeitungsrate hoch, das Oszilloskop ist weiterhin flüssig bedienbar und Messergebnisse liegen schnell vor. Dem Anwender steht dabei die komplette Auswahl an Analysewerkzeugen zur Verfügung, wie automatische Messungen, FFT-Analyse und History-Modus.
Anwendungsbeispiel: Messen von RDS(on) eines DC/DC-Wandlers
Schaltnetzteile sind ein integraler Bestandteil moderner elektronischer Geräte. Sie übertragen elektrische Leistung von einer Quelle zu einer Last und wandeln dabei die Strom- und Spannungscharakteristik geeignet um, so dass die richtige Spannungsversorgung der Bauteile gewährleistet ist. Ein mögliches Kriterium, Schaltnetzteile zu klassifizieren, ist die Art der Eingangs- bzw. Ausgangsspannung. Bei einem DC/DC-Wandler oder Gleichspannungswandler beispielsweise wird eine Gleichspannung am Eingang in eine andere Gleichspannung mit höherem (Aufwärtswandler) oder niedrigerem (Abwärtswandler) Spannungsniveau überführt. Anwendungsbereiche für DC/DC-Wandler sind vielfältig, sie finden sich in PC- und Laptop-Netzteilen genauso wie in Mobiltelefonen und Fahrzeugen. Als Schalter kommen dabei wegen ihrer Schaltgeschwindigkeit typischerweise MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) zum Einsatz, wobei die Effizienz des Transistors natürlich von entscheidender Bedeutung ist. Die Verlustleistungen jeder Art müssen möglichst gering sein. Ein wichtiger Parameter in diesem Zusammenhang ist der RDS(on). Im eingeschalteten Zustand verhält sich der Transistor zwischen Drain und Source wie ein Widerstand. Der Wert dieses Widerstands bestimmt die Leitungsverluste des Wandlers und ist abhängig vom jeweiligen Arbeitspunkt zu bestimmen.
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Der RDS(on) eines DC/DC-Wandlers wird rechnerisch aus dem Drain-Strom und der Drain-Source-Spannung ermittelt. Es gilt daher beides genau zu messen. Speziell die Messung der Drain-Source-Spannung stellt das Oszilloskop vor eine herausfordernde Aufgabe: Im eingeschalteten Zustand des Transistors sind die Spannungswerte sehr klein im Bereich von wenigen hundert mV. Gleichzeitig aber liegen im ausgeschalteten Zustand sehr hohe Spannungen an. Die Spannungsdifferenz zwischen ein- und ausgeschaltetem Transistor kann im Extremfall mehrere hundert Volt betragen.
Wie aus Bild 7 und Bild 8 ersichtlich wird, ist darum für eine genaue Messung der kleinen Spannungen eine hohe Auflösung von mehr als 8 bit notwendig.
Die obere Hälfte von Bild 7 zeigt einen kompletten Schaltzyklus eines MOSFET, in der unteren Bildhälfte ist ein vergrößerter Ausschnitt der zu messenden Drain-Source-Spannung zu sehen. Die Messkurven wurden mit einer vertikalen Auflösung von 8 bit aufgezeichnet. Da der Rauschanteil im Signal zu hoch ist, ist eine sinnvolle Messung der Drain-Source-Spannung so nicht möglich. Hingegen bei eingeschaltetem High-Definition-Modus im R&S RTO und einer vertikalen Auflösung von 16 bit ist das Rauschen deutlich geringer, die Messkurven sind schärfer und zeigen mehr Details (Bild 8). Das stellt präzise Messergebnisse sicher und ermöglicht infolgedessen eine Berechnung des RDS(on) des Wandlers.
Der Vollständigkeit halber wird an dieser Stelle auf einen weiteren Sachverhalt hingewiesen, den es in diesem speziellen Beispiel zu beachten gibt: Um den Drain-Strom zu messen, kam eine Rogowski-Spule zum Einsatz. Rogowski-Spulen erfassen nur AC-Anteile im Signal, so dass die am Oszilloskop angezeigte Strom-Messkurve mit einem DC-Offset behaftet ist. Es genügt daher für ein richtiges Ergebnis des RDS(on) nicht, einen einzelnen Spannungswert durch den zugehörigen Stromwert zu dividieren. Stattdessen findet ein differenzieller Ansatz Verwendung. Sowohl Drain-Source-Spannung als auch Drain-Strom weisen im eingeschalteten Transistor-Zustand innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls eine nahezu konstante Steigung auf. Wie aus Bild 9 ersichtlich ist, erfolgt die Berechnung von RDS(on) daher basierend auf dem ΔuDS und ΔiD innerhalb dieses Intervalls.
Günstiger Kompromiss
High-Definition-Oszilloskope bedienen Applikationen, die erhöhte vertikale Auflösung erfordern. Dies ist im Wesentlichen der Fall, wenn die zu untersuchenden Signale einen hohen Dynamikbereich aufweisen. Eine flexible Möglichkeit, eine hohe Auflösung zu erreichen, ist die Verwendung von digitalen Nachverarbeitungsprozessen. Der High-Definition-Modus für die Rohde&Schwarz-Oszilloskope R&S RTO und R&S RTE stellt bis zu 16 bit Auflösung bereit. Dadurch werden Signaldetails sichtbar, die sonst vom Rauschen verdeckt wären, was genauere Messergebnisse zur Folge hat. Aufgrund des digitalen Triggersystems lässt sich mit dieser Lösung auf die Signaldetails auch triggern, um die interessierenden Ereignisse zu isolieren. Jedes Grundgerät ist mit der Option High Definition R&S RTO-K17 bzw. R&S RTE-K17 aufrüstbar. Der Anwender kann damit flexibel auf seine jeweilige Anwendung reagieren. Er profitiert von einem Gerät mit hoher Bandbreite einerseits (beim R&S RTO bis 4 GHz, beim R&S RTE bis 2 GHz), bei eingeschaltetem High-Definition-Modus von erhöhter vertikaler Auflösung andererseits.
Die Autorin
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Sylvia Reitz |
|---|
| ist Produktmanagerin für Oszilloskope bei Rohde & Schwarz in München. |
- 16 bit vertikale Auflösung
- Auf kleinste Signaldetails in Echtzeit triggern
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