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A/D-Umsetzer in Oszilloskopen

Die Vorteile von 10 bit

27. April 2017, 11:23 Uhr | von Andreas Grimm

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Methoden zur Erhöhung der vertikalen Auflösung

Neben der Verwendung eines entsprechenden A/D-Umsetzers gibt es noch verschiedene andere Methoden zur Verbesserung der vertikalen Auflösung eines Oszilloskops. Die gängigsten Verfahren sind die Mittelwertbildung aus mehreren Aufzeichnungen sowie die Mittelung durch Überabtastung im sogenannten HiRes-Erfassungsmodus.

Mittelwertbildung aus mehreren Aufzeichnungen

Eine häufig genutzte Methode zur Erhöhung der Auflösung ist die Mittelung über mehrere Aufzeichnungen. Diese wird in der Regel über die Mathematik-Funktionen des Oszilloskops realisiert. Der Algorithmus bildet die Mittelwerte aus mehreren aufeinanderfolgenden Aufzeichnungen. Je mehr Aufzeichnungen gemittelt werden, desto besser die erzielbare Auflösung. Ein Vorteil der Mittelwertbildung ist, dass auch das Breitbandrauschen reduziert wird, sodass das gemessene Signal präziser dargestellt werden kann. Es gibt jedoch auch zwei gravierende Nachteile dieser Methode:

Die Daten mehrere 100 Male zu erfassen und zu verarbeiten, um die benötigte Auflösung zu erzielen, ist zeitaufwendig.
Die Methode kann nur bei sich wiederholenden Signalen wie z.B. Taktsignalen eingesetzt werden.

Die meisten Signale wiederholen sich jedoch nicht periodisch, sodass die Mittelung über mehrere Aufzeichnungen ausgeschlossen ist.

HiRes – Mittelung einer einzelnen überabgetasteten Aufzeichnung

Immer mehr Oszilloskope unterstützen einen sogenannten „HiRes“-, also hochauflösenden Erfassungsmodus (manchmal auch „Decimation Mode“ genannt). Bei dieser Methode wird auf Überabtastung zurückgegriffen, das heißt eine Abtastrate des A/D-Umsetzers, die höher ist als die gemäß Nyquist-Kriterium zur exakten Signalrekonstruktion erforderliche Rate. Die zusätzlichen Messwerte werden gemittelt und die resultierende Signalform wird angezeigt. Da nur über Werte aus einer einzelnen Aufzeichnung gemittelt wird, lässt sich mit dieser Methode auch bei sich nicht wiederholenden Ereignissen eine höhere vertikale Auflösung erzielen. Theoretisch berechnet sich der Gewinn der vertikalen Auflösung nach der Formel 0,5·ln(N)/ln(2). Die Variable N steht hier für den Faktor der Überabtastung. Um beispielsweise zwei zusätzliche Bits zu erhalten, wird ein Faktor von 16 benötigt.

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Besitzt ein Oszilloskop eine maximale Abtastrate von 1 GS/s und einen 8-bit-A/D-Umsetzer, liegt seine dezimierte Abtastrate bei 10 bit vertikaler Auflösung im HiRes-Modus also bei 62,5 MS/s. Bild 1 verdeutlicht diesen Zusammenhang. Die Rechnung macht klar, dass der Hauptnachteil des HiRes-Modus die geringere digitale Bandbreite ist.

Praktisches Beispiel

Nun soll anhand eines praktischen Beispiels verdeutlicht werden, wie sich eine höhere Auflösung des A/D-Umsetzers auswirkt. Als Testsignal verwenden wir eine exponentiell gedämpfte Sinusfunktion – einen verhältnismäßig starken Puls mit nach beiden Seiten gedämpfter Amplitude.

Es handelt sich um ein Signal mit hohem Dynamikumfang, bei dem die kleinen Details interessieren. Ein solches Signal ist in vielen Waveform-Generatoren als vordefinierte Funktion verfügbar – dies gilt auch für den in das R&S RTB2000 integrierten Generator. Das Signal wird in ein R&S-HMO2024-Oszilloskop mit 200 MHz eingespeist. Das Oszilloskop besitzt einen sehr guten Standard-A/D-Umsetzer mit 8 bit. Das gleiche Signal wird außerdem in das neue R&S RTB2000 eingespeist, das Nachfolgemodell des HMO2024, mit 10-bit-A/D-Umsetzer.

In Bild 2 ist klar zu erkennen, dass die vierfach höhere Auflösung des A/D-Umsetzers des R&S RTB2000 in Verbindung mit der rauscharmen Eingangsstufe detailliertere Ergebnisse liefert und genauere Messungen ermöglicht. Beim R&S HMO ist das niederwertigste Bit des 8-bit-A/D-Wandlers in Form einer stufigen Anzeige zu erkennen.

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