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Echtzeit- vs. Sampling-Oszilloskop – was kann was?

20. Februar 2017, 13:36 Uhr | Nicole Wörner

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Wie funktioniert ein Sampling-Oszilloskop?

Der Name Sampling-Oszilloskop leitet sich von der Funktion des Geräts ab. In seiner einfachsten Betriebsart erfasst es während einer Periode des Messsignals genau ein Sample, dieses aber mit hoher Genauigkeit. Das Gerät wartet dann auf die nächste Periode des Signals und erfasst ein weiteres Sample zu einem minimal unterschiedlichen Zeitpunkt. Wenn man diesen Ablauf viele Male wiederholt, kann man die Kurvenform des Messsignals mit sehr viel größerer Genauigkeit rekonstruieren als mit allen anderen Oszilloskopbauformen.

Ein Beispiel soll diese Arbeitsweise erläutern:

Man fotografiert ein sich drehendes Rad 360 Mal mit Blitz. Die Fotos werden mit der Rotation des Rades synchronisiert (also vom Rad "getriggert"). Pro Umdrehung des Rades wird nur ein Foto belichtet. Dabei wird der Belichtungszeitpunkt so gewählt, dass sich das Rad um jeweils 1 Winkelgrad weitergedreht hat. Am Ende hat man 360 Bilder in 360 Positionen. Schließlich werden diese Bilder zu einem "Video" zusammengefügt. Man kann die "Sampling-Auflösung" nach Wunsch vergrößern oder verkleinern und nimmt dann entsprechend mehr oder weniger Bilder auf, wobei man das Winkelinkrement zwischen zwei aufeinander folgenden Aufnahmen verkleinert oder vergrößert. Verglichen mit den meisten mechanischen Bewegungen ist der Blitz so kurz, dass jedes Bild ohne jede Bewegungsunschärfe scharf ist.

Dieser Vergleich erläutert die hohe Genauigkeit eines Sampling-Oszilloskops: Es kann (von einem periodischen Signal) so viele Samples aufnehmen wie gewünscht, und zwar in extrem kurzen Inkrementen, und somit ein Signal mit höchster Genauigkeit rekonstruieren.

Ein Sampling-Oszilloskop,…

…wie es in Bild 1 gezeigt ist, ist üblicherweise modular aufgebaut. Es besteht aus einem Grundgerät, das mit unterschiedlichen elektrischen, optischen und TDR-Modulen bestückt werden kann. Der Anwender kann somit seine Messhardware den Anforderungen eines bestimmten Projekts entsprechend anpassen.

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Elektrische und TDR-Kanäle können in ein Modul integriert werden (das spart Kosten) oder mit abgesetzten Messköpfen arbeiten. Dies verbessert die Messgenauigkeit, weil die Messkabel dann kürzer sein können, wodurch hohe Frequenzen weniger gedämpft werden.

Optische Kanäle sind immer mit dem internen elektrischen Kanal integriert, damit ein kontrollierter Abfall des Frequenzgangs gewährleistet ist. Die meisten optischen Standards verlangen einen Frequenzgang wie bei einem Bessel-Thomson-Tiefpassfilter 4. Ordnung.

Auch elektrische Kanäle zeigen meist einen sanften Abfall ihres Frequenzgangs, wenngleich die Toleranz des Frequenzgangabfalls nicht so streng vorgegeben ist wie bei optischen Kanälen. Entsprechend reicht die "nutzbare" Bandbreite eines Sampling-Oszilloskops über die 3-dB-Bandbreite hinaus. Einige 75-GHz-Oszilloskopkanäle können beispielsweise noch schmalbandige HF-Signale von 100 GHz erfassen, weil der langsame Abfall ihres Frequenzgangs erst oberhalb von 110 GHz im Rauschen verschwindet.

Modularität und Flexibilität sind große Vorteile von Sampling-Oszilloskopen…

…Das erweist sich, wenn ein solches Gerät in einem anderen Entwicklungsprojekt oder einer anderen Produktion eingesetzt werden soll. Wenn diese Flexibilität nicht erforderlich ist, kann der Preis des Messgeräts deutlich niedriger sein.

Bild 2 zeigt ein elektrisches Sampling-Oszilloskop mit 50 GHz und ein optisches mit etwa 30 GHz Bandbreite. Diese Geräte können die gleichen Messungen mit gleicher oder sogar noch besserer Genauigkeit als ihre modularen Gegenstücke durchführen.

Um ein solches Gerät zu betreiben, schließt man es entweder an einen PC oder Laptop an oder verbindet es mit einem vorhandenen Grundgerät eines Sampling-Oszilloskops. Dort erscheint es dann als "erweitertes Modul" (also als Modul, das logisch Teil des Messgeräts ist, physikalisch aber außerhalb der eingebauten Modulschächte des Geräts liegt).

Sowohl modulare Sampling-Oszilloskope als auch Einzelgeräte…

…arbeiten mit der gleichen Software, so dass sie genau gleich zu bedienen sind. Der Anwender kann somit problemlos von einer Bauart zur anderen wechseln und auch Messergebnisse miteinander vergleichen.

Weiterhin kann man einfach Fernsteuerprogramme schreiben, die unabhängig von der Bauform sind und gleichermaßen in der Entwicklung und in der Produktion eingesetzt werden können.