Signalqualität im Fokus
ENOB: Die "ehrliche" Leistungskennzahl für Oszilloskope
Bandbreite war lange das Hauptkriterium für High-End-Oszilloskope. Doch in der Praxis zählen oft andere Faktoren – etwa Rauscharmut, effektive Bitanzahl (ENOB) und Bedienkomfort. Mit QuietChannel-Technologie, 10-Bit-ADC und höchster ENOB setzt Tektronix im neuen DPO der Serie 7 neue Maßstäbe.
Jahrelang war die Bandbreite das entscheidende Kriterium bei High-End-Oszilloskopen, und die führenden Anbieter lieferten sich ein wahres Rennen darum, diese immer weiter zu erhöhen. Auch die Abtastraten der Analog-Digital-Wandler (ADC) wurden stetig erhöht. Doch höhere Abtastraten allein sind nicht immer sinnvoll – sie können den Speicherbedarf, die Wärmeentwicklung und die Systemkomplexität erhöhen. Die entscheidende Frage ist also: Welche Kennzahlen definieren heute ein wirklich präzises Oszilloskop?
ENOB: Ein "Wahrheitsdetektor"
Marketingorientierte Spezifikationen können Anwender verwirren. Es braucht daher einen echten Leistungsindikator für jedes Oszilloskop oder ADC-basierte System, um die wirklich nutzbare Auflösung zu quantifizieren – sobald Rauschen, Verzerrung und reale Bedingungen berücksichtigt werden. Hier lässt sich die effektive Bitanzahl (ENOB) quasi als „Wahrheitsdetektor“ für die Frontend-Leistung der Erfassung definieren. Zwar geht der Trend dahin, die nominale Bittiefe von Oszilloskopen zu bewerben (beispielsweise „12-Bit-Oszilloskop“), aber das sagt wenig über die tatsächliche Genauigkeit des Gerätes aus. Die korrekte Angabe der ENOB bei verschiedenen Frequenzen könnte der einzige Weg sein, eine zusammengesetzte Qualitätskennzahl für den gesamten Signalpfad zu definieren.
Hier setzt Tektronix mit dem neuen Oszilloskop DPO der Serie 7 an und setzt damit einen neuen Maßstab für die ENOB in der Klasse der High-End-Oszilloskope. Mit einem 10-Bit-ADC und einem proprietären rauscharmen Frontend erreicht es 7,5 Bit bei 8 GHz bis 6,5 Bit bei 25 GHz, 125 GS/s, 500 mV Vollaussteuerung, mit einem Signal von 90 % der Vollaussteuerung. Ein derart hoher ENOB-Wert trägt zur Verringerung der Messunsicherheit bei, sodass der tatsächliche Spielraum zwischen Pass/Fail-Schwellenwerten bei High-Speed-I/O-Tests (HSIO) größer ist.
Testmargen und Messunsicherheit
Bei der Entwicklung eines elektronischen Gerätes beziehen sich Testmargen auf die Differenz zwischen der in der Normspezifikation definierten Pass-Schwelle und der tatsächlich am Gerät gemessenen Leistung. Das Vertrauen in die Robustheit und Leistung eines Designs hängt eng mit den Testmargen zusammen, die es erreichen kann. Die Testmargen stehen jedoch selbst in engem Zusammenhang mit der Messunsicherheit, mit der sie bestimmt werden.
Ein hoher ENOB-Wert ist eine Möglichkeit, die Präzision zu gewährleisten, indem die gerätebedingte Unsicherheit reduziert wird. Die ENOB spiegelt die tatsächliche Integrität der Wellenform wider, sodass nur ein rauscharmes Frontend sicherstellt, dass der Anwender die tatsächlichen Grenzen seines Prüflings (DUT) sieht. Die Auswirkungen einer hohen ENOB, die ein rauscharmes Frontend beinhalten muss, gehen über Konformitätsprüfungen und die Abschätzung von Timing- und Amplitudenmargen in Augendiagrammen hinaus. Die Marge der Power-Integrität ist ein weiterer konkreter Anwendungsfall, bei dem eine hohe ENOB und ein geringes Rauschen entscheidend sind.
QuietChannel-Technologie
Durch eine Neugestaltung des Frontends – der kritischsten Stufe für die Signalintegrität – will Tektronix die Oszilloskope der 8- bis 25-GHz-Klasse revolutionieren. So setzt das DPO der Serie 7 unter anderem auf die proprietäre QuietChannel-Technologie. Sie wendet eine aktive Entzerrung an, um den Verlust von Hochgeschwindigkeitssignalen zu kompensieren, das Rauschen zu reduzieren und die Messgenauigkeit und ENOB zu erhöhen – selbst bei Signalen mit geringer Amplitude.
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Die Entwicklung des neuen rauscharmen Erfassungssystems erfordert neue Ideen zur differentiellen Signalkonditionierung, eine rigorose Kontrolle der analogen Verstärker zur Reduzierung der Temperaturdrift sowie die Unterdrückung von selbstinduziertem Rauschen oder Oszillationen. Das bedeutet, dass an der Kalibrierung und der Beseitigung von On-Chip-Jitter gearbeitet wird, während gleichzeitig ein sauberer interner Referenztakt bereitgestellt wird. Außerdem müssen Abschirmungen angebracht und Übersprechen reduziert werden, mit dem Ziel, die effektive Bitanzahl (ENOB) unter allen Betriebsbedingungen zu maximieren. Kurz gesagt bedeutet dies, dass ein systemweiter Ansatz verfolgt werden muss, der weit über die einfache Verwendung eines ADC mit höherer nominaler Bitanzahl hinausgeht.
User Experience und das Software-Ökosystem
Das DPO der Serie 7 ist mit der TekScope-Software ausgestattet, die für ihr intuitives Design und ihre plattformübergreifende Konsistenz bekannt ist. Zudem bieten die Geräte eine Python-basierte API-Bibliothek, die für die Steuerung und Automatisierung aller modernen Tektronix-Geräte entwickelt wurde. Mit diesem Toolkit setzt Tektronix auf den Python-Ansatz und nicht auf „rohe“ SCPI- oder VISA-Befehle. Ziel ist es, das einfache und effiziente Schreiben automatisierter Testskripts zu ermöglichen. Anwender können Arbeitsabläufe mit Python-APIs automatisieren und Übertragungen mit der TekHSI-Bibliothek über einen 10G-SFP+-Port beschleunigen, wodurch Engpässe zwischen der Erfassung von Signalen und der Analyse außerhalb des Instruments reduziert werden.
Schneller Einstieg, weniger Fehler
Die einheitliche Benutzeroberfläche über mehrere Oszilloskop-Serien hinweg (MSOs der Serie 2, 4, 5 und 6) setzt sich mit dem DPO der Serie 7 fort. Das intuitive User Interface vereinfacht komplexe Aufgaben durch eine gut organisierte Menüstruktur mit minimalen Ebenen, um schnell durch die Einstellungen zu navigieren, das Gerät einzurichten, Messungen zu konfigurieren und effizient durch die erfassten Daten zu scrollen. Probleme mit der Signalintegrität werden also nicht nur erkannt, sondern für den Anwender sofort sichtbar gemacht. Wir hören oft von Ingenieuren, dass sie Vermutungen anstellen und die Einstellungen für die Taktrückgewinnung oder die Filter- und De-Embedding-Konfigurationen mehrfach überprüfen müssen, dass Einrichtungsfehler zu den Hauptursachen für Ungenauigkeiten bei Tests gehören und dass ganze Testdurchgänge wiederholt werden müssen. Das gehört mit den neuen DPOs der Serie 7 der Vergangenheit an.
Fazit
Die reine Bandbreite ist nicht mehr die einzige Grenze beim Design von High-End-Oszilloskopen. Und auch die nominale Bit-Tiefe eines ADC ist weder ein gültiger noch ein aussagekräftiger Maßstab. Anwender müssen die Margen der Signalintegrität weiter verschärfen und brauchen Vertrauen in ihre Messungen, ohne dafür UI-Spezialisten werden zu müssen. Außerdem müssen sie die Ergebnisse ihrer Signalqualitätsanalyse mit minimalem Aufwand an Kollegen weitergeben können.
Das DPO der Serie 7 ist eine strategisch differenzierte Antwort auf all diese Anforderungen. Es verfügt nicht nur über einen 10-Bit-ADC, sondern kombiniert diesen auch mit einem extrem rauscharmen Frontend. Dieses Oszilloskop bietet die höchste ENOB bei verschiedenen Frequenzeinstellungen durch eine Architektur, die das vom Oszilloskop verursachte Rauschen minimiert und so eine saubere Erfassung von Jitter, Augendiagrammen, Power-Integrität und die Einhaltung serieller Standards ermöglicht. Die neuen Scopes unterstützen die gleiche intuitive Benutzeroberfläche, die in allen modernen Oszilloskop-Familien von Tektronix zum Einsatz kommt, wodurch die Einarbeitungszeit verkürzt, Arbeitsabläufe vereinfacht und die Interoperabilität zwischen den Produktlinien verbessert werden. Die neue Serie unterstützt einen schnellen 10-GbE-SFP+-Port, der in Kombination mit zentralisierter Python-Automatisierung und gRPC-Architektur für die Echtzeit-Datenübertragung eine ultraschnelle Segmenterfassung und -übertragung ermöglicht, was in Anwendungen wie der Hochenergiephysik von Teilchen für die Impulsdetektion, Analyse, Unterscheidung und Spektralanalyse von entscheidender Bedeutung ist.
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