Oszilloskop oder Spektrumanalysator?

Die unverzichtbare Frequenzanalyse

17. März 2023, 15:00 Uhr | Nicole Wörner

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Spektrumanalysatoren als Alternative

Rigols Spektrumanalysatoren der RSA5000N-Serie enthalten neben der VNA/VSA sowie EMI- und Echtzeitspektrumanalyse auch eine Sweep-basierte Frequenzanalyse nach genau diesem Überlagerungsprinzip – und das im Frequenzbereich von 9 kHz bis 6,5 GHz. Die maximale Amplitude von bis zu +30 dBm und der minimale Rauschteppich (DANL) von –165 dBm/Hz sind auch nicht auf einem Display darstellbar. Allerdings lässt sich der Dynamikbereich deutlich weiter aufspannen als bei einem Oszilloskop – und das bei einer höheren Bandbreite (Bild 2, Sweep-Mode-Spektrumanalysator RSA5065N).

Hier kann man jetzt sogar kleinste Signalveränderungen oder Harmonische-Signalkomponenten gut vermessen. Der Nachteil liegt in der Darstellung des Zeitbereichs, der nur mit der »Zero Span«-Funktion und auch nur mit der Bandbreite der eingestellten RBW angezeigt werden kann, während das Oszilloskop das Zeitsignal mit der vollen Bandbreite anzeigt, sofern es nicht absichtlich durch Filtereinstellungen limitiert ist.

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Ein Nachteil beider Methoden ist die technisch bedingte Entstehung von Blindzeiten. Beim Sweep ist immer nur der Sweep-Punkt selbst zu einem Zeitpunkt sichtbar. Alle anderen Frequenzpunkte werden zur selben Zeit nicht erfasst. Das heißt, auch wenn die gesamte Sweep-Zeit nur 1 ms dauert, entstehen trotzdem Blindzeiten. Auch wenn die Berechnung der FFT im Oszilloskop sehr schnell ist, dauert sie trotzdem etwas länger als der umzusetzende FFT-Zeitrahmen – und es entstehen Blindzeiten, bis der nächste Rahmen umgesetzt werden kann.

Anders ist das beim Echtzeitspektrumanalysator-Modus (RTSA) im RSA5065N. Dieser funktioniert ebenfalls mit einem FFT-Algorithmus. Hier ist die Kalkulationsgeschwindigkeit aber deutlich kleiner als der umzusetzende FFT-Zeitrahmen. Somit können die Rahmen nicht nur nahtlos (also ohne Blindzeiten) umgesetzt werden, sondern der nächste Rahmen wird umgesetzt, bevor der vorherige komplett umgesetzt wurde.

Durch die beseitigten Blindzeiten werden jetzt auch sich schnell ändernde breitbandige Signale (z. B. Bluetooth) sehr gut sichtbar und lassen sich vermessen. Außerdem bietet der RTSA-Modus weitere Analyseformen wie die Darstellung des Spektrogramms oder die Zeitdarstellung mit der maximalen Echtzeitbandbreite (bis zu 40 MHz). Zeit- und Frequenzdarstellung können auch gleichzeitig erfolgen.

Die Echtzeitfunktion ist ebenfalls in der EMI-Pre-Compliance-Test-Software EMCview der Firma Tekbox integriert. Hier lassen sich sehr schnell Messungen mit den bewerteten Detektoren wie z. B. »„Quasi-Spitzenwert«-Detektor durchführen.

Eine Frage des Dynamikbereichs

Weil die Zeitdarstellung auch mit der großen Bandbreite wie bei einem RTSA nicht immer ausreicht oder auch Messungen unter 9 kHz benötigt werden, wäre ein etwas größerer Dynamikbereich bei Oszilloskopen wünschenswert. Rigol bietet zwei 12-bit-Serien (DHO1000 und DHO4000) an, die dank der erhöhten Anzahl an Bits auch einen besseren Dynamikbereich im Oszilloskop ermöglichen. Auch hier setzt Rigol auf selbstentwickelte ASICs, die ein sehr rauscharmes Front-End bieten und zudem den Einsatz des 12-bit-ADC ermöglichen und somit für hochauflösende Oszilloskope optimal geeignet sind.

Bild 3 zeigt zum Beispiel einen Sweep mit einer sehr kleinen Amplitude, der mit der FFT sauber ausgemessen werden kann. Im Zeitbereich ist dieser erst einmal so gut wie nicht sichtbar. Mit der DHO4000-Serie lässt sich jedoch der Zeitbereich ebenfalls noch bis 100 µV/Div heranzoomen; somit ist auch der Zeitbereich sehr kleiner Signalkomponenten gut darstellbar. Durch den tiefen Speicher von bis zu 500 MPunkten lassen sich die Signalkomponenten zeitlich gut auflösen. Eine weitere Möglichkeit bietet das Rigol-Oszilloskop DS70504, das eine Abtastrate von 20 GSamples/s und einen Speicher von bis zu 2 GPunkten enthält, um die Bandbreite bis zu 5 GHz zu ermöglichen. Diese Geräteklasse bietet optional neben der FFT mit einer Million Punkten auch die Echtzeit-Spektrumanalyse mit an.

Eine weitere Applikationsmessung, die den Frequenzbereich im Oszilloskop benötigt, ist zum Beispiel die Bode-Plot-Funktion des MSO5000 (8 GSample/s, bis 350 MHz Bandbreite), die bis zur maximalen integrierten Arbiträr-Generatorfrequenz von 25 MHz genutzt werden kann. Hiermit lässt sich sowohl der Amplituden- als auch der Phasenverlauf eines Bauteils vermessen. So können als Beispiel der Durchgang, die Flanke und der Sperrbereich sowie der Phasenverlauf eines Tiefpassfilters vermessen werden, um diesen zu charakterisieren.

Rigol bietet mit den unterschiedlichen Oszilloskopen und Spektrumanalysatoren ein breites Portfolio, das sich neben der hohen Qualität für eine Vielzahl an Applikationen sowohl im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich eignet. Jedes Gerät hat seine Stärken. So kann der Kunde explizit für seine Anwendung das optimale Gerät heraussuchen, um die Messungen schnellstmöglich und umfangreich durchführen zu können. Die Geräte bieten somit die optimale Lösung für Industrieanwendungen. Ebenfalls gut geeignet sind sie für den schulischen und den Forschungs- und Entwicklungsbereich.

Rigol Technologies Halle 4, Stand 427