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Neue Ansätze für die Analyse von Signalen mit hoher Dynamik

Was bringen 12-Bit-Oszilloskope?

19. Oktober 2011, 17:17 Uhr | Nicole Wörner

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Die Vorteile voll ausschöpfen

»Betrachtet man nur die digitale Auflösung in einem 12-Bit-System, entspricht der gesamte Wandlerbereich bei einem 12-Bit-System 4096 Amplitudenstufen statt 256 in einem 8-Bit-System«, erklärt der Experte. »Lässt man Effekte wie Rauschen unberücksichtigt, so wird ein Signal auf einem 12-Bit-System, das nur mit zehn Prozent Ausnutzung des Wandlers aufgenommen wird, immer noch fast doppelt so hoch aufgelöst wie ein optimal ausgesteuertes Signal in einem 8-Bit-System. Durch diese erhöhte Auflösung lassen sich erstmalig Details darstellen, die bisher so nicht messbar waren.«

Erhöht man aber nur die Auflösung der A/D-Wandler von 8- auf 12-Bit in einem digitalen Oszilloskop, so begrenzen nach Überzeugung des Experten viele Parameter die wirklich nutzbare Dynamik und der Vorteil des 12-Bit-Systems kann nicht voll ausgeschöpft werden.

Ein wesentlicher Punkt, der die Auflösung eines Oszilloskops begrenzt, ist das Rauschen, wobei hier nicht das Grundrauschen, sondern der Signal/Rauschabstand (SNR) der maßgebliche Parameter ist. »Ein Großteil des Rauschens kommt bei einem digitalen Oszilloskop nicht von den Eingangsverstärkern selbst, sondern von dem A/D-Wandler und dem Sample-and-Hold-Baustein«, so Stüber. »Je höher die Abtastrate eines A/D-Wandlers, desto so größer ist auch das systembedingte Grundrauschen, weil jeder A/D-Wandler Rauschen bis zur halben Abtastraterate wandelt, unabhängig davon, ob der Eingangsverstärker des Oszilloskops diesen Bereich auch abdeckt.« In der aktuellen WaveRunner-HRO-Serie wurden daher nicht nur die Vorverstärker modifiziert, sondern auch die A/D-Wandler tragen einen erheblichen Beitrag zum Signal/Rauschabstand von 55 dB bei.

Für Anwendungen im Frequenzbereich spielt neben den beschriebenen Parametern auch die spektrale Reinheit eine entscheidende Rolle. »Weil Oszilloskope vorrangig zur Beurteilung von Zeitsignalen konzipiert sind, stören Verzerrungen Messungen im Zeitbereich erst, wenn sie sehr grob sind«, so Stüber. »Daher ist eine Unterdrückung von harmonischen und unharmonischen Verzerrungen von typisch 35 dB in einem 8-Bit-Oszilloskop für die Zeitdarstellung völlig ausreichend. Sollen nun aber HF-Signale wie zum Beispiel ein 64QAM-Signal mit großer Dynamik gewandelt werden, ist es wichtig, dass das Oszilloskop auch in diesem Bereich optimiert ist.«

Weitere Punkte, die für Applikationen mit hoher Dynamik zu beachten sind, sind die Genauigkeit des Eingangsverstärkers und - speziell im Leistungsbereich - der verfügbare Offsetbereich der Eingangsverstärker. »Typisch ist bei digitalen Oszilloskopen eine DC-Genauigkeit von 1,5 bis 2 Prozent bezogen auf die den vollen A/D-Wandlerbereich, was für 8-bit-Auflösung durchaus akzeptabel ist«, führt Stüber aus. »Die 12-Bit-HRO-Oszilloskope wurden auch in diesem Bereich modifiziert und verfügen über eine DC-Genauigkeit von 0,5 Prozent. Der Offsetbereich wurde auf 400 V erhöht, was es nun erlaubt, hochauflösende Messungen an Ausgangstufen von Leistungsverstärkern durchzuführen.«