Was Oszilloskop-Spezifikationen wirklich aussagen und wie Datenblätter zu lesen sind

Nicht alles steht geschrieben…

Bild 1a: Oszilloskop mit 8-bit Auflösung. Bilder: Teledyne LeCroy
Bild 1b: Oszilloskop mit 8-bit Auflösung und Software Filter.
Bild 2: Definition eines Pulses nach IEEE-Standard.
Bild 3: Messung der Anstiegszeit mit dem Oszilloskop.
Thomas Stüber / Leiter Applikation, Teledyne LeCroy GmbH /

Für Messungenauigkeiten moderner Oszilloskope sind unterschiedlichste Ursachen verantwortlich. Durch was diese ausgelöst werden und wo diese Spezifikationen im Datenblatt zu finden sind, beschreibt dieser Beitrag. Ausserdem gibt er Tipps, wie das ideale Messgerät gefunden und dieses optimal eingesetzt werden kann.

Datenblätter sind ein wichtiges und oft verwendetes Kritserium bei der Auswahl eines Produkts. Oftmals ist aber gerade interessant, was nicht oder nur klein gedruckt im Datenblatt steht. Dies gilt natürlich auch für Oszilloskope, den in der Praxis am häufigsten eingesetzten Messgeräten. Bei einem Blick auf die aktuellen Hochglanzprospekte der Anbieter zeigt sich, dass es keinen Hersteller gibt, der nicht die Qualität der Signaldarstellung hervorhebt. Doch was nützt eine noch so schöne Signaldarstellung, wenn es dabei zu Messfehlern kommt? Und diese können die unterschiedlichsten Ursachen haben, wie im folgenden erklärt wird.

Bandbreite

Die analoge Bandbreite eines Scopes ist als die Frequenz definiert, bei der die Eingangsspannung um 1/Wurzel2 (–3 dB) gedämpft wird. Diese wird auch als –3-dB-Grenze-bezeichnet. In der Praxis bedeutet dies, dass ein Signal bei dieser Frequenz um fast 30 Prozent zu gering dargestellt wird. Wie verhält sich nun die Amplitudengenauigkeit bis zu dieser Grenzfrequenz? Leider finden sich in den meisten Datenblättern hierzu keine Angaben und theoretisch sind alle Fehler, die kleiner als 3 dB (also fast 30 %) sind, erlaubt. Da jeder Hersteller den typischen Frequenzgang seiner Geräte kennt, lohnt es sich durchaus diese Spezifikation bei ihm genauer zu erfragen.

Spannungsgenauigkeit

Der Amplitudenfehler beträgt bei der Grenzfrequenz bis zu 30 Prozent. Wie verhält es sich nun aber mit der Amplitudengenauigkeit? Die DC-Amplitudengenauigkeit lässt sich direkt im Datenblatt finden. Der Wert wird aber in der Regel als Prozentwert von «Full-Scale», also von der Vollaussteuerung, angeben. Damit ist dieser Fehler aber grösser als es die Angabe im Datenblatt vermuten lässt. Wird beispielsweise ein 1-VDC-Signal im 500-mV/Div-Bereich gemessen, so bezieht sich dieser Fehler nicht auf die 1 V des Signals, sondern auf die 500 mV/Div mal der Anzahl der vertikalen Einteilungen. Wird von den üblichen acht Einteilungen ausgegangen, so errechnet sich der Fehler aus 8 x 500 mV, also zu 4 V. Hat ein Oszilloskop 2 Prozent DC-Fehler, so ergibt sich ein maximaler DC-Fehler von 80 mV oder dann effektiv 8 Prozent bezogen auf die zu messende Spannung von 1 V. Wird nun zur besseren Darstellung das Signal auf dem Bildschirm vertikal verschoben, also der 0-V-Level aus der Mitte der Anzeige mit dem Offset-Regler nach oben oder unten bewegt, kommt zusätzlich noch ein Offsetfehler hinzu. Dieser liegt meistens in der gleichen Grössenordnung wie der DC-Fehler.

Auflösung

Ein DSO wandelt analoge Signale nicht kontinuierlich, sondern in diskreten Stufen in digitale Werte um. Am häufigsten kommen 8-bit-A/D-Wandler zum Einsatz, die ein Signal mit 256 Amplitudenstufen wandeln. Ein 1-V-Signal kann also im Idealfall mit circa 40 mV aufgelöst werden. Dazu muss das 1-V-Signal aber den vollen A/D-Wandler-Bereich aussteuern. Dies bedeutet, dass Signale, die nur den halben Bildschirm füllen, wenn beispielsweise zwei Signale übereinander dargestellt werden, nur mit maximal 128 Stufen gewandelt werden. Inzwischen gibt es auch DSO mit A/D-Wandler mit 12-bit-Auflösung, also mit 4096 Amplitudenstufen. Die Auflösung des A/D-Wandlers kann durch Softwarefunktionen (oft als HiRes-, ERES- oder HD-Auflösung bezeichnet) mathematisch verbessert werden: Diese haben aber auch entscheidende Nachteile. Da zur Erhöhung der Auflösung dabei Abtastpunkte mathematisch verrechnet werden, geht die Bandbreite bei diesen Verfahren deutlich zurück.

Ein anderes, viel grösseres Problem ist, dass diese Verfahren immer davon ausgehen, dass es im Signal Rauschanteile gibt, die spektral gleich verteilt sind (weisses Rauschen). Da dies aber nicht immer gilt oder zumindest nicht in dem Bereich der Daten, die zusammengefasst werden, sind die Ergebnisse deutlich schlechter als mit einer direkten Abtastung mit einem höher auflösenden A/D-Wandler.

Zeitmessungen

Wie sieht es nun bei Zeitmessungen aus? Hier sind Oszilloskope wesentlich genauer. Der Anwender sollte aber auch hier einige Punkte beachten, wie am Beispiel der Messung der Anstiegszeit gezeigt werden soll. Für eine korrekte Messung ist zuerst die Definition eines Pulses nach IEEE zu betrachten. Hier wird bei einem Puls zwischen Base und Minimum sowie zwischen Top und Maximum unterschieden.

Dies hat einen guten Grund, denn ein Puls kann einen Über- oder Unterschwinger haben, der für die Messparameter, wie zum Beispiel die Anstiegszeit, unberücksichtigt bleiben soll. Um den Base- oder Topwert korrekt zu berechnen, muss ein Histogramm über die Amplitude gebildet werden. Anhand dieses Histogramms kann dann der Base- und Topwert bestimmt werden. Diese Histogramm-Bildung ist rechenintensiv und wird daher in vielen Einstiegsmodellen nicht oder nur in einer sehr einfachen Form verwendet. Fehlt diese Histogramm-Bildung, so werden auch andere Parameter, wie Pulsbreite oder Frequenz, die diese Top- und Basewerte als Referenz benötigen, falsche Werte liefern.

Ein weiterer Schwachpunkt ist häufig, dass nur ein Teil der Kurve oder sogar nur die Bildschirmpunkte zur Berechnung der Messwerte herangezogen werden. Ersichtlich wird dies in Bild 3, wo eine Anstiegszeitmessung zu sehen ist. Solange nur eine Flanke auf dem Bildschirm des Oszilloskops dargestellt und diese noch zeitlich gut aufgelöst erfasst wurde, ist der gemessene Parameterwert korrekt. Werden jedoch viele Perioden gleichzeitig erfasst und dargestellt, zeigen sich bei manchen Geräten deutliche Schwächen. Es wird entweder nur ein einzelner Wert pro Erfassung gemessen oder aber die Berechnung wird sogar nur auf den Bildschirmpunkten statt auf den erfassten Rohdaten durchgeführt, was zur Folge hat, dass keine oder sogar falsche Werte angezeigt werden.

Trigger

Der Trigger ist ein wesentlicher Bestandteil eines Oszilloskops, da nur durch den Trigger im DSO ein stehendes Bild entsteht. Waren Anwender früher auf einen reinen Flankentrigger beschränkt, so bieten selbst Einstiegsmodelle heute schon Trigger auf Pulsbreiten oder digitalen Bitmustern an. Was sind nun die wesentlichen Faktoren, auf die bei der Auswahl eines DSO zu achten sind?

Selbst wenn es trivial erscheint, ist ein Blick auf die Triggerbandbreite des Flankentriggers im Datenblatt wichtig, vor allem wenn ein DSO mit einer Bandbreite über 1 GHz beschafft werden soll. Die Bandbreite sollte idealer Weise grösser gleich der analogen Bandbreite des DSO sein. Nichts ist ärgerlicher, als wenn zum Beispiel ein 8-GHz-DSO beschafft wurde und der Nutzer später feststellen muss, dass er ein Signal nicht sicher erfassen kann, da die Triggerbandbreite auf 3 GHz begrenzt ist.

Ein weiteres Kriterium ist der Umfang der Triggermöglichkeiten! Hier gilt ähnlich wie bei einem Schweizer Messer, je mehr Funktionen das DSO hat, umso mehr Chancen hat der Anwender, bei kniffligen Signalen das Problem schnell zu lokalisieren. Leider sind oftmals nicht alle im Datenblatt aufgeführten Triggerfunktionen in Hard-, sondern in Software realisiert. Bei diesen Software-Triggern wird das Signal nicht mit einer Hardware in Echtzeit auf das Triggerereignis überwacht, sondern es werden lediglich die nach einer Erfassung im Speicher befindlichen Werte nach diesem Ereignis durchsucht. Somit ist diese Funktion bei sporadischen Ereignissen ungeeignet, da das Finden eines seltenen Ereignisses rein zufällig und damit nahezu unmöglich ist.

Abtastrate

Die Abtastrate gibt an, mit welchem zeitlichen Abstand das Oszilloskop ein Signal abtastet. Es muss hier zwischen der Abtastrate für Einzelerfassungen (Single Shot) und für repetierende Erfassungen unterschieden werden. Diese werden zum Beispiel als RIS (Random Interleave Mode) oder ET (Equivalent Timing Mode) bezeichnet und ermöglichen durch eine Mehrfachabtastung des Signals eine zeitlich feinere Auflösung als bei einer Einzelerfassung. Wichtig ist, dass dieser Erfassungsmodus nur für wiederkehrende Signale angewandt werden kann.

Welche Abtastrate ist nun aber wirklich notwendig? Hierzu gibt es einen theoretischen Wert, der sich aus dem Nyquist-Theorem ableitet. Theoretisch reichen danach zwei Abtastwerte pro Periode aus, um ein Sinussignal wiederherstellen zu können. Dieser Wert ist von rein theoretischer Natur, da der Nutzer die wirkliche Signalform nicht nur erkennen, sondern auch verlässliche Messungen an einem Signal durchführen möchte. Hier ein realitätsnäherer Ansatz für eine sehr häufige Anwendung: das vermessen einer schnellen Signalflanke. Gemessen wird in diesem Beispiel eine Flanke mit 350 ps Anstiegszeit und dies mit drei unterschiedlichen Abtastraten: Blau mit 10 GS/s, Rot mit 5 GS/s und Gelb mit 2,5 GS/s.

Werden nur die echten Abtastwerte dargestellt, so ist klar zu erkennen, dass die Flanke mit 5 GS/s noch gerade so ausreichend dargestellt wird, wobei bei 2,5 GS/s die Flanke aber schon mit deutlich zu wenig Punkten dargestellt wird. Werden die Messwerte betrachtet, so ist nur die Messung mit 10 GS/s (P3) korrekt. Häufig besitzen DSO Funktionen wie Sinx/x-Interpolation, um für eine bessere Signaldarstellung die erfassten Punkte mit Hilfe einer Sinusfunktion zu verbinden. Wird diese Funktion auf dieses Signal angewendet, so sieht selbst das Signal, welches mit 2,5 GS/s zu gering abgetastet wurde, optisch gut aus.

Beim Vergleich der Messwerte zeigt sich, dass diese falsch sind. Um Fehlmessungen zu verhindern, gilt daher als Faustformel, dass eine Flanke mit mindestens drei Punkten abgetastet werden sollte. Für die Auswahl eines DSO gilt daher im Umkehrschluss, dass die Abtastrate so gewählt werden sollte, dass diese Bedingung erfüllt ist. Für ein DSO mit 1 GHz Bandbreite und 350 ps Anstiegszeit ist eine Abtastrate von 350 ps/3, also circa 100 ps beziehungsweise 10 GS/s, ideal.

Fazit

Zusammenfassend wird deutlich, dass Datenblätter nur sehr begrenzt die wahren Eigenschaften eines DSO wiedergeben. Anwender, die Wert auf eine möglichst hohe Messgenauigkeit legen, ist daher zu empfehlen, vor dem Kauf eines Oszilloskops die entsprechenden Punkte beim Hersteller zu erfragen und im Zweifel eigene Messungen bei einer Vorführung oder Leihstellung des Gerätes durchzuführen.