dataTec Applikationsbericht | Die Oszilloskop-Auflösung verbessern

Applikationsschrift :: Die Oszilloskop-Auflösung verbessern.

Der Entwickler verlangt von seinem Oszilloskop die Darstellung immer feinerer Kurvenzug-Details. Das kann sich aber als schwierig erweisen, weil die genaue Detail-Darstellung u.a. auch vom Rauschen des Scopes, von dessen Einstellungen und den elektrischen Eigenschaften der Prüfspitzen oder Tastköpfe beeinflusst wird. Deshalb hier sieben nützliche Tipps, die dazu beitragen, kleinste Signaldetails sichtbar zu machen.

Interessante oder verdächtige Ereignisse können z.B. kleine Amplitudenänderungen an Signalen mit großem Dynamikbereich oder auch sehr kleine Signale sein, bei denen der Dynamikumfang minimal ist: Da geht es oft um wenige mV oder mA. Beispiele aus der Praxis sind Starkstrom-oder Hochspannungs-Applikationen, bei denen auf exakte Kurvenformen (Signalqualität) zu achten ist, die Aufzeichnung kleinster Pegel in medizinelektronischen Geräten, kürzeste Impulse in der Hochenergie-Physik sowie Signale in Mobilgeräten mit kritischen Anforderungen an die Leistungsaufnahme.

Tipp 1: ein rauscharmes Oszilloskop wählen
Für die Oszilloskope aller Hersteller gilt: Das Beobachten kleiner Spannungen und Ströme erfordert ein Gerät mit niedrigem Rauschen. Es ist einfach nicht möglich, Signaldetails zu sehen, die kleiner als der Rauschpegel des Oszilloskops sind. Wie kann der Anwender nun schnell feststellen, welches Rauschen ein bestimmtes Oszilloskop aufweist? Die meisten Hersteller spezifizieren das Rauschen in den Produktdatenblättern. Auch kann man diese Information erfragen oder in wenigen Minuten einfach selbst ermitteln: Bei offenen Eingängen stellt man das Oszilloskop auf eine Eingangsimpedanz von 50 Ω, wahlweise auch 1 MΩ. Mit etwas Speichertiefe - ausreichend sind 100.000 bis 1 Mio. Messpunkte - lässt man dann das Gerät im Modus unendlicher Nachleuchtdauer laufen: Je dicker der dann dargestellte Linienzug ist, desto mehr internes Rauschen produziert das Scope.
Jeder Kanal eines Oszilloskops zeigt bei jeder möglichen Vertikaleinstellung ganz spezifische Rauscheigenschaften. Sie lassen sich durch einen Blick auf die Kurvenzugsdicke schätzen oder mit Hilfe einer Effektivwertmessung der Wechselspannung quantisieren.
Mittlerweile bietet die Industrie einige Oszilloskope mit mehr als 8 bit Auflösung an. Wie wertvoll sind nun diese zusätzlichen Bits? Ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis vorausgesetzt, ermöglichen mehr A/D-Wandler-Bits die Darstellung feinerer Signaldetails. Dieser Vorteil der zusätzlichen Auflösungsbits wird jedoch üblicherweise vom Rauschen limitiert.

Tipp 2: Kurvenzüge auf maximale Auflösung des A/D-Umsetzers skalieren
Die Auflösung ist der kleinste Quantisierungsschritt, den der A/D-Umsetzer des Oszilloskops ermöglicht. Ein 8-bit-Umsetzer kann einen analogen Eingang in 28 = 256 unterschiedliche Pegelwerte codieren. Der A/D-Umsetzer arbeitet dabei mit dem Wert der Vertikaleinstellung für den gesamten Bildschirm. Dadurch sind die Quantisierungsschritte direkt mit der Vertikaleinstellung des Oszilloskops verknüpft. Stellt der Anwender das Gerät auf 100 mV pro Bildschirmteilung, dann entspricht der gesamte Bildschirm 800 mV (8 Teilungen zu je 100 mV/Teil). Als Auflösung ergibt sich daraus ein kleinster Quantisierungsschritt von 800 mV dividiert durch 256 = 3,125 mV.
Das Skalieren des Kurvenzuges auf die gesamte Höhe des Displays nutzt den A/D-Wandler des Oszilloskops optimal. Stellt man das Signal so ein, dass es lediglich die Hälfte des Displays einnimmt, reduziert man die Anzahl der signifikanten Wandlerbits von 8 auf 7. Skalieren auf ein Viertel der Höhe entspricht 6 genutzten anstelle von 8 möglichen Bits des A/D-Wandlers. Es gilt also, die Empfindlichkeit der Vertikaleinstellung so zu wählen, dass der Kurvenzug des Signals möglichst den gesamten Bildschirm einnimmt.....

Erschienen: Elektronik messen+testen April 2013
Autor: Klaus Höing, Dipl.-Ing. | Presse- und Öffentlichkeitsarbeit bei dataTec