Digitale Speicher-Oszilloskope, oder kurz DSOs, müssen heute eine Vielzahl an verschiedenen Mess-Szenarien abdecken. Neben der klassischen Messaufgabe eines Oszilloskops, erfasste Spannungen über der Zeit darzustellen, muss genauso präzise und einfach zu handhaben sein wie die Analyse von seriellen Daten oder bestimmten Power-Szenarien. In unserer dreiteiligen Serie geben wir eine schnelle und einfache Einführung in das Messen und die Funktionalitäten von modernen DSOs. Im ersten Teil geht es um den grundlegenden Aufbau eines Oszilloskops: Wie werden die Signale abgetastet, gespeichert und auf dem Bildschirm dargestellt?

Weshalb ein großer Erfassungsspeicher wichtig ist

Akutelle Oszilloskope verfügen über vier analoge Eingänge. Die erfassten analogen Signale werden zunächst durch einen Verstärker verstärkt um anschließend vom A/D-Wandler digitalisiert. Die gewonnenen digitalen Daten müssen nun in einen schnellen und ausreichend großen Erfassungsspeicher abgelegt werden.

Für jeden der Kanäle steht hierbei ein Verstärker, ein A/D-Wandler und ein Erfassungsspeicher separat zur Verfügung. Das garantiert, dass die parallel erfassten Daten verzögerungsfrei vorliegen. Die im Speicher erfassten Daten können vom Oszilloskop für eine Vielzahl verschiedener Anwendungen wie Dokumentation, Anzeige auf dem Display oder für Messungen und Datenanalyse verwendet werden.

Von analoger und digitaler Bandbreite eines Oszilloskopes

Bei Oszilloskopen wird oft von analoger und digitaler Bandbreite gesprochen. Die analoge Bandbreite entspricht der Bandbreite maximal erfassbarer Frequenzen des analogen Verstärkers. Höhere Frequenzen werden entweder gar nicht oder falsch an den A/D-Wandler weitergegeben. Hierbei ist es immer wichtig, dass nicht nur die analoge Bandbreite des Oszilloskops beachtet werden muss, sondern die des erfassenden Tastkopfes. Die digitale Bandbreite des Oszilloskopes hingegen entspricht der „Echtzeit“-Abtastrate des A/D-Wandlers. Bei einer Abtastrate von beispielsweise 40 GS/s können somit 40 Milliarden Erfassungspunkte pro Sekunde erfasst werden.

Das entspricht einer zeitlichen Auflösung von 25 ps zwischen den einzelnen Erfassungspunkten. Die Länge der maximalen Aufzeichnungsdauer hängt dabei stark von dem zur Verfügung stehenden Speicher ab. Je größer der Speicherbereich, umso größere Zeitfenster können mit hoher Auflösung erfasst werden.

Die Speichergröße wird in der Anzahl der Messwerte angegeben, welche maximal pro Kanal erfasst werden kann. Mit 256 Mpts und einer digitalen Bandbreite von 40 GSample/s wird ein Zeitfenster von 6,4 ms erfasst. Der Speicher von zwei Kanälen kann aber auch kaskadiert werden, wenn weniger Kanäle benötigt werden. Auch eine Aufteilung des Speichers in Segmente ist möglich, um Signale mit langen uninteressanten Pausen zu erfassen. Die uninteressanten Daten werden so nicht in den Speicher geschrieben.

Die drei Arten, ein Signal abzutasten

Bei den Oszilloskopen von LeCroy gibt es drei verschiedene Arten, ein Signal abzutasten. Die am häufigsten verwendete Art ist die „Echtzeit“-Signalabtastung, bei der die Daten in Echtzeit erfasst und gespeichert werden. Hier muss stets gewährleistet sein, dass die digitale Abtastrate hoch genug für die zu erfassenden Frequenzen ist. Ist dies nicht der Fall, kann es zu sogenanten Aliasing-Effekten kommen. Beim Abtasten eines Signals muss immer mindestens das Nyquist-Theorem erfüllt sein, welches besagt, dass bei sinusförmigen Signalen die Abtastrate mindestens zweimal so groß sein muss wie die maximal zu erfassende Frequenz.

Wie sich das Aliasing-Risiko bei einem Scope reduzieren lässt

Bei Pulsen oder Rechteck-Signalen muss die Abtastrate sogar den zehnfachen Wert der maximalen Frequenz betragen. Im Beispiel in Bild 3 soll die blaue Kurve erfasst werden. Durch eine zu geringe Abtastung wird auf dem Bildschirm aber die rote Kurve zu sehen sein. Das passiert, da das Oszilloskop zwischen den Erfassungspunkten die Kurve interpoliert und so die falsche Kurve darstellt.

Durch hohe Abtastraten und große Speichertiefen kann das Aliasing-Risiko verringert werden. Zu Beginn einer Messung ist es auch sinnvoll, mit niedrigen „Time/div-Einstellungen“ zu beginnen und diese Schritt für Schritt zu erhöhen.

Die zweite Art der Signalabtastung ist das sogenannte Random Interleaved Sampling. Bei diesem Verfahren wird die Abtastrate erhöht, indem ein Signal mehrfach abgetastet wird und bei jeder Erfassung die Erfassungspunkte im Vergleich zur vorherigen Messung ein wenig verschoben werden. Durch die Überlagerung der einzelnen Messungen wird so eine hohe effektive Abtastrate erreicht.

Diese Methode funktioniert aber nur bei periodisch wiederkehrenden Signalen. Der Roll-Modus ist die dritte Art der Signalerfassung. Er wird häufig bei langsamen Prozessen eingesetzt. Das Signal läuft hierbei von rechts nach links über den Bildschirm, indem neu erfasste Messpunkte einfach rechts angehängt werden, die dadurch alle alten nach links verschieben.

Signale am Scope nachbearbeiten

Die erfassten Signale werden vom Oszilloskop auf dem Bildschirm ausgegeben. Das Signal kann hierbei direkt oder vergrößert als Zoom dargestellt werden. Auch verschiedene Berechnungen, wie beispielsweise Subtraktion zweier Kurven, sind möglich. An den Kurven können jetzt über Cursor manuelle Messungen vorgenommen werden. Auch automatische Parametermessungen inklusive statistischer Auswertung sind mittlerweile fast bei allen Geräten Standard. Bei vielen seriellen Bussen können auch Dekoder zugeschaltet werden, um die meist sehr vielen seriellen Daten schnell und effektiv auszuwerten.

Der Autor:

Stephan Herzog ist Applikationsingenieur bei LeCroy in Heidelberg.