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Bild 1: Die Auflösung ist eine wichtige Signalintegritätseigenschaft. Die Auflösung einer Messung lässt sich auf zweierlei Weise erhöhen: a) Verwendung eines ADC mit mehr Quantisierungsstufen (Bits) und/oder b) Wahl der optimalen vertikalen Skalierung.
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Wie sehr kann man sich darauf verlassen, dass ein Oszilloskop das Eingangssignal unverfälscht anzeigt und die Messwerte stimmen? Eine wichtige Rolle spielt dabei die Signalintegrität eines Oszilloskops – doch wie bewertet man diese überhaupt?

Die Signalintegrität ist das wichtigste Maß für die Signalqualität. Mit zunehmender Signalfrequenz, Datenrate, Oszilloskop-Bandbreite und Messempfindlichkeit, oder wenn es darum geht, kleine Änderungen an größeren Signalen zu erkennen, gewinnt die Signalintegrität immer mehr an Bedeutung. Sie beeinflusst alle Arten von Messungen mit einem Oszilloskop. Jedes reale Oszilloskop – auch das beste – ist mit (mehr oder weniger ausgeprägten) Unzulänglichkeiten behaftet. Die wichtigsten davon sind Verzerrungen, Rauschen und Frequenzgang.

Je besser die Signalintegrität eines Oszillo­skops ist, desto genauer stimmen die Si­gnaldarstellung und die numerischen Messwerte mit dem tatsächlichen Signal überein – und umso besser kann ein Ingenieur sein Design verstehen, umso genauer kann er es charakterisieren und Fehler diagnostizieren. Die Auswahl eines Oszilloskops mit guten Qualitätseigenschaften ist wichtig, weil sich sonst das Risiko erhöht, dass beispielsweise Entwicklungsprojekte mehr Zeit in Anspruch nehmen als geplant, dass die Produktionsqualität nicht den Anforderungen entspricht oder dass ungeeignete Bauteile ausgewählt werden.

Zur Beurteilung der Eigenschaften eines Oszilloskops betrachten wir folgende Parameter: A/D-Wandler-Auflösung, vertikale Skalierung, Rauschen, Amplituden- und Phasenfrequenzgang, ENOB (effektive Auflösung) und Eigenjitter.

A/D-Wandler-Auflösung

Der A/D-Wandler in einem Digitaloszilloskop unterteilt den Messbereich der Eingangsgröße in eine endliche Anzahl aneinander grenzender, gleich großer Intervalle und ordnet jedem davon eine Quantisierungsstufe zu, die durch einen digitalen Wert repräsentiert wird. Je mehr diskrete Amplitudenwerte ein A/D-Wandler voneinander unterscheiden kann, desto höher ist seine Auflösung. Ein 8-bit-ADC beispielsweise „kennt“ 28 verschiedene Quantisierungsstufen und kann demnach zwischen 256 diskreten Amplitudenwerten unterscheiden. Ein 10-bit-ADC bietet die vierfache Auflösung, nämlich 210 = 1024 Quantisierungsstufen.

Vertikale Skalierung

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Weil die Quantisierungsstufen eines ADC sich auf dessen vollen Eingangsspannungsbereich verteilen, sollte die vertikale Skalierung (V/div oder mV/div) stets so gewählt werden, dass das Eingangssignal möglichst alle Quantisierungsstufen ausnutzt. Bild 1 zeigt ein im Messbereich 800 mV (8 Skalenteile × 100 mV/div) erfasstes Signal. Ein Oszilloskop mit einem 8-bit-ADC hat in diesem Messbereich eine Auflösung von 3,125 mV (800 mV/256 Quantisierungsstufen), eines mit 10-bit-ADC eine Auflösung von 0,781 mV.

Um die bestmögliche Auflösung zu erzielen, sollte man den empfindlichsten Messbereich wählen, bei dem das Oszilloskop noch nicht übersteuert wird, das Signal also noch vollständig zu sehen ist. Nur dann wird die ADC-Auflösung voll ausgenutzt. Wenn das Signal nur die Hälfte oder einen noch kleineren Teil des Vertikalbereichs ausfüllt, verliert man ein oder mehrere Bits an Auflösung.

Die Kombination aus ADC, Oszilloskop-Eingangsstufe und Tastkopf bestimmt darüber, welchen Messbereich die Oszilloskop-Hardware unterstützt. Der kleinste Messbereich eines Oszilloskops bestimmt den kleinsten möglichen Messwert, eine weitere echte Erhöhung der Messempfindlichkeit ist nicht möglich. Einige Oszilloskope bieten für diesen Fall eine „Digital-Zoom“-Funktion, eine rein optische Vergrößerung, so als ob man den Bildschirm mit einer Lupe betrachten würde. Die Auflösung wird dadurch nicht erhöht.

Rauschen

Rauschen wirkt sich sowohl auf Amplituden- als auch auf Zeitintervallmessungen aus. Je geringer das Rauschen, desto besser die Si­gnalintegrität. Wenn die Rauschamplitude größer ist als die Auflösung, sind zusätzliche Bits nutzlos. Zur Messung kleiner Spannungen und Ströme (oder kleiner Änderungen auf großen Signalen) braucht man ein Oszilloskop mit geringem Eigenrauschen.

Rauschen kann aus zahlreichen Quellen stammen, u.a. aus der Eingangsstufe des Oszilloskops, dem ADC und dem Tastkopf, oder aus externen Störsignalquellen, die über das Messkabel einstreuen. Der ADC selbst weist ein Quantisierungsrauschen auf, das jedoch in der Regel gegenüber dem Rauschen aus der Eingangsstufe vernachlässigt werden kann.

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