Ein weiterer Vorteil ist die Flexibilität. Der Speicher kann groß sein, lässt sich aber bei Bedarf auch anpassen und verkleinern, was zusätzliche Vorteile bietet. Mit einem kleineren Speicher können beispielsweise Messungen deutlich schneller durchgeführt werden, um schnelle Variationen (Störungen) oder unerwünschte, sich rasch ändernde Signalformen zu erfassen. Die Geschwindigkeit der Signalformerfassung und die Minimierung von Blindzeiten spielen dabei eine wichtige Rolle.
RIGOL hat mit der neuen DS70000-Serie ein neues 3-GHz- oder 5-GHz-Oszilloskop auf Basis der neu entwickelten UltraVision III-Plattform angekündigt. Dieses Oszilloskop, das proprietäre ASIC-Chips enthält, wird im Folgenden im Hinblick auf die genannten Aspekte und die Vorteile dieser Parameter detailliert beschrieben.

Erfassungsspeichertiefe
Um den Erfassungsspeicher genauer zu untersuchen, betrachten wir das vertikale System des Oszilloskops. Um dem Analog-Digital-Wandler (ADC) eine kontrollierte Amplitude zuzuführen, wird das analoge Eingangssignal abgeschwächt oder verstärkt. Anschließend ist eine Filterung entsprechend der jeweiligen maximalen Bandbreite erforderlich, um Aliasing-Effekte zu vermeiden, die das Signal aufgrund unzureichender Abtastung hochfrequenter Komponenten oberhalb der maximalen Bandbreite verzerren würden. Nach der Filterung digitalisiert der ADC die Daten mit der definierten Abtastrate. Das DS70000 verwendet Echtzeit-Abtastung, d. h. alle Abtastpunkte werden nach einem Trigger sequenziell erfasst. Die diskreten (nun binären) Abtastwerte werden in einem Erfassungsspeicher abgelegt und anschließend dem horizontalen System des Oszilloskops zugeführt. Das horizontale System gewährleistet die Erfassung einer ausreichenden Anzahl von Abtastpunkten zum richtigen Zeitpunkt. Abtastwerte werden als Punkte bezeichnet; beispielsweise werden eine Million Abtastwerte als 1 Mpts (Megapunkte) bezeichnet. Bei einem Oszilloskop hängen die Zeit pro Teilung, die Anzahl der Teilungen (DIV), die Speichertiefe und die Abtastrate über eine Formel zusammen (siehe Formel 1):

Formel 1: Horizontale Korrelation eines digitalen Oszilloskops.

Das Oszilloskop RIGOL DS70504 verfügt über eine in 10 Abschnitte unterteilte Anzeige und eine maximale Echtzeit-Abtastrate von 20 GS/s. Bei Verwendung eines einzelnen Kanals beträgt die maximale Speichertiefe 2 Gpts, was einer maximalen Abtastzeit von 10 ms und einer Anzeigedauer von 100 ms entspricht. Wie Formel 1 zeigt, ändern sich zwangsläufig auch andere Parameter, sobald sich eine der Variablen ändert. Beispielsweise kann die Zeiteinheit erhöht werden. Ist der maximale Speicher bereits ausgeschöpft, muss die Abtastrate reduziert werden. Bei RIGOL-Oszilloskopen lassen sich die Variablen „Zeiteinheit“ und „Speichertiefe“ ändern; die automatische Abtastrate wird durch diese Parameter bestimmt. Wird ein 5-GHz-Signal (Periode = 200 ps) mit einer Zeiteinheit von 10 ms/DIV gemessen, können 500 Millionen Perioden mit einer einzigen Messung erfasst und auf dem Bildschirm angezeigt werden. Die Zoomfunktion ermöglicht eine präzisere Analyse relevanter Bereiche. Dank der hohen Abtastrate lassen sich selbst kleinste Abweichungen eines 5-GHz-Signals problemlos erfassen. Abbildung 1 zeigt die Aufzeichnung eines 5-GHz-Signals mit einer Amplitude von -10 dBm (100 µW bzw. 200 mVpp). 5 GHz entspricht der 3-dB-Bandbreite des DS70504. Der dargestellte Amplitudenwert von 200 mVpp entspricht nahezu der tatsächlichen Amplitude bei 5 GHz.

 Abbildung 1: Messung eines 5-GHz-Signals (-10 dBm) mit dem DS70504.

Eine hohe Abtastrate ist beispielsweise auch dann erforderlich, wenn die Anstiegsflanke eines hochfrequenten Datensignals gemessen werden soll, da diese bandbreitenabhängig ist. Die gemessene Anstiegszeit (AZ) hängt von der AZ des Oszilloskops, dem verwendeten Tastkopf und dem zu messenden Signal ab (siehe
Formel 2).

Formel 2: Berechnung der gemessenen Anstiegszeit des Datensignals.

Abbildung 2 zeigt ein mit einem suboptimalen HF-Kabel auf Kanal 1 (gelb) gemessenes Datensignal im Vergleich zu einer Messung mit der HF-Differenzialsonde RIGOL PVA8700 (Kanal 3, pink). Die Anstiegszeit konnte mit der HF-Sonde deutlich genauer gemessen werden.

Abbildung 2: Anstiegszeitmessung. Rosa: mit der RIGOL PVA8700 HF-Sonde. Gelb: mit Koaxialkabel (BNC-Stecker).

Die Anzeigedauer lässt sich zwar durch maximalen Speicher erhöhen, dadurch sinkt jedoch die Abtastrate, und Signale können nicht mehr über die volle Bandbreite unterschieden werden. Eine Möglichkeit, dies zu beheben, besteht darin, die Protokollierungsfunktion zu nutzen, um den Speicher in verschiedenen Frames zu entladen und diese Segmente anschließend wieder zusammenzusetzen. Die Verwendung eines großen Speichers und die Verlängerung der Anzeigedauer verringern jedoch die Geschwindigkeit der Wellenformerfassung, wodurch sich die Blindzeiten zwischen den Erfassungen verlängern.

Erfassungsgeschwindigkeit von Oszilloskop-Signalformen:
Digitale Oszilloskope benötigen Verarbeitungszeit für die digitale Signalverarbeitung und -darstellung. Während dieser Verarbeitungszeit misst das Oszilloskop nicht, wodurch bei digitalen Oszilloskopen stets Blindzeiten auftreten. Je mehr Funktionen verwendet werden (z. B. mathematische Funktionen, FFT usw.), desto länger ist die Blindzeit. Auch die Speichertiefe und die Einstellungen für die Monitor-Timing-Einstellungen haben Einfluss. Je größer diese Werte sind, desto länger ist die Blindzeit. Eine Blindzeit wirkt sich sehr negativ auf die Messung aus, insbesondere bei der Messung seltener Ereignisse, da die Messung deutlich länger dauern muss, um den Fehler mit einer Wahrscheinlichkeit von P = 99 % sichtbar zu machen. Die Messzeit wird in Formel 3 berücksichtigt.

Formel 3: Zeit, um den Fehler mit einer Wahrscheinlichkeit von 99 % zu erkennen.

Das bedeutet, dass bei der Erfassungsgeschwindigkeit des DS70504 von >1 Million Signalformen/s (Messwert: 1,012 Millionen Signalformen/s) ein Glitch mit einer Rate von 10 Glitches/s und einer Erkennungswahrscheinlichkeit von P = 99 % in 4,6 Sekunden dargestellt werden kann. Daher müssen 46 Ereignisse gemessen werden, um einen Glitch (P = 99 %) darzustellen. Bei einem Oszilloskop mit einer geringeren Erfassungsgeschwindigkeit, z. B. 100.000 Signalformen/s, wären 46 Sekunden bzw. 460 gemessene Ereignisse erforderlich, um den Glitch darzustellen.

Daher lässt sich feststellen, dass ein großer Speicher sowohl für hochpräzise Messungen über einen längeren Zeitraum als auch für sehr schnelle Messungen mit kleinerem Speicher und kürzerer Abtastzeit genutzt werden kann. Beides lässt sich mit dem Oszilloskop DS70504 optimal realisieren. Die Oszilloskope der DS70000-Serie erfassen selbst kleinste Störungen und detektieren Spitzenwerte bis hinunter zu 200 ps. Dabei wird die Amplitude kontinuierlich überwacht und innerhalb des Abtastintervalls die extremen positiven und negativen Werte aufgezeichnet und angezeigt. Die resultierende Hüllkurve hilft, selbst kleinste Abweichungen sichtbar zu machen. Durch die Anzeige der Maximal- und Minimalwerte verbessert diese Konfiguration die Rauschempfindlichkeit.
Die variable Speicherkapazität kann auch in der Aufzeichnungsfunktion genutzt werden, um mehrere Signalaufzeichnungen zur späteren Analyse auf dem Gerät zu speichern.

Aufzeichnungsfunktion:
Die DS70000-Serie ermöglicht die Speicherung von Signalformaufnahmen in einzelnen Frames im RAM. Diese Frames können beliebig oft für spätere Analysen und Messungen wie Frequenzanalyse oder Bussignal-Dekodierung (z. B. CAN-FD) abgerufen werden. Die Speichergröße bestimmt die maximale Anzahl der aufnehmbaren Frames. Mit 1 kpts Speicher lassen sich beispielsweise bis zu 2 Millionen Frames aufzeichnen. Bei geringerem Speicherbedarf, etwa für die Aufzeichnung sehr kurzer Zeiträume, können mit einer Speichertiefe von 400 pts 2,4 Millionen Frames aufgezeichnet werden. Das minimale Intervall zwischen den Frames beträgt 10 ns, und das Zeitintervall zwischen den Frames ist sehr kurz. Mit der Aufzeichnungsfunktion und durch geschickte Konfiguration des (normalen) Triggers lässt sich die Triggerung und Aufzeichnung so einstellen, dass die Aufzeichnung nur bei einem Triggersignal erfolgt. Dies ermöglicht die Aufzeichnung und Speicherung sporadischer Ereignisse während Langzeittests, die nach Abschluss des Tests beliebig oft analysiert werden können. Der Gesamtspeicher lässt sich durch Segmentierung mithilfe der Aufnahmefunktion erweitern. Mit 1 Gpts Speicher können beispielsweise bis zu 5 Frames aufgezeichnet werden, was einem maximalen Speicher von 5 Gpts entspricht. Dies verdeutlicht, wie sich eine beträchtliche Datenmenge von mehreren Gigabyte ansammelt. In vielen Anwendungen ist es erforderlich, Daten im internen, nichtflüchtigen Speicher und schließlich auf einem PC zu speichern. Die Geschwindigkeit der Datenspeicherung und -übertragung zum PC stellt für viele Oszilloskope eine große Herausforderung dar, da dieser Prozess zeitaufwändig sein kann. RIGOL hat die DS70000-Serie genau für diesen Zweck optimiert und so einfach und schnell wie möglich gestaltet.

Datenverfügbarkeit:
Die DS70000-Serie verfügt über Schnittstellen wie USB 3.0 (Host und Device) und Gigabit-Ethernet für eine schnelle und zuverlässige Datenverfügbarkeit. Daten können direkt auf einen PC oder über ein USB-3.0-Laufwerk übertragen werden. Sobald das Messgerät per Ethernet mit dem PC verbunden ist, kann es über einen Webbrowser ohne zusätzliche Softwareinstallation gesteuert werden. Die Bildwiederholfrequenz von 9 Bildern pro Sekunde ermöglicht eine sehr schnelle Anzeige auf dem PC. Diese webbasierte Steuerung erlaubt die vollständige Bedienung des Geräts (siehe Abbildung 3).

Abbildung 3: Bildschirm und Bedienung über die Web-Steuerungsschnittstelle.

Aufnahmen lassen sich hingegen als MP4-Dateien speichern und direkt auf dem PC ablegen. Über diese Schnittstelle können auch SCPI-Befehle an das Gerät gesendet werden. Für die Speicherung großer Datenmengen kann das Gerät zudem über seine IP-Adresse als FTP-Server genutzt und im Datei-Explorer aufgerufen werden. So lassen sich alle lokal gespeicherten Dateien, wie Bilder, CSV-Dateien, Videos usw., einfach vom Gerät auf den PC übertragen.

Die Geschwindigkeit des internen Speichers der DS70000-Serie wurde ebenfalls optimiert.
So lassen sich beispielsweise 10 Mpt in weniger als 10 Sekunden auf dem Oszilloskop speichern. Die Übertragung dieser Daten auf einen PC per FTP dauert weniger als eine Minute. 2 Gpt (ca. 29,8 GB Daten) können in 5 Minuten und 26 Sekunden auf dem Gerät gespeichert werden. Die FTP-Übertragung auf den PC dauert anschließend weitere 6 Minuten und 50 Sekunden. Binäre Wellenformdaten können sogar noch schneller auf dem Gerät gespeichert werden. Beispielsweise lassen sich 2 Gpt in 46 Sekunden in den internen Speicher des Geräts kopieren und in 63 Sekunden per FTP auf einen PC übertragen. RIGOL bietet mit der gewohnt hohen Qualität, für die RIGOL bekannt ist, eines der besten Preis-Leistungs-Verhältnisse – das Ergebnis unserer über 20-jährigen Erfahrung im Bereich Test und Messung.

Die DS70000-Serie ist das erste StationMAX-Messgerät und bietet zusätzliche Funktionen wie Echtzeit-Spektrumanalyse, verschiedene Trigger-/Decodierungsmodi für Bussysteme und Konformitätsprüfungen für beispielsweise USB 2.0 und 100Base-T Ethernet. Sie ermöglicht außerdem Analysefunktionen wie die Echtzeit-Visualisierung von Augendiagrammen und die Jitteranalyse. Die Hardware ist so konzipiert, dass zukünftige Erweiterungen ohne Hardware-Upgrades möglich sind und somit ein zuverlässiger Betrieb über viele Jahre gewährleistet wird. RIGOL bietet zudem eine breite Palette an Tastköpfen, darunter die aktiven HF-Tastköpfe der PVA8000-Serie, die eine lineare Bandbreite bis zu 7 GHz garantieren und mit einem proprietären ASIC-Chip ausgestattet sind.

Boris Adlung, RIGOL Technologies Europe