Seine erste Frage war: „Warum verwenden Sie für dieses Experiment ein Abtastoszilloskop?“ Diese Frage überraschte mich völlig. Ich fragte mich, worin der Unterschied zwischen einem Abtastoszilloskop und einem Echtzeitoszilloskop besteht, für welche Anwendungen sie jeweils eingesetzt werden und wo es Überschneidungen gibt.
Echtzeit-Oszilloskope werden oft auch als DSOs oder MSOs (Digital Memory Oscilloscopes bzw. Mixed-Signal Oscilloscopes) bezeichnet. Die meisten aktuell auf dem Markt erhältlichen Oszilloskope sind Echtzeit-Oszilloskope. Diese Oszilloskope bieten typischerweise Bandbreiten von wenigen MHz bis zu mehreren zehn GHz und kosten zwischen einigen hundert und mehreren tausend Euro. Abtastoszilloskope, üblicherweise als DCAs (Digital Communication Analyzers) bezeichnet, beginnen typischerweise im Bereich von mehreren zehn GHz und werden primär zur Analyse von Hochgeschwindigkeits-Seriellbussen, optischen Geräten und Taktsignalen eingesetzt. Mit zunehmender Bandbreite überschneiden sich jedoch die Anwendungsbereiche von Abtast- und Echtzeit-Oszilloskopen zunehmend.
Die Vorgehensweise zur Digitalisierung von Echtzeit- und Abtastoszilloskopen ist im Prinzip dieselbe. Das Eingangssignal durchläuft die Signalaufbereitungsschaltung des Oszilloskops, wird digitalisiert, im Speicher abgelegt und anschließend auf dem Bildschirm angezeigt. Die jeweils eingesetzte Technologie ist jedoch völlig unterschiedlich.
Echtzeit-Oszilloskope
: Wie funktionieren Echtzeit-Oszilloskope? Echtzeit-Oszilloskope enthalten Trigger-ASICs, mit denen Benutzer bestimmte Ereignisse definieren können, z. B. einen Spannungsschwellenanstieg, das Setzen und Überschreiten einer Haltezeit oder einen Trigger. Im normalen Erfassungsmodus erfasst und speichert das Oszilloskop bei Erkennung eines solchen Ereignisses zusammenhängende Abtastpunkte um diesen Triggerpunkt herum und aktualisiert die Anzeige mit den erfassten Daten. Echtzeit-Oszilloskope können im Einzelmessungs- oder im Wiederholungsmodus betrieben werden. Im Einzelmessungsmodus erfasst und zeigt das Oszilloskop eine einzelne Messung aufeinanderfolgender Abtastwerte an, deren Größe durch die Speichertiefe und die Abtastrate des Oszilloskops bestimmt wird. Nach der Erfassung einer einzelnen Kurve kann der Benutzer in die aufgezeichneten Daten hinein- und herauszoomen. Im kontinuierlichen Messmodus erfasst und zeigt das Oszilloskop fortlaufend alle Bedingungen an, die der Triggerspezifikation entsprechen. Variable oder unendliche Nachleuchtdauer ermöglicht die Überlagerung aufeinanderfolgender Signalaufnahmen mit dem Originalsignal. Der Wiederholungsmodus wird häufig verwendet, da er eine Live-Ansicht des Prüflings ermöglicht. Messungen wie Anstiegszeit oder Impulsbreite sowie Analysen wie mathematische Berechnungen oder FFT-Berechnungen können im Einzelmessungsmodus oder über einen Zeitraum wiederholter Messungen durchgeführt werden. Die meisten Echtzeit-Oszilloskope unterhalb einer Bandbreite von 6 GHz verfügen über 1-MΩ- und 50-Ω-Eingänge und sind somit mit einer Vielzahl von Tastköpfen und Kabeln kompatibel.
Echtzeit-Oszilloskope werden durch drei Hauptspezifikationen definiert: Bandbreite, Abtastrate und Speichertiefe. Es ist jedoch offensichtlich, dass bei der Auswahl eines Echtzeit-Oszilloskops viele weitere wichtige Spezifikationen zu berücksichtigen sind.
Oszilloskope mit großem Speicher bieten die folgenden drei entscheidenden Vorteile:
1. Ein großer Speicher ermöglicht die Erfassung eines längeren Zeitfensters mit einer bestimmten Abtastrate. Die Speicherkapazität bestimmt die Anzahl der pro Messung speicherbaren Messwerte und damit das Erfassungszeitfenster. Je mehr Messwerte in einer Messung erfasst werden können, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass während dieser Messung ein Störereignis auftritt.
2. Ein großer Speicher ermöglicht es dem Benutzer, eine höhere Abtastrate bei langsameren Zeitbasen beizubehalten und so die Messgenauigkeit zu erhöhen. Beispielsweise benötigt eine horizontale Einstellung von 1 µs/div bei 10 Mpt Speicher und einer Abtastrate von 10 Gsamples/s 1 Gpt Daten (dies ist die absolute Grenze vieler aktueller Oszilloskope). Wechselt der Benutzer zu einer Zeitbasis von 10 µs/div, tastet das Oszilloskop mit einem Zehntel der ursprünglichen Rate ab, um dasselbe Zeitfenster zu erfassen. Ein Oszilloskop mit 100 Mpts Speicher ermöglicht es dem Benutzer jedoch, die hohe Abtastrate von 10 GSamples/s beizubehalten und gleichzeitig das gesamte 20 µs-Zeitfenster zu erfassen.
3. Ein großer Speicher ermöglicht präzisere statistische Messungen und Berechnungen. Die Analyse von Anstiegszeitabweichung, FFT und Jitter über einen weiten Bereich von Flanken zeigte, dass alle Messungen von der Datenerfassung im großen Speicher profitierten.
Abtastoszilloskope
: Wie funktionieren Abtastoszilloskope? Abtastoszilloskope zeichnen sich durch ein spezielles Design zur Erfassung, Darstellung und Analyse von sich wiederholenden Signalen aus. Ihre Triggerfunktionen sind ebenfalls für sich wiederholende Signale optimiert. Ein Abtastoszilloskop erfasst eine Reihe zeitlich getrennter, nicht aufeinanderfolgender Abtastwerte, sobald es die erste Triggerbedingung erkennt. Das Oszilloskop verzögert den Triggerpunkt, erfasst die nächste Abtastwertreihe und zeigt diese zusammen mit der ersten auf dem Bildschirm an. Dieser Vorgang wird wiederholt, wodurch die Wellenform durch sukzessive Messungen kontinuierlich erzeugt wird. Eine der Schlüsselkomponenten dieser Technologie ist die Triggerinterpolation, die die zeitliche Auflösung zwischen den Triggern steuert und so die Messgenauigkeit erhöht. Die Speichertiefe ist weder kritisch noch notwendig, da bei jedem Trigger nur wenige Abtastwerte erfasst und verarbeitet werden. Auch die Abtastrate ist weniger kritisch. Die wichtigste Komponente ist die Genauigkeit der Zeitspanne zwischen dem ersten Auslösezustand und dem nächsten Auslösezustand, der im Vergleich zum ersten leicht verzögert ist.
Abtastoszilloskope vs. Echtzeitoszilloskope:
Wie bereits erwähnt, übersteigt die Bandbreite aktueller Echtzeitoszilloskope 60 GHz, während die von Abtastoszilloskopen 90 GHz übersteigt. Daher ist die Bandbreite für die meisten digitalen Anwendungen nicht mehr das alleinige Kriterium bei der Oszilloskopwahl. Der Preis spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle. Ein voll ausgestattetes 50-GHz-Abtastoszilloskop kostet weniger als 115.000 €, während der Preis eines Echtzeitoszilloskops fast 300.000 € beträgt. Der Entwickler muss daher abwägen, ob die größere Flexibilität eines Echtzeitoszilloskops den höheren Preis rechtfertigt.
Rauschen und Signal-Rausch-Verhältnis:
Zusätzlich zu den oben genannten Unterschieden gibt es viele weitere zwischen Abtastoszilloskopen und Echtzeitoszilloskopen. Abtastoszilloskope verfügen über einen 14-Bit-ADC und bieten daher einen sehr großen Dynamikbereich. Dadurch können sie Signale von wenigen mV bis 1 Volt ohne Dämpfung analysieren. Aus diesem Grund weisen Abtastoszilloskope bei verschiedenen Spannungsteilungen ein sehr geringes Rauschen auf. Ein Echtzeitoszilloskop ist in seinem Dynamikbereich auf 8 Bit begrenzt, zeigt aber typischerweise eine effektive Bitanzahl von etwa 6 an. Aufgrund des begrenzten Signal-Rausch-Verhältnisses müssen Dämpfungsglieder verwendet werden, um Signale von wenigen mV bis zu mehreren Volt korrekt darzustellen. In der Praxis bedeutet dies, dass Echtzeitoszilloskope ein höheres Rauschen aufweisen als Abtastoszilloskope. Der niedrige Rauschpegel von Abtastoszilloskopen hat dazu geführt, dass sie als „Goldstandard“ im Bereich der Messtechnik gelten. Allerdings werden Echtzeit-Oszilloskope ständig verbessert und haben begonnen, die Lücke in Bezug auf die Signalintegrität zu schließen.
Frequenzgang.
Ein weiterer Aspekt bei der Wahl zwischen einem Echtzeit- und einem Abtastoszilloskop ist deren Frequenzgang. Abtastoszilloskope verwenden typischerweise keine digitale Signalverarbeitung (DSP) und weisen daher einen langsam abfallenden (hardwarebedingten) Frequenzgang mit eher gaußförmigem Verlauf auf. Echtzeitoszilloskope hingegen können DSP implementieren und somit ihren Frequenzgang korrigieren. Beispielsweise verwendet das Agilent DSOX93304Q-Modell einen flachen Frequenzgang über das gesamte Frequenzband, was bedeutet, dass seine Verstärkung über den gesamten Frequenzbereich des Oszilloskops um nicht mehr als 1 dB variiert.
Die Frequenzgänge von Echtzeitoszilloskopen können unterschiedlich sein. Einige Oszilloskophersteller bieten bis zu fünf verschiedene Frequenzgänge an, jeder mit seinen eigenen Charakteristika. Ein Vergleich zwischen einem flachen und einem gaußförmigen Frequenzgang liefert zwei völlig unterschiedliche Messwerte. Die Gaußsche Dämpfung kann beispielsweise eine Messung beeinflussen und Interferenzen zwischen den Symbolen verursachen. Ein flacher Frequenzgang mit rascher Dämpfung kann vorübergehende Schwingungen aufweisen, wenn das Signal schnell genug ist, um die Bandbreite des Oszilloskops zu überschreiten. In jedem Fall ist es wichtig zu verstehen, wie die Hardware die Messungen beeinflussen kann.
Unterschiede bei der Takterfassung:
Die Takterfassung ist eine der Schlüsselkomponenten von Oszilloskopmessungen. Sie ermöglicht Echtzeitüberwachung, Maskentests und Jitter-Separierung. Ein erfasster Takt dient im Wesentlichen als Referenztakt für den Vergleich von Messwerten. Bis vor Kurzem nutzten Abtastoszilloskope ausschließlich Hardware zur Takterfassung. Das bedeutete, dass das Erfassungssystem fehleranfällig war, unabhängig davon, ob ein expliziter Takt oder der interne 10-MHz-Takt des Abtastoszilloskops verwendet wurde. Dies hat sich geändert, da Agilent-Abtastoszilloskope nun ein softwarebasiertes Takterfassungssystem bieten, das sich ideal für eine präzise Takterfassung eignet. Echtzeit-Oszilloskope verwenden fast immer die Software-Takterfassung, bieten aber auch die Option der expliziten Takterfassung. Der Vorteil der Software-Takterfassung liegt, wie bereits erwähnt, darin, dass sie nicht anfällig für Hardwarefehler ist und die Flanken unabhängig von der Datenrate korrekt positioniert.
Neben den Unterschieden zwischen Hardware- und Software-Takterfassung muss auch der verwendete Takterfassungsalgorithmus berücksichtigt werden. Abtastoszilloskope verwenden typischerweise eine Jitter-Übertragungsfunktion (JTF), während Echtzeitoszilloskope eine optische Jitter-Übertragungsfunktion (OJTF) nutzen. Die OJTF dämpft niederfrequenten Jitter stärker als eine JTF. Daher sind die Jitter-Messwerte bei Echtzeitoszilloskopen deutlich niedriger als bei Abtastoszilloskopen. Diese Messwerte lassen sich einfach wiederherstellen, indem beide Oszilloskope auf dieselbe Übertragungsfunktion umgestellt werden. Dank der jüngsten Fortschritte in der Abtastoszilloskop-Technologie ist dies nun möglich und vereinfacht den Jitter-Vergleich erheblich.
Wann verwendet man ein Abtastoszilloskop und wann ein Echtzeitoszilloskop?
Abtastoszilloskope boten in der Vergangenheit deutlich mehr Vorteile als Echtzeitoszilloskope hinsichtlich maximaler Bandbreite und inhärentem Jitter. In den letzten zehn Jahren haben Echtzeitoszilloskope diesen Abstand jedoch verringert, sodass Anwender bei Transceiver-Tests heute zwischen einem Echtzeit- und einem Abtastoszilloskop wählen können. Das Abtastoszilloskop weist weiterhin einen geringeren Jitter und einen deutlich höheren Dynamikbereich auf und eignet sich daher ideal für die Charakterisierung in einer kontrollierten Umgebung. Vorausgesetzt, das Signal ist reproduzierbar oder kann visuell in Echtzeit erfasst werden, liefert das Abtastoszilloskop eine getreue Darstellung des Signals.
Die Flexibilität eines Echtzeit-Oszilloskops macht es besonders attraktiv. Für Debugging-Aufgaben, bei denen Triggerung auf schwer auffindbare Ereignisse angewiesen ist, ist ein Echtzeit-Oszilloskop ideal. Anwender können aus einer Vielzahl von Anwendungen für Konformitätsprüfungen, Protokolldekodierung, Triggerung und Analyse wählen. Das Echtzeit-Oszilloskop kann zudem Jitter in Einzelmessungen erfassen und eignet sich daher hervorragend zur Ursachenanalyse von Fehlern. Die meisten Standardisierungsmethoden verwenden Echtzeit-Oszilloskope auch für Sendertests, sodass Anwender unter Umständen ein Echtzeit-Oszilloskop benötigen, um die Konformität ihrer Geräte sicherzustellen.
Zusammenfassend lässt sich sagen
, dass Echtzeit-Oszilloskope für die meisten Anwendungen eine ausgezeichnete Wahl darstellen. Diese Oszilloskope sind in einem breiten Bandbreitenbereich erhältlich, können sowohl Einzelereignisse als auch wiederkehrende Signale erfassen und haben sich bei Hochfrequenzmessungen wie Jitter und der Charakterisierung von Sendern verbessert. Wenn Ihre Anwendung eine wiederkehrende Wellenform mit geringem Jitter und hohem Dynamikbereich erfordert, ist ein Abtastoszilloskop die optimale Wahl. Abtastoszilloskope bieten zudem den Vorteil niedrigerer Anschaffungskosten und modularer Erweiterbarkeit und eignen sich daher gut für Testanwendungen in der elektrischen und optischen Fertigung. Wenn Sie mit Frequenzen über 20 GHz arbeiten und sich nicht sicher sind, welchen Oszilloskoptyp Sie wählen sollen, empfehlen wir Ihnen, sich an einen Oszilloskop-Anbieter zu wenden, der sowohl Abtast- als auch Echtzeit-Oszilloskope anbietet. Dieser Anbieter teilt Ihr Interesse daran, Ihnen das Gerät zu liefern, das Ihren Anforderungen am besten entspricht, im Gegensatz zu einem Anbieter, der nur Echtzeit-Oszilloskope oder eine begrenzte Auswahl an Abtastoszilloskopen anbietet.
Autoren:
Joel Woodward und Brig Asay. Produktabteilung Oszilloskope, Agilent Technologies
