Praktikum Elektrotechnik
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Oszilloskop 20 verschoben und die neue gemessene Spannung am rechten Rand ergänzt. Diese Darstellung nutzt man, um längere Signalabschnitte kontinuierlich darzustellen. Arten Digitales Oszilloskop Heute werden vermehrt digitale Oszilloskope (DSO, englisch: Digital Sampling Oscilloscope) verwendet. Sie führen eine Analog-Digital-Wandlung durch und sind prinzipiell Speicheroszilloskope. Sie können Daten auch nach der Messung zur Verfügung stellen, auf einem Speichermedium ablegen oder auf einen PC übertragen. Es gibt verschiedene Ausstattungsstufen sowie Mischformen zwischen Analog- und Digitaloszilloskopen. Die oben genannten Eigenschaften analoger Oszilloskope gelten ebenso für die Digitaloszilloskope. Zusätzliche Funktionen sind: • Pre-Triggerung: Damit kann man auf ein bestimmtes Ereignis warten, zum Beispiel eine Spannungsspitze, und sich dank der Speicherung den Signalverlauf vor dem Ereignis betrachten • Mittelwertbildung, d. h. Mittelung über viele Anzeigeperioden, dadurch Störunterdrückung bei periodischen Signalen • Analysesoftware für beispielsweise Anstiegszeit, Impulsbreite, Amplitude, Frequenz usw. • automatische Einstellung auf ein unbekanntes Signal • mathematische Funktionen, z. B. Summen- oder Differenzbildung zwischen Kanälen • Frequenzspektren / FFT, Histogramme und Statistiken Die Eingangsspannung wird mit einem Analog-Digital-Umsetzer (ADU) mit einer Auflösung von 8, 10 oder 12 Bit digitalisiert. Damit auch hochfrequente Signale gewandelt werden können, werden parallele ADU, auch als Flash-ADC bezeichnet, eingesetzt. Neben der Auflösung in Y-Richtung (Spannung) ist auch die zeitliche Auflösung eine wichtige Kenngröße: Sie wird zum einen durch die analoge Bandbreite des DSOs bestimmt, aber auch durch die Abtastrate, mit der das Signal abgetastet wird. Die Abtastrate wird zumeist in „Megasamples“ (MS/s) oder „Gigasamples“ (GS/s) angegeben, also Anzahl der Abtastungen pro Sekunde. Anfang 2009 liegen selbst im Mit einem digitalen Oszilloskop aufgenommenes Oszillogramm Modernes digitales Speicheroszilloskop Kompaktes DSO unteren Preissegment der DSO die Abtastraten im Bereich von einigen GS/s. Typische Werte bei einer maximalen Bandbreite von 100 MHz sind 1 GS/s. Ein weiterer Parameter ist die Speichertiefe, d. h. die Zahl der gespeicherten Messwerte. Auch diese teilt sich auf die Zahl der benutzten Kanäle auf. Da Digitaloszilloskope eine Anwendung der zeitdiskreten Signalverarbeitung darstellen, spielen die Abtastung und das Nyquist-Shannon Abtasttheorem eine zentrale Rolle.
Oszilloskop 21 DSOs werden oft auf FPGAs-Basis (Programmierbares Gatterfeld)] realisiert, da die geringen Stückzahlen und die zu verarbeitende und speichernde Datenflut nicht immer mit einem DSP erreicht werden kann. Über ca. einer Abtastrate von 100 MS/s verwenden DSOs oft mehrere AD-Umsetzer pro Kanal parallel (interleaved mode), welche phasenverschoben das Signal abtasten [1] . Dabei gilt bei sehr hohen Frequenzen der geringe Takt-Jitter als das stärkste Qualitätskritärium [2] . Digitale Spitzen-Erkennung (Störimpuls-Erkennung) Anschlüsse eines DSO, hier für RS232, Drucker und GPIB Manche digitalen Speicheroszilloskope verfügen über eine digitale Spitzen-Erkennung (englisch: Glitch Capture; neudeutsch auch Peak-Erkennung). Damit wird sichergestellt, dass Spannungsspitzen (englisch: Glitches) auch bei langsameren Zeitbasis-Einstellungen erfasst und angezeigt werden. Der angezeigte Signalverlauf erscheint dann dicker, da Minimum- und Maximumwerte gleichzeitig angezeigt werden. Ist diese nicht vorhanden, kann es durch Aliasing zu Messfehlern kommen. Unterabtastung (Äquivalenzzeitabtastung) Periodische Signale mit sehr hoher Frequenz können mit Hilfe von Unterabtastung (undersampling) dargestellt werden. Voraussetzung ist eine sehr schnelle Abtast-Halte-Schaltung, die noch Bruchteile des Eingangssignals erfassen kann. Beträgt die Periode eines Signals z. B. 1 ns, dann wird im Abstand von 10,05 ns eine Probe entnommen. Der Analog-Digital-Wandler hat nun ungefähr 10 ns Zeit für die Umsetzung, obwohl das eigentliche Signal viel schneller ist. Nachdem 20 Proben gemessen wurden, ist das Signal einmal abgetastet. (20 · Abtastung eines Signals in mehreren Zyklen 0,05 ns = 1 ns) Inzwischen sind aber 20 · 10,05 ns vergangen; dies entspricht 201 Perioden des Eingangssignals. In diesem Fall dürfen allerdings keine niederfrequenten Signalanteile vorhanden sein, da diese nicht von der zu messenden Frequenz zu unterscheiden wären. Unterschiede gegenüber dem analogen Oszilloskop • Die Anzeige kann größer und farbig sein, dadurch lassen sich die einzelnen Kanäle leichter unterscheiden. • Unterabtastung und Mittelung über aufeinanderfolgende Abtastungen oder Perioden ergibt eine bessere Auflösung bis in den µV-Bereich sowie Störunterdrückung. • Spitzenerkennung • Pretrigger - Es kann damit der Signalverlauf vor dem Triggerzeitpunkt betrachtet werden • Komplexe Trigger-Funktionen wie beispielsweise Pulsweitentrigger oder im Rahmen von seriellen Schnittstellen die Triggerung auf eine Abfolge von seriellen Bitmustern • Autoset und Autorange um eine automatische in für viele Fälle optimale Einstellung in Abhängigkeit der Eingangssignale zu erhalten. • Scrollen und Vergrößern über mehrere gespeicherte Graphen • Aufzeichnen langsamer Vorgänge, z. B. ein Temperaturverlauf über einen Tag. • Der Speicher des Oszilloskop kann anstatt einer eindimensionalen Liste auch ein mehrdimensionales Array der vorangegangenen Abtastintervalle enthalten, um einen Phosphor-Schirm zu simulieren. Die vorangegangenen Perioden werden farblich unterschiedlich dargestellt und damit unterscheidbar (z. B. farbige Augendiagramme).
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Oszilloskop 20<br />
verschoben und die neue gemessene Spannung am rechten Rand ergänzt. Diese Darstellung nutzt man, um längere<br />
Signalabschnitte kontinuierlich darzustellen.<br />
Arten<br />
Digitales Oszilloskop<br />
Heute werden vermehrt digitale Oszilloskope (DSO, englisch: Digital<br />
Sampling Oscilloscope) verwendet. Sie führen eine<br />
Analog-Digital-Wandlung durch und sind prinzipiell<br />
Speicheroszilloskope. Sie können Daten auch nach der Messung zur<br />
Verfügung stellen, auf einem Speichermedium ablegen oder auf einen<br />
PC übertragen.<br />
Es gibt verschiedene Ausstattungsstufen sowie Mischformen zwischen<br />
Analog- und Digitaloszilloskopen. Die oben genannten Eigenschaften<br />
analoger Oszilloskope gelten ebenso für die Digitaloszilloskope.<br />
Zusätzliche Funktionen sind:<br />
• Pre-Triggerung: Damit kann man auf ein bestimmtes Ereignis<br />
warten, zum Beispiel eine Spannungsspitze, und sich dank der<br />
Speicherung den Signalverlauf vor dem Ereignis betrachten<br />
• Mittelwertbildung, d. h. Mittelung über viele Anzeigeperioden,<br />
dadurch Störunterdrückung bei periodischen Signalen<br />
• Analysesoftware für beispielsweise Anstiegszeit, Impulsbreite,<br />
Amplitude, Frequenz usw.<br />
• automatische Einstellung auf ein unbekanntes Signal<br />
• mathematische Funktionen, z. B. Summen- oder Differenzbildung<br />
zwischen Kanälen<br />
• Frequenzspektren / FFT, Histogramme und Statistiken<br />
Die Eingangsspannung wird mit einem Analog-Digital-Umsetzer<br />
(ADU) mit einer Auflösung von 8, 10 oder 12 Bit digitalisiert. Damit<br />
auch hochfrequente Signale gewandelt werden können, werden<br />
parallele ADU, auch als Flash-ADC bezeichnet, eingesetzt. Neben der<br />
Auflösung in Y-Richtung (Spannung) ist auch die zeitliche Auflösung<br />
eine wichtige Kenngröße: Sie wird zum einen durch die analoge<br />
Bandbreite des DSOs bestimmt, aber auch durch die Abtastrate, mit<br />
der das Signal abgetastet wird. Die Abtastrate wird zumeist in<br />
„Megasamples“ (MS/s) oder „Gigasamples“ (GS/s) angegeben, also<br />
Anzahl der Abtastungen pro Sekunde. Anfang 2009 liegen selbst im<br />
Mit einem digitalen Oszilloskop aufgenommenes<br />
Oszillogramm<br />
Modernes digitales Speicheroszilloskop<br />
Kompaktes DSO<br />
unteren Preissegment der DSO die Abtastraten im Bereich von einigen GS/s. Typische Werte bei einer maximalen<br />
Bandbreite von 100 MHz sind 1 GS/s.<br />
Ein weiterer Parameter ist die Speichertiefe, d. h. die Zahl der gespeicherten Messwerte. Auch diese teilt sich auf die<br />
Zahl der benutzten Kanäle auf. Da Digitaloszilloskope eine Anwendung der zeitdiskreten Signalverarbeitung<br />
darstellen, spielen die Abtastung und das Nyquist-Shannon Abtasttheorem eine zentrale Rolle.
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