Digitale Echtzeit-Oszilloskope sind in den heutigen Elektroniklaboren allgegenwärtig. Um diese Instrumente optimal nutzen zu können, ist es notwendig, die dabei stattfindende Signalverarbeitung zu verstehen. Häufig sorgt die Verarbeitung digitalisierter Abtastwerte vom Analog-Digital-Wandler (ADC) bis zum Anzeige- und Messsystem für Unklarheiten.
Das folgende Blockdiagramm zeigt den allgemeinen Signalfluss vom Eingang des Oszilloskops bis zur Anzeige. Die analoge Signalaufbereitung im Frontend und die Details des Triggersystems werden in diesem Beitrag nicht behandelt, da wir uns stattdessen auf die digitale Signalverarbeitung vom ADC bis zur Anzeige konzentrieren.
Die Aufgabe des Frontends besteht darin, das analoge Signal zu skalieren oder zu filtern, bevor es an den Eingang des ADC geleitet wird. Der ADC tastet das Eingangssignal mit einem festen Abtastintervall (Ts) ab. Eine der wichtigsten Spezifikationen für jedes digitale Oszilloskop ist die Abtastrate, die ganz einfach gleich 1/Ts ist. Die Abtastraten der leistungsstärksten Tektronix Oszilloskope liegen inzwischen bei über 100 GS/s pro Kanal.
Der zum Speichern eines erfassten Signals erforderliche Speicherplatz hängt von zweiParametern ab: der Abtastrate und der Zeitdauer der Wellenform. Die Zeitdauer der Wellenform wird meist einfach durch die Einstellung der horizontalen Skala am Oszilloskop bestimmt (früher wurde dies als Sweep-Geschwindigkeit bezeichnet). Die horizontale Skala wird in Zeiteinheiten pro Teilung angegeben, wie ms/div oder µs/div und weitere. Da die meisten Oszilloskope zehn horizontale Teilungen haben, ist die Gesamtzeitdauer einfach das Zehnfache der horizontalen Zeitskala. Wenn ein Oszilloskop etwa eine Abtastrate von 5GS/s (200ps Abtastintervall) verwendet und die horizontale Skala 20 µs/div beträgt, dann beträgt der erforderliche Wellenformspeicher 1 Million Punkte.
5 GS/s x 20 µs/div x 10 div = 1 Million Abtastungen.
Bei einer gegebenen Abtastrate ist klar, dass der Speicherbedarf bei längeren Zeiträumen enorm werden kann. Die Lösung für diese Schwierigkeit besteht darin, die Abtastrate der gespeicherten Wellenform zu verringern. Im Allgemeinen wird die verringerte Abtastrate für Aufnahmen von längerer Dauer durch eine Verarbeitung nach dem ADC erreicht, im Gegensatz zu einer direkten Verringerung der ADC-Abtastrate. Zur Reduzierung der Abtastrate, um länger andauernde Wellenformen in den Wellenformspeicher einzupassen, werden üblicherweise verschiedene Methoden verwendet. Diese Methoden werden als Erfassungsmodi bezeichnet.
Die reduzierte Abtastrate impliziert ein „gewünschtes“ Abtastintervall für die Wellenform. Der Modus zur Erfassung von Abtastwerten ist die Standardeinstellung der meisten digitalen Oszilloskope und ist am einfachsten zu verstehen. In diesem Modus wird während jedes gewünschten Abtastintervalls der Wellenform ein Abtastwert im Speicher gespeichert (siehe unten) und die restlichen Abtastwerte werden einfach verworfen. Das Verfahren wird auch als einfache Dezimierung bezeichnet. Es ist schnell und einfach zu implementieren, führt aber zu einem möglichen Verlust „interessanter“ Abtastwerte.
Der Peak-Detect-Erfassungsmodus wird verwendet, um herauszufinden, ob „interessante“ Abtastpunkte im oben genannten Abtastmodus verloren gehen würden. In diesem Modus werden die höchsten und niedrigsten Spitzenwerte von angrenzenden Paaren der Abtastintervalle gespeichert und in den Speicher übernommen. Auf diese Weise werden alle ungewöhnlich hohen oder niedrigen Werte, Störungen und mehr; eindeutig im Wellenformspeicher festgehalten, sodass eine weitere Untersuchung dieser Anomalien möglich ist. In diesem Modus kommt es zu keinem Datenverlust, aber die genaue Wellenform wird durch die Hüllkurve der hohen/niedrigen Werte etwas verdeckt.
Der bei Tektronix-Oszilloskopen verfügbare Erfassungsmodus „Hi Res“ (kurz für „High Resolution“) reduziert die Abtastrate bei laufender Mittelwertbildung der Abtastpunkte vor Ort. Alle Abtastpunkte innerhalb des gewünschten Abtastintervalls der Wellenform werden zu einem einzigen Punkt gemittelt. Dieser Erfassungsmodus neigt zwar dazu, Störungen zu verbergen und verringert die Bandbreite aufgrund des Filtereffekts der Mittelwertbildung, hat aber den Vorteil, dass er Rauschen/Veränderungen in der Wellenform reduziert und die vertikale Auflösung verbessert. Außerdem handelt es sich dabei um einen Anti-Aliasing-Filter. Für jede zweifache Verringerung der Abtastrate wird die vertikale Auflösung um 0,5 Bit verbessert. Praktische Erwägungen begrenzen diese Verbesserung auf eine Auflösung von 12-14 Bits.
Jeder der oben genannten Modi arbeitet mit Einzelerfassungsdaten. Für mehrere aufeinanderfolgende Erfassungen gibt es zwei zusätzliche Erfassungsmodi:
- Average Modus: In diesem Modus wird der Mittelwert aus mehreren abgetasteten Wellenformen gebildet. Die Anzahl der Erfassungen, über die gemittelt werden soll, wird vom Benutzer festgelegt.
- Hüllkurvenmodus: In diesem Modus wird der Spitzenwertmodus verwendet und eine Wellenformhüllkurve erstellt, indem die Minimal-/Maximalwerte in jedem Wellenformintervall mit den Minimal-/Maximalwerten aus aufeinander folgenden Erfassungen aktualisiert werden.
Nachdem die Wellenform im Wellenformspeicher gespeichert wurde, entweder mit voller Abtastrate oder mit einer reduzierten Abtastrate gemäß einer der oben genannten Methoden, besteht der nächste Schritt darin, die Wellenform auf dem Display anzuzeigen. Moderne digitale Oszilloskope verwenden in der Regel eine Anzeige, die lediglich aus einem flachen LCD-Display besteht. Meistens verfügen diese Displays über etwa 1000 Pixel in der Horizontalen, um die Wellenform darzustellen. Die nächste wichtige Frage lautet also: Wie wird die vollständige Wellenformaufzeichnung im Speicher, die Millionen von Punkten umfassen kann, auf einem Bildschirm angezeigt, der nur 1000 Punkte darstellen kann?
Die Anzeigeverarbeitung der Wellenformdaten ist für die genaue Darstellung der im Speicher befindlichen Wellenform unter Verwendung der begrenzten Anzahl von Abtastpunkten im Anzeigegitter verantwortlich. Die meisten modernen Oszilloskope tun dies, indem sie die Abtastwerte auf eine bestimmte Weise auf die verfügbaren Anzeigepunkte komprimieren. Leistungsfähigere Oszilloskope nehmen alle Punkte, die in einem „Anzeigepunktintervall“ enthalten sind und stellen sie alle in ihren jeweiligen Pixelspalten dar. Dies führt dazu, dass viele Punkte „übereinander“ gezeichnet werden. Die Abtastdichte oder Überlappung dieser Punkte wird üblicherweise in einer Intensitätsvariation der angezeigten Wellenformfarbe abgebildet, wodurch Anwender die typische Wellenform und das Rauschen/die Unschärfe problemlos gleichzeitig beobachten können.
Wenn der Benutzer die Wellenform „heranzoomt“, werden weniger Punkte überlagert, bis die tatsächlichen Abtastwerte in jeder Pixelspalte angezeigt werden. Ein weiteres „Heranzoomen“ der Wellenform führt dazu, dass die Wellenform-Samples auf weniger Anzeigespalten verteilt werden. In dieser Situation werden die Wellenformpunkte oft durch eine grafische Linie verbunden, die vom Display-Prozessor erzeugt wird. Diese Wellenformlinie verwendet Interpolation, um die Lücken zwischen den Abtastpunkten „zu füllen“. Die am häufigsten verwendete Interpolationsmethode ist die sin(x)/x-Methode.
Es ist wichtig, die Verarbeitung zu verstehen, die bei der Erstellung der Wellenformaufzeichnung sowie bei der Erstellung der angezeigten Wellenform aus den Rohdaten mit voller Abtastrate erfolgt. Die dabei getroffenen Entscheidungen können sich nicht nur auf die Wellenform auswirken (Datenverluste usw.), sondern auch auf die mit der Wellenformaufzeichnung durchgeführten Messungen. Einige Hersteller verwenden beispielsweise dezimierte Daten aus der Wellenformaufzeichnung oder sogar nur die Anzeigepunkte, wenn sie automatische Messungen durchführen. Bei Daten mit langer Aufzeichnungslänge beschleunigt dies die Verarbeitung erheblich, kann aber auch zu ungenauen Ergebnissen aufgrund einer unzureichenden Probendichte für eine bestimmte Messung führen. Bei Messungen mit digitalen Oszilloskopen von Tektronix werden für automatisierte Messungen immer nicht-dezimierte Wellenformdaten verwendet. Dieser Prozess kann bei langen Aufzeichnungslängen langsamer sein, gewährleistet aber genaue Ergebnisse, die sich nicht mit der angezeigten Zoomstufe ändern.
Die Darstellung von Wellenformen auf einem Digital-Oszilloskop umfasst natürlich noch viel mehr, darunter Faktoren und Themen wie die Anzeigepersistenz, Wellenformen pro Sekunde und Interpolationsdetails. Wir hoffen jedoch, dass dieser kurze Beitrag Ihnen ein grundlegendes Verständnis dafür vermittelt hat, wie Ihre Signale auf dem Bildschirm Ihres digitalen Oszilloskops verarbeitet werden.