Oszilloskop-Arten

Digitalspeicher-Oszilloskope (DSO)

Ein herkömmliches digitales Oszilloskop wird auch als Digital-Speicher-Oszilloskop (DSO) bezeichnet. Die Anzeige basiert in der Regel auf einem Rasterbildschirm anstelle des leuchtenden Phosphors, der in älteren analogen Oszilloskopen zu finden ist.

DSOs ermöglichen die Erfassung und Anzeige von Ereignissen, die möglicherweise nur einmal auftreten, so genannte Transienten. Da die Wellenforminformationen in digitaler Form als eine Reihe gespeicherter Binärwerte vorliegen, können sie im Oszilloskop selbst oder mit einem externen Computer analysiert, archiviert, gedruckt und anderweitig verarbeitet werden.

Die Kurvenform muss nicht kontinuierlich sein; sie kann auch dann angezeigt werden, wenn das Signal verschwindet. Im Gegensatz zu analogen Oszilloskopen bieten DSOs eine permanente Signalspeicherung und eine umfangreiche Wellenformverarbeitung. Allerdings haben DSOs in der Regel keine Echtzeit-Intensitätsabstufung. Daher können sie unterschiedliche Intensitätsstufen im Live-Signal nicht darstellen.

Einige der Untersysteme in DSOs ähneln denen in analogen Oszilloskopen. DSOs enthalten jedoch zusätzliche datenverarbeitende Untersysteme, die zur Erfassung und Anzeige von Daten für die gesamte Wellenform verwendet werden. Ein DSO verwendet zum Erfassen und Anzeigen eines Signals auf dem Bildschirm eine serielle Verarbeitungsarchitektur, wie in Abbildung 12 dargestellt.

Abbildung 12: Die Serienverarbeitungsarchitektur eines Digital-Speicher-Oszilloskops (DSO).

Serielle Verarbeitungsarchitektur

Wie bei einem analogen Oszilloskop ist die erste (Eingangs-)Stufe eines DSO ein vertikaler Verstärker. Mit vertikalen Reglern können Sie in dieser Stufe die Amplitude und den Positionsbereich einstellen. Als Nächstes tastet der Analog-Digital-Wandler (ADC) im horizontalen System das Signal zu diskreten Zeitpunkten ab und wandelt die Spannung des Signals an diesen Punkten in digitale Werte um, die als Abtastpunkte bezeichnet werden. Dieser Vorgang wird als Digitalisieren eines Signals bezeichnet.

Der Abtasttakt des horizontalen Systems bestimmt, wie oft der ADC eine Abtastung vornimmt. Diese Rate wird als Abtastrate bezeichnet und in Samples pro Sekunde (S/s) ausgedrückt.

Die vom ADC abgetasteten Punkte werden im Erfassungsspeicher als Wellenformpunkte gespeichert. Mehrere Abtastpunkte können einen Wellenformpunkt bilden. Zusammen bilden die Wellenformpunkte eine Kurvenformaufzeichnung. Die Anzahl der Wellenformpunkte, die zur Erstellung einer Wellenformaufzeichnung verwendet werden, wird als Aufzeichnungslänge bezeichnet. Das Triggersystem bestimmt den Start- und Stopppunkt der Aufzeichnung.

Der Signalweg des DSO umfasst einen Mikroprozessor, durch den das gemessene Signal auf seinem Weg zur Anzeige geleitet wird. Dieser Mikroprozessor verarbeitet das Signal, koordiniert die Anzeigeaktivitäten, verwaltet die Bedienelemente auf der Benutzeroberfläche und vieles mehr. Anschließend durchläuft das Signal den Anzeigespeicher und wird auf dem Bildschirm des Oszilloskops angezeigt.

Je nach den Fähigkeiten eines Oszilloskops kann eine zusätzliche Verarbeitung der Abtastpunkte stattfinden, was die Anzeige verbessern kann. Möglicherweise ist auch ein Pre-Trigger verfügbar, so dass Sie Ereignisse vor dem Triggerpunkt sehen können. Die meisten Digital-Oszilloskope bieten auch eine Auswahl an automatischen parametrischen Messungen, die den Messprozess vereinfachen.

DSOs bieten eine hohe Leistung in einem Einzelschuss- und Mehrkanalinstrument (Abbildung 13). Sie eignen sich ideal für Anwendungen mit niedriger Wiederholrate oder Single-Shot-, Hochgeschwindigkeit- und Mehrkanal-Design. In der Praxis des digitalen Designs prüft ein Ingenieur üblicherweise vier oder mehr Signale gleichzeitig, weshalb das DSO ein wichtiger Begleiter ist.

Abbildung 13: Das Digital-Speicher-Oszilloskop bietet eine Hochgeschwindigkeits-, Single-Shot-Erfassung über mehrere Kanäle, wodurch sich die Wahrscheinlichkeit erhöht, schwer fassbare Störungen und transiente Ereignisse zu erfassen

Digital-Phosphor-Oszilloskope (DPO)

Das digitale Phosphor-Oszilloskop (DPO) bietet einen neuen Ansatz für die Oszilloskop-Architektur. Dank dieser Architektur bietet es einzigartige Erfassungs- und Anzeigefunktionen zur genauen Rekonstruktion eines Signals. Während ein DSO eine serielle Verarbeitungsarchitektur zur Erfassung, Anzeige und Analyse von Signalen verwendet, nutzt ein DPO eine parallele Verarbeitungsarchitektur zur Durchführung dieser Funktionen (Abbildung 14).

Abbildung 14: Die parallel verarbeitende Architektur eines Digital-Phosphor-Oszilloskops (DPO).

Die DPO-Architektur verwendet eine spezielle ASIC-Hardware zur Erfassung von Wellenformbildern, die eine hohe Erfassungsrate ermöglicht, was zu einem höheren Grad an Signalvisualisierung führt. Diese Leistung erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass transiente Ereignisse, die in digitalen Systemen auftreten, wie z. B. Runt-Pulse, Glitches und Übergangsfehler, beobachtet werden können, wodurch zusätzliche Analysefunktionen ermöglicht werden.

Parallel-verarbeitende Architektur

Die erste (Eingangs-)Stufe eines DPO ähnelt der eines analogen Oszilloskops – ein vertikaler Verstärker – und seine zweite Stufe ähnelt der eines DSO - ein ADC. Das DPO unterscheidet sich jedoch erheblich von seinen Vorgängern durch die Umwandlung von analog zu digital.

Bei jedem Oszilloskop – ob Analog-, DSO- oder DPO-Oszilloskop – gibt es immer eine Haltezeit, in der das Gerät die zuletzt erfassten Daten verarbeitet, das System zurücksetzt und auf das nächste Triggerereignis wartet. Während dieser Zeit ist das Oszilloskop für alle Signalaktivitäten blind. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein seltenes Ereignis oder ein Ereignis mit geringer Wiederholrate auftritt, nimmt mit zunehmender Haltezeit ab.

Es ist unmöglich, die Erfassungswahrscheinlichkeit zu bestimmen, indem man einfach die Aktualisierungsrate der Anzeige betrachtet. Wenn Sie sich ausschließlich auf die Aktualisierungsrate verlassen, können Sie leicht den Fehler machen, zu glauben, dass das Oszilloskop alle relevanten Informationen über die Wellenform erfasst, obwohl dies nicht der Fall ist.

Das DSO verarbeitet die erfassten Wellenformen seriell. Bei diesem Vorgang stellt die Geschwindigkeit des Mikroprozessors den leistungskritischen Faktor dar, da durch sie die Signalerfassungsrate begrenzt wird. Das DPO rastert die digitalisierten Wellenformdaten in eine digitale Phosphordatenbank. Alle 1/30 Sekunden - etwa so schnell, wie das menschliche Auge sie wahrnehmen kann - wird ein Schnappschuss des in der Datenbank gespeicherten Signalbildes direkt an die Anzeige weitergeleitet. Durch diese direkte Rasterung der Wellenformdaten und das direkte Kopieren von der Datenbank in den Anzeigespeicher wird der Engpass bei der Datenverarbeitung, der bei anderen Architekturen auftritt, beseitigt. Das Ergebnis ist eine verbesserte „Echtzeit“- und lebendige Anzeigeaktualisierung. Signaldetails, intermittierende Ereignisse und dynamische Eigenschaften des Signals werden in Echtzeit erfasst. Der Mikroprozessor des DPO arbeitet parallel zu diesem integrierten Erfassungssystem für die Anzeigeverwaltung, Messautomatisierung und Gerätesteuerung, so dass er die Erfassungsgeschwindigkeit des Oszilloskops nicht beeinträchtigt.

Ein DPO emuliert die besten Anzeigeeigenschaften eines analogen Oszilloskops und zeigt das Signal in drei Dimensionen an: Zeit, Amplitude und die Verteilung der Amplitude über die Zeit. Alles in Echtzeit.

Im Gegensatz zu einem analogen Oszilloskop, das auf einen chemischen Leuchtstoff angewiesen ist, verwendet ein DPO einen rein elektronischen digitalen Leuchtstoff, der eigentlich eine ständig aktualisierte Datenbank ist. Diese Datenbank enthält für jedes einzelne Pixel auf dem Oszilloskop-Display eine eigene „Zelle“ mit Informationen. Jedes Mal, wenn eine Wellenform erfasst wird – mit anderen Worten, jedes Mal, wenn das Oszilloskop einen Trigger auslöst – wird sie in die Zellen der digitalen Phosphordatenbank eingeordnet. Jede Zelle, die eine Bildschirmposition repräsentiert und von der Wellenform berührt wird, wird mit Intensitätsinformationen verstärkt, während andere Zellen nicht verstärkt werden. Die Intensitätsinformationen sammeln sich also in den Zellen, die die Wellenform am häufigsten passiert.

Wenn die digitale Phosphordatenbank in die Anzeige des Oszilloskops eingespeist wird, zeigt die Anzeige verstärkte Wellenformbereiche im Verhältnis zur Häufigkeit des Auftretens des Signals an jedem Punkt, ähnlich wie die Intensitätsabstufungsmerkmale eines analogen Oszilloskops. Im Gegensatz zu einem analogen Oszilloskop ermöglicht das DPO auch die Anzeige der unterschiedlichen Häufigkeitsinformationen auf dem Display als kontrastierende Farben. Mit einem DPO ist es einfach, den Unterschied zwischen einer Wellenform, die bei fast jedem Trigger auftritt und einer, die beispielsweise bei jedem hundertsten Trigger auftritt, zu erkennen.

Ein DPO überwindet die Grenze zwischen analoger und digitaler Oszilloskoptechnologie. Es eignet sich gleichermaßen für die Anzeige von hohen und niedrigen Frequenzen, sich wiederholenden Wellenformen, Transienten und Signalschwankungen in Echtzeit. Nur ein DPO bietet die Z-Achse (Intensität) in Echtzeit, die bei herkömmlichen DSOs fehlt.

Ein DPO ist ideal für diejenigen, die das beste Allzweck-Design- und Fehlersuchwerkzeug für eine Vielzahl von Anwendungen benötigen (Abbildung 15). Ein DPO ist beispielhaft für fortgeschrittene Analysen, Kommunikationsmaskentests, digitale Fehlersuche bei intermittierenden Signalen, sich wiederholende digitale Designs und Timing-Anwendungen.

Abbildung 15: Einige DPOs können Millionen von Wellenformen in nur wenigen Sekunden erfassen, was die Wahrscheinlichkeit, intermittierende und schwer fassbare Ereignisse zu erfassen und das dynamische Signalverhalten aufzudecken, erheblich erhöht.

Mixed-Domain-Oszilloskop (MDO)

Ein Mixed-Domain-Oszilloskop (MDO) kombiniert einen HF-Spektrumanalysator mit einem MSO oder DPO, um korrelierte Ansichten von Signalen aus der digitalen, analogen und HF-Domäne zu ermöglichen. Mit dem MDO können Sie beispielsweise zeitkorrelierte Anzeigen von Protokoll-, Zustandslogik-, Analog- und HF-Signalen innerhalb eines Embedded-Designs anzeigen. Dadurch wird sowohl die Zeit bis zur Erkenntnis als auch die Messunsicherheit zwischen bereichsübergreifenden Ereignissen drastisch reduziert.

Das Verständnis der Zeitverzögerung zwischen einem Mikroprozessor-Befehl und einem HF-Ereignis innerhalb eines eingebetteten HF-Designs vereinfacht Test-Setups und bringt komplexe Messungen auf den Prüfstand. Bei eingebetteten Funkgeräten, wie dem in Abbildung 16 gezeigten Zigbee-Design, können Sie beim Einschalten des HF-Ereignisses einen Trigger auslösen und die Befehlszeilenlatenz der vom Mikroprozessor-Controller dekodierten SPI-Steuerleitungen, den Drain-Strom und die Spannung während des Einschaltens sowie alle daraus resultierenden Spektralereignisse anzeigen. In einer einzigen Anzeige haben Sie nun eine zeitkorrelierte Ansicht aller Bereiche des Funkgeräts: Protokoll (digital), analog und HF.

Abbildung 16: Zeitkorrelierte Darstellung der Mikroprozessor SPI (MOSI) und (MISO) Steuerleitungen eines Zigbee-Funkgeräts mit Messungen des Drain-Stroms und der Spannung zum Funk-IC und des Spektrums beim Einschalten.

Mixed-Signal-Oszilloskop (MSO)

Das Mixed-Signal-Oszilloskop (MSO) kombiniert die Leistung eines DPO mit den grundlegenden Funktionen eines 16-Kanal-Logikanalysators, einschließlich der Dekodierung von parallelen/seriellen Busprotokollen und Triggerung.

Die digitalen Kanäle des MSO betrachten ein digitales Signal entweder als logisch hoch oder logisch niedrig, genau wie eine digitale Schaltung das Signal betrachtet. Das heißt, solange Ringing, Überschwingen und Ground Bounce keine logischen Übergänge verursachen, sind diese analogen Eigenschaften für das MSO nicht von Bedeutung. Genau wie ein Logikanalysator verwendet ein MSO eine Schwellenspannung, um zu bestimmen, ob das Signal logisch hoch oder logisch niedrig ist.

Das MSO ist das bevorzugte Werkzeug für die schnelle Fehlersuche in digitalen Schaltungen, da es über eine leistungsstarke digitale Triggerung, hochauflösende Erfassungsfunktionen und Analysetools verfügt. Die Ursache vieler digitaler Probleme lässt sich schneller finden, wenn sowohl die analoge als auch die digitale Darstellung des Signals analysiert wird (siehe Abbildung 17), wodurch sich ein MSO ideal für die Überprüfung und Fehlersuche in digitalen Schaltungen eignet.

Abbildung 17: Das MSO verfügt über 16 integrierte digitale Kanäle, mit denen sich zeitkorrelierte analoge und digitale Signale anzeigen und analysieren lassen.

Digital-Sampling-Oszilloskope

Im Gegensatz zu den digitalen Speicher- und DPO-Architekturen kehrt die Architektur des digitalen Abtastoszilloskops die Position des Abschwächers/Verstärkers und der Abtastbrücke um (Abbildung 18). Das Eingangssignal wird abgetastet, bevor eine Abschwächung oder Verstärkung erfolgt. Nach der Abtastbrücke kann dann ein Verstärker mit geringer Bandbreite verwendet werden, da das Signal bereits durch das Abtastgatter in eine niedrigere Frequenz umgewandelt wurde, was zu einem Instrument mit wesentlich höherer Bandbreite führt.

Abbildung 18: Architektur eines Digital-Sampling-Oszilloskops

Der Nachteil dieser hohen Bandbreite ist jedoch, dass der Dynamikbereich des Abtastoszilloskops begrenzt ist. Da sich vor dem Sampling-Gate kein Dämpfungsglied/Verstärker befindet, gibt es keine Möglichkeit zur Skalierung des Eingangs. Die Abtastbrücke muss jederzeit den vollen Dynamikbereich des Eingangs verarbeiten können. Daher ist der Dynamikbereich der meisten Sampling-Oszilloskope auf etwa 1 V Spitze-Spitze begrenzt. Digital-Speicher und DPOs hingegen können 50 bis 100 Volt verarbeiten.

Darüber hinaus können keine Schutzdioden vor der Abtastbrücke platziert werden, da dies die Bandbreite einschränkt. Dadurch verringert sich die sichere Eingangsspannung für ein Sampling-Oszilloskop auf etwa 3 V im Vergleich zu 500 V bei anderen Oszilloskopen.

Bei der Messung von Hochfrequenzsignalen ist das DSO oder DPO möglicherweise nicht in der Lage, genügend Abtastwerte in einem Durchlauf zu sammeln. Ein digitales Abtastoszilloskop ist ein ideales Werkzeug für die genaue Erfassung von Signalen, deren Frequenzkomponenten viel höher als die Abtastrate des Oszilloskops sind (Abbildung 19). Dieses Oszilloskop ist in der Lage, Signale bis zu einer Größenordnung schneller zu messen als jedes andere Oszilloskop. Es kann bei sich wiederholenden Signalen eine Bandbreite und ein Hochgeschwindigkeitstiming erreichen, die zehnmal höher sind als bei anderen Oszilloskopen. Sequentielle Oszilloskope mit äquivalenter Zeitabtastung sind mit Bandbreiten bis 80 GHz erhältlich.

Abbildung 19: Anzeige der Zeitbereichsreflektometrie (TDR) mit einem Digital-Sampling-Oszilloskop.