Die vertikale Auflösung eines Oszilloskops bestimmt die Genauigkeit, mit der die Signale bei der Messung dargestellt werden. Diese Eigenschaft ist demzufolge auch dafür verantwortlich, wie präzise die erzielten Messergebnisse sind. Bis vor einigen Jahren wiesen gängige Messinstrumente typischerweise eine vertikale Auflösung von 8 Bit auf. Wenn aber das zu untersuchende Signal einen hohen Dynamikbereich aufweist – das heisst, kleine Spannungskomponenten im Detail zu analysieren sind, während das Signal gleichzeitig Anteile mit hoher Spannung aufweist – reicht eine Auflösung von 8 Bit unter Umständen nicht mehr aus. Für die heutigen Anforderungen an die Genauigkeit von Messungen stellen moderne High-Definition-Oszilloskope eine höhere vertikale Auflösung bereit.
Zwei Wege zu höherer Auflösung
Eine Möglichkeit dafür ist die Verwendung von A/D-Wandlern mit mehr als 8 Bit. Eine andere ist es, digitale Nachverarbeitungsalgorithmen anzuwenden. Diesen zweiten Ansatz verfolgt Rohde & Schwarz bei seinen Oszilloskopen RTO und RTE mit der Option High Definition. Diese erhöht die Auflösung auf bis zu 16 Bit, was gegenüber den 8 Bit im Standard-Modus einem 256-fachen Gewinn entspricht. Erreicht wird dies durch ein digitales Tiefpassfilter, das im ASIC der Oszilloskope direkt nach dem A/D-Wandler implementiert ist.
Die Filterung reduziert die Rauschleistung, das Signal/Rauschverhältnis steigt und damit auch die vertikale Auflösung. Der Anwender kann die Bandbreite des Tiefpassfilters flexibel von 10 kHz bis 1 GHz an die Charakteristik des angelegten Signals und somit an die Anwendung anpassen. Die zugehörige Filterbandbreite bestimmt die nominelle Auflösung. Je niedriger die Filterbandbreite im Vergleich zur Bandbreite des Gerätes ist, desto höher ist der Auflösungs- und Rauschgewinn.
Mehr Signaldetails und präzisere Messergebnisse
Eine erhöhte Auflösung führt dazu, dass Messkurven schärfer dargestellt werden und Signaldetails hervortreten, die sonst vom Rauschen verdeckt wären und somit unentdeckt blieben. Um diese kleinen Signale genau analysieren zu können, bieten die RTO- und RTE-Oszilloskope eine ebenfalls erhöhte Eingangsempfindlichkeit von 500 μV/div.
Die erhöhte Auflösung von High-Definition-Oszilloskopen macht kleinste Details im Signal sichtbar. Ob es gelingt, auf diese Details auch zu triggern, um eine stabile Darstellung auf dem Bildschirm zu erreichen, hängt stark von den Fähigkeiten des Triggersystems ab. Das digitale Triggersystem von Rohde & Schwarz hat die notwendige Empfindlichkeit, um von dem hochaufgelösten Signal zu profitieren. Jeder einzelne der mit bis zu 16 Bit aufgelösten Abtastwerte wird hinsichtlich der Triggerbedingung überprüft und kann einen Trigger auslösen.
High-Definition-Modus versus HiRes-Dezimation
Gegenüber der Dezimationsart HiRes oder High Resolution bietet High Definition entscheidende Vorteile: Erstens weiss der Anwender aufgrund der expliziten Tiefpassfilterung immer genau, welche Signalbandbreite verfügbar ist, zweitens entstehen keine unerwarteten Aliasing-Effekte. Der High-Definition-Modus beruht ausserdem nicht auf Dezimation. Das heisst, auch wenn er eingeschaltet ist, bleibt in den RTO-Oszilloskopen eine Abtastrate von 5 Gs/s, in den RTE-Oszilloskopen 2,5 Gs/s voll nutzbar. Das gewährleistet eine bestmögliche zeitliche Auflösung und Detailtreue. Darüber hinaus kann im High-Definition-Modus auf die Signale mit der erhöhten Auflösung getriggert werden, während die Dezimation bei HiRes erst nach dem Triggern erfolgt.
Hohe Erfassungsrate für schnelle Messergebnisse
Durch Einschalten des High-Definition-Modus entstehen in den Geräten keine Kompromisse hinsichtlich Messgeschwindigkeit und Messmöglichkeiten: Die Tiefpassfilterung, aus der sich der Auflösungsgewinn und die Rauschunterdrückung ergeben, erfolgt in Echtzeit im ASIC der Oszilloskope. Dadurch bleibt die Erfassungs- und Verarbeitungsrate hoch, das Oszilloskop ist weiterhin flüssig bedienbar und Messergebnisse liegen schnell vor. Dem Anwender steht dabei die komplette Auswahl an Analysewerkzeugen zur Verfügung, wie automatische Messungen, FFT-Analyse und History-Modus.
Anwendungsbeispiel: Messen eines DC/DC-Wandlers
Schaltnetzteile sind ein integraler Bestandteil moderner elektronischer Geräte. Sie übertragen elektrische Leistung von einer Quelle zu einer Last und wandeln dabei die Strom- und Spannungscharakteristik geeignet um, sodass die richtige Spannungsversorgung der Bauteile gewährleistet ist. Ein mögliches Kriterium, Schaltnetzteile zu klassifizieren, ist die Art der Eingangs- bzw. Ausgangsspannung. Als Schalter kommen dabei wegen ihrer Schaltgeschwindigkeit typischerweise MOSFETs zum Einsatz, wobei die Effizienz des Transistors natürlich von entscheidender Bedeutung ist. Die Verlustleistungen müssen möglichst gering sein. Ein wichtiger Parameter in diesem Zusammenhang ist der RDS(on). Im eingeschalteten Zustand verhält sich der Transistor zwischen Drain und Source wie ein Widerstand. Der Wert dieses Widerstands bestimmt die Leitungsverluste des Wandlers und ist abhängig vom jeweiligen Arbeitspunkt zu bestimmen.
Geringe Spannungen bei hoher Dynamik erkennen
Der RDS(on) eines DC/DC-Wandlers wird rechnerisch aus dem Drain-Strom und der Drain-Source-Spannung ermittelt. Es gilt daher beides genau zu messen. Speziell die Messung der Drain-Source-Spannung stellt das Oszilloskop vor eine herausfordernde Aufgabe: Im eingeschalteten Zustand des Transistors sind die Spannungswerte sehr klein im Bereich von wenigen hundert mV. Gleichzeitig aber liegen im ausgeschalteten Zustand sehr hohe Spannungen an. Die Spannungsdifferenz zwischen ein- und ausgeschaltetem Transistor kann im Extremfall mehrere Hundert Volt betragen. Deshalb ist für eine genaue Messung der kleinen Spannungen eine hohe Auflösung von mehr als 8 Bit notwendig.
Weil bei konventionellen Auflösungen der Rauschanteil im Signal zu hoch ist, ist eine sinnvolle Messung der Drain-Source-Spannung nicht möglich. Bei eingeschaltetem High-Definition-Modus und einer vertikalen Auflösung von 16 Bit hingegen, ist das Rauschen deutlich geringer, die Messkurven sind schärfer und zeigen mehr Details. Das stellt präzise Messergebnisse sicher und ermöglicht infolgedessen eine Berechnung des RDS(on) des Wandlers.
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