10 wichtige Überlegungen bei der Auswahl eines Digitizers/Oszilloskops

Überblick

Moderne digitale Speicheroszilloskope unterscheiden sich grundlegend vom Kathodenstrahloszilloskop, das der bekannte Physiker Karl Ferdinand Braun im Jahr 1897 erfand Technologische Fortschritte ermöglichen immer neue Funktionen, welche Oszilloskope für Ingenieure noch besser nutzbar machen. Eine der wichtigsten Entwicklungen in der Geschichte des Oszilloskops war jedoch die Digitalisierung, wodurch jetzt auch leistungsstarke Funktionen wie die Verarbeitung digitaler Signale und die Signalanalyse möglich sind. Digitale Oszilloskope enthalten heute einen Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) mit hoher Geschwindigkeit und niedriger Auflösung (meist 8 bit), definierte Bedien- und Anzeigeelemente sowie einen integrierten Prozessor zur Ausführung von Softwarealgorithmen für gängige Messungen.

Seitdem Oszilloskope PC-gestützt arbeiten, können Anwender die Funktionalität ihres Messgeräts über die Software definieren. Deshalb können Oszilloskope nicht nur für allgemeine Messungen, sondern auch für anwenderdefinierte Messungen und sogar u. a. als Spektrumanalysatoren, Frequenzzähler oder Ultraschallempfänger verwendet werden. Aufgrund ihrer offenen Architektur und flexiblen Software bieten Oszilloskope eine Reihe von Vorteilen gegenüber traditionellen Stand-alone-Oszilloskopen. Damit das passende Gerät für eine Anwendung gewählt wird, sollten einige Aspekte bedacht werden.

Dieses Whitepaper behandelt die zehn wichtigsten Punkte, die man bei der Auswahl eines neuen Digitizers/Oszilloskops beachten sollte.

Inhalt

Bandbreite

Die Bandbreite beschreibt den Frequenzbereich eines Eingangssignals, das den Analogeingang mit minimaler Amplitudenabschwächung durchlaufen kann – von der Sondenspitze bzw. dem Testkopf der Prüfvorrichtung bis zum Eingang des A/D-Wandlers. Die Bandbreite ist definiert als die Frequenz, bei welcher ein sinusförmiges Eingangsignal auf 70,7 % seiner Originalgröße abgeschwächt wird (auch als -3-dB-Grenze-bezeichnet).

Im Allgemeinen sollten Digitizer eine Bandbreite haben, die mindestens doppelt so groß ist wie die höchste Frequenzkomponente des Signalverlaufs.

Oszilloskope und Digitizer werden häufig für die Messung der Anstiegszeiten von Signalen, wie etwa Digitalimpulsen oder anderen Signalen mit scharfen Kanten, verwendet. Solche Signale bestehen aus hochfrequenten Anteilen. Um die genaue Form eines Signals zu bestimmen, benötigt man einen Digitizer mit hoher Bandbreite. Eine 10-MHz-Rechteckkurve beispielsweise besteht aus einer 10-MHz-Sinuskurve und einer unendlichen Zahl ihrer Oberwellen. Um die genaue Form dieses Signals zu erfassen, muss die Bandbreite eines Digitizers groß genug sein, um mehrere dieser Oberwellen zu erfassen. Sonst wird das Signal verzerrt und die Messung ist falsch.

 

Erfassung eines 5-MHz-Rechtecksignals mit dem aktivierten 20-MHz-Rauschfilter des Digitizers NI PXI-5152

 

Erfassung eines 5-MHz-Rechtecksignals mit dem aktivierten 300-MHz-Rauschfilter des Digitizers NI PXI-5152

Abb. 1: Ein Digitizer muss für das Erfassen eines Signalverlaufs mit hochfrequenten Anteilen eine hohe Bandbreite haben.

 


Mit folgender Formel lässt sich die Bandbreite eines Signals auf Grundlage der Anstiegszeit (definiert als der Zeitraum des Anstiegs der Signalamplitude von 10 % auf 90 %) grob abschätzen.

 

Anstiegszeit = 0,35 : Bandbreite

Abb. 2: Die Anstiegszeit definiert, wie lange ein Signal braucht, um von 10 % auf 90 % seines vollen Wertes anzusteigen. Anstiegszeit und Bandbreite stehen in einem direkten Zusammenhang. Mit obiger Gleichung kann aus der Anstiegszeit die Bandbreite, oder umgekehrt, berechnet werden.

 


Im Idealfall kommt ein Digitizer zum Einsatz, dessen Bandbreite drei- bis fünfmal so hoch ist wie die des Signals. Die Bandbreite kann mit obiger Gleichung berechnet werden. Andersherum gesehen sollte die Anstiegszeit des Digitizers 1/5 bis 1/3 der Anstiegszeit des Signals betragen, damit dieses so genau wie möglich erfasst werden kann. Mit der folgenden Formel kann man die tatsächliche Bandbreite des Signals auch im Nachhinein noch berechnen.



= gemessene Anstiegszeit, = tatsächliche Signalanstiegszeit, = Anstiegszeit des Digitizers

 

Nach oben

Abtastrate

Im vorherigen Abschnitt wurde die Bandbreite erläutert, die eine der wichtigsten Spezifikationen eines Digitizers bzw. Oszilloskops darstellt. Allerdings nutzt eine hohe Bandbreite lange nicht so viel, wenn die Abtastrate unzureichend ist.


Während die Bandbreite die Sinuskurve mit der höchsten Frequenz beschreibt, die mit minimaler Dämpfung digitalisiert werden kann, ist die Abtastrate einfach die Geschwindigkeit, mit der der A/D-Wandler im Digitizer oder Oszilloskop das eingehende Signal digitalisiert. Dabei sollte bedacht werden, dass Abtastrate und Bandbreite nicht direkt zusammenhängen. Jedoch gibt es eine Faustregel für das gewünschte Verhältnis zwischen diesen beiden wichtigen Spezifikationen:

 

Echtzeitabtastrate des Digitizers = Bandbreite des Digitizers mal 3 bis 4

 

Das Nyquist-Theorem besagt, dass die Abtastrate eines Digitizers zur Vermeidung von Aliasing mindestens doppelt so hoch sein muss, wie die höchste Frequenzkomponente des gemessenen Signals. Jedoch reicht das Abtasten nur mit dem doppelten Wert der Komponente mit der höchsten Frequenz nicht aus, um Zeitbereichssignale präzise nachzubilden. Um das eingehende Signal genau zu digitalisieren, sollte die Echtzeitabtastrate mindestens drei- oder viermal so hoch sein, wie die Bandbreite des Digitizers. Um zu verstehen, warum das so ist, genügen ein Blick auf folgende Abbildung und die Überlegung, welches digitalisierte Signal man auf einem Oszilloskop lieber sehen würde.

 

 

Abb. 3: Die Abbildung rechts zeigt einen Digitizer mit einer ausreichend hohen Abtastrate, um das Signal genau nachzubilden, was zu genaueren Messungen führt.

 

Obwohl das tatsächliche Signal, das durch die analoge Frontend-Schaltung läuft, in beiden Fällen dasselbe ist, ist die Abtastrate im linken Bild zu niedrig, wodurch das digitalisierte Signal verzerrt wird. Im Gegensatz dazu hat das Bild auf der rechten Seite genug Abtastpunkte, um das Signal präzise zu rekonstruieren. Die Messung wird dadurch genauer. Da eine saubere Nachbildung des Signals für Zeitbereichsanwendungen wie etwa die Messung von Anstiegszeit, Überschwingung oder andere Impulsmessungen wichtig ist, sollte für solche Anwendungen ein Digitizer mit höherer Abtastrate verwendet werden.

 

Nach oben

Abtastverfahren

Zwei Abtastverfahren stehen im Vordergrund: Echtzeitabtastung oder synchronisierte Abtastung (Equivalent-Time Sampling, ETS).

Die Echtzeitabtastrate ist die oben beschriebene, die auf der Taktrate des A/D-Wandlers basiert und die maximale Geschwindigkeit angibt, mit der ein eingehendes Signal bei einer einmaligen Erfassung erfasst werden kann. Die synchronisierte Abtastung ist dagegen ein Verfahren, bei dem ein Signal basierend auf einer Serie getriggerter Signale nachgebildet wird, die jeweils einmalig erfasst werden. Der Vorteil von ETS besteht in der höheren effektiven Abtastrate. Der Nachteil ist jedoch, dass es länger dauert und nur bei Signalen möglich ist, die sich wiederholen. ETS erhöht nicht die analoge Bandbreite des Digitizers und ist nur nützlich, wenn das Signal mit einer höheren Abtastrate nachgebildet werden soll. Eine gängige Implementierung von ETS ist Random-Interleaved Sampling (RIS), eine zufallsverteilte Abtastung, die auf den meisten unten aufgeführten NI-Digitizern verfügbar ist.

 

Nach oben

Auflösung und Dynamikbereich

Wie oben beschrieben, verfügen sowohl digitale Oszilloskope als auch Digitizer über A/D-Wandler, die das Signal von einem analogen in ein digitales Signal umwandeln. Die Anzahl der vom A/D-Wandler ausgegebenen Bits steht für die Auflösung des Digitizers. Für jeden beliebigen Eingangsbereich ist die Anzahl der möglichen diskreten Pegel, die das Signal digital darstellen 2b, wobei b für die Auflösung des Digitizers steht. Der Eingangsbereich ist in 2b Schritte aufgeteilt und die kleinste vom Digitizer erkennbare Spannung wird mit (Eingangsbereich/2b) angegeben. So unterteilt ein 8-bit-Digitizer einen 10-Vss-Eingangsbereich (Spitze-Spitze) in 28 = 256 Pegel von je 39 mV, während ein 24-bit-Digitizer denselben Eingangsbereich in 224 = 16.777.216 Pegel von je 596 nV (ca. 65.000 Mal kleiner als bei 8) aufteilt.



Ein möglicher Grund für den Einsatz eines hochauflösenden Digitizers ist die Messung von kleinen Signalen. Manchmal wird die Frage gestellt, warum man nicht einfach ein Messgerät mit niedrigerer Auflösung und kleinerem Eingangsbereich nimmt und das Signal dann „heranzoomt“, um kleine Spannungen zu messen. Viele Signale haben jedoch kleine und große Komponenten. Mit einem großen Eingangsbereich könnte das große Signal gemessen werden, das kleine würde allerdings im Rauschen des großen untergehen. Verwendet man hingegen einen kleinen Eingangsbereich, würde das große Signal beschnitten, die Messungen würde verzerrt und damit unbrauchbar. Deshalb braucht man für Anwendungen mit dynamischen Signalen (d. h. mit großen und kleinen Spannungskomponenten) ein Messgerät mit hoher Auflösung und einem großen Dynamikbereich (die Fähigkeit des Digitizers, kleine Signale auch im Beisein von großen zu messen).



Traditionelle Oszilloskope nutzen meist A/D-Wandler mit 8-bit-Auflösung, was für viele Anwendungen im Bereich Spektrumanalyse oder für dynamische Signale, wie etwa modulierte Signale, nicht ausreicht. Solche Anwendungen profitieren unter Umständen von einem der unten aufgeführten hochauflösenden Digitizer. Dazu gehört auch das 10-bit-Oszilloskop NI PXIe-5162, das 2014 Testprodukt des Jahres der Zeitschrift Test and Measurement World wurde.

 

Nach oben

Triggerung

Oszilloskope und Digitizer werden normalerweise verwendet, um ein Signal basierend auf einem bestimmten Ereignis zu erfassen. Die Triggerfähigkeiten des Messgeräts ermöglichen die Isolierung dieses Ereignisses und die Erfassung des Signals davor und danach. Die meisten Digitizer und Oszilloskope ermöglichen analoge Flanken-, Digital- und Softwaretriggerung. Weitere Triggeroptionen sind etwa Fenster-, Hysterese- und Videotriggerung.

 

High-End-Digitizer haben nur kurze Totzeiten zwischen Triggerimpulsen, sodass ein Modus für mehrere Erfassungen möglich ist. Dabei erfasst der Digitizer die spezifizierte Anzahl von Punkten nach einem Trigger, wird sofort wieder für die nächste Erfassung neu aktiviert und wartet auf einen weiteren Triggerimpuls. Eine kurze Zeit bis zur erneuten Triggerung stellt sicher, dass der Digitizer das Ereignis bzw. den Trigger nicht verpasst. Der Modus für mehrere Aufzeichnungen ist besonders nützlich, um nur die gewünschten Daten zu erfassen und zu speichern. So wird die Auslastung des integrierten Speichers sowie die Aktivität des PC-Busses optimiert.

 

Nach oben

Integrierter Speicher

Daten werden oft zum Zweck der Messung und Analyse vom Digitizer oder Oszilloskop an den PC übertragen. Diese Messgeräte können zwar mit der maximalen Abtastrate, die bei mehreren GS/s liegen kann, arbeiten, allerdings wird die Rate, mit der Daten zum PC übertragen werden können, durch die Bandbreite des Kommunikationsbusses, etwa PCI, LAN, GPIB etc., begrenzt. Keines dieser Bussysteme kann Raten von mehreren GS/s aufrechterhalten, aber dieses Problem kann mittlerweile umgangen werden, da PCI Express und PXI Express eine Datenübertragung mit mehreren GB/s erlauben.



Wenn der Schnittstellenbus eine kontinuierliche Datenübertragung mit der Abtastrate der Erfassung nicht aufrechterhalten kann, bietet der integrierte Speicher des Messgeräts die Möglichkeit, die Signale mit der maximalen Abtastrate zu erfassen, zwischenzuspeichern und die Daten später zur Verarbeitung auf den PC zu holen.

 

Ein großer Speicher verlängert nicht nur die Erfassungszeit, sondern bietet auch im Frequenzbereich Vorteile. Die gängigste Frequenzbereichsmessung ist die schnelle Fourier-Transformation (Fast Fourier Transform, FFT), welche die Frequenzanteile eines Signals zeigt. Besitzt eine FFT eine genauere Frequenzauflösung, werden diskrete Frequenzen leichter erkannt.

 

 

In der obigen Gleichung kann die Frequenzauflösung auf zwei Arten verbessert werden: durch Reduzierung der Abtastrate oder Erhöhung der Anzahl der FFT-Punkte. Ersteres ist oft nicht gut geeignet, da so auch der Frequenzbereich verkleinert wird. In diesem Fall besteht die einzige Lösung in der Erfassung mehrerer FFT-Punkte, was wiederum einen größeren integrierten Speicher voraussetzt.


 
Abb. 4: Ein größerer integrierte Speicher ermöglicht die Erfassung mit höherer Abtastrate über einen längeren Zeitraum, sodass mehr Punkte erfasst werden. Bei einer FFT-Analyse führt eine größere Zahl von Punkten zu einer höheren Frequenzauflösung.

 

Nach oben

Kanaldichte

Ein wichtiger Faktor bei der Kaufentscheidung für ein Oszilloskop oder einen Digitizer ist die Kanalanzahl auf dem Messgerät oder die Möglichkeit, Kanäle zu ergänzen, indem mehrere Messgeräte synchronisiert werden. Die meisten Oszilloskope haben zwei bis vier Kanäle, die jeweils gleichzeitig mit einer bestimmten Rate abgetastet werden. Dabei sollte man jedoch stets im Auge behalten, inwiefern die Abtastrate beeinflusst wird, wenn alle Digitizer-Kanäle beansprucht werden. Es gibt nämlich eine gängige Technik, das Time-Interleaved Sampling, bei der mehrere Kanäle „verschachtelt“ werden, um eine höher Abtastrate zu erzielen. Verwendet der Digitizer bzw. das Oszilloskop diese Methode und alle Kanäle werden benutzt, kann eventuell nicht mit der maximalen Rate erfasst werden.

Die Anzahl der erforderlichen Kanäle hängt allein von der jeweiligen Anwendung ab. Die herkömmlichen zwei oder vier Kanäle reichen für manche Anwendungen nicht aus. In diesem Fall gibt es zwei Möglichkeiten. Die erste besteht darin, ein Produkt mit höherer Kanaldichte einzusetzen, z. B. den (simultanen) Digitizer NI PXI-5105 mit acht Kanälen und 12 bit für 60 MHz Bandbreite und 60 MS/s. Steht kein Messgerät zur Verfügung, das den individuellen Anforderungen an Auflösung, Geschwindigkeit und Bandbreite entspricht, sollte eine Plattform in Betracht gezogen werden, welche die Skalierung des Prüfsystems ermöglicht, indem sie eine enge Synchronisation sowie die gemeinsame Nutzung von Triggern und Takten ermöglicht. Zwar ist es aufgrund der hohen Latenz, des begrenzten Durchsatzes und der externen Verkabelung praktisch unmöglich, mehrere Stand-alone-Oszilloskope über GPIB oder LAN zu synchronisieren, aber PXI bietet hier die optimale Lösung. PXI ist ein Industriestandard, der bestehende Bussysteme mit höheren Geschwindigkeiten wie PCI und PCI Express um erstklassige Synchronisationstechnologie ergänzt.

Abb. 5: Mithilfe von Synchronisationstechnologie lassen sich Digitizer mit hoher Kanalanzahl erstellen. Obiges Bild zeigt ein System, das in der Lage ist, bis zu 68 Kanäle zu erfassen. Werden mehrere Chassis synchronisiert, kann die Kanalanzahl sogar noch weiter erhöht werden.


Die Synchronisation mehrerer Geräte ist eine wichtige Anforderungen an viele Anwendungen, die häufig die Zeit für die Softwareentwicklung erhöht. Digitizer von NI, die auf der SMC-Architektur (Synchronization and Memory Core) beruhen, profitieren von der sogenannten NI-TClk-Technologie, die bei geringem Entwicklungsaufwand eine präzise Synchronisation ermöglicht. Dank dieser Technologie steht eine High-Level-Schnittstelle für die Programmierung der Synchronisation mehrerer NI-Digitizer, Signalgeneratoren und Hochgeschwindigkeits-Digital-I/O-Geräten zur Verfügung. Des Weiteren kann eine Vielzahl vorgefertigter Beispiele zur Ausführung dieser Art von Synchronisation genutzt werden, wodurch Einstieg und Inbetriebnahme noch einfacher werden. Nachfolgend sind drei Funktionen abgebildet (niTClk Configure for Homogeneous Triggers, niTClk Synchronize, niTClk Initiate), die zur Durchführung einer homogenen Synchronisation auf mehreren PXI-Digitizern erforderlich sind, wie sie in der LabVIEW-Umgebung programmiert wurden.

  

Nach oben

Synchronisierung mehrerer Messgeräte

Zu fast allen automatisierten Prüf- und vielen Benchtop-Anwendungen gehören mehrere Arten von Messgeräten, wie etwa Digitizer, Signalgeneratoren, Schalter, Digitalsignalanalysatoren und -generatoren.

Die inhärenten Timing- und Synchronisationsfunktionen von PXI und den modularen Messgeräten von NI ermöglichen die Synchronisation aller dieser Arten von Messgeräten ohne Bedarf an externer Verkabelung. So können ein Digitizer (wie NI PXI-5122) und ein Signalgenerator (wie NI PXI-5421) für Parameter-Sweeps kombiniert werden, die nützlich sind, um Frequenz und Phasenantwort des Prüflings zu charakterisieren. Der gesamte Sweep kann automatisiert werden, was eine manuelle Einstellung der Parameter am Oszilloskop und am Generator vor der Offline-Analyse überflüssig macht. Eine modulare Methode mit PXI führt zu erheblich höheren Prüfgeschwindigkeiten und erhöht die Effizienz, da sich der Anwender besser auf die Ergebnisse konzentrieren kann und sich nicht mit den mühsamen Schritten, die dorthin führen, aufhalten muss.


Nach oben

Mixed-Signal-Funktionalität

Mit derselben T-Clk-Technologie, die Systeme mit bis zu 136 synchronisierten Kanälen in einem einzigen PXI-Chassis oder bis zu 5000 Kanälen mit mehreren Chassis ermöglicht, können auch verschiedene Arten der Messgeräte synchronisiert werden. So kann ein NI-Digitizer mittels T-Clk mit Signalgeneratoren, Digitalsignalgeneratoren und -analysatoren synchronisiert werden, sodass ein Mixed-Signal-System entsteht.


 
Abb. 6: Obiges VI illustriert eine Anwendung, die als Mixed-Signal-Oszilloskop (mit Analog- und Digitaleingang) konfiguriert wurde. Darüber hinaus könnte die Funktion eines Digital- oder Analogausgangs ergänzt werden und alle Geräte ließen sich trotzdem synchronisieren.


Anstatt ein Mixed-Signal-Oszilloskop mit begrenzter digitaler Funktionalität zu verwenden, können Anwender auf einen modularen PXI-Digitizer mit Signalgeneratoren und Digitalsignalgeneratoren/-analysatoren zurückgreifen, um eine komplette Mixed-Signal-Anwendung mit den Vorteilen eines Oszilloskops und eines Logikanalysators zu erstellen.

 

Nach oben

Software, Analysefähigkeit und Anpassbarkeit

Die Entscheidung über die Software- und Analysefunktionen ist sehr wichtig für die Auswahl eines modularen Digitizers oder eines Stand-alone-Oszilloskops für eine bestimmte Anwendung. Dieser Faktor kann bei der Entscheidung hellfen.


Stand-alone-Oszilloskope sind herstellerdefiniert, während Digitizer vom Anwender definiert werden und deshalb flexibler sind. Ein Stand-alone-Oszilloskop bietet etliche der Standardfunktionen, welche die Anforderungen vieler Anwender bereits abdecken. Jedoch werden sie nicht für alle Anwendungen genügen, vor allem im Bereich automatisierter Prüfsysteme. Müssen die Messungen, die ein Oszilloskop vornimmt, definiert werden, kommt ein modularer Digitizer in Frage, der die PC-Architektur nutzt, während der Anwender eine Applikation an die jeweiligen Anforderungen anpasst, anstatt auf ein Stand-alone-Oszilloskop mit festgelegter Funktionalität zurückzugreifen.



Alle NI-Digitizer werden mit der kostenlosen Treibersoftware NI-SCOPE programmiert. Dieser Treiber wird mit über 50 fertigen Beispielprogrammen ausgeliefert, welche die gesamte Funktionalität jedes NI-Digitizers abdecken. Das darüber hinaus enthaltene NI-SCOPE Soft Front Panel bietet eine vertraute Oberfläche ähnlich der eines Oszilloskops. Dieselbe Hardware kann sowohl für gängige als auch für benutzerspezifische Messungen in vielen Anwendungsbereichen programmiert werden. Dies ist mit den Programmiersprachen NI LabVIEW, LabWindows/CVI, Visual Basic und .NET möglich. Der Treiber stellt auch konfigurationsbasierte Express-Funktionen in LabVIEW zur Verfügung.

 

Abb. 7: NI-Oszilloskope können zusammen mit dem NI LabVIEW Jitter Analysis Toolkit eingesetzt werden, um Messungen der Signalintegrität innerhalb von LabVIEW durchzuführen.

 

  

Nach oben

Fazit

Zwar werden modulare Digitizer als auch Stand-alone-Oszilloskope für die Erfassung von Spannungen verwendet, jedoch bieten sie unterschiedliche Vorteile. Allerdings sind alle oben erläuterten Aspekte wichtig, bevor man sich für eine Option entscheidet. Als Anwender sollte man alle möglichen Anforderungen an die Anwendung, Kostengrenzen, Leistung und künftige Erweiterbarkeit in Betracht ziehen, bevor man sich für das Messgerät entscheidet, das den jeweiligen Anforderungen am besten entspricht.

Nach oben