Grundlagen von 8-Bit- gegenüber 12-Bit-Oszilloskopen und die Verwendung moderner 12-Bit-Skope

Es gibt viele Anwendungen, bei denen Konstrukteure und Prüf- und Messtechniker Messungen mit großem Dynamikbereich durchführen müssen, um sehr kleine Signale in Gegenwart großer Signalamplituden zu betrachten. Zu diesen Anwendungsbereichen gehören die Sicherung der Leistungsintegrität, Echolokalisierungs- und Entfernungsmesssysteme wie Radar und Sonar, medizinische Bildgebungssysteme wie Kernspinresonanz (NMR) und Magnetresonanztomographie (MRI) sowie zerstörungsfreie Prüfungen mit Ultraschall.

Oszilloskope sind natürlich das ideale Werkzeug für die Durchführung dieser Messungen in der Phase der Systementwicklung und des Prototypings, aber diese sind in erster Linie durch die vertikale Auflösung des Front-Ends des Oszilloskops begrenzt. Zum Beispiel hat ein 8-Bit-Oszilloskop einen Dynamikbereich von 256:1, so dass bei einem 1-Volt-Bereich das theoretische Mindestsignal 3,9 Millivolt (mV) beträgt. Beim Versuch, Millivolt-Pegel-Welligkeitssignale auf einem 3,3-Volt-Bus zu betrachten, sind eine höhere Empfindlichkeit und ein größerer Offset-Bereich erforderlich. Außerdem werden bei der Verwendung von Sonden mit hoher Dämpfung zur Vermeidung von Schaltungsbelastungen die Signalpegel am Scope-Eingang gedämpft und sind daher nur schwer messbar, wenn das Gerät nicht über eine hohe Auflösung verfügt.

Das Problem ist, dass eine höhere Empfindlichkeit bei einem größeren Signal oder Offset höhere Auflösungsbereiche erfordert, und diese sind in der Regel teuer, insbesondere bei einem Qualitätsbereich mit rauscharmen Eingängen. Eine höhere Auflösung ohne einen niedrigeren Rauschpegel ist nutzlos.

Was Designer und Entwickler brauchen, ist ein preisgünstiges 12-Bit-Oszilloskop mit einem niedrigen Grundrauschen im Frontend. Eine Lösung für diesen Bedarf an hoher Auflösung mit geringem Front-End-Rauschen zu niedrigen Kosten ist die Teledyne LeCroy's WaveSurfer 4000HD-Serie von hochauflösenden Oszilloskopen. In diesem Artikel wird die Schwierigkeit von Messungen mit hohem Dynamikbereich diskutiert, die Rolle von hochauflösenden Oszilloskopen und wie sie effektiv für Messungen mit hohem Dynamikbereich eingesetzt werden können.

Vertikale Auflösung des Oszilloskops

Die vertikale Auflösung des Oszilloskops bezieht sich auf das Verhältnis zwischen dem höchsten Eingangssignal, das das Oszilloskop verarbeiten kann, und der kleinsten Signalamplitude, die es erfassen kann. Die Auflösung wird im Allgemeinen durch die Anzahl der Bits im Analog-Digital-Wandler (ADC) quantifiziert. Die Auflösung ist gleich 2 hoch der Anzahl der Bits. Ein 8-Bit-Konverter hat also eine Auflösung von 2⁸ oder 256:1. Ein 12-Bit-Konverter hat eine Auflösung von 4096:1, das ist 16-mal größer als ein 8-Bit-Konverter.

Jahrelang boten digitale Oszilloskope eine 8-Bit-Auflösung in Oszilloskopen mit höherer Bandbreite. Dies ist auf einen technischen Kompromiss bei ADCs zurückzuführen, der die Auflösung, gemessen an der Anzahl der Bits, umgekehrt proportional zur maximalen Abtastrate des ADCs macht. Vor etwa acht Jahren leistete Teledyne LeCroy Pionierarbeit für 12-Bit-Oszilloskope, die als High-Definition- oder "HD"-Oszilloskope bezeichnet werden. Sie haben vor kurzem die WaveSurfer 4000HD-Serie in die HD-Produktlinie aufgenommen. Die Serie umfasst vier Oszilloskope mit Bandbreiten von 200, 350, 500 und 1000 Megahertz (MHz). Sie alle tasten mit 5 Gigasamples pro Sekunde (GS/s) ab, was für ein 12-Bit-Oszilloskop sehr respektabel ist. Interne Mixed-Signal-Digitaleingänge, DVM, Funktionsgenerator und Frequenzzähler stehen zur Abrundung dieses Multi-Instrumenten-Angebots zur Verfügung. Die Familie bietet all dies zusammen mit einer 12-Bit-Auflösung zu einem vernünftigen Preis.

Natürlich erfordert die Erhöhung der Auflösung eines Oszilloskops mehr als nur die Änderung des ADC. Außerdem muss das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des Front-Ends des Oszilloskops verbessert werden, damit der empfindliche ADC nicht mit Rauschen gefüllt wird. Ein 12-Bit-Scope mit einem 8-Bit-Frontend ist immer noch ein 8-Bit-Scope. Die WaveSurfer 4000HD Oszilloskop-Familie hat das HD-Konzept jedoch erfolgreich umgesetzt. Seine vertikale Auflösung von 12 Bit in Verbindung mit einem rauscharmen Front-End liefert eine 12-Bit-Leistung, die in der Praxis in jedem beliebigen Amplitudenbereich 16 Mal empfindlicher ist als ein 8-Bit-Scope.

12-Bit- gegenüber 8-Bit-Messungen

HD-Oszilloskope sind für Messanwendungen gedacht, die Wellenformen mit hohem Dynamikbereich aufweisen. Dies sind Messungen, die gleichzeitig eine hohe Amplitudensignalkomponente und niedrige Signalpegel enthalten. Betrachten Sie eine Anwendung wie z.B. einen Ultraschall-Entfernungsmesser. Er sendet einen Impuls mit hoher Amplitude aus und wartet dann auf ein Echo mit niedriger Amplitude vom Ziel. Das Signal mit hoher Amplitude bestimmt den erforderlichen Spannungsbereich des vertikalen Verstärkers des Oszilloskops. Die Auflösung und das Systemrauschen bestimmen das kleinste Echosignal, das gemessen werden kann (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das gleiche Ultraschallsignal mit 12-Bit und 8-Bit vertikaler Auflösung. Die obere Kurve umfasst beide Versionen des vollständigen Signals, die einander überlagert sind. Die unteren Spuren zeigen einen gezoomten Teil der Wellenform. Bei den Signalkomponenten mit hoher Amplitude gibt es kaum einen Unterschied, aber die Signale mit niedrigerem Pegel zeigen einen klaren Vorteil für die 12-Bit-Wiedergabe. (Bildquelle: DigiKey)

Das obere Gitter zeigt die erfassten Signale sowohl in 12-Bit- als auch in 8-Bit-Auflösung überlagert. Zwischen den überlagerten Wellenformen gibt es kaum einen beobachtbaren Unterschied. Das mittlere Gitter zeigt die 12-Bit-Wellenform, die sowohl horizontal als auch vertikal erweitert wurde. Das untere Gitter ist der gleiche Teil der 8-Bit-Wellenform. Der Verlust im Detail für die Low-Level-Signale in der 8-Bit-Version ist ziemlich offensichtlich. Beachten Sie auch, dass die Signalspitzen in der 12-Bit-Wiedergabe deutliche Unterschiede aufweisen, die in der 8-Bit-Version verloren gehen.

Messanwendungen mit hohem Dynamikbereich

Die Messungen mit hohem Dynamikbereich umfassen alle Echolokalisierungs- und Entfernungsmessungen wie Radar, Sonar und LiDAR. Viele medizinische Bildgebungstechnologien wie NMR und MRI basieren auf ähnlichen Techniken: ein hoher Sendeimpuls wird vom Körper zurückgeworfen und Echos oder stimulierte Emissionen aufgrund des übertragenen Signals erfasst und analysiert. In ähnlicher Weise verwendet die ultraschallbasierte Technologie wie die zerstörungsfreie Prüfung (NDT) reflektierte Ultraschallimpulse, um Risse und Fehler in festen Materialien zu entdecken.

Für Messungen der Leistungsintegrität, bei denen kleine, millivoltige Signale wie Rauschen und Welligkeit auf Busspannungen zwischen 1 und 48 Volt oder mehr gemessen werden, sind ebenfalls Bereiche mit hohem Dynamikbereich erforderlich.

Betrachten Sie Messsignale selbst eines einfachen Ultraschall-Entfernungsmessers oder eines elektronischen Maßbandes (Abbildung 2). Der Ultraschall-Entfernungsmesser gibt für jede Messung fünf Impulse im zeitlichen Abstand von etwa 16,8 ms ab. Anstatt die Totzeit zwischen diesen Impulsen zu erfassen, verwendet das 12-Bit-Oszilloskop Teledyne LeCroy WaveSurfer 4104HD eine Sequenzmodus-Erfassung, bei der der Speicher des Oszilloskops in eine vom Benutzer ausgewählte Anzahl von Segmenten (in diesem Beispiel fünf) aufgeteilt wird.

Abbildung 2: Ein Teledyne LeCroy WaveSurfer 4104HD-Oszilloskop, das bei der Erfassung eines 40 Kilohertz (kHz)-Ultraschall-Entfernungsmessersignals verwendet wird. Oben zeigt es fünf Impulse für jede Messung im Abstand von etwa 16,8 Millisekunden (ms). (Bildquelle: DigiKey)

Jedes Segment erfasst einen gesendeten Puls und markiert den Triggerpunkt mit einem Zeitstempel. Die obere Kurve ist die erfasste Wellenform, wobei jedes Segment markiert ist. Eine Zoomspur (unteres Gitter) zeigt ein ausgewähltes Segment, in diesem Fall das erste. Die Tabelle am unteren Rand des Bildschirms zeigt die Zeitstempel, die die Zeit jedes Triggers, die Zeit seit Segment 1 und die Zeit zwischen den Segmenten markieren. Der Sendeimpuls hat eine Spitze-Spitze-Amplitude von 362 mV, während das reflektierte Echo eine Spitze-Spitze-Amplitude von nur 21,8 mV hat. Es ist dieser Amplitudenunterschied, der diese Messung zu einer Messung mit hohem Dynamikbereich macht. Die Abbildung verwendet eine Echoamplitude, die auf dem Bildschirm zu sehen ist, aber die 12-Bit-Auflösung erfasst dieses Signal bei Amplituden, die niedriger sind als die Pixelwiedergabe des Oszilloskops, wie in Abbildung 1 zu sehen ist.

Für Messungen der Leistungsintegrität sind ebenfalls Oszilloskope mit hohem Dynamikbereich erforderlich. Die Messung der Brummspannung erfordert die Messung von Millivolt-Signalen, die auf Strombussen fahren. Im Beispiel in Abbildung 3 misst die obere Kurve die Welligkeit auf einem 5-Volt-Bus. Die Welligkeitsspannung beträgt 45 mV _{Spitze-Spitze} auf einer Busspannung von 4,98 Volt, die direkt mit den Messparametern P2 und P1 des WaveSurfer 4104HD abgelesen wird. Die untere Kurve ist die schnelle Fourier-Transformation (FFT) der Brummspannung, die ein oberwellenreiches Spektrum mit einer Grundkomponente von 982 Hz zeigt.

Abbildung 3: Eine Messung der Leistungsintegrität auf einem 5-Volt-Bus für eine Tochterkarte zeigt die Welligkeitsspannung und die FFT der Welligkeit. (Bildquelle: DigiKey)

Neben einer hohen Auflösung erfordert diese Anwendung ein Oszilloskop mit einem guten Offset-Bereich. In diesem Beispiel hat das Oszilloskop einen ±8-Volt-Offsetbereich auf der 10-mV-Skala. Der Offset-Bereich skaliert mit dem vertikalen Bereich des Oszilloskops. Wenn ein größerer Versatzbereich erforderlich ist, bietet Teledyne LeCroy den RP4030 Schienenprüfkopf mit einem 30-Volt-Versatzbereich an. Schienentastköpfe sind speziell für die Sondierung von niederohmigen Stromschienen ausgelegt. Sie zeichnen sich durch einen großen eingebauten Offset, eine hohe Eingangsimpedanz sowie eine geringe Dämpfung und Rauschen aus. Dieser spezielle Tastkopf hat eine Bandbreite von 4 Gigahertz (GHz), eine Dämpfung von 1,2 und eine Eingangsimpedanz von 50 Kilohm (kΩ).

HD-Oszilloskope können auch höhere Spannungsmessungen verarbeiten, wie sie bei Schaltnetzteilen (SMPCs) vorkommen. SMPCs umfassen Stromversorgungen, Wechselrichter und industrielle Steuerungen. Sie steuern die Leistung durch Anpassung des Tastverhältnisses oder der Frequenz einer geschalteten Wellenform. Die Hauptmessungen umfassen die Spannung über und den Strom durch die Leistungsschaltvorrichtung(en), normalerweise ein Feldeffekttransistor (FET). Um Entwickler bei SMPC-Messungen zu unterstützen, stellt Teledyne LeCroy anwendungsspezifische Software sowie Spannungs- und Stromsonden zur Verfügung. Eine typische Messung ist in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4: Die Charakterisierung der Verluste eines SMPCs umfasst die Messung der Spannung und des Stroms der Leistungsschaltgeräte und die anschließende Berechnung der Verlustleistung in jeder Phase des Leistungsschaltzyklus. (Bildquelle: DigiKey)

Der Strom, die rosa Kurve, wird mit einer Teledyne LeCroy-Stromsonde Modell CP030A gemessen. Diese Clamp-On-Sonde hat einen maximalen Stromeingang von 30 Ampere (A) und eine Bandbreite von 50 MHz. Die Spannungswellenform, die als beige Kurve dargestellt ist, wird mit einer Hochspannungs-Differentialsonde Teledyne LeCroy HVP1306 gemessen. Diese Sonde ist für eine maximale CATIII-Spannung von 1000 Volt bei einer Bandbreite von 120 MHz ausgelegt. Beide Sonden werden vom WaveSurfer-Scope erkannt, das die gemessenen Wellenformen automatisch skaliert, um die Gewinne und Maßeinheiten der Sonde zu berücksichtigen.

Die Leistungsmessungssoftware automatisiert die gängigsten SMPC-Messungen. Abbildung 4 zeigt die Berechnung der Geräteverlustleistung als gelbe Kurve. Diese wird aus den Strom- und Spannungswellenformen für den gesamten Schaltzyklus berechnet. Die Messparameter isolieren und zeigen die Einschalt-, Leitungs- und Abschaltverluste sowie die Verluste im ausgeschalteten Zustand auf der Grundlage der erfassten Wellenformen an, wobei jede Zone durch eine Farbüberlagerung klar abgegrenzt ist. Sie zeigt auch den Gesamtverlust aus allen Zonen sowie die Schaltfrequenz. Zusätzlich zu den in der Abbildung dargestellten Gerätemessungen sind weitere Messungen verfügbar, die zur Charakterisierung der Regelkreisdynamik, der Netzleistung und der Leistungsmerkmale wie z.B. des Wirkungsgrads beitragen.

Die 12-Bit-Auflösung ist auch bei Leistungsmessungen bei der Berechnung des Drain-Source-Widerstands (Rds) des Leistungs-FETs nützlich. Dies erfordert die Messung einer Spannung in der Größenordnung von einem oder zwei Volt auf einer Wellenform mit einem Schwung von Spitze zu Spitze in der Größenordnung von 400 Volt. Die WaveSurfer 4000HD-Serie ist mit allen Sonden von Teledyne LeCroy kompatibel, die mit dem Bandbreitenbereich des Oszilloskops kompatibel sind (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die Teledyne LeCroy WaveSurfer 4000HD-Oszilloskope sind mit der umfangreichen Palette an Sonden des Unternehmens kompatibel, einschließlich der hier gezeigten Sonden zur Leistungsmessung. (Bildquelle: Teledyne LeCroy)

Breites Anwendungsspektrum setzt höhere Maßstäbe für die „Arbeitspferde“ unter den Oszilloskopen

Die WaveSurfer 4000HD-Serie ist nicht nur auf Anwendungen mit hohem Dynamikbereich beschränkt. Es ist an sich schon ein ausgezeichnetes Oszilloskop und dürfte einen höheren Standard für die Arbeitspferde unter den Oszilloskopen setzen. Sie ist eine gute Wahl für die Fehlersuche bei seriellen Daten mit niedriger Geschwindigkeit und bietet Analysepakete und Sonden zur Unterstützung von seriellen Bussen wie SPI, I²C, UART-basierten Verbindungen sowie Automobilbussen wie LIN, CAN und FLEXRAY.

Die Analyse des seriellen Busses erfordert die Fähigkeit, das Busprotokoll zu erfassen und zu dekodieren und den Dateninhalt zu lesen (Abbildung 6). Das farblich kodierte Overlay zeigt jedes Paket an. Das rote Overlay zeigt die Adressdaten an, während die blauen Overlays die Datenpakete markieren. Die Adresse und der Dateninhalt erscheinen innerhalb des Overlays. Die Dekodierungsinformationen sind im Binär-, Hex- oder ASCII-Format verfügbar. Die Tabelle am unteren Rand der Anzeige fasst die erfassten Transaktionen zusammen und zeigt die Zeit in Bezug auf den Auslösepunkt, die Adresslänge, die Adresse, die Richtung (Lesen oder Schreiben), die Anzahl der Pakete und den Dateninhalt. Die Auslösung kann auf Aktivität, Adresse, Dateninhalt oder einer Kombination aus Adresse und Daten basieren.

Die aktive Differentialsonde Teledyne LeCroy ZD200 ist eine gute Wahl für die Messung serieller Daten. Dieser 10:1-Tastkopf hat eine Eingangsimpedanz von 1 Megaohm, hat eine Bandbreite von 200 MHz und kann Differenzspannungen von bis zu 20 Volt und Gleichtaktspannungen von bis zu 50 Volt verarbeiten. Es ist besonders gut auf Differentialbusse wie CAN abgestimmt.

Abbildung 6: Die serielle Triggerung und Dekodierung des I²C-Busses mit niedriger Geschwindigkeit beinhaltet die Fähigkeit, den Dateninhalt des Busses zu lesen. Dargestellt ist die Erfassung und Dekodierung eines I²C-Bus-Signals sowohl für eine Lese- als auch für eine Schreiboperation. (Bildquelle: DigiKey)

Fazit

Obwohl 8-Bit-Oszilloskope immer ihren Platz haben werden, gibt es viele Anwendungen, die die HD und den großen Dynamikbereich eines echten 12-Bit-Oszilloskops nutzen könnten, aber aufgrund ihrer relativ hohen Kosten sind sie für viele Entwickler und Testingenieure unerreichbar. Die Teledyne LeCroy WaveSurfer 4000HD-Oszilloskope der Serie 4000HD sind ein wesentlicher Beitrag zur Lösung dieses Problems mit einem viel kostengünstigeren Einstiegspunkt.

Es bietet HD-Messungen auf der Grundlage einer vertikalen Auflösung von 12 Bit, einer maximalen Abtastrate von 5 GS/s und einem niedrigen Rauschpegel. Es ist auch mit den Sonden und Analysesoftware-Paketen von Teledyne LeCroy kompatibel. Damit öffnen die Oszilloskope die Tür zu kosteneffizienten Messungen mit hohem Dynamikbereich und verlagern die Verfügbarkeit vom Forschungslabor auf den Prüfstand oder in die Fabrikhalle.