hameg oszilloskope - rohde & schwarz
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HAMEG Oszilloskope
Oszilloskope sind nicht ersetzbar ...
... nur sie ermöglichen eine ganzheitliche Darstellung des Messsignals.
... nur sie zeigen den zeitlichen Verlauf von Spannungen an.
Die Bedeutung der Signalformdarstellung wird dann klar, wenn man die beiden Alternativen zu Oszilloskopen — Multimeter und Fre quenzzäh ler — betrachtet: Beide bieten zwar eine höhere Messgenauigkeit, doch führt die fehlende Signaldarstellung leicht zu Fehl messungen.
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So kommt es z. B. bei der Span nungs messung von impulsförmigen Signalen, deren Tas t ver hältnis nicht exakt 1:1 ist, zu falschen Mess ergebnissen. Das gilt insbe sondere, wenn kom plexe Signale vorliegen.
Bei Frequenzmessungen gibt es ver gleichba re Probleme. Hier werden ideale Sinus, Drei eck oder Rechtecksignale vorausgesetzt. Kom plexe Signale füh ren auch hier zu Fehl mes sun gen.
Ein Beispiel für ein solches Signal ist ein FBASSignal. Es enthält 50 Hz Bildsynchron impulse, 15,625 kHz Zeilensynchronim pulse und den Bildinhalt mit Frequenzen von wenigen Hertz bis ca. 5 MHz.
Wird ein derartiges Signal mit einem Frequenz zähler gemessen, bestimmt die zu fäl lige Wahl des Triggerpunktes, welche Fre quenz angezeigt wird. Je nachdem wie der Triggerpunkt gewählt ist, wird die Frequenz der Synchronimpulse oder des Bildinhalts gemessen. Das lässt sich mit den meisten HAMEG Oszilloskopen sehr gut demons trie ren, denn sie zeigen nicht nur das Signal an, sondern ver fügen auch über Fre quenz zäh ler. Die Einstellung des Trig ger punktes er folgt bei Oszillos kop und Fre quenzzähler gleich, nur sieht man den Trig ger punkt beim Zähler nicht.
Bild 1 zeigt ein FBASSignal. Wie am linken Rasterrand zu sehen, befindet sich das Trigger punktSymbol auf dem Niveau der Synchron impulse. Diese Information kann ein Frequenzzähler weder erfassen noch anzeigen, was auch für den im Oszilloskop enthal tenen Frequenzzähler gilt. Das Messergebnis wird mit dem Readout oben rechts angezeigt (16.00kHz), müsste aber 15.625kHz (Zeilenfrequenz) betragen. Die Ur sache für die Abweichung sind die Vor und Nachtra ban ten der Bild syn chron im pul se sowie der Halbzeilenabstand der Bild syn chronim pul se. Wie in Bild 2 zu sehen, er gibt eine ma nuell durch ge führte CursorMessung einen Zeilenab stand von 64,0 µs und damit eine Zeilenfre quenz von 15,625 kHz.
Befindet sich der Triggerpunkt in Höhe des Bild bzw. Zeileninhalts, sind die Abwei chungen noch größer. Je nach Einstellung werden un terschiedliche Messwerte an ge zeigt. In Bild 3 werden z.B. 1,76 MHz an ge zeigt,
ob wohl bei diesem Sig nal die Fre quenz 4,43 MHz dominiert. Ur sache ist, dass das 4,43 MHz Farbartsignal — wie zu sehen — nicht konstant vorhanden ist, son dern durch Synchronimpulse und an de re Signale unterbrochen wird. Auch hier kann nur die auf der Signalanzeige ba sie ren de Cursormes sung zum richtigen Er geb nis führen.
Ohne Oszilloskop muss man den Messergeb nis sen von Multimetern und Frequenzzäh lern im wahrsten Sinne des Wortes „blind“ vertrauen, was bei komplexen Sig nalen leicht ins Auge gehen kann. Das be trifft selbst „einfache“ Signale wie ein 50 Hz NetzSinussignal, das häufig durch Überla ge rungen und durch Phasenanschnittsteue rungen ungewollt zum komplexen Sig nal mutiert ist.
Die Bedeutung der Signaldarstellung ist also sehr groß und mit ihr die Bedeutung des Oszilloskops.
Was resultiert aus der Bedeutung der Signaldarstellung?
Die Antwort ist einfach: Die Signaldarstellung soll das Messsignal genauso darstellen, wie es am Messpunkt vorhanden ist, da mit der Informationsgehalt möglichst hoch ist!
Leider ist diese Forderung prinzipiell un erfüll bar, aber die HAMEG Ingenieure be müh en sich, der Erfüllung so nahe wie möglich zu kommen. Dabei gibt es eine Vielzahl von Kriterien, die hier aus Platzgründen nicht alle aufgeführt werden können. Die wichtigsten sind:
Bild 1: FBASSignal (HAMEG Gerät)
Bild 2: Zeitmessung mit Cursorli nien (HAMEG Gerät)
Bild 3: Frequenz zäh ler zeigt 1,76 MHz an (HAMEG Gerät)
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EigenanstiegszeitDass bei endlicher Bandbreite auch Messver stärker von HAMEG Oszilloskopen eine Ei genanstiegszeit auf wei sen, lässt sich nicht vermeiden. Aller dings kann die Ei genan stiegszeit durch den Kauf eines Os zil loskops mit größerer Band breite (= geringerer Anstiegszeit) deutlich reduziert werden, so dass Anstiegs zeit mes sun gen an Mess objek ten mit geringer An stiegs zeit genauer wer den. Bild 4 zeigt ei nen derartigen An wen dungs fall.
ÜberschwingenEin Beispiel dafür, dass HAMEG Oszillosko pe der Forderung nach Signaltreue entspre chen, ist das Rechteckverhalten der Mess verstärker. Es wird mit einem Rechteck signal getestet, das praktisch kein Über schwingen aufweist, obwohl seine An stiegs zeit weniger als 1 ns beträgt.
Wird dieses Rechtecksignal trotzdem mit Über schwin gen dargestellt, liegt ein De sign fehler des Messverstärkers vor. Bild 5 zeigt die Darstellung ei nes aus Fern ost stammen den Oszilloskops. Mit die sem Ge rät
hat der Anwender keine Mög lichkeit, die Qua lität eines recht eck för mi gen Signals hinsichtlich seines Über schwin gens zu überprüfen, denn die Anteile des Signal und des Os zil los kopÜber schwin gens las sen sich bei der Signal dar stellung nicht tren nen.
Wie in Bild 6 zu sehen, zeigt ein HAMEG Os zillos kop mit der gleichen Bandbreite das sel be Signal ohne Über schwingen und bie tet damit die Basis für eine fundierte Sig nal beurteilung: Wird mit dem HAMEG Os zil los kop Überschwingen ange zeigt, stammt es nicht vom Oszillos kop.
JitternBild 7 zeigt ein Schirmbildfoto eines Mit bewer bergerätes. Die Breite der An stiegs flanke zeigt an, dass Jittern vor liegt, ob wohl das Signal nicht jittert. Durch das Jit tern des Os zilloskops geht die Information über das Jit tern der Sig nal quel le verloren. Die Größe des Jitterns ist aber für viele An wen dungsfälle eine wichtige Information.
Leider ist Jittern unvermeidlich und wird bei Oszilloskopen z.B. durch Rauschen, Trig ger komparatoren und den Zeit ba sis gene rator bewirkt. Auch hier kann man nur ver suchen, es so gering wie möglich zu hal ten. Andernfalls sind die vom Signal und die vom Os zilloskop stammenden Anteile nicht aus ein ander zu halten. Mit Bild 8 wird do ku men tiert, dass ein HM2005 das selbe Sig nal ohne Jittern zeigt.
RauschenHAMEG legt großen Wert auf geringes Rauschen der OszilloskopMessverstärker. Es ge nügt schließlich, wenn das Messob jekt rauscht.
Der Einsatz aufwändiger 8 Bit Flash A/DWandler in HAMEG Analog/DigitalOszil los ko pen führt dazu, dass man in den meis ten Fällen erst auf das Readout blicken muss, um zu erkennen, ob gerade Digital be trieb vor liegt oder nicht. Bei relativ ein fa chen „NurDigi tal“Oszilloskopen hat man derar tige „Pro ble me“ nicht, die rau schen — wie Bild 9 zeigt — im mer. Bild 10 zeigt die Strahl linien dar stel lung eines HAMEG Os zillos kops bei Digitalbetrieb. Rauschen ist fast nicht zu sehen.
Bild 4: Rechteck mit Eigenanstiegszeit ‹ 1 ns (HAMEG Gerät)
Bild 6: Signaldarstellung mit gutem Mess verstärker (HAMEG Gerät)
Bild 7: Fremd fabrikat zeigt Anstiegsflan ke mit Jitter, ...
Bild 8: ... obwohl die Anstiegsflanke nicht jittert! (HAMEG Gerät)
Bild 10: Fast kein Rauschen im Digitalbetrieb (HAMEG Gerät)
Bild 9: Rauschen eines „NurDigital“Oszilloskop (Fremdfabrikat)
Bild 5: Fremdfabrikat verfälscht Sig nal darstellung durch Überschwingen
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Natürlich kann man Rauschen durch Mittel wertbildung (Average) beseitigen. Al lerdings beseitigt man damit auch die In formation über das tatsächliche Rauschen der Signal quel le.
Signalerfassungs und Darstellungshäu fig keitEin weiteres Kriterium ist die Häufigkeit, mit der ein Signal erfasst und dargestellt wird. Mit höherer Signalerfassungs und Dar stel lungshäufigkeit steigen die Chancen, zusätzliche Informationen zu sehen. Wie vie le Signaldarstellungen in der Se kunde mög lich sind, hängt von der Signal frequenz und der Zeitbasiseinstellung des Os zil lo skops ab. Im Analogbetrieb können 500.000 bis 2,5 Millionen Signaldar stel lungen in der Sekunde erfolgen. Diese Zahl ver deut licht die Vorteile einer Katodenstrahl röhre. Sol che Werte werden weder mit einer Grafik karte noch mit einem LCD erreicht. Mit ge rin gerer Zahl der Signal darstellungen pro Sekunde werden Über la gerungen eines Sig nals im Digitalbetrieb nicht richtig dar ge stellt (siehe Bild 11). Bild 12 zeigt dassel be Sig nal im Analog be trieb und damit die wah ren Verhältnisse.
Das nächste Beispiel (Bild 13) zeigt diesen Sachverhalt noch deutlicher: Im Analog betrieb wird ein amplitudenmoduliertes Sig nal angezeigt. Der Signaldarstellung lässt sich ohne Mühe entnehmen, dass der Mo du lationsgrad 100 % und die Modulations frequenz 1 kHz beträgt. Demgegenüber fällt es im Digital be trieb schwer auch nur zu er ken nen, dass es sich um ein am pli tu denmo du lier tes Signal handelt (Bild 14).
Erfolgt die digitale Signalerfassung des AMSig nals im EnvelopeBetrieb, scheint, wie Bild 15 zeigt, das Problem der Signalerkenn barkeit gelöst. Das gilt aber nur für den Fall, dass sich Modulationsgrad und –frequenz nicht ändern, denn im EnvelopeBetrieb wird im mer der einmal erfasste Maximalwert an gezeigt. Also ist EnvelopeBetrieb auch keine Lösung um Modulations messungen vor zunehmen.
Die hier beschriebenen Nachteile des Di gital betriebs treffen auf Mitbe wer ber zu, de ren „NurDigital“Oszil los kope sich nicht auf Analogbetrieb umschalten lassen.
Schärfe und StrahlhelligkeitZur Signaldarstellung gehört natürlich auch eine gute Ablesbarkeit, welche eine gute Schär fe und Strahlhelligkeit voraussetzt. Das ist schon heute bei Strahlröhren mit 2.000 Volt Beschleunigungsspannung der Fall, so wie sie im HM3036, HM504 und HM507 einge setzt werden.
Die Oszilloskope HM1000, HM1008, HM1500, HM1508 und HM2005 haben noch bes sere Eigen schaf ten, da sie mit Strahl röh ren ausge rüstet sind, die mit 2.000 Volt Be schleuni gungs und 12.000 Volt Nach be schleu nigungs span nung arbeiten. Damit steht eine sehr hohe Strahl hellig keits re ser ve zur Verfü gung. Sie ist für Oszilloskope mit zweiter Zeit basis, zur Darstellung stark ge dehnter Sig nal aus schnit te besonders wichtig.
Die zweite Zeitbasis eines HM15073 steht auch im Digitalbetrieb zur Verfügung und er möglicht die 200.000 fache XDehnung eines 10 MHz Sinussignals (siehe Bild 16), das mit der AZeitbasis mit 20 ms/cm und
mit der BZeit ba sis mit 100 ns/cm angezeigt wird. Eine so hohe Dehnung ist nur im Digitalbetrieb sinn voll durchführbar, da sich dabei — im Ge gensatz zum Analogbe trieb — die Strahl hel ligkeit mit höherer Deh nung nicht ver rin gert. Mit einem reinen Ana logOszil los kop wäre unter diesen Be din gungen kaum noch etwas zu sehen.
AuflösungDie Grenzen der Auflösung sind bei AnalogOszilloskopen nur durch die Sehschärfe des Betrachters vorgegeben, denn der Elektro nen strahl kann in jede Position des
Bild 11: Scheinbar niederfrequente, „sprin gen de“ Über lagerung (HAMEG Gerät)
Bild 12: Analogbetrieb offenbart: Die Frequenz der Über la ge rung ist hoch (HAMEG Gerät)
Bild 13: AM mit Modula tions grad 100 % im Analogbetrieb (HAMEG Gerät)
Bild 14: Am pli tu den moduliertes Signal im Digitalbetrieb auf genommen (HAMEG Gerät)
Bild 15: Digitalbetrieb, aber mitEn ve lopeErfassung (HAMEG Gerät)
Bild 16: Signal im Helltastsektor 200.000 fach gedehnt
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Bild schirms abgelenkt werden. Ein schränkun gen der X oder YAuflösung gibt es folglich nicht.
Demgegenüber ist die Auflösung bei DigitalOszilloskopen prinzipbedingt begrenzt. Die YAuflösung wird durch den 8 Bit Ana log/ DigitalWandler bestimmt, der zur Mess signalabtastung benutzt wird. In ver tika ler Richtung stehen somit nur 256 Positio nen zur Verfügung, 200 Positionen für den ver ti ka len GesamtMessrasterbereich. Das ent spricht einer YAuflösung von 25 möglichen Signalpositionen pro Raster. Grafik 1 zeigt die Gesamtansicht des 8 x 10 gro ßen Ge samtMessrasters und Grafik 2 die Ver grö ße rung eines Rasters.
Bei „NurDigital“Oszilloskopen mit LCD ist die XAuflösung für die Signal an zeige in den meisten Fällen auf 250 Punk te be grenzt. Die Auflösung eines Ras ters beträgt dann wie mit Grafik 2 dar ge stellt in X und YRichtung jeweils 25 Ab tast punkte.
Mit 500 Punkten XAuflösung über 10 Raster ist die Anzeige mit Monitorröhren schon besser (pro Raster 50 Punkte in X und 25 Punkte in YRichtung), erreicht aber immer noch nicht die Auflösung, die HAMEG Os zillos kope im Digitalbetrieb bieten.
Der Vorteil einer Kathodenstrahlröhre ist, dass sie bei Digitalbetrieb die vollständige An zei ge des gesamten Speicherinhalts von 2.000 Abtastwerten über das GesamtMessraster ermöglicht. Die Auflösung pro Raster be trägt somit 200 Punkte in X und 25 Punkte in YRichtung. Wie Grafik 3 zeigt, ist die XAuflösung gegenüber LCAnzeigen um den Faktor 8 höher, also muss auch die Ab tast rate um diesen Faktor höher sein.
Speicher, Anzeigeauflösungund Abtast ra teDiese drei Parameter stehen in einem direk ten Ver hältnis zueinander. Wie unter „Auf lö sung“ erwähnt, beträgt die Spei chertie fe bei HAMEG Analog/DigitalOs zil losko pen 2.000 Abtastpunkte (pro Kanal), die alle angezeigt werden. Das heißt, dass die Speichertiefe und die Anzeigeauflösung gleich sind. Diese Feststellung ist deshalb von Bedeutung, da es auch Mit be wer ber geräte gibt, die eine höhere Zahl von Ab tas tun
Grafik 1: GesamtMessraster
Grafik 2: Ein Messraster mit 25 Y und 25 XAbtastpunkten (LCD)
Gra fik 3: 8 fach höhere Auf lö sung = kleinere Abtastlücken
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gen durchführen und speichern, an schließend aber nur je den 10. Punkt an zei gen. Was sich auf eine Gesamt sig nal dar stellung so auswirkt, als sei die Ab tas tung nur mit einem Zehntel der Abtastrate er folgt.
Die höhere Auflösung der Anzeige bietet auch den Vorteil, dass die Signalerfassung der HAMEGOszilloskope mit einer höheren Abtastrate erfolgen muss. Damit wird die Gefahr von AliassignalDarstellungen stark vermindert.
Die Abtastrate, mit der eine Signaler fassung erfolgt, ist beim DigitalOszilloskop von der gewählten Zeitbasiseinstellung, der Spei chertiefe bzw. der Zahl der angezeigten Abtastpunkte (Anzeigetiefe) abhängig. Da die Speichertiefe und die Anzeigetiefe fest vorgegeben sind, ist für den Anwender nur die Zeitbasiseinstellung veränderbar und auch das nur in stark eingeschränktem Ma ße. Letztlich gibt das Signal die Zeitbasis einstellung vor, denn zur Signalerkennung ist die Anzeige mindestens einer Signalpe riode erforderlich.
Bei einer Speichertiefe von 2.000 Punkten und deren vollständiger Anzeige mit einer Strahlröhre, beträgt die XAuflösung 200 Punkte pro Raster. Ist die Zeitbasis z.B. auf 10 µs/cm (pro Raster) eingestellt, heißt das, dass 200 Abtastungen innerhalb von 10 µs erfolgen müssen. Das Abtastintervall be trägt dann 10 µs : 200 = 50 ns; d.h., das Sig nal wird in 50 ns Abständen abgetastet. So mit beträgt die Abtastrate 1/50 ns = 20 MSa/s (20 Millionen Abtastungen (Sam ples) pro Sekunde). Der eigentliche Abtast vor gang er folgt innerhalb weniger Pikose kun den. Sig naländerungen zwischen 2 Ab tast vor gän gen werden normalerweise nicht erfasst.
Im Gegensatz dazu, können LCAnzeigen oft nur 25 Abtastungen pro Raster anzeigen. Liegt wieder 10 µs/cm als Zeitbasisstellung vor, beträgt das Abtastintervall 10 µs : 25 = 400 ns. Dies entspricht einer Abtastfrequenz von 2,5 MSa/s. Eine geringere An zeige tiefe (Auflösung) bedingt somit eine niedri gere Abtastrate.
Die Auswirkung in der Praxis wird anhand eines Beispiels beschrieben, wobei fol gende Fakten zu berücksichtigen sind:
1. Die Periodendauer des Messsignals be stimmt die Zeitbasiseinstellung.
2. Bei der Erfassung sinusförmiger Sig na le müssen mindestens 10 Abtastungen pro Sig nalperiode erfolgen, da andern falls eine Unterscheidung zwischen si nus und drei eck förmigem Signal nicht möglich ist.
Daraus resultiert, dass die Abtastrate bei der Erfassung eines 5 MHz Sinussignals 50 MSa/s (Abtastfrequenz 50 MHz) betragen muss. In den meisten Fällen werden Sig nale mit relativ niedrigen Wieder hol fre quenzen auf ge zeichnet, die aber Signalanteile mit viel höheren Frequenzen enthalten.
Ein Beispiel dafür ist ein TVVideosignal, in dem Signale bis 5 MHz enthalten sein können, obwohl seine Halbbildfrequenz nur 50 Hz und seine Zeilenfrequenz nur 15,625 kHz (64 µs Periodendauer) beträgt. Um eine voll ständige Zeile darzustellen, muss die Zeitbasiseinstellung 10 µs/cm be tra gen. Bei einem „NurDigital“Oszillos kop mit LCD, so wie Bild 17 es zeigt, beträgt die Ab tastfre quenz dann 2,5 MHz. Infolge des sen dürf
Bild 17: TVVideosignal mit LCD angezeigt (Vektorgrafik Fremdfabrikat)
Bild 18: LCD zeigt TVVideosignal in Punktdarstellung (Fremdfabrikat)
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te die höchste Signalfrequenz nur 250 kHz be tra gen. Bild 18 zeigt das selbe Signal in Punkt darstellung.
Beim HAMEG Oszilloskop hat die Auflösung von 200 Abtastpunkten/cm in Verbindung mit 10 µs/cm eine Abtastrate von 20 MSa/s zur Folge, mit der immerhin noch 2 MHz mit 10 Punkten pro Signalperiode erfasst wer den. Die obere Dar stellung (AZeitbasis) von Bild 19 zeigt ein Halbbild; die untere Darstellung (BZeit basis) eine Zeile.
Übrigens: Mit dem Umschalten auf Analogbe trieb steht die volle Oszilloskopband brei te zur Verfügung und damit die optimale Sig naldarstellung, natürlich unabhängig von der Zeitbasiseinstellung. Bild 20 be weist es.
Das gilt natürlich nicht nur für Videosig nale, sondern auch für andere Signale. Bild 21 zeigt ein mit höherfrequenten Störungen über lagertes Sinussignal, das im Analog betrieb aufgenommen wurde. Im Bereich des negativen Scheitelwertes beträgt die Am plitude der Störung ca. 67 mVss. Dasselbe Sig nal – im Di gi talbetrieb aufgenommen – zeigt die Stö rung mit einer geringeren Am pli tude. Im Bereich des positiven Scheitel werts X sind die Störungen kaum noch wahr nehm bar (Bild 22).
ZusammenfassungDie hier angesprochenen Eigenschaften be schrei ben nur einen Bruchteil der wich tig s ten Qua litätsmerkmale eines Oszilloskops. Gleich zeitig widerlegen sie die Behauptung, dass AnalogOszilloskope nicht mehr „up to date“ sind.
Natürlich bietet ein DigitalOszilloskop Vor teile bei der Einzelereigniserfassung, der Auf zeichnung sehr langsam ab lau fender Vor gänge und der Signal do ku men tation. Die Möglichkeit mit einer 2. Zeitbasis ohne Strahlintensitätsverlust extrem hohe XDehnungen zu realisieren sowie die Pre und PostTriggerfunktionen des DigitalOs zil loskops sind vielfach unverzichtbare Ei gen schaften. Es hat aber auch viele Nach tei le bei der Darstellung von sich konti nuier lich wiederholenden Signalen. Diese Nach teile zu beseitigen ist oft unmöglich oder muss sehr teuer bezahlt werden.
Das ist ein Grund warum AnalogOszil losko pe in den meisten Anwendungsfällen die technisch bessere und gleichzeitig ökonomi schere Lösung sind. Die Kombination von Analog und DigitalOszilloskop – so wie HAMEG sie anbietet – ist nach wie vor das Optimum. Gleichgültig ob ein Analog oder ein DigitalOszilloskop für die aktuelle Mess aufgabe geeigneter ist: Ein Tastendruck genügt und das Analog/DigitalOszil loskop misst mit den Eigenschaften, die gerade benötigt werden.
Bild 22: Digitalerfassung führt zu verfälschter Störungsamplitude(HAMEG Gerät)
Bild 19: Video sig nal mit Strahlröhre angezeigt (HAMEG Gerät)
Bild 20: opti ma le Analogdarstellung eines Videosignals(HAMEG Gerät)
Bild 21: Analogdarstellung über la ger ter Störungen (HAMEG Gerät)