10 wichtige Überlegungen bei der Auswahl eines Digitizers/Oszilloskops

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.
Im Gegensatz dazu nutzen Digitizer die aktuell verfügbare hohe Verarbeitungsleistung und hochauflösende Displays von PCs. Darüber hinaus bieten sie alle Merkmale eines Oszilloskops. Seitdem Digitizer PC-gestützt arbeiten, können Anwender die Funktionalität ihres Messgeräts über die Software definieren. Deshalb können Digitizer nicht nur für Oszilloskop-, sondern auch für anwenderdefinierte Messungen und sogar u. a. als Spektrumanalysatoren, Frequenzzähler oder Ultraschallempfänger verwendet werden. Aufgrund ihrer offenen Architektur und flexiblen Software bieten Digitizer eine Reihe von Vorteilen gegenüber traditionellen Stand-alone-Oszilloskopen. Allerdings haben sie viele Gemeinsamkeiten und auch bei der Auswahl sollten ähnliche Aspekte bedacht werden.

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

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 Signalkomponente mit der höchsten Frequenz.

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 Komponenten. Um die genaue Form eines Signals zu bestimmen, braucht man einen Digitizer mit hoher Bandbreite. Eine 10-MHz-Rechteckkurve 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.

Abbildung 1: Ein Digitizer muss für die Erfassung einer Signalform mit hochfrequenten Komponenten 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.

 

                                  Abbildung 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 3 bis 5 Mal 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

 

Abtastrate

Im letzten Abschnitt wurde die Bandbreite erläutert, die eine der wichtigsten Spezifikationen eines Digitizers oder 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 Faustformel 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 3 oder 4 mal so hoch sein, wie die Bandbreite des Digitizers. Um zu verstehen, warum das so ist, sehen Sie sich folgende Abbildung an und überlegen dabei, welches digitalisierte Signal Sie auf Ihrem Oszilloskop lieber sehen würden.

Abbildung 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, dass durch die analoge Front-End-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 Applikationen ein Digitizer mit höherer Abtastrate verwendet werden.

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 eine Methode, bei der 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.

 

Digitizer- Modell	Kanal- anzahl	Echtzeit- abtastrate	Abtastrate im ETS-Modus	Bandbreite	Auflösung
NI 5152	2	2 GS/s	20 GS/s	300 MHz	8 bit
NI 5114	2	250 MS/s	5 GS/s	125 MHz	8 bit
NI 5124	2	200 MS/s	4 GS/s	150 MHz	12 bit
NI 5122	2	100 MS/s	2 GS/s	100 MHz	14 bit
NI 5105	8	60 MS/s	–	60 MHz	12 bit
NI 5922	2	500 kS/s bis 15 MS/s	–	6 MHz	16 bis 24 bit, anwenderdefiniert

 

Auflösung und Dynamikbereich

Wie oben beschrieben, integrieren sowohl digitale Oszilloskope als auch Digitizer 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 gegebenen Eingangsbereich ist die Anzahl der möglichen diskreten Pegel, die das Signal digital darstellen 2^b, wobei b für die Auflösung des Digitizers steht. Der Eingangsbereich ist in 2^b Schritte aufgeteilt und die kleinste vom Digitizer erkennbare Spannung wird mit (Eingangsbereich/2^b) 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 bit) 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 der Digitizer NI PXI-5922 mit flexibler Auflösung, der im Jahr 2006 von der Zeitschrift Test & Measurement World zum Produkt des Jahres gewählt wurde. Dieses Modul nutzt Linearisierungstechniken und bietet industrieweit unter allen Digitizern und Oszilloskopen den höchsten Dynamikbereich.

 

Digitizer-Modell	Auflösung	Kanalanzahl	Echtzeitabtastrate	Bandbreite
NI 5922	16 bis 24 bit (anwenderdefiniert)	2	500 kS/s bis 15 MS/s	6 MHz
NI 5122	14 bit	2	100 MS/s	100 MHz
NI 5124	12 bit	2	200 MS/s	150 MHz
NI 5105	12 bit	8	60 MS/s	60 MHz

 

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 umfassen Fenster-, Hysterese- und Videotriggerung (bei den Modulen NI 5122, NI 5124 und NI 5114).

High-End-Digitizer haben nur kurze Totzeiten zwischen Triggerimpulsen, so dass 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 scharf geschaltet und wartet auf einen weiteren Triggerimpuls. Kurze Totzeiten stellen 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.

Integrierter Speicher

Daten werden oft zum Zweck der Messung und Analyse vom Digitizer oder Oszilloskop zum PC übertragen. Diese Messgeräte können zwar mit der maximalen Abtastrate, die bei mehreren GS/s liegen kann, arbeiten, die Rate, mit der Daten zum PC übertragen werden können, wird allerdings 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 Fast-Fourier-Transformation (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 Onboard-Speicher voraussetzt.

 

Abbildung 4: Ein größerer Onboard-Speicher ermöglicht die Erfassung mit höherer Abtastrate über einen längeren Zeitpunkt, so dass mehr Punkte erfasst werden. Bei einer FFT-Analyse führt eine größere Zahl von Punkten zu einer höheren Frequenzauflösung.

 

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, wobei 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 5105 für 60 MHz Bandbreite, mit 12 bit 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 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 Busse mit höheren Geschwindigkeiten wie PCI und PCI Express um erstklassige Synchronisationstechnologie ergänzt.

Digitizer von NI, wie z. B. NI PXI-5105 und NI PXI-5152 integrieren die sogenannte T-Clock-Technologie, die eine Synchronisation bis auf wenige Zehntel Pikosekunden genau ermöglicht. Mit dieser Technologie wird etwa ein 34-kanaliges (simultan) Oszilloskop mit 1 GS/s mittels NI-PXI-5152-Digitizern in einem einzigen Chassis mit 18 Steckplätzen möglich. Genauso können mehrere Digitizer des Typs NI PXI-5105 synchronisiert werden, so dass sie ein System mit 136 Kanälen bilden, die jeweils mit 60 MS/s und einer Auflösung von 12 bit erfassen (siehe oben). Für eine höhere Kanalanzahl bietet PXI auch Timing-Module, mit denen mehrere Chassis zu Systemen mit bis zu 5000 Kanälen verbunden werden können.

Synchronisierung von mehreren Geräten

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

Die modularen Messgeräte von NI für die PXI-Plattform ermöglichen die Synchronisation aller dieser Arten von Messgeräten ohne externe Verkabelung durch Timing- und Synchronisationsfunktionen. 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 bis dorthin führen, aufhalten muss.

Mixed-Signal-Funktionalität

Mit derselben T-Clock-Technologie, die Systeme mit bis zu 136 synchronisierten Kanälen in einem einzigen PXI-Chassis oder 5000 Kanälen mit mehreren Chassis (wie oben beschrieben) ermöglicht, können auch verschiedene Arten der Messgeräte synchronisiert werden. So kann ein NI-Digitizer mittels T-Clock mit Signalgeneratoren, Digitalsignalgeneratoren und Digitalsignalanalysatoren synchronisiert werden, so dass ein Mixed-Signal-System entsteht.

Abbildung 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.

Software, Analysefähigkeit und Flexibilität

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 helfen.

Stand-alone-Oszilloskope sind herstellerdefiniert, während Digitizer vom Anwender definiert werden und deshalb flexibler sind. Ein Stand-alone-Oszilloskop bietet viele der Standardfunktionen, welche die Anforderungen vieler Anwender bereits abdecken. Jedoch werden sie nicht für alle Anwendungen genügen, v. a. 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.

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Abbildung 7: Vorkonfigurierte Express-Blöcke erlauben eine schnelle Inbetriebnahme eines Digitizers, so dass schon nach kurzer Zeit Daten erfasst werden können. NI LabVIEW SignalExpress ist eine interaktive Umgebung zur Erfassung, Analyse und Protokollierung von Daten ohne Programmieraufwand.

 

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, dass den jeweiligen Anforderungen am besten entspricht.

Weitere Ressourcen:

Digitizer/Oszilloskope von National Instruments

PXI: die industrielle Plattform für computerbasierte Messgeräte

Grundlagen zu Digitizern/Oszilloskopen

Vorteile der Softwareplattform für Hochgeschwindigkeits-Digitizer von NI