Der zunehmende Absatz und der Wettbewerbsdruck führen zu sinkenden Preisen. Infolgedessen nähern sich die Kosten für die Anschaffung eines 12-Bit Oszilloskops allmählich den Kosten herkömmlicher Geräte an. Noch vor ein paar Jahren musste man sich die Frage stellen, ob das wesentlich höhere Investment für ein „HD-Oszi“ genügend Vorteile liefert oder für die Messaufgabe unbedingt notwendig ist. In vielen Fällen stand auch im Raum, dass der Standardlieferant gewechselt werden muss, da dieser keine 12-bit Lösung anbieten konnte.
Natürlich hat die bessere Verfügbarkeit der 12-Bit Oszilloskope, die Anzahl der Anwendungen, welche wirklich eine hohe vertikale Auflösung benötigen, nicht verändert. Ferner basiert die große Masse der Geräte auf dem Markt weiterhin auf 8-Bit AD-Wandlern. Aber der Preisdruck auf diese Instrumente steigt und forciert zukünftige Preisanpassungen. Aus Anwendersicht ist die momentane Entwicklung sehr vorteilhaft. Das bedeutet, dass der Kunde die Möglichkeit hat, gegen einen geringen Aufpreis die neueste Technologie zu erwerben und andererseits können Kunden auch finanziell von der Preissenkung bei der älteren Technologie profitieren.
Vorteil einer feineren vertikalen Abtastung
Doch bevor wir die Vorteile einer feineren Abtastung diskutieren, noch kurz die Erläuterung zur Rolle des AD-Wandlers: Der AD-Wandler, wie der Name schon sagt, ist in der Lage aus einem analogen Signal ein digitales Signal zu erzeugen. Hierzu wird zeitlich äquidistant abgetastet und die analoge Spannung zum Abtastzeitpunkt einer verfügbaren digitalen Stufe zugeordnet. Aus diesem Prozess lässt sich leicht ableiten, dass eine größere Anzahl verfügbarer Stufen eine genauere Reproduktion des Signals ermöglicht. Bei einer 8-bit Wandlung wird der analoge Eingangsbereich in 28 = 256 Stufen eingeteilt. Ein kleines Beispiel soll nun verdeutlichen, wie sich eine 12-Bit-Wandlung auf die Genauigkeit der Amplitudenerfassung auswirkt. Mit einer vertikalen Einstellung von 200mV/Skaleneinteilung und mit den üblichen 8 Skaleneinteilungen kann am Display ein Signal mit maximal 1,6V angezeigt werden. Teilt man diesen Bereich in 256 Stufen, erhält man 6,25 mV pro Stufe (bzw. Bit). Wird ein Bit aufgrund von Rauschen, Nichtlinearität falsch gesetzt liegt der Fehler bei circa 0,4 Prozent. In der Realität sind es mehr als ein Bit, so dass schnell ein Fehler von 2 Prozent entstehen kann. Mit dem Einsatz von 12-Bit AD-Wandlern lässt ich die Genauigkeit auf circa 0,5 Prozent verbessern. Berücksichtigt man auch noch die bandbreitenbedingte Messungenauigkeit (3db-Bandbreiten-Definition) von Oszilloskopen, ergibt sich, dass die Verbesserung der Pegelmessgenauigkeit von zum Beispiel 2 auf 0,5 Prozent nicht die wichtigste Aspekt ist.
Der große Vorteil einer feineren vertikalen Abtastung zeigt sich bei Messungen von sehr kleinen Signaldetails und bei Messungen von kleinen Signalen bei der Anwesenheit von hohen Signalen. Die Entwicklung der Halbleitertechnologie hat unter anderem dazu geführt, dass die Amplitude und die Toleranzen bezüglich Ripple und Drift von On-Board-DC-Versorgungsspannungen stark gesunken sind. „Power Integrity“ Messungen werden damit wichtiger und eben auch komplexer. An dieser Stelle können Oszilloskope mit höherer vertikaler Auflösung ihre Stärken zeigen. Die Erhöhung von 8 auf 12 Bit bringt eine 16-fach höhere Auflösung und ermöglicht eine wesentlich genauere Bestimmung von Ripple und Spannungspegel.
Bessere „Sicht“
Die Fähigkeit mehr Signaldetails sehen zu können, ist ein weiterer wichtiger Gewinn. Die Leistungselektronik hat sich in den letzten Jahren sehr stark verändert. Die neuen Halbleiter SiC und GaN ermöglichen schnelle Schaltzyklen und auch höhere Schaltspannungen. Die Problematik bei der Messung ist, dass der große Spannungshub dargestellt werden muss. Hierbei ist die vertikale Ablenkung auf hohe V/div-Einstellung gesetzt. Bei 8-bit Erfassung bedeutet das, dass die oben beschriebene Stufenhöhe pro Bit groß ist. Entsprechend wird eine Betrachtung der Signaldetails schwierig. Allerdings sind genau diese Details der interessante Bereich der Schaltspannung. Für die Analyse dieser Signale und von möglicherweise auftretenden Schwingungen auf dem High- oder Low-Pegel ist ein Oszilloskop mit höherer vertikaler Auflösung äußerst nützlich.
Im Rahmen der Entwicklung von IoT-Geräten sind viele der bisher beschriebenen Herausforderungen vereint. Signale von Sensoren können hier sehr klein sein, Versorgungsspannungen von µController müssen „sauber“ sein und innerhalb der Toleranzen liegen. Ungewollte Schwingungen können u.a. auch zu Schwierigkeiten bei der EMV führen. Der Einsatz eines 12-bit Oszilloskops unterstützt den Entwickler beim Lösen der Mess- und Entwicklungsaufgaben und hilft somit Produkte schneller an den Markt zu bringen.
