Application Note 5991-4088EN | Bewertung Oszilloskop Signal-Integrität und ENOB

Keysight Application Note 5991-4088EN | Bewertung Oszilloskop Signal-Integrität und ENOB

Applikationsschrift :: Bewertung der Oszilloskop Spezifikationen im Hinblick auf eine hohe Signal Integrität und was die ENOB über das Oszilloskop verrät.

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Produktinformationen "Application Note 5991-4088EN | Bewertung Oszilloskop Signal-Integrität und ENOB"

Applikationsschrift ::  Bewertung der Oszilloskop Spezifikationen im Hinblick auf eine hohe Signal Integrität und was die ENOB über das Oszilloskop verrät.

Die Signalintegrität bei Messungen an schnellen (und somit höher frequenten) Digitalsignalen mit Hilfe von Oszilloskopen ist von großer Bedeutung.

Entscheidend für die Auswahl eines Oszilloskopes gerade bei Messungen höherer Frequenzen sind:
ein flacher Frequnzgang über der zu messenden Amplitude, geringer Eigen-Jitter, geringes Eigenrauschen und die effektiven Bits (ENOB).

Dies ermöglicht Entwicklungs-Ingenieuren bei ihren Designs bessere Erkenntnisse zu gewinnen, zu verstehen, zu debuggen und zu charakterisieren.

In Kombination mit einer neuen, rauscharmen Eingangsstufe erreicht die Infiniium S-Oszilloskop Serie eine effektive Amplitudenauflösung (ENOB, Effective Number Of Bits) von über 8 bit - das ist Branchenrekord.   
ENOB beeinflusst die Genauigkeit von Jitter-, Augendiagramm und Amplituden-Messengen.

Wählen Sie ein Oszilloskop, das ihnen eine hohe Signalqualität bietet.
Hier bietet sich ideal die neue Infiniium S-Oszilloskop Serie an. Diese Oszilloskop-Serie verfügt über den schnellsten 10-bit-A/D-Wandler der Welt. Im Vergleich zu herkömmlichen Oszilloskopen mit 8-bit-A/D-Wandlern bietet die S-Serie eine vierfach höhere Amplitudenauflösung und zeigt dadurch entsprechend mehr Signaldetails.

In der Elektronik Praxis ist ein Grundsatzartikel erschienen, der das Thema ENOB näher beleuchtet.
Es werden darin die grundlegenden Parameter zur Qualifizierung von Oszilloskopen dargestellt. 

Auszug aus einem Artikel der Elektronikpraxis zum Thema ENOB: 

Die effektive Amplitudenauflösung, kurz ENOB, ist neben Bandbreite, Abtastrate und Speichertiefe eine wichtige Kenngröße für High-End-Oszilloskope. Doch die ENOB des A/D-Wandlers allein ist nicht aussagefähig.

Wenn ein Anwender für kritische Messungen ein Oszilloskop auswählt, muss er unbedingt wissen, was das Messsystem des Oszilloskops leistet. Banner-Spezifikationen wie Bandbreite, Abtastrate und Speichertiefe liefern zwar eine Grundlage für den Vergleich, diese Spezifikationen allein reichen aber nicht aus, um die Messqualität des Oszilloskops zu beschreiben.

Erfahrene Oszilloskopanwender vergleichen darüber hinaus die Aktualisierungsrate - und in er Laborklasse auch den Eigenjitter und das Eigenrauschen. Gute Werte bei diesen Parametern sind die Grundlage für bessere Messungen. Für Oszilloskope mit Bandbreiten im GHz-Bereich spielt noch eine weitere Kenngröße eine Rolle: Die Anzahl der effektiven Bits oder der ENOB-Wert des A/D-Wandlers (Effective Number of Bits). Welche Bedeutung hat der ENOB-Wert und welchen Einfluss hat dieser auf die Messgenauigkeit?

Der Einfluss der Eingangsstufe und des A/D-Wandlers auf ein Oszilloskop
Ein Oszilloskop für möglichst hohe Genauigkeiten setzen voraus, dass die Eingangsstufe und der A/D-Wandler präzise arbeiten. Die Eingangsstufe bereitet das Eingangssignal so auf, dass der A/D-Wandler es möglichst gut digitalisieren kann. Eine Eingangsstufe besteht aus Eingangsteiler, Vorverstärker und Signalleitung.

Bei der Entwicklung von Oszilloskop investieren Ingenieure viel Arbeit in eine Eingangsstufe mit flachem Frequenzgang, geringem Rauschen und den erwünschten Grenzfrequenzen. Der hohen Anforderungen wegen entwickelt jeder Oszilloskop-Hersteller seine A/D-Wandler selbst. Die Entwicklung einer Eingangsstufe und eines A/D-Wandlers erfordert einen erheblichen Aufwand, daher werden die entstehenden Baugruppen typischerweise in mehreren Oszilloskop-Baureihen und -Generationen eingesetzt. Maximale Messgenauigkeit wird erzielt, wenn diese Baugruppen das Messsignal möglichst wenig verändern.

Gesamtleistung des Oszilloskops anstatt ENOB oder Rauschen
Die Messqualität von Eingangsstufe und A/D-Wandler lässt sich nicht einzeln, sondern nur zusammen bestimmen. Hierzu gibt es etliche verschiedene Wege. Die Hersteller geben als Kennzahlen meist das Rauschen und die ENOB an, an denen man ermessen kann, wie gut der Eingangsteil (Frontend) eines Oszilloskops ist. Allerdings ist es zweckmäßig, die gesamte Leistung des Oszilloskops zu betrachten, statt nur isoliert auf ENOB oder Rauschen zu blicken.
 
Das Grundrauschen eines Oszilloskops bei unterschiedlichen Einstellungen für Vertikalablenkung und -Offset stellt ein ausgezeichnetes Kriterium für die Bewertung der Messqualität eines Oszilloskops dar. Es zeigt dem Anwender, wie erfolgreich die Entwickler dabei waren, ihrem Oszilloskops eine möglichst rauscharme Eingangsstufe mitzugeben. Rauschen des Oszilloskops sorgt für unerwünschten Jitter und verkleinert Spielräume beim Design.

Wie sich das Rauschen eines Oszilloskopes beurteilen lässt
Typischerweise weisen breitbandigere Oszilloskope ein höheres Rauschen auf als Geräte mit geringerer Bandbreite, weil bei ihnen auch höhere Frequenzen zum Rauschen beitragen, die bei Geräten mit geringerer Bandbreite durch einen Tiefpass ausgefiltert werden. Eine einfache Methode zur Beurteilung des Rauschens eines Oszilloskops ist, die Eingänge offen zu lassen und dann den Effektivwert der Eingangsspannung bei verschiedenen Empfindlichkeits- und Offseteinstellungen zu messen.

Das IEEE hat eine Methode zur Qualitätsbeurteilung des A/D-Wandlers beschrieben, die auf der ENOB basiert. In heutigen Oszilloskopen arbeiten die A/D-Wandler meist nach dem Bauprinzip Pipeline-Wandler oder Flash-Wandler. Pipeline-Wandler mit zwei oder mehr Unterbereichen und erreichen so eine höhere Abtastrate.

Die Oszilloskope der Familie Keysight (vormals Agilents elektronische Messtechnik) 90000A beispielsweise tasten mit 20 GS/s ab. Sie erreichen diese hohe Abtastrate durch die Kombination von 80 Unterbereichen mit je 256 MS/s. Interessanterweise - und auf den ersten Blick widersinnig - erreichen manche Oszilloskope die höchste Genauigkeit nicht bei der höchsten Abtastrate, denn hierbei treten durch das Interleaving zusätzlich Verzerrungen und hochfrequentes Rauschen auf.

Das IEEE und der ENOB-Standard für A/D-Wandler
Flash-Wandler bestehen aus einer Reihe von Komparatoren, die alle gleichzeitig das Eingangssignal prüfen, wobei jeder von ihnen bei "seinem" Ausgangsspannungsbereich ein Ausgangssignal abgibt. Die Komparatoren speisen eine Logikschaltung, die für jeden Spannungsbereich einen Digitalwert abgibt.

Jede A/D-Wandler-Technik hat ihre typischen Grenzen. Flash-Wandler beispielsweise sind anfällig für Nichtlinearitätsfehler, wohingegen Pipeline-Wandler eher Interleaving-Fehler aufweisen. Das IEEE hat seinen ENOB-Standard geschaffen, damit Anwender beurteilen können, wie gut verschiedene A/D-Wandler sind.

Die ENOB des Oszilloskopes ist niedriger als die ENOB des A/D-Wandlers
Die Oszilloskop-Hersteller bestimmen die ENOB ihrer A/D-Wandler und außerdem die ENOB des gesamten Geräts, die etwas niedriger liegt als die ENOB des A/D-Wandlers allein. Weil der A/D-Wandler allerdings Teil des Gesamtsystems ist und nicht separat benutzt werden kann, ist für den Anwender allein die ENOB des Gesamtgeräts eine sinnvolle Kenngröße.

Ein Anwender wird normalerweise weniger als die vollen 8 Bit des A/D-Wandlers seines Oszilloskops ausnutzen. Wollte er tatsächlich die vollen 8 Bit verwenden, müsste er das Eingangssignal so skalieren, dass es den kompletten Messbereich abdeckt. Das erschwert aber das Ablesen des Signals, außerdem riskiert der Anwender, dass er den A/D-Wandler in die Sättigung fährt. Und das mit den entsprechenden nachteiligen Folgen.

Skaliert der Anwender das Signal aber so, dass es nur 90% des Messbereichs abdeckt, so reduziert er seinen 8-Bit-AD-Wandler zu einem 7,2-bit-A/D-Wandler, da 90% von 8 Bit 7,2 sind. Faktoren wie Rauschen der Eingangsstufe, harmonische Verzerrungen und Interleaving-Fehler kosten im A/D-Wandler weitere Auflösung.

5 wichtige Fakten über die ENOB eines Oszilloskopes

1. Was ist die ENOB und wie wird sie gemessen?
Die ENOB wird mit einem Sinussignal fester Amplitude gemessen, das über die Oszilloskop-Bandbreite hinweg durchstimmt. Alle gemessenen Spannungen werden erfasst und bewertet. In der Zeitebene werden die ENOB berechnet, indem von der tatsächlich gemessenen Spannung der "theoretisch richtige" Spannungswert subtrahiert wird. Der Unterschied zwischen beiden ist Rauschen.

Das entstandene Rauschen kann aus der Eingangsstufe des Oszilloskops stammen, von Phasennichtlinearitäten oder vom Amplitudenfrequenzgang. Das Rauschen kann auch von Interleaving-Verzerrungen der A/D-Wandler kommen. Wird das gleiche Signal in der Frequenzebene bewertet, so ist die ENOB die Differenz zwischen dem Pegel über dem gesamten Spektrum abzüglich des Pegels des Grundtons. Auf beiden Wegen kommt man zum gleichen Ergebnis. Führt der Anwender eigene ENOB-Messungen durch oder will er die ENOB-Werte kontrollieren, die der Oszilloskop-Hersteller angibt, müssen die ENOB-Ergebnisse von der Spektralreinheit der eingesetzten Signalquelle abhängen.

Zunächst muss sichergestelt werden, dass die ENOB der Quelle (also des Signalgenerators und der zugehörigen Filter) größer ist als die ENOB des Oszilloskops. Zweitens hängen die ENOB-Werte vom Amplitudenverhältnis zwischen Quellsignal und Skalenendwert des Oszilloskops ab. Man erhält jeweils andere ENOB-Werte, wenn das Quellsignal 75 oder 90% des Skalenendwerts des Oszilloskops beträgt. Bei jedem Vergleich der ENOB-Spezifikation mit eigenen Messwerten müssen Amplitude und Frequenz des Testsignals berücksichtigt werden.

2. Was bringt die ENOB?
Die ENOB ist ein gutes Maß für die Qualität des A/D-Wandlers eines Oszilloskops. Wenn ein Oszilloskop eine gute ENOB hat, weist es minimale Zeitfehler und niedriges Rauschen auf, und hat keine Zacken im Frequenzgang. Die Zacken werden typischerweise durch Interleaving-Verzerrung verursacht. Wenn in einer Anwendung hauptsächlich Sinussignale vorkommen, stellt die ENOB ein gutes Kriterium für die Auswahl eines geeigneten Oszilloskops dar.

3. Was kann die ENOB nicht?
Zwar ist die ENOB eine Maßzahl für die "Güte" von A/D-Wander und Eingangsstufe, doch lässt sie einige qualitätsbestimmende Parameter außer Acht - insbesondere Offset, Phasenfehler und Frequenzgangverzerrungen.

Die ENOB berücksichtigt Offsetfehler eines Oszilloskops nicht. Zwei Oszilloskope mit gleicher ENOB können vom gleichen Testsignal durchaus die gleiche Kurvenform zeigen, allerdings in absoluten Spannungswerten vertikal verschoben. Offset, Rauschen oder Gleichstromverstärkungsgenauigkeit wären in diesem Fall bessere Maßzahlen zur Bewertung des Oszilloskops.

Die Auswahl eines geeigneten Oszilloskops wäre einfacher, wenn alle Oszilloskope flache Frequenz- und Phasengänge sowie die gleichen Grenzfrequenzen hätten. Das ist allerdings nicht der Fall, und üblicherweise finden sich in den Herstellerunterlagen auch keine Frequenz- und Phasengänge. Dazu gibt die ENOB keine Auskunft darüber, ob der Frequenzgang eben ist und ob Phasenfehler vorliegen.

Jedes Oszilloskop-Modell weist einen unterschiedlichen Frequenzgang und andere Phasenfehler auf. Beispielsweise zeigen zwei Oszilloskop-Modelle, beide mit einer Bandbreite von 6 GHz, von einem 2,1-GHz-Sinussignal jeweils ein anderes Bild auf ihrem Bildschirm. Das eine Gerät mag jenseits der Grenzfrequenz recht langsam abfallen und mit nur geringer Phasenkorrektur arbeiten, während das andere einen Frequenzgang aufweisen mag, der vor der Grenzfrequenz überschwingt, und dazu mit einem Phasenkorrekturalgorithmus arbeiten, der die Phase deutlich korrigiert. Man kann somit leider nicht generell sagen, dass ein Oszilloskop mit einer höheren ENOB das Eingangssignal stets genauer darstellt.

4. Wie kann die ENOB des Oszilloskops verbessert werden?
Das einfachste wäre ein Oszilloskop mit einer höheren ENOB zu kaufen. Fragt man Hersteller, teilt er die ENOB-Werte jedes Modells mit. Die meisten High-End-Oszilloskope sind mit Filtern zur Bandbreitenbegrenzung ausgestattet. Ein solcher Filter blendet hochfrequente Signalbestandteile einschließlich Interleaving-Fehler und Rauschen aus, was die ENOB verbessert. Schließlich kann bei repetitiven Signalen das Breitbandrauschen durch Messwertemittelung im so genannten "hochauflösenden Modus" verringert werden. Mit solchen Betriebsarten lässt sich wirkungsvoll die Messgenauigkeit erhöhen.

5. Wie wichtig ist die ENOB bei der Auswahl des richtigen Oszilloskops? 
Ob die ENOB die Messergebnisse beeinflusst, hängt sehr davon ab, was man messen will. Sicherlich sollten ENOB-Kurven zusammen mit Messungen des Eigenrauschens betrachtet werden. Schnelle serielle Daten weisen an typischen Frequenzen Harmonische auf, die das Messsystem durchlaufen, unbeeinträchtigt von einer Verringerung der Zahl der effektiven Bits.

Bei solchen Signalen ist das Eigenrauschen des Oszilloskops ein besseres Maß für die Messgenauigkeit. Wenn die Messsignale hauptsächlich Sinussignale auf der Grundfrequenz sind (hier kommen einem einige Anwendungen in der Militärtechnik in den Sinn), ist die ENOB oft ein hervorragendes Kriterium.

Der Anwender kann in solchen Fällen den Hersteller seines Oszilloskops nach der ENOB-Kurve des betreffenden Modells fragen, das er einsetzen will. Der Anwender sollte wissen, wie die ENOB-Leistung des Oszilloskops aussieht. Da sich die ENOB mit der Frequenz ändert muss der Messtechniker die komplette spezifizierte Bandbreite des Gerätes kennen.

Artikel von Brig Asay / Product Manager für Keysight (vormals Agilents elektronische Messtechnik) High End Realtime Geräte und Peter Kasenbacher Keysight (vormals Agilents elektronische Messtechnik) EMEA Product Line Manager für Oszilloskope. Erschienen bei Elektronikpraxis

 

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