Frequenzbegrenzung eines Oszilloskops

Bandbreite

Oszilloskope, wie Multimeter, sind wesentliche Werkzeuge zum Verständnis von Schaltungen. Sie haben jedoch ihre Grenzen. Um ein Oszilloskop effektiv zu nutzen, ist es entscheidend, diese Einschränkungen zu kennen und Wege zu finden, sie zu umgehen.

Ein wichtiges Merkmal eines Oszilloskops ist seine Bandbreite. Die Bandbreite bestimmt, wie schnell es analoge Signale abtasten kann. Was ist Bandbreite? Viele denken, es sei die maximale Frequenz, die das Gerät verarbeiten kann. Tatsächlich ist die Bandbreite die Frequenz, bei der die Amplitude des Signals um 3dB, oder 29,3% unter der tatsächlichen Amplitude, fällt.

Bei der maximalen spezifizierten Frequenz zeigt das Oszilloskop 70,7% der tatsächlichen Signalamplitude an. Zum Beispiel, wenn die tatsächliche Amplitude 5V beträgt, wird das Gerät sie als etwa 3,5V anzeigen.

Oszilloskope mit einer Bandbreite von 1 GHz oder weniger haben eine gaußsche oder Tiefpass-Frequenzantwort, die bei einem Drittel der -3 dB-Frequenz beginnt und bei höheren Frequenzen allmählich abnimmt.

Geräte mit einer Spezifikation über 1 GHz zeigen eine maximal flache Antwort mit einem schärferen Abfall in der Nähe der -3 dB-Frequenz. Die niedrigste Frequenz des Oszilloskops, bei der das Eingangssignal um 3 dB abgeschwächt wird, gilt als Bandbreite des Geräts. Ein Oszilloskop mit maximal flacher Antwort kann In-Band-Signale weniger stark abschwächen im Vergleich zu einem Oszilloskop mit gaußscher Antwort und führt präzisere Messungen an In-Band-Signalen durch.

Andererseits schwächt ein Oszilloskop mit gaußscher Antwort Out-of-Band-Signale weniger im Vergleich zu einem Oszilloskop mit maximal flacher Antwort. Das bedeutet, dass solch ein Gerät eine schnellere Anstiegszeit hat im Vergleich zu anderen Geräten mit derselben Bandbreiten-Spezifikation. Die Anstiegszeit-Spezifikation eines Oszilloskops hängt eng mit seiner Bandbreite zusammen.

Ein Oszilloskop mit gaußscher Antwort hat eine Anstiegszeit von etwa 0,35/f BW basierend auf dem Kriterium von 10% bis 90%. Ein Oszilloskop mit maximal flacher Antwort hat eine Anstiegszeit von etwa 0,4/f BW basierend auf der Schärfe der Frequenz-Abfallcharakteristik.

Die Anstiegszeit ist die schnellste Flankensteilheit, die ein Oszilloskop anzeigen kann, wenn das Eingangssignal eine unendlich schnelle Anstiegszeit hat. Da die Messung dieses theoretischen Werts unmöglich ist, ist es besser, einen praktischen Wert zu berechnen.

Vorsichtsmaßnahmen für präzise Messungen am Oszilloskop

Das Wichtigste, was Nutzer wissen müssen, ist die Bandbreitenbegrenzung des Geräts. Die Bandbreite des Oszilloskops sollte ausreichend breit sein, um die Frequenzen innerhalb des Signals zu erfassen und die Wellenform korrekt anzuzeigen.

Der mit dem Oszilloskop verwendete Sonde spielt eine wichtige Rolle für die Leistung des Geräts. Die Bandbreite des Oszilloskops sowie der Sonde sollten in angemessener Kombination stehen. Die Verwendung einer unpassenden Oszilloskopsonde kann die Leistung der gesamten Testausrüstung beeinträchtigen.

Um Frequenz und Amplitude genau zu messen, sollten die Bandbreiten sowohl des Oszilloskops als auch der daran angebrachten Sonde deutlich über der Frequenz des zu erfassenden Signals liegen. Wenn beispielsweise eine Genauigkeit der Amplitude von ~1% erforderlich ist, dann sollte die Bandbreite des Oszilloskops 10 Mal höher sein. Das bedeutet, dass ein 100 MHz-Oszilloskop ein 10 MHz-Signal mit einem Fehler von 1% in der Amplitude erfassen kann.

Es muss darauf geachtet werden, dass das Oszilloskop korrekt ausgelöst wird, damit die resultierende Wellenformansicht deutlicher ist.

Nutzer sollten sich bei Hochgeschwindigkeitsmessungen der Erdungsclips bewusst sein. Der Draht des Clips erzeugt Induktivität und Schwingungen in der Schaltung, die die Messungen beeinflussen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass für analoge Oszilloskope die Bandbreite mindestens dreimal so hoch sein sollte wie die höchste analoge Frequenz des Systems. Für digitale Anwendungen sollte die Bandbreite des Oszilloskops mindestens fünfmal so hoch sein wie die schnellste Taktfrequenz des Systems.