IE-Digitalspeicherscope

Komplementärfach IE

Digitalspeicherscope

Schriftliche Ausarbeitung

Stand: 16.05.2006

Verfasser: DAMBERGER Matthias

DAMBERGER Matthias 5HIB (2005/2006) Seite 1/13

Inhaltsverzeichnis

1. Allgemeines.............................................................3

2. AD-Wandlung..........................................................3

3. Baugruppen.............................................................5

Grundprinzip

Y-Kanäle

Pre-Triggerspeicher

Anzeigespeicher und Bilddarstellung

Triggerschaltung

Abtastung und Zeitbasis

IEC-Bus-Interface

4. Betriebsformen (3 Wichtig!)...................................11

Refresh-Mode - wichtig

Roll-Mode - wichtig

Save-Mode

Compare-Mode

Minimum-Maximum-Mode

Chopper und alternierender Betrieb - wichtig

Single-Mode

Clear-Funktion

Local-Mode

Bibliografie................................................................13

Anhang.....................................................................13


1. Allgemeines

Das Digitalspeicheroszilloskop besitzt im Gegensatz zum analogen beliebig lange Speicherzeit und kann in prozessorgesteuerte Meßsysteme integriert werden. Die obere Grenzfrequenz wird vor allem durch die Umsetzungszeiten der A/D- und D/A-Umsetzer bestimmt.

Ein übliches Oszilloskop liefert für das Auge nur dann stehende Bilder, wenn das Eingangssignal eine sich periodisch schnell wiederholende Spannung ist. Einmalige, aber auch sehrlangsam ablaufende periodische Vorgänge - letztere erzeugen einen wandernden Punkt lassen sich nur mit einem Speicheroszilloskop oszillographisch analysieren. y-t-Schreiber sind zur Darstellung langsamer Spannungs-Zeit-Abläufe ebenfalls gut geeignet. Sie scheiden allerdings bei schnellen Impulsvorgängen wegen ihrer mechanischen Trägheit aus.Lange Zeit stand für diese Messaufgaben nur das Analogspeicheroszilloskop zur Verfügung, bei dem mittels Speicherröhre das Bild für Minuten bis Stunden sichtbar gehalten werden kann. Man findet diese Oszilloskope auch heute in der Messtechnik vor allem da, wo hochfrequente Signale zu speichern sind. Mit den Fortschritten in der Herstellung schneller und genauer Analog-Digital- und Digital-Analog-Umsetzer sowie von schnellen RAM-Speichern ist das analoge mehr und mehr vom digitalen Speicheroszilloskop verdrängt worden. Der Aufwand für das digital speichernde Gerät ist zwar vergleichsweise größer, hat aber doch zwei ganz wesentliche Vorzüge: Die Speicherzeit ist praktisch unbegrenzt, und es kann mit anderen digitalen Messgeräten in ein Meßsystem integriert werden. So wird verständlich, dass das Digitalspeicheroszilloskop heute schon zum Standard in der Oszillographenmesstechnik gehört.

2. AD-Wandlung

Flash ADC (Parallel ADC)

Beim Parallelverfahren wird in einem Prozeß die Eingangsspannung (Ue) in einen Digitalwert umgewandelt. Die Ue (siehe Abb. 0/Input) wird gleichzeitig mit n Referenzspannungen (VREF) verglichen und es wird festgestellt zwischen welchen zwei sie liegt.

Die Flash-Wandlung basiert auf „Vergleichern“ (Komparatoren). Allerdings ist bei Flash-Wandlern für jeden möglichen Ausgangswert (bis auf den kleinsten bzw. größten) ein separat implementierter Komparator erforderlich. Ein 8-Bit-Flash-Wandler benötigt somit z. B. 28−1 = 255 Komparatoren. Bei höheren Auflösungen steigt der erforderliche Aufwand drastisch an, weshalb Flash-Wandler typischerweise nur in kleinen Auflösungen von etwa 8 bis 12 Bit verfügbar sind.


Das analoge Eingangssignal wird im Flash-Wandler gleichzeitig von allen Komparatoren mit den (über einen mehrstufigen Spannungsteiler erzeugten) Referenzgrößen verglichen. Anschließend erfolgt durch eine Kodierlogik die Umsetzung der 2n−1 Komparatorsignale in einen n bit breiten Binärcode (mit n: Auflösung in bit). Das Resultat steht damit nach den Durchlaufverzögerungen (Schaltzeit der Komparatoren sowie Verzögerung der Kodierlogik) sofort zur Verfügung.

Flash-Wandler kommen normalerweise in allen Digitaloszilloskopen und bei der Digitalisierung von Videosignalen zur Anwendung. Als Beispiel ermöglicht der MAX108 bei einer Auflösung von 8 bit eine Abtastrate von 1,5 GHz.

Abb. 0 Parallel ADC; vereinfachte Darstellung von MAX1151

Vorteil:sehr schnell

(750 Msps = M samples per second)

Nachteile:hoher Preisschlechte Auflösunghohe Verlustleistung (6W)hohe Komparatorenanzahl (z. B. bei

10 bit ADC braucht man 210 Komparatoren)


3. Baugruppen

Grundprinzip

Bild 3 (im Anhang) zeigt das Funktionsschaltbild eines Digitalspeicheroszilloskops. Die analoge Eingangsspannung wird verstärkt und mit einem Analog-Digital-Umsetzer digitalisiert. Die so entstehenden Datenwörter werden nacheinander in einen RAM-Speicher geschrieben. Der Speicher enthält nun die Daten für ein Oszillogramm. Um das auf dem Bildschirm sichtbar zu machen werden die Daten mittels DAU wieder in Analogwerte zurückgewandelt und abgebildet.

Der RAM-Speicher kann nun ähnlich einem Schieberegister den Speicherinhalt permanent im Ring zirkulieren lassen, so dass auf dem Bildschirm immer der gleiche Bildausschnitt erscheint, also ein stehendes Bild entsteht. Das gespeicherte Oszillogramm bleibt erhalten bis der Speicherinhalt erneuert wird. Die sehr vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten des Digitalspeicheroszilloskops, vom einfachen Labormessgerät bis hin zum automatisierten Messplatz, bringen es mit sich, dass es eine Vielzahl von Ausführungen gibt. Hier kann nur auf die Grundstruktur eingegangen werden. Bild 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild. Es handelt sich um ein 2-Kanal-Oszilloskop mit der Möglichkeit der Fernsteuerung über den IEC-625-Meßbus. Wegen der großen Zahl an Steuerungsfunktionen werden diese meist von einem Mikroprozessor übernommen. Er überwacht die Bedienungselemente an der Frontplatte und bedient entsprechende Schalter und Kontakte über den Systembus. Im Fall der Fernsteuerung übernimmt er gemeinsam mit der Interfacebaugruppe die Koordinierung des Datenverkehrs.

Abb. 1


Y -Kanäle

Die beiden Kanäle Y1 und Y2 sind am Eingang ähnlich gestaltet wie bei einem herkömmlichen Oszilloskop. Es gibt die Umschaltmöglichkeiten DC-AC-GND, um den Wechselspannungsanteil vom Signal abtrennen und die Nulllinie einstellen zu können. Über die Abschwächer-Verstärkereinheit wird das Signal in kalibrierten Stufen dem Bildschirm angepasst. Zusätzlich erfolgt hier die Positionseinstellung in y-Richtung. Der nachfolgende Umschalter ist typisch für ein 2-Kanal-Oszilloskop mit den Darstellungsmöglichkeiten:

Y1 und +/- Y2:jeweils im Einkanalbetrieb, Y2 invertierbar.

Y1 +/- Y2:Addition und Subtraktion der Signale.

Chopperbetrieb:2-Kanal-Betrieb mit ständigem Wechsel zwischen Y1 und Y2 während des Strahldurchlaufs.

Alternierender Betrieb:Y1 und Y2werden jeweils im Wechsel für einen ganzen Strahldurchlauf an die y-Platten geführt.

Vom analogen Eingangssignal werden mit einer schnellen Abtastschaltung (Sample-and-Hold) Proben genommen. Anschließend erfolgt die Analog-Digital-Umsetzung (ADU) der Probe in einen Digitalwert. Häufig ist es eine 8-Bit-Dualzahl. In diesem Fall ist dann festgelegt, dass in y-Richtung insgesamt 28 = 256 verschiedene Spannungswerte unterschieden werden können.

Die analoge Eingangsspannung wird im y-Kanal von einer Sample-and-Hold-Schaltung abgetastet und mit einem ADU in einen Binärcode umgesetzt. Mit 8 Bit ergeben sich 256 Spannungswerte in y-Richtung des Bildschirms.

Pre-Triggerspeicher

Dieser Speicher wird im Blockschaltbild 3 aus einem 4-KByte-RAM gebildet, d.h. es können maximal 4096 verschiedene 8-Bit-Wörter oder Bytes des ADU gespeichert werden. Wie der Name Pre-Triggerspeicher sagt, werden hier Werte gespeichert, die bereits vor dem Triggerzeitpunkt liegen. Über die Frontplatteneinstellung „Pre-Trigger“ kann man wählen, wie viel Bildanteil vor der Triggerung angezeigt werden soll. Die üblichen Einstellungen sind 0%,25%,50%,75%,100%. Bei 0% wird der Pre-Triggerspeicher gar nicht in Anspruch genommen, bei 100% wird er voll benutzt und das dargestellte Oszillogramm zeigt nur den


Spannungsverlauf unmittelbar vor der Triggerung an. Die einzelnen Speicherplätze werden nacheinander vom Pre-Triggerspeicher-Adressenzähler aufgerufen. Das jeweilige ADU-Datenwort wird gespeichert. Der Adressenzähler beginnt seine Zählung bei 100% Pre-Trigger mit der Adresse 0, bei 75% mit der Adresse 1024, bei 50% mit Adresse 2048, bei 25% mit Adresse 3072 und bei 0% wird gar nicht mehr gezählt, er steht auf Adresse 4095.Bei Erreichen der höchsten Adresse beginnt die Zählung wieder von vorn mit der eingestellten Pre-Triggeranfangsadresse. Bevor ein Speicherplatz des RAM wieder neu beschrieben wird, erfolgt das Auslesen dieser Adresse und die Übernahme des Inhalts in einen 8-Bit-Zwischenspeicher (Latch). Von hier aus werden nun nacheinander die Pre-Triggerbytes an den Anzeigenspeicher weitergegeben, sobald ein Triggerstart erfolgt.

Der Pre-Triggerspeicher dient der Darstellung von Spannungswerten, die vor dem Triggerzeitpunkt liegen.

Anzeigespeicher und Bilddarstellung

Auch der Anzeigespeicher ist im Blockschaltbild 7.68b als 4-KByte-RAM ausgeführt. Die einzelnen RAM-Adressen (0 bis 4095) werden vom Adressenzähler dieses Speichers angewählt. Zugleich dienen die binär codierten Adressen aber auch der Erzeugung einer Treppenspannung mit 4096 Spannungsstufen durch den x-Digital-Analog-Umsetzer (x-DAU). Die Treppenspannung wird als x-Ablenkspannung des Oszilloskops verwendet. Der Anzeigespeicher wird mit den vom Pre-Triggerspeicher ausgegebenen Digitalwerten im Zählerrhythmus gefüllt sobald ein Triggervorgang ausgelöst ist. Die Zähler von Pre-Trigger- und Anzeigespeicher arbeiten mit der gleichen Zählfrequenz. Bild 2 soll den Vorgang für den Fall eines 25% Pre-Triggers veranschaulichen. In den Pre-Triggerspeicher werden ständig die Daten des ADU Adresse für Adresse abgelegt. Der Adressenzähler läuft zyklisch von 3072 bis 4095. Die übrigen Speicherplätze (0 bis 3071) sind bei 25% Pre-Triggeranteil ungenützt. Erfolgt nun eine Triggerung beispielsweise, wenn der Zähler gerade auf 3072 kommt, so wird das hier vom letzten Zählerdurchgang gespeicherte Datenwort zunächst in den Zwischenspeicher (Latch) abgegeben bevor das im Zeitpunkt des Triggers ankommende ADU-Datenwort in Adresse 3072 eingespeichert wird.


Abb. 2

Vom Latch aus übernimmt der Anzeigespeicher nun in seiner Adresse 0 das „alte Datenwort“. Dieser Vorgang wiederholt sich bis der Pre-Triggerzähler auf 4095 steht. Damit sind alle „alten Datenworte“ in den Anzeigespeicher eingeschrieben, er steht jetzt auf Adresse 1023. Wenn nun der Pre-Triggerzähler auf 3072 zurückspringt, befindet sich dort als Datenwort der zum Zeitpunkt der Triggerung eingespeicherte Wert. Das bedeutet, von jetzt an übernimmt der Anzeigespeicher Datenwörter, die nach dem Triggerzeitpunkt im Pre-Triggerspeicher abgelegt wurden. Ist der Anzeigespeicher bei Erreichen der Adresse 4095 gefüllt, wird die Torschaltung geschlossen. Jetzt steht eine vollständige, gespeicherte Bildinformation zur Verfügung. Die Daten können nun aus dem RAM gelesen (beginnend mit Adresse 0) und vom y-DAU wieder in analoge Spannungswerte zurück gewandelt werden. Nach einer Glättung der Spannungssprünge durch das Smoothfilter (RC- Tiefpaß) gelangt das analoge Signal über den y-Ablenkverstärker an die y-Platten. Da ja die x-Ablenkspannung vom Adressenzähler des Anzeigespeichers abgeleitet ist, also synchron mit den y-Spannungswerten läuft, wird der Inhalt des Anzeigespeichers genau im Bildbereich der Oszilloskopröhre als Spannungs-Zeit-Diagramm dargestellt.

Der Anzeigespeicher ist ein RAM. Seine Speicherkapazität umfasst die y-Daten für ein Oszillogramm. Der y-DAU setzt die gespeicherten Daten wieder in analoge Spannungswerte um.


Die x-Ablenkspannung wird von einer Treppenspannung gebildet, deren Stufenzahl so groß ist wie die Zahl der Anzeigespeicherplätze.

Triggerschaltung

Die Triggerung des Digitalspeicheroszilloskops arbeitet prinzipiell ebenso wie die des herkömmlichen. Wie dort kann der Start der x-Ablenkung auch hier von den internen Y1- oder Y2-Eingangsspannungen, von einem externen Signal oder von der Netzfrequenz (Linie) abgeleitet werden. Desgleichen kann eine Filterung vorgesehen werden, und man findet ebenso die unterschiedlichen Modi: Normal, Automatik, Single Sweep mit positiver oder negativer Flanke (+/- Slope) und Einstellung der Triggerschwelle. Besonderheiten ergeben sich allerdings bei der Zeitbasis.

Abtastung und Zeitbasis

Die Zeitbasiseinstellung lässt Zeitteilungen der x-Achse über einen sehr großen Bereich zu:

Z. B. 5 s/cm bis 0,1 μs/cm

Zu beachten ist dabei allerdings, dass nicht jede Zeitbasiseinstellung zur Echtzeitdarstellung des y-Signals führt. Eine Grenze bildet dabei die maximale Umsetzungsfrequenz (Abtastrate) des A/D- Umsetzers im y-Kanal. Am Oszilloskop ist der Zeitbasisbereich für Echtzeitsampling deutlich markiert. In diesem Bereich erhält die Abtastschaltung (Sampie and Hold) über den Steuerbus jeweils einen neuen Abtastimpuls (Sampie), wenn der ADU das Ende der Umsetzung (EOC = End of Conversion) signalisiert und das Datenwort vom Pre-Triggerspeicher übernommen worden ist. Bei Eintreffen eines Triggerimpulses werden die Daten in den Anzeigespeicher übernommen und anschließend ausgelesen, wobei die x-Ablenkung durch die bereits beschriebene Treppenspannung erfolgt. Das so genannte Echtzeitsampling wird für höhere Frequenzen, bei denen ja die Zeitbasis auf kleinere Zeitwerte umgeschaltet wird, vom sequentiellen Samplingverfahren abgelöst.

Der Zeitbereich des Echtzeitsampling (Echtzeitdarstellung) wird durch die maximale Abtastrate von Sample-and-Hold- und ADU-Schaltung bestimmt. Je größer die Abtastrate ist, desto höher sind die in Echtzeit darstellbaren Frequenzen.

Beim Digitalspeicheroszilloskop ist zwischen Zeitbasiseinstellungen mit Echtzeitsampling und sequentiellem Sampling zu unterscheiden. Darstellung von einmaligen Vorgängen ist nur im Echtzeitsampling möglich.

IEC-Bus-Interface


Digitalspeicheroszilloskope können zur Erweiterung ihrer Einsatzmöglichkeiten in ein automatisches Messsystem eingebaut werden. Sie müssen zu diesem Zweck eine entsprechende Schnittstelle zum Messbus aufweisen.

Im Blockschaltbild 3 ist daher auch ein Interface für dieses Bussystem angedeutet. Zu erkennen sind die drei typischen Leitungsarten des Systems.

1. Der Daten- und Befehlsbus mit 8 Bit dient der Datenaus- und -eingabe. Die Daten des Anzeigespeichers werden hierausgegeben oder der Anzeigespeicher kann mit Daten extern versorgt werden. Ferner werden über den Datenbus Befehle des Controllers übermittelt, die den Mikroprozessor und das Interface selbst betreffen. Dazu gehört auch die Adressierung. Mittels einer Adressschaltereinheit kann dem Oszilloskop im System eine Adresse zugeordnet und der Arbeitsmodus eingestellt werden. Über die Adresse wird das Oszilloskop vom Controller gesteuert.

2. Der Managementbus mit fünf Leitungen steuert u. a. die Umschaltung von Daten- und Befehlsaufnahme im Interface. Beide Informationen werden über den Datenbus vermittelt.

3. Die drei Handshake-Leitungen dienen der Abwicklung von Informationsaufnahme und -abgabe zwischen System und Oszilloskop.


4. Betriebsformen

Refresh-Mode

In dieser Betriebsart verhält sich das Oszilloskop nach außen hin wie ein ganz gewöhnliches Oszilloskop. Nach jeder Triggerung werden die digitalen Daten über den Pre-Triggerspeicher in den Anzeigespeichergeladen und kommen - wenn dieser gefüllt ist - zur Bildschirmanzeige. Danach wird der Anzeigespeicher nach Triggerung wieder mit den nächsten Daten geladen usw. Es entsteht das stehende Bild der Eingangsspannung.

Roll-Mode

Bei sehr langsamen Vorgängen ist diese Darstellungsart zu bevorzugen. Hier erfolgt das Auslesen und Anzeigen der Eingangsspannung nicht erst nachdem der Anzeigespeichervollständig geladen ist, sondern jeweils schon nach dem Laden einer Adresse. Das Bild entwickelt sich somit langsam auf dem Bildschirm.

Save-Mode (Speichermodus)

Nach dem Laden wird der Anzeigespeicher periodisch gelesen und der Inhalt dargestellt. Der Speicherinhalt bleibt also erhalten, auch nach dem Ausschalten des Gerätes, wenn der RAM-Anzeigespeicher mittels Pufferbatterie in Betrieb gehalten wird. Somit lässt sich ein Oszillogramm beliebig lange speichern.

Compare-Mode

Um zwei Signale miteinander vergleichen zu können, wird der Anzeigespeicher in zwei Bereiche aufgeteilt. Der erste Teil umfasst beispielsweise alle geradzahligen Adressen, derzweite die ungeradzahligen. Wird nun zunächst im Refresh-Mode gearbeitet und danach in den Compare-Mode umgeschaltet, dann bleiben die Daten des ersten Bereichs erhalten (Save-Mode), während die des zweiten weiterhin im Refresh-Mode betrieben werden. Es entstehen damit gleichzeitig zwei Bilder: ein unveränderliches und ein nach Triggerung ständig neu aufgebautes Bild, das zum Vergleich dann auch in den Save-Mode geschaltet werden kann.Nach einem anderen Prinzip ist für den Bildvergleich ein zweiter so genannter Referenzspeicher vorhanden, der periodisch abgefragt werden kann und somit den Vergleich zwischendem aktuellen und dem Vergleichsbild zulässt.

Minimum-Maximum-Mode


Signalanteile, die zwischen zwei Abtastwerten des ADU liegen, können normalerweise nicht erfasst werden. Das ist in den meisten Anwendungsfällen auch ohne Belang, da die Abtastrateso groß ist, dass sich das Signal in den Zwischenräumen kaum ändert. Um nun aber Störspitzen erfassen zu können, kann mittels Tastendruck ein Spitzenwertdetektor eingeschaltet werden, der das Maximum bzw. das Minimum des Signals zwischen zwei Abtastungen erfasst. Diese Werte digitalisiert anschließend der ADU. Damit ist es möglich auch extrem kurze Spannungsimpulse (z. B. Glitchimpulse) noch oszillographisch darzustellen und zu speichern.

Chopper- und alternierender Betrieb

Diese zwei vom herkömmlichen 2-Kanal-Oszilloskop bekannten Betriebsarten findet man nicht beide bei allen Digitalspeicheroszilloskopen. Gewöhnlich ist der Chopperbetriebanzutreffen. Hier wird der Anzeigespeicher in zwei Bereiche aufgeteilt, wobei ähnlich dem Compare-Mode zwischen den geradzahligen und den ungeradzahligen Adressen unterschieden wird. Der Chopper arbeitet dabei synchron mit den Zählern des Pre-Trigger- bzw. Anzeigespeichers.Damit kommen automatisch die Spannungsanteile des Y1-Eingangs in den einen Speicherbereich und die des Y2-Eingangs in den anderen. Ist der Anzeigespeicher voll, wird er wieder ausgelesen und angezeigt. Durch den Wechsel von geradzahligen und ungeradzahligen Adressen beim Auslesen entsteht das übliche Chopperbild des 2-Kanal-Oszilloskops.Im alternierenden Betrieb - er ist meist nur im Zusammenhang mit dem Minimum- Maximum- Mode wählbar - wird einmal der Speicher mit Y1-Signal gefüllt, danach gelesen und angezeigt. Anschließend wird auf Y2-Signal umgeschaltet.

Single-Mode

Wie beim herkömmlichen Oszilloskop wird bei dieser Betriebsart nur eine einmalige Triggerung ausgelöst. Der Anzeigespeicher wird gefüllt, danach ständig ausgelesen und angezeigt.Erneute Triggerung ist nach Betätigung der Reset-Taste möglich.

Clear-Funktion

Diese Funktion wird bei Betätigung einer entsprechenden Taste ausgeführt und bewirkt das Löschen der Pre-Trigger- und Anzeigespeicher.

Local-Mode

Geräte, die innerhalb eines automatischen Meßsystems ferngesteuert werden, sind dann über die Frontplatte des Gerätes nicht mehr bedienbar.


Mit dem Local-Schalter kann die Fernsteuerung unterbrochen werden, so fern im Fernsteuerprogramm des Controllers der Local-Modezugelassen wurde.

Bibliografie

Elektronische Messtechnik, Elektronik 6(Wolfgang Schmusch, Vogel Fachbuch)

Anhang

Siehe Abb. 7.68b, Elektronik 6 (Am Ende des Buchs).


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