Anwendungs- und Designlösungen für digitale elektronische Oszilloskopschaltungen
Elektronische Oszilloskope sind Instrumente, die von Ingenieuren in Laboren, Fabriken und vor Ort häufig verwendet werden. Tatsächlich sind elektronische Oszilloskope auch die Produkte mit dem größten Verkaufsvolumen und dem höchsten Verkaufsvolumen unter den elektronischen Test- und Messinstrumenten. Von den späten 1930er bis zu den frühen 1940er Jahren wurde das analoge elektronische Oszilloskop, angetrieben von den sich schnell entwickelnden Märkten für Fernsehübertragungen und Radarentfernungsmessung, im Wesentlichen fertiggestellt und in vier Teile unterteilt: vertikale Verstärkung, horizontale Abtastung, Triggersynchronisation und Oszilloskopröhrenanzeige (CRT). Die Echtzeitbandbreite analoger elektronischer Oszilloskope erreichte in den 1970er Jahren einen Höchstwert von 1000 MHz. Mit dem Aufkommen der Digitaltechnik und integrierter Schaltkreise wurden analoge elektronische Oszilloskope, die von Vakuumröhren und Breitbandverstärkerschaltungen dominiert wurden, ab den 1980er Jahren schrittweise durch digitale elektronische Oszilloskope ersetzt. Mit der explosiven Entwicklung der Informationstechnologie und der digitalen Kommunikationsmärkte überschritt die Echtzeitbandbreite digitaler elektronischer Oszilloskope in den 1990er Jahren 1 GHz. In den 2010er Jahren des 21. Jahrhunderts haben digitale elektronische Oszilloskope ebenfalls große Fortschritte gemacht: Die Echtzeitbandbreite übersteigt 10 GHz und die entsprechende Abtastbandbreite erreicht 100 GHz.
Die Schaltungsstruktur eines digitalen elektronischen Oszilloskops ist einfacher als die eines analogen elektronischen Oszilloskops. Es besteht hauptsächlich aus vier Teilen: Analog-Digital-Umsetzer (ADC), Wellenformspeicher/-prozessor, Digital-Analog-Umsetzer (DAC) und Flüssigkristall-Wellenformanzeige (LCD). Analoge elektronische Oszilloskope müssen eine Breitbandantwort vom vorderen Signaleingang bis zum hinteren Wellenformanzeige-Ende haben. Bei digitalen elektronischen Oszilloskopen muss der vordere Analog-Digital-Umsetzer jedoch nur dieselbe Breitbandantwort wie das Eingangssignal haben, und dann wird die Frequenzantwort verschiedener Schaltungen entsprechend reduziert. Gemäß dem Abtastprinzip entspricht die Abtastfrequenz unter optimalen Bedingungen dem Zweifachen der höchsten Frequenz des analogen Eingangssignals. Nachdem die digitalen Informationen des ADC-Ausgangs vom DAC gefiltert und verarbeitet wurden, kann die Wellenform des Eingangssignals reproduziert werden. Offensichtlich kann die DAC-Taktfrequenz viel niedriger sein als die ADC-Abtastfrequenz. Um außerdem durch Signalfilterung und -verarbeitung verursachte Aliasing-Signale zu reduzieren, beträgt die tatsächliche Abtastfrequenz, die vom ADC des digitalen elektronischen Oszilloskops verwendet wird, das Vierfache statt des Zweifachen der höchsten Frequenz des analogen Eingangssignals.
Derzeit erreicht die höchste ADC-Abtastfrequenz 20 GHz und die Auflösung beträgt 8 Bit. Wenn zwei ADCs mit einer Abtastfrequenz von 20 GHz verwendet und auf der Zeitachse überlagert werden, erhält man eine äquivalente ADC-Funktion mit einer Auflösung von 8 Bit und einer Abtastfrequenz von 40 GHz. Mit anderen Worten: Mit einem ADC mit einer Abtastfrequenz von 20 GHz kann eine Implementierungsbandbreite von 10 GHz erreicht werden, die Auflösung beträgt jedoch nur 8 Bit. Wenn die Abtastrate des ADCs reduziert werden kann, ist es nicht schwierig, die Auflösung des ADCs zu erhöhen. Beispielsweise kann ein ADC mit einer Abtastrate von 1 MHz eine Auflösung von 28- Bit erreichen. Digitale elektronische Oszilloskope mit einer Echtzeitbandbreite von über 100 MHz erreichen vollständig eine Auflösung von 8- Bit. Um die Auflösung zu verbessern, können mehrere Abtastungen gemittelt werden, aber die Messzeit erhöht sich entsprechend. Digitale elektronische Oszilloskope mit einer Echtzeitbandbreite von weniger als 100 MHz können Produkte mit Auflösungen von 8-Bit, 10-Bit und 16-Bit oder mehr liefern.
