Oszilloskope sind mit unterschiedlichen Bandbreiten und Abtastraten erhältlich. Welche Bandbreite eignet sich am besten? Mehr ist natürlich besser, doch Oszilloskope mit höherer Bandbreite sind teurer und das Budget ist nicht unendlich.
Frequenzen und Signale
Bevor wir über die Bandbreite sprechen, müssen wir erklären, wie Signale zusammengesetzt sind. Wenn wir von der Frequenz eines analogen Signals sprechen, ist immer die Frequenz einer Sinuswelle gemeint. Auf Abbildung 1 ist eine Sinuswelle zu sehen. Das Bild zeigt zwei Perioden der Welle. Die Periode ist die Zeit, in der die Sinuswelle auf- und absteigt. Die Periode und die Frequenz sind umgekehrt proportional. Die Häufigkeit kann mit der folgenden Formel berechnet werden: $$f = \frac{1}{D},$$ wobei \(f\) die Frequenz und \(D\) die Periode ist. In Abbildung 1 beträgt die Periode 100 ms und die Frequenz 10 Hz.
Abbildung 1: Hier sind zwei Perioden einer Sinuswelle dargestellt.
Nicht-sinusförmige Signale
Die Sinuswelle ist eine wichtige Signalform. Jedes periodische oder repetitive Signal besteht aus einer Reihe von Sinuswellen. Die folgende Abbildung zeigt eine Rechteckwelle. Da eine Rechteckwelle rechtwinklig ist, ist es schwer vorstellbar, dass auch eine Rechteckwelle aus Sinusformen besteht. Auf der folgenden Abbildung ist jedoch zu sehen, dass dies möglich ist. Die Rechteckwelle besteht aus einer Grundwelle und darauf aufbauenden Sinuswellen mit immer höheren Frequenzen, die als Oberwellen bezeichnet werden. Je mehr Oberwellen, desto stärker ähnelt das Signal der Rechteckwelle. Eine perfekte Rechteckwelle besteht aus einer unendlichen Anzahl von Oberwellen und existiert daher in der Praxis nicht.
Abbildung 2: Eine Rechteckwelle setzt sich aus Dutzenden von Sinuswellen zusammen (Original).
Wenn wir von der Frequenz eines Signals sprechen, ist immer die Frequenz einer Sinuswelle oder die Frequenz einer Oberwelle gemeint.
Bandbreite und Abtastrate
Nachdem wir nun kurz die Prinzipien von Oberwellen und Frequenzen kennengelernt haben, können wir uns wieder dem Oszilloskop zuwenden. Abbildung 3 ist ein globales Diagramm eines digitalen Oszilloskops. Das Signal geht durch die Sonde zum analogen Frontend. Im analogen Frontend wird das Signal verstärkt und gefiltert. Danach wird es abgetastet und in ein digitales Signal umgewandelt. Das digitale Signal wird dann auf dem Bildschirm angezeigt.
Abbildung 3: Blockdiagramm des Signalwegs in einem Oszilloskop.
Die Sonde und das analoge Frontend haben jeweils eine Bandbreite. Die Bandbreite gibt an, auf welcher Frequenz Signale noch übertragen werden. Signale mit einer höheren Frequenz als die Bandbreite werden gedämpft. Der Übergang zwischen Signalen, die weitergegeben werden, und solchen, die nicht weitergegeben werden, ist nicht direkt. Signale mit einer Frequenz, die nicht der Bandbreite entspricht, werden bereits gedämpft. Dies ist auf der folgenden Abbildung deutlich zu erkennen. Die Bandbreite ist die Frequenz, bei der die Dämpfung der Signale 30 % (3 dB) beträgt.
Abbildung 4: Die Bandbreite ist das Frequenzband bis zu der Frequenz, bei der das Signal um 3dB gedämpft wird.
Nachdem das Signal durch das analoge Frontend gefiltert wurde, wird das Signal abgetastet. In einem festen Intervall wird das Signal gemessen und digitalisiert. Das digitalisierte Signal wird später auf dem Bildschirm des Oszilloskops angezeigt. Eine Sinuswelle sollte mehrere Male pro Periode abgetastet werden, damit sie auf dem Bildschirm des Oszilloskops gut dargestellt wird. Pro Periode muss die Sinuswelle mindestens 5, besser aber 20 Mal abgetastet werden, damit sie auf dem Bildschirm gut dargestellt wird. Eine Sinuswelle mit einer Frequenz von 10 Hz sollte 50 bis 200 Mal pro Sekunde abgetastet werden.
In der Praxis
In der Praxis werden nur selten perfekte Sinuswellen gemessen, sondern eher andere Signale wie Rechteckwellen. Wenn man ein Signal betrachtet, möchte man es sich meistens im Detail ansehen. Daher sollte die Bandbreite des Oszilloskops viel größer sein als die Frequenz des zu messenden Signals. Wenn beispielsweise ein Motor mit einer 20-kHz-Rechteckwelle gesteuert wird, ist eine Mindestbandbreite von 200 kHz erforderlich, besser sind jedoch 500 kHz.
Achten Sie immer darauf, dass die Bandbreite der Sonde hoch genug ist. Am einfachsten ist es, wenn die Bandbreite der Sonde mindestens so groß ist wie die Bandbreite des Oszilloskops.
Bei werden die Bandbreite und die Abtastrate immer in Mega Samples per second Ms/s angegeben. In der Praxis ist die Abtastrate bei den meisten Oszilloskopen viel höher als die Bandbreite.
Wir hoffen, dass Ihnen dieser Artikel bei der Auswahl der Bandbreite behilflich ist. Bei Fragen können Sie sich jederzeit mit uns in Verbindung setzen.
