Zur Anzeige der Amplitude eingehender Signale wird fast ausschließlich die Y-Achse verwendet. Diese werden über die Verstärker der einzelnen Kanäle (meistens zwei, oft auch vier oder mehr) verarbeitet. Basisfunktionen bei der Einrichtung der Amplitudenkalibrierung sind u. a.:
- Null-Abgleich am Raster (Offset)
- Vertikale Verstärkung
- Vertikale Kanalumschaltung
- Darstellungen durch Abtastung in den Modi „Alternated“ und „Chopped“
Unsicherheit der horizontalen Auslenkung: Amplitude
Signale auf mehreren Kanälen werden erzeugt durch Umschalten der Abtastung.
Bei der Betriebsart „Alternated“ werden die Kanäle nacheinander dargestellt. Sinnvoll bei Messungen von Signalen mit mittlerer bis hoher Frequenz.
Bei der Betriebsart „Chopped“ werden die Kanäle abwechselnd mit hoher Geschwindigkeit dargestellt. Sinnvoll bei Messungen von Signalen mit niedriger Frequenz.
Alle Oszilloskope schalten zwischen verschiedenen Eingangskanälen um und schalten häufig Eingänge auf ein gemeinsames Messsystem um. Jeder Kanal verfügt dabei über verschiedene Verstärker und Dämpfungsglieder, deren Verstärkungseigenschaften vor allem Einfluss auf die vertikale Genauigkeit haben.
Fünf Hauptparameter müssen beim Kalibrieren jedes vertikalen Verstärkersystems überprüft werden:
- Offset
- Signalverstärkung (Gain)
- Linearität
- Bandbreite
- Impulsantwort
Diese Parameter sind entscheidend für eine akkurate Darstellung des Signals. Für einen wirksamen Vergleich der auf unterschiedlichen Kanälen angelegten Signale müssen die Parameter der Kanäle gleichartig eingestellt werden.
Die Messung der Signalverstärkung des Verstärkers eines Kanals erfolgt normalerweise dadurch, dass ein Standardsignal angelegt und dessen Darstellung im Anzeigeraster abgelesen wird. Da die Verstärkerkopplung zwischen AC und DC und der Abschlusswiderstand oft zwischen 50 Ω oder 1 MΩ umgeschaltet werden kann, müssen Signale angelegt werden, die den Betrieb jeder dieser Kopplungsformen prüfen.
Gewöhnlich werden zwei Standardsignale zur Messung der Verstärkung eines Verstärkers verwendet:
- Bei der DC-Kopplung wird entweder ein DC-Signal oder ein Rechtecksignal angelegt und das Ansprechen des Kanals in Skalenteilen oder Cursorwerten auf der Anzeige gemessen.
Alle Oszilloskopkalibratoren von Fluke legen zum Prüfen der Verstärkung und des Offsets von DC-gekoppelten Verstärkern eine Gleichspannung und 1-kHz-Rechtecksignale an.
- Bei der AC-Kopplung wird ein Rechtecksignal mit 1 kHz angelegt und bei dem zugehörigen Kanal das Signal in Skalenteilen oder Cursorwerten auf der Anzeige abgelesen.
Auch die Verwendung eines niederfrequenten Impulses kann eine grobe Abschätzung des Verhaltens im NF- und HF-Bereich liefern. Dies ist nur eine sehr grobe Prüfung mit hoher Unsicherheit. Ein Ergebnis, das aussieht wie ein Rechteck, muss dennoch auf Impulsantwort und Bandbreite überprüft werden.
Alle Fluke Oszilloskopkalibratoren legen zum Prüfen der NF-Verstärkung von AC-gekoppelten Verstärkern ein 1-kHz-Rechtecksignal an.
Die Linearität der Kanalverstärker kann geprüft werden, indem entweder ein DC- oder Rechtecksignal angelegt, die Amplitude variiert wird und die Änderungen in Skalenteilen oder Cursorwerten auf der Anzeige geprüft werden.
Impulsantwort
Die Anzeige der Anstiegszeit von schnellen Impulsflanken ist eine von zwei Methoden zur Messung des Ansprechverhaltens der Vertikaleinheit des Kanals auf gepulste Eingänge, die sich gegenseitig ergänzen (auch die Bandbreite des Verstärkers sollte gemessen werden).
Die Antwort auf schnelle Flanken hängt von der Eingangsimpedanz des geprüften Oszilloskops ab. Allgemein werden zwei Standard-Eingangsimpedanzen angewandt: 50 Ω und 1 MΩ / 15 pF (typisch). 1 MΩ ist der Industriestandard für Eingänge und wird üblicherweise mit passiven Sonden verwendet. Wird ein Eingang von 50 Ω bereitgestellt, ergibt dies eine optimale Abstimmung mit Hochfrequenzsignalen.
Zur Messung der Anstiegszeit wird das Impulssignal an den zu prüfenden Kanal angelegt, Trigger und Zeitbasis werden so eingestellt, dass ein ablesbares Bild entsteht, und die Anstiegs-/Abfallzeit wird in Skalenteilen oder Cursorwerten auf der Anzeige abgelesen. Die beobachtete Anstiegs-/Abfallzeit hat zwei Komponenten: eine für das angelegte Signal und eine zweite für den zu prüfenden Kanal. Die beiden Komponenten werden als die Wurzel der Summe der Quadrate kombiniert. Daher muss zur Berechnung der Zeit für den Kanal des zu prüfenden Gerätes (UUT) folgende Formel verwendet werden:
Anstiegs-/Abfallzeit des zu prüfenden Gerätes = Quadratwurzel aus [(beobachtete Zeit)2 – (angelegte Signaldauer)2 ]
Bei manchen Oszilloskopen ist das vertikale Raster speziell in 0 %, 10 %, 90 % und 100 % eingeteilt. Dies erleichtert das Ablesen der Impulsamplitude gegen die 0 %-/100 %-Marken und die anschließende Messung der 10 %-/90 %-Schnittpunkte gegen die Marken auf der mittigen horizontalen Rasterlinie. Viele moderne Digitalspeicheroszilloskope (DSO) verfügen über Messcursor von Funktionen, die die Anstiegszeit an diesen Punkten messen.
Messung
Bei allen Fluke Kalibratoren werden zwei verschiedene Impulsarten verwendet:
- Impuls mit schneller Flanke (Low-Edge): ein Impuls mit niedriger Amplitude und Anstiegs-/Abfallzeit erheblich unter 1 ns wird auf den auf 50 Ω eingestellten Eingang angelegt. Bei Verwendung der Formel zur Berechnung der Anstiegs-/Abfallzeit eines zu prüfenden Geräts (UUT - Unit Under Test) muss die Anstiegszeit des angelegten Signals die bei der letzten Kalibrierung des Kalibrators gemessene Zeit sein, die am nächsten an der Amplitude des angelegten Impulses liegt.
- Impuls mit hoher Spannungsamplitude (High-Edge): ein Impuls mit einer Anstiegszeit ≤100 ns wird auf den auf 1 MΩ eingestellten Eingang angelegt. Diese Funktion wird hauptsächlich zur Kalibrierung der Antwort der Kanalabschwächer des Oszilloskops verwendet.
Abweichung der Anstiegsflanke
Auf dem Bildschirm sind Abweichungen bzw. Über- und Unterschreitungen sichtbar. Sie erscheinen oft am oberen Ende der Flanke, bevor die Spannung ihren endgültigen Wert erreicht (der als 100 % definiert ist).
Wenn Abweichungen zur Messung angezeigt werden, sollten sie innerhalb der Spezifikationsgrenzen liegen. Wenn sich die Spezifikation für die Abweichung des Oszilloskops der des Kalibrators nähert, müssen zur Kalibrierung andere Methoden verwendet werden.
Bandbreite des Kanals
Dieser Parameter sollte, ebenso wie die Bestimmung der Impulsantwort durch Anzeige eines Impulses auf dem Bildschirm, durch die Messung der Bandbreite des Verstärkers mithilfe eines gepegelten Sinussignals bestimmt werden. Dies erfolgt bei einer Eingangsimpedanz von 50 Ω, um die Integrität der 50-Ω-Quelle und der Signalübertragung sicherzustellen.
Für Oszilloskope mit hoher Eingangsimpedanz wird ein 50-Ω-Durchgangswiderstand am Oszilloskopeingang verwendet. Der 50-Ω-Durchgangswiderstand kann ein separater 50-Ω-Widerstand sein oder in einen aktiven Tastkopf integriert werden – letzteres bietet die Möglichkeit der vollständigen Automatisierung, ohne dass eine zusätzliche Kalibrierung erforderlich ist.
Zunächst wird die angezeigte Amplitude der sinusförmigen Eingangsspannung bei einer Bezugsfrequenz gemessen (typisch bei 50 kHz), dann wird die Frequenz bei gleicher Amplitude bis zur spezifizierten -3-dB-Frequenz des Kanals erhöht. Die angezeigte Amplitude wird nochmals gemessen.
Die Spezifikationen der Bandbreite sind eingehalten, wenn die am 3-dB-Punkt abgelesene Amplitude größer oder gleich 70 % des Werts bei der Bezugsfrequenz ist.
Wenn der tatsächliche 3-dB-Punkt ermittelt werden muss, sollte die Frequenz erhöht werden, bis die Spitze-Spitze-Spannung der Amplitude bei 70 % des Werts bei der Bezugsfrequenz beträgt. Sobald der 3-dB-Punkt erreicht ist, kann die Frequenz abgelesen werden.