So prüfen und kalibrieren Sie die Horizontalbaugruppe Ihres Oszilloskops

Die X-Achse wird fast ausschließlich als Zeitbasis genutzt. Neben mehreren vertikalen Kanälen gibt es oft zwei Zeitbasen: Die Hauptzeitbasis und die verzögerte Zeitbasis. Bei Digitalspeicheroszilloskopen (DSO) können diese mithilfe zweier unabhängiger Abtastraten oder über ein positioniertes „Zoom“-Fenster in einem einzigen, langen Aufnahmespeicher erreicht werden.

Unsicherheit der horizontalen Auslenkung

Bei der Bestimmung der Unsicherheit der horizontalen Auslenkung, typischerweise mit analogen Oszilloskopen, muss zunächst die Geometrie des Bildschirms eingestellt oder zumindest untersucht werde Dabei wird davon ausgegangen, dass dies bei der Ersteinstellung der Geometrie erfolgt.

Danach können folgende Einstellungen oder Prüfungen vorgenommen werden:

• Bandbreite der X-Achse
• Horizontales Timing
• Unsicherheit der Verzögerung der Zeitbasis
• Vergrößerung der Zeitspanne (Time Magnification)
• Jitter der Verzögerungszeit
• Triggerfunktionen
• Verhältnis zwischen X- und Y-Phase

Bandbreite der X-Achse

Bei analogen Oszilloskopen wird die Bandbreite des Horizontalverstärkers mit einem gepegelten Sinussignal überprüft, wie bei der Prüfung der Amplitude der Kanäle, jedoch bei abgeschalteter Zeitbasis. Dabei wird zunächst die Länge der für ein sinusförmiges Signal angezeigten horizontalen Linie gemessen, die als X-Eingang bei einer Referenzfrequenz (normalerweise 50 kHz) angelegt wird.

Die Frequenz wird dann bei gleicher Amplitude auf den vorgegebenen 3-dB-Punkt des Horizontalverstärkers geändert und die Länge der angezeigten Linie erneut gemessen. Die Bandbreite ist korrekt, wenn die Länge der Linie an der 3-dB-Marke größer oder gleich 70 % des Wertes an der Referenzfrequenz ist.

DSO verwenden im Allgemeinen einen vertikalen Kanalverstärker als Horizontalverstärker, sodass nach der Messung der vertikalen Bandbreite im Allgemeinen keine Notwendigkeit besteht, die horizontale Bandbreite zu messen.

Unsicherheit des horizontalen Timings

Messeinrichtung

Bei diesem Prüfschritt wird die Zeitbasis auf die zu messende Abtastgeschwindigkeit (oder Zeit/Skalenteil) umgeschaltet und der Ausgang von einem Timing-Marker-Generator über den erforderlichen vertikalen Kanal angelegt. Bei Oszilloskopkalibratoren handelt es sich dabei um Rechtecksignale, die bei einer bestimmten Frequenz zu Sinussignalen werden.

Unsicherheit der Timing-Kalibrierung

Eine Timing-Unsicherheit von 25 ppm reicht aus, um die meisten analogen Oszilloskope und viele DSO zu kalibrieren, obwohl für einige leistungsstärkere DSO eine Timing-Unsicherheit von weniger als 0,3 ppm erforderlich ist.

Warum Rechtecksignale verwenden?

In der Vergangenheit haben Timing-Marker die Form einer „Kamm-Signalform“ angenommen, die aus einer Reihe von differenzierten Flanken besteht, wobei die abfallenden Flanken unterdrückt sind. Dies führt bei DSO zu Schwierigkeiten aufgrund des Samplings, weil dabei die Spitze des „Kamms“ zwischen zwei Samplings fallen kann. Das führt zu Amplitudenschwankungen und Schwierigkeiten bei der Beurteilung der genauen Flankenposition. Die Verwendung von Timing-Markern in Form von Rechteck- oder Sinusfunktionen reduziert erheblich die Unsicherheiten aufgrund dieses Jitters.

Messung

Das Marker-Timing ist so eingestellt, dass ein Durchgang in jeden Skalenteil fällt, wenn das horizontale Timing korrekt ist.

Durch Beobachtung wird die Steuerung des Marker-Generators so eingestellt, dass die Marker auf dem Bildschirm hinter den entsprechenden vertikalen Rasterlinien ausgerichtet werden. Die angewandte Abweichung wird dann vermerkt. Die angewandte Abweichung sollte die Spezifikationen für das Timing des Oszilloskops nicht überschreiten.

Der Vorgang wird für alle Abtastungen und Einstellungen für Zeit/Skalenteil für die Zeitbasis wiederholt, die vom Hersteller des Oszilloskops für die Kalibrierung festgelegt wurden.

Unsicherheit der Verzögerung der Zeitbasis

Für diesen Prüfschritt wird angenommen, dass auf die verzögerte Zeitbasis umgeschaltet werden kann, sodass sie allein angezeigt wird. Bei allen Oszilloskopen sollte der Retrigger-Modus ausgeschaltet werden.

Der Ausgang eines Marker-Generators für das Timing wird über den erforderlichen vertikalen Kanal eingegeben. Das Oszilloskop wird so eingestellt, dass es einen Zyklus je Skalenteil anzeigt. Der Schalter für die Betriebsart des Oszilloskops ist so eingestellt, dass er den verzögerten Teil der Hauptzeitbasis über eine ausgewählte Marker-Flanke wie abgebildet intensiver darstellt (hierfür können gewisse Einstellungen der Verzögerungseinstellung des Oszilloskops erforderlich sein).

• Der Schalter für die Verzögerung des Oszilloskops ist so eingestellt, dass er die verzögerte Abtastung allein anzeigt. Die Verzögerungssteuerung wird dabei so eingestellt, dass die Marker-Flanke für das Timing an einer ausgewählten vertikalen Bezugslinie, d. h. der mittleren Rasterlinie, ausgerichtet wird. Beachten Sie die Einstellungen für die Verzögerung des Oszilloskops.
• Der Schalter für die Betriebsart des Oszilloskops ist so eingestellt, dass er den verzögerten Teil der Hauptzeitbasis über eine andere ausgewählte Marker-Flanke intensiver darstellt.
• Der Schalter für die Verzögerung des Oszilloskops ist so eingestellt, dass er die verzögerte Abtastung allein anzeigt. Die Verzögerungssteuerung wird dabei so eingestellt, dass die Marker-Flanke für das Timing an derselben vertikalen Bezugslinie ausgerichtet ist. Beachten Sie erneut die Einstellungen für die Verzögerung des Oszilloskops.

Vergleichen Sie schließlich die beiden Einstellungen für die Verzögerung des Oszilloskops. Sie sollten überprüfen, ob die Differenz dazwischen mit der Zeit zwischen den beiden ausgewählten Markern innerhalb der für das Oszilloskop spezifizierten Grenzen übereinstimmt.

Unsicherheit der zehnfachen horizontalen Vergrößerung

Der Ausgang eines Generators für Timing-Markern wird über den erforderlichen vertikalen Kanal eingegeben. Das Oszilloskop wird so eingestellt, dass es zehn Zyklen je Skalenteil anzeigt. Die Frequenz/Periode des Timing-Markers wird so eingestellt, dass genau 10 Zyklen in jeden Skalenteil fallen.

Die Fehler dürften auf der rechten Seite der Linie (die längste Zeit nach dem Trigger) am größten sein. Daher wird die horizontale Positionssteuerung des Oszilloskops so eingestellt, dass die Marker-Flanke in der Mitte des Bildschirms auf „A“ gesetzt wird.

• Das Oszilloskop wird so eingestellt, dass es die zehnfache Abtastung anzeigt. Die horizontale Positionssteuerung wird dabei so eingestellt, dass die Marker-Flanke „A“ genau an der Rastermittellinie ausgerichtet ist.
• Die Steuerung für die Frequenz/Periode des Marker-Generators wird so eingestellt, dass die Marker-Flanken genau an den Rasterlinien ausgerichtet sind.
• Diese Einstellung für die Frequenz-/Perioden des Marker-Generators wird notiert. Diese Einstellung sollte innerhalb der für das Oszilloskop spezifizierten Grenzen liegen.

Ähnlich wird gemäß den Angaben des Herstellers für ein DSO der Bereich des verfügbaren „Zooms“ oder der X-Vergrößerungsfaktoren kalibriert.

Jitter der Verzögerungszeit

Der Jitter der Verzögerung bei Oszilloskopen wird häufig mit einer zeitlichen Dehnung in der Größenordnung von 20.000:1 gemessen. Das bedeutet, dass die verzögerte Zeitbasis 20.000 Mal schneller laufen muss als die Hauptzeitbasis (bei einer Hauptzeitbasis, die mit 20 ms/Skalenteil läuft, muss die verzögerte Zeitbasis mit 1 μs/Skalenteil laufen).

Für diesen Prüfschritt wird die intensivere Darstellung der Hauptzeitbasis auf die Flanke auf die Rastermittellinie eingestellt (mit einer solchen Differenz zwischen den Geschwindigkeiten der Haupt- und der verzögerten Zeitbasis wird ein äußerst kleiner Teil der Hauptzeitbasis intensiver dargestellt. Das kann die Einstellung erschweren).

Der Ausgang eines Marker-Generators für das Timing mit einer Periode von 20 ms wird über den erforderlichen vertikalen Kanal eingegeben. Das Oszilloskop wird dabei so eingestellt, dass es einen Durchgang je Skalenteil (20 ms/Skalenteil) anzeigt.

Die verzögerte Zeitbasis wird auf 1 μs/Skalenteil eingestellt. Der Schalter für die Betriebsart des Oszilloskops wird so eingestellt, dass er den verzögerten Teil der Hauptzeitbasis über der mittleren Marker-Flanke intensiviert, wie mit der Regelung der Verzögerungszeit des Oszilloskops dargestellt.

Der Schalter für die Verzögerung des Oszilloskops wird so eingestellt, dass er nur die verzögerte Abtastung anzeigt. Die Verzögerungssteuerung wird dabei so eingestellt, dass die Marker-Flanke für die Zeit an einer ausgewählten vertikalen Bezugslinie ausgerichtet ist, z. B. an der Rastermittellinie.

Die Breite der vertikalen Flanke (die den Jitter anzeigt) des angezeigten Teils der Signalform, gemessen entlang einer horizontalen Achse, sollte die spezifizierten Grenzen des Jitters des Oszilloskops nicht überschreiten (z. B. sollte der Beitrag des Oszilloskops zur Breite bei einer Spezifikation von 20.000:1 weniger als einen Skalenteil betragen).

Kalibrierung fortsetzen

Die nächsten Schritte beim Kalibrieren des Oszilloskops werden in diesen Artikeln fortgesetzt:

• So kalibrieren Sie den Triggerbetrieb eines Oszilloskops
• So kalibrieren Sie die Phasenlage eines Oszilloskops

Zurück zu den vorherigen Artikeln

• So kalibrieren Sie ein Oszilloskop
• So prüfen und kalibrieren Sie die Vertikalbaugruppe Ihres Oszilloskops