Ermittlung der Bandbreite eines Oszilloskops (ID #266)

Definition der Bandbreite

Einer der wichtigsten Parameter eines Oszilloskops ist die Bandbreite. Die Bandbreite kennzeichnet den Abstand zwischen minimaler und maximale Frequenz eines angelegten Signals bei der die Signalamplitude mit einer festgelegten Dämpfung dargestellt wird. Diese Dämpfung beträgt 3 dB (Verstärkung = -3 dB), das entspricht einem Faktor von 1/WURZEL(2) = 0,707.

Da bei Oszilloskopen meist der Übertragungsbereich bei Gleichspannung (Frequenz = 0 Hz) beginnt spricht man häufig nur von einer Grenzfrequenz. Gemeint ist damit die maximale (obere) Grenzfrequenz.

Fiktiver Frequenzgang eines Oszilloskops

Soweit zur Theorie. In der Praxis haben aber Oszilloskope mehrere Eingangskanäle mit eigenen Verstärker (auch Teiler genannt) und diese haben noch wählbare Stufen. Es muß also jeder Kanal, in jeder Teilereinstellung, wenn keine gesonderten Angaben gemacht wurden, die angegebene Grenzfrequenz einhalten. Es ist auch durchaus möglich, dass die Grenzfrequenzen für jeden Teilerbereich, oder Gruppen davon, gesondert angegeben sind. In Prospekten erscheint jedoch meist nur die höchste der möglichen Frequenzen.

Wie wird nun die Grenzfrequenz gemessen

Zuerst muß das Oszilloskop Betriebstemperatur erreicht haben; dies ist in der Regel 15 min. nach dem Einschalten geschehen. Das Oszilloskop wird in die Einstellung gebracht in der die Grenzfrequenz gemessen werden soll (z.B.: Kanal1, 5mV, AC). Als Signalquelle dient ein amplitudenstabiler Sinusgenerator, dessen Ausgang mit 50 Ohm abgeschlossen werden kann. Der Ausgang des Sinusgenerators wird über ein 50 Ohm Kabel und einen 50 Ohm-Abschlußwiderstand an den Eingang des Oszilloskops angeschlossen. Mit einer niedrigen Frequenz, bei der das Oszilloskop sicher noch keine Dämpfung aufweist(z.B.: 1 MHz oder 100 kHz), wird die Amplitude des Sinusgenerators so eingestellt, dassdie Amplitude des dargestellten Signals die volle Bildschirmhöhe (maximal mögliche Darstellungshöhe für das Signal) beschreibt. Die Einstellung der Zeitbasis ist dabei uninteressant.

Die Amplitude des Signals überschreibt die volle Bildschirmhöhe.

Jetzt wird die Frequenz des Sinusgenerators solange erhöht bis die Amplitude des dargestellten Signals nur noch das 0,707-fache der Bildschirmhöhe entspricht. Beträgt z.B. die Bildschirmhöhe 8Div darf sich die sichtbare Signalamplitude auf 5,7 Div (genau: 5,657 Div) verkleinern. Die Frequenz des Sinusgenerators entspricht der Grenzfrequenz des Oszilloskops für diese Einstellung.

Signalbild bei Grenzfrequenz

Was kann die Messung verfälschen?

Wie bei jeder Messung beeinflussen auch hier viele Faktoren das Ergebnis.

1. Sinusgenerator: Nur einen Sinusgenerator verwenden, der seine Signalamplitude in 50 Ohm speisen kann. Ist das nicht der Fall, und wird die Messung ohne 50 Ohm Abschlusswiderstand ausgeführt, verfälscht der Eingangswiderstand und die Eingangskapazität die Messung drastisch nach unten. Ist der verwendete Sinusgenerator über den in Frage kommenden Frequenzbereich amplitudenstabil?

2. 50 Ohm Kabel: Minderwertige, beschädigte sowie Kabel mit schlechten Kontaktstellen beeinflussen die Messung. Nur kurze Kabel verwenden.

3. 50 Ohm Abschluss: Abschlusswiderstände schlechter Qualität oder Kontaktstellen mit hohen Übergangswiderstand verfälschen die Messung. Besitzt das Oszilloskop einen internen Abschlusswiderstand ist dieser zu verwenden, da der nachfolgende Teiler darauf abgestimmt ist.

4. Temperatur des Oszilloskops: Nur im erwärmten Zustand und mit der im Datenblatt angegebenen zulässigen Umgebungstemperatur erreicht das Oszilloskop seine angegebenen Parameter.

Die gemessene Grenzfrequenz stimmt nicht mit dem Datenblatt überein!

Das Ergebnis der Messung der Grenzfrequenz stimmt nicht mit dem im Datenblatt angegebenen Wert überein. Es wird aber davon ausgegangen, dass die Messung fehlerfrei erfolgte. Zwei Möglichkeiten können eintreten:

Die ermittelte Grenzfrequenz ist höher als die angegebene Grenzfrequenz:
Durch Bauelementetoleranzen kann es zu Schwankungen der Grenzfrequenz von Geräten gleicher Bauart kommen. Ebenfalls kann die Alterung verschiedener Bauelemente sich negativ auf die Grenzfrequenz auswirken. Um die Grenzfrequenz in jedem Fall einzuhalten, haben Oszilloskope oft eine um 5 % bis 20 % höhere Grenzfrequenz als die im Datenblatt angegebene Grenzfrequenz.

Die ermittelte Grenzfrequenz ist kleiner als die angegebene Grenzfrequenz:
Da die Bandbreite eines Oszilloskops ein wichtiges Kaufkriterium darstellt, legen einige Oszilloskophersteller die Art und Weise der Messung sehr freizügig aus. Einerseits kann die Dämpfung zur Bestimmung der Grenzfrequenz vom Hersteller auf 6 dB, das entspricht der halben (!) Amplitude des Eingangssignals, festgelegt sein, und andererseits kann die Ausgangsamplitude auf dem Bildschirm nicht mit 100 %, sondern mit 80 % oder 75 % der sichtbaren Darstellungsfläche definiert sein. Das bedeutet: bei einer Bildschirmhöhe von 8 Div wird die Signalamplitude bei 1 MHz auf 6 Div. eingestellt und die Grenzfrequenz bei einer Amplitude von 4,2 Div. (3 dB) abgelesen. Diese gesonderten Festlegungen müssen jedoch explizit im Datenblatt erscheinen.