22. Sep 2008, 12:33

Ein Oszilloskop ist ein elektronisches Messgerät zur optischen Darstellung voneinander unabhängiger Spannungen in einem zweidimensionalen Koordinatensystem. Das Oszilloskop stellt einen Verlaufsgraphen auf einem Bildschirm dar, wobei üblicherweise die (horizontale) X-Achse (Abszisse) die Zeitachse ist und die anzuzeigenden Spannungen auf der (vertikalen) Y-Achse (Ordinate) abgebildet werden. Das so entstehende Bild wird als Oszillogramm bezeichnet. Es gibt analoge und digitale Oszilloskope, wobei analoge Geräte ausschließlich eine Kathodenstrahlröhre zur Anzeige benutzen (Kathodenstrahloszilloskop).

Inhaltsverzeichnis 1 Messungen 2 Analoges Oszilloskop 2.1 Mehrkanalbetrieb 3 Triggerung 4 HoldOff 5 Zeitbasis 6 Digitales Oszilloskop 6.1 Mixed-Signal Oszilloskop 6.2 Digitale Spitzen-Erkennung 6.3 Unterabtastung (Äquivalenzzeitabtastung) 6.4 Vorteile gegenüber dem analogen Oszilloskop 6.5 Nachteile gegenüber dem analogen Oszilloskop 7 DSO als Computerzubehör 8 Historische Speicheroszilloskope 9 Weitere Begriffe 10 Weblinks

[Bearbeiten] Messungen

Mit einem Oszilloskop kann man nicht nur die Größe einer Gleich- oder Wechselspannung bestimmen, sondern vor allem ihre Form bzw. den zeitlichen Verlauf betrachten.

Viele weitere elektrische Größen können mit einem Oszilloskop zur Anzeige gebracht werden, so zum Beispiel:

• Elektrischer Strom, indirekt über einen Spannungsabfall an einem Widerstand; (siehe Ohmsches Gesetz) oder mittels einer Stromzange
• Frequenz eines Signals
• Phasenverschiebungen eines Signals mit Hilfe von Lissajous-Figuren (sofern am Oszilloskop ein Eingang für die X-Ablenkung vorhanden ist), ebenfalls mit dieser Methodik die Frequenz eines Signals mit Hilfe eines externen Frequenzgenerators
• Durchgangskennlinien von elektronischen Bauelementen (entweder mit Hilfe einer bereits im Oszilloskop vorhandenen Schaltung oder, sofern ein Eingang für die X-Ablenkung vorhanden ist, mit einer Zusatzschaltung)
• Frequenzgänge elektronischer Schaltungen (mit einem Wobbelgenerator)
• Impulsdiagramme an digitalen Schaltungen und Mikroprozessoren.

Allgemein kann jeder Vorgang, der sich als zeitlicher Verlauf einer elektrischen Spannung abbilden lässt, mit dem Oszilloskop dargestellt werden.

Meistens werden die zu messenden Spannungen über BNC-Buchsen auf der Frontseite unter Verwendung eines Tastkopfes angeschlossen.

Alle modernen Oszilloskope besitzen einen Eingang für die X-Ablenkung.

[Bearbeiten] Analoges Oszilloskop

Bei analogen Oszilloskopen wird die zu messende Spannung über einen einstellbaren und in seiner Verstärkung kalibrierten Verstärker auf den Bildschirm einer Elektronenstrahlröhre projiziert. Für die X-Ablenkung muss dazu eine Kippschwingung erzeugt werden, welche gleichmäßig ansteigt und dann schnell wieder abfällt. Die ebenfalls kalibrierte Frequenz dieser sägezahnförmigen Kippschwingung entspricht der angezeigten Zeitdauer des Signales. Sie ist zumeist in einem sehr weiten Bereich einstellbar. Der Elektronenstrahl bewegt sich dadurch von links nach rechts (während dieser Zeit wird das Bild gezeichnet) und kehrt anschließend sofort zum Ausgangspunkt zurück, dabei wird der Strahl dunkelgetastet, damit man den Rücklauf des Leuchtflecks nicht sieht.

Die Ablenkung des Elektronenstrahls erfolgt bei Oszilloskopen im Gegensatz zu anderen Bildschirmen kapazitiv durch elektrische Felder. Diese Ablenkung wurde gewählt, weil sie

• wesentlich unkomplizierter über große Frequenzbereiche beherrschbar ist,
• zur Ablenkung keine elektrische Leistung benötigt wird (und damit auch keine aufwendigen Verstärkerschaltungen).

Die Vorteile überwiegen die Nachteile (Leuchtfleckverformungen mit zunehmender Ablenkung, große Einbautiefe der zugehörigen Bildröhre) im angestrebten Einsatzbereich bei weitem.

[Bearbeiten] Mehrkanalbetrieb

Oft ist es notwendig, zwei Signale auf dem Schirm gleichzeitig darzustellen, um sie zu vergleichen. Dazu gibt es bei analogen Oszilloskopen mehrere Verfahren:

• Mehrsystemröhre: In vergangenen Zeiten, als noch keine geeigneten Schaltmittel zur Verfügung standen, wurden mehrstrahlige Oszilloskope verwendet. Dabei befanden sich in der Röhre mehrere Elektronenkanonen und Ablenksysteme. Auf diese Weise ließen sich zwei bis vier unabhängige Kurvenverläufe zeitgleich darstellen. Mehrstrahlige Oszilloskope gelten heutzutage als technisch veraltet und werden nicht mehr hergestellt.
• Chopper-Betrieb: Bei der Darstellung von langsamen Signalverläufen kann man sehr schnell zwischen den beiden Eingängen umschalten und dabei auch die vertikale Strahlposition auf dem Bildschirm verändern. Das führt dazu, dass z. B. Kanal 1 in der oberen Bildschirmhälfte dargestellt wird und Kanal 2 in der unteren. Nachteil ist, dass jeder Kanal nicht kontinuierlich dargestellt wird, sondern aus einer gestrichelten (zerhackten) Linie besteht. Kurze Impulse können in der Zwischenzeit (wenn der andere Kanal geschrieben wird) verloren gehen. Dies verwendet man meist unter 100 Hz
• Alternierender Betrieb: Bei der Darstellung von schnellen Signalverläufen lässt man das Signal des einen Kanals einmal ganz auf dem Bildschirm darstellen, schaltet dann auf den anderen Kanal und stellt diesen auf einer anderen Position dar. Es wird also nach jedem Strahldurchlauf zwischen Kanal 1 und 2 umgeschaltet. In dieser Betriebsart kann allerdings die Phasenverschiebung nicht exakt bestimmt werden, weil der Triggerimpuls nicht gleichzeitig ausgelöst wird.

[Bearbeiten] Triggerung

Um bei periodischen Signalen (dies kann ein einfaches Sinus-Signal sein, aber auch ein äußerst komplexes Signal) ein stehendes, klares Bild zu erhalten, ist es nötig, den Elektronenstrahl vor jedem Durchlauf solange aufzuhalten, bis das zu messende Signal einen definierten Zeitpunkt erreicht. Man stellt einen Spannungswert ein, der diesem Zeitpunkt entspricht und kann zumeist festlegen, ob sich dieser auf einer ansteigenden oder fallenden Flanke befinden soll. Somit werden die einzelnen Signalperioden stets genau übereinander gezeichnet und ermöglichen zusammen mit der relativ langen Nachleuchtdauer der Leuchtschicht ein mehr oder minder stehendes Bild. Je nach Ausstattung des Oszilloskops gibt es noch weitere Triggerungsmethoden oder die Möglichkeit, ein externes Triggersignal zu verwenden.

Bei digitalen Oszilloskopen (siehe unten) besteht die Möglichkeit, auch auf einmalige Ereignisse zu triggern, also einen sogenannten „single shot“ (Einzelschuss) eines transienten Signals zu machen. Aufgrund der Architektur eines digitalen Speicheroszilloskopes ist es dann auch möglich, sich den Kurvenverlauf vor dem Trigger-Ereignis („pre trigger“) zu betrachten, da diese ihren Signalspeicher in der Regel rollierend beschreiben. Weiterhin bieten die meisten digitalen Oszilloskope auch Trigger-Optionen auf bestimmte Signalformen bzw. -signalzusammenhänge, z. B.:

• Start-/Stopp-Bedingung auf I²C-Bussen
• Start of Frame bei CAN-Signalen
• TV-Signale (auch bei analogen Oszilloskopen üblich)
• Pulsbreite

[Bearbeiten] HoldOff

Als HoldOff bezeichnet man die (einstellbare) Zeit, die der Triggermechanismus gegenüber einem erneutem Triggern gesperrt werden kann.

[Bearbeiten] Zeitbasis

Als Zeitbasis bezeichnet man die Baugruppe in einem Oszilloskop, die die Signaldarstellung (bzw. Abtastung) in X-Richtung vorgibt, bei einem analogen Oszilloskop also den Kippschwingungsgenerator. Um Signalzusammenhänge darzustellen, bei denen das Triggerereignis weit vor dem eigentlich interessanten Signalverlauf auftritt, gibt es Oszilloskope mit zwei Zeitbasen: Die erste legt den Abstand zwischen Trigger-Ereignis und Signaldarstellung fest („Main“), die andere die Zeitachse im angezeigten Oszillogramm („Delayed“). Bei digitalen Oszilloskopen gibt es dann meist noch einen „Rolling“ Modus, bei dem das Signal nicht von links nach rechts geschrieben wird, sondern nach Art eines Messschreibers: das bisher angezeigte Signal wird nach links verschoben und die neue gemessene Spannung am rechten Rand ergänzt. Diese Darstellung nutzt man, um längere Signalabschnitte kontinuierlich darzustellen.

[Bearbeiten] Digitales Oszilloskop

Heute werden vermehrt digitale Oszilloskope verwendet. Sie führen eine Analog-Digital-Wandlung durch und sind prinzipiell Speicheroszilloskope (DSO). Sie können Daten auch nach der Messung zur Verfügung stellen, auf einem Speichermedium ablegen oder auf einen PC übertragen.

Es gibt verschiedene Ausstattungsstufen sowie Mischformen zwischen Analog- und Digitaloszilloskopen. Die oben genannten Eigenschaften analoger Oszilloskope gelten ebenso für die Digitaloszilloskope. Zusätzliche Funktionen sind:

• Pre-Triggerung: Damit kann man auf ein bestimmtes Ereignis warten, zum Beispiel eine Spannungsspitze, und sich dank der Speicherung den Signalverlauf vor dem Ereignis betrachten
• Mittelwertbildung, d. h. Mittelung über viele Anzeigeperioden, dadurch Störunterdrückung bei periodischen Signalen
• Analysesoftware für beispielsweise Anstiegszeit, Impulsbreite, Amplitude, Frequenz usw.
• automatische Einstellung auf ein unbekanntes Signal
• mathematische Funktionen, z. B. Summen- oder Differenzbildung zwischen Kanälen
• Frequenzspektren / FFT, Histogramme und Statistiken

Die Eingangsspannung wird mit einem Analog-Digital-Umsetzer mit einer Auflösung von 8, 10 oder 12 Bit digitalisiert. Damit auch schnelle Signale gewandelt werden können, werden nur sog. Flash-Wandler eingesetzt. Neben der Auflösung in Y-Richtung (Spannung) ist auch die zeitliche Auflösung eine wichtige Kenngröße: Sie wird zum einen durch die analoge Bandbreite des DSOs bestimmt, aber auch durch die Abtastrate, mit der das Signal abgetastet wird. Die Abtastrate wird zumeist in „Megasamples“ (Ms/s) oder „Gigasamples“ (Gs/s) angegeben, also Anzahl der Abtastungen pro Sekunde. Sie teilt sich auf die Zahl der benutzten Kanäle auf.

Ein weiterer Parameter ist die Speichertiefe, d. h. die Zahl der gespeicherten Messwerte. Auch diese teilt sich auf die Zahl der benutzten Kanäle auf.

Zu Digitaloszilloskopen siehe auch: Abtastung, Shannonsches Abtasttheorem

[Bearbeiten] Mixed-Signal Oszilloskop

Als mixed-signal Oszilloskop bezeichnet man digitale Oszilloskope, die nicht nur über ein oder mehrere analoge Eingänge, sondern auch über zusätzliche digitale Eingänge verfügen: Die digitalen Kanäle können meist auf eine bestimmte Logik-Familie eingestellt werden (TTL, CMOS, etc.) und unterscheiden dann nur die Zustände HIGH, LOW und undefiniert.

[Bearbeiten] Digitale Spitzen-Erkennung

Manche digitalen Speicheroszilloskope (DSO) verfügen über eine digitale Spitzen-Erkennung (Englisch: Glitch Capture; Neudeutsch auch Peak-Erkennung). Damit wird sichergestellt, dass Spannungsspitzen (englisch: Glitches) auch bei langsameren Zeitbasis-Einstellungen erfasst und angezeigt werden. Die angezeigte Schreibspur erscheint dann dicker, da Minimum- und Maximumwerte gleichzeitig angezeigt werden. Ist diese nicht vorhanden, kann es durch Aliasing zu Messfehlern kommen.

[Bearbeiten] Unterabtastung (Äquivalenzzeitabtastung)

Periodische Signale mit sehr hoher Frequenz können mit Hilfe von Unterabtastung (undersampling) dargestellt werden. Voraussetzung ist eine sehr schnelle Abtast-Halte-Schaltung, die noch Bruchteile des Eingangssignals erfassen kann. Beträgt die Periode eines Signals z. B. 1 ns, dann wird im Abstand von 10,05 ns eine Probe entnommen. Der Analog-Digital-Wandler hat nun ungefähr 10 ns Zeit für die Umsetzung, obwohl das eigentliche Signal viel schneller ist. Nachdem 20 Proben gemessen wurden, ist das Signal einmal abgetastet. (20 · 0,05 ns = 1 ns) Inzwischen sind aber 20 · 10,05 ns vergangen; dies entspricht 201 Perioden des Eingangssignals. In diesem Fall dürfen allerdings keine niederfrequenten Signalanteile vorhanden sein, da diese nicht von der zu messenden Frequenz zu unterscheiden wären.

[Bearbeiten] Vorteile gegenüber dem analogen Oszilloskop

• Die Anzeige kann größer und farbig sein, dadurch lassen sich die einzelnen Kanäle leichter unterscheiden.
• Unterabtastung und Mittelung über aufeinanderfolgende Abtastungen oder Perioden ergibt eine bessere Auflösung bis in den µV-Bereich sowie Störunterdrückung.
• Spitzenerkennung
• Pretrigger
• Autoset
• Scrollen und Vergrößern über mehrere gespeicherte Graphen
• Aufzeichnen langsamer Vorgänge, z. B. ein Temperaturverlauf über einen Tag.
• Der Speicher des Oszilloskop kann anstatt einer eindimensionalen Liste auch ein mehrdimensionales Array der vorangegangenen Abtastintervalle enthalten, um einen Phosphor-Schirm zu simulieren. Die vorangegangenen Perioden werden farblich unterschiedlich dargestellt und damit unterscheidbar (z. B. farbige Augendiagramme).
• Ermöglicht Automation über standardisierte Schnittstellen wie z. B. serielle Schnittstelle oder GPIB.
• Daten- oder Bildfile kann ausgelesen und in anderen Anwendungen eingebunden werden

[Bearbeiten] Nachteile gegenüber dem analogen Oszilloskop

• Die Geräte sind bei vergleichbarer Ausstattung und gleicher Bandbreite des Y-Verstärkers teurer.
• Die Handhabung ist aufgrund vieler Funktionen komplizierter.
• Gefahr von falschen Darstellungen aufgrund von Aliasing (Verletzung des Abtasttheorems)

[Bearbeiten] DSO als Computerzubehör

Digitale Speicheroszilloskope werden auch als Computerzubehör angeboten. Sie sind dann entweder eine Steckkarte oder ein separates, über eine Schnittstelle gekoppeltes Gerät. Sie können auch nur aus Software bestehen und ein Signal einer A/D-Wandlerkarte oder des Audioeinganges nutzen. Alle diese Lösungen erreichen jedoch nicht die Parameter autonomer DSOs. Allerdings kann ihre graphische Ausgabe über die komfortable Anzeige eines PC erfolgen und daher besonders für Lehrzwecke hilfreich sein.

[Bearbeiten] Historische Speicheroszilloskope

Zur Anzeige einmaliger Vorgänge wurden analoge Oszilloskope mit extrem langer Nachleuchtzeit der Anzeigeröhre oder mit einer speichernden Anzeigeröhre verwendet. Die Speicherröhren besaßen eine begrenzte Speicherzeit (Sekunden bis <1 Minute) und boten eine geringe Auflösung, Zur dauerhaften Darstellung mussten die Schirmbilder abfotografiert werden. Die Lebensdauer der Speicherröhren war begrenzt. Sie waren lange Zeit die einzige Möglichkeit, Einzelereignisse mit Zeiten unterhalb etwa 1 ms darzustellen. Ab Zeiten von etwa 1 ms konnten alternativ auch Ereignis-getriggerte fotografische Aufnahmen des Schirmes analoger Oszilloskope angefertigt werden.

Eine zusätzliche Entwicklung ist die nicht selbstleuchtende Blauschriftröhre oder auch Skiatron genannt. Sie benötigt eine externe Lichtquelle. Der Elektronenstrahl trifft hierbei auf eine von außen sichtbare Schicht aus aufgedampften Alkalohalogeniden, meist Kaliumchlorid. Die negative Ladung des Strahles ruft eine Verfärbung der getroffenen Stellen hervor, die je nach Typ blau bis blauviolett erscheint. Diese Spur ist sehr dauerhaft (Minuten bis Tage) und kann durch Erwärmen wieder gelöscht werden.

[Bearbeiten] Weitere Begriffe

Die Begriffe Oszilloskop und Oszillograph werden oftmals synonym verwendet, bezeichnen aber eigentlich verschiedene Dinge. Siehe auch Waveformmonitor.

[Bearbeiten] Weblinks

• HAMEG Instruments
• Oszilloskop-Simulation (erfordert einen Shockwave-fähigen Browser)
• Oszilloskop-Simulation (erfordert einen Java-fähigen Browser)
• Ein reales Oszilloskop über das Internet fernbedienen (Zugriff über ‚Labs‘, erfordert einen Java-fähigen Browser)
• Die Osziseite
• The Cathode Ray Tube site (Englisch)
• Tipps zur Auswahl eines passenden Oszilloskops

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