Gern im Dienst der Wissenschaft: Oszilloskope

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Gern im Dienst der Wissenschaft: Oszilloskope

Man findet sie in Labors, in Werkstätten, in der Forschung und überall sonst, wo mit Elektrik und Elektrotechnik umgegangen wird. Die Oszilloskope. Liebevoll von ihren Besitzern auch als Scope oder Oszi bezeichnet, kommt der Name vom Lateinischen „oscillare“, was nichts weiter als „schaukeln“ bedeutet und vom griechischen „skopein“, was „betrachten“ heißt. Und genau das ermöglicht ein Oszilloskop. Die schaukelnden Wellen einer Sinus-Kurve können zum Beispiel damit betrachtet werden und helfen nicht nur im Bereich Radio und Fernsehen, sondern mittlerweile auch in der Elektronik von modernen Computern deren elektrische Signale sichtbar zu machen, wo kein menschliches Auge sie mehr erfassen könnte. Es handelt sich im Grunde um hoch technisierte Werkzeuge, die auch ihren Preis haben.

Wir erklären in diesem Ratgeber alles zum Thema Oszilloskope, wie sie funktionieren, was ihre Einsatzbereiche sind und wozu eigentlich Trigger verwendet werden. Anschließend erklären wir noch kurz ein paar wichtige Dinge zum Kauf eines Oszilloskops.

Was messen Oszilloskope? Gleich- und Wechselspannungen im Zeitverlauf und mehr

Bei einem Oszilloskop handelt es sich um ein elektronisches Messgerät, welches einen Spannungsverlauf, der für die menschliche Wahrnehmung nicht mehr erfassbar ist, optisch darstellt. Auf einem Bildschirm am Gerät wird dabei im engeren Sinne die „Form“ der Spannung sichtbar – als Verlaufsgraph in einem Koordinatensystem mit zwei Ebenen. Das Bild bezeichnet man als Oszillogramm. Die horizontale X-Achse ist dabei die Zeitachse und wird auch Abszisse genannt. Die vertikale Y-Achse zeigt die Spannung an und wird auch Ordinate genannt. Der Messzeitraum kann von Gerät zu Gerät schwanken, aber je kürzer er ist, desto genauere Messungen können gemacht werden und das Signal kann sich schneller ändern.

Das Oszilloskop ist das wichtigste Mess- und Diagnosewerkzeug in der Elektrotechnik und wird in Labors und Werkstätten ständig benötigt. Es misst elektrische Signale von z. B. Computern, Fernseher und Radios.

Neben der Darstellung der Größe einer Spannung im Zeitverlauf können Oszilloskope u.a. auch Phasenverschiebungen eines Signals anzeigen, die Frequenz eines Signals, Impulsdiagramme von Mikroprozessoren, die Frequenzgänge von elektronischen Schaltungen und Durchgangskennlinien elektronischer Bauelemente. Im Prinzip ist ein Oszilloskop also in der Lage jede Art von elektrischer Spannung in einem Zeitverlauf darzustellen und jede elektrische Größe anzuzeigen. Dazu gehören Ströme, Drücke und Magnetfelder.

Die Triggerung am Oszilloskop - Aufzeichnung von Standbildern mittels Trigger

Damit Sie ein Signal genauer anschauen können, benötigt ein Oszilloskop eine Triggerung. Bei periodischen Signalen und bei sehr komplexen Signalen benötigen Sie ein stehendes Bild, um einen genauen Überblick über die Vorgänge zu bekommen. Viele Oszilloskope ermöglichen es zum Beispiel, auch Teilabschnitte auszuweiten. Wollen Sie nun zum Beispiel ein Sinussignal näher anschauen, um es zu analysieren, muss die Aufzeichnung so lange aufgehalten werden, bis ein bestimmter Zustand des Messsignals erreicht ist. Dies nennt man dann den „Trigger“ - er ist ein manuell oder automatisch festgelegter Startzeitpunkt, an dem die Aufzeichnung beginnen soll. Das kann zum Beispiel ein bestimmtes Spannungsniveau sein, das erreicht werden muss, bevor die Aufzeichnung startet. Es gibt oft deutliche Unterschiede bei den Möglichkeiten zur Triggerung, die verschiedene Geräte Ihnen bieten. Als Trigger können auch folgende Ereignisse verwendet werden:

  • Die Steilheit einer Signalflanke
  • TV-Signale
  • Die Breite eines Impulses
  • Die Start-Stopp-Bedingung eines I2C-Bus'
  • Bei CAN-Signalen der „Start of Frame“

Auf analogen Oszilloskopen ist oft nur die Triggerung zu einem definierten Zeitpunkt möglich. Eine manuelle Einstellung des Triggerlevels wird eher selten verwendet, da die automatische Steuerung bei den meisten Geräten eine bequeme Alternative darstellt. Es ist übrigens auch möglich, ein externes Triggersignal zu verwenden. Bei digitalen Oszilloskopen ist es zudem möglich, einen „single shot“ für ein einmaliges Ereignis zu machen und auch mithilfe der Pre-Trigger-Funktion den Kurvenverlauf, der vor dem Triggerereignis stattfand, zu betrachten. Auch die variable Verzögerung der Triggerung kann eingesetzt werden. Dadurch ist es möglich sich Ereignisse anzusehen, die zeitlich lange nach dem Triggerereignis stattfanden. Mithilfe einer zweiten Messbasis kann auch in ein Messsignal hineingezoomt werden.

Die Tastköpfe – Sonden zum Anschluss der Messspannung

Unerlässlich für eine saubere und hochfrequente Messung am Oszilloskop sind die Tastköpfe, auch Tastteiler oder Sonden genannt. Der Tastkopf ist dafür verantwortlich die Leiterstelle abzutasten und das Signal auf das Oszilloskop zu übertragen. An Oszilloskopen werden die Spannungen, die gemessen werden sollen oft über BNC-Buchsen an der Vorderseite angeschlossen und das Gerät so mit dem Tastkopf verbunden.

Es ist von Vorteil, wenn die Masseanbindung sehr kurz ist – so erhalten Sie bessere Messergebnisse. Zu diesem Zweck kann eine Massefeder verwendet werden, die oft dem Tastkopf bereits beiliegt und einen kurzen Anschluss erlaubt. Wichtig für die Leistung des Tastkopfes ist übrigens auch die verwendete Bandbreite. Mit einem 10:1 Tastkopf können Sie zum Beispiel eine Bandbreite bis zu 500MHz erreichen.

Analoge Oszilloskope – Darstellung mit Kathodenstrahlröhre statt Speicherung

Auf dem Markt gibt es zwei verschiedenen Arten von Oszilloskopen: analoge und digitale Oszilloskope. Während digitale Oszilloskope häufig angeboten werden, sind analoge Oszilloskope mittlerweile nur noch selten zu finden, da sie von der neueren Digitaltechnik größtenteils verdrängt wurden. Im Gegensatz zu ihren digitalen Verwandten wird von analogen Oszilloskopen nicht das Signal gespeichert, sondern auf eine Kathodenstrahlröhre projiziert. Man nennt sie deshalb auch Kathodenstrahloszilloskop. Die Projektion findet mithilfe eines kalibrierten Verstärkers statt, der die Spannung, die gemessen werden soll, auf die Kathodenstrahlröhre überträgt. Dort wird dann das Bild selbst gespeichert, nicht das Signal.

Da die Kathodenstrahlröhre aufgrund ihrer Größe recht schwer ist und digitale Geräte oft preisgünstiger hergestellt werden können, sind analoge Geräte fast nur noch im Ausbildungsbereich zu finden. Aber auch analoge Geräte können mehrere Signale gleichzeitig darstellen oder zwei Bilder eines Signals zu unterschiedlichen Zeitpunkten darstellen, damit ein Vergleich möglich ist. Dafür arbeitete das analoge Oszilloskop dann im Mehrkanalbetrieb, der auf verschiedenen Weisen hergestellt werden kann. Zum einen mithilfe einer Mehrsystemröhre, zum anderen mithilfe des sogenannten Chopper-Betriebes oder mithilfe des alternierenden Betriebs.

Mit analogen Oszilloskopen ist größtenteils nur das Betrachten periodischer Signalverläufe möglich, aperiodische Signale können nicht dargestellt werden. Einige analoge Oszilloskope haben allerdings einen Speicher für einmalige Signale, manche ermöglichten sogar den Ausdruck auf Papier. Heute sind diese Geräte jedoch von den digitalen Speicheroszilloskopen größtenteils abgelöst worden.

Digitale Oszilloskope – Leichtere Geräte mit Speicher und vielen Triggermöglichkeiten

Die heute weitverbreiteten digitalen Oszilloskope haben gegenüber den analogen Oszilloskopen einige Vorteile. Zum einen kann die Darstellung farbig gemacht werden und die Anzeige kann insgesamt größer sein. Dadurch lassen sich verschiedene Kanäle besser erkennen und auseinanderhalten. Es kann über mehrere Graphen hinweg gescrollt und auch gezoomt werden. Eine Bilddatei einer Messung kann auf einem USB-Massenspeicher gespeichert werden und es ist möglich langsame Vorgänge aufzuzeichnen. Zudem können abgeleitete Messkanäle gebildet werden und eine Fernsteuerung ist über Schnittstellen möglich. Statt einer eindimensionalen Liste können analoge Oszilloskope auch mehrdimensionale Arrays darstellen, die dann meist farblich für eine gute Erkennbarkeit sorgen.

Daneben können auch Pre-Trigger betrachtet und komplizierte Triggerfunktionen verwendet werden. Mithilfe von Autorange und Autoset können die besten Einstellungen für verschiedene Eingangssignale gemacht werden. Digitale Speicheroszilloskope werden auch DSOs genannt.

Hersteller von Oszilloskopen: Marken und Modelle von verschiedenen Anbietern

Vor dem Kauf eines Oszilloskopes, kann es nicht schaden sich einmal mit den einschlägigen Herstellern und Marken im Bereich der Oszilloskope zu befassen. Es gibt viele Firmen, die sich seit Jahren oder gar Jahrzehnten mit der Herstellung dieser hochwertigen Geräte befassen und mehrere Baureihen analoger und digitaler Oszilloskope produziert haben. Auf der Suche nach einem Oszilloskop kann es nützlich sein zu wissen. Zu den bekanntesten Marken und den und den am häufigsten anzutreffenden Herstellern gehören:

Aber auch große und bekannte Firmen wie AEG, Grundig, Hewlett Packard, Philips und Siemens, haben eine Sparte für Oszilloskope in ihrem Elektronikbereich. Bei den bereits genannten Marken handelt es sich allerdings um Firmen, die sich auf die Herstellung von Oszilloskopen spezialisiert haben.

Beim Kauf eines Oszilloskops beachten: Schnittstellen, Bildschirmgröße, Auflösung und Co.

Bevor Sie zum Kauf eines Oszilloskops schreiten, machen Sie sich in ganz bestimmten Bereichen erst einmal klar, welche Anforderungen das Gerät für Sie erfüllen soll. Wenn Sie Anfänger sind, kann ein digitales Gerät mit vielen Funktionen mehr Fluch als Segen sein. Ein Gerät mit weniger Funktionen ist in diesem Fall vielleicht mehr. Alle, die sich bereits gut auskennen, werden dagegen Wert auf spezielle Zusatzfunktionen und andere Features legen.

Beim Kauf gilt es ganz generell, auf folgende Eigenschaften zu achten:

  • Art der Schnittstellen: Es gibt Ethernet, USB, USB-Host und RS-Schnittstellen oder auch SD-Kartenslots.
  • Eingangsspannung: Zwischen -50 DC und 400 V AC gibt es praktisch alles.
  • Auflösung des Geräts: Je schärfer desto besser, wenn Sie besonders feine Messungen vornehmen wollen.
  • Anzeige: Farb-Displays mit 5,7 '' bis Farb-TFT mit 8 '' sind erhältlich.
  • Kanaltyp: Kanaltypen sind z.B. 2, 2/16 oder 4.
  • Bandbreite: zwischen 60 und 500 Mhz gibt es hier verschiedenste Geräte.
  • Speichertiefe: Gemessen in Punkten sind Geräte von 10 kPkten bis zu 20 MPkte erhältlich.
  • Samplingrate: Geräte sind in aller Regel mit 1 bis 1,25 GS/s erhältlich.
  • Bildschirmgröße
  • Triggerung: verschiedene Arten an Geräten möglich.
  • Maximale Leistungsaufnahme
  • Spannungsversorgung
  • Genauigkeit in Prozent

Wenn Sie wissen, welche Ansprüche Sie an das Gerät haben, wird es Ihnen leicht fallen, sich in diesen Kategorien für etwas zu entscheiden. Dann wird Ihr Oszilloskop Ihnen ein treuer täglicher Begleiter bei der Arbeit.

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