Können schnelle Signale nur mit dem Oszilloskop gemessen werden?

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Können schnelle Signale nur mit dem Oszilloskop gemessen werden?

Jeder von uns hat schon mal ein Oszilloskop gesehen, auch wenn es den meisten nicht bewusst sein wird. Das Oszilloskop ist das am meisten verwendete Messgerät und findet sich in nahezu allen Lebensbereichen wieder. Egal ob Gerätespannungen, Körperfunktionen oder Naturphänomene überprüft werden müssen – sobald elektrische Spannungen messbar werden, kann das Oszilloskop genutzt werden.

Die Anwendungsgebiete des Oszilloskops umfassen die Elektronik und Elektrotechnik, das Kfz-Handwerk, das Professional Broadcasting, die Medizin, naturwissenschaftliche Laboratorien und vieles mehr. Zudem finden sogenannte Quarzoszillatoren auch gerade in der Welt der Uhren reißenden Absatz. Ihre Fähigkeit, unter elektronischer Spannung Schwingungen zu erzeugen, wird hier als Taktgeber genutzt.

Aufbau eines Oszilloskops – die Braunsche Röhre

Ein Oszilloskop macht den Verlauf veränderter Spannungen im Zeitablauf auf einem Bildschirm sichtbar. Es gibt sowohl analoge als auch digitale Oszilloskope, wobei digitale die Signale zusätzlich speichern können. Dadurch können im Nachhinein auch marginale Auffälligkeiten identifiziert werden. Dreh- und Angelpunkt des Oszilloskops ist die Braunsche Röhre. Sie besteht aus einem Glaskolben, dessen Frontseite eine fluoreszierende Schicht aufweist – den Bildschirm. Ihr Innenleben beinhaltet Ablenkplatten, eine Anode, Elektronenoptik, Wehnelt-Zylinder, eine Kathode und einen Heizdraht.

Der Heizdraht erhitzt die Kathode, wodurch Elektronen „ausgeliefert" werden. Die Spannung der Kathode beträgt -200 bis -800 Volt. Ihr vorgelagert ist der Wehnelt-Zylinder, welcher die Steuerfunktion übernimmt. Die Helligkeit des Leuchtpunkts auf dem Bildschirm wird von ihm, der Geschwindigkeit und der Elektronendichte beeinflusst. Die Elektronenoptik dient der Bündelung der Elektronen, um den Durchmesser und die Schärfe des Elektronenstrahls zu verändern. Ihre Funktion ist sozusagen das Fokussieren. Die Anode beschleunigt die Elektronen, indem ihre Spannung von 100 bis 200 die Elektronen derartig stark anzieht, dass sie durch sie hindurch schießen. Die Linie wird schließlich durch Ablenkplatten erzeugt. Der Lichtstrahl wird von den X-Platten entsprechend der Zeitmessung und von den Y-Platten schließlich entsprechend der Spannungsmessung gelenkt. So steuert die X-Platte den horizontalen Verlauf, während die Y-Platte für die vertikalen Bewegungen zuständig ist.

Aus einer Röhre wird ein Oszilloskop

Die Aufgabe der Braunschen Röhre ist es somit, die Spannung sichtbar zu machen. Um jedoch die zeitabhängigen Spannungsverläufe (die Wellen oder Piques) sehen zu können, bedarf es weiterer Komponenten. Dazu zählen die Betriebsspannung, der Verstärker und der Sägezahngenerator.

Der Verstärker und der Sägezahngenerator

Über den Verstärker lässt sich das Triggerniveau festlegen, das heißt die Spannung, bei der der Ablenkgenerator ruht und kein Signal abgebildet wird. Wird dieses Niveau zu hoch angesetzt, erscheint eine dauerhaft horizontale Linie. Wird das Niveau zu niedrig angesetzt, nimmt der Ablenkgenerator zu viele Spannungswechsel wahr und die Aussagekraft des Kurvenverlaufs geht verloren. Dies lässt sich beispielhaft beim Messen des Herzrhythmus erklären. Nicht nur das Herz verursacht im menschlichen Körper Spannungen. Muskeln und Nerven kommunizieren untereinander über elektrische Spannungen. Würde das Triggerniveau hier zu niedrig eingestellt, würde sich ein unruhiges und unregelmäßiges Auf und Ab auf dem Bildschirm zeigen, das mit dem Herzschlag nichts mehr gemein hat. Selbst Reflexe würden auf dem Bildschirm angezeigt. Bei einem zu niedrigen Triggerniveau würde die horizontale Linie bereits erscheinen, wenn der Patient noch lebhaft und munter ist, und das Oszilloskop würde seine Daseinsberechtigung verlieren.
Der Sägezahngenerator hat die Aufgabe, eine Sägezahnspannung zu erzeugen. Von Sägezahnspannungen spricht man, wenn sich die Spannung langsam aufbaut und sich beim Erreichen eines bestimmten Schwellenwerts plötzlich entlädt. Die Spannung fällt wieder auf den Nullpunkt ab, woraufhin die Spannung sich wieder beginnt aufzubauen. Die grafische Darstellung erinnert an ein Sägezahnblatt, weshalb man hier von Sägezahnspannung spricht. Der Sägezahngenerator liefert die erforderlichen Spannungen.

Der A/D- Wandler – von analog zu digital

Jedoch ist es inzwischen notwendig geworden, auch impulsartige Signale messen zu können. Gerade für Schaltungs- und Systementwickler ist dies unabdingbar. Ihre Entwicklungen müssen die Qualitätssicherung und zu guter Letzt die harte Praxis überstehen. Um bereits in der Entwicklungsphase keine fehlerhaften Dummies zu produzieren, müssen Tests durchgeführt werden, in denen impulsförmige Stimulussignale abgegeben und durch eine schnelle Messtechnik erfasst werden. Im Gegensatz zu analogen Oszilloskopen besitzen digitale Oszilloskope A/D-Wandler – auch als Analog-Digital-Converter (oder kurz ADC) bezeichnet –, die eine höhere Auflösung haben. So können kurzzeitige Ereignisse auf gleicher Bandbreite auf dem PC genauer charakterisiert werden. Und genau da wollen die Hersteller ja hin: Bereits die geringsten und kurzfristigen Abweichungen erkennen und sie dann beseitigen. Denn genau diese Spannungen verursachen im Laufe der Zeit Materialverformungen durch erhöhte Wärmezufuhr und stellen somit eine Gefährdung dar.

Der Flash-ADC – eine besondere Form des ADC

Zumeist wird für die digitale Nutzung von Oszilloskopen ein Flash-ADC benutzt. Man kann es auch als paralleles Verfahren bezeichnen. Der Flash-Umsetzer benötigt für jeden möglichen Ausgangswert einen separat implementierten Komparator. Je mehr Bits gewünscht sind, umso mehr Komparatoren sind erforderlich, wodurch sich eine gängige Größenordnung von 4 bis 10 Bits eingependelt hat.

Die wichtigsten Kenngrößen im Umgang mit Analogen Digitalumsetzern sind:

  • Die Abtastrate oder Sample Rate, welche Angaben zur Häufigkeit der Umsetzung machen.
  • Die Breite der Stufen, welche zur Darstellung des Ausgangssignals verwendet werden, nennt man Auflösung oder Resolution.
  • Der Nullpunktsfehler bezeichnet die Umsetzerkennlinie. Diese beschreibt den konstanten Betrag, um den der digitale Wert vom richtigen Wert abweicht.
  • Der Empfindlichkeitsfehler hingegen beschreibt einen konstanten Prozentsatz, um den sich der digitale Wert vom richtigen Wert unterscheidet.
  • Die integrale Nichtlinearität berücksichtigt den Fehler, der entsteht, da die als linear zugrunde gelegte Umsetzerkennlinie keine Geradlinigkeit aufweist.
  • Bei der differenziellen Nichtlinearität wird hingegen die Abweichung der Breite zwischen den Umsetzungsstufen berücksichtigt.
  • Die Quantisierungskennlinie gibt den Zusammenhang wieder, der zwischen digitalen und analogen Werten liegt wieder. Die grafische Darstellung verläuft dann linear oder logarithmisch.

Auch hier gibt es den Quantisierungsfehler, welcher der begrenzten Auflösung geschuldet ist.

  • Die Informationslücke, der Missing Code, beschreibt das Phänomen, dass Signale beim Umsetzen übersprungen werden.
  • Die Laufzeitverzögerung zwischen der Erfassung und abschließenden Bereitstellung eines Signals wird als Latenzzeit bezeichnet.
  • Das Signal-Rausch-Verhältnis, welches in Dezibel gemessen wird, ist ein Maß für das Verhältnis zwischen Nutz- und Störsignal.
  • Der Dynamikumfang wird ebenfalls in Dezibel gemessen und beschreibt den Bereich, in dem ein Tonsignal Nutzen bringt.
  • Der Betriebsstrom, welcher den notwendigen Versorgungsstrom der Umsetz-Elektronik angibt.

Zur Messung schneller Signale, insbesondere zur Messung kurzfristiger Signale, benötigt man also einen Umwandler oder Umsetzer, der die Signale in einer entsprechend hohen Bit-Zahl wiedergibt, um auch geringe Abweichungen erkennbar machen zu können.

Die Messung von Frequenzen im Mikrowellenbereich erfordert hingegen einen Mikrowellenoszillator. Die dahinterstehende Technik ist entsprechend kompliziert und beschäftigte bereits mehrere Diplomanden der Physik und Elektrotechnik. Ein einfaches Erweitern des Oszillators entfällt und bringt selbst die ehrgeizigsten Bastler an ihre Grenzen. Hier ist der Rückgriff auf bereits komplett zusammengebastelte Mikrowellenoszillatoren erforderlich.

Quarzoszillatoren

Die oben bereits erwähnten Quarzoszillatoren finden nicht nur in den Uhrmacherwerkstätten Verwendung, sondern auch in der Funktechnik, in Prozessoren und in Mikrocontrollern. Quarz weist eine gewisse Temperaturabhängigkeit auf, was unter Umständen die Messergebnisse verfälschen kann. Dies lässt sich durch temperaturkompensierende Oszillatoren minimieren. Diese nennt man dann Temperature Compensated Crystal Oscillator. Durch die eingesetzten Thermistore wird eine Regelspannung erzeugt. Diese wird über Kapazitätsioden angelegt, um die veränderte Kapazität der Quarzoszillatoren zu korrigieren. Reicht auch dieser Kniff nicht aus, gibt es noch sogenannte Quarzöfen. Hierbei handelt es sich um temperaturregelnde Gehäuse des Quarzes. Der Quarz wird elektrisch auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, wodurch Messfehler durch die Außentemperaturen verhindert werden können. Man kann diese Form auch als Active Crystal Oszillator beschreiben, da die Quarze aktiv erwärmt werden.

Bei den Quarzoszillatoren werden grundsätzlich vier Arten unterschieden:

  • Die Oszillatoren mit integrierter Schaltung,
  • mit Pierce-Schaltung,
  • mit diskretem Aufbau und
  • mit verstellbaren Quarzoszillatoren.

Bei der integrierten Schaltung erhalten die Oszillatoren ein Metall- oder Kunststoffgehäuse im Rastermaß. Die Frequenzen sind sehr genau definiert und in Megahertz aufgedruckt. Je genauer die Frequenz ist, umso aufwendiger ist das Bauteil. Die Ungenauigkeit wird in ppm (parts per million) angegeben.

Die Pierce-Schaltung findet insbesondere in der Digitaltechnik Verwendung. Hierbei handelt es sich um einen relativ einfachen Aufbau ohne Spulen. Kombinationen von integrierter und Pierce-Schaltung lassen sich auch mit CMOS-Invertstufen realisieren, weshalb sie sich in der Praxis einer starken Verbreitung erfreut. Die Pierce-Schaltung lässt sich für Frequenzen von 30kHz und 10MHz modifizieren.

Der Diskrete Aufbau kommt den Anforderungen für die Messung höherer Frequenzen nach. Sie kann Frequenzen von 15 bis 40 MHz dimensionieren und erzeugen. Auch wenn offensichtlich die Rückkopplung fehlt, wird dieses Manko durch den Transistor kompensiert. Er besitzt interne Kapazitäten zwischen Kollektor und Emitter sowie zwischen Basis und Emitter.

Im verstellbaren Quarzoszillator ist ein Trimmkondensator integriert, der durch Zuschaltung oder Abschaltung die Frequenz in geringem Umfang verändern kann. Sie werden häufig bei Frequenzgeneratoren, Phasenregelschleifen und anderen Hochfrequenzmess- und Prüfgeräten verwendet. Der Trimmkondensator ist in der Lage, Regelspannungen, die durch Temperaturabhängigkeiten oder Alterung entstehen, entgegen zu wirken.

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