Oszilloskop

Ein Oszilloskop (von Oszilloskopje = Schwingungsanzeige) ist ein elektronisches Messgerät zur Darstellung des zeitlichen Verlaufes einer Spannung. Es gibt analoge und digitale Oszilloskope. Das Oszilloskop stellt einen Verlaufsgraphen auf einem Bildschirm dar, wobei üblicherweise die (horizontale) X-Achse (Abszisse) die Zeitachse ist und die Spannungen auf der (vertikalen) Y-Achse (Ordinate) abgebildet werden. Das so entstehende Bild wird als Oszillogramm bezeichnet. oszilloscop.png | Symbol Oscilloscope.svg

Messungen

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

Folgende weitere elektrische Größen können mit einem Oszilloskop gemessen werden:

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 ebenjenem sowie einer Zusatzschaltung)
Frequenzgänge elektronischer Schaltungen (mit einem Wobbelgenerator)

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

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 von Nöten, wenn der Elektronenstrahl wieder am linken Rand mit der Bilddarstellung beginnen will, diesen solange aufzuhalten, bis das zu messende Signal zeitlich gesehen einen definierten Punkt erreicht. Man stellt einen bestimmten Spannungswert ein und kann zumeist frei festlegen, ob sich dieser auf einer ansteigenden oder fallenden Flanke befinden soll, somit wird ein periodisches Signal stets genau übereinander gezeichnet. Je nach Ausstattung des Oszilloskops gibt es noch weitere Triggerungsmethoden.

Analoges Oszilloskop

Bei analogen Oszilloskopen wird die zu messende Spannung über einen einstellbaren Verstärker auf den Bildschirm einer Elektronenstrahlröhre projiziert. Für die X-Ablenkung muss eine periodische Sägezahnspannung erzeugt werden, welche gleichmäßig ansteigt und danach auf Null zurückgesetzt wird. Die Frequenz dieser Sägezahnspannung ist zumeist in einem sehr weiten Bereich einstellbar, um die Ablenkung der Frequenz des zu messenden Signals anpassen zu können. 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 nicht sieht. Die Ablenkung des Elektronenstrahls erfolgt bei Oszilloskopen kapazitiv durch elektrische Felder.

Oszilloskopschema.PNG

Mehrkanalbetrieb

Oft ist es notwendig, zwei Signale auf dem Schirm gleichzeitig darzustellen, um sie zu vergleichen. Dazu gibt es für analoge Oszilloskope 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 verwendet.
Chopper-Betrieb: Bei der Darstellung von langsamen Signalverläufen, kann man sehr schnell zwischen den beiden Eingängen umschalten und dabei auch die horizontale Position 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. Kurze Impulse können in der Zwischenzeit (wenn der andere Kanal geschrieben wird) verloren gehen.
Alternierender Betrieb: Bei der Darstellung von schnellen Signalverläufen lässt man das Signal des einen Kanals einmal ganz auf dem Bildschirm darstellen und schaltet dann auf den anderen Kanal und stellt diesen auf einer anderen Position. Es wird also im Wechsel zwischen Kanal 1 und 2 umgeschaltet.

Digitales Oszilloskop

Heute werden vermehrt digitale Oszilloskope verwendet, da so die Daten auch nach der Messung zur Verfügung stehen und leicht auf einen PC übertragen werden können. Dabei gibt es ebenfalls verschiedene Ausstattungsstufen sowie Mischformen zwischen Analogoszillographen und Digitaloszilloskopen. Obige Eigenschaften gelten prinzipiell genauso für die Digitaloszilloskope. Eine zusätzliche Möglichkeit bekommt man mit Hilfe von Speicheroszillographen: die Pre-Triggerung. Dabei kann man auf ein bestimmtes Ereignis warten, zum Beispiel eine Spannungsspitze, und sich dank der Speicherung den Signalverlauf vor dem Ereignis betrachten.

Die Eingangsspannung wird mit einem Analog-Digital-Wandler mit einer Auflösung von 8, 10 oder 12 Bit digitalisiert. Damit auch schnelle Signale gewandelt werden können, werden nur sog. Flash-Wandler eingesetzt.

Zu Digitaloszilloskopen siehe auch: Abtastung, Shannonsches Abtasttheorem

Digitale Spitzen-Erkennung

Manche 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.

Unterabtastung

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.

Vorteile gegenüber dem analogen Oszilloskop

Nochmal als Listen:

Hellere und größere Anzeige mit Farbe um die einzelne Kanäle zu unterschieden
Unterabtastung und Mittelung über aufeinander folgende Abtastungen oder Perioden ergibt eine besser Auflösung bis zum µV
Spitzenerkennung
pretriggern
Scrollen und zoomen über mehrere gespeicherte Graphen ermöglicht Einsteigern das Arbeiten ohne Trigger
- Dafür muss die Anzeige schnell reagieren
- Die Bedienelemente müssen feinfühlig sein
Es können auch langsame Vorgänge aufgezeichnet werden, z. B. Temperaturverlauf über einen Tag
Der Speicher des Oszilloskop kann anstatt als eindimensionales List auch als zweidimensionales Array angeordnet werden, um einen Phosphor-Schirm zu simulieren. Die Digitaltechnik erlaubt eine quantitative Auswertung (z. B. Augen-Diagramm)
Ermöglicht Automation über standardisierte Schnittstellen wie z. B. serielle Schnittstelle oder GPIB

Speicheroszilloskop

Zur Anzeige einmaliger Vorgänge wurden analoge Oszilloskope mit extrem langer Nachleuchtzeit der Anzeigeröhre verwendet. Wegen der Schwierigkeit, im Vorraus den optimalen Messbereich zu wählen wird heute die digitale Speicherung verwendet. Durch mehrfache periodische Auslesung ist so die Darstellung auf einem normalen Monitor möglich.

Weitere Begriffe

Die Begriffe Oszilloskop und Oszillograph werden synonym verwendet, bezeichnen aber verschiedene Dinge.

Weblinks

Oszilloskop-Simulation (erfordert einen Shockwave-fähigen Browser)
Oszilloskop-Simulation (erfordert einen Java-fähigen Browser)
Die Osziseite
The Cathode Ray Tube site (Englisch)

Elektrische Messtechnik | Messgerät

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