Oszilloskopen: Überblick

Sollte es ein Tool geben, das zur Analyse und Reparatur elektrischer Schaltungen absolut unverzichtbar wäre, so wäre es das Multimeter. Sind jedoch etwas komplexere Messungen erforderlich, kommen auch oftmals Oszilloskopen zum Einsatz. Mit Hilfe dieser Geräte können zahlreiche verschiedene Eigenschaften des jeweiligen elektrischen Signals gemessen werden.

Wie bei den allermeisten anderen Instrumenten nahm auch bei Oszilloskopen die Komplexität mit dem Aufkommen der Digitaltechnologie deutlich zu. Ältere Modelle bieten jedoch einen guten Überblick darüber, wie diese Geräte letztlich funktionieren und welche Informationen gewonnen werden können, wenn ein Oszilloskop an eine elektrische Schaltung angeschlossen wird.

 

Die Basics

Um die Grundlagen eines Oszilloskops besser verstehen zu lernen, sollte zunächst ein einfaches Modell betrachtet werden. Hierfür eignet sich beispielsweise ein analoges Modell hervorragend. Dabei ist jedoch stets zu beachten, dass einige hierin besprochene Punkte bei digitalen Modellen letztlich wesentlich simpler sind als bei analogen Modellen. Da die jeweiligen Informationen hierbei jedoch gar so leicht ablesbar angezeigt werden, eignen sich Digitalspeicher-Oszilloskopen weniger gut zur Erklärung der Funktion eines Oszilloskops als ihre analogen Pendants.

Ein Oszilloskop wird für gewöhnlich mit einer simplen Haken- und Draht-Konstruktion angeschlossen. Bei den meisten Designs befinden sich die positiven und negativen Anschlussklemmen in ein und derselben Messspitze, wodurch diese Geräte angenehm zu bedienen sind.

Die Masse wird dabei an den Massepunkt der Schaltung angeschlossen, während der Hakendraht an den Punkt in dem jeweiligen Schaltkreis angeschlossen wird, wo das elektrische Signal gemessen werden muss. Sobald die Messspitzen an Ort und Stelle sind, zeigt das Display eine Wellenform an.

Ältere Oszilloskopen sind in der Regel noch mit einem Röhrenmonitor ausgestattet. Diese Monitore weisen einen klassischen, bläulich-grünen Stich auf und ähneln gewissermaßen einem älteren Fernsehbildschirm.

Dabei wird mit Hilfe verschiedener Linien ein Netz dargestellt. Dieses Netz dient als Anzeigetabelle für einen Graphen. Der Wert jeder dieser Intervalle auf dem Graphen kann mit Hilfe der Einstellvorrichtungen an dem Oszilloskop angepasst werden.

Andere Einstellvorrichtungen an dem Oszilloskop bieten die Möglichkeit, die Welle zu vergrößern oder zu verkleinern – auf dem Display, nicht elektrisch –; ebenso kann die Welle nach vorne oder hinten verfolgt werden, sodass ein bestimmter Abschnitt der Welle genauer unter die Lupe genommen werden kann. Ebenso besteht die Möglichkeit, das auf dem Display angezeigte Zeitintervall zu verändern, sodass entweder ein einzelner Wellendurchgang isoliert wird oder viele verschiedene Durchgänge auf einmal betrachtet werden können.

Die auf dem Display des Oszilloskops angezeigte Linie wird auch als Trace bzw. Funktion bezeichnet. Dabei sind Sinus-, Sägezahn-, Dreiecks- und Viereckswellen möglich, um das Verhalten der Spannung in dem Schaltkreis anzuzeigen. Werden die Werte der einzelnen Abschnitte des Netzes angehoben, wird das Bild der Welle für einen besseren Überblick sozusagen verkleinert. Werden die Werte der Intervalle hingegen verringert, so können die Spannungen sehr präzise gemessen werden.

Bei einem klassischen Oszilloskop-Display sind die zentralen X- und Y-Achsen für besonders präzise Messungen in sehr kleine Abschnitte unterteilt. Für präzise Messwerte kann der jeweilige Abschnitt der Welle, der untersucht wird, in einem enger gestaffelten Netz betrachtet werden.

Im Hinblick auf den Graphen gilt festzuhalten, dass dessen verschiedenen Abschnitte, die in vertikaler Richtung über den Bildschirm verlaufen, Spannungsänderungen darstellen. Die Abschnitte des Graphen in horizontaler Richtung stellen dabei Änderungen der Zeit dar. In den meisten Fällen stellen die Mittellinien eine Spannung von Null Volt dar. Linien unterhalb der zentralen X-Achse stehen für negative Spannungen, Linien oberhalb der zentralen X-Achse für positive Spannungen. Mit dieser Eigenschaft sind diese Geräte besonders gut für die Messung von Wechselstrom geeignet.

Änderungen des Zeitintervalls können bei diesen Geräten ebenso sehr flexibel gehandhabt werden. In vielen Fällen kann der Anwender Messungen in Zeitintervallen von gerade einmal 0,55 µs durchführen, mit manchen Geräten sind sogar noch kleinere Abschnitte möglich.

Dabei kann der Messzyklus des Geräts derart verlangsamt werden, dass die auftretende Verschiebung beobachtet werden kann. Als Verschiebung wird der Vorgang bezeichnet, bei dem das Gerät die jeweilige Linie von links nach rechts auf den Bildschirm zeichnet. In den meisten Fällen wird die Welle einer Messung jedoch in statischer Form auf dem Bildschirm angezeigt, sodass der Anwender das Bild vergrößern und verkleinern kann, den Zeitrahmen verlängern und verkürzen kann und vieles mehr.

Dank der verschiedenen Wellenformen, die ein Oszilloskop unterstützt, können viele verschiedene elektrische Größen gemessen werden. So weist beispielsweise die klassische Sinuswelle, die im Laufe der Zeit von positiven zu negativen Spannungen übergeht, auf einen Wechselstrom hin. Eine Rechteckwelle, die von null auf die Spitzenspannung ansteigt und im Anschluss wieder direkt auf null übergeht, veranschaulicht hingegen einen Schaltkreis, der schlichtweg ein- und ausgeschaltet wird, oder möglicherweise eine Komponente in einem digitalen Gerät. Dreieckswellen verhalten sich ähnlich wie Rechteckwellen. Sägezahnwellen sind letztlich eine Kombination aus Rechteck- und Dreieckswellen.

 

Das Innenleben eines Oszilloskops

Oszilloskopen sind zwar komplexe Geräte, doch die mit Abstand wichtigsten Komponenten eines Modells mit Röhrenbildschirm sind die Elektromagneten auf beiden Seiten des Bildschirms. Elektronen werden auf das Glas des Bildschirms geschossen, das mit einer speziellen Substanz behandelt ist, damit der Bildschirm bei Auftreffen der Elektronen leuchtet. Im Inneren des Geräts ziehen die Elektromagneten auf beiden Seiten des Bildschirms die Elektronen von einer Seite zur anderen und erstellen somit die Funktion.

 

Digitale Oszilloskope

Digitale Oszilloskope haben, ebenso wie Digital Multimeter, ihren analogen Pendants weitestgehend den Rang abgelaufen. Digitale Oszilloskope bieten erweiterte und anwenderfreundlichere Messfunktionen und, was noch viel wichtiger ist, können zudem wesentlich besser getragen werden als analoge Designs. Mit ihren Röhrenbildschirmen und weiterer sperriger analoger Hardware sind analoge Oszilloskope in aller Regel lediglich fest verankert auf Labortischen zu finden. Digitale Oszilloskope sind hingegen oftmals relativ tragbar gestaltet.

Anders als analoge Oszilloskope zeigen digitale Geräte das gemessene elektrische Signal nicht auf direkte Weise an. Bei einem digitalen Oszilloskop wird das analoge Signal zunächst mit Hilfe eines Analog-Digital-Wandlers in ein digitales Signal umgewandelt. Die Daten dieses digitalen Signals werden dann auf dem Bildschirm angezeigt.

Ebenso wie andere digitale Geräte nehmen auch digitale Oszilloskope gewissermaßen eine Stichprobe des jeweiligen Signals und zeigen diese Informationen dann dem Anwender an. Speziell für Entwickler eignen sich analoge Oszilloskope in manchen Fällen besser, da sie das Signal schlichtweg direkt betrachten und nicht nur eine Stichprobe davon berücksichtigen. In den meisten Fällen überzeugen digitale Oszilloskope jedoch mit ihrer gesteigerten Anwenderfreundlichkeit, einem besseren Preis-Leistungs-Verhältnis und mehr als ordentlichen Messungen für die meisten Anwendungen.

Digitale Oszilloskope bieten zudem bestimmte Vorteile im Umgang mit Daten. So sind beispielsweise manche dieser Geräte mit USB-Anschlüssen ausgestattet. Hiermit können die verschiedenen Daten zur Auswertung direkt an einen Computer übertragen werden. Digitale Oszilloskope sind zwar nicht in der Lage, elektrische Signale auf direktem Wege zu untersuchen, doch sie können die erhobenen Daten abspeichern und sind nicht zuletzt deshalb für viele verschiedene Anwendungen besonders wertvoll.

Bei manchen modernen digitalen Oszilloskopen werden die Informationen, die bei älteren Modellen zunächst aus dem Graphen abgelesen werden mussten, direkt und ohne Umwege dargestellt. Die Spannung eines Signals kann beispielsweise direkt auf dem Bildschirm angezeigt werden, sodass der Anwender die Möglichkeit hat, sowohl den Graphen des Signals zu betrachten, als auch den Messwert direkt abzulesen. Somit kann das Ablesen von Messwerten deutlich beschleunigt werden.

Digitale Oszilloskope sind zudem in der Lage, mathematische Berechnungen durchzuführen. Somit sind diese Berechnungen nicht länger dem Anwender selbst überlassen, während zugleich die Wahrscheinlichkeit von Fehlern in der Messung verringert wird. Dank ihrer Portabilität, der Anwenderfreundlichkeit und des hervorragenden Preis-Leistungs-Verhältnisses sind digitale Oszilloskopen sehr weit verbreitet für industrielle Anwendungen sowie für verschiedenste Aufgaben im Bereich Elektrotechnik. Manche Situationen erfordern jedoch die Vorteile von digitalen und analogen Oszilloskopen gleichermaßen, sodass analoge Varianten auch heute noch weitläufig erhältlich sind und noch immer verwendet werden.

 

Das Beste aus zwei Welten

Darüber hinaus sind auch Oszilloskope erhältlich, die sowohl analoge als auch digitale Signale unterstützen. Hergestellt werden diese Geräte von Unternehmen wie Tektronix, LeCroy und Pico Technology. In der Regel sind diese Geräte für ein hohes Maß an Flexibilität mit zwei oder vier analogen und deutlich mehr digitalen Kanälen ausgestattet. Manche dieser Designs sind speziell für Anwendungen auf Labortischen vorgesehen. Dabei sind die ausgereiftesten Varianten oftmals sehr kostspielige und hochpräzise Geräte für den Einsatz in mitunter sehr widrigen Bedingungen.

Im Hinblick auf den digitalen Teil dieser Oszilloskopen fällt auf, dass die wichtigsten Leistungsmerkmale denen eines reinen digitalen Oszilloskops entsprechen. Die Bandbreite bestimmt dabei die Frequenz der Signale, die das Gerät messen kann. Die Abtastrate beschreibt hingegen, wie oft das Gerät eine Stichprobe des Signals nehmen kann.

Ähnlich wie mit einem beliebigen anderen analogen Oszilloskop können die elektrischen Eigenschaften eines durch einen bestimmten Schaltkreis verlaufenden Signals mit Hilfe eines solchen kombinierten Geräts sehr präzise untersucht werden. Dank der digitalen Kanäle kann der Anwender Daten erfassen, sie mit einem beliebigen Programm auswerten und zudem all die Vorteile eines digitalen Oszilloskops genießen. Bei vielen Anwendungen in den Bereichen Industrie, Forschung und Entwicklung und Maschinenbau ist ein solches kombiniertes Gerät eine bedeutend bessere Lösung als separate digitale und analoge Oszilloskope.

Für Situationen, in denen Messungen im Feld erforderlich sind, sind digitale Oszilloskope die bessere Wahl, da analoge Varianten vielmehr unter bestimmten Bedingungen auf einem Labortisch oder ähnliches zum Einsatz kommen. Ganz gleich, ob sie separat oder als kombiniertes Gerät beschafft werden: Digitale und analoge Oszilloskope bieten jeweils ihre ganz eigenen Vorteile und haben, obwohl sie im Grunde genommen ein und dasselbe Tool sind, jeweils ihren eigenen Platz in moderner Elektrotechnik.

 

Zubehör

Oszilloskope sind in aller Regel mit verschiedenem Zubehör verknüpft. So benötigen beispielsweise die besonders großen Oszilloskopen zur Montage an Labortischen oder ähnlichem bestimmte Montagevorrichtungen, damit sie sicher und mühelos zu erreichen sind. Zudem können verschiedene Messspitzen für den Gebrauch mit einem Oszilloskop bezogen werden, damit diese an verschiedenen Geräten verwendet werden können und dauerhaft zuverlässige und präzise Messungen durchführen können. Tragbare Oszilloskopen werden normalerweise über ein Akkupack mit Energie versorgt, das für zuverlässige Leistungsfähigkeit mühelos ausgetauscht und wieder aufgeladen werden kann.

Software ist ebenfalls ein bedeutender und relativ neuer Punkt, den es bei der Beschaffung von Oszilloskopen zu berücksichtigen gilt. Mit Hilfe von Oszilloskop-Software können Daten über ein digitales Oszilloskop erfasst und im Anschluss auf viele verschiedene Arten ausgewertet werden. Wichtiger ist jedoch, dass Techniker die Messungen und Auswertungen durchführen können, ohne sich selbst mit den Berechnungen zu beschäftigen. Somit können sie eine ganze Menge Zeit sparen und die Genauigkeit insgesamt verbessern. Ganz allgemein ist Oszilloskop-Software jeweils auf ein bestimmtes Oszilloskop-Modell ausgelegt.

Für tragbare Geräte sind in aller Regel Gehäuse und Ersatzmessspitzen erhältlich, um selbst den manchmal unvorhersehbaren Bedingungen bei der Verwendung dieser Geräte in einer Fabrikhalle oder in anderen Bereichen im Feld Rechnung tragen zu können. Da diese Messgeräte derart grundlegend für den Bereich Elektrotechnik sind, ist darüber hinaus eine ganze Reihe an Zubehörartikeln erhältlich.

 

Warum sie so wertvoll sind

Die wohl grundlegendste Messung, die ein Oszilloskop durchführt – das Verhalten einer Spannung im Laufe der Zeit – ist letztlich bloß eine von vielen Funktionen dieser Geräte. Bei der Auswertung von Schaltkreisen können Oszilloskopen helfen, die Phasenverschiebung, die Kapazität und die Induktion zu messen, Unregelmäßigkeiten in den elektrischen Signalen aufzudecken, Störgeräusche zu erkennen und viele weitere Aufgaben zu übernehmen.

Im Vergleich mit einem Digital Multimeter ist ein Oszilloskop ein deutlich dynamischeres Messgerät. Ein Digital Multimeter spuckt lediglich eine Zahl aus. Wird ein Digital Multimeter beispielsweise an einen Schaltkreis mit einer Spannung von insgesamt 5 V angeschlossen, gibt das Gerät einen Wert von 5 V aus. Bei einem Oszilloskop kann der Anwender hingegen nicht nur Informationen über die Menge der durch den jeweiligen Schaltkreis fließenden Spannung gewinnen, sondern es stehen auch Informationen darüber zur Verfügung, inwiefern sich diese Spannung – beabsichtigt oder nicht – im Laufe der Zeit ändern kann.

Mit einem genaueren Blick auf die Sinuswelle können Techniker die Messungen sehr präzise auswerten, sodass Schaltkreise ausgesprochen genau untersucht und entwickelt werden können. Ein Oszilloskop ist etwas, das in absolut keiner Elektronikwerkstatt fehlen darf. Von der Entwicklung über die Fehlersuche bis hin zur Reparatur sind Oszilloskop schlichtweg nicht wegzudenken: Da digitale Oszilloskopen eine vollkommen neuartige Option bieten, wurden sie bedeutend flexibler und leistungsstärker als jemals zuvor.