Oszilloskop und Messtechnik: Funktionsweise, Tests und Empfehlungen

Ein Oszilloskop ist ein Messgerät zur Abbildung elektrischer Signale. Das besondere an Oszilloskopen ist die zeitabhängige Darstellung der Signalform. Im Gegensatz zu anderen Messgeräten wie Multimetern stellen Oszilloskope den zeitlichen Verlauf des Signals auf einem graphischen Display dar. Eine Achse der Darstellung ist dabei die Zeit, die andere Achse die Signalintensität. Ein (Speicher-) Oszilloskop wird auch Oszillograph genannt.

Aufbau und Funktionsweise

Bedienelemente und Aufbau eines Oszilloskops.

Aufbau eines Oszilloskops.

Oszilloskope sind immer sehr ähnlich aufgebaut. Die folgende kurze Einführung fasst den Aufbau zusammen. Zunächst gibt es einen (BNC-)Anschluss für jeden Messkanal, hier mit CH1 und CH2 bezeichnet. An diese Känale wird ein Tastkopf angeschlossen. Es gibt ein großes Display um die zu messende Signalform darzustellen. Auf der X-Achse wird immer die Zeit angetragen, auf der Y-Achse die Signalintensität. Häufig werden am unteren Rand die aktuellen Einstellungen des Oszilloskops eingeblendet. Der erste wichtige Parameter ist die sogenannte Zeitbasis. Dieser Wert gibt an, wieviel Messzeit einem Kästchen entspricht (hier 100 ms). Der Wert wird in s/div, also in Sekunden pro Division (=Kästchen) angegeben.  Der Parameter wird über einen Drehknopf Time/div eingestellt. Letztlich stellt man damit die Abtastrate ein.

Die andere wichtige Kenngröße ist die Signaldarstellung in mV/div. Eine Einstellung von 10 mV bedeutet also, dass ein Kästchen einer Signalamplitude von 10mV entspricht. Dieser Wert wird über einen Drehknopf Volt/div für jeden Kanal eingestellt. Daneben gibt es noch zahlreiche Einstellmöglichkeiten für den Trigger, den Trigger-Level sowie die Darstellung der Signalform. Man kann Single-Shot Messungen machen oder laufend (running) arbeiten. Das Signal kann mathematisch umgeformt werden z.B. durch eine FFT-Analyse oder im XY-Modus dargestellt werden. Der Beitrag Funktionseinheiten erläutert die oben erwähnten Bereiche detaillierter.

Im Detail unterscheiden sich Oszilloskope je nach Gerätegattung in Analog- oder Digitaloszilloskope. Analogoszilloskope basieren auf der Auslenkung eines Kathodenstrahls. Digitaloszilloskope tasten die Signalform ab und legen sie in einem Digitalspeicher ab. Der Beitrag "Aufbau und Funktionsweise" widmet sich den Unterschieden zwischen analogen und digitalen Systemen. Digitaloszilloskope sind die moderneren Geräte und es gibt sie sogar für den PC oder als USB-Oszilloskop. PC- und USB-Geräte sind meistens Zusatzkarten für den Rechner, während Analog- und Digitaloszilloskope in der Regel freistehende Geräte sind. Mit dem Oszilloskop-Griff können die Geräte transportiert oder darauf abgestellt werden.

Messen mit dem Oszilloskop

Wie liest man ein Oszilloskop ab.

Oszilloskop ablesen.

Zunächst sollte man sich Fragen, was man eigentlich messen möchte. Ist es nur ein Gleichspannungssignal oder eine sinusförmige Wechselspannung. Für einfache Aufgaben eignet sich dann ein Multimeter . Ansonsten gibt es hier weitere Informationen zur richtigen Wahl der Spannungsmessung. Bei nicht sinusförmigen Wechselspannung muss es auf jeden Fall ein Oszilloskop sein. Wie arbeitet man mit nun einem Oszilloskop? Zuerst muss man den Versuchsaufbau korrekt anschließen und das Oszilloskop richtig einrichten (im Abschnitt Funktionseinheiten gibt es eine Beschreibung der verschiedenen Bedienelemente). Man stellt anschließend die Zeitbasis und Signalamplitude ein. Im obigen Fall einer Sinusschwingung sind das z.B. 100 ms / Kästchen und 10 mV Signalamplitude pro Kästchen. Die obige Sinusschwingung hat eine Amplitude von zweieinhalb Kästen. Daraus folgt eine Signalamplitude von 2,5 * 10mV = 25 mV. Die Schwingungsperiode liegt bei 3 Kästchen, d.h. von Maximum zu Maximum sind es in diesem Fall 3*100ms=300ms. Dies entspricht einer Frequenz von f=1/300ms=3,33 Hz.

Trigger

Darstellung von verschiedene Triggereinstellungen beim Oszilloskop.

Verschiedene Triggereinstellungen beim Oszilloskop.

Jedes Oszilloskop verfügt über einen sogenannten Trigger, der die Darstellung des Signals auf dem Schirm bestimmt. Ein Trigger ist eigentlich ein Bauteil, dass einen Schaltvorgang auslöst. Im Zusammenhang mit Oszilloskopen synchronisiert der Trigger die Darstellung mit dem Bildschirm. Das obige Beispiel zeigt zwei Trigger-Settings mit leicht unterschiedlichen Einstellungen. Im linken Bild liegt der Trigger-Level (grüner Pfeil) beim drittletzten Kästchen. Das Sägezahnsignal steigt von dieser Position um drei Kästchen an und fällt nach 300ms wieder auf Null zurück. Erhöht man nun den Triggerlevel um ein Kästchen, stellt sich das Signal wie im rechten Bild dar. Der Triggerlevel definiert den Zeitpunkt, an dem das Signal abgegriffen und auf dem Schirm dargestellt wird. Der im Vergleich zum linken Bild erhöhte Triggerlevel verschiebt die Darstellung nach links. Der Abfall des Sägezahnsignals auf Null wird nun schon nach 200 ms dargestellt. Der Oszilloskoptrigger beeinflusst nur die Darstellung des Signals. Im obigen Beispiel hat das Sägezahnsignal nachwievor eine Amplitude von 30 mV und eine Periode von 300 ms, das Messsignal bleibt also unabhängig von der Triggereinstellung gleich. Oszilloskope haben typischerweise viele Einstellungsmöglichkeiten für den Trigger. Neben Level kann auch die Steigung (Slope) gewählt werden, es kann auf externe Signale getriggert werden, man kann Single-Shot Messungen machen oder laufend messen.

Tastkopf

Aufbau eines Oszilloskop-Tastkopfes.

Tastkopf für das Oszilloskop.

Der Tastkopf eines Oszilloskops dient zum Abgreifen des zu prüfenden Signals unter definierten Bedingungen. Der Tastkopf verfügt über eine bekannte Impedanz (Widerstand und Kapazität) und erlaubt somit das Messen eines Signals mit möglichst geringer Beeinflussung. Auf der einen Seite wird der Tastkopf mit einem BNC-Stecker an das Oszilloskop angeschlossen. Auf der anderen Seite gibt es eine Prüfspitze zum Abgreifen des Messsignals. Häufig gibt es dort auch einen Aufsatz, um Kabelenden festzuhalten und zu messen. Der zweite Anschluss des Tastkopfes ist in Form einer Krokodilklemme ausgeführt und ist mit der Masseleitung des Oszilloskops verbunden. Die richtige Verdrahtung der Masse ist dabei ein Thema für sich.

Tastköpfe verfügen häufig über einen einstellbaren Teilungsfaktor, z.B. 1 und 10. Ein Teilungsfaktor von 1 heisst, dass das Signal unbeeinflusst an das Oszilloskop übertragen wird. Ein Teilungsfaktor von 10 heisst, dass das Signal durch 10 geteilt an das Oszilloskop übertragen wird. Um eine falsche Interpretation zu vermeiden, muss man dem Oszilloskop den am Tastkopf eingestellte Teilungsfaktor mitteilen. Dies macht man entweder über das Menü des Oszilloskops oder mittels eines "intelligenten" Tastkopfes. Die Hersteller liefern solche Tastköpfe in der Regel mit, die neben dem BNC-Anschluss noch Signalleitungen zur Wahl des Teilungsfaktors beinhalten. Man erkennt dies durch zusätzliche Pins neben dem BNC-Anschluss. Ein Tastkopf sollte stets korrekt abgeglichen werden. Weitere Infos zu Tastköpfen gibt es auf dieser Unterseite.

Analogoszilloskop

Darstellung der Kathodenstrahlröhre in einem Analogoszilloskop.

Aufbau eines Analogoszilloskops.

Die erste Generation Oszilloskope waren Analogsysteme, die ähnlich zu einem Röhrenfernseher aufgebaut sind. Die Grundlage eines Analogoszilloskops ist die Elektronenstrahlröhre mit integrierter Ablenkung, wie oben dargestellt. Das Prinzip ist simpel: Es wird ein Elektronenstrahl im Vakuum erzeugt und durch elektrische Spannung abgelenkt. Am Ende der Röhre trifft der Elektronenstrahl auf einen Leuchtschirm und erzeugt dort einen leuchtenden Punkt. Die einzelnen Elemente der Kathodenstrahlröhre sind die Elektronenkanone, Fokussieroptik, die Anode, die Ablenkung in Y- und X-Richtung sowie der Leuchtschirm. In der Röhre wird durch die Glühwendel und eine Beschleunigungsspannung ein Elektronenstrahl erzeugt, der Richtung schirm fliegt. Kondensatorplatten oben / unten sowie links/rechts ziehen oder drücken den Strahl je nach angelegter Spannung. Der Beitrag "Aufbau und Funktionsweise" beschreibt die Elektronenstrahlröhre des analogen Oszillographen genauer.

Textronix 2246 Analogoszilloskop, 100 MHz Bandbreite

Analogoszilloskop mit 100 MHz Bandbreite und 4 Kanälen.

Digitaloszilloskop

Darstellung der einzelnen Komponenten eines Digitaloszilloskops.

Aufbau eines Digitaloszilloskops.

Der Signalpfad eines Digitaloszilloskopes besteht aus Verstärker, Filter, Digitalisierung und anschließender Übertragung in den Speicher. Verstärker und Filter dienen der analogen Vorverarbeitung. Dann erfolgt die eigentliche Abtastung des Signals durch einen A/D (Analog-Digital Wandler). Die Amplitudenwerte werden in einen Speicher geschrieben, durch einen Prozessor verarbeitet und auf dem Display dargestellt. Hier ist der Aufbau und die Funktion des Digitaloszilloskops detaillierter beschrieben. Die digitalen Daten können für eine spätere Nachverarbeitung auch auf einem USB-Stick gespeichert werden, was bei analogen Oszilloskopen nicht möglich ist. Varianten des Digitaloszilloskops sind PC-Oszilloskope sowie USB-Oszilloskope.

Darstellung eines 4-Kanal Digitaloszilloskops.

Digitaloszilloskop.

PC-Oszilloskop

Darstellung der verschiedenen Varianten des PC-Oszilloskops.

Varianten des PC-Oszilloskops.

PC-Oszilloskope sind Sonderformen des Digitaloszilloskops. Es gibt sie in zwei gängigen Bauformen: als Einsteckkarte für den PC oder als Karte für den USB-Port. Die Einsteckkarten werden als PCI-Karte im Rechner fest verbaut. Über einen speziellen Anschluss werden die Leitungen nach außen geführt, von der analogen Ein- und Ausgabe bis zu zahlreichen Digital IO-Pins. PCI-Einsteckkarten sind in der Automatisierungstechnik beliebt, da sie über viele Triggermöglichkeiten verfügen und sehr gut über Software angebunden sind. Je nach unterstützer Programmiersprache und Treiber können die Karten unter Windows, Mac oder Linux eingesetzt werden. Im Zweifelsfall gibt das Datenblatt des Herstellers Auskunft über die unterstützten Rechnerarchitekturen und Softwareumgebungen. Der Hersteller National Instruments bietet sogar eine spezielle graphische Programmiersprache namens LabView an, die in der Mess- und Automatisierungstechnik häufig anzutreffen ist. Ein einfaches PC-Oszilloskop kann auch mit einer Soundkarte und entsprechender Software realisiert werden.

USB-Oszilloskop

Darstellung USB-Anschluss und Oszilloskop.

Oszilloskope mit USB-Anschluss.

Neben den Einsteckkarten gibt es USB-basierte Oszilloskope. Dies sind oft Boxen mit BNC-Anschlüssen für die Kanäle auf der einen Seite und einem USB-Anschluss auf der anderen Seite. Die USB-Karte wird mit dem Rechner verbunden und per Software angesteuert bzw. ausgelesen. Je nach Hersteller unterstützen die USB-Geräte verschiedene Programmiersprachen, so dass man sie gut in eigenen Messaufgaben verwenden kann. Die USB-Karten verfügen meistens nicht über soviele Kanäle wie die Steckkarten, haben jedoch den Vorteil des flexibleren Einsatzes. Man kann die USB-Karte schnell in einen anderen Rechner anstöpseln oder direkt mit einem Laptop betreiben. Setzt man ein USB-Oszilloskop am Laptop ein, kann man komplett batteriegepuffert arbeiten und dadurch Masseprobleme vermeiden.

Software

Für den PC gibt es zahlreiche Software-Projekte, die sich mit Oszilloskopen beschäftigen. So gibt es z. B. Freeware, die die Soundkarte als einfaches Oszilloskop verwendet. Hier gibt es ein Software-Oszilloskop für die PC-Soundkarte (GUI in Labview), eine kleine Linksammlung für weitere Soundkarten-Tools (auch für Linux) gibt es hier. Auf unserer Unterseite gibt es einen Online-Simulator, der ein virtuelles Oszilloskop + Frequenzgenerator nachbildet. Der Online-Simulator läuft im Browser, auch mit Handys und Tablets.

In den App-Stores für Android und IPhone gibt es Tools, die mittels Mikrofon akustische Signale wie auf einem Oszilloskop auf dem Display darstellen. Die Android-App Oscilloscope Pro unterstützt neben dem Mikrophon sogar ein USB-Hardware Device um echte Spannungssignale darzustellen. Oszilloskop-Apps gibt es auch für das Iphone und Ipad.

Es geht aber auch anders herum, nämlich die Soundkarte zur Ausgabe für das Oszilloskop nutzen. Auf der Hackerparty "Assembly" hat die Hackergruppe tvt eine Demo entwickelt, bei der die PC-Soundkarte an die XY-Eingänge des Oszilloskops angeschlossen werden. Durch eine entsprechende Soundausgabe können dann Figuren auf dem Oszilloskop dargestellt werden. Auf dieser Unterseite gibt es eine Selbstbau-Anleitung für die Ansteuerung eines Oszilloskopes im XY-Mode mit dem Smartphone.

Diese Konzept hat Pekka Väänänen auf die Spitze getrieben mit seiner Portierung des Spiels "Quake" auf das Oszilloskop:

Oszilloskop kaufen

Worauf muss man also nun achten, wenn man ein Gerät kaufen möchte? Zunächst sollte man sich überlegen, welche Bandbreite man braucht. Die Bandbreite sollte mindestens doppelt so hoch wie die maximal zu messende Frequenz sein. Hier muss man beachten, dass Rechtecksignale auch Vielfache der Grundfrequenz beinhalten, dort sollte die Bandbreite mindestens einen Faktor 10 über der zu messenden Rechteck-Grundfrequenz liegen. Ein weiteres wichtiges Kriterium sind die Anzahl der Kanäle. Das Minimum sind zwei Kanäle, wobei das bei mancher Fragestellung schon knapp werden kann. Vierkanal-Oszilloskope sind mittlerweile stark verbreitet. Wenn das Budget sehr knapp ist, tut es vielleicht auch ein Analogoszilloskop. Auf dieser Unterseite gibt es weitere Infos.