Oszilloskop

Was ist ein Oszilloskop?

Ein Oszilloskop ist ein Instrument, das elektrische Signale als Wellenformen auf einem Bildschirm ausgibt und sich dadurch auszeichnet, dass es Signaländerungen über die Zeit in zwei Dimensionen beobachten kann.

Oszilloskope werden grob in analoge Oszilloskope und digitale Oszilloskope eingeteilt.

1. Analoge Oszilloskope

Dieser Begriff bezieht sich auf Oszilloskope, die Wellenformen durch Abtasten eines Elektronenstrahls über die Röhrenoberfläche einer Kathodenstrahlröhre zeichnen, um das Eingangssignal zu beobachten. Das Eingangssignal des Oszilloskops wird sofort und mit nur geringer Verzögerung als Wellenform angezeigt.

2. Digitales Oszilloskope

Bezieht sich auf ein Oszilloskope, das das Eingangssignal mithilfe eines A/D-Wandlers in digitale Daten umwandelt, die Daten im Speicher speichert und dann die Wellenform auf dem Display anzeigt. Im Gegensatz zu analogen Oszilloskope handelt es sich um eine Sammlung diskreter Daten, so dass die Daten zwischen den einzelnen Daten ergänzt und als glatte Kurve angezeigt werden.

Anwendungen von Oszilloskopen

Oszilloskope beobachten elektrische Signale in Form von Wellenformen und ermöglichen es dem Benutzer, den Betrieb elektronischer Schaltungen visuell zu überprüfen. Oszilloskope können verwendet werden, um die Signalwellenformen in elektronischen Schaltungen zu überprüfen und sicherzustellen, dass sie wie im Entwurf vorgesehen funktionieren.

Bei der Funktionsprüfung von digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen müssen die Signale mit einem zuverlässigen Timing erfasst werden, das nicht durch digitale Signalschwankungen (Jitter) beeinträchtigt wird, und Oszilloskope werden zur Festlegung dieses Timings verwendet.

Oszilloskope sind auch ein effektives Messinstrument für die Reparatur elektronischer Geräte, denn wenn die Ursache eines Geräteausfalls in der elektronischen Schaltung liegt, kann der fehlerhafte Teil durch Verfolgung der Signalwellenformen der verschiedenen Teile der elektronischen Schaltung aufgespürt werden.

Funktionsweise der Oszilloskope

Bei herkömmlichen analogen Oszilloskopen wird das vom Tastkopf eingegebene Signal an den vertikalen Verstärkungskreis des Oszilloskops weitergeleitet. Das Signal wird in der vertikalen Verstärkerschaltung abgeschwächt oder verstärkt und dann an die vertikale Ablenkplatte der Kathodenstrahlröhre weitergeleitet.

Die an die vertikale Ablenkplatte angelegte Spannung bewirkt, dass der Elektronenstrahl nach oben und unten abgetastet wird. Diese Abfolge von Vorgängen ist das Prinzip des Oszilloskops. Das Eingangssignal wird gleichzeitig an die Triggerschaltung weitergeleitet, und der Elektronenstrahl beginnt mit der horizontalen Abtastung, sobald das Signal mit der eingestellten Triggerbedingung übereinstimmt.

Bei digitalen Oszilloskope wird das Eingangssignal von einem A/D-Wandler in digitale Daten umgewandelt und die Daten werden sequentiell im Speicher abgelegt. Nach Ablauf einer bestimmten Zeit ab dem Zeitpunkt, an dem das Eingangssignal die Triggerbedingung erfüllt, wird die Speicherung neuer Daten gestoppt.

Infolgedessen zeichnet der oben genannte Speicher die Signale vor und nach dem Zeitpunkt auf, an dem die Triggerbedingung erfüllt ist, und diese Signale werden als Wellenformen auf dem Display angezeigt. Mit anderen Worten: Die Signalform vor dem Trigger kann ebenfalls beobachtet werden.

Die Daten im Speicher können auch zur Wellenformanalyse verwendet werden, z. B. zur Frequenzanalyse von Signalen mittels FFT-Operationen. Außerdem können die Daten zur Analyse und Datenspeicherung auf einem PC auf eine Speicherkarte ausgegeben werden.

Auswahl eines Oszilloskops

Bei der Auswahl eines Modells ist es wichtig, dass das Oszilloskope über ausreichende Spezifikationen für die Messaufgabe verfügt. Dabei sind insbesondere der Frequenzgang, die Abtastrate, die Anzahl der Kanäle, die Speichergröße und die verfügbaren Tastertypen zu berücksichtigen.

Neben der grundsätzlichen Verwendung von Oszilloskope für die Beobachtung von Wellenformen werden aktuelle Oszilloskope zunehmend für die Überprüfung von Zeitabläufen, die Analyse von Wellenformen und die Prüfung der Konformität eingesetzt, und der Messbereich und die Funktionalität nehmen entsprechend zu. Daher ist es notwendig, ein Modell auszuwählen, dessen Funktionen für den jeweiligen Einsatzzweck geeignet sind.

Einsatz der Oszilloskope

Oszilloskope können nicht nur Spannungsschwankungen über die Zeit beobachten, sondern auch die Frequenz von wiederholten Signalen messen und Lissajous-Kurven zeichnen. Oszilloskope werden häufig für die Bewertung elektronischer Schaltungen, die Beobachtung der Wellenform von Video- und Audiosignalen, die Prüfung des Ansprechverhaltens von Leistungsgeräten, die Messung der Zeitspanne von digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen und die Bewertung von Mechatronikprodukten eingesetzt.

Die Vorbereitung auf die Messung umfasst die Phaseneinstellung der Messfühler und den Abgleich zwischen den Messfühlern. Der Versatzabgleich ist besonders wichtig, wenn Strom- und Spannungssonden zusammen verwendet werden, da die Stromsonde eine große Verzögerungszeit hat. Um eine ausreichende Messgenauigkeit zu gewährleisten, muss nach dem Einschalten der Stromversorgung etwa 30 Minuten gewartet werden, bevor gemessen wird.

Der Trick, um tatsächlich die gewünschte Wellenform zu beobachten, ist die Triggereinstellung. Während bei analogen Oszilloskope nur die Flankensteilheit, der Triggerpegel und die Triggerverzögerung eingestellt werden können, lassen sich bei digitalen Oszilloskope darüber hinaus verschiedene Triggerbedingungen wie Pulsbreite und Intervall einstellen.

Darüber hinaus ist auch eine sequenzielle Triggerung möglich, bei der Signale erfasst werden, wenn mehrere Triggerbedingungen erfüllt sind. Es sind Techniken erforderlich, um diese zur Erfassung des zu beobachtenden Signals zu nutzen.

Weitere Informationen zu Oszilloskopen

1. Merkmale und Unterschiede zwischen analogen und digitalen Oszilloskopen

Die Merkmale der beiden Arten von Oszilloskopen lassen sich wie folgt zusammenfassen

Analoge Oszilloskope

• Hervorragende Echtzeitleistung, mit einer kurzen Totzeit zwischen der Erfassung und der Anzeige eines neuen Signals
• Die Häufigkeit des Auftretens identischer Wellenformen kann anhand der Helligkeit des Signals bestimmt werden
• Nicht geeignet für die Beobachtung von einmaligen Phänomenen oder Phänomenen mit geringer Wiederholungshäufigkeit
• Erfordert eine fotografische Ausrüstung zur Speicherung der Beobachtungsergebnisse
• Eine Analyse anhand von Wellenformen ist nicht möglich

Digitale Oszilloskope

• Kann zusätzliche Informationen über einmalige Phänomene anzeigen
• Die Beobachtungsergebnisse können als elektronische Daten verarbeitet und somit leicht gespeichert werden
• Wellenformen können als digitale Daten verarbeitet und von einem Prozessor analysiert werden
• Die eigentliche Beobachtungszeit ist aufgrund der langen Totzeit, die für die Signalverarbeitung erforderlich ist, relativ kurz
• Bei wiederholten Wellenformen geht die Frequenzinformation verloren

Heutzutage gibt es keine analogen Oszilloskope mehr, die nur für industrielle Messanwendungen geeignet sind, und digitale Oszilloskope sind fast zu 100 % die erste Wahl.

Dies ist auf die weit verbreitete Verfügbarkeit von Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandlern und -Prozessoren für die Wellenformverarbeitung sowie auf technologische Fortschritte zurückzuführen, die die Mängel digitaler Oszilloskope ausgleichen und zur Verfügbarkeit hochfunktioneller Produkte zu relativ niedrigen Preisen geführt haben.

2. Zu beachtende Punkte bei Oszilloskopen

Bei der Verwendung eines Oszilloskops zur Beobachtung korrekter Kurvenformen sind mehrere Punkte zu beachten, und es ist besonders wichtig, ein Modell mit einem Frequenzgang zu wählen, der das zu messende Frequenzband ausreichend abdeckt.

Der Frequenzgang eines Oszilloskops ist definiert als die Frequenz, bei der die Amplitude auf -3 dB abfällt. Für eine genaue Amplitudenmessung sollte also ein Modell mit einem Frequenzgang gewählt werden, der etwa das Fünffache der Frequenz des zu messenden Signals beträgt.

Bei digitalen Oszilloskope ist auch auf die Abtastfrequenz der Daten zu achten. Wenn die Abtastfrequenz weniger als das Doppelte der Frequenz des zu prüfenden Signals beträgt, kommt es zu Aliasing und es werden falsche Wellenformen angezeigt.