Ratgeber
Für die Messung von elektrischen Spannungen gibt es die unterschiedlichsten Methoden. Im Kfz-Service reicht einer erfahrenen Fachkraft oft schon eine einfache Prüflampe aus, um festzustellen, ob ein Kabel spannungsführend ist oder nicht. Die Ursachen für dunkel bleibende Scheinwerfer oder einen nicht funktionierenden Fensterheber lassen sich so schnell finden. Mechatronik-Fachleute, die es genauer wissen möchten, verwenden sehr gerne digitale Multimeter. Denn mit diesen Messgeräten werden die vorliegenden Spannungswerte exakt angezeigt.
Wenn es aber darum geht, schnell wechselnde Spannungsänderungen oder ständig wiederkehrende Signale darzustellen, sind selbst gut funktionierende Multimeter schnell an ihren Grenzen angelangt. In diesem Fall helfen Oszilloskope weiter. Denn diese Messgeräte haben einen Bildschirm, auf dem Spannungskurven oder Signalformen genau dargestellt werden.
Auch wenn diese Messgeräte aufgrund ihrer vielen Einstellelemente, Schalter und Regler im ersten Moment recht kompliziert erscheinen, ist das Messen mit einem Oszilloskop im Grunde genommen recht einfach. Wir erklären Ihnen gerne mehr zu diesen praktischen und mittlerweile auch erschwinglichen Messgeräten.
Wie bereits angesprochen, werden Oszilloskope genutzt, um Spannungsverläufe oder Signale genauer zu betrachten. Wenn in der Elektronik oder Technik von Signalen gesprochen wird, sind nicht die Lichtsignale von Ampeln gemeint. Vielmehr geht es um Spannungsänderungen, die analoge oder digitale Informationen beinhalten. Bei einem TV-Gerät zum Beispiel sprechen die Fachleute von Videosignalen, die zur Übertragung der Bildinformation dienen. Die Audiosignale hingegen übertragen die Toninformationen.
Wenn bei einem Fernseher der Ton trotz aufgedrehter Lautstärke nicht mehr zu hören ist, kann mit einem Oszilloskop recht einfach geprüft werden, wo der Signalweg unterbrochen ist.
Es können aber auch das Schwingverhalten von Oszillatoren, die Impulse von Sensoren oder auch Phasenverschiebungen zwischen zwei Signalen gemessen werden. Die hier aufgelisteten Beispiele sind jedoch nur ein ganz kleiner Ausschnitt der fast grenzenlosen Einsatzmöglichkeiten von Oszilloskopen.
Übrigens: Da die Darstellung des Messergebnisses am Bildschirm oft an ein Gerät erinnert, das Kurven auf Papier zeichnet, wurden die ersten Oszilloskope auch als Oszillographen bezeichnet. Umgangssprachlich sagen technische Fachkräfte mittlerweile aber auch ganz gerne Oszi, Scope oder sogar Oscar zu ihren Oszilloskopen.
Auch wenn es mittlerweile moderne Digitaloszilloskope mit hochauflösenden Farbdisplays gibt, macht es Sinn, die grundsätzliche Funktionsweise eines Oszilloskops an einem analogen Röhrengerät aufzuzeigen. Die ersten Oszilloskope basierten ebenso wie die ersten Fernsehgeräte auf einer Braunschen Röhre.
Die Braunsche Röhre ist eine annähernd luftleere Elektronenstrahlröhre, die an der Vorderseite eine kegelförmige Fläche aufweist. Dieser Bereich ist innen mit einem Material (8) beschichtet, das beim Auftreffen von beschleunigten Elektronen hell leuchtet. Dadurch lassen sich Punkte oder auch Linien und Kurven darstellen. Die dazu erforderlichen Elektronen werden von der beheizten Kathode (1) ausgesendet. Die Kathode befindet sich im Wehneltzylinder (2), der die Elektronen aufgrund seiner negativen Ladung in der Mitte bündelt und durch eine Öffnung in Strahlrichtung freigibt.
Für die erforderliche Beschleunigung der austretenden Elektronen sorgen ringförmige Elektroden (Anoden). Auch die Anoden (3) haben in der Mitte eine Öffnung. Deshalb können die beschleunigten Elektronen weiter bis zur Leuchtschicht fliegen. Damit sich dort die Elektronen in einem einzigen Punkt treffen, sorgen Fokuselektroden (4) für die Bündelung des Elektronenstrahls (7).
Da aber nicht nur ein Punkt dargestellt werden soll, muss der Elektronenstrahl nach rechts und links sowie nach oben und unten abgelenkt werden. Diese Ablenkung übernehmen Platten, an denen eine Spannung angelegt wird. Die beiden senkrecht stehenden Platten (6) übernehmen die horizontale Ablenkung des Elektronenstrahls von links nach rechts (X-Achse) und die beiden waagerecht ausgerichteten Platten (5) sorgen für eine vertikale Auslenkung des Strahls (Y-Achse).
Schematischer Aufbau einer Braunschen Röhre
Schematische Darstellung mit beheizter Kathode (1); Wehneltzylinder (2); Anoden-Elektroden (3); Fokus-Elektroden (4); Vertikal-Ablenkplatten (5); Horizontal-Ablenkplatten (6); Elektronenstrahlen (7); Leuchtschicht (8).
Einsatz der Braunschen Röhre in einem Oszilloskop
Aufgrund der baulichen Länge der Röhre haben analoge Röhren-Oszilloskope verhältnismäßig große Gehäuse und sind in erster Linie für den stationären Einsatz ausgelegt.
Über dem Bildschirm ist ein Rastergitter mit dünnen Linien angebracht.
Damit lässt sich der Elektronenstrahl sauber ausrichten.
Zudem können konkrete Aussagen zur Spannungshöhe und über die Frequenz des gemessenen Signals gemacht werden.
Wenn der Linienabstand einen Zentimeter beträgt, sind die Skalen der relevanten Einstellknöpfe mit einem Wert pro Zentimeter, also mit z.B. 5mV/cm bzw. 0,1s/cm beschriftet.
Hat der Linienabstand abweichende Werte, wird bei der Beschriftung z.B. 5mV/DIV. (DIV. für Division bzw. Abschnitt) verwendet.
Horizontalablenkung
Um zum Beispiel die Frequenz und die Amplitude einer Schwingstufe (Oszillator) zu messen, muss der Elektronenstrahl zunächst von links nach rechts abgelenkt werden. Für diese horizontale Auslenkung verfügt das Oszilloskop über einen internen Generator, der ein Ausgangssignal in Form eines Sägezahns liefert. Diese Sägezahnspannung (siehe rote Spannungkurve) wird intern verstärkt und auf die senkrecht stehenden Platten geschaltet.
Durch die ansteigende Spannungsänderung (t0 bis t1) wandert der Leuchtpunkt mit einer gleichbleibenden Geschwindigkeit von linken Rand des Bildschirms nach rechts. Beim Zeitpunkt t1 springt die Ablenkspannung vom maximalen positiven Wert zum maximalen negativen Wert. Dadurch wird der Elektronenstrahl von rechts wieder zurück nach links abgelenkt und kann beim nächsten Spannungsanstieg erneut nach rechts laufen.
Um Bildstörungen zu vermeiden, wird der Elektronenstrahl beim Rücklauf auf die linke Seite dunkel getastet.
Über einen Drehschalter mit mehreren Schalterstellungen kann die Frequenz der Sägezahnspannung verändert werden. Wenn an diesem als Timebase bezeichneten Wahlschalter für die Ablenkgeschwindigkeit ein großer Wert mit z.B. 2 Sekunden pro Teiler (2s/DIV.) eingestellt ist, wandert der Leuchtpunkt ganz langsam von links nach rechts. Je kürzer die Zeit pro Abschnitt eingestellt wird, desto schneller wandert der Bildpunkt (siehe Bild).
Ab einem Wert von 2ms/DIV. oder kürzer, ist der Punkt so schnell, dass das menschliche Auge bereits eine waagerechte Linie wahrnimmt. Dieser Effekt wird zudem von der Nachleuchtdauer der Leuchtschicht unterstützt.
Vertikalablenkung
Die vertikale Ablenkung des Elektronenstrahls geschieht über den Messeingang bzw. über das zu messende Signal.
Da an den Platten eine verhältnismäßig hohe Spannung anliegen muss, um den Strahl überhaupt ablenken zu können, ist der Messeingang ebenfalls mit einem internen Verstärker verbunden. Dadurch können auch verhältnismäßig kleine Spannungen im Bereich von 1/1000 V problemlos gemessen werden.
Wenn zu der bereits beschriebenen horizontalen Ablenkung auch noch eine vertikale Ablenkung durch das Eingangssignal hinzukommt, wird statt einer waagerechten Linie der Spannungsverlauf des gemessenen Signals dargestellt.
Für eine aussagekräftige Signaldarstellung verfügt der Messeingang über einen Wahlschalter für die Vertikalablenkung, mit dem die Verstärkung des Messsignals abgestuft eingestellt werden kann.
Dadurch lässt sich eine optimale Ansicht des Messsignals einstellen.
Mit einem Oszilloskop werden ausschließlich Spannungen gemessen. Dadurch ist es nicht erforderlich irgendwelche Stromkreise aufzutrennen. Es muss lediglich die Kroko-Klemme des Tastkopfes mit dem Minus-Potential (Masse) der zu messenden Schaltung verbunden werden. Anschließend kann mit der Messspitze des Tastkopfes jeder beliebige Messpunkt in der Schaltung geprüft werden.
Doch bevor mit der Messung begonnen werden kann, muss zunächst die Ausrichtung des Elektronenstrahls überprüft werden.
Bei Analog-Oszilloskopen befindet sich meist direkt neben der Eingangsbuchse ein Schalter, mit dem der Eingang auf Ground oder Masse geschaltet werden kann (siehe rote Kreismarkierung). Dadurch wird der Elektronenstrahl vertikal nicht ausgelenkt.
Nun kann mit dem Drehregler für die Y-Position der Elektronenstrahl sauber auf die Null-Linie des Gitternetzes eingestellt werden.
Je nach Art der zu messenden Spannung muss der Eingangswahlschalter dann von Ground auf Wechselspannung (AC) oder Gleichspannung (DC) gestellt werden.
Digital-Oszilloskope haben ebenfalls diese Einstellmöglichkeiten.
Allerdings erfolgt die Einstellung nicht über einen Schalter, sondern über die Menüführung des Messgerätes, die von Hersteller zu Hersteller leicht unterschiedlich ist.
Mit dem Wahlschalter für die Vertikalablenkung kann ausgehend vom höchsten Wert eine gut erkennbare Darstellung des Messsignals eingestellt werden. Sollte sich kein stabiles Bild ergeben, muss die Trigger-Einstellung am Oszilloskop verändert werden. Ein Trigger ist quasi der automatisierte Auslöser, der bestimmt, wann der Strahl vom linken Bildschirmrand nach rechts loslaufen soll. Erst wenn der Spannungsverlauf des Messsignals die gleiche Höhe und die gleiche Richtung wie bei der vorherigen Triggerung aufweist, wird der Spannungsanstieg bei t0 des Sägezahnsignals für die X-Ablenkung erneut gestartet. Die dargestellten Signale sind dadurch absolut deckungsgleich und es ergibt sich ein scharfes Bild der Messkurve.
Mit etwas praktischer Übung bekommt man aber sehr schnell ein Gespür für das richtige Triggern und erkennt, an welchen Bedienelementen gedreht werden muss, um ein klares Signal angezeigt zu bekommen
Auswertung der Anzeige
Im gezeigten Beispiel wird eine Rechteckspannung gemessen. Die Einstellungen der Timebase und des Wahlschalters für die Vertikalablenkung sind so gewählt, dass die Darstellung am Bildschirm vier Kästchen bzw. Teiler (Divider/DIV) hoch und eine Periode des Signals zwei Kästchen/Teiler lang ist. Der Spannungsteiler im Tastkopf (siehe Praxistipp) ist auf den Wert 1:1 eingestellt, wodurch der ermittelte Spannungswert direkt übernommen werden kann.
Wie wird die Spannungshöhe mit einem Oszilloskop gemessen?
Der Wahlschalter für die Vertikalablenkung wurde im gezeigten Beispiel auf 0,1 V/Divider (DIV) eingestellt, was bei einer Signalhöhe von vier Kästchen einen Wert von 0,4 Vss bzw. 400 mVss für das Rechtecksignal ergibt.
Wie wird die Frequenz mit einem Oszilloskop gemessen?
Die Zeitdauer für einen positiven und einen negativen Impuls der Rechteckspannung beträgt in der beigefügten Zeichnung zwei Kästchen bzw. Teiler (Divider). Der Wahlschalter für die Ablenkgeschwindigkeit bzw. die Timebase wurde zur Messung auf 0,5 ms/DIV. eingestellt. Das bedeutet, dass eine Periode des Rechtecksignals 1 Millisekunde (T = 1 ms) dauert.
Aus dem Kehrwert der Periodendauer kann dann die Frequenz (f = 1:T) errechnet werden. Im gezeigten Beispiel hat die Rechteckspannung eine Frequenz von 1 kHz.
Bei einer Spannungsmessung stellt das Messgerät einen externen Widerstand dar, der die Messschaltung unter bestimmten Umständen beeinflussen kann. Deshalb sollte der Widerstand des Messgerätes (Eingangsimpedanz) so groß wie möglich sein. Ein Oszilloskop hat in der Regel eine Eingangsimpedanz von 1 MΩ (1 Million Ohm). Mit einem Tastkopf kann die Eingangsimpedanz bei Bedarf erhöht werden. Oft ist am Tastkopf ein Schalter vorhanden, mit dem das Tastverhältnis von 1:1 auf 1:10 oder sogar 1:100 umgeschaltet werden kann.
Bei der Stellung 1:10 beträgt der Gesamtwiderstand (Eingangswiderstand von Oszilloskop und Tastkopf) dann 10 MΩ. Deshalb muss das Messergebnis am Bildschirm mit dem Faktor 10 multipliziert werden, um die tatsächliche Spannungshöhe an der Messspitze zu erhalten. Zudem haben Tastköpfe einstellbare Trimmkondensatoren, um die kapazitiven Einflüsse des Messkabels und des Messeinganges des Oszilloskops auf das Messsignal zu kompensieren. Das dafür erforderliche Rechtecksignal wird von den Oszilloskopen meist selbst erzeugt. Bei einer Unterkompensation sind die Ecken der ansteigenden und abfallenden Flanken des Rechtecksignals abgerundet (Skizze A). Bei einer Überkompensation überschreiten die Flanken den Zielwert (Skizze B). Bei einer korrekt Einstellung des Trimmkondensators werden die Flanken des Rechtecksignals sauber dargestellt (Skizze C).
Unterkompensation
Überkompensation
Korrekte Kompensation
Oszilloskope gibt es in den unterschiedlichsten Ausführungen. Nach wie vor sind in den Laboren, Werkstätten und Hobbykellern noch viele analoge Oszilloskope mit meist bis zu 100 MHz Bandbreite anzutreffen. Die damals recht teuren, aber auch hochwertigen Geräte sind mit einem oder zwei Eingängen, die auch als Kanäle bezeichnet werden, ausgestattet. Zudem weisen auch ältere analoge Oszilloskope noch eine Vielzahl von Zusatzfunktionen und Einstellmöglichkeiten auf.
Mittlerweile setzen sich aber immer mehr Digital-Oszilloskope durch. Bei einem Digital-Oszilloskop wird das analoge Messsignal mit Hilfe eines Wandlers digitalisiert, gespeichert und dargestellt. Dadurch ist es bei entsprechender Triggerung möglich, selbst einmalige Vorkommnisse, die zum Beispiel bei einem manuell ausgelösten Schaltvorgang passieren, genau zu analysieren.
Aber auch die Braunsche Röhre hat mittlerweile ausgedient. Moderne Oszilloskope sind heutzutage mit farbigen Displays ausgestattet. Diese elektronischen Anzeigen bieten eine Fülle an zusätzlichen Informationen, die zusammen mit dem Messsignal angezeigt werden. Durch die kompakte Bauform benötigen moderne Scopes viel weniger Platz auf dem Messtisch und können sogar als tragbare Hand-Oszilloskope mit im Außendienst verwendet werden.
Alternativ dazu gibt es noch USB Oszilloskope bzw. PC Oszilloskope. Diese Messgeräte haben keine eigene Anzeige, sondern eine USB Schnittstelle. Sie werden einfach an einem Computer mit der dazugehörigen Software betrieben, wobei der Monitor zur Darstellung des Messergebnisses genutzt wird. USB Oszilloskope haben oft mehrere analoge und digitale Kanäle und sind ideal für Schulungszwecke und zur Ausbildung geeignet.
Wenn ein Oszilloskop für die professionelle Anwendung gesucht wird, wissen die nutzenden Personen mit Sicherheit sehr genau, welche Spezifikationen das benötigte Gerät erfüllen muss. Schwieriger wird es bei Oszilloskopen, die beruflich nur gelegentlich benötigt oder zu Hobbyzwecken genutzt werden. Aus diesem Grund haben wir die wichtigsten Leistungsmerkmale von Digital-Oszilloskopen kurz zusammengefasst:
Bandbreite
Die MHz-Bandbreite beschreibt den Frequenzbereich des analogen Eingangssignals, das mit zunehmender Frequenz systembedingt in der Amplitude verringert wird. Die obere Grenze der Bandbreite ist definiert, wenn ein sinusförmiges Signal auf 70,7% seiner Amplitude (-3dB-Grenze) abgeschwächt wird. Erfahrungsgemäß sollte die Bandbreite mindestens doppelt so hoch sein, wie die höchste zu messende Frequenzkomponente.
Abtastrate
Bei Digitaloszilloskopen ist die Abtastrate ein ebenso wichtiger Wert. Die Abtastrate gibt an, mit welcher Geschwindigkeit die eingehenden Analogsignale digitalisiert werden können. Nach dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem sollte die Abtastrate bei sinusförmigen Signalen mindestens doppelt so hoch sein, wie die höchste analoge Frequenzkomponente. Für eine präzise Darstellung von Zeitbereichssignalen sollte die Abtastrate aber drei bis vier Mal höher, als die analoge Frequenzkomponente sein. Bei Pulsen oder Rechtecksignalen sollte die Abtastrate zehn Mal höher liegen.
Auflösung
Die Auflösung steht für die Anzahl der vom A/D-Wandler ausgegebenen Bits. Ein Digital-Oszilloskop mit 8-Bit Auflösung teilt einen Eingangsbereich mit 10 Vss in 256 Pegel mit je 39 mV. Bei einer 12-Bit Auflösung ergibt der gleiche Eingangsbereich 4096 Pegel mit je 2,44 mV. Eine Auflösung mit 16 Bit würde bei 10 Vss insgesamt 65.536 Pegel mit je 0,15 mV ergeben. Eine hohe Auflösung wird immer dann benötigt, wenn dynamische Signale mit großen und kleinen Spannungskomponenten gemessen werden sollen. Allerdings steigt mit zunehmender Auflösung auch der Speicherbedarf.
Anzahl der Kanäle
Je komplexer die Messaufgaben, desto höher ist die Anzahl der benötigten analogen Eingänge (Kanäle). Bei zwei Kanälen können über die beiden Eingänge gleichzeitig zwei unterschiedliche Messsignale dargestellt und verglichen werden. Während die meisten älteren analogen Oszilloskope ein oder zwei Kanäle haben, stellen Digital-Oszilloskope meist bis zu vier analoge Kanäle und zusätzliche digitale Eingänge und Schnittstellen zur Verfügung.
Kaufpreis
Zum Glück sind die Zeiten, als Oszilloskope noch unhandlich und teuer waren vorbei. Mittlerweile gibt es selbst hochwertige Geräte zu äußerst attraktiven Preisen. So können sich nun auch viele Elektronikbegeisterte leicht ein kostengünstiges MHz Oszilloskop in die Hobbywerkstatt stellen. Bei der Gelegenheit muss auch das mitgelieferte oder optional zu erwerbende Zubehör wie Netzkabel oder Prüfspitzen beachtet werden. Mit den neuen Messmöglichkeiten können dann sowohl die Fehlersuche als auch komplexe Projekte viel einfacher durchgeführt und realisiert werden.
Wie viel MHz sollte ein Oszilloskop mindestens haben?
Wie hoch die maximale Eingangsfrequenz in MHz liegen soll, kann so einfach nicht beantwortet werden. Denn es kommt immer darauf an, welche Frequenz das zu messende Signal hat. Schließlich kann ein 20 MHz Oszilloskop auch Signale mit mehr als 20 MHz messen. Allerdings werden die Signale im Bereich von 20 MHz und darüber wegen der Dämpfung deutlich kleiner dargestellt und können auf der Zeitachse nicht mehr sauber aufgelöst werden. Wenn Signale mit einer Frequenz von 50 MHz vernünftig gemessen werden sollen, muss der Eingang bzw. der Kanal eine Bandbreite von 100 MHz aufweisen. Sollten aber hauptsächlich niederfrequente Signale im Bereich von unter 1 MHz gemessen werden, reicht ein Oszilloskop mit 20 MHz vollkommen aus. Denn mit steigender MHZ Bandbreite steigt auch der Preis des Gerätes. Digital-Oszilloskope im GHz-Bereich (1000 MHz = 1 GHz) und mit extrem großen Digital-Speicher sind dann vorzugsweise nur für Entwicklungslabore empfehlenswwert.
Was ist ein Zweikanal-Oszilloskop?
Ein Oszilloskop mit 2-Kanälen hat zwei getrennte Messeingänge, mit denen sich unterschiedliche Signale erfassen und auch anzeigen lassen. Neben den Geräten mit 1-Kanal oder 2-Kanälen gibt es noch viele Ausführungen mit 4-Kanälen. Neben den Geräten mit 4-Kanälen bieten einige Hersteller noch digitale Oszilloskope mit 6-Kanälen an. Allerdings sind diese Messgeräte meist extrem teuer.
Was ist ein digitales Speicheroszilloskop?
Bei einem Speicheroszilloskop wird das Eingangssignal verstärkt und anschließend mit einem Analog-/Digital-Wandler digitalisiert. Das Signal liegt dann in digitaler Form vor und wird im Speicher abgelegt. Bei entsprechend hohen Eingangssignalen von mehreren hundert MHz und den dazugehörigen Abtastraten entstehen enorme Datenmengen, die in einem integrierten digitalen Speicher abgelegt werden.
Was bedeutet der Begriff Speichertiefe?
Die Speichertiefe oder auch die Tiefe des Speichers beschreibt bei einem digitalen Oszilloskop die Anzahl der Abtastpunkte, mit der ein Kurvenverlauf gespeichert wird. Je höher die Speichertiefe, desto mehr Abtastpunkte werden gespeichert. Die Speichertiefe wird entweder in Punkten (Mpoint) oder in Abtastwerten (Msample) angegeben. Besonders bei langsamen Signalverläufen sollten Oszilloskope mit hoher Speichertiefe zur Anwendung kommen. Wenn beispielsweise bei einem Schaltvorgang eine einmalige Impulsspitze auftritt, werden von diesem kurzzeitigen Spannungsimpuls trotzdem sehr viele Messwerte gespeichert. Wenn dann der Bereich der Impulsspitze zeitlich gestreckt wird, liegen genügend Messwerte vor, um den Einschwingvorgang unverfälscht bis ins Detail darzustellen. Bei einer zu geringen Speichertiefe, würde es beim Zoomen des Einschwingvorgangs zu drastischen Darstellungsfehlern kommen.