Oszilloskope (Leseprobe)

Oszilloskope Verstehen und effektiv einsetzen

Rémy Mallard

Oszilloskope Verstehen und richtig einsetzen

● Rémy Mallard

● © 2026: Elektor Verlag GmbH, Aachen.

1. Auflage 2026

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● 978-3-89576-765-4

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978-3-89576-766-1

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Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis Danksagungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Kapitel 1 • Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.1 – Was ist ein Oszilloskop? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2 – Grundlegende Funktionsweise eines analogen Oszilloskops . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.2.1 – Allgemeines Blockdiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.2.2 – Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.2.3 – Zeitteilung und Abtastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.3 – Grundlegende Eigenschaften eines Oszilloskops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.3.1 – Empfindlichkeit und vertikale Skala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.3.2 – Zeitbasis, Abtastung und horizontale Skala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.3.3 – Bandbreite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.3.4 – Spezifische Eigenschaften digitaler Oszilloskope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 1.3.4.1 – Abtastfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 1.3.4.2 – Anzahl der Bits und effektive Anzahl der Bits (Digitales -Oszilloskop) . . . . . 44 1.3.4.3 – Speicherkapazität/Speichertiefe (Digitaloszilloskop) . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 1.3.4.4 – Bildwiederholrate (Digitaloszilloskop) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Kapitel 2 • Oszilloskop-Probe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.1 – Was ist eine Probe? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.2 – Sicherheit des Benutzers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.3 – Passive Spannungsprobe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.3.1 – Impedanz und Kapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.3.2 – Frequenzgrenze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.3.3 – Spannungsgrenze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2.3.4 – Einfluss des Erdungskabels der Messprobe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.3.5 – Wann sollten Sie eine passive 1:10-Messprobe verwenden? . . . . . . . . . . . . 69 2.4 – Aktive Spannung Tastkopf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.5 – Differenztastkopf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 2.5.1 – Spannungsgrenze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 2.5.1.1 – Verstärkung und Dämpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 2.5.1.2 – Differenzspannungsbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

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Oszilloskope

2.5.1.3 – Gleichtaktspannungsbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 2.5.1.4 – Maximal zulässige Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 2.5.1.5 – Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 2.5.2 – Frequenzgrenze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 2.5.3 – Vollständige galvanische Trennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 2.6 – Andere Arten von Messspitzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 2.6.1 – HV-Probe (Hochspannungsprobe) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 2.6.2 – Strommessprobe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 2.6.3 – Nahfeldprobe und Kontaktprobe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 2.7 – Steckertypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 2.8 – Auswahl einer Messprobe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Kapitel 3 • Auswahl eines Oszilloskops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.1 – Nicht zu schnell... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.2 – Analog oder digital? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.3 – Labor- und tragbare Oszilloskope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.3.1 – Laboroszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.3.2 – Tragbare oder „Feld“-Oszilloskope (mit Bildschirm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.3.3 – PC-basierte Oszilloskope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.3.4 – Andere Arten von Oszilloskopen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.3.4.1 – Tablet-Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.3.4.2 – Oszilloskop für Computer, Tablet und Smartphone . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.3.4.3 – Stiftoszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.3.4.4 – Oszilloskop-Bausätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 3.3.4.5 – Software-Oszilloskope in Schaltungssimulatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 3.3.4.6 – Ein eigenes Oszilloskop bauen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.3.5 – DSO, MSO, DPO, MDO und andere Oszilloskoptypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.4 – Ermittlung der Anwenderbedürfnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 3.4.1 – Einsatzort? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 3.4.2 – Anzahl der gleichzeitig anzuzeigenden Signale? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 3.4.3 – Maximale Spannung am Oszilloskop-Eingang? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.4.4 – Maximale Frequenz der zu beobachtenden Signale? . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

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3.4.5 – Art der zu beobachtenden Signale (variierend oder repetitiv)? . . . . . . . . . . 105 3.4.6 – Signale im Frequenzbereich anzeigen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 3.5 – Bewertung der Leistung eines Oszilloskops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 3.5.1 – Allgemeine Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 3.5.1.1 – Bandbreite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 3.5.1.2 – Abtastrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 3.5.1.3 – Auflösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3.5.1.4 – Speichertiefe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 3.5.1.5 – Segmentierter Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 3.5.1.6 – Bildschirm-Bildwiederholrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 3.5.2 – Bildschirmauflösung und Bildschirmtyp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 3.5.3 – Ergonomie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 3.5.4 – Weitere „Details“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 3.6 – Hardware- oder Software-Updates (Digitaloszilloskop) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 3.6.1 – Software... und Fehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 3.6.2 – Offizielle und inoffizielle Updates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 3.6.3 – Wartung und messtechnische Überprüfung (Neukalibrierung) . . . . . . . . . . 111 3.7 – Gebrauchte Oszilloskope: Ein Schnäppchen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 3.8 – Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Kapitel 4 • Konfiguration des Oszilloskops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 4.1 – Aufstellung und Arbeitsposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 4.2 – Erste Schritte und Anzeigen einer Kurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 4.2.1 – Erste Schritte – Keine sichtbare Kurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 4.2.2 – Erste Schritte – Kurve sichtbar, aber feste horizontale Linie . . . . . . . . . . . 118 4.2.3 – Erste Schritte – Sichtbare Kurve, Rechteckwelle (CAL-Signal) oder annähernd sinusförmig (Fingersignal): Erfolg! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.2.4 – Anpassungen der Grundeinstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.3 – Messspitzenkalibrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.3.1 – LF-Einstellung (Niederfrequenz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.3.2 – HF-Einstellung (Hochfrequenz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 4.4 – Kopplungsmodi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 4.4.1 – DC-Kopplung (Gleichstrom) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

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Oszilloskope

4.4.2 – Wechselstromkopplung (AC-Kopplung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 4.4.3 – Andere Kopplungsmodi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.4.3.1 – Massekopplung (GND, GD oder 0) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.4.3.2 – Hochfrequenzunterdrückung (HF Reject) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.4.3.3 – Niederfrequenzunterdrückung (LF Reject) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 4.4.3.5 – Invertieren (Polaritätsumkehr) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 4.5 – Triggermodi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 4.5.1 – Manuelles Triggern (Norm, Normal) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 4.5.2 – Automatische Triggerung (AT, Auto, Auto Setup) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 4.5.3 – Einzelauslösung (One-Shot) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 4.5.4 – Triggerquelle und Flankensteilheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 4.5.5 – Andere Arten der Triggerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 4.5.5.1 – TV-Video-Triggerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 4.5.5.2 – Externe Signalauslösung (EXT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 4.5.5.3 – Netz- (LINE-)Triggerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 4.5.5.4 – Pulsbreiten-Triggerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 4.5.5.5 – Intervall-Triggerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 4.5.5.6 – Ereigniszähl-Triggerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 4.5.5.7 – Triggerung nach digitalem Muster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 4.5.5.8 – Runt-Puls-Triggerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 4.5.6 – Hold-Off (Hemmung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 4.5.7 – Roll-Modus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 4.6 – Wesentliche Einstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 4.6.1 – Einstellung der Eingangsempfindlichkeit (vertikale Skala) . . . . . . . . . . . . . 147 4.6.2 – Einstellung der Zeitbasis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 4.7 – Gleichzeitige Darstellung mehrerer Signale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 4.7.1 – Anzeige separater Kurven (analoges Oszilloskop) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 4.7.1.1 – Anzeige von zwei Signalen im Chopping-Modus (CHOP) . . . . . . . . . . . . . 152 4.7.1.2 – Anzeige von zwei Signalen im Wechselmodus (ALT oder DUAL MODE) . . . 153 4.7.2 – Anzeige kombinierter Kurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 4.7.2.1 – Anzeige von zwei Signalen im Additionsmodus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

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4.7.2.2 – Anzeige von zwei Signalen im Subtraktionsmodus . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 4.7.3 – Anzeige erweiterter berechneter Kurven (über A+B oder A−B hinaus) . . . . 156 4.8 – Verwendung von Messcursorn (Markern) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 4.9 – Sonderfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 4.9.1 – Auswahl der Eingangsimpedanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 4.9.2 – Hinzufügen einer Offset-Spannung über das Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . 159 4.9.3 – Isolierte Kanäle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Kapitel 5 • Grundlegende Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 5.1 – Messung einer Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 5.1.1 – Messen einer Gleichspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 5.1.2 – Messung einer Wechselspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 5.1.3 – Messung einer Gleichstrom-Offset-Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 5.1.4 – Messung sehr niedriger Spannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 5.2 – Zeitmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 5.2.1 – Messen eines Zeitintervalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 5.2.2 – Messen einer Periode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 5.2.3 – Messen einer Frequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 5.2.4 – Messung eines Tastverhältnisses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 5.2.5 – Messung einer Phasenverschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 5.2.6 – Messung einer Anstiegs- oder Abfallzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Kapitel 6 • Erweiterte Messungen und Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 6.1 – Warnhinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 6.2 – Messung der Netzspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 6.2.1 – Messung mit einer Differenzprobe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 6.2.2 – Messung mit einem Trenntransformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 6.2.3 – Messung mit einem Optokoppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 6.3 – Messungen in einem Netzteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 6.3.1 – Messung an einem linearen Netzteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 6.3.2 – Messung in einem Schaltnetzteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 6.3.3 – Messung an einem transformatorlosen Netzteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 6.4 – Rauschmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

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Oszilloskope

6.5 – XY-Messung und Lissajous-Figuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 6.5.1 – Messung der Phasenverschiebung zwischen zwei periodischen Signalen . . . 223 6.5.2 – Darstellung eines Dipol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 6.6 – Berechnete Werte und berechnete Kurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 6.6.1 – Berechnete Werte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 6.6.2 – Berechnete Kurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 6.7 – Protokollanalyse und Dekodierung serieller Daten (I²C, SPI, UART usw.) . . . . . 233 6.7.1 – Überprüfung der Validierung von Signalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 6.7.2 – Dekodierung serieller Daten (Allgemeine Überlegungen) . . . . . . . . . . . . . . 238 6.7.3 – Dekodierung serieller I²C-Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 6.7.3.1 – Manuelle Dekodierung von seriellen I²C-Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 6.7.3.2 – Automatische Dekodierung von seriellen I²C-Daten mit dem Picoscope 2204 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 6.7.3.3 – Automatische Dekodierung von seriellen I²C-Daten mit dem Rigol DS1054Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 6.7.4 – Dekodierung serieller SPI-Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 6.7.4.1 – Manuelle Dekodierung von seriellen SPI-Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 6.7.4.2 – Automatische Dekodierung von seriellen SPI-Daten mit dem Picoscope 3204D-MSO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 6.7.4.3 – Automatische Dekodierung von seriellen SPI-Daten mit dem Rigol DS1054Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 6.7.5 – Dekodierung von seriellen UART/RS-232-Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 6.7.5.1 – Manuelle Dekodierung von seriellen UART/RS-232-Daten . . . . . . . . . . . . 251 6.7.5.2 – Automatische Dekodierung von seriellen UART/RS-232-Daten mit Picoscope 2204 oder 3204 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 6.7.5.3 – Automatische Dekodierung von seriellen UART/RS-232-Daten mit dem Rigol DS1054Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 6.7.6 – Dekodierung serieller Daten auf einem Differenzbus . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 6.8 – Spektralanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 6.9 – Messungen und spezifische Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 6.9.1 – Leistungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 6.9.2 – Messung der Impedanz eines Dipols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 6.9.3 – Bandbreitenmessung (Amplituden-Frequenz-Gang) . . . . . . . . . . . . . . . . . 266

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6.9.3.1 – Messung der Bandbreite mit der Punkt-für-Punkt-Methode . . . . . . . . . . . 268 6.9.3.2 – Bandbreitenmessung mit der sweep und wobbeln-Methode . . . . . . . . . . 269 6.9.4 – Jitter-Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 6.9.5 – Augendiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 6.9.6 – Ereigniszähler/Totalisator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 6.9.7 – Integrierter Funktionsgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 6.9.8 – Kommunikationsschnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 6.9.9 – Touchscreen-Display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 6.9.10 – Sprachsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 6.9.11 – Datenaufzeichnung (Bildschirmaufzeichnungen und Konfiguration) . . . . . . 279 6.9.11.1 – Aufzeichnung angezeigter Wellenformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 6.9.11.2 – Speichern von Oszilloskop-Konfigurationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 6.9.12 – Überprüfung einer Infrarot-Fernbedienung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 6.9.13 – Unbekannte Signale erkunden… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 Kapitel 7 • Übungen (und Lösungen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 7.1 – Übung 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 7.2 – Übung 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 7.3 – Übung 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 7.4 – Übung 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 7.5 – Übung 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 7.6 – Übung 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 7.7 – Übung 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 7.8 – Übung 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 7.9 – Übung 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 7.10 – Übung 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 7.11 – Lösungen zu den Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 7.11.1 – Lösung zu Aufgabe 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 7.11.2 – Lösung zu Aufgabe 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 7.11.3 – Lösung zu Aufgabe 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 7.11.4 – Lösung zu Aufgabe 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 7.11.5 – Lösung zu Aufgabe 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289

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Oszilloskope

7.11.6 – Lösung zu Aufgabe 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 7.11.7 – Lösung zu Aufgabe 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 7.11.8 – Lösung zu Aufgabe 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 7.11.9 – Lösung zu Aufgabe 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 7.11.10 – Lösung zu Aufgabe 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 Kapitel 8 • Signalgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 8.1 – Hauptmerkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 8.1.1 – Verwendete Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 8.1.2 – Signaltyp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 8.1.3 – Signalfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 8.1.4 – Signalamplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 8.1.5 – Ausgangstypen und Schutzvorrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 8.1.6 – Eigenschaften digitaler Generatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 8.1.7 – Modulation (AM, FM, Sweep) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 8.1.8 – Auswahl eines Signalgenerators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 8.2 – Nutzen (und Verwendung) eines Signalgenerators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 8.2.1 – Messung der Bandbreite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 8.2.2 – Verzerrungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 8.2.3 – Stimulus mit intermittierenden Signalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 8.2.4 – Validierung einer logischen oder analogen Stufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 8.2.5 – Überprüfung des Schaltungsschutzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 8.2.6 – Simulation analoger Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 Anhang 1 – Elektrische Sicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 Anhang 2 – Digitalisierung eines Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 A2.1 – Warum ein analoges Signal digitalisieren? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 A2.2 – Analog-Digital-Wandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 A2.3 – Abtastfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 A2.4 – Quantisierung und Auflösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 A2.5 – Digital-Analog-Wandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 Anhang 3 – Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 Anhang 4 – Kreative Umnutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336

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A4.1 – Einen Fernseher in ein Oszilloskop verwandeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336 A4.2 – Ein Oszilloskop in einen Fernseher verwandeln… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336 A4.3 – Ein Oszilloskop in ein Audio-Phasenmessgerät verwandeln . . . . . . . . . . . . . . 338 A4.4 – Ein Oszilloskop in einen Spektrumanalysator verwandeln . . . . . . . . . . . . . . . 339 Anhang 5 – Fotografieren von Oszilloskopbildern auf einem analogen Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 Anhang 6 – Eine eigene Probe bauen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 A6.1 – Eine eigene passive Probe bauen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 A6.2 – Eine eigene aktive Probe bauen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 A6.3 – Eine eigene Differenzprobe bauen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 Anhang 7 – Wichtige Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 A7.1 – Bandbreite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 A7.1.1 – Am oberen Ende der Bandbreite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 A7.1.2 – Am unteren Ende der Bandbreite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 A7.1.3 – Außerhalb der angegebenen Bandbreite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 A7.2 – Vertikale Auflösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 A7.2.1 – Eine Auflösung von mehr als 8 Bit mit einem 8-Bit-ADC? . . . . . . . . . . . . 349 A7.3 – Aktualisierungsrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 A7.4 – Maximale Eingangsspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350 A7.5 – Weitere Überlegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350 A7.5.1 – Automatische Bandbreitenbegrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350 A7.5.2 – Softwarebasierte Bandbreitenbegrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350 Anhang 8 – Nützliche Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354

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Oszilloskope

Danksagungen An Elektor, für das anhaltende Vertrauen.

An OVIO France für den zuverlässigen Kundendienst und die großzügige Bereitstellung einer Lizenz zur Dekodierung serieller Daten für das bei ihnen erworbene Rigol DS1054ZOszilloskop.

An Digital Vision für die großzügige Spende von Tektronix-Video-Oszilloskopen.

An PicoTech für die Leihgabe ihres Differenztastkopf.

An Édouard für sein sorgfältiges Korrekturlesen und sein konstruktives Feedback.

An Marie-Christiane, für ihre Hilfe bei den Korrekturen und für ihr Haus am Wasser, das mir half, die Kapitel dieses Buches besser zu strukturieren.

Und an mich selbst, dafür, dass ich meinen eigenen Wünschen nachgegeben habe.

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Kapitel 1 • Einleitung

Kapitel 1 • Einleitung Das Oszilloskop ist ein faszinierendes Gerät. Es ermöglicht uns nicht nur, die Form von Signalen zu sehen, die für das menschliche Auge unsichtbar sind, sondern lehrt uns auch viel über Dinge, die schwer vorstellbar sind. Lange Zeit war es Laboren und Kundendienstabteilungen vorbehalten, doch mittlerweile ist es zu einem moderaten Preis erhältlich. Damit ist es auch für Anfänger zugänglich, denen es zunehmend schwerfallen wird, eine Ausrede dafür zu finden, warum sie keines auf ihrem Arbeitstisch haben.

Ich war 16 Jahre alt, als ich mit dem Bau eines vom Electroradio-Institut angebotenen Oszilloskop-Bausatzes begann (Oszilloskop 70 mit einer DG7-32-Röhre). Damals war noch nicht von Internet die Rede, aber die Elektronik, die in unaufhaltsamem Tempo wuchs, wurde als Berufszweig der Zukunft gepriesen – Elektronikzeitschriften waren voll mit ganzseitigen Anzeigen. Das Gerät, mit dem ich mich nun vertraut machen würde, dessen runder grüner Bildschirm mich wie ein misstrauisches Auge anstarrte, arbeitete mit Elektronenröhren und hohen Spannungen. Diese hohen Spannungen hätten mich erschrecken oder entmutigen können. Aber ich hatte nicht mehr Angst als damals, als ich mein erstes Stroboskop mit seiner Xenon-Blitzröhre baute, das ebenfalls eine hohe Spannung erforderte. Ich baute die Komponenten des Oszilloskops zusammen und folgte dabei sorgfältig den Anweisungen im mitgelieferten Handbuch. Und, das muss ich zugeben, ohne auch nur die Hälfte oder gar ein Viertel von dem zu verstehen, was ich tat. Als ich das Oszilloskop zum ersten Mal einschaltete – nicht ohne eine gewisse Besorgnis –, erschien eine gerade horizontale Linie auf dem Bildschirm. Ich war stolz auf mich – das Gerät war nicht explodiert. Meine Begeisterung war jedoch nur von kurzer Dauer. Als ich ein Sinussignal an den Eingang des Oszilloskops anlegte, wurde die angezeigte Wellenform auf der rechten Seite des Bildschirms zunehmend komprimiert. Die Kurve war hell und stabil, aber ein Oszilloskop, das diesen Namen verdient, sollte eine einfache Sinuswelle nicht so stark verzerren. Ich vermutete sofort einen Fehler in meiner Verkabelung – ich musste beim Zusammenbau einen Fehler gemacht haben. Also zerlegte ich das Gerät komplett und baute es von Grund auf neu auf.

Leider blieb das Problem nach dem Zusammenbau genau wie zuvor bestehen. An diesem Tag war ich zutiefst enttäuscht, da ich keine Ahnung hatte, wie das Gerät funktionierte und völlig unfähig war, den Fehler zu lokalisieren. Also legte ich es beiseite und schenkte es später einem Freund, dem der Fehler nichts ausmachte (was ich natürlich erwähnte). Er wusste wahrscheinlich, wo er suchen musste...

Diese erste Erfahrung mit einem Oszilloskop hat mich enttäuscht, aber sie hat mich nicht im Geringsten von der Elektronik abgeschreckt. Schließlich funktionierten neun von zehn Schaltungen, die ich baute, nicht (und daran erinnere ich die Leute gerne). Heute wäre ich sicherlich in der Lage gewesen, dieses störrische Oszilloskop selbst zu reparieren – vor allem mit der Auswahl an analogen und digitalen Oszilloskopen, die mittlerweile meine Werkstatt füllen...

Ich glaube, ich kann die Frustration, die Fragen oder sogar die Angst nachvollziehen, die ein Anfänger empfinden mag, wenn er mit einem Oszilloskop konfrontiert wird, denn ich habe sie selbst erlebt – selbst bei einem funktionierenden Gerät. Für jemanden, der gerade erst anfängt, mag ein Oszilloskop auf den ersten Blick unglaublich komplex erscheinen, sowohl

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in seiner Funktion als auch in seiner Bedienung. Dieses Gefühl ist ganz natürlich – es gibt viele Einstellknöpfe (und doch manchmal nicht genug – darauf werde ich später noch näher eingehen). Aber diese Komplexität ist nur scheinbar – und sobald man die Grundlagen der Funktionsweise verstanden hat, wird die Bedienung des Geräts einfach und es wird schnell unverzichtbar.

In diesem Buch habe ich versucht, mich in die Lage eines Anfängers zu versetzen und die Gewohnheiten und Reflexe beiseitezulassen, die ich im Laufe der Zeit entwickelt habe. Es steht mir nicht zu, zu beurteilen, ob mir diese Herausforderung gelungen ist. Aber wenn wir einem alten Sprichwort Glauben schenken, kommt es nicht darauf an, ob der Pfeil aus dem Bogen in der Mitte der Zielscheibe landet – wichtig ist, dass er fliegt. Ich hoffe also, dass Sie, genau wie ich, durchstarten und Ihre Reise fortsetzen werden, ganz gleich, welche Hindernisse sich Ihnen in den Weg stellen. Ich wünsche mir immer, dass meine Studenten so viele Fehler wie möglich machen und das wünsche ich auch Ihnen. Aber bitte befolgen Sie die notwendigen Sicherheitsvorkehrungen und beachten Sie die Warnungen, die in diesem Buch verstreut sind. Es würde mich aufrichtig traurig machen, zu hören, dass Sie sich zusammen mit Ihrer Werkbank in die Luft gejagt hätten.

1.1 – Was ist ein Oszilloskop?

Um alles, was in diesem Buch behandelt wird, vollständig zu verstehen, ist es notwendig, zunächst kurz den Aufbau eines Oszilloskops in Erinnerung zu rufen.

Ein elektrischer Wechselstrom ist das Ergebnis eines Phänomens, das mit der Bewegung von Elektronen zusammenhängt. Aufgrund der winzigen Größe der Elektronen können wir uns nicht auf unsere Augen verlassen, um ihre Bewegung zu verfolgen. Das ist unglaublich frustrierend, besonders für diejenigen, die sich intensiv für Atomphysik interessieren. Glücklicherweise kam der Tag (vor nicht allzu langer Zeit, nämlich im zwanzigsten Jahrhundert), an dem findige Köpfe ein elektronisches Gerät entwickelten, das es ermöglichte, über einen Kathodenstrahlbildschirm die Form einer elektrischen Spannung – oder den von dieser Spannung erzeugten elektrischen Strom – innerhalb eines Stromkreises zu untersuchen. Das Oszilloskop war geboren.

Ein Oszilloskop ist einfach ein Gerät, das die Visualisierung des zeitlichen Verlaufs eines elektrischen Signals auf einem Bildschirm ermöglicht. Es kann auch zur Anzeige anderer Größen als elektrischer Signale (wie Luftdruck, Temperatur oder Strom) verwendet werden, sofern diese Größe zuvor in eine Spannung umgewandelt wird. Dadurch sind Oszilloskope in den Bereichen Elektrotechnik, Elektronik und Maschinenbau sowie sowohl im analogen als auch im digitalen Bereich von Bedeutung. Wer sich gerade erst mit Elektronik beschäftigt, verbindet Oszilloskope meist mit Elektronikingenieuren. Das Anwendungsspektrum eines Oszilloskops ist jedoch enorm – sowohl das Luftüberwachungsradar als auch das Elektronenmikroskop sind Ableitungen der Oszilloskoptechnologie. Das zu beobachtende Signal wird auf einem Bildschirm in Form einer hellen Kurve angezeigt, die als Oszillogramm bezeichnet wird, wie in Abbildung 1.1.a dargestellt.

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Kapitel 1 • Einleitung

Abbildung 1.1.a – Oszilloskop-Wellenform (Oszillogramm), die ein Dreiecksignal darstellt.

Die Darstellung des zu beobachtenden Signals erfolgt zweidimensional: Höhe (vertikale Skala) und Breite (horizontale Skala). Der Bildschirm ist in mehrere gleichmäßig beabstandete Abschnitte unterteilt, wobei jedes vertikale oder horizontale Segment des Oszilloskopgitters als „ e Teilung“ (div) bezeichnet wird. Die Unterteilung des Bildschirms in kleinere Abschnitte erleichtert das Ablesen der Parameter „Breite“ und „Höhe“ des angezeigten Signals. In Abbildung 1.1.b ist der Bildschirm in acht gleiche vertikale Abschnitte und zehn gleiche horizontale Abschnitte unterteilt.

Abbildung 1.1.b – Oszilloskopbildschirm mit horizontalen und vertikalen Teilungen. Die Teilungsmarkierungen bilden ein Raster, das auch als „ “ bezeichnet wird. Die Anzahl der Teilungen kann je nach Oszilloskopmodell variieren.

Hinweis: Die Anzahl der vertikalen und horizontalen Teilungen kann je nach Oszilloskopmodell variieren.

Die vertikale Skala stellt die Amplitude des elektrischen Signals in Volt pro Teilung (V/ div) dar. Wie wir später sehen werden (im Kapitel über die Oszilloskopkonfiguration), kann die Einheit V/div Millivolt, Volt oder sogar mehrere - Volt ausdrücken. Mit anderen Worten: Der Abstand zwischen zwei vertikalen Teilungen entspricht nicht immer „1 V pro Teilung“.

Die horizontale Skala stellt das Zeitintervall des beobachteten Signals dar, ausgedrückt in Sekunden pro Teilung (s/div). Diese Einheit (s/div) kann Nanosekunden, Mikrosekunden, Millisekunden, Sekunden oder sogar Dutzende von Sekunden darstellen. Mit anderen

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Worten: Der Abstand zwischen zwei horizontalen Teilungen entspricht nicht immer „1 Sekunde pro Teilung“.

Hinweise: • Bei frühen Oszilloskopen waren die Teilungen mit „cm“ gekennzeichnet und im Benutzerhandbuch wurde die Empfindlichkeit als „pro cm“ angegeben (z. B. 100 µV/cm bis 20 V/cm beim Oszilloskop HP 140A). Jede Teilung konnte 1 cm entsprechen, dies variierte jedoch (z. B. 0,72 cm pro Teilung beim HP 1744A). Im Laufe der Zeit setzte sich der Begriff „div“ (Division) durch, da sich „cm“ speziell auf 1 cm beziehen musste, was nicht alle Hersteller einhielten.

• Ein klassisches Oszilloskop zeigt in der Regel, wie sich ein Signal im Laufe der Zeit verändert. Ein Oszilloskop mit zwei Eingängen kann jedoch auch darstellen, wie sich ein Signal im Verhältnis zu einem anderen entwickelt (beispielsweise bei der Signalkomposition, bei Lissajous-Figuren und im XY-Modus, auf die später noch eingegangen wird).

• Ein Oszilloskop ist in erster Linie ein Diagnosewerkzeug und weniger ein Messgerät.

Wenn es jedoch ausreichend präzise ist und innerhalb seiner bekannten Grenzen eingesetzt wird, kann es für Messungen verwendet werden. In der Praxis kann eine Überprüfung manchmal als Messung mit geringer Genauigkeit dienen. Für den Hobbygebrauch ist eine Messgenauigkeit von ±5 % in der Regel ausreichend.

Elektrische Signale kommen sowohl in der Natur als auch im Labor eines Technikers vor.

Diese Signale variieren stark in ihren Eigenschaften: Niedrige oder hohe Amplitude, niedrige oder hohe Frequenz, einfache oder komplexe Wellenform. Beispielsweise unterscheiden sich die elektrischen Signale des menschlichen Körpers, die mittels eines Elektrokardiogramms (EKG) oder Elektroenzephalogramms (EEG) mit Elektroden und leitfähigem Gel gemessen werden, erheblich von der 230-V-Netzspannung, die von einem Stromversorger wie EDF/ ERDF geliefert wird. Dennoch handelt es sich bei beiden um elektrische Signale, die sich im Laufe der Zeit auf ihre jeweils eigene Weise entwickeln und beide können auf einem Oszilloskop dargestellt werden (siehe Abbildung 1.1.c).

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Kapitel 1 • Einleitung

Abbildung 1.1.c – Elektrische Impulse, die mit der Herzaktivität des Menschen zusammenhängen, lassen sich auf einem Oszilloskop beobachten. Ebenso kann die von einem Stromversorger gelieferte Wechselspannung dargestellt werden. In beiden Fällen ist ein sich im Laufe der Zeit entwickelndes elektrisches Signal sichtbar – sei es mit langsamer Geschwindigkeit (für das menschliche Auge erkennbar) oder mit hoher Geschwindigkeit (zu schnell, als dass das Auge ihnen folgen könnte).

Damit ein Oszilloskop diese verschiedenen Signaltypen korrekt anzeigen kann, muss es über Einstellungen verfügen, die eine entsprechende Anpassung ermöglichen. Erstens benötigt es eine Einstellung der vertikalen Empfindlichkeit, welche die Verstärkung oder Dämpfung des darzustellenden Signals ermöglicht. Wenn diese Einstellung richtig gewählt ist und die helle Kurve korrekt auf der vertikalen Achse des Bildschirms positioniert ist, lassen sich Signale mit niedriger Amplitude (zum Beispiel einige Millivolt) oder Signale mit hoher Amplitude (mehrere Dutzend Volt) präzise beobachten. Zweitens muss das Oszilloskop über eine Einstellung für die Abtastgeschwindigkeit verfügen, welche die ideale Positionierung der hellen Kurve entlang der horizontalen Achse des Bildschirms bestimmt. Mit diesen beiden Einstellungen ist das Oszilloskop fast bereit, die Entwicklung verschiedener Signale genau darzustellen, unabhängig davon, ob sie eine niedrige oder hohe Frequenz haben.

Wir werden diese beiden Einstellungen – Höhe/Amplitude und Breite/Geschwindigkeit – natürlich später noch genauer untersuchen, da sie auf grundlegenden Konzepten basieren.

Das Oszilloskop ist ein in der Elektronik häufig verwendetes Gerät, da es die Beobachtung elektrischer Signale an verschiedenen Punkten in einem Schaltkreis ermöglicht – etwas, das ein einfaches Multimeter nicht leisten kann. Es ist das ideale Werkzeug für jeden, der Schaltkreise entwirft oder Fehler daran behebt. Es ist kein Zufall, dass das Oszilloskop den Spitznamen „das Auge des Elektronikingenieurs“ erhalten hat.

Hinweis: Einige Oszilloskope dienen nicht nur als Signalanzeigegeräte, sondern können auch als Signalgeneratoren fungieren. Wir werden später untersuchen, wie eine solche Option oder Erweiterung nützlich sein kann.

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1.2 – Grundlegende Funktionsweise eines analogen Oszilloskops Ein einfaches analoges Oszilloskop ist relativ einfach aufgebaut. In seiner vereinfachten Form besteht es aus: • einer Kathodenstrahlröhre zur Anzeige, • einer Spannungsverstärkerstufe (zur Darstellung von Signalen mit geringer Amplitude), • einer Oszillatorschaltung, die ein rampenförmiges (Sägezahn-)Signal erzeugt.

In diesem Kapitel wird die Funktionsweise des Oszilloskops erläutert. Die Durchführung von Messungen wird hier nicht behandelt – dies wird in den Kapiteln „Grundlegende Messungen“ und „Fortgeschrittene Messungen“ erklärt.

1.2.1 – Allgemeines Blockdiagramm Das vereinfachte Blockdiagramm in Abbildung 1.2.1.a veranschaulicht die Funktionsblöcke (Subsysteme), welche die Grundlage eines analogen Oszilloskops bilden.

Abbildung 1.2.1.a – Allgemeines Blockdiagramm eines analogen Oszilloskops mit Spannungsverstärker, Synchronisationssystem und Zeitbasis, die ein periodisches Rampensignal erzeugt.

Der Eingangsverstärker sorgt dafür, dass das an die Kathodenstrahlröhre angelegte Signal eine ausreichende Amplitude aufweist. Die Röhre selbst arbeitet mit (und benötigt) hohe Spannungen. Der Rampengenerator (der offizielle Lieferant von Sägezahnsignalen) bestimmt, an welcher Stelle auf dem Bildschirm das Oszilloskop die Wellenform zu einem bestimmten Zeitpunkt anzeigen soll. Dieser Generator kann Rampensignale auf verschiedene Arten erzeugen: • Kontinuierlich, nacheinander, ohne die Art des angezeigten Signals zu berücksichtigen. Dieser Modus wird als AUTOMATIC- oder FREE-RUNNING-Modus bezeichnet.

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• Synchronisiert mit dem beobachteten Signal. In diesem Fall spricht man vom NORMAL-Modus, dem im Standardbetrieb am häufigsten verwendeten Modus.

• Synchronisiert mit einem externen Signal, das eine andere Wellenform als das angezeigte Signal haben kann.

Je nach gewähltem Modus kann die angezeigte Kurve entweder stabil oder instabil erscheinen. Diese verschiedenen Modi werden im Kapitel „Oszilloskop-Konfiguration“ im Abschnitt „Triggermodi“ erläutert.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Die vertikale Position des Punktes auf dem Bildschirm (der helle Punkt, mit dem die Wellenform gezeichnet wird) hängt von der Amplitude des Eingangssignals und den Einstellungen des Spannungsverstärkers ab. Die horizontale Position des Punktes hängt vom Rampen- (Sägezahn-)Signal ab, das vom Zeitbasisgenerator erzeugt wird.

1.2.2 – Verstärker Das darzustellende Signal hat selten eine ausreichende Amplitude, um eine nennenswerte Ablenkung des Elektronenstrahls in der Kathodenstrahlröhre zu bewirken. Würde es direkt an die Vertikalablenkplatten angelegt, bliebe die helle Spur entweder stationär oder würde nur geringfügig von ihrer Mittelposition abweichen. Um Spannungsquellen mit stark schwankenden Amplituden zu berücksichtigen, ist das Oszilloskop mit einem Spannungsverstärker ausgestattet, dem ein vom Benutzer einstellbarer Dämpfungsglied vorgeschaltet ist. Mit diesen beiden Elementen (Dämpfungsglied und Verstärker) lässt sich eine „normale und ausreichende“ Spannung erzielen, um die Vertikalablenkplatten der Kathodenstrahlröhre anzusteuern, unabhängig davon, ob das Eingangssignal eine Amplitude von wenigen Millivolt oder mehreren Volt aufweist.

Die Eingangsstufe des Oszilloskops gewährleistet zudem eine feste und hohe Eingangsimpedanz, typischerweise 1 MΩ parallel zu einer Kapazität von einigen oder mehreren zehn Picofarad (pF). Wie wir gleich sehen werden, spielen die beiden Parameter „Eingangsimpedanz“ und „Eingangskapazität“ eine entscheidende Rolle für die Genauigkeit einer Messung.

Anmerkung: Der Autor hatte einmal die Gelegenheit, mit einem Techniker zusammenzuarbeiten, der zugab, den Eingangsverstärker seines Oszilloskops abgeklemmt zu haben, um ein Hochfrequenzsignal (HF-Signal) direkt auf die Vertikalablenkplatten zu leiten (das HF-Signal stammte von einer Probe, die den Ausgang eines Fernsehsenders überwachte). Er behauptete, dies umgehe die Bandbreitenbeschränkung des Eingangsverstärkers. Das angezeigte Signal war instabil, aber das kümmerte ihn nicht. Nach der „Kalibrierung“ seines modifizierten Oszilloskops konnte dieser Kollege feststellen, ob die Amplitude des HF-Signals korrekt war oder nicht. Dies erinnerte den Autor an eine Modifikation, die er an einem Schwarz-Weiß-Fernseher vorgenommen hatte, um ihn in ein riesiges Oszilloskop umzuwandeln – ein Thema, das in Anhang 4 behandelt wird.

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1.2.3 – Zeitteilung und Abtastung Das Ausmaß der horizontalen Ablenkung (Grad der horizontalen Verschiebung) des Elektronenstrahls in der Kathodenstrahlröhre steht in direktem Zusammenhang mit dem Wert der an die Horizontalablenkplatten angelegten Spannung. Die automatische Bewegung des Leuchtflecks von links nach rechts über den Bildschirm wird als horizontaler Schwingungslauf bezeichnet. Ohne eine Abtastfunktion verbleibt der Elektronenstrahl ungestört auf seiner geradlinigen Bahn innerhalb der Röhre und das Oszilloskop kann keine Kurve entlang der horizontalen Ebene anzeigen (obwohl es weiterhin eine in der vertikalen Ebene anzeigen könnte). In einem solchen Fall würde es höchstens einen statischen, wenig interessanten hellen Punkt anzeigen. Darüber hinaus besteht eine potenzielle Verbrennungsgefahr für die fluoreszierende Oberfläche des Bildschirms, wie in Abbildung 1.2.3.a dargestellt.

Abbildung 1.2.3.a – Wenn der Elektronenstrahl weder vertikal (keine Spannung am Oszilloskop-Eingang) noch horizontal abgelenkt wird, erscheint ein fester heller Punkt in der Mitte des Bildschirms. Dieser Punkt ist kaum von Nutzen und birgt die Gefahr, die Leuchtstoffbeschichtung zu verbrennen.

Die Abtastung (horizontale Ablenkung) wird durch Anlegen einer ansteigenden, rampenförmigen Spannung an die horizontalen Ablenkplatten erzeugt, die bei einem Minimalwert beginnt und auf einen Maximalwert ansteigt. Wenn die horizontalen Ablenkplatten die minimale Spannung erhalten, wird der Elektronenstrahl nach links abgelenkt und der helle Punkt erscheint ganz links auf dem Bildschirm (so weit wie möglich links, solange er noch sichtbar ist). Wenn die Horizontalablenkplatten die maximale Spannung erhalten, wird der Elektronenstrahl nach rechts abgelenkt und der helle Punkt bewegt sich an den äußersten rechten Rand des Bildschirms (wiederum so weit rechts, wie er noch sichtbar bleibt). Durch stufenlose und kontinuierliche Veränderung der Horizontalablenkspannung (in einem ansteigenden linearen Rampenmuster) bewegt sich der helle Punkt mit konstanter Geschwindigkeit von links nach rechts.

Hinweis: Sobald sich der Punkt schnell genug bewegt und aufgrund der Nachleuchtwirkung der Kathodenstrahlröhre, wird der sich bewegende Punkt nicht mehr als Punkt wahrgenommen, sondern als durchgehende helle Spür.

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Kapitel 1 • Einleitung

Sobald der helle Punkt die rechte Bildschirmkante erreicht, kann er schnell nach links zurückkehren. Dies geschieht durch eine abrupte Verringerung der horizontalen Ablenkspannung. In diesem Moment wird der Elektronenstrahl abgeschaltet, um zu verhindern, dass die Rückbewegung sichtbar wird. Wenn unmittelbar danach die horizontale Ablenkspannung ihren linearen Anstieg wieder aufnimmt, nimmt das resultierende Signal die Form einen Sägezahn an und der helle Punkt bewegt sich erneut von links nach rechts über den Bildschirm, wie in Abbildung 1.2.3.b dargestellt. Dieser kontinuierliche und ununterbrochene Abtastzyklus, bei dem sich der Punkt wiederholt über den Bildschirm hin und her bewegt, wird als Automatikmodus bezeichnet (wir werden im Kapitel über Triggermodi sehen, dass der Begriff AUTO im Zusammenhang mit dem Oszilloskop mehrere Bedeutungen haben kann).

Abbildung 1.2.3.b – Im „automatischen“ Modus steigt die an die Horizontalablenkplatten der Kathodenstrahlröhre des Oszilloskops angelegte Spannung linear von einem Minimum auf ein Maximum an, fällt dann abrupt wieder auf das Minimum ab, bevor ein weiterer linearer Anstieg beginnt. Diese Art von Signal, das aus einer Reihe ansteigender Rampen besteht, wird aufgrund seiner charakteristischen Form als Sägezahn bezeichnet.

Die Geschwindigkeit, mit der sich der helle Punkt bewegt (die Zeit, welche die Sägezahn benötigt, um von ihrem Minimal- auf ihren Maximalwert anzusteigen), wird durch die Zeit

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Teilung bestimmt. Wenn der Benutzer die Zeit Teilung auf 10 ms/div (10 Millisekunden pro Teilung) einstellt und der Bildschirm in 10 gleiche horizontale Teilungen unterteilt ist, bedeutet dies, dass der helle Punkt 100 ms benötigt, um den gesamten Bildschirm zu durchlaufen (10 ms × 10 Teilungen). Wenn dasselbe Oszilloskop auf 100 µs/div (100 Mikrosekunden pro Teilung) eingestellt ist, benötigt der helle Punkt 1 ms, um den gesamten Bildschirm zu durchlaufen (100 µs × 10 Teilungen).

Wichtige Erkenntnis: Die durch eine einzelne horizontale Teilung dargestellte Dauer ist nicht immer gleich, da sie von der vom Benutzer eingestellten Zeitbasis abhängt.

Auf einem einfachen analogen Oszilloskop (ohne integrierte Rechenfunktion) kann zwar eine Wellenform angezeigt werden, der aktuelle Zeitbasiswert wird jedoch nicht auf dem Bildschirm angezeigt. Aus diesem Grund muss sich der Benutzer die gewählte Zeitbasiseinstellung merken. Bei modernen Geräten wird der Zeitbasiswert jedoch direkt auf dem Bildschirm angezeigt (oder kann angezeigt werden).

Die Bewegung des Punktes von links nach rechts kann je nach Präferenz des Benutzers langsam oder schnell sein. Ist sie ausreichend schnell, erscheint die Kurve als durchgezogene Linie, wie in Abbildung 1.2.3.c zu sehen ist.

Abbildung 1.2.3.c – Sobald der Scanvorgang aktiviert ist, bewegt sich der Spot (heller Punkt) mit einer Geschwindigkeit von links nach rechts, die von der Zeitbasiseinstellung abhängt. Wenn sich der Spot schnell und wiederholt bewegt (automatischer Modus), erscheint anstelle eines sich bewegenden Punktes eine „durchgehende“ Linie.

Hinweis: Bei mäßig langsamer Abtastgeschwindigkeit kann ein Flackern auftreten, das für das Auge störend sein kann. Bei einigen Geräten lässt sich dieses Unbehagen durch eine Einstellung der Kurvenpersistenz verringern, die bei richtiger Einstellung die vorherige Kurve auf dem Bildschirm anzeigt, bis die nächste erscheint. Diese Einstellung ermöglicht auch eine angenehmere Darstellung von gelegentlichen Ereignissen, die andernfalls weniger hell als der Rest erscheinen würden. Dieses Problem tritt bei digitalen Oszilloskopen nicht auf, deren Bildschirme frei von Nachleuchten sind (obwohl dieser Effekt mit einer Software-Persistenzoption simuliert werden kann).

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Kapitel 1 • Einleitung

Wenn ein Oszilloskop eingeschaltet wird, ist es bei den Standardeinstellungen sehr wahrscheinlich, dass eine helle Linie erscheint. Dies bestätigt, dass die Abtastfunktion aktiv ist. Wird dann eine konstante Gleichspannung an den Eingang des Oszilloskops angelegt (beispielsweise von einer Batterie), verscheibt sich die helle Kurve vertikal (nach oben oder unten, je nach Polarität der Spannungsquelle) und verbleibt an ihrer neuen Position, solange die DC-Spannung vorhanden ist und unverändert bleibt. Der Abstand der Kurve vom Bildschirmmittelpunkt hängt von der Amplitude der an den Eingang des Oszilloskops angelegten Spannung sowie von der Einstellung der vertikalen Skala ab. Zu diesem Zeitpunkt lässt die Einstellung möglicherweise keine nennenswerte Bewegung der Kurve zu oder umgekehrt kann sich die Kurve vollständig vom Bildschirm entfernen. Dies wird später noch ausführlicher behandelt.

Wenn die an das Oszilloskop angelegte Spannung gegenüber Masse positiv ist, verschiebt sich die helle Kurve auf dem Bildschirm nach oben, wie in Abbildung 1.2.3.d dargestellt.

Abbildung 1.2.3.d – Wenn eine positive Gleichspannung an den Oszilloskop-Eingang angelegt wird, verschiebt sich die helle Linie auf dem Bildschirm nach oben. Der Grad der Verschiebung von der Mitte hängt von der Eingangsspannung und der Einstellung der vertikalen Skala (Volt pro Division) ab.

Ist die Spannung gegenüber Masse negativ, verschiebt sich die helle Kurve auf dem Bildschirm nach unten, wie in Abbildung 1.2.3.e zu sehen ist. Auch hier hängt die Verschiebung der Kurve von der Mitte ab von der am Oszilloskop-Eingang angelegten Spannung und der Einstellung der vertikalen Skala.

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Abbildung 1.2.3.e – Wird eine negative Gleichspannung an den Eingang des Oszilloskops angelegt, verschiebt sich die helle Linie auf dem Bildschirm nach unten. Der Grad der Verschiebung von der Mitte hängt von der Eingangsspannung und der Einstellung der vertikalen Skala ab.

Für die Beobachtung einer Gleichspannung ist die Einstellung der Zeitbasis nicht besonders wichtig, da der Linie an einer festen vertikalen Position verbleibt. Um jedoch ein Signal zu beobachten, das sich mit der Zeit ändert, wie beispielsweise ein Wechselstromsignal, muss die Zeitbasis richtig eingestellt werden. Die ideale Einstellung hängt von der Frequenz des Eingangssignals ab. Je höher die Frequenz des Eingangssignals ist, desto kleiner sollte der Zeitbasiswert sein. Das ist logisch: In einem gleichen Zeitintervall enthält ein hochfrequentes Signal mehr Zyklen (periodische Schwankungen) als ein niederfrequentes Signal. Das Ziel besteht in der Regel darin, eine oder mehrere vollständige Perioden des Signals darzustellen. Später wird eine einfache Formel vorgestellt, die dabei hilft, einen ungefähren Zeitbasiswert auf der Grundlage der Frequenz des beobachteten Signals zu bestimmen (dies ist jedoch nur nützlich, wenn die Frequenz des Signals bereits bekannt ist).

Hinweis: Das Begriff Periode gilt für Signale mit einem wiederholenden Muster. Einige Signale, deren Amplitude sich mit der Zeit ändert, sind nicht periodisch. Ein Beispiel hierfür ist weißes Rauschen, das von Natur aus zufällig ist. Ebenso können digitale Daten, die über eine serielle UART/RS-232- oder USB-Verbindung übertragen werden, trotz häufiger Zustandsänderungen nicht als periodisches Signal betrachtet werden.

Wird für ein zeitabhängiges Signal eine zu kleine Zeitbasis verwendet, ist nur ein Teil des Signals sichtbar und wichtige Details können übersehen werden. Abbildung 1.2.3.f veranschaulicht einen solchen Fall, in dem die Zeitbasis im Vergleich zur Frequenz des beobachteten Signals zu kurz ist.

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Kapitel 1 • Einleitung

Abbildung 1.2.3.f – Ist der Zeitbasiswert im Verhältnis zur Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals zu klein, können wichtige Details übersehen werden. Hier wird eine 50-HzSinuswelle mit einer Zeitbasis von 1 ms/div angezeigt (12 ms über die gesamte Bildschirmbreite, da es 12 horizontale Teilungen gibt). Diese Einstellung ermöglicht zwar nicht die Darstellung einer vollständigen Periode des Signals, bietet jedoch eine „Vergrößerung“ eines bestimmten Abschnitts, was nützlich sein kann.

In Abbildung 1.2.3.f handelt es sich bei dem Signal um eine 50-Hz-Sinuswelle. Wenn das Ziel darin bestand, mindestens eine vollständige Periode des Signals darzustellen, ist die Einstellung falsch. Wenn das Ziel jedoch darin bestand, einen bestimmten Bereich zu vergrößern, beispielsweise dort, wo die Sinuswelle 0 V kreuzt, dann ist die gewählte Zeitbasis angemessen.

Wichtige Erkenntnis: Die Einstellung der Zeitbasis hängt in erster Linie von der Frequenz des Signals ab, aber auch davon, was visualisiert werden soll (ein vollständiger Signalüberblick oder ein vergrößerter Ausschnitt).

Wird dieselbe 50-Hz-Sinuswelle mit einer zu großen Zeitbasis betrachtet, werden zu viele Information angezeigt, was es schwierig oder unmöglich macht, Details zu erkennen. Dieses Problem wird in Abbildung 1.2.3.g veranschaulicht (bei einem digitalen Oszilloskop mit Zoomfunktion wäre dies jedoch kein Problem, da die erfasste Kurve nachträglich vergrößert werden kann).

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Abbildung 1.2.3.g – Ist der Zeitbasiswert im Verhältnis zur Signalfrequenz zu groß, wird zu viel Information angezeigt, wodurch Details schwer zu erkennen sind. Hier wird eine 50-Hz-Sinuswelle mit einer Zeitbasis von 500 ms/Div. dargestellt (6 s über die gesamte Bildschirmbreite, da es 12 Teilungen gibt). Das Signal ist so stark komprimiert, dass seine Form kaum noch erkennbar ist.

Um einige Perioden eines sich wiederholenden Signals zu beobachten, wählt man am besten eine Zeitteilung, welche der Periode des Signals entspricht. Abbildung 1.2.3.h zeigt ein Beispiel, bei dem die Zeitbasis auf 5 ms/Div. eingestellt ist (60 ms über die gesamte Bildschirmbreite).

Abbildung 1.2.3.h – Bei einer passend gewählten Zeitbasis wird das beobachtete Signal mit idealer Detailgenauigkeit dargestellt. Hier wird ein 50-Hz-Signal mit einer Zeitbasis von 5 ms/div (60 ms über die gesamte Bildschirmbreite) dargestellt. Da eine Frequenz von 50 Hz einer Periode von 20 ms entspricht, sind drei vollständige Perioden sichtbar (3 × 20 ms = 60 ms).

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Kapitel 1 • Einleitung

Im Kapitel „Verwendung des Oszilloskops“ werden wir untersuchen, wie man den Zeitbasiswert anhand der Frequenz und Periode des Signals richtig auswählt, vorausgesetzt, diese Werte sind bekannt. Wir wissen jedoch bereits, dass das Anzeigefenster des Oszilloskops (das mit der Zeitbasiseinstellung verknüpft ist) mindestens so lang wie die Periode des Signals sein muss, um mindestens eine vollständige Periode eines Signals anzuzeigen.

Häufig dreht der Benutzer einfach am Drehknopf, bis die angezeigte Wellenform korrekt erscheint. Dieser Ansatz ist zwar technisch nicht präzise, aber praktisch und effizient.

Lassen Sie uns nun die Stabilität der angezeigten Wellenform besprechen. Ein kontinuierlich laufender, sägezahnsteuerter Sweep mag als großartige Idee erscheinen, stellt in der Praxis jedoch Herausforderungen dar. Warum?

Stellen Sie sich vor, Sie beobachten eine 1-kHz-Sinuswelle. Da ihre Periode 1 ms beträgt (T = 1/F), wiederholt sich das Muster jede Millisekunde. Wenn die Zeitbasis des Oszilloskops auf 200 µs/div eingestellt ist und somit 2,4 ms auf dem Bildschirm abdeckt, beginnt die Wellenform möglicherweise nicht in jedem Zyklus an derselben Stelle, was zu einer unlesbaren, überlappenden Anzeige führt. Dieses Problem ist in Abbildung 1.2.3.i dargestellt.

Abbildung 1.2.3.i – Eine 1000-Hz-Sinuswelle, die im Automatikmodus ohne Signalsynchronisation angezeigt wird. Die überlappenden Kurven erzeugen eine chaotische Darstellung, die es unmöglich macht, nützliche Informationen zu entnehmen.

Um dies näher zu erläutern, betrachten wir die drei Bildschirme in Abbildung 1.2.3.j. Diese drei nebeneinander angeordneten Bildschirme zeigen drei aufeinanderfolgende Kurven, die nacheinander aufgezeichnet würden, ohne das zu beobachtende Signal zu berücksichtigen.

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Abbildung 1.2.3.j – Diese drei Bildschirme stellen drei aufeinanderfolgende Momentaufnahmen dar, die ohne Berücksichtigung der Spannung des beobachteten Signals aufgezeichnet wurden, die bestimmen würde, wann die Kurvenanzeige beginnen sollte. Jede Kurve (jeder Durchlauf) beginnt an einem anderen Punkt im sich wiederholenden Signalmuster.

Die drei nebeneinander angeordneten Bildschirme in Abbildung 1.2.3.j stellen diese Momentaufnahmen aus zeitlicher Perspektive auf einer horizontalen Zeitachse dar (wobei die Totzeit zwischen den Kurven ignoriert wird). Versetzen wir nun diese drei Bildschirme vertikal, wie in Abbildung 1.2.3.k gezeigt. Dies veranschaulicht den störenden Effekt dieser unkontrollierten Überlappungen besser.

Abbildung 1.2.3.k – Wenn die drei Momentaufnahmen (mehrere aufeinanderfolgende Sweeps auf demselben Bildschirm) übereinandergelegt werden, sind die Kurven nicht korrekt ausgerichtet, wodurch die endgültige Anzeige unbrauchbar wird. Dieses Problem wurde auch in Abbildung 1.2.3.i hervorgehoben.

Das Problem an dieser Stelle ist klar – es entsteht, weil nicht jede Kurve am gleichen Punkt des sich wiederholenden Musters beginnt. Dies lässt sich mit einer einfachen Methode

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Kapitel 1 • Einleitung

beheben, die als synchronisiertes Triggern bekannt ist. Der Zweck des Triggerns besteht darin zu verhindern, dass der Sweep frei und automatisch mit einem kontinuierlichen Sägezahn-Steuersignal abläuft und stellt stattdessen sicher, dass der Sweep zu einem präzisen Zeitpunkt beginnt, der mit dem zu beobachtenden Signal übereinstimmt. Auf diese Weise beginnt jede neue Kurve an einem definierten Referenzpunkt innerhalb des Signals, beispielsweise wenn es die Null-Volt-Marke überschreitet. So können wir bei unserer 1-kHzSinuswelle sicherstellen, dass jede Kurve (jeder Sweep) genau dann beginnt, wenn: • die Spannung entweder ansteigt oder abfällt (d. h. die Steigung oder Richtung des beobachteten Signals) und • die Spannung einen bestimmten Wert (Triggerschwelle) überschreitet.

Die Anwendung dieses Prinzips der Oszilloskop-Kurvensynchronisation auf das beobachtete Signal führt zu einer stabilen Anzeige, wie in Abbildung 1.2.3.l dargestellt.

Abbildung 1.2.3.l – Wenn der Durchlauf mit den Schwankungen des beobachteten Signals synchronisiert ist, beginnt jede neue Kurve am gleichen Punkt innerhalb der Signalperiode. Dies gewährleistet eine stabile Anzeige, bei der sich die Kurven nicht mehr chaotisch überlagern.

Diesmal überlagern sich die vom Punkt aufgezeichneten Muster von einem Durchlauf zum nächsten, sodass der Betrachter die charakteristische Form des Wechselstromsignals deutlich und in allen Details erkennen kann.

Hinweis: Die Überlagerung der Kurven kann den Eindruck erwecken, dass jeweils nur eine Kurve sichtbar ist. Es sind jedoch mehrere Kurven vorhanden. Die Dicke der angezeigten Kurve, die sich aus mehreren überlagerten Kurven ergibt, kann je nach Stabilität und Reinheit des beobachteten Signals variieren. Ein instabiles Signal (entweder zeitlich oder in der Amplitude) erzeugt eine dickere und weniger präzise Kurve. Später werden wir sehen, dass die Kurvenpersistenz nützliche Einblicke in die „Gültigkeit“ eines Signals liefern kann.

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Oszilloskope

Index Abfallzeit Abschirmung Abtastfrequenz

200–205 54–55, 79 22–34, 39–44, 106–107, 318–322 Abtastrate 39–44, 106–107 Abtastung 22–34, 39–44, 316–322 ADC (Analog-Digital-Wandler) 44, 316–325 Additionsmodus 153–156 Amplitude 17–19, 21, 32–34, 161–184 Amplituden-Frequenz-Gang 266–269 AM-Modulation 304 Analog-Digital-Wandlung 316–325 Analoges Oszilloskop 20–31, 86–88 Anstiegszeit 200–205 Auflösung, 44–45, 107, 322–324, 348–349 Augendiagramm 272–275 Ausgangsimpedanz 299–300 Auslösebedingung, siehe Trigger Automatische Dekodierung 242–255 Automatische Triggerung 134–135 Automatikmodus 22–31, 134–135 Bandbreite 35–39, 64, 78, 105–107, 266–269, 308, 347–350 Bandbreitenbegrenzung 127, 350 Bandbreitenmessung 266–269, 308 Batteriemessung 164–166 Berechnete Kurven 232 Berechnete Werte 230–232 Bildschirmauflösung 109-110 Bildwiederholrate 49, 109, 349-350 Bit-Tiefe, siehe Auflösung BNC-Stecker 82–83 CAT-Sicherheitskategorie 54–55 CHOP-Modus 152–153 CMRR 77 Cursor 157–158 DAC (Digital-Analog-Wandler) 325 Dämpfung 56–77 Dämpfungsfaktor 56–77 Datenaufzeichnung 279–280 DC-Kopplung 124–125 Dekodierung serieller Daten 233–257 Differenzmessung 71–79, 208 Differenzprobe 71–79, 208

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Differenzspannung 75–77 Digital-Analog-Wandlung 325 Digitales Oszilloskop 39–49, 86–87 Dipol 224, 263–266 Display 109, 278 Division (div) 17–18 DSO 96–101 DPO 96–101 Eingangskapazität 62–64 Eingangsimpedanz 62–64, 158 Eingangsempfindlichkeit 32–34, 147–149 Einzelauslösung 135–136 EMV 82 ENOB (Effective Number of Bits) 44 Erdung 54–55, 68–69 Ereigniszähler 145, 276 Ergonomie 109–110 FFT, siehe Spektralanalyse Flanke 137–142 Flankensteilheit 137–142 FM-Modulation 304 Frequenz 35–39, 192–194, 296 Frequenzbereich 105, 259–261 Frequenzgrenze 64, 78 Funktionsgenerator 276–277, 293–312 Galvanische Trennung 79, 159, 208–210 Gegenkopplung 21–22 Gleichtaktspannung 76–77 Gleichspannung 124, 164–178 Gleichstrom 124, 164–178 Glossar 330–335 GND 127 Grid, siehe Raster Ground Clip 68–69 Haltezeit (Hold-Off) 145–146 HF-Einstellung 123 HF-Reject 127 Hold-Off 145–146 Horizontalablenkung 20–31 Horizontale Skala 17–18, 34–35, 149–151 HV-Probe 79–80 I²C 233–243 Impedanz 62–64, 158, 263–266 Impedanzmessung 263–266

Index

Impuls, Impulsbreite 144–145 Impulsmessung 200–205 Induktive Einkopplung 68–69 Infrarot-Fernbedienung 281 Intervall-Triggerung 145 Invertieren 128 Jitter 270–272 Kalibrierung 120–123 Kalibriersignal 119–123 Kathodenstrahlröhre 20-31, 342 Kommunikationsschnittstelle 277 Kontaktprobe 82-83 Kopplung 123–128 Kopplungsmodus 123–128 Kurvenpersistenz 24, 49, 279 Laboroszilloskop 88 Leistungsmessung 262–263 LF-Einstellung 121–123 LF-Reject 128 Lissajous-Figur 219–224 Logikanalyse 233–257 Logiksignal 233–257 Loop, siehe Masseschleife Luftstrecke 54–55 Magnetfeld 82, 214–218 Manuelle Dekodierung 241, 246, 251 Manuelle Triggerung 130–134 Masse 54-55, 68-69, 127, 206-210 Masseschleife 68–69 Math-Funktionen 156, 230–232 Messbereich 32-34, 104, 147-149 Messcursor 157–158 Messfehler 62-69 Messgenauigkeit 18, 107, 161–205 Messprobe 50-83, 343-346 Messpunkt 161–205 Messung Bandbreite 266–269 Frequenz 192–194 Impedanz 263–266 Leistung 262–263 Phase 196–199 Spannung 161–184 Tastverhältnis 194–196 Zeit 186–205 Millivolt 17, 32–34

Mischsignal-Oszilloskop (MSO) 96–101 Mittelwert 231–232 Modulation 304–305 MSO, MDO 96–101 Multimeter 18–19, 161–165 Nahfeldprobe 82-83 Netzfrequenz 192–194, 206–213 Netzspannung 206–210 Normalmodus 21, 130–134 Nullpunkt 147–149 Nyquist-Frequenz 39–44, 318–321 Offset 159, 178–184 Offset-Spannung 159, 178–184 Oszillator 20–31 Oszillogramm 16–19 Oszilloskop analog 20–31, 86–88 digital 39–49, 86–87 Auswahl 85–112 Bedienung 114–160 Konfiguration 114–160 Typen 88–101 Passive Messprobe 56-69, 343 Peak 161–184 Peak-to-Peak-Spannung 161–184 Periode 190–192 Periodendauer 190–192 Persistenz 24, 49 Phasenmessung 196–199, 223–224 Phasenverschiebung 196–199, 223–224 PicoScope 242, 248, 252 Probe, siehe Messprobe Protokollanalyse 233–257 Pulsbreite 144–145 Pulsbreiten-Triggerung 144–145 Quantisierung 322–324 RAM-Speicher, siehe Speichertiefe Raster 17–18 Rechtecksignal 119–123 Referenzsignal 119–123 Rigol DS1054Z 243, 249, 255 Roll-Modus 146 RMS, RMS-Spannung 173–178 Röhre, siehe Kathodenstrahlröhre RS-232 250–255 Runt-Triggerung 145

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Oszilloskope

Sample-Rate, siehe Abtastrate Sampling, siehe Abtastung Schaltnetzteil 213 Schirmung 54–55, 68–69 Schutzleiter 54–55 Schwebende Messung 71–79, 206–210 Serielle Daten 233–257 Signal analog 16–19 digital 39–49 unbekannt 281–282 periodisch 26–30 nichtperiodisch 26 synchronisieren 128–146 Signalgenerator 276–277, 293–312 Signalintegrität 234-238 Signalverlauf 16–34 Signalform 16–34 Sinussignal 17–19, 25–30 Smartphone-Oszilloskop 94 Software-Update 110–112 Software-Oszilloskop 95 Speicher 45–49, 108 Speichertiefe 45–49, 108 Spektralanalyse 259-261, 339 SPI 233, 244–249 Spitzenwert 161–184 Spitze-Spitze-Spannung, siehe Peak-toPeak-Spannung Spannung Eingangsspannung 104, 350 Gleichspannung 164–178 Wechselspannung 173–178 Offsetspannung 178–184 Niederspannung 184–185 Netzspannung 206–210 Spannungsbereich 67, 74–77, 104 Spannungsmessung 161–184 Spannungsprobe 56–79 Spektrum, siehe Spektralanalyse Sweep 269, 304 Tastkopf aktiv 70 passiv 56–69 Differenz 71–79 Hochspannung 79–80

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Kontaktprobe 82 Strom 80–82 Nahfeld 82 Tastverhältnis 194–196 Tablet-Oszilloskop 93–94 Testsignal 119–123 Timebase, siehe Zeitbasis Touchscreen 278 Tragbares Oszilloskop 89-94 Trenntransformator 209 Trigger automatisch 134–135 extern 144 Flanke 137–142 Hold-Off 145–146 Intervall 145 manuell 130–134 Netz 144 Normal 130–134 One-Shot 135–136 Pulsbreite 144–145 Runt 145 Signalmuster 145 TV 142–143 Triggerquelle 137–142 UART 250–255 USB 26, 277 Validierung 234–238, 311 Vertikale Auflösung 107, 348-349 Vertikale Skala 17–18, 32–34, 147–149 Verstärker 21–22 Verzerrung 308 Volt pro Division (V/div) 17–18, 147–149 Wandlung Analog-Digital 316–325 Digital-Analog 325 Wartung 111–112 Wechselspannung 173–178 Wellenform 16–34 Wobbeln 269 XY-Bertieb, XY-Modus 219–224 Zeitbasis 22–34, 149–151 Zeitintervall 186–190 Zeitmessung 186–205 Zeit pro Division (s/div) 17–18, 149–151 Zoom 28, 49

Oszilloskope Verstehen und effektiv einsetzen Was in der Elektronik geschieht, ist mit bloßem Auge unsichtbar. Das Instrument, mit dem sich elektrische Signale präzise visualisieren lassen und die Effekte der Elektronik für uns sichtbar werden, ist das Oszilloskop.

Leider wagt man sich beim Einstieg in die Elektronik oft ohne Oszilloskop vor. Man tappt dann im Dunkeln, sowohl praktisch als auch gedanklich.

Die erste Beobachtung eines elektrischen Signals auf einem Bildschirm ist eine Offenbarung. Niemand möchte dieses Erlebnis danach noch einmal missen. Es gibt kein Zurück mehr.

Wer in der Elektronik mit Freude und Verständnis vorankommen möchte, braucht unbedingt ein Oszilloskop. Dann stellt sich zunächst die Frage: Wie wählt man das richtige Oszilloskop aus? Und kaum ist diese Frage beantwortet, tauchen bereits die nächsten auf, die sich letztlich auf eine zentrale Frage reduzieren lassen: Wie nutzt man das Oszilloskop so, dass die Anzeige die Realität der Signale korrekt widerspiegelt?

Rémy Mallard ist ein leidenschaftlicher Vermittler komplexer technischer Themen mit dem Talent, diese verständlich und fesselnd zu präsentieren.

In diesem Buch beantwortet er wichtige Fragen zur Verwendung eines Oszilloskops und bietet zahlreiche Anleitungen, um die elektrischen Signale elektronischer Systeme zu erforschen und zu verstehen. Dank seines verständlichen Stils und seiner praktischen Einblicke ist dieses Buch ein wertvolles Werkzeug für alle, die ihr Elektronikwissen vertiefen möchten.

Rémy Mallard ist ein Multitalent. Seine Leidenschaft für Audiotechnologien und künstlerische Disziplinen ist im Laufe der Jahre stetig gewachsen. Nach seiner Tätigkeit als technischer Experte im Rundfunkbereich bei TDF bietet er heute Unterstützung in den Bereichen Elektronik- und IT-Design, spricht Dokumentarfilme, optimiert Soundtracks und lehrt Wartung und Audiotechnik an Hochschulen mit Schwerpunkt auf audiovisuellen Medien und Film. Sein Motto? Wissen teilen.

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