erstellt 25.07.2012
Was ist ein Oszilloskop ?
Zunächst einmal der Name "Oszilloskop" er setzt sich zusammen aus dem lateinischen Wort Oscillare (schaukeln) und dem alt Griechischen Wort Scopein (betrachten).
Und wozu braucht man ein Oszilloskop ?
Um Spannungen,Ströme , Widerstände und ähnliches zu messen nimmt man gewöhnlich ein Vielfachmessgerät auch Multimeter genannt, diese Messgeräte haben aber einige recht gravierende Nachteile. Zum einen können sie keine Signalformen Optisch darstellen und zum anderen sind diese Geräte alle auf einer Frequenz von 50 Hz Sinus  geeicht.
Es können also Gleichspannungen und auch Wechselspannungen von 50 Hz gemessen werden alle anderen Frequenzen sind nicht mehr eindeutig Messbar außerdem können nur Wechselspannungen  gemessen werden die eine Sinusform aufweisen.
Alle diese Anforderungen sind nicht erfüllt wenn ich beispielsweise die Ausgangsspannung an einen Frequenzumrichter messen möchte , weil selten   eine  50 Hz Wechselspannung ausgeben wird und schon gar keine Sinusform.
Da wäre ich also mit einen herkömmlichen Vielfachmessgerät völlig überfordert. 
Ein Oszilloskop ist ein Universal Messgerät mit deren Hilfe man Spannungsverläufe , das heißt die Höhe und Signalform einer Spannung innerhalb einer bestimmten Zeit sichtbar machen kann. Grundsätzlich gibt es drei  verschiedene Oszilloskope, einmal das schon etwas in die Jahre gekommene Röhrenoszilloskop von dem hier vorerst die Rede sein soll ,und seit einigen Jahren auch moderne Digitaloszilloskope, und dann gibt es noch eine Mischung aus beides, also Oszilloskope die zwar eine  Röhre (Analog) haben , sonst aber Digital funktionieren.
Kommen wir zuerst einmal zu den älteren Röhrenoszilloskop. Das besteht zum größten Teil aus einer  nach dem Erfinder benannten Braunschen Röhre, wie sie unterhalb als Skizze zu sehen ist.
Bild 1
Funktion der Braunschen Röhre
Auf der linken Seite der  (Bild 1) sehen wir die Glühkathode an der wird eine Spannung  von ca. 500 bis 8000 Volt angelegt ähnlich wie bei den alten Röhrenfernseher wird in der Luftleeren Röhre ein Elektronenstrahl erzeugt der in Richtung Anode (rechte Seite der Röhre ) fließt, dabei prallen die Elektronen auf den Leuchtschirm ( rechte Seite) und regen die darauf enthaltene
Phosphorpartikel zum leuchten an. Je nach Zusammensetzung der Leuchtschicht leuchten die Partikel noch eine bestimmte Zeit nach, nachdem der Elektronenstrahl ausgeschaltet wird, so ist es später möglich auch noch Informationen sichtbar zu machen nachdem ihre Quelle schon gar nicht mehr vorhanden ist, das ist insbesondere dann wichtig wenn die Informationen die sichtbar gemacht werden sollen , nur für eine sehr kurze Zeit vorhanden sind und wir sie sonst auf Grund der Trägheit unserer Augen nicht erfassen könnten.
 Der Wehneltzylinder dient zur Helligkeitssteuerung, soll aber auch verhindern, dass der Elektronenstrahl gleich nach seiner Erzeugung auseinander läuft.
An der Fokusierelektrode lässt sich der Elektronenstrahl bündeln damit der entstehende Leuchtfleck auf dem Leuchtschirm möglichst klein dargestellt werden kann.
Mit der Anode  ( runde Scheibe ) wird der Elektronenstrahl bei Bedarf abgebremst, der Elektronenstrahl kann dann nicht so fest auf den Leuchtschirm aufschlagen und erscheint somit nicht so hell.Das ist also unsere Helligkeitseinstellung.
Durch anlegen einer Spannung an den Y-Ablenkplatten  die wie ein Kondensator wirken wird der Elektronenstrahl je nach angelegter Polarität nach unten oder oben abgelenkt, ebenso wie mit den X-Ablenkplatten der Elektronenstrahl nach links oder rechts abgelenkt werden kann.
Nehmen wir einmal an es würde ein Elektronenstrahl erzeugt dann würden die auf der Bildschirmoberfläche aufprallenden Elektronen einen durch die Leuchtschicht hervorgerufenen leuchtenden Punkt erzeugen.
Gebe ich nun eine feste Wechselspannung auf die X-Ablenkplatten würde der Elektronenstrahl ständig von links nach rechts und anschließen von recht zurück nach links über den Bildschirm laufen, und dabei würden wir diese Bewegung als Waagerechten Linie wahrnehmen.Da der Mensch aber gewohnt ist (z.B. beim Schreiben und Lesen) von links nach rechts zu lesen würde es unter anderem irritieren wenn ein Signal mal von links nach Rechts , und anschließend wieder von rechts nach links dargestellt wird, so ist man dazu übergegangen den Elektronenstrahl nur von links nach rechts schreiben zu lassen, dann wird der Elektronenstrahl dunkel geschaltet , anschließend geht er mit einer sehr viel höheren Geschwindigkeit von rechts nach links , was für uns aber auf Grund der verminderten Helligkeit und der Geschwindigkeit  nicht sichtbar ist.
Anschließen wird der Elektronenstrahl wieder hell geschaltet und wandert wieder von links nach rechts.So das für den Betrachter ein Bild entsteht indem nur der Strahl von Links nach Rechts für uns sichtbar ist. Elektronisch wird das erreicht indem an den X-Platten keine Wechselspannung sondern eine sogenannte Sägezahnspannung angelegt wird.(Zu erkennen auf der Skizze unten)

Geb ich anschließend die von mir zu messende Spannung auf die Y-Ablenkplatten so wird die waagerechte Linie um ein gewissen Betrag relativ zu angelegten Spannung  in senkrechter Richtung verschoben,diese Verschiebung ist für mich also ein Maß  für die gemessene Spannung.
Um die Messspannung aber nicht nur wahrzunehmen sondern auch genau messen zu können  befindet sich ein Gitter Raster direkt vor dem Leuchtschirm anhand derer sich die Verschiebung in mm anzeigen lässt  .
Durch entsprechender Verstärkung wird die Eingangsempfindlichkeit so geregelt das man genau festlegen kann wie viel Volt nötig sind um beispielsweise ein Verschiebung von 10 mm zu erreichen.
Dazu dient ein Verstärker mit Einstellknopf für die Verstärkung die je nach zu messender Spannung um einen Gewissen Faktor verstellt werden kann. Ähnlich wie bei einem Vielfachmessgerät (Multimeter) , auch da gibt es für verschieden Spannung mehrer Einstellmöglichkeiten.
In (Bild 2) erkennt man das  nötige Sägezahnsignal für die X Ablenkung

Bild 2

Bild.3

Wozu verwendet man ein Oszilloskop
Ein Oszilloskop dient zur Darstellung von Spannungsverläufe innerhalb einer bestimmter Zeit , also macht ein Oszilloskop nichts anderes als ein Vielfachmessinstrument (Multimeter) auch ,nämlich eine Spannung messen.
Der Vorteil eines Oszilloskop ist die  Grafische Darstellung der Spannung  innerhalb einer bestimmter Zeit.Beispielsweise kann ein Multimeter 10 Volt anzeigen , wenn ich diese Spannung über eine Zeit von einer Minute messe wird also immer noch 10 Volt auf der Anzeige stehen, damit kann ich aber nicht feststellen ob diese Spannung kurzzeitig , sagen wir mal für eine Sekunde oder gar den Bruchteil einer Sekunde ausgesetzt hat.
Anders bei einem Oszilloskop, das kann man so einstellen das einen Elektronenstrahl an der linken Seite des Bildschirms beim Anfang der Messung  los läuft und sich innerhalb der Messzeit  bis zum rechten Rand der Anzeige wandert.
Das bedeutet das auf der X Achse also der Waagerechten Linie die der Elektronenstrahl aufzeichnet ,die Zeit dargestellt wird.
Während die Höhe der Spannung auf der Y Achse also Vertikal dargestellt wird .So kann ich mit dem Oszilloskop die vorhandene Spannung innerhalb einer festen definierten Zeit darstellen .
Horizontale Ablenkung

Grundsätzlich  erzeugt ein Oszilloskop  einen Leuchtpunkt, der sich gleichmäßig von links nach rechts über den Bildschirm bewegt



Die Geschwindigkeit mit der dieses geschieht ist über die  "Horizontale Ablenkung" einstellbar.
Mann erkennt den dazugehörigen Einstellknopf  meist an die  Aufschrift "Time/DIV" was soviel bedeutet wie  "Zeit pro Raster" und ist unterteilt in Zeitschritten von meist Millisekunden bis Mikrosekunden.
Der Bildschirm verfügt über  ein Raster von kleinen Quadraten und die eingestellte Zeit(Time) der Horizontalen Ablenkung gilt immer für Länge eines Quadrat . Bei ausreichend hoher Ablenkgeschwindigkeit kann mann den einzelnen Leuchtpunkt dann auf Grund der Trägheit unserrer Augen als ununterbrochene Linie wahrnehmen.
Auf dem Foto unten steht der Regler der Horizontalen Ablenkung beispielsweise auf 20 Millisekunden , das bedeutet das der Elektronenstrahl alle 20 Millisekunden um ein Kästchen nach rechts weiter läuft.

Vertikale Ablenkung

Um nun eine  Spannung anzuzeigen und zu messen wird dieser Waagerechte Strich mit Hilfe der zu messenden Spannung nach oben oder unten abgelenkt , mit zunehmender Spannung gibt es eine größer werdende Ablenkung,
Auch diese Vertikale Ablenkung ist über einen dafür vorgesehenen Knopf einstellbar, nur ist dieser Knopf  jetzt mit "V/DIV" also Volt pro Kästchen beschriftet.
Die Spannung wird in Vertikaler Richtung angezeigt also von unten nach oben.
Steht dieser Knopf auf Beispielsweise 1V so bedeutet das ,dass ein Kästchen in der Vertikalen 1 Volt anzeigt.
Bei einer zu messenden Spannung von 5 Volt weicht also die Waagerechte Linie  vom Null aus gesehen um 1 Kästchen nach oben oder unten , je nach Polung ab.


Auf dem Bild unten ist ein Sinus Signal zu erkennen , um Beispielsweise die Frequenz zu messen stellen wird den dazugehörigen Drehschalter für die Zeit -Achse der meist mit Time/Div oder ähnlich bezeichnet ist auf 2ms.
Time /DIV ist die Englische Abkürzung für Time/Division übersetzt kann man sagen Zeit pro Kästchen. 2 ms bedeutet also das auf der Waagerechten Zeitachse das der Elektronenstrahl 2 Millisekunden benötigt um ein Kästchen weiter zu zeichnen. Wenn die ganze Sinuswelle also über eine Länge von  10 Kästchen verteilt ist rechnet man 2 ms mal 10 = 20ms. Um aus Millisekunden die Frequenz zu errechnen nehmen wir den Kehrwert.
Der Kehrwert ist immer 1 geteilt durch die Zeit also 1 durch 20ms = 50 Hz.
Oszilloskop


Auf dem Bild (oben)  sehen wir also die Abbildung einer Schwingung mit 50 Hz. Um die Frequenz zu erfassen muss also ein wenig gerechnet werden.


Es handelt sich also hier um ein Wechselspannung von 2,5 Volt Spitze mit einer Frequenz von 50 Hz.


Wichtig ist noch der Eingangs-Wahlschalter, der in der Regel in Stellung DC stehen sollte um so Gleich und Wechselspannungen messen zu können . AC steht für Wechselspannung und koppelt das Signal über ein Kondensator so das in dieser Stellung nur Wechselspannungen zu messen sind.
In Stellung GND legt man den Eingang intern an Masse, um den Nullpunkt einzustellen.

Was ist denn nun ein Digitaloszilloskope ?
Im Prinzip macht ein Digitaloszilloskop das gleiche wie ein herkömmlichen Röhrenoszilloskop , allerdings wird das zu messende Signal mit einen A/ D Wandler  in ein Digitales Signal umgewandelt.
Ein A/D Wandler (A/D = Analog / Digital ) setzt das zu messende Signal in einen Digitalen Wert um , damit hat man dann die Möglichkeit dieses Digitale Signal in Speicher Chips zu Speichern um sie bei Bedarf wieder zu Verfügung zu stellen. Dieses Digitale Signal kann man damit auf  einen Normalen Fernseher, Monitor oder Computer jederzeit wieder Darstellen.
Die Grundlegenden Unterschiede beider Oszilloskop Arten sind nun folgende:
Bei einem Analogen Oszilloskop kann man Kurze Signal nur erkennen so lange sie noch anstehen, das ist anders bei einem Digitalen Oszilloskop dort kann man sehr Kurze Signale speichern und als feststehendes Bild jederzeit anzeigen lassen ( Man nennt aus diesen Grund Digitale Oszilloskope auch Speicheroszilloskope) .
Digitale Oszilloskope haben auch den Vorteil das man die Frequenz eines angezeigten Signal beispielsweise nicht berechnen muss wie bei einem Analogen Gerät , sondern die Frequenz wird bei Digitalen Geräte berechnet und gleich als richtiger Wert auf dem Monitor angezeigt.Genauso ist es möglich Spannungen , Tastverhältnisse und vieles mehr als direkte Zahlenwerte auf dem Monitor anzeigen zu lassen.
Allerdings hat auch das Digitale Oszilloskop ganz gravierende Nachteile, weil dort jedes eingehende Analoge Signal erst digitalisiert werden muss, muss es beispielsweise mit einer 10 mal höheren Frequenz abgetastet werden.Das setzt der  Messungen sehr hoher Frequenzen also schneller Impulse Grenzen die um den Faktor der Abtastrate geringer ist.
Also ein Digitales Gerät ist ca 10 mal langsamer als ein Analoges .
Auf dem unten Bild sehen wir das oben abgebildete Sinus Signal mit einer ca. 20 fachen Abtastrate, und erkennen das  wir nur ein  ziemlich ungenaues Signal bekommen.

Da auch jeder Monitor eine gewissen Nachleuchtdauer hat , zwar nicht soviel wie bei einer Oszilloskop Röhre würde unser Auge das Signal etwa wie rechts dargestellt wahrnehmen.

Hier erkennen wir nun deutlich wie das Signal erscheint wenn wir mit einer noch höheren Abtastrate das Signal Digitalisieren.Dennoch sehen wir immer noch gewisse Bereiche die eine nicht so exakte Wiedergabe darstellen lassen wie das mit einem Röhren Oszilloskop der Fall wäre.
Wir erkennen nun das dass Digital Oszilloskop eine Menge Vorteile aufweist aber in der Exaktheit des Signals nicht an das eines Röhren Oszilloskope heranreichen kann. Es ist also von großer Bedeutung was genau wir für welchen Zweck messen wollen um zu entscheiden welches Oszilloskop für den jeweiligen Fall das bessere ist.




aktualisiert am 2809.2012