Oszillos Mega Scope Alternative

[Tijuana Strauhal]

Es gibt analoge und digitale Oszilloskope, wobei die analogen Gerte von den digitalen fast vollstndig vom Markt verdrngt worden sind. Das Oszilloskop ist neben dem Multimeter eines der wichtigsten Messgerte in der Elektronik und der Elektrotechnik. Der Bereich messbarer Spannungen reicht einerseits von Gleichspannung ber niederfrequente Spannung, wie sie im elektrischen Versorgungsnetz auftritt, Spannung in der Tontechnik bis hin zum hochfrequenten Signal bei Radios, Fernsehern oder Computern; andererseits reicht der Bereich unter Verwendung von Standardzubehr von wenigen Millivolt bis zu einigen hundert Volt (im Spitzenwert).

Die Eingangsspannungen werden meistens ber BNC-Buchsen auf der Frontseite direkt oder unter Verwendung eines Tastkopfes angeschlossen. Die Buchsen sind bei Laborgerten ber Schutzleiter einseitig mit Masse (Gehuse, Schutzkontakt) verbunden. Entsprechend muss jede zu messende Spannung einseitig in gleicher Weise geerdet oder potentialfrei sein. Vorzugsweise sind 2 oder 4 Eingangskanle vorhanden fr die Beeinflussung der y-Ablenkung von 2 oder 4 Eingangsspannungen.

Bei den meisten Oszilloskopen ist ein Eingang fr die x-Ablenkung verwendbar, wodurch nicht nur zeitabhngige Funktionen dargestellt werden knnen (t-y-Darstellung), sondern auch x-y-Darstellungen (wie etwa Lissajous-Figuren oder Kennlinien). Gelegentlich gibt es einen z-Eingang, ber den die Intensitt des Kurvenzugs beeinflusst werden kann.

Viele physikalische Gren knnen ber Messumformer durch Spannungssignale dargestellt werden. Dann knnen am Oszilloskop auch deren Einzelheiten wie Spitze-Tal-Wert, Gleichanteil bzw. Periodendauer, Zeitspanne, Phasenverschiebung gemessen werden.

Wie jedes Messgert soll ein Oszilloskop die zu untersuchende Schaltung mglichst wenig beeinflussen und das anliegende Signal mglichst wenig verflschen. Damit soll die Eingangsimpedanz mglichst hoch sein, zugleich sollen mglichst keine Reflexionen auf der Messleitung auftreten. Diese Forderungen knnen nicht miteinander vereint werden.

Eine Besonderheit beim Oszilloskop: Der Spannungsnullpunkt liegt weder fest an einem Bildrand noch fest auf der Mittellinie, sondern stets da, wo er zur optimalen Bildschirmausnutzung individuell hingelegt wird.

Ein anliegendes Signal wird fortlaufend gemessen und vom linken Rand der Anzeigeflche bis zum rechten immer wieder neu gezeichnet. Um bei den periodischen Signalen ein stehendes Bild zu erhalten, ist es ntig, den Bildschirm-Durchlauf so lange aufzuhalten, bis das darzustellende Signal einen festgelegten Anfangszustand erreicht. Erst dann wird eine neue Darstellung ausgelst. Die Durchlufe sind somit identisch und frischen das Bild immer wieder auf.

Wenn die eingestellte Triggerbedingung durch das ausgewhlte Triggersignal nicht erfllt wird, bleibt die Zeitablenkung bei Normalbetrieb in Warteposition; im Automatikbetrieb entsteht dann eine, allerdings freilaufende, Darstellung. Beispielsweise kann Gleichspannung nicht triggern; auch fr das Suchen des Signalverlaufs bis zur korrekten Einstellung der Vertikalbaugruppe ist der Freilauf hilfreich.

Komfortable Oszilloskope verfgen ber zwei Zeitbasen. Neben der Hauptzeitbasis gibt es eine zweite Zeitbasis, mit der bei schnellerem Durchlauf Ausschnittvergrerungen erzeugt werden knnen. Diese startet nach einer einstellbaren Verzgerungszeit nach Triggerung der Hauptzeitbasis; oder sie wird nach der eingestellten Verzgerungszeit triggerbar aufgrund eines zweiten Triggerereignisses. Auf diese Weise ist ein Ereignis viel feiner auflsbar, als das mit der Hauptzeitbasis mglich ist, wenn das Ereignis in einem greren Abstand nach dem Triggerereignis auftritt. Die zweite Zeitbasis kann entfallen, wenn Daten von vornherein ganz wesentlich dichter erfasst und in den Speicher geschrieben werden, als sie zum Bildaufbau verwendbar sind. Zur besseren Auflsung des Ereignisses wird ein Ausschnitt der Daten gespreizt dargestellt.

Heute werden berwiegend digitale Oszilloskope (DSO, englisch: Digital Storage Oscilloscopes) verwendet. Sie setzen fr jeden Kanal nach einer analogtechnischen Verstrkung die Spannungswerte zu diskreten Zeitpunkten um in Digitalsignale und legen die Daten in einem Datenspeicher ab. Diese werden dann fr den Bildaufbau verwendet, knnen aber auch nach der Messung auf einem externen Speicher abgelegt oder auf einen PC bertragen werden.

Es gibt verschiedene Ausstattungsstufen sowie Mischformen zwischen Analog- und Digitaloszilloskopen. Zustzlich zu den oben genannten Mess-Mglichkeiten enthalten Digitaloszilloskope weitere Funktionen, beispielsweise:

Die Eingangsspannung wird mit einem Analog-Digital-Umsetzer (ADU) mit einer Auflsung von 8 bis mehr als 12 Bit digitalisiert. Zum Einsatz kommen meist Flash-Umsetzer. Bei hohen Geschwindigkeitsanforderungen werden die fr 2 bis 4 Kanle vorhandenen Umsetzer parallel betrieben, die dann zeitversetzt (interleaved) fr 1 Kanal arbeiten. Ein 8-bit-ADU kann in 256 Schritte auflsen; ber einen Messbereich von 10,24 div[3] ergibt sich eine relative Auflsung von 25 Schritt/div, was in Vertikalrichtung fr die Betrachtung ausreicht.

Beispiel: Wird auf dem Bildschirm fr einen nicht simplen Kurvenverlauf eine Punktdichte von 50 S/Periode fr wnschenswert angesehen, so ist dieses bei einer Abtastrate von 1 GS/s bis zu einer Signalfrequenz von 20 MHz mglich. Die nachfolgend beschriebene Unterabtastung setzt dann etwa bei der 25. Oberschwingung ein.

Ein weiterer Parameter ist die Speichertiefe, unter der beim Oszilloskop die Anzahl der speicherbaren Messpunkte verstanden wird. Sie wird als Gesamtanzahl oder pro Kanal angegeben. Wenn es nur auf die Betrachtung des Bildes ankommt, reicht horizontal eine Punktdichte von 50 S/div aus, bei 10 div Bildbreite also eine Speichertiefe von 500 Punkten, fr Pre-Trigger mit dem Triggerereignis am rechten Bildrand weitere 500 Punkte. Wenn jedoch die Ursache von Timing-Anomalien in einem komplizierten digitalen Datenstrom isoliert werden sollen, sind u. U. Millionen Punkte als Speichertiefe erforderlich.[4]

Zu immer hheren Frequenzen der Eingangsspannung hin kann die Abtastung dem Vorgang nicht mehr folgen. Bei weniger als 2 Punkten pro Periode kommt es zu Unterabtastung, und es entstehen durch den Alias-Effekt Bilder, die mit dem ursprnglichen Verlauf nichts mehr gemein haben. Periodische Signale knnen jedoch durch Abtastwerte aus vielen Durchlufen wieder korrekt zusammengesetzt werden. Voraussetzung ist eine sehr schnelle Abtast-Halte-Schaltung, die in besonders kurzer Zeit das Eingangssignal erfassen kann. Zwei bewhrte periodische Abtast-Techniken sind:[7]

Willkrliches (von der Triggerung unabhngiges) Abtasten (random sampling): Hier wird jeder Messpunkt im Rahmen der mglichen Arbeitsgeschwindigkeit aufgenommen, und zustzlich wird sein zeitlicher Abstand zum Triggerpunkt gemessen. Die Bildpunkte werden in der Reihenfolge dieses zeitlichen Abstands angeordnet. Bei hinreichend langer Erfassungszeit liegen die Bildpunkte so dicht, dass ein geschlossener Kurvenzug erscheint.

Bei digitalen Speicheroszilloskopen besteht die Gefahr, dass sehr kurze Ereignisse durch den Alias-Effekt falsch oder zwischen zwei Abtastpunkten gar nicht erfasst werden, besonders bei langsameren Zeitbasis-Einstellungen. Damit Spannungsspitzen (englisch: Glitches) in jedem Falle erkannt werden, verfgen manche Gerte ber stndig verfgbare (also analogtechnisch arbeitende) Hardware-Spitzendetektoren, deren positive bzw. negative Spitzenwerte kurzfristig gespeichert, getrennt digitalisiert und in das Bild eingefgt werden.[8]

Die Ablenkung des Elektronenstrahls erfolgt bei analogen Oszilloskopen im Gegensatz zu anderen Bildschirmen praktisch immer kapazitiv durch elektrische Felder. Diese Ablenkungsart ist wesentlich einfacher ber groe Frequenzbereiche zu beherrschen; die Vorteile berwiegen die Nachteile (Leuchtfleckverformungen mit zunehmender Ablenkung, groe Einbautiefe der zugehrigen Bildrhre) im angestrebten Einsatzbereich bei weitem.

Das Oszilloskop besitzt eine kleine Elektronenstrahlrhre, deren Elektronenstrahl das Oszillogramm auf einem in der Rhre befindlichen CCD-Sensor erzeugt. Weil die Rhre sehr klein ist, kann sie im GHz-Bereich arbeiten. Das Oszilloskop hat keine Abtastlcke. Ein LCD-Monitor zeigt das Bild an. Durch Abschalten des Elektronenstrahls kann ein einziges Sample eingefangen werden. Der Preis fr ein modernes Gert liegt bei etwa USD 20.000.

Als Mixed-Signal-Oszilloskop (MSO) werden digitale Oszilloskope bezeichnet, die nicht nur ber einen oder mehrere analoge Eingnge, sondern auch ber zustzliche digitale Eingnge verfgen: Die digitalen Kanle knnen meist auf eine bestimmte Logik-Familie eingestellt werden (TTL, CMOS usw.) und unterscheiden dann nur die Zustnde HIGH, LOW und undefiniert.

Es ist nicht unblich, dass diese Art der Oszilloskopen auch zustzlich einen Logic Analysator, also digitalen Eingngen, ein DMM Messgert, ein Labornetzteil usw. eingebaut haben, da diese Gerte meist als "Allrounder" in Laboren oder in Elektronik Werksttten verwendet werden.

Digitale Speicheroszilloskope werden auch als Computerzubehr angeboten. Sie sind dann entweder eine Steckkarte oder ein separates, ber eine Schnittstelle gekoppeltes Gert. Sie knnen auch nur aus Software bestehen und ein Signal einer ADU-Karte oder (bei eingeschrnkten Genauigkeitsanforderungen etwa im Bereich zwischen 10 Hz und 10 kHz) des Audioeinganges nutzen. Alle diese Lsungen erreichen jedoch nicht die Parameter autonomer DSOs, sind dafr aber meist wesentlich kostengnstiger. Auch kann ihre graphische Ausgabe ber die Anzeige eines PC erfolgen und daher besonders fr Lehrzwecke hilfreich sein.

Die ersten automatisierten Gerte zu Beginn des 20. Jahrhunderts zur Aufzeichnung eines Signalverlaufes ber die Zeit nutzten Galvanometer, um damit einen Stift ber eine sich drehende Rolle Papier zu bewegen, wie es beispielsweise bei dem Hospitalier-Schreiber der Fall ist.[9] Solche Gerte sind in erweiterter Form, aber mit grundstzlich identischer Funktion, auch noch Anfang des 21. Jahrhunderts in Form von Messschreibern blich, wenngleich sie zunehmend durch Datenlogger ersetzt werden. Die Limitierung besteht durch die mechanische Bewegung in der geringen Bandbreite, die nur die Aufzeichnung von niederfrequenten Signalverlufen gestattet.

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