Elektronenstrahloszilloskop

Ein Oszilloskop ist ein elektronisches Messgerät zur optischen Darstellung einer oder mehrerer Spannungen in einem zweidimensionalen Koordinatensystem. Das Oszilloskop stellt einen Verlaufsgraphen auf einem Bildschirm dar, wobei üblicherweise die (horizontale) X-Achse (Abszisse) die Zeitachse ist und die anzuzeigenden Spannungen auf der (vertikalen) Y-Achse (Ordinate) abgebildet werden. Das so entstehende Bild wird als Oszillogramm bezeichnet. Es gibt analoge und digitale Oszilloskope, wobei analoge Geräte ausschließlich eine Kathodenstrahlröhre zur Anzeige benutzen (Kathodenstrahloszilloskop).

Oszilloskop

Messungen

Mit einem Oszilloskop kann man nicht nur die Größe einer Gleich- oder Wechselspannung bestimmen, sondern vor allem ihren zeitlichen Verlauf (die „Form“ der Spannung) betrachten.

Meistens werden die zu messenden Spannungen über BNC-Buchsen auf der Frontseite unter Verwendung eines Tastkopfes (auch Sonden genannt) angeschlossen.

Die meisten Oszilloskope besitzen einen Eingang für die X-Ablenkung, wodurch nicht nur zeitabhängige Funktionen dargestellt werden können (t-Y-Darstellung), sondern auch X-Y-Darstellungen (wie etwa Lissajous-Figuren oder Kennlinien).

Viele weitere elektrische Größen können mit einem Oszilloskop angezeigt werden, so zum Beispiel:

• elektrischer Strom, indirekt über den Spannungsabfall an einem Widerstand, (siehe Ohmsches Gesetz) oder mittels einer Stromzange;
• Frequenz eines Signals;
• Phasenverschiebungen eines Signals mit Hilfe von Lissajous-Figuren (sofern am Oszilloskop ein Eingang für die X-Ablenkung vorhanden ist), ebenfalls mit dieser Methodik die Frequenz eines Signals mit Hilfe eines externen Frequenzgenerators;
• Durchgangskennlinien von elektronischen Bauelementen (entweder mit Hilfe einer bereits im Oszilloskop vorhandenen Schaltung (Komponententester) oder, sofern ein Eingang für die X-Ablenkung vorhanden ist, mit einer Zusatzschaltung);
• Frequenzgänge elektronischer Schaltungen (mit einem Wobbelgenerator);
• Impulsdiagramme an digitalen Schaltungen und Mikroprozessoren.

Allgemein kann jeder Vorgang, der sich als zeitlicher Verlauf einer elektrischen Spannung abbilden lässt, mit dem Oszilloskop dargestellt werden.

Triggerung

Um bei periodischen Signalen (dies kann ein einfaches Sinus-Signal sein, aber auch ein äußerst komplexes Signal) ein stehendes, klares Bild zu erhalten, ist es nötig, den Elektronenstrahl vor jedem Durchlauf solange aufzuhalten, bis das zu messende Signal einen definierten Zustand (entspricht einem Zeitpunkt) erreicht. Man stellt mit dem "Level"-Potentiometer einen Spannungswert ein, der diesem Zustand entspricht, und kann zumeist festlegen, ob sich dieser auf einer ansteigenden oder fallenden Flanke befinden soll. Somit werden die einzelnen Signalperioden stets genau übereinander gezeichnet und ermöglichen zusammen mit der relativ langen Nachleuchtdauer der Leuchtschicht ein mehr oder minder stehendes Bild. Je nach Ausstattung des Oszilloskops gibt es noch weitere Triggerungsmethoden oder die Möglichkeit, ein externes Triggersignal zu verwenden.

Bei digitalen Oszilloskopen (siehe unten) ist es einfacher, auch auf einmalige Ereignisse zu triggern, also einen sogenannten „single shot“ (Einzelschuss) eines transienten Signals zu machen. Bei analogen Oszilloskopen ist dies nur durch einen aufwändigen Röhrenaufbau realisierbar. Aufgrund der Architektur eines digitalen Speicheroszilloskopes ist es dann auch möglich, den Kurvenverlauf vor dem Trigger-Ereignis („pre trigger“) zu betrachten, da diese ihren Signalspeicher in der Regel rollierend beschreiben. Weiterhin bieten die meisten digitalen Oszilloskope auch Trigger-Optionen auf bestimmte Signalformen bzw. -signalzusammenhänge, z. B.:

• Start-Stopp-Bedingung auf I²C-Bussen,
• Start of Frame bei CAN-Signalen,
• TV-Signale (auch bei analogen Oszilloskopen üblich),
• Pulsbreite.

HoldOff

Als HoldOff bezeichnet man die (einstellbare) Zeit, um die der Triggermechanismus gegenüber einem erneuten Triggern gesperrt werden kann.

Zeitbasis

Als Zeitbasis bezeichnet man die Baugruppe in einem Oszilloskop, die die Signaldarstellung (bzw. Abtastung) in X-Richtung vorgibt, bei einem analogen Oszilloskop also den Kippschwingungsgenerator. Um Signalzusammenhänge darzustellen, bei denen das Triggerereignis weit vor dem eigentlich interessanten Signalverlauf auftritt, gibt es Oszilloskope mit zwei Zeitbasen: Die erste legt den Abstand zwischen Trigger-Ereignis und Signaldarstellung fest („Main“), die andere die Zeitachse im angezeigten Oszillogramm („Delayed“). Bei digitalen Oszilloskopen gibt es dann meist noch einen „Rolling“ Modus, bei dem das Signal nicht von links nach rechts geschrieben wird, sondern nach Art eines Messschreibers: das bisher angezeigte Signal wird nach links verschoben und die neue gemessene Spannung am rechten Rand ergänzt. Diese Darstellung nutzt man, um längere Signalabschnitte kontinuierlich darzustellen.

Arten

Digitales Oszilloskop

Mit einem digitalen Oszilloskop aufgenommenes Oszillogramm

Modernes digitales Speicheroszilloskop

Kompaktes DSO

Anschlüsse eines DSO, hier für RS232, Drucker und GPIB

Heute werden vermehrt digitale Oszilloskope verwendet. Sie führen eine Analog-Digital-Wandlung durch und sind prinzipiell Speicheroszilloskope (DSO). Sie können Daten auch nach der Messung zur Verfügung stellen, auf einem Speichermedium ablegen oder auf einen PC übertragen.

Es gibt verschiedene Ausstattungsstufen sowie Mischformen zwischen Analog- und Digitaloszilloskopen. Die oben genannten Eigenschaften analoger Oszilloskope gelten ebenso für die Digitaloszilloskope. Zusätzliche Funktionen sind:

• Pre-Triggerung: Damit kann man auf ein bestimmtes Ereignis warten, zum Beispiel eine Spannungsspitze, und sich dank der Speicherung den Signalverlauf vor dem Ereignis betrachten
• Mittelwertbildung, d. h. Mittelung über viele Anzeigeperioden, dadurch Störunterdrückung bei periodischen Signalen
• Analysesoftware für beispielsweise Anstiegszeit, Impulsbreite, Amplitude, Frequenz usw.
• automatische Einstellung auf ein unbekanntes Signal
• mathematische Funktionen, z. B. Summen- oder Differenzbildung zwischen Kanälen
• Frequenzspektren / FFT, Histogramme und Statistiken

Die Eingangsspannung wird mit einem Analog-Digital-Umsetzer (ADU) mit einer Auflösung von 8, 10 oder 12 Bit digitalisiert. Damit auch hochfrequente Signale gewandelt werden können, werden parallele ADU, auch als Flash-ADC bezeichnet, eingesetzt. Neben der Auflösung in Y-Richtung (Spannung) ist auch die zeitliche Auflösung eine wichtige Kenngröße: Sie wird zum einen durch die analoge Bandbreite des DSOs bestimmt, aber auch durch die Abtastrate, mit der das Signal abgetastet wird. Die Abtastrate wird zumeist in „Megasamples“ (MS/s) oder „Gigasamples“ (GS/s) angegeben, also Anzahl der Abtastungen pro Sekunde. Anfang 2009 liegen selbst im unteren Preissegment der DSO die Abtastraten im Bereich von einigen GS/s. Typische Werte bei einer maximalen Bandbreite von 100 MHz sind 1 GS/s.

Ein weiterer Parameter ist die Speichertiefe, d. h. die Zahl der gespeicherten Messwerte. Auch diese teilt sich auf die Zahl der benutzten Kanäle auf. Da Digitaloszilloskope eine Anwendung der zeitdiskreten Signalverarbeitung darstellen, spielen die Abtastung und das Nyquist-Shannon Abtasttheorem eine zentrale Rolle.

Digitale Spitzen-Erkennung

Manche digitalen Speicheroszilloskope (DSO) verfügen über eine digitale Spitzen-Erkennung (Englisch: Glitch Capture; Neudeutsch auch Peak-Erkennung). Damit wird sichergestellt, dass Spannungsspitzen (englisch: Glitches) auch bei langsameren Zeitbasis-Einstellungen erfasst und angezeigt werden. Der angezeigte Signalverlauf erscheint dann dicker, da Minimum- und Maximumwerte gleichzeitig angezeigt werden. Ist diese nicht vorhanden, kann es durch Aliasing zu Messfehlern kommen.

Unterabtastung (Äquivalenzzeitabtastung)

Abtastung eines Signals in mehreren Zyklen

Periodische Signale mit sehr hoher Frequenz können mit Hilfe von Unterabtastung (undersampling) dargestellt werden. Voraussetzung ist eine sehr schnelle Abtast-Halte-Schaltung, die noch Bruchteile des Eingangssignals erfassen kann. Beträgt die Periode eines Signals z. B. 1 ns, dann wird im Abstand von 10,05 ns eine Probe entnommen. Der Analog-Digital-Wandler hat nun ungefähr 10 ns Zeit für die Umsetzung, obwohl das eigentliche Signal viel schneller ist. Nachdem 20 Proben gemessen wurden, ist das Signal einmal abgetastet. (20 · 0,05 ns = 1 ns) Inzwischen sind aber 20 · 10,05 ns vergangen; dies entspricht 201 Perioden des Eingangssignals. In diesem Fall dürfen allerdings keine niederfrequenten Signalanteile vorhanden sein, da diese nicht von der zu messenden Frequenz zu unterscheiden wären.

Unterschiede gegenüber dem analogen Oszilloskop

• Die Anzeige kann größer und farbig sein, dadurch lassen sich die einzelnen Kanäle leichter unterscheiden.
• Unterabtastung und Mittelung über aufeinanderfolgende Abtastungen oder Perioden ergibt eine bessere Auflösung bis in den µV-Bereich sowie Störunterdrückung.
• Spitzenerkennung
• Pretrigger - Es kann damit der Signalverlauf vor dem Triggerzeitpunkt betrachtet werden
• Komplexe Trigger-Funktionen wie beispielsweise Pulsweitentrigger oder im Rahmen von seriellen Schnittstellen die Triggerung auf eine Abfolge von seriellen Bitmustern
• Autoset und Autorange um eine automatische in für viele Fälle optimale Einstellung in Abhängigkeit der Eingangssignale zu erhalten.
• Scrollen und Vergrößern über mehrere gespeicherte Graphen
• Aufzeichnen langsamer Vorgänge, z. B. ein Temperaturverlauf über einen Tag.
• Der Speicher des Oszilloskop kann anstatt einer eindimensionalen Liste auch ein mehrdimensionales Array der vorangegangenen Abtastintervalle enthalten, um einen Phosphor-Schirm zu simulieren. Die vorangegangenen Perioden werden farblich unterschiedlich dargestellt und damit unterscheidbar (z. B. farbige Augendiagramme).
• Automation und Fernsteuerung über standardisierte Schnittstellen wie z. B. serielle Schnittstelle, USB-Port oder GPIB.
• Daten- oder Bilddatei können gespeichert und in anderen Anwendungen eingebunden werden. Dies kann über Schnittstellen zum Anschluss von handelsüblichen USB-Massenspeichern erfolgen.
• Ausgabe von numerischen Messwerten wie Effektivwert oder Spitzenwert vom angezeigten Signalverlauf.
• Coursor-Funktionen für das genaue Ausmessen von Abständen in der Darstellung.
• Bildung von abgeleiteten Messkanälen. Diese werden manchmal als „Mathematik-Kanal“ bezeichnet. Beispielsweise kann damit das Spektrum eines Signals mittels Fourier-Transformation in Echtzeit gebildet und angezeigt werden.
• Bestimmte Geräteeinstellungen (setups) können gespeichert und später wieder abgerufen werden.

• Die Handhabung kann bei manchen Geräten aufgrund vieler Funktionen komplizierter sein.
• Gefahr von falschen Darstellungen aufgrund der des Alias-Effektes.

Mixed-Signal Oszilloskop

Als Mixed-Signal Oszilloskop bezeichnet man digitale Oszilloskope, die nicht nur über ein oder mehrere analoge Eingänge, sondern auch über zusätzliche digitale Eingänge verfügen: Die digitalen Kanäle können meist auf eine bestimmte Logik-Familie eingestellt werden (TTL, CMOS, etc.) und unterscheiden dann nur die Zustände HIGH, LOW und undefiniert.

DSO als Computerzubehör

Digitale Speicheroszilloskope werden auch als Computerzubehör angeboten. Sie sind dann entweder eine Steckkarte oder ein separates, über eine Schnittstelle gekoppeltes Gerät. Sie können auch nur aus Software bestehen und ein Signal einer A/D-Wandlerkarte oder (bei eingeschränkten Genauigkeitsanforderungen etwa im Bereich zwischen 10 Hz und 10000 Hz) des Audioeinganges nutzen. Alle diese Lösungen erreichen jedoch nicht die Parameter autonomer DSOs, sind dafür aber meist wesentlich kostengünstiger. Auch kann ihre graphische Ausgabe über die Anzeige eines PC erfolgen und daher besonders für Lehrzwecke hilfreich sein.

Analoges Oszilloskop

Analoges Oszilloskop

Funktionsschema eines Elektronenstrahloszilloskop

Bei analogen Oszilloskopen wird die zu messende Spannung über einen einstellbaren und in seiner Verstärkung kalibrierten Verstärker auf den Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre mittels eines oder mehrerer Elektronenstrahlen „projiziert“. Genauer gesagt wird der Elektronenstrahl durch die Eingangsspannung in Y-Richtung abgelenkt. Bei zeitabhängiger Darstellung muss für die X-Ablenkung eine Kippschwingung erzeugt werden, welche, durch die Triggerung ausgelöst, gleichmäßig mit kalibrierter Steilheit ansteigt und dann schnell wieder abfällt. Die Anstiegsdauer dieser sägezahnförmigen Kippschwingung entspricht der angezeigten Zeitdauer des Signales. Sie ist zumeist in einem sehr weiten Bereich einstellbar. Der Elektronenstrahl bewegt sich dadurch von links nach rechts (während dieser Zeit wird das Bild gezeichnet) und kehrt anschließend sofort zum Ausgangspunkt zurück. Dabei wird der Strahl dunkelgetastet, damit man den Rücklauf des Leuchtflecks nicht sieht.

Die Ablenkung des Elektronenstrahls erfolgt bei analogen Oszilloskopen im Gegensatz zu anderen Bildschirmen praktisch immer kapazitiv durch elektrische Felder. Diese Ablenkungsart ist wesentlich einfacher über große Frequenzbereiche zu beherrschen; die Vorteile überwiegen die Nachteile (Leuchtfleckverformungen mit zunehmender Ablenkung, große Einbautiefe der zugehörigen Bildröhre) im angestrebten Einsatzbereich bei weitem. Zur Optimierung der Bandbreite erfolgt die Y-Ablenkung bei entsprechend breitbandigen Geräten mit unterteilten Ablenkplattenpaaren, welche mit Laufzeitgliedern so angesteuert werden, dass die Ablenkung synchron zur Ausbreitungsgeschwindigkeit der Elektronen erfolgt.

Analoge Oszilloskope haben heute aus technischen Gründen, neben praktischen Nachteilen wie der Größe der Kathodenstrahlröhre und wirtschaftliche Faktoren wie der preisgünstigen Verfügbarkeit von DSO, im praktischen Laboreinsatz nur noch eine untergeordnete Bedeutung. Einzelne Anwendungsbereiche von einfachen analogen Oszilloskopen liegen im Ausbildungsbereich in technischen Schulen.

Mehrkanalbetrieb

Oft ist es notwendig, zwei Signale auf dem Schirm gleichzeitig darzustellen, um sie zu vergleichen. Dazu gibt es bei analogen Oszilloskopen mehrere Verfahren:

• Mehrsystemröhre (echtes Mehrstrahloszilloskop): Dabei befinden sich in der Röhre mehrere Elektronenkanonen und (Y-)Ablenksysteme. Auf diese Weise lassen sich zwei bis vier unabhängige Kurvenverläufe zeitgleich darstellen.
• Chopper-Betrieb: Bei der Darstellung von langsamen Signalverläufen kann man sehr schnell zwischen den beiden Eingängen umschalten und dabei auch die vertikale Strahlposition auf dem Bildschirm verändern. Das führt dazu, dass z. B. Kanal 1 in der oberen Bildschirmhälfte dargestellt wird und Kanal 2 in der unteren. Nachteil ist, dass jeder Kanal nicht kontinuierlich dargestellt wird, sondern aus einer gestrichelten (zerhackten) Linie besteht. Kurze Impulse können in der Zwischenzeit (wenn der andere Kanal geschrieben wird) verloren gehen. Dies verwendet man meist unter 100 Hz
• Alternierender Betrieb: Bei der Darstellung von schnellen Signalverläufen lässt man das Signal des einen Kanals einmal ganz auf dem Bildschirm darstellen, schaltet dann auf den anderen Kanal und stellt diesen auf einer anderen Position dar. Es wird also nach jedem Strahldurchlauf zwischen Kanal 1 und 2 umgeschaltet. In dieser Betriebsart kann allerdings die Phasenverschiebung nicht exakt bestimmt werden, weil der Triggerimpuls nicht gleichzeitig ausgelöst wird.

Spezielle Oszilloskope

Der Waveformmonitor (WFM) ist ein spezielles Oszilloskop, das in der professionellen Videotechnik zum Messen von analogen Videosignalen benutzt wird.

Historische Entwicklung

Darstellung des Hospitalier Schreibers

Frühes Oszillogram auf Filmmaterial

Kameravorsatz für Aufnahmen bei analogen Oszilloskop

Die ersten automatisierten Geräte zu Beginn des 20. Jahrhunderts zur Aufzeichnung eines Signalverlaufes über die Zeit nutzten Galvanometer um damit einen Stift über eine sich drehende Rolle Papier zu bewegen, wie es beispielsweise bei dem Hospitalier Schreiber der Fall ist. ^[1] Solche Geräte sind in erweiterter Form, aber mit grundsätzlich identer Funktion, auch noch Anfang des 20. Jahrhunderts in Form von Messschreibern üblich, wenngleich sie zunehmend durch Datenlogger ersetzt werden. Die Limitierung besteht durch die mechanische Bewegung in der geringen Bandbreite, welche nur die Aufzeichnung von niederfrequenten Signalverläufen gestattet.

Verbesserungen ersetzten den mechanischen Zeiger des Galvanometer durch ein Spiegelgalvanometer und die Aufzeichnung des Signalverlaufes erfolgte optisch auf einen lichtempfindlichen Film. Die Handhabung inklusive der notwendigen Filmentwicklung war allerdings aufwändig. Eine deutliche Verbesserung ergab sich durch den Einsatz von Kathodenstrahlröhren. Erste Kathodenstrahlröhren wurden zwar schon Ende des 19. Jahrhunderts entwickelt, der Einsatz in Form eines Messgerätes zur Signalaufnahme mit zwei Elektronenstrahlen geht auf eine Entwicklung aus den 1930 Jahren der britischen Firma A.C.Cossor zurück, welche später von der Firma Raytheon gekauft wurde. Einsatz fanden diese meist noch unkalibrierten Geräte im Zweiten Weltkrieg als Darstellungsgerät bei den ersten Radarbildschirmen.

Eine weitere Verbesserung des Oszilloskops, neben einer kalibrierten Zeitbasis, wurde durch die Möglichkeit zur Triggerung bei periodischen Signalverläufen geschaffen. Damit war die zeitlich exakte Ausrichtung bei der Darstellung von wiederholenden Signalverläufen möglich und es war der grundlegende Funktionsumfang eines analogen Oszilloskops geschaffen. Die Entwicklung der Triggerung erfolgt noch während des Zweiten Weltkriegs in Deutschland und fand erstmals 1946 in dem kommerziell eingesetzten Oszilloskop Modell 511 der amerikanischen Firma Tektronix Anwendung. ^[2]

Zur Anzeige einmaliger, nicht periodischer Vorgänge wurden analoge Oszilloskope mit Kathodenstrahlröhren mit extrem langer Nachleuchtzeit, einer so genannten speichernden Anzeigeröhre verwendet. Diese Geräte wurden auch als Oszillograph bezeichnet. Die hohe Nachleuchtzeit wurde durch spezielle Beschichtungen der Leuchtschicht in der Kathodenstrahlröhre erreicht. Die Speicherröhren besaßen eine zeitlich limitierte Speicherzeit im Bereich einiger Sekunden bis unter einer Minute und hatten eine vergleichsweise geringe räumliche Auflösung und eine limitierte Betriebszeit. Sie waren lange Zeit die einzige Möglichkeit, Einzelereignisse mit Zeiten unterhalb etwa 1 ms darzustellen. Ab Zeiten von etwa 1 ms aufwärts konnten alternativ auch ereignisausgelöste fotografische Aufnahmen des Abbildes der Kathodenstrahlröhre angefertigt werden.

Eine weitere Entwicklung war die nicht selbstleuchtende Blauschriftröhre, auch Skiatron genannt. Sie benötigt eine externe Lichtquelle. Der Elektronenstrahl trifft hierbei auf eine von außen sichtbare Schicht aus aufgedampften Alkalihalogeniden, meist Kaliumchlorid. Die negative Ladung des Strahles ruft eine Verfärbung der getroffenen Stellen hervor, die je nach Typ blau bis blauviolett erscheint. Diese Spur ist sehr dauerhaft, hält einige Minuten bis zu einigen Tagen und kann durch Erwärmen wieder gelöscht werden.

Durch die zusätzlichen Möglichkeiten der digitalen Signalverarbeitung und Speicher wurden ab den 1980er Jahren analoge Oszilloskope zunehmend durch digitale Speicheroszilloskope (DSO) ersetzt. Voraussetzung dafür war die Verfügbarkeit von Analog-Digital-Umsetzer mit hoher Bandbreite. Die ersten digitalen Speicheroszilloskope wurden von Walter LeCroy, dem Gründer der New Yorker Firma LeCroy, auf den Markt gebracht, der sich zuvor am CERN mit der Entwicklung schneller Analog-Digital-Umsetzer zur Messsignalaufnahme beschäftigt hatte. Die Firma LeCroy zählt auch im Jahr 2009 zu einer der weltweit führenden Hersteller von Oszilloskopen.

Einzelnachweise

1. ↑ Hawkins Electrical Guide, Theo. Audel und Co., 2. Auflage 1917, Band 6., Kapitel 63: Wave Form Measurement, Seite 1851, Abbildung 2598
2. ↑ Frank Spitzer und Barry Howarth: Principles of modern Instrumentation, Rinehart and Winston, New York, 1972, ISBN 0-03-080208-3, Seite 122

Weblinks

• Oszilloskop-Simulation (erfordert einen Shockwave-fähigen Browser)
• Oszilloskop-Simulation (erfordert einen Java-fähigen Browser)
• Ein reales Oszilloskop über das Internet fernbedienen (Zugriff über ‚Labs‘, erfordert einen Java-fähigen Browser)
• Die Osziseite
• The Cathode Ray Tube site (Englisch)
• Tipps zur Auswahl eines passenden Oszilloskops