Das Oszilloskop

Ein Multimeter liefert dir eine einzige Zahl. Das reicht, solange sich eine Spannung nicht oder nur langsam ändert. Sobald aber Takte, Pulse, Störungen oder Einschaltvorgänge im Spiel sind, willst du sehen, wie sich die Spannung über die Zeit verhält. Genau das macht das Oszilloskop: Es zeichnet den Verlauf einer Spannung als Kurve auf einen Bildschirm – senkrecht die Spannung, waagerecht die Zeit. Für die Fehlersuche in digitalen und analogen Schaltungen ist es das wichtigste Messgerät überhaupt.

Was der Bildschirm zeigt

Der Bildschirm ist mit einem Raster aus Divisionen (Kästchen, kurz „div“) überzogen, meist 10 waagerecht und 8 senkrecht. Zwei Einstellungen bestimmen, was ein Kästchen bedeutet:

• Vertikal (Y): die Empfindlichkeit in Volt pro Division, zum Beispiel 1 V/div.
• Horizontal (X): die Zeitbasis in Sekunden pro Division, zum Beispiel 1 ms/div.

Liest du ab, wie viele Kästchen ein Signal hoch oder eine Periode lang ist, und multiplizierst mit der Einstellung, erhältst du Spannung und Zeit. Aus der Periodendauer folgt die Frequenz f = 1 / T. Wie das im Detail geht, zeigt Spannung messen mit dem Oszilloskop.

Analog und digital

Das klassische Analog-Oszilloskop arbeitet mit einer Kathodenstrahlröhre, der Braunschen Röhre. Eine geheizte Kathode gibt Elektronen ab, eine Anode mit hoher positiver Spannung gegenüber der Kathode beschleunigt sie zu einem Strahl. Davor sitzt der Wehneltzylinder: Seine negative Spannung bestimmt, wie viele Elektronen durchkommen, und damit die Helligkeit (Intensity). Eine Elektronenoptik bündelt den Strahl zu einem feinen Punkt (Focus).

Danach durchläuft der Strahl zwei Plattenpaare. Die Y-Platten lenken ihn senkrecht ab – an ihnen liegt die verstärkte Messspannung. Die X-Platten lenken ihn waagerecht ab: Ein Zeitablenkgenerator liefert eine Sägezahnspannung, die den Punkt gleichmäßig von links nach rechts zieht und ihn am Ende schlagartig an den linken Rand zurückspringen lässt. Wo der Strahl auf die Leuchtschicht trifft, entsteht die Kurve. Weil die Elektronen fast keine Masse haben, folgt der Strahl auch sehr schnellen Änderungen. Analoge Geräte zeigen das Signal ohne Verzögerung, können aber nichts speichern.

Einen Elektronenstrahl gibt es nur einmal. Zwei Kanäle zeigt ein analoges Zweikanal-Gerät deshalb im Wechsel an: Bei Alternate zeichnet es einen kompletten Durchlauf mit Kanal 1, den nächsten mit Kanal 2 – gut für mittlere und hohe Frequenzen. Bei Chopped schaltet es während eines Durchlaufs viele Male zwischen den Kanälen hin und her – nötig bei langsamen Signalen, bei denen Alternate sichtbar flackern würde.

Heute sind digitale Speicher-Oszilloskope (DSO) Standard. Ein schneller Analog-Digital-Wandler tastet das Signal ab, die Werte landen in einem Speicher und werden dann als Kurve gezeichnet. Das bringt große Vorteile: Einzelereignisse lassen sich festhalten, Messwerte wie Frequenz, Effektivwert oder Anstiegszeit berechnet das Gerät automatisch, und Kurven lassen sich speichern und am Rechner auswerten. Viele Geräte decodieren zusätzlich serielle Busse wie UART, I²C oder SPI. Mixed-Signal-Oszilloskope (MSO) haben neben den analogen Kanälen noch 8 oder 16 Logikkanäle.

Die wichtigsten Kenngrößen

Bandbreite: Die Frequenz, bei der ein Sinus nur noch mit etwa 71 % seiner Amplitude angezeigt wird (−3 dB, siehe Dezibel). Darüber wird es schnell schlechter. Als Faustregel sollte die Bandbreite drei- bis fünfmal so hoch sein wie die höchste Signalfrequenz, die dich interessiert. Bei Rechtecksignalen zählen die Oberschwingungen, also die Flankensteilheit. Die kleinste darstellbare Anstiegszeit ist näherungsweise:

Abtastrate: Wie oft pro Sekunde der Wandler einen Wert aufnimmt, angegeben in Sa/s (Samples pro Sekunde). Sie sollte mindestens vier- bis fünfmal so hoch sein wie die Bandbreite, damit die Kurvenform sauber erfasst wird.

Speichertiefe: Wie viele Abtastwerte das Gerät pro Aufnahme speichern kann. Zusammen mit der Abtastrate bestimmt sie, wie lange die Aufnahme bei voller Auflösung dauern darf:

Trigger: Damit ein periodisches Signal als stehendes Bild erscheint, muss jeder Durchlauf an derselben Stelle der Kurve beginnen. Der Trigger wartet dafür, bis das Signal einen eingestellten Pegel in einer gewählten Richtung (steigende oder fallende Flanke) erreicht, und startet erst dann die Zeitablenkung. Als Quelle dient einer der Kanäle oder ein eigener Eingang für externe Triggerung. Die Einstellung im Detail steht in Oszilloskop: Bedienung und erste Messung.

Eingang: Ein Kanal hat typisch 1 MΩ parallel zu 15 bis 20 pF. Mit einem 10:1-Tastkopf steigt der Eingangswiderstand auf 10 MΩ, die Belastung der Schaltung sinkt.

Sicherheit: Das Oszilloskop hängt am Schutzleiter

Bei einem netzbetriebenen Tischoszilloskop sind die Massen aller Kanäle – der Außenkontakt der BNC-Buchsen und die Masseklemmen der Tastköpfe – über das Netzkabel mit dem Schutzleiter verbunden. Die Masseklemme ist also kein „Minus-Messeingang“, sondern liegt fest auf Erdpotential. Mehr zu den Begriffen findest du unter Masse, Erde und Ground.

Batteriebetriebene Handoszilloskope und Geräte mit isolierten Kanälen haben dieses Problem nicht im gleichen Maß, müssen aber für die jeweilige Messkategorie zugelassen sein (Richtig messen: Grundregeln).

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