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Voltcraft 630-2.JPG

Allgemein

Ein Oszilloskop-Tutorial gehört auch hier im RN-Wissen zu den Wunsch-Artikeln. Es gibt im Netz zwar auch schon gute Tutorials, aber hier soll versucht werden, möglichst einfach an das Thema heran zu gehen. Ich werde mich hauptsächlich mit dem analogen Oszilloskop am Beispiel des Voltcraft 630-2 beschäftigen. Die Bedienelemente dieses Oszilloskops werden sich ähnlich auch bei allen anderen Typen finden.

Ich würde mir wünschen, dass jemand den Abschnitt zum digitalen Oszilloskop übernimmt.

Analog Oszilloskop

Prinzip

Voltcraft 630-2 Schematic.PNG

Bedienelemente

Voltcraft 630-2 Front.PNG

Nummer Bezeichnung Funktion
1 CAL Kalibrierspannung
2 INTEN Helligkeit des Elektronenstrahls
3 FOCUS Fokussierung auf das schärfste Bild
4 TRACE ROTATION Abstimmung der horizontalen Spur mit den Rasterlinien
5 LED Power Anzeige
6 POWER Hauptschalter
7 CH1 VOLTS/DIV CH1 Vertikalachsen-Empfindlichkeit
8 CH1 (X) Vertikaler Eingang für CH1 und X-Achse im X-Y-Betrieb
9 CH1 VARIABLE CH1 Empfindlichkeit Feineinstellung
10 CH1 AC-GND-DC CH1 Eingangswahlschalter
11 CH1 ^ v POSITION CH1 Vertikale Positionierung
12 ALT/CHOP Anzeigeart im Zweikanal-Modus
13 CH1 DC BAL CH1 Dämpferabgleich
14 VERT MODE Auswahl der Betriebsart
15 GND Masseanschluss des Gehäuses
16 CH2 INV Eingangssignal von CH2 wird invertiert
17 CH2 DC BAL CH2 Dämpferabgleich
18 CH2 AC-GND-DC CH2 Eingangswahlschalter
19 CH2 ^ v POSITION CH2 Vertikale Positionierung
20 CH2 (Y) Vertikaler Eingang für CH2 und Y-Achse im X-Y-Betrieb
21 CH2 VARIABLE CH2 Empfindlichkeit Feineinstellung
22 CH2 VOLTS/DIV CH2 Vertikalachsen-Empfindlichkeit
23 SOURCE Auswahl des externen oder internen Triggersignals
24 EXT TRIG IN Eingangsbuchse für externes Triggersignal
25 TRIGGER MODE Auswahl des Triggermodus
26 SLOPE Auswahl der Triggerflanke
27 TRIG.ALT Internes Triggersignal alterniert zwischen CH1 und CH2
28 LEVEL Bestimmung des Startpunktes für die Wellenform
29 TIME/DIV Wahl der Ablenkzeiten
30 SWP.VAR Feineinstellung der Ablenkzeit
31 x10 MAG Vergrößerung um den Faktor 10
32 < > POSITION Einstellung der horizontalen Position
33 FILTER Filter zum einfachen Ablesen der Wellenformen

Voltcraft 630-2 Rear.PNG

Nummer Bezeichnung Funktion
34 Z AXIS INPUT Eingangsbuchse für externes Intensitätsmodulationssignal
35 CH1 SIGNAL OUTPUT CH1 Ausgangssignal für Frequenzmesser
36 Ständer
37 SICHERUNG & Netzspannungswahlschalter
38 AC Eingangsbuchse

Tastkopf 1.JPG

Nummer Bezeichnung Funktion
1 BNC-Buchse Tastkopf-Ausgangsbuchse
2 GND-Anschluß GND-Eingang des Tastkopfes
3 Kompensations-Trimmer Trimmer z.B. 10..60pF
4 Teilungsfaktor-Schiebeschalter Schiebeschalter z.B. 1:1 bzw. 10:1

Grundeinstellungen

Wenn man neue Messungen beginnen will, sollte man das Oszilloskop vor dem Einschalten in die Grundeinstellung bringen.

Einkanal-Betrieb

Nummer Bezeichnung Einstellung
2 INTEN Mittelstellung
3 FOCUS Mittelstellung
7 CH1 VOLTS/DIV 0.5V/DIV
9 CH1 VARIABLE CAL (Position im Uhrzeigersinn)
10 CH1 AC-GND-DC GND
11 CH1 ^ v POSITION Mittelstellung
14 VERT MODE CH1
16 CH2 INV OFF
18 CH2 AC-GND-DC GND
19 CH2 ^ v POSITION Mittelstellung
21 CH2 VARIABLE CAL (Position im Uhrzeigersinn)
22 CH2 VOLTS/DIV 0.5V/DIV
23 SOURCE CH1
25 TRIGGER MODE AUTO
26 SLOPE +
27 TRIG.ALT OFF
29 TIME/DIV 0.5ms/DIV
30 SWP.VAR CAL
31 x10 MAG OFF
32 < > POSITION Mittelstellung

Zweikanal-Betrieb

Für den Zweikanal-Betrieb wählt man zunächst alle Einstellungen des Einkanal-Betriebs.

Nummer Bezeichnung Einstellung
14 VERT MODE DUAL

ADD-Betrieb

Für den ADD-Betrieb wählt man zunächst alle Einstellungen des Einkanal-Betriebs.

Nummer Bezeichnung Einstellung
14 VERT MODE ADD

X-Y-Betrieb

Für den X-Y-Betrieb wählt man zunächst alle Einstellungen des Einkanal-Betriebs.

Nummer Bezeichnung Einstellung
29 TIME/DIV X-Y (Position gegen den Uhrzeigersinn)

Inbetriebnahme

Power

Wenn der Netzspannungswahlschalter (37) einmalig auf die richtige Netzspannung (AC 115V oder 230V) und die Grundeinstellung für den Einkanal- oder Zweikanal-Betrieb eingestellt wurde, kann das Oszilloskop mit dem Hauptschalter (6) eingeschaltet werden. Die POWER LED (5) leuchtet auf.

Strahlabgleich

Nach dem Einschalten des Oszilloskops in der Grundstellung "Einkanal-Betrieb" sollte nach höchstens 20 Sekunden die horizontale Strahllinie auf dem Bildschirm erscheinen. Ist dies nicht der Fall, dann zunächst den INTEN Helligkeits-Regler (2) weiter nach rechts drehen bis die Linie erscheint. Gut eingestellt ist die Helligkeit, wenn die Linie deutlich zu erkennen aber nicht überstrahlt ist.

Sieht die Strahllinie nicht scharf begrenzt aus, kann man die Schärfe noch mit dem FOCUS Regler (3) optimal einstellen. Dies ist der Fall, wenn die Linie möglichst dünn aussieht.

Nun sollte die Strahllinie noch richtig ausgerichtet werden:

  • Vertikale Lage: Die Strahllinie mit dem CH1 ^v POSITION Regler (11) mit der mittleren horizontalen Rasterlinie in Deckung bringen.
  • Horizontale Lage: Die Strahllinie mit dem <> POSITION Regler (32) so in die Mitte des Bildschirms legen, dass das Strahlende rechts und links nicht mehr sichtbar ist.
  • Rotation: Wenn der Strahl nicht parallel zur mittleren horizontalen Rasterlinie verläuft, sondern sie in einem Winkel kreuzt, dann muss die Strahl-Rotation noch eingestellt werden. Mit einem kleinen Schlitz-Schraubendreher stellt man die Rotation vorsichtig am Regler TRACE ROTATION (4) ein. Diese Einstellung muss man i.d.R. nur einmalig vornehmen und nicht bei jeder Inbetriebnahme. Anschließend muss man die vertikale Lage ggf. noch einmal korrigieren.

Tastkopfabgleich

Der Oszilloskop-Tastkopf ist ein wesentlicher Bestandteil des "Messsystems" Oszilloskop. Es gibt hohe Qualitätsunterschiede bei den Tastköpfen. Es lohnt sich, hierfür etwas mehr Geld auszugeben. Für die Messaufgaben, die im Bereich der Niederspannungs-Elektronik und Microcontroller-Technik anliegen, reicht ein passiver Tastkopf mit 10:1 Teilung. Wenn man die Tastköpfe erstmals benutzt, sollte man sich die Zeit nehmen, sie einzeln zu kalibrieren. Dies ist nur einmalig und nicht bei jeder Inbetriebnahme nötig.

Verfahren (passiver Tastkopf mit 10:1 Teilung):

  • Oszilloskop in die Einkanal-Grundeinstellung bringen und einschalten
  • Den Oszilloskop-Tastkopf an die CH1 Eingangsbuchse (8) anschließen
  • Die Tastkopf-Spitze an den Kalibrierausgang CAL (1) anklemmen
  • Den Schalter CH1 VOLTS/DIV (7) in Stellung 50 mV bringen
  • Den Teilungsfaktor-Schiebeschalter am Oszilloskop-Tastkopf in Stellung "10" bringen
  • Den CH1 Eingangswahlschalter (10) in Stellung "AC" bringen
  • Mit einem kleinen Schlitz-Schraubendreher am Kompensations-Trimmer des Oszilloskop-Tastkopfs das Signal möglichst gut als Rechtecksignal abgleichen. Wenn die obere und untere Strahllinie abgerundet oder zipflig ausgezogen wirkt, ist die Einstellung noch nicht optimal.
  • Nach der Kalibrierung das Oszilloskop wieder in die Einkanal-Grundeinstellung bringen
  • Den Teilungsfaktor-Schiebeschalter am Oszilloskop-Tastkopf wieder in Stellung "1" bringen

Test-Messung

Der Oszilloskop-Tastkopf wird nun an die CH1 Eingangsbuchse (8) angeschlossen. Verfügt der Tastkopf über einen kleinen Teilungsfaktor-Schiebeschalter beschriftet mit "1" und "10", dann wird dieser Schiebeschalter in seine Grundstellung "1" gebracht. Die Messspitze wird dann an den Kalibrierausgang CAL (1) angeklemmt.

Wenn die Grundstellung richtig vorgenommen wurde, darf sich zunächst am Bildschirm nichts verändern, d.h. die Strahllinie ist unverändert in der Mitte zu sehen.

CAL.JPG

Grund: Die CH1 Eingangsbuchse (8) ist noch vom (Oszilloskop-internen) CH1 Vorverstärker (CH1 PREAMP) abgekoppelt und der Eingang dieses Verstärkers liegt an GND. Erst wenn man den CH1 Eingangswahlschalter (10) aus der Grundstellung "GND" nach oben in die Stellung "AC" schiebt, verändert sich die Bildschirm-Ausgabe: Es ist das Rechteck-Signal des Kalibrierausgangs CAL (1) zu sehen.

Die CH1 & CH2 Eingangswahlschalter (10, 18) sind also sehr wichtig! In der Stellung "GND" ist das Oszilloskop gut geschützt. Man sollte den/die Eingangswahlschalter nur zum eigentlichen Messbetrieb in die Stellung "AC" oder "DC" bringen und sonst in der Grundstellung "GND" lassen.

Aus dem selben Grund des Messgerät-Schutzes sollte der TIME/DIV Schalter (29) nie dauerhaft in der Stellung "X-Y" stehen.


Messbetrieb

Welche Parameter kann ein Oszilloskop messen? Das Oszilloskop ist ein Spannungsmessinstrument, das den Spannungsverlauf auch zeitabhängig darstellen kann. Darüber hinaus kann es zwei (mit Einschränkungen sogar 3) Spannungen abhängig voneinander darstellen. Durch die zeitabhängige Darstellung von regelmäßig wiederkehrenden Spannungsverläufen kann man auch deren Frequenz und Impulslängen messen bzw. errechnen. Bei zweistrahligen Oszilloskopen kann man zusätzlich Amplituden, Impulslängen und Frequenzen von zwei verschiedenen Signalquellen quasi parallel darstellen und vergleichen.

Impulslängenmessung

Impulslänge.JPG

Die gezeigte symmetrische Rechteckspannung wurde in der Grundstellung des Oszilloskops aufgenommen. Die ausgehend von der Grundlinie nach oben abgehenden (positiven) Impulse 1 und 2 sind vollständig abgebildet, zwei weitere Impulse sind "abgeschnitten". Somit kann man die Breite der Impulse (= Abstand zwischen der ansteigenden und der abfallenden Flanke) ermitteln. In der Grundstellung ist die Zeitablenkung (Schalter TIME/DIV (29)) auf 0,5ms/DIV eingestellt. Das bedeutet, dass der Elektronen-Strahl des Oszilloskops 0,5ms braucht, um horizontal ein Kästchen (DIV) des Rasters auf dem Bildschirm zu durchqueren. Insgesamt gibt es 10 Kästchen auf dem Bildschirm, so dass der Elektronen-Strahl 5ms braucht, um den Bildschirm einmal zu durchlaufen. Gibt es in dieser Zeit Spannungsimpulse am CH1 Eingang, dann werden diese Impulse durch die Vertikalauslenkung sichtbar. Unsere zwei vollständig sichtbaren Impulse haben eine Breite von genau 1,0 DIV (= 1 Kästchen). Zur genaueren Ablesung ist jedes Kästchen horizontal und vertikal noch einmal mit kürzeren Markierungen unterteilt, wobei jede kurze Markierung 0,2 DIV entspricht. Damit kann man Werte auf +- 0,1 DIV genau ablesen. Addiert man in unserem Fall die kürzeren Markierungen zwischen den beiden roten Strichen (= Breite der Rechteck-Impulse), dann kommt man auf 4 kürzere Markierungen zwischen den roten Strichen, also auf 5 mal 0,2 DIV gleich 1,0 DIV.

Was bedeutet nun eine Breite der Impulse von 1,0 DIV? Da unsere Zeitablenkung auf 0,5ms/DIV eingestellt ist, beträgt die Impulslänge 0,5ms.

Formel: Impulslänge = Zeitablenkung * DIV

Die Einheit der Impulslänge entspricht der Einheit des Werts der Zeitablenkung [µs, ms, s], die an der Skala des Schalters TIME/DIV (29) abzulesen ist.

Frequenzmessung

Frequenz.JPG

Die gezeigte symmetrische Rechteckspannung wurde in der Grundstellung des Oszilloskops aufgenommen. Es sind 2 Perioden des Rechtecksignals vollständig abgebildet und lassen sich auswerten. Als eine Periodendauer bezeichnet man -vereinfacht gesagt- den Abstand zweier identischer Punkte einer Schwingung. Wenn man unsere Rechteckspannung im Bereich der Grundlinie (lila) betrachtet, dann kann man als ersten Messpunkt den Punkt nehmen, an dem die abfallende Flanke des Signals die Grundlinie schneidet (erste rote Markierung links). Der nächste identische Punkt der Schwingung wäre dann ebenfalls auf der Grundlinie an der folgenden abfallenden Flanke zu finden (zweite rote Markierung von links). Der Abstand zwischen den beschriebenen roten Markierungen beträgt 2,0 DIV. Genau so kann man auch die 2. Periode vermessen (hier wurden jeweils die ansteigenden Flanken zur Vermessung benutzt!),- auch sie weist eine Periodendauer von 2,0 DIV auf.

Was bedeutet nun eine Periodendauer von 2,0 DIV? Da unsere Zeitablenkung auf 0,5ms/DIV eingestellt ist, beträgt die Periodendauer 2 x 0,5ms = 1ms. Wir wollen aber die Frequenz ermitteln:

Formel: Frequenz = 1 / (Zeitablenkung * DIV)

Die Einheit der Frequenz [MHz, kHz, Hz] ergibt sich aus der Einheit des Werts der Zeitablenkung [µs, ms, s], die an der Skala des Schalters TIME/DIV (29) abzulesen ist:

Zeitablenkung Frequenz
µs MHz
ms kHz
s Hz

Bei unserem Beispiel errechnet sich also die Frequenz als 1 kHz:

Frequenz [kHz] = 1 / (0,5 [ms] * 2,0) = 1 = 1000 [Hz]

Anstiegszeitmessung

Anstiegszeit.JPG

Eine häufig benötigte Angabe ist, wie schnell ein Signal von 0% auf 100% seiner Maximalspannung ansteigt. Dazu ist das Oszilloskop gut geeignet,- allerdings kommt ggf. auch ein Oszilloskop an seine Grenzen, wenn eine sehr schnelle Anstiegszeit (rise time) gemessen werden muss.

Die gezeigte Anstiegsflanke wurde mit der Grundstellung des Oszilloskops aufgenommen mit folgenden Änderungen:

  • Die Zeitablenkung (Schalter TIME/DIV (29)) wird auf 10µs eingestellt
  • Den Teilungsfaktor-Schiebeschalter am Oszilloskop-Tastkopf in Stellung "10" bringen
  • Die Amplitude des Signals wird mit dem Schalter CH1 VOLTS/DIV (7) und falls nötig zusätzlich mit der CH1 Empfindlichkeitseinstellung CH1 VARIABLE (9) so eingestellt, dass sie genau zwischen den horizontalen 0% und 100% Punkt-Linien des Rasters auf dem Bildschirm liegt
  • Die horizontale Lage des Signals wird mit dem Regler <> POSITION (32) so verschoben, dass der Anfangspunkt der ansteigenden Flanke (0%) auf der ersten vertikalen Rasterlinie von Links liegt (vereinfacht die Anstiegszeitmessung).

Warum diese Einstellungen? Die Einstellung der Zeitablenkung richtet sich nach der Steilheit der Flanke. Sie ist so einzustellen, dass man die Anstiegszeit zwischen 0% und 100% gut darstellen und messen kann. Der Teilungsfaktor des Tastkopfes wird auf "10" gestellt, da die Eigen-Anstiegszeit des Oszilloskops (mit Tastkopf) in dieser Stellung nur ein Zehntel der Stellung "1" beträgt. Damit minimiert sich der Messgeräte-Fehler. Die Amplitudenanpassung des Signals erfolgt, weil es am einfachsten vermessen werden kann, wenn es vollständig zwischen die horizontalen 0% und 100% Punkt-Linien des Rasters gelegt wird. Die horizontale Verschiebung (0% Punkt wird auf eine vertikale Linie des Rasters gelegt) vereinfacht die Anstiegszeitmessung.

Wie kann man nun die Auswertung vornehmen? Die Anstiegszeit bis zum Maximalwert (100%) beträgt 3,6 DIV, bei einer Zeitablenkung von 10µs beträgt sie somit 36µs. Die weiteren ablesbaren Anstiegszeiten zeigt folgende Tabelle:

Anstiegsgrad [%] DIV Anstiegszeit [µs]
10 0,1 1
30 0,3 3
50 0,4 4
70 0,8 8
90 1,5 15
100 3,6 36

Mit diesen Werten kann man dann Aussagen treffen. Beispiel:

Die 90% Anstiegszeit beträgt 15µs.

Das bedeutet: Das Signal benötigt 15µs, um 90% seiner Maximalspannung zu erreichen.

Amplitudenmessung

Amplitude.JPG

Die gezeigte symmetrische Rechteckspannung wurde in der Grundstellung des Oszilloskops aufgenommen. Da die CH1 Vertikalablenkung (Schalter CH1 VOLTS/DIV (7)) in seiner Grundstellung auf 0,5V/DIV eingestellt ist und 4,0 DIV gemessen wurden, beträgt die Amplitude 2,0V und kann berechnet werden als:

Amplitude = Vertikalablenkung * DIV

Die Einheit der Amplitude entspricht der Einheit des Werts der Vertikalablenkung [mV, V], die an der Skala des Schalters CH1 VOLTS/DIV (7) abzulesen ist.

Wenn man Amplituden-Angaben verwendet, findet man häufiger die Abkürzung "Vss". Sie steht für "Volt-Spitze-Spitze". Gemeint ist, dass die Amplitude von der höchsten zur niedrigsten Spannung des Signals gemessen wurde. Unsere oben ermittelten 2,0V wurden ebenfalls von Spitze zu Spitze des Rechtecksignals gemessen. Der Wert kann also als 2,0Vss angegeben werden.

X-Y-Messung

Z-Messung



Digital Oszilloskop

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Prinzip

Bedienelemente

Grundeinstellungen

Einkanal-Betrieb

Zweikanal-Betrieb

ADD-Betrieb

X-Y-Betrieb

Inbetriebnahme

Power

Tastkopfabgleich

Test-Messung

Mess-Betrieb

Impulslängenmessung

Frequenzmessung

Anstiegszeitmessung

Amplitudenmessung

X-Y-Messung

Z-Messung



Oszilloskop ABC

ADD-Betrieb

Analog Oszilloskop

Digital Oszilloskop

Einkanal-Betrieb

Elektronenstrahl

Horizontalablenkung

Horizontalablenkung.JPG

Tastkopf

Tastkopf 1.JPG

Kabel

Kabel.JPG

Triggerung

Triggerung.JPG

Vertikalablenkung

Vertikalablenkung.JPG

X-Y-Betrieb

Z-Betrieb

Zweikanal-Betrieb



Autoren

--Dirk 20:54, 19. Jul 2014 (CET)