Oszilloskop - Tutorial

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

Bedienelemente

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

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

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.

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 die 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

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

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

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
50	0,4	4
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.

Digital Oszilloskop

Wer möchte diesen Abschnitt übernehmen?

Autoren

--Dirk 12:33, 19. Jul 2014 (CET)