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Ratgeber

 

Oszilloskope: Beliebtes Messinstrument aus der Elektrotechnik



Wissenswertes zur Elektrotechnik

Jeder der einen Stein in seichtes Wasser wirft, der kann es beobachten. Die Ausbreitung der Wellen mit der Wasseroberfläche. Wer sich das auch als Energieübertragung in der Technik vorstellen kann, verfügt bereits über ein solides Wissen.

Das sich ausbreitende Wellenverhalten kann man mit einem Oszilloskop darstellen.

Es ist in der Elektrotechnik ein sehr häufig eingesetztes Messinstrument und dient zur Erfassung Zeitabhängiger physikalischer Vorgänge. Im Gegensatz zum Multimeter, hat ein digitales Oszilloskop eine sehr hohe Auflösung und eine graphische Signaldarstellung auf einem LC-Display. In der zeitlichen Darstellung von einigen Sekunden- bis runter in den Nanosekundenbereich wird der Verlauf von elektrischen Spannungen grafisch dargestellt. Es verfügt häufig über mehrere BNC Buchsen, an denen verschiedene Tastkopfeingänge, beispielsweise in Form von Mikrofonen zur Schallmessung, Fotodioden zur Lichtmessung, Hallsensoren zur Magnetfeldmessung und viele mehr angebracht werden können.

 

Will man lernen wie ein Oszilloskop funktioniert, ist es hilfreich die Grundfunktionen zu verstehen.

·        CH1/CH2

Eingangskanäle, meist mit BNC Verbindung

·        Volt / div

Drehgeber zur Einstellung des Spannungspegels auf der Y-Achse

·        Time / div

Drehgeber zur Einstellung der Zeitbasis auf der X-Achse

·        Trigger level

Start-Wert des Peak-Peak-Mess-Zyklus, Pfeil links

·        Slope

Positive oder negative Flankensteigung beim Start des Messzyklus



Geschichte und Funktion des Oszilloskops

Die Funktions-Grundlage der Oszilloskope schaffte in den Jahren 1896 und 1897 Karl Ferdinand Braun mit der Braunschen Elektronenstrahlröhre. Ziel war es einen Spannungspegel innerhalb einer Zeit darzustellen. Mit einem Oszilloskop lässt sich darüber hinaus auch die Form eines Signals mit seiner Amplitude und Frequenz betrachten, die Zeitlichen Abstände messen und Abweichungen des Frequenzganges suchen.

Diese wurde von 1902 an, durch Arthur Wehnelt weiterentwickelt.

Bei einem analogen Elektronenstrahl-Oszilloskop wird eine Glühkathode erhitzt. Die sich dabei lösenden Elektronen sind negativ geladen und werden von der positiv geladenen Anode angezogen. Deren Beschleunigung erzeugt eine Spannung, welche im Vakuum die Elektronen mit einer hohen Geschwindigkeit durch die Öffnung der Anode fließen lässt. Der Strahl ist nun geformt und wird positioniert. Elektrostatische Felder wirken auf den Strahl entweder anziehend oder abstoßend ein und werden zum Anpassen des Signals an die Teileinheit, im Folgenden Division genannt genutzt. Durch gezielte Ansteuerung der Plattenkondensatoren, wird der Strahl mit der y-Ablenkung die Amplitude in Volt pro Division, mit der x-Ablenkung die zeitliche Basis in Sekunden pro Division gestalten und auf einem Leuchtschirm abbilden.

Auf dem Bild zu sehen ist ein analoges Oszilloskop im Betrieb mit zwei Kanälen. Der oben angezeigte Kanal 1 zeigt ein Sinus-, der untere Kanal 2 ein Rechtecksignal. Daraus können wir für beide Signale Frequenzen und die jeweiligen Spannungen ermitteln. Der CH 1 Volts/Div. steht bei einfacher Auflösung (1x) auf dem Wert 1, der von CH 2 Volts/Div., auf dem Wert 5 und A and B Sec/Div. auf 30 ms. Liest man nun die Anzeige ab betragen die sowohl die Amplituden als auch die Periodendauer 2,1 Kästchen. Nimmt man nun die 30 Millisekunden = 0,03 Sekunden und multipliziert diese mit den 2,1 Kästchen, erhält man eine Periodendauer von 0,063 Sekunden. Die Frequenz ist der Kehrwert der Zeit, also teilt man 1 durch 0,063 Sekunden und man erhält den Betrag der Frequenz von 16 MHz. Bei den Spannungen funktioniert das analog, jedoch ohne die Kehrwertfunktion zu nutzen.

 

Die Trigger Funktion

Frequenz

Sinussignal

Rechtecksignal

 



Was ist ein digitales Oszilloskop?


Das digitale Oszilloskop verfügt über einen A/D Wandler zur Analog-Digital-Wandlung. Vom Sensor-Anschluss gelangt das Eingangs-Signal über einen I/O Connector und über den Gain Amplifier, einem Eingangs-Verstärker, zur Analog Digital Umsetzung ADC. Das Signal wird normiert und in einstellbaren Zeitabständen skaliert Diese Abtastrate gibt vor, in welchen Schritten das analoge Spannungssignal von einem Schaltkreis auf dem Bildschirm angezeigt wird. Das Signal ist nun durch den AD-Wandler digitalisiert und in Zahlenwerte umgerechnet. Nach aktuellem Stand der Technik, beträgt die Abtastrate maximal 16 Bit. Digitale Oszilloskope besitzen alle einen Datenspeicher oder einen entsprechenden USB-Anschluss für ein externes Gerät.

Das Oszilloskop in Digital, bietet eine Reihe von Annehmlichkeiten:

Funktionsautomatisierung
Periode Frequenz Max. Breite
Abfallzeit Anstiegszeit Min. Breite
Amplitude Löschverhältnis Mittlere optische Leistung
Max. Tastverhältnis Min. Tastverhältnis Verzögerung
Phase Brustbreite Peak-Peak
Mittelwert Zyklusmittelwert Zyklusfläche
Hoch Niedrig Minimum
Maximum Konstruktive Resonanz Destruktive Resonanz
Effektivwert Zyklus Effektivwert Jitter

·        Automatisierte Signalspeicherung, beispielsweise zum Vergleich von Kurvenverläufen

·        Mathematische Analysen zur Messwertermittlung oder Operationen beispielsweise zur Darstellung einer Spektrum Analyse

·        Signal-Daten können an externe Geräte, beispielsweise an einen PC zur Weiterverarbeitung übertragen werden


Das Maximum an Auflösung beträgt bei gängigen Geräten 8 Bit, was in Summe 256 Spannungsstufen ergibt. Die Möglichkeiten eines Oszilloskops in digital überwiegen deutlich denen des analogen, auch wenn die Analog-Technik eine unendlich große Auflösung bietet.



Tastköpfe, Messadapter und Messleitungen für das Oszilloskop

1X / 10X / 100X Oszilloskop-Tastkopf passiv

Passive Tastköpfe benötigen keine Stromzufuhr und sind günstiger als Aktive, robust für den Netzspannungsbereich mit hoher Kapazität

·        Nennspannung von Millivolt bis Kilovolt

·        Hohe Bandbreitenabdeckung

·        Geringe-Impedanz

·        Hohe Kapazität

 

Oszilloskop-Hochspannungs-Tastkopf passiv

Einsatz im Hochspannungsbereich

·        CAT4: Hochspannungsbetrieb

·        Nennspannungsbereich größer 500 Volt

·        Geringe Bandbreitenabdeckung

·        Hohe Impedanz

·        Sehr geringe Kapazität

Aktive- und Differential-Tastköpfe für das Oszilloskop

Zunehmende Signalgeschwindigkeiten, erfordern genauere Messergebnisse. Diese Testköpfe verfügen über integrierte Schaltungen, welche die Signalintegrität sicherstellen. Damit erhält man Präzise Ergebnisse bei schnellen Anstiegszeiten. Typischer weise Messen diese im Differentialmodus, im asymmetrischen Modus und im Normalmodus.

·        Hoher Eingangswiderstand

·        Geringe Eigenkapazität

·        Hohe Bandbreite

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