Die grundlegende Bedienung von Oszilloskopen verstehen

Grundlagen von Oszilloskopen und Tastköpfen

Die grundlegende Bedienung von Oszilloskopen verstehen

Für die korrekte Bedienung eines Oszilloskops und gültige Messdaten muss man die Grundlagen von Oszilloskopen und deren Basissystemen verstehen. Im Folgenden wird eine Übersicht über die notwendigen Einstellungen geboten, um elementare Messungen des zeitlichen Spannungsverlaufs mit einem Oszilloskop durchzuführen.

Was ist ein Oszilloskop und wie wird es verwendet?

Der primäre Zweck eines Oszilloskops besteht in der Messung und Darstellung des zeitlichen Spannungsverlaufs. Sie kommen in großem Stil zum Einsatz beim Design von Elektrik/Elektronik sowie bei Tests und der Fehlersuche an nahezu allem, das elektrisch betrieben wird.

Oszilloskope zeigen den zeitlichen Spannungsverlauf für periodische oder sich wiederholende Wellenformen. Moderne, digitale Speicheroszilloskope können auch problemlos nicht periodische Wellenformen anzeigen und vorhalten. Zusätzlich zur grundlegenden Darstellung des zeitlichen Spannungsverlaufs verfügen die meisten aktuellen Oszilloskope über viele zusätzliche Funktionalitäten, beispielsweise:

  • automatische Messung der Spitze-Spitze-Spannung oder Frequenz
  • Untersuchung von seriellen Bussen und Mixed-Signal-Analyse
  • Signalanalyse im Frequenzbereich – ähnlich wie bei einem Spektrumanalysator

Die grundlegenden „Systeme“ beim Betrieb von Oszilloskopen

Für die Messungen und die Anzeige der Ergebnisse werden bei einem Oszilloskop Einstellungen an vier primären „Systemen“ vorgenommen:

1) Das Vertikalsystem

Für die Messungen und die Anzeige der Ergebnisse werden bei einem Oszilloskop Einstellungen an vier primären „Systemen“ vorgenommen:

2) Das Horizontalsystem

Für die Messungen und die Anzeige der Ergebnisse werden bei einem Oszilloskop Einstellungen an vier primären „Systemen“ vorgenommen:

3) Das Triggersystem

Für die Messungen und die Anzeige der Ergebnisse werden bei einem Oszilloskop Einstellungen an vier primären „Systemen“ vorgenommen:

4) Das Anzeigesystem

Das Vertikalsystem

Die vertikale Achse zeigt die Spannung als Funktion der Zeit. Mir ihr lässt sich die Wellenform vertikal skalieren und positionieren. Zur Darstellung und Skalierung der Wellenform kommt der V/Div-Regler zum Einsatz, um das Eingangssignal zu verstärken oder zu dämpfen.

Bei der Konfiguration des Vertikalsystems muss man unbedingt berücksichtigen, dass man die Darstellung der Wellenform am Bildschirm mithilfe des V/Div-Reglers maximiert. Anders ausgedrückt muss man die positiven und negativen Spitzen so nahe wie möglich am oberen und unteren Rand positionieren, ohne die Wellenform abzukappen.

Damit wird sichergestellt, dass alle Bits des im Oszilloskop integrierten Analog-/Digitalwandlers (ADC) und all dessen Vorteile genutzt werden. Zudem ist es bei maximaler vertikaler Skalierung einfacher, kleine Details oder Merkmale in einer Wellenform zu entdecken.

Je höher V/Div gewählt wird, desto kleiner ist die Darstellung der Wellenform

Je niedriger V/Div gewählt wird, desto größer ist die Darstellung der Wellenform

Mit dem Positionsregler lässt sich die Wellenform auf dem Schirm aufwärts und abwärts bewegen

Das Horizontalsystem

In Bezug auf das Horizontalsystem müssen zwei getrennte Themenbereiche bzw. Aspekte behandelt werden: Wellenformdarstellung und Abtastrate.

Wellenformdarstellung

Die Regler der Wellenformdarstellung im Horizontalsystem beziehen sich auf die horizontale Achse, die der Zeit entspricht. Mit diesen Reglern kann die Wellenform skaliert und/oder ihre horizontale Position geändert werden. Ähnlich wie bei V/Div im Vertikalsystem ändert s/Div die Zeitdauer jeder Teilung, d. h. wieviele Zyklen man am Oszilloskopschirm sehen kann. Verwenden Sie die Positionsregelung, um die Wellenform auf dem Schirm nach rechts oder links zu verschieben.

Wellenformdarstellung

Abtastrate

Der wichtigere Aspekt beim Horizontalsystem ist die Abtastung.
Das Horizontalsystem digitalisiert das Eingangssignal mit einer vorgegebenen Abtastrate in Abtastwerten pro Sekunde oder zu jedem Abtastintervall. Diese Abtastwerte werden im Speicher abgelegt und bilden zusammen die sogenannte Wellenformaufzeichnung.

Je höher die Abtastwerte

  • desto größer ist die Auflösung / das Detail der dargestellten Wellenform
  • desto größer ist die Wahrscheinlichkeit selten auftretende Ereignisse zu erfassen
  • desto größer sind die Speicheranforderungen (größere Speichertiefe)

Welche Abtastrate sollte man wählen?
Falls das Eingangssignal zu langsam abgetastet wird, besteht die Gefahr, dass man ein durch Alias-Effekte beeinträchtigtes Signal und somit keine exakte Repräsentation des abgetasteten Signals erhält.

Die im Speicher abgelegten Abtastwerte bilden die sogenannte Wellenformaufzeichnung.

Das Nyquist-Theorem besagt, dass die Abtastung mit einer Frequenz erfolgen soll, die das Doppelte der höchsten vorkommenden Frequenz beträgt, um Alias-Effekte zu vermeiden. Allgemein wird empfohlen, eine Abtastrate zu wählen, die mindestens dem 2,5-Fachen der Oszilloskopbandbreite entspricht.

Triggersystem und Triggermodi

Das Triggersystem ist extrem wichtig, weil die Triggerung nahezu bei allen Oszilloskopanwendungen zum Einsatz kommt. Im Wesentlichen definiert ein Trigger die Bedingungen, die eintreten müssen, bevor das Oszilloskop mit der Erfassung oder der Abtastung beginnt.
Die Triggerung kann zwei unterschiedliche Dinge bewirken:

Erstens kann man dadurch ein sich wiederholendes bzw. periodisches Signal wie beispielsweise eine Sinuswelle stabilisieren, indem man jeden Sweep an einem vorgegebenen Punkt auf dem Signal starten lässt

Mit Triggern kann man ebenso nicht periodische, einzeln auftretende Ereignisse wie Einzelpulse, Bursts etc. erfassen.

Es ist äußerst wichtig, den Trigger ordnungsgemäß einzustellen. Eine fehlerhafte Triggerkonfiguration ist ein weit verbreitetes Problem bei der Nutzung von Oszilloskopen. Es gibt viele unterschiedliche Triggerarten. Moderne Oszilloskope können auf Merkmale wie Pulsbreiten, Zwergimpulse oder Störspitzen triggern. Die gängigste Triggerart ist der Flankentrigger.

Der Flankentrigger löst aus, wenn der Schwellenwert einer definierten Spannung entweder auf der ansteigenden Flanke oder der abfallenden Flanke einer Wellenform über- oder unterschritten wird.

Neben den unterschiedlichen Triggerarten existieren auch zahlreiche Triggermodi. Mit dem Triggermodus wird festgelegt, wie sich das Messgerät verhält, wenn kein Trigger auslöst. Wir unterscheiden hier zwischen Auto- und Normalmodus.

Im Automodus triggert das Oszilloskop wiederholt nach einem Zeitintervall, falls die Triggerbedingungen nicht erfüllt sind. Falls ein echter Trigger auslöst, bekommt dieser Vorrang. Dieser Modus ist hilfreich, um die Wellenform zu betrachten, noch bevor der Trigger konfiguriert ist. Die Wellenform am Schirm ist nicht synchronisiert und bei nachfolgenden Wellenformen wird nicht auf denselben Punkt der Wellenform getriggert.

Im Normalmodus erfasst das Messgerät eine normale Wellenform nur dann, wenn ein Trigger auslöst, d. h. wenn alle Triggerbedingungen erfüllt sind. Falls kein Trigger auslöst, wird keine Wellenform erfasst und die zuletzt erfasste Wellenform wird dargestellt. Falls zuvor keine Wellenform aufgezeichnet wurde, wird nichts angezeigt.

Der Flankentrigger löst aus, wenn der Schwellenwert einer definierten Spannung entweder auf der ansteigenden Flanke oder der abfallenden Flanke einer Wellenform über- oder unterschritten wird

Das Anzeigesystem

Bei analogen Oszilloskopen bestand das Anzeigesystem aus nicht viel mehr als einer Kathodenstrahlröhre mit einer leuchtend grünen Messkurve. Für die Analyse oder Messung des Signals musste man häufig die Teilungen am Display zählen.

Moderne digitale Oszilloskope bieten viele Anzeige- und Messfunktionen wie das Vergrößern und Verkleinern eines Signals mit Cursorn oder Markern, um manuelle Messungen durchzuführen. Zudem steht eine große Anzahl an automatisierten Funktionen wie Spitzenwert oder Spitze-Spitze-Spannung, Frequenz, Anstiegs- und Abfallzeiten, Anstiegsrate, Scheitelfaktor und Pulsanzahl zur Verfügung.
Viele dieser Werte lassen sich auch auf statistischer Basis ermitteln (statistische Messungen).

Analoges Oszilloskop

Digitales Oszilloskop

Die grundlegende Bedienung von Oszilloskopen verstehen

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In diesem Video wird die grundlegende Bedienung eines Oszilloskops einschließlich der wichtigsten Systeme und ihrer Konfigurationsparameter erläutert.

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