Die wichtigesten Eckdaten von Oszilloskopen

Ratgeber Oszilloskope

Einführung

Oszilloskope sind neben den Multimetern die mit am häufigsten eingesetzten, elektronischen Messinstrumente. Sie werden verwendet zur visuellen Darstellung einer oder mehrerer zeitlicher Spannungsverläufe in einem zweidimensionalen x-y-Koordinatensystem. Üblicherweise ist bei der Kurven-Darstellung auf dem Oszilloskop-Bildschirm die Zeitachse die horizontale X-Achse (Abszisse). Die Spannungen werden auf der vertikalen Y-Achse (Ordinate) dargestellt. Das entstandene Bild wird Oszillogramm genannt.

Seit etwa 1930 waren für lange Zeit analoge Elektronenstrahl-/Kathodenstrahl-Oszilloskop gebräuchlich. Solche Oszilloskope sind heute kaum noch im Angebot, sie wurden von den ▸DSO (Digitale Speicher-Oszilloskope) verdrängt. Digitale Oszilloskope ermöglichen heute Messungen, die mit analogen Oszilloskopen nicht zu bewerkstelligen sind, was allerdings auch ihre Komplexität erhöht. Eine Vielzahl von Messungen (zum Beispiel die Messung der Pulsparameter) kann mit DSO auf Knopfdruck objektiver und genauer geliefert werden. Auch eine einfache Anbindung an die PC-Welt über Schnittstellen wie Ethernet/LXI, USB und ▸GPIB/IEEE488 ist mit DSO möglich.

Was stellt das Oszilloskop dar?

Der Bildschirmbereich für die Darstellung des Spannungsverlaufes ist durch Rasterlinien unterteilt, den sogenannten Divisions. Der vertikale Raster entspricht der Volt/Division-Einstellung. Der horizontale Raster entspricht der s/Division-Einstellung. Somit kann schon durch einfaches Ablesen eine Aussage über das Signal getroffen werden, zum Beispiel:

Periode (T) = 4 Divisions * 1 µs/Div = 4 µs

und damit Frequenz = 1/T = 250 kHz

V_{Spitze-Spitze} = 6 Divisions * 1 V/Div = 6 V_SS

Mit manuell setzbaren X- und Y-Cursoren sowie einer Vielzahl an automatischen Messfunktionen können mit DSO natürlich darüber hinaus sehr genaue Ergebnisse erzielt werden.

Bauform, Typen

Die Digital- und Schnittstellen-Technik hat neben den klassischen Tischgeräten (engl. "Benchtop") und Handheld-Geräten auch die Bauform der Embedded-Scopes ermöglicht. Der Vorteil der Tischgeräte ist, dass sie abgeschlossene Geräte sind, mit denen man sofort messen und die Messung am Geräte-Display darstellen kann. Dank immer besserer, hochintegrierter ASIC-Chips steigt die Leistung und Genauigkeit dieser Geräte bei oft sinkenden Preisen. Viele Hersteller geben ihren integrierten Technologien (Marken-)Namen wie MegaZoom (▸Keysight), UltraVision (▸Rigol) oder Super-Phosphor (▸Siglent).

Die Embedded-Oszilloskope können reine Leiterplatten sein (z. B. Oszilloskope als PXI-Module) oder aber modulare PC-Scopes. Am weitesten verbreitet sind PC-Oszilloskope mit USB oder Ethernet (Hersteller zum Beispiel ▸Pico Technology oder ▸Cleverscope). Hier übernimmt einen großen Teil der Aufgaben des Oszilloskops die Software im PC oder Laptop. Das Scope-Modul enthält die reine Mess-Hardware. So benötigt der Anwender zwar immer zusätzlich einen PC, erhält jedoch dafür eine sehr flexible Lösung, da er die Messdaten zur weiteren Bearbeitung sofort im PC hat (z. B. Analyse, Versenden per E-Mail, Reaktion auf Messergebnisse). Zudem kann die Software mit vielen Zusatzfunktionen ausgestattet sein und durch Upgrades leicht aktuell gehalten werden. Sie kann die Bedienung allerdings auch komplexer machen, das haptische Element von Knöpfen und Drehreglern fehlt. Besonders geeignet sind diese Geräte, wie es der Name schon andeutet, für Embedded-Anwendungen, in Testständen oder wenn sowieso schon ein Laptop "im Gepäck" ist. Ein Nachteil kann der Flaschenhals der Schnittstelle zum PC sein. Je nach Modell ist eine Versorgung über USB oder mit einem zusätzlichen externen Netzteil möglich.

Mehr zur Unterscheidung Echtzeit-Scope - Sampler-Extended Real-Time Oszilloskop SXRTO - Sampling-Scope siehe ▸Blog-Eintrag SXRTO.

Bedienung

Vor den technischen Daten noch ein kurzer Blick auf die Bedienbarkeit von Oszilloskopen. Eine zentrale Rolle spielt das Display. Achten Sie hier auf Größe, Qualität der Darstellung sowie wenn gewünscht eine Touch-Screen-Funktion, die viele Funktionen vereinfacht (Setzen von Markern, Zoomen) oder erst möglich macht. Bei den Embedded-Oszilloskopen ist die Darstellung abhängig vom Monitor, den Sie an den PC anschließen, bzw. vom Display des Laptops. Beim Tischgerät hingegen ist das Display fest und begleitet Sie somit über die gesamte Lebensdauer des Gerätes. Viele DSO bieten inzwischen (z. B. für Präsentationen im Lehrbetrieb) auch Anschlüsse für zusätzliche, externe Monitor. Auch Highend-Geräte mit Sprachsteuerung sind verfügbar.

Ein zweiter Aspekt bei der Bedienbarkeit ist der Aufbau der Frontplatte eines Tischgerätes. Viele Hersteller von Oszilloskopen haben hier ein durchgängig konsistentes Konzept. Dies erleichtert den Umstieg auf größere Modelle. Beispiel: Hat ein Student im Praktikum mit einem ▸Keysight InfiniiVision X1000 Gerät gearbeitet, wird er sehr einfach mit den größeren Modellen der InfiniiVision bis hinauf zur Serie 6000A arbeiten können, da die Bedienelemente konsistent sind (Bild oben). Grundsätzlicher Tipp: Probieren Sie wenn möglich ein Gerät der Serie aus, zum Beispiel auf Messen, Vorführungen, per Leihgerät etc.

Bei den Embedded-Scopes bestimmt zum größten Teil die Software, wie gut sich ein Gerät bedienen lässt. Tipp auch hier: Ausprobieren. Die meisten Hersteller ermöglichen den Betrieb ihrer Oszilloskop-Software in einem Demo-Modus auch ohne angeschlossene Hardware.

Aufbau

Embedded-Scopes (auch Modular-Oszilloskope, PC-Scopes, im Bild oben links, im Web-Shop ▸hier) bestehen normalerweise aus dem Modul/Hardware (eventuell mit Netzteil) und der Software. Die Hardware stellt alle Anschlüsse zur Verfügung, darunter die Analog-Eingänge (meist BNC, z. B. für Tastköpfe) sowie die Schnittstelle zum PC. Zudem erledigt sie die Aufgabe der eigentlichen "Messtechnik", des Erfassens, der A/D-Wandlung etc. Die Software übernimmt bei diesen Scopes Aufgaben wie grafische Darstellung, Verarbeitung der Daten, Steuerung der Hardware etc.

Tischgeräte (auch Benchtop-Oszilloskope, im Bild oben rechts, im Web-Shop ▸hier) bieten üblicherweise auf der Frontseite das Display, einen Teil der Anschlüsse (vor allem die Analog-Kanäle, evtl. externe Trigger und Tastkopf-Kompensation) und die Bedienelemente. Dazu gehören unter anderem die Steuerung des horizontalen System, des vertikalen Systems, die Trigger-Steuerung sowie Softkeys, die je nach Menü mit unterschiedlichen Funktionen belegt sind. Hinzu kommen bei Mixed-Signal-Oszilloskopen (MSO) die Anschlüsse für die Logik-Kanäle (meist ein Typ von Flachband-Verbinder). Auf der Geräte-Rückseite befinden sich meistens die Anschlüsse der Schnittstellen sowie oft weitere, zusätzliche Anschlüsse und der Anschluss für die Stromversorgung. Viele Geräte bieten auf der Frontseite eine weiterer USB-Schnittstelle, um zum Beispiel für erfasste Daten bequem einen USB-Stick oder zum Drucken einen PictBridge-Printer einsetzen zu können.

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Wichtigste technische Daten von Oszilloskopen:

Kanalzahl/Eingänge

Gängig sind Oszilloskope mit zwei oder vier Analog-Kanälen. Es sind jedoch auch Modelle mit acht Kanälen verfügbar. Mixed-Signal-Modelle (MSO, siehe Zusatzfunktionen) bieten zusätzlich digitale Logik-Kanäle (üblicherweise acht oder sechzehn. Mehr dazu im Blog-Eintrag zu ▸MSO). Das Bild oben zeigt Varianten von Embedded-PC-Oszilloskopen mit 2, 4 oder 8 Kanälen und 4-Kanal mit Mixed-Signal-Funktion. Im Bild rechts ein klassisches 4-Kanal Tisch-Oszilloskop mit Mixed-Signal-Funktion.

Beachten Sie beim Einsatz von Oszilloskopen mit vielen Kanälen auch die naheliegende Tatsache, dass sie einen einzelnen Tastkopf bequem mit einer Hand halten können, während Sie mit der anderen Hand Einstellungen am Gerät vornehmen. Kommen weitere Tastköpfe ins Spiel, sollten Sie je nach Anwendung über ein Halterungssystem nachdenken, mit dem Sie zum Beispiel Messaufbauten mit mehreren Tastköpfen auch über längere Zeiträume einrichten und fixieren können. Ein sehr robustes und zuverlässiges System hierfür ist zum Beispiel der ▸ClampMan.

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Wichtigste technische Daten von Oszilloskopen:

Bandbreite, Bandwith, BW

Frequenzbereich des Oszilloskops. Angegeben wird meistens die obere Grenzfrequenz in Hertz. Die Bandbreite bezeichnet den Abstand zwischen minimaler und maximaler Frequenz eines angelegten Signals, bei der die Signal-Amplitude mit einer festgelegten Dämpfung 3 dB (Verstärkung -3 dB) dargestellt wird. Da der Übertragungsbereich bei Oszilloskopen üblicherweise bei Gleichspannung (0 Hz) beginnt, spricht man häufig nur von der oberen/maximalen Grenzfrequenz. Die Bandbreite bestimmt, welche Signale (in Bezug auf deren Frequenz) mit dem Oszilloskop innerhalb einer bestimmten Genauigkeit gemessen und dargestellt werden können. Um z. B. ein 100 MHz Rechteck-Signal darzustellen, benötigt man eine sehr viel höhere Bandbreite, da ein ideales Rechtecksignal aus einem 100 MHz Sinus und einer unendlichen Anzahl ungerader Oberwellen besteht.

Bei der Geräte-Auswahl dient die Frequenz des zu messenden Signals als Kriterium. Eine einfache Daumenregel ist zum Beispiel:

BW_Oszilloskop ≥ F_Messsignal * 10 mit Samplerate_Oszilloskop ≥ BW * 10.

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Wichtigste technische Daten von Oszilloskopen:

Sample-Rate

Beschreibt die Anzahl der Samples/Abtastungen/Momentanwerte, die ein Oszilloskop pro Sekunde erfassen kann (Samples pro Sekunde, S/s). Sie sollte möglichst mindestens 4 mal größer sein als die Bandbreite. Beim Vergleich der technischen Daten von DSO ist darauf zu achten, wie die Sample-Rate vom Hersteller angegeben wird. Meist wird die maximale Rate genannt, die das Oszilloskop erreichen kann. Diese ist aber oft nur möglich bei Verwendung eines oder zweier Kanäle. Bei Verwendung mehrerer Kanäle simultan kann sich die Rate reduzieren. Die Sample-Rate bestimmt, wie exakt ein Signal anhand der erfassten Samples rekonstruiert werden kann, also wie originalgetreu ein Oszilloskop das Signal darstellen kann (siehe Nyquist-Shannon-Abtasttheorem/WKS-Abtasttheorem, Bild links).

Die meisten DSO sind zum Betrachten schneller Digital-Signale gedacht. Im Fokus steht bei neuen Geräten daher oft die Steigerung der Sampling-Rate und Bandbreit. Für das Messen analoger Signale kann aber die Auflösung, Verbesserung des Dynamik-Bereichs und Verminderung von Rauschen und Verzerrung eine wichtigere Rolle spielen. Die Auflösung des A/D-Wandlers ist bei den meisten Tischgeräten und vielen PC-Embedded-Oszilloskopen 8 bit. Für spezielle Anwendungen bietet ▸PicoTechnology auch PC-Scopes mit einer höheren Auflösung bis 16 bit. Mit der FlexRes-Technik hat Pico zudem eine Methode in einige Scope-Serien integriert, die nach Bedarf innerhalb eines Gerätes eine flexible Wahl der Auflösung zwischen 8, 12, 14, 15 und 16 bit erlaubt. Das Bild oben rechts zeigt in der einen Hälfte einen Signal-Ausschnitt mit 8 bit (links) und 16 bit (rechts) Auflösung.

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Wichtigste technische Daten von Oszilloskopen:

Speichertiefe

Die vom A/D-Wandler (Analog-zu-Digital) digitalisierten Daten müssen im Highspeed-Speicher des Oszilloskops abgelegt werden. Die Speichertiefe beschreibt das längste erfassbare Signal bei maximaler Sample-Rate. Speicher ist aus Kostengründen immer begrenzt, die Speichertiefe spielt jedoch eine wichtige Rolle für die Sample-Rate:

Speichertiefe = (Sample-Rate) * (Display-Zeit)

d. h. die Sample-Rate sinkt, wenn der Zeitbereich erhöht wird. Je größer also die Speichertiefe, umso länger können Sie bei voller Sample-Rate erfassen. Allerdings sinkt bei großen Speichertiefen oft die Update-Rate, so dass hier ja nach Anwendung abgewogen werden muss.

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Wichtigste technische Daten von Oszilloskopen:

Update-Rate/Signal-Aktualisierungsrate

Die Update-Rate beschreibt die Geschwindigkeit mit der ein Oszilloskop Daten erfassen und die Anzeige am Display mit diesen Daten aktualisieren kann. Für das menschliche Auge erscheint diese Geschwindigkeit zwar wie Echtzeit, tatsächlich gibt es technisch jedoch eine Totzeit zwischen den Erfassungen. Signal-Teile in der Totzeit werden vom Oszilloskop nicht dargestellt. Somit können selten auftretende, sehr kurze Ereignisse und Glitches verloren gehen. Schnellere Update-Raten bedeuten kürzere Totzeiten und damit mehr Wahrscheinlichkeit, solche Ereignisse zu erfassen. Beispiel: Signal mit einem Glitch alle 50.000 Perioden. Mit einer Update-Rate von 100.000 Waveforms/s erfassen Sie den Glitch durchschnittlich zwei Mal pro Sekunde. Mit einer Update-Rate von nur 800 Wfm/s würden Sie im Durchschnitt eine Minute benötigen.

PC USB-Geräte unterstützen keine Live-Datenübertragung. Stattdessen schreiben sie die erfassten Daten in einen internen Puffer und übertragen sie an den PC. Da die Aktualisierungsrate bei einem USB-Scope langsamer ist, können Glitches innerhalb des Systems möglicherweise übersehen oder nicht erfasst werden.

Ausstattung mit Schnittstellen - "Connectivity" und Software

Bei den Embedded-Geräten essenziell: Die Schnittstelle (USB, Ethernet, PXI, PCI etc.), denn sie ist hier wesentlicher Bestandteil des Scopes. Sie stellt die Verbindung zur Software/PC her, ohne sie geht es nicht.

Bei den Stand-alone-Tischgeräten wären Schnittstellen im Prinzip nicht erforderlich. Aber ohne eine Anbindung an den PC oder Netzwerke geht es heute natürlich nicht. Tischgeräte bieten daher meistens USB, oft auch Ethernet/LXI, GPIB/IEEE488 oder Wifi zur Kommunikation mit dem PC. Schnittstellen werden eingesetzt zum:

• Fernsteuern/automatische Programmsteuerung des Oszilloskops, zum Beispiel in Testständen.
• Übertragen der erfassten Messwerte zur weiteren Auswertung an einen PC.
• Direkte Ausdrucke von Oszillogrammen/Messungen (Oszilloskope mit USB PictBridge-Funktion).
• Übertragen der erfassten Daten zur Ausgabe mit einem Signal-Generator, zum Beispiel zur Simulation.

Eng mit der Frage nach den Schnittstellen verknüpft ist die zugehörige Software. Welche Softwareunterstützung ist für das Oszilloskop verfügbar? Bei Benchtop-Modellen ist diese Frage zwar nicht "lebensnotwendig", da Sie mit den Geräten direkt messen, darstellen und zum Teil auch auswerten können. Sobald Sie jedoch die Daten per Schnittstelle an einen PC übertragen oder aber das Gerät über die Schnittstelle manuell oder automatisch per Programm fernsteuern möchten, kann die Software zu einem essenziellen Thema werden. Gibt es Treiber für Hochsprachen und Programmiersysteme wie LabVIEW? Wie einfach ist die Einbindung? Wird bereits eine "fertige" Software mitgeliefert? Absolute Priorität hat die Frage nach der Software natürlich bei den modularen PC-Oszilloskopen, da sie hier ein zentraler Bestandteil des Oszilloskops ist.

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Wichtigste technische Daten von Oszilloskopen:

Trigger

Die Triggerung bei einem Oszilloskop kann man sich vorstellen wie ein synchronisiertes Erfassen von Bildern. Das "Bild" eines Signals besteht aus vielen aufeinanderfolgenden Samples, also erfassten und digitalisierten Momentan-Werten. Dieser ganze Vorgang wird synchronisiert auf einen bestimmten, sich wiederholenden Punkt im Signal. Ziel ist ein "stehendes" Bild. Üblicherweise basiert die Triggerung bei Oszilloskopen auf einer Synchronisation der Erfassung auf eine steigende oder fallende Flanke des Signals bei einem festgelegten Spannungspegel. Mit erweiterten Trigger-Optionen ist die Triggerung auf komplexere Signale möglich. Übliche Trigger-Arten sind zum Beispiel Auto, Single-Shot, Flanke, (Fenster-)Impulsbreite, (Fenster-)Aussetzer, Intervall, Logik, Runt-Impuls sowie bei den MSO/Mixed-Signal-Modellen Trigger auf Bitmuster etc. Hinzu kommen bei vielen Geräten optional oder serienmäßig Tigger, Decoding und Analyse serieller Busse wie CAN, FlexRay, I²C, I²S, LIN, SPI, UART (RS232/RS422/RS485) und andere.

Zusätzliche Funktionen

Durch die hochintegrierten Chips heutiger DSO können diese Geräte oft eine Vielzahl von Zusatzfunktionen bieten, die bei ihren analogen Vorgängern gar nicht oder nur sehr aufwändig realisierbar waren. Digital-Speicher-Oszilloskope werden dadurch multifunktional, zum Beispiel:

• Logik-Analyse (MSO/Mixed-Signal-Modelle): Ein MSO verbindet die Funktionen eines herkömmlichen 2- oder 4-Kanal Oszilloskops mit den Basisfunktionen eines 8- oder 16-Kanal Logik-Analysators. So können analoge und digitale Kanäle in exakter zeitlicher Relation untersucht werden. Üblich sind Geräte mit 8 oder 16 digitalen Logik-Kanälen. Die Analog-Kanäle von MSOs sind wie bei "herkömmlichen" Oszilloskopen mit BNC-Buchsen z. B, für Tastköpfe realisiert. Die Digital-/Logik-Kanäle sind wie bei Logik-Analysatoren meist mit Flachbandkabeln und Anschlüssen für Logik-Clips ausgeführt. Mehr dazu im Blog-Eintrag zu ▸MSO.
• Signal-Generator: 1 oder 2 Ausgänge für Standard-Signale/Funktions-Generator (Sinus, Rechteck, Dreieck etc.) und/oder Arbiträr-Signale.
• Bode-Plot-Funktion für Darstellung des Frequenzgangs im Bode-Diagramm.
• Integriertes Digital-Voltmeter.
• Leistungsmessung.
• Integrierter Frequenz-Zähler.
• Integrierter Spektrum-Analysator mit FFT.
• Komfort-Messfunktionen wie Signal-Mathematik, Automatische Messungen, Masken-/Grenzwert-Test, Jitter-Analyse, Augendiagramm etc.
• Serielle Protokoll-Analyse/Bus-Decoding für Busse wie CAN, FlexRay, I²C, I²S, LIN, SPI, UART (RS232/RS422/RS485).
• Integrierte Trainings-Signale für Ausbildungs-Zwecke (oder als Zubehör verfügbare Demo-Boards, die solche Signale zur Verfügung stellen).

Zubehör

Auch das verfügbare Zubehör für ein Oszilloskop sollten Sie bei der Auswahl beachten. Die wichtigste Ergänzung zum DSO sind Tastköpfe/Probes (▸Ratgeber Tastköpfen). Ein Satz (d. h. 2 oder 4 je nach Kanalzahl) Standard-Tastköpfe werden heute von den meisten Herstellern mitgeliefert. Für spezielle Anwendungen können jedoch spezielle Tastköpfe erforderlich sein, zum Beispiel differenzielle Tastköpfe, Strom-Tastköpfe, Hochspannungs-Tastköpfe. Manche Scopes verfügen an den BCN-Eingangsbuchsen über zusätzliche Anschlüsse für eine Tastkopf-Erkennung. Über Kontaktstifte sind entsprechende Tastkopf-Modelle in der Lage, dem Oszilloskop mitzuteilen, welche Teilung angeschlossen ist. Wenn Sie diese Funktion nutzen möchten, achten Sie darauf, dass Oszilloskop und verwendete Tastköpfe vom gleichen Hersteller stammen bzw. kompatibel sind. Auch für die Logik-Kanäle von MSO können unterschiedliche Clip-Ausführungen sinnvoll sein. Sofern Ihr Scope nicht immer am gleichen Platz auf dem Labortisch steht, kann eine Transporttasche praktisch sein. Für den Einbau in einen 19"-Schrank hingegen verwenden Sie einen passenden Einbau-Satz (Rack-Mount-Kit).

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