Ratgeber: Oszilloskope - Präzise Analyse von elektrischen Signalen in Echtzeit

In der Elektronik gibt es viele Signale, die mit einem Multimeter nicht dargestellt werden können

Hier kommt das Oszilloskop zum Zuge, welches elektrische Vorgänge über der Zeit sichtbar macht. Oszilloskope sind daher unverzichtbare Werkzeuge bei der Entwicklung, Herstellung und Reparatur elektronischer Geräte. Früher benutzte man dafür analoge Oszilloskope mit geheimnisvoll leuchtender Kathodenstrahlröhre mit variabler Ablenkfrequenz, diese sperrigen Geräte werden heute kaum noch benutzt. Mittlerweile haben sich digitale Speicheroszilloskope (abgekürzt DSO, von „Digital Storage Oscilloscope“ abgeleitet) durchgesetzt.

Prinzip

Wie schon erwähnt stellen Oszilloskope elektrische Signale in Abhängigkeit von der Zeit dar und vermitteln so viele Informationen über ein Signal, z. B.:

• Zeit- und Spannungswerte (z. B. Spitzenspannung, Effektivwert)
• Anstiegs- und Abfallzeiten
• Frequenz und Periodendauer
• Ob Signal durch eine fehlerhafte Schaltungskomponente verzerrt wird
• Gleich- und Wechselspannungsanteile
• Rauschen
• Tastverhältnis

Über einen Analog-Digital-Wandler (ADC) wird der Eingangspegel in digitale Werte umgewandelt, die dann nacheinander in einem Pufferspeicher abgelegt werden. Ein eingebauter Prozessor stellt diese Werte als Kurvenschrieb auf dem Display dar. Das Signal muss dabei nicht dauernd am Oszilloskopeingang anliegen, es kann auch noch dargestellt werden, wenn das Signal verschwunden ist. Mittels der Speicherung lassen sich Momentaufnahmen eines Signals machen, damit können Sie einmalige (transiente) Ereignisse (Spikes, Datenübertragungen) darstellen, was besonders bei digitalen Schaltungen sehr nützlich ist.
Während mit Analog-Oszilloskopen hauptsächlich periodische, zeitlich wiederkehrende Signalverläufe darstellbar waren, lassen sich mit Digitaloszilloskopen auch aperiodische Signale, z. B. auf Datenübertragungsleitungen, sichtbar machen.

Einige Oszilloskope bieten die Möglichkeit, über eine sogenannte FFT (Fast Fourier Transformationen) das Frequenzspektrum eines Signals anzuzeigen, wieder andere verfügen über Werkzeuge zur Busanalyse bzw. Dekodierung (z. B. I2C, SPI, RS-232). Ein Oszilloskop, das beide Features hat, finden Sie hier.

Unsere Auswahl an Oszilloskopen:

Merkmale

Beim Einsatz eines Oszilloskops sollte man auf folgende Merkmale achten:

• Anzahl der Eingangskanäle
• Bandbreite
• maximale Abtastrate
• Speichertiefe
• Auflösung des AD-Wandlers
• Signalerfassungsrate
• Triggerung

Anzahl der Eingangskanäle

Sie haben die Wahl – 2 oder 4 Kanal. Wenn Sie besonders viele Signale gleichzeitig betrachten möchten (z. B. bei einer 3-phasigen H-Brücke zur Ansteuerung eines BLDC-Motors oder beim Debuggen eines SPI-Busses), ist ein 4-kanaliges Oszilloskop die beste Wahl.

Bandbreite

Die Bandbreite gibt darüber Auskunft, welche maximale Signalfrequenz das Oszilloskop noch verarbeiten kann. Sie wird als die Frequenz definiert, bei der ein Sinus-Signal auf 70,7% der tatsächlichen Amplitude gedämpft wird – dieser Wert wird auch als „-3dB“-Punkt bezeichnet.

Beachten Sie, dass ohne eine ausreichende Bandbreite das Oszilloskop nicht mehr in der Lage ist, hochfrequente Signale hinreichend genau darzustellen (z. B. sind Signal-Flanken dann kaum sichtbar). Als grobe Faustregel gilt:

Bandbreite ≥ 5 x höchster Frequenzanteil des Signals

Von der Bandbreite führt ein direkter Weg zur Anstiegszeit, die beim Messen von Digitalsignalen von Bedeutung ist. Die Anstiegszeit gibt an, wie lange ein Signal für den Übergang von 10%-90% der Amplitude benötigt. Sie kann direkt aus der Bandbreite berechnet werden:

Sie legen Wert auf eine hohe Bandbreite (und damit kleiner Anstiegszeit) – hier unser Vorschlag: 200 MHz

Maximale Abtastrate

Diese wird als Samples/s angegeben und gibt an, wie viele Abtastungen eines Signals ein Oszilloskop in der Sekunde durchführen kann. Man kann sagen: Je schneller ein Oszilloskop abtastet, desto höher ist die Auflösung und desto mehr Signaldetails lassen sich darstellen. Faustregel: Ein Signal muss mindestens doppelt so schnell abgetastet werden wie seine höchste Frequenzkomponente. 

Speichertiefe

Das ist die Anzahl der Speicherplätze für die direkte Abtastung und wird in Mpts angegeben. Die dabei entstehende Datenmenge setzt sich zusammen aus Abtastrate und dargestelltem Zeitabschnitt. Ist dabei die Datenmenge größer als der Speicher, dann wird die Abtastrate reduziert. Achten Sie also bei der Auswahl auf eine möglichst große Speichertiefe.

Auflösung des AD-Wandlers

Diese gibt die Genauigkeit an, mit der die Eingangsspannung in Digitalwerte umgewandelt wird. Sie wird in Bit angegeben. Eine Auflösung von 8 Bit ist ein gängiger Wert und für die Signaldarstellung vollkommen ausreichend. Unsere Oszilloskope haben durchweg eine Auflösung von 8 Bit.

Signalerfassungsrate

Diese gibt an, wie oft das komplett dargestellte Signal pro Sekunde erfasst wird – die Signalerfassungsrate ist also die Geschwindigkeit, mit der ein Oszilloskop Signale erfasst. Ihre Angabe erfolgt in wfms/s (Waveforms per Second). Eine hohe Signalerfassungsrate ermöglicht eine bessere Signalanalyse und das Aufspüren von Signalanomalien wie z. B. Glitches und Jitter. Empfohlen wird eine Signalerfassungsrate oberhalb 50000 wfms/s, wie z. B. diese Modelle.

Triggerung

Damit das Signalbild ruhig auf dem Bildschirm dargestellt werden kann, ist eine Triggerung nötig – dadurch lassen sich repetitive oder Einzelschuss-Signale erfassen. Die Triggerfunktion synchronisiert dabei die horizontale Ablenkung am richtigen Signalpunkt. Das Oszilloskop sollte über folgende Triggerbedingungen verfügen:

• Edge
• Runt
• Window
• Slew Rate

Das komplette Labor in einer Hand – unsere Handheld-Oszilloskope

Für den mobilen Einsatz (z. B. im Service und in der Wartung) bzw. wo wenig Platz zur Verfügung steht, empfiehlt sich ein Handheld-Oszilloskop. Es vereinigt die Funktionalität eines stationären Oszilloskops und eines Multimeters in einem kompakten Gerät. Einige dieser Handhelds verfügen sogar über einen eingebauten Funktionsgenerator – damit haben Sie tatsächlich ein komplettes Labor in der Tasche.

Noch ein Wort zu Tastköpfen

Um die Mess-Signale zu erfassen, sind Tastköpfe nötig, die an den Oszilloskop-Eingang angeschlossen und mit dem Messobjekt verbunden werden. Diese müssen möglichst hochohmig aufgebaut sein, damit sie möglichst wenig Energie aus dem Messobjekt entnehmen. Grundsätzlich sind die Tastköpfe (meistens mit 10:1-Abschwächer) im Oszilloskop-Lieferumfang enthalten.

Ach ja…ein Tipp zum Schluss: Vergessen Sie bitte nicht, diese Tastköpfe zu kalibrieren! Dazu müssen Sie sie mittels eines (dem Tastkopf beiliegenden) Fanghakens mit dem Ausgang eines im Oszilloskop eingebauten Rechteckgenerators verbinden und solange am Tastkopf-Trimmer drehen, bis das Rechteck-Signal sauber ohne Dachschrägen auf dem Bildschirm erscheint.