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Oszilloskop

Das Video zu Oszilloskopen


Variable Signale

Variable Spannungsmessung mittels Multimeter
Abbildung 1:
In dem vorhergehenden Kapitel haben wir gesehen, wie konstante Spannungen und Ströme mit Hilfe digitaler Multimeter gemessen werden können. Mit Hilfe dieser Messmethode können wir lediglich ein paar Werte in einer Minute aufnehmen. Ein variable Spannung kann untersucht werden, indem Messungen zu festen Zeitpunkten vorgenommen werden. Diese Vorgehensweise ist aber nur dann sinnvoll, wenn sich die Spannung pro Zeiteinheit nur sehr langsam ändert. Wie kann die Anzahl der Messungen pro Minute erhöht werden? Nun, der limitierende Faktor ist die Zeitspanne, die wir benötigen, um den von dem Multimeter angezeigten Messwert ablesen zu können. Dieses Problem kann damit umgangen werden, dass die Messwerte direkt als X/Y-Kurve anstelle digitaler Zahlenwerte angezeigt werden. Die Y-Achse eines derartigen zweidimensionalen Graphen repräsentiert dabei die Eingangsspannung, die als Funktion der Zeit über der X-Achse aufgetragen wird. Messinstrumente mit derartigen Anzeigen bezeichnet man als Oszilloskop.
Oszilloskope werden eingesetzt, um sich zeitlich ändernde Signale als Spannungswert an der Y-Achse aufzuzeichnen. Sollen andere Messgrößen erfasst werden, so müssen diese in einen Spannungswert umgewandelt werden. Strom wird mit Hilfe eines Shuntwiderstands in Spannung umgesetzt und Temperaturwerte mittels eines Thermoelements.
Sich zeitlich ändernde Signale können einmalig oder als periodisch wiederkehrende Ereignisse auftreten. Ein Beispiel für ein sich schnell änderndes, einmaliges Ereignis ist ein einzelnes Klatschen mit den Händen. Dieses Geräusch kann mit Hilfe eines Mikrophons in ein Spannungssignal umgewandelt werden. Ein sich langsam änderndes, einmaliges Ereignis ist das Temperaturprofil eines Tages.

Zeitbasierte Anzeige

Ladekurve Kondensator
Abbildung 2:
Hier ist der Ladevorgang eines 22μF Kondensators über einen 12 kΩ Widerstand an einer 12V Gleichspannung zu sehen. Die horizontale Achse repräsentiert die Zeit und der zugehörige Spannungswert wird auf der vertikalen Achse aufgetragen. Es ergibt sich die typische Ladekurve eines Kondensators mit einer großen Steigung zu Beginn (links) und flacher werdendem Verlauf zu Ende des Messvorgangs (rechts).

Divisions
Abbildung 3:
Der Bildschirm eines Oszilloskops ist mit einem Gitternetz aus gepunkteten Linien versehen. Die Grundeinheiten dieses Gitternetzes bilden die Kanten eines einzelnen Rechtecks, die als Teiler, Divisor oder englisch Division bezeichnet werden. Eine Kante ist zur genaueren Ablesbarkeit durch jeweils 5 Punkte unterteilt, womit ein Punkt 0,2 Divisions entspricht. Der Wert einer Division kann in dem entsprechenden Anzeigefeld abgelesen und auch eingestellt werden.
Die Einstellung der horizontalen Achse bezeichnet man auch als Zeitbasis oder im Englischen als Sweep.


Zeitbasis
Abbildung 4:
Das Eingangssignal wird mit unterschiedlichen Zeitbasen angezeigt (mit Hilfe der Bildbearbeitung GIMP in einem Bild):
Die grüne Kurve ist mit einer Zeitbasis von 400μs/Div aufgezeichnet, die gelbe Kurve mit 1 ms/Div. Eine Periode entspricht 5,8 Rastern für die grüne und 2,9 für die gelbe Kurve. Wir erhalten die gleiche Zeitspanne für eine Periode bei beiden Kurven: 5,8 * 0,4ms = 2,3ms = 2,3 * 1ms.

Vertikale Einstellung
Abbildung 5:
Auch wenn die Spitzen der gelben Kurve außerhalb der Anzeige liegen, kann dennoch die Zeitspanne einer Periode abgelesen werden. Wegen der größeren Flankensteilheit oder Anstiegsrate (engl. slew rate) ist das Ablesen der Periodendauer sogar präziser möglich. Somit kann es ratsam sein, die vertikale Einstellung so zu wählen, dass der angezeigte Spannungswert außerhalb des Anzeigebereichs ist, um den horizontalen Wert mit einer höheren Präzision ablesen zu können.

Messabweichung

Messabweichung
Abbildung 6:
Die Messabweichung des im Video verwendeten DSO2090 ist mit Plus Minus 3% vom Vollausschlag angegeben. Zur Errechnung des Messfehlers muss also die jeweilige Einstellung der Achsen beachtet werden. Der Maximalwert für die vertikale Achse beträgt 8 Divisions. In der hier zu sehenden Einstellung von 1V pro Division ist der Maximalwert 8V und es ist mit einer Abweichung von 1V * 8 Divisions * 0.03 = 0.24V zu rechnen. Bei einem abgelesenen Wert von 6.30 Divisions liegt der tatsächliche Wert im Bereich von 6.06V und 6.54V.

Falsche vertikale Einstellung
Abbildung 7:
Wird die gleiche Messung in der Einstellung 5V pro Division durchgeführt, so steigt der Maximalwert auf 40V und der Messfehler auf 5V * 8 * 0.03 = 1.2V. Bei einem abgelesenen Wert von 1.3 Divisions liegt der tatsächliche Wert im Bereich zwischen 5.3V und 7.7V. Genau wie bei digitalen Multimetern, sollte auch bei Oszilloskopen der kleinstmögliche Anzeigebereich eingestellt werden, um einen Messwert zu erfassen.

Trigger

Nicht getriggertes Signal
Abbildung 8:
Wo sollte die Messung eines periodischen Signals starten? Nun, prinzipiell an jedem beliebigen Punkt, so lange man nur eine einzige Messung durchführen möchte. Soll die Messung jedoch in kleinen Zeitabständen wiederholt werden, um Änderungen im Kurvenverlauf beobachten zu können, erhält man somit eine Sinuskurve, die ständig horizontal auf dem Display hin und her springt.


Triggerung bei steigender / fallender Spannung
Abbildung 9:
Der Start einer Messung mit einem Oszilloskop wird durch ein trigger Signal ausgelöst (trigger = Auslöser, Abzug). Die Aufnahme einer Kurve kann periodisch getriggert werden oder durch ein bestimmtes Eingangssignal. Eine periodische Triggerung führt zu einer umherspringenden Kurve wie in der oberen Abbildung, sobald die Periodendauer keinem ganzzahligen Vielfachen der Triggerperiode entspricht. Um eine feststehende Sinuskurve anzeigen zu können, muss die Messung an einem bestimmten Punkt der Kurve beginnen. Das kann der Schnittpunkt der Kurve mit der X-Achse (=0 Volt) sein, während die Spannung ansteigt. Wenn dieses Ereignis die Aufnahme auslöst, erhalten wir die rote Kurve. Die grüne Kurve erhält man, wenn die Aufnahme beim Erreichen von 0V bei sinkender Spannung gestartet wird. Mit Hilfe des Schalters slope (engl. für Anstieg) wird gewählt, ob die Aufnahme bei steigendem (rot) oder sinkendem (grün) Eingangssignal bei Erreichen des Triggerpegels ausgelöst (getriggert) werden soll.


Triggerung Rechtecksignal
Abbildung 10:
Bei dieser Darstellung einer Rechteckspannung ist der Triggerpegel auf 1.5V (1V/Div) bei fallender Spannung gesetzt. Das Eingangssignal springt periodisch zwischen den Werten 0V und 2V, wobei bereits kleinste Abweichungen im 0V-Level die Aufnahme starten würden, wenn wir einen Triggerpegel von 0V wählen. Damit springt die angezeigte Kurve wie die Sinuskurve weiter oben, ständig hin und her.
Verwenden wir ein Speicheroszilloskop oder ein Digitales Speicheroszilloskop (DSO), so kann die Kurve auch in Rückwärtsrichtung zu dem Trigger-Ereignis, dem Startpunkt der Messung, angezeigt werden. In diesem Bild ist der Startpunkt auf dem Bildschirm nach rechts verschoben (gelber, vertikaler Pfeil), womit wir das Signal circa 1.2 Millisekunden (200μs/Div) vor dem Triggerpunkt beobachten können.
Triggerung einzelnes Ereignis
Abbildung 11:
Bei der Aufnahme dieser Kurve, war der Trigger auf "einzelnes Ereignis" gesetzt. Das Oszilloskop startet die Aufnahme, sobald das Eingangssignal auf unter 500mV fällt, nach dem dieses zuvor auf mindestens diesen Pegel gestiegen ist (500mV/Div, fallende Spannung) und die Aufnahme stoppt, sobald die Kurve den rechten Rand der Anzeige erreicht hat (nach 34ms, 4ms/Div). 40ms dieses Ereignisses wurden aufgezeichnet. Ihr könnt hier das mit einem Mikrophon aufgezeichnete Geräusch des Klatschens mit meinen Händen sehen.
Um eine weitere Aufnahme zu starten, muss das Oszilloskop manuell erneut in den Aufnahmemodus versetzt werden.

Innenwiderstand

Innenwiderstand Oszilloskop
Abbildung 12:
Wie im Kapitel zu digitalen Multimetern bemerkt, ist der Innenwiderstand bei Messungen mit einem Oszilloskop zu beachten. Dieser beträgt bei dem hier zu sehenden Oszilloskop 1MΩ. In dem Oszillogramm wird der Spannungsabfall an einer Widerstandskette bestehend aus drei 220kΩ Widerständen an der von dem Oszilloskop bereitgestellten Rechteckspannung mit einer Spitze-Spitze Spannung von 2V und einer Frequenz von 1kHz gemessen. Der Messwert der Spitze-Spitze Spannung beträgt 5.9 Divisions, was bei einer Einstellung von 100mV/Div genau 590mV entspricht. Zu erwarten wäre eine Spitze-Spitze-Spannung von einem Drittel der Versorgungsspannung, also 2.00V / 3 = 0.667V. Der tatsächlich gemessene Wert liegt jedoch bei nur 5.65 Divisions, was einem Wert von 0.565V entspricht. Unter Einbeziehung der Messabweichung von 3% in der Einstellung von 100 mV pro Division sollte der Messwert im Bereich zwischen 0.643 und 0.691 Volt liegen. Selbst unter Einbeziehung der Fertigungstoleranzen der Widerstände von 5% sollte der Messwert zwischen 0.62 und 0.71V liegen.

Ersatzschaltbild Innenwiderstand
Abbildung 13:
Ursache für den kleineren Messwert ist die Verschiebung des Widerstandsverhältnisses in der Widerstandskette. Durch Anschließen der Prüfspitze wird ein weiterer 1MΩ Widerstand parallel zu dem Prüfwiderstand geschaltet. Der Gesamtwiderstand dieser Parallelschaltung beträgt nach Formel [3.12]:
1 / (1 / 220kΩ + 1 / 1000kΩ) = 180kΩ
Somit beträgt der Spannungsabfall an diesem Widerstand tatsächlich nur noch:
2V * 180kΩ / (180kΩ + 220kΩ + 220kΩ) = 0.581V
Unter Einbeziehung der Messabweichung sollte der Messwert im Bereich zwischen 0.557 und 0.605V liegen, was für die gemessenen 0.565V zutrifft.

Halber Innenwiderstand
Abbildung 14:
Wird auch der zweite Messkanal parallel zu dem Widerstand angeschlossen, sinkt die Spannung auf nur noch 0.51V.

Kapazität

Einfluss schädlicher Kapazität
Abbildung 15:
Bei Messungen mit einem Oszilloskop muss neben dem Innenwiderstand auch die unerwünschte Kapazität der Messleitungen und Schaltkreise berücksichtigt werden. Das Koaxialkabel der Prüfspitze entspricht nämlich einem langgezogenen Kondensator. Dadurch wird das Rechtecksignal am oberen Ende der aufsteigenden Flanke beziehungsweise am unteren Ende der absteigenden Flanke abgerundet. Das Bild zeigt diese Rundung an der oberen Flanke an Messkanal Nummer 1 (grüne Kurve). Sobald Kanal Nummer 2 ebenfalls an die Signalquelle angeschlossen wird (gelbe Kurve), wird diese Kante stärker abgerundet.

Teilertastkopf

Teilertastkopf
Abbildung 16:
Wie jedes Messgerät, sind auch Oszilloskope nur für einen festgelegten Messbereich ausgelegt. Liegt die zu messende Spannung über der maximal zulässigen Eingangsspannung, kommen sogenannte Teilertastköpfe zum Einsatz. Diese besitzen eingebaute Widerstände, mit deren Hilfe ein Spannungsteiler aufgebaut ist. Somit wird nicht die volle an der Tastspitze anliegende Messspannung an den Eingang des Oszilloskops weitergeleitet, sondern nur ein fest definierter Bruchteil davon. Bei dem hier zu sehenden Tastkopf wird nur noch ein Zehntel der Spannung weitergeleitet. Der Innenwiderstand der Messvorrichtung wird jetzt von den in dem Tastkopf verbauten Widerständen bestimmt. Die Kapazität der Messanordnung ändert sich ebenfalls. Die jeweiligen Daten sind dem Datenblatt zu entnehmen. Bei dem hier abgebildeten Tastkopf beträgt der Innenwiderstand in der Schalterstellung "10" 10MΩ und in der Stellung "1" ist dieser nur von dem Innenwiderstand des verwendeten Oszilloskops abhängig. Die Kapazität beträgt in Stellung "1" 47pF und in Stellung "10" nur 15,5pF.

Auflösung

Maximale Auflösung
Abbildung 17:
Die Auflösung des hier verwendeten Oszilloskops beträgt 8 Bit. Das bedeutet, dass in dem jeweils gewählten Anzeigebereich 256 Spannungswerte dargestellt werden können. Betrachten wir als nächste Messung die von einem regelbaren Transformator heruntergeregelte Haushalts-Netzspannung und wählen von der zu sehenden Sinusspannung einen nahezu linearen Bereich aus. Die Linie wird in Form kleiner Treppenstufen dargestellt. In dem gewählten Spannungsbereich von 5 Volt pro Division entsprechen 35 Volt dem Höchstwert des Analog-Digital-Konverters von 255. Eine einzelne Treppenstufe entspricht dem Maximalwert geteilt durch 256, also 0.14 Volt. Für eine höhere Auflösung der Linie wird ein Analog-Digital-Wandler mit einer höheren Bitbreite benötigt. Ein 10-Bit Wandler kann zum Beispiel 1024 Abstufungen darstellen, womit eine Treppenstufe in dieser Einstellung nur 0.04 Volt entsprechen würde.

Sampling rate

Maximale Samplingrate
Abbildung 18:
Eine weitere Auflösungsgrenze ist die Anzahl an möglichen Messungen pro Sekunde oder umgekehrt die Zeitdauer, die für einen einzelnen Messpunkt benötigt wird. In der Abbildung ist die Aufnahme eines Rechteckimpulses von 260 Nanosekunden Dauer mit einer Zeitbasis von 40ns/Div zu sehen. Es sind deutliche Zacken in der Messkurve zu erkennen. Die Ursache hierfür liegt darin, dass wir uns im Grenzbereich für die zeitliche Auflösung des Oszilloskops befinden. Für die Aufnahme eines einzelnen Messpunkts benötigt der Analog-Digital-Wandler eine Zeitspanne von 10 Nanosekunden. Es findet also nur alle 10 Nanosekunden eine Messung statt, was in dieser Auflösung mehr als 0.2 Divisions entspricht und somit deutlich zu erkennen ist. Wir befinden uns softwaretechnisch unterhalb der physikalischen Möglichkeiten des verwendeten Oszilloskops, womit eine Zeitbasis unterhalb von 100ns pro Division keinen Sinn macht. 10 Nanosekunden pro Messwert bedeutet im Umkehrschluss, dass 100 Millionen Messungen in der Sekunde durchgeführt werden. Man spricht von einer Abtastrate von 100 Megasamples pro Sekunde (100MS/s).

Störspannungen

Rauschen
Abbildung 19:
Bei Messung einer Gleichspannung sollte auf dem Display des Oszilloskops eine gerade, waagerechte Linie zu sehen sein. In der Abbildung ist die Aufnahme der 5V-Versorgungsspannung eines USB-Ports zu sehen. Der Gleichspannungsanteil wird durch die Einstellung AC herausgefiltert und es wird lediglich der störende Wechselspannungsanteil angezeigt. Die vertikale Einstellung beträgt 10mV/Div.
Sogar wenn der Tastkopf kurzgeschlossen ist, indem die Masseklemme direkt mit der Prüfspitze verbunden wird, erscheint keine flache Linie auf dem Bildschirm. Eine Fehlerquelle liegt in der elektromagnetischen Strahlung, die von fast allen elektronischen Geräten ausgeht. Eine weitere Fehlerquelle ist die Spannungsversorgung des Oszilloskops. Wie in dem Oszillogramm zu sehen, ist die Gleichspannung der USB-Schnittstelle nicht perfekt. Je stärker die Eingangsspannung durch Filterung geglättet wird, desto geringer wird der Einfluss dieser Störungen.
Diese zufälligen Spannungsschwankungen des angezeigten Signals, die auch durch die Schaltkreise im Innern des Oszilloskops verursacht werden und daher niemals vollständig unterbunden werden können, bezeichnet man als Rauschen.


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