Oszilloskop

Das Oszilloskop dient zur grafischen Darstellung des Spannungsverlaufes innerhalb eines einstellbaren Zeitbereiches.

Analoge Oszilloskope

Analoges Oszilloskop

Bei analogen Oszilloskopen wird das darzustellende Signal nach der Verstärkung direkt zur Ablenkung eines Elektronenstrahls verwendet.

Brauchbare analoge Oszilloskope findet man oft schon für ca. 50 Euro bei Online-Auktionen und Kleinanzeigenmärkten. Für 200-400 Euro bekommt man dort recht gute Profigeräte mit 60-200 MHz Bandbreite. Brauchbare Neugeräte fangen bei 600 Euro an. Der Oszilloskopmarkt wird von einigen wenigen Marken dominiert. Im höherpreisigen Segment sind es vor allem HP (Agilent) und Tektronix. Hameg ist vor allem im niedrigpreisigen Segment (500-1500 Euro) weit verbreitet. Man findet sie oft in Schule und Ausbildung.

Ganz einfache Geräte verfügen nur über einen Kanal. Damit ist es nicht möglich, zwei Signale in zeitliche Beziehung zu setzen. Dies ist jedoch oft wichtig. Deshalb verfügen heutzutage auch einfache Geräte meist über 2 Kanäle.

Die Bandbreite gibt Auskunft, welche Signal-Frequenzen das Oszilloskop noch verarbeiten kann. Bei angegebener Bandbreite fällt die Verstärkung des Oszilloskops um 3dB ab, ein Sinussignal wir dann nur noch mit ca. 70% der wahren Amplitude angezeigt. Um Signalverläufe noch vernünftig interpretieren zu können, kann man grob sagen, dass man Signale bis 1/10 der Bandbreite dargestellt bekommt. Ein Rechtecksignal nahe der Bandbreite würde z.B. nur noch als Sinus dargestellt werden.

Oszilloskope unterscheiden sich oft stark in den Triggerungsmöglichkeiten. Bei guten Geräten kann man z.B. in ein Signal reinzoomen bzw. die Triggerung variabel verzögern. Erst dadurch wird es möglich, dass man sich Signale, die zeitlich weit hinter einem Triggerevent kommen, genauer anschauen kann.

Mit Analog-Oszilloskopen kann man sich hauptsächlich periodische Signalverläufe anschauen, also solche, die zeitlich immer wiederkehrend sind. Denn nur so kann ein Signal immer wieder auf den Schirm "geschrieben" werden und erscheint als stehendes Bild. Aperiodische Signale, wie z.B. auf Datenübertragungsleitungen, sind damit nicht darstellbar. Sie laufen mit einem Strahldurchgang über den Schirm. In dieser kurzen Zeit ist es jedoch nur selten möglich, sie visuell aufzunehmen. Mit einer Digitalkamera kann man solche Signalverläufe mitunter trotzdem einfangen. Manche Analog-Oszilloskope bieten eine Möglichkeit, die Triggerung nur zu einem definiertem Zeitpunkt anzustoßen, somit kann auch der Anlaufstrom eines Motors mit einem Analog-Oszi dargestellt werden.

Digitale Speicheroszilloskope

Digitales Speicheroszilloskop

Ein digitales Speicheroszilloskop (englisch DSO, Digital Storage Oscilloscope) digitalisiert das Eingangssignal mit einem Analog-Digital-Wandler und legt die Werte in einem Speicher ab. Der Vorteil daran ist, dass man auf diese Weise Momentaufnahmen eines Signals machen und damit einmalige (transiente) Ereignisse (Spikes, Datenübertragungen) erkennen und darstellen kann, was besonders bei digitalen Schaltungen, z.B. mit Mikrocontrollern, sehr nützlich ist. Weiterhin lässt sich das Signal "vermessen" (z.B. um die Baudrate einer Datenübertragung zu bestimmen), man kann die Frequenz und den Effektivwert anzeigen lassen, das Frequenzspektrum, und je nach Modell noch vieles mehr. Das Signal wird in S/W oder Farbe auf einem LCD dargestellt, lässt sich aber oft auch über einen angeschlossenen Drucker ausdrucken oder an den PC übermitteln.

Der wichtigste Parameter bei digitalen Oszilloskopen ist die Abtastrate, die angibt mit welcher Geschwindigkeit das Eingangssignal digitalisiert wird. Um ein Signal mit einer bestimmten Frequenz vernünftig darstellen zu können muss es mindestens mit der 10-fachen Frequenz abgetastet werden.

Außerdem sind die Speichertiefe und die Wandler-Auflösung interessant. Ein Oszilloskop, das mit 8 Bit Auflösung abtastet und 2000*8 Bit Speicher hat, kann 2000 Samples abspeichern, was einer Darstellung von 2000*256 Pixeln entspricht.

Bei der Wandlung und Speicherung gibt es zwei Verfahren: günstige Oszilloskope wie die TDS1000-Serie von Tektronix verwenden CCD-Speicher (analoge Schieberegister); die Messwerte werden erst gespeichert, und dann digitalisiert. Der Nachteil dabei ist das relativ starke Rauschen und die begrenzte Speichertiefe. Teurere Modelle wandeln in Echtzeit mit schnellen Flash-AD-Wandlern und speichern die Messwerte direkt in einem schnellen RAM. Die Speichertiefe ist dabei praktisch unbegrenzt, allerdings sind Wandler die mehrere GS/s schaffen sehr teuer.

Natürlich spielt der Verwendungszweck eine entscheidende Rolle bei der Auswahl. Auf dem Labortisch, wo meist nur kleine Spannungen mit einem gemeinsamen Massebezug vorkommen, werden andere Anforderungen an ein Oszilloskop gestellt, als z.B. im Servicebereich für Industriesteuerungsanlagen, Automatisierungstechnik, usw. Dort sind weniger hohe Abtastraten wichtig, sondern eher eine größere Anzahl Eingangskanäle, die galvanisch voneinander getrennt sind, Spannungsfestigkeit bis min. 500 Volt, sowie speziell bei Störungsanalysen, die Möglichkeit komplexe Triggermuster einzustellen und eine integrierte große Festplatte, um einzelne Ereignisse automatisiert über lange Zeiträume hinweg festhalten zu können. Ein Beispiel für so ein hochwertiges Gerät ist ein Yokogawa Scopecorder (DL708). Allerdings sind bei solchen Geräten die Preise nach oben hin offen.

Ein Beispiel für ein Einstiegsmodell ist das TDS1002 von Tektronix (ca. 1200 Euro). Es hat 2 Kanäle mit je 1 GS/s (1 Milliarde Abtastungen pro Sekunde) und ist für Signale bis 60 MHz verwendbar. Die Wandlerauflösung beträgt 8 Bit (256 Stufen), der Speicher ist 2 kByte groß.

Das mit ca. 600 Euro deutlich günstigere BenchScope von Wittig hat zwar nur eine Abtastrate von 100 MS/s, dafür ist die Speichertiefe größer (bis 16 kB) und es besitzt bereits einen RS232-Anschluss, welchen man beim TDS1002 für > 300 Euro dazukaufen muss. Allerdings stehen die Wittig-Geräte wegen der durch den Konkurs ungeklärten Service-Situation und diverser SW/HW-Ungereimtheiten in Kritik.

Vergleichstabelle

Diese Tabelle soll einen Überblick über interessante Geräte besonders im unteren Preisbereich geben. Eine vollständige Auflistung aller existierenden Geräte macht wegen der Vielzahl an Baureihen und Modellen wenig Sinn.

Bezeichnung	Hersteller	Preis [€]	Kanäle	Samplerate [MS/s]	Bandbreite [MHz]	Auflösung [Bit]	Speichertiefe [Samples]	Display	PC-Interface	Bemerkungen
TDS-1002B	Tektronix	1100	2	1000	60	8	2.5k	320x240	USB inkl.	verhältnismäßig starkes Rauschen, siehe Text oben
Wavejet 3xx	LeCroy	2800..8000 (brutto)	2 oder 4	1000/2000	100/200/350/500	8	500k	640x480	USB inkl.	verfügbar z.B. bei Farnell
DSO3062A	Agilent	800	2	500	60	8	4k	320x240	USB	weitgehend baugleich mit Rigol DS5000
DS1000 Serie	Rigol	600 - 1650	2	400/200 (1/2 Kanäle)	25-100	8	1M	320x240	USB, seriell	optional 16-Kanal Logikanalysator
Owon PDS Serie	Owon, alias Xiamen Lilliput Technology Co., Ltd	445,- (PDS5022S); 695,- (PDS6062T)	2	100 - 500	25 - 100	8	5k pro Kanal	640 x 480	USB, seriell incl.	Qualität entspricht Preis. Relativ unausgewogenes Verhältnis von Bandbreite zu Samplingrate. Geräte mit einem 'S' am Ende der Typenbezeichnung haben ein STN LCD mit niedriger Qualität.
GW Instek GDS-2000 PDS Serie	GW Instek, alias Good Will Instrument Co., Ltd.	850 - 1800	2 - 4	1000	60 - 200	8	max. 5000 (alle Kanäle benutzt) / 25000 (ein Kanal in Benutzung)	320 x 234	USB, seriell incl.	Weitgehend baugleich mit Conrad Voltcraft DSO-8000 Serie. 4 Kanal Versionen haben keinen externen Trigger und weniger Trigger-Funktionen.
BenchScope 22-300	Wittig(*)	700	2	100	20	8	2x 0,25k-15k	320x240	ca. 180 €	.
MultiScope 22-320	Wittig(*)	196 - 404	2	20	2	8	1/8k-8k	128x64	ser.incl.	galv.Trennung Kanäle & Interf.
OsziFOX 22-310D	Wittig(*)	91 / 149	1	20	5	6	.	64x16	ser.incl.	.
Mephisto Scope 1 (UM202)	Meilhaus	333.-	2	1	2	16 bit	256k	..	USB	5 in 1, Oszilloskop, Logik-Analysator, Voltmeter, Datenlogger analog und digital, Digital-I/O,

(*) Situation nach Insolvenz etwas unklar. Firma tritt unter dem Namen Welec wieder auf.

PC-Oszilloskope

Soundkarten Oszilloskop

PC-Oszilloskope sind im Prinzip digitale Speicheroszilloskope, mit der Besonderheit, dass sie die Daten nicht selbst anzeigen sondern an einen PC übermitteln. Beim Kauf eines PC-Oszilloskops sollte man besonders vorsichtig sein und im Zweifelsfall vorher im Forum nachfragen, da viele Angebote irreführende Informationen enthalten. Sehr beliebt ist z.B. die Werbung mit der Analogbandbreite, also die Bandbreite die der Analogteil der Schaltung (Eingangsverstärker) verarbeiten kann. Wenn hier 100 MHz angegeben sind bedeutet das aber nicht dass sich auch wirklich Signale bis 100 MHz darstellen lassen; wenn der Wandler nur mit 40 MS/s abtastet ist das Oszilloskop gerade noch bis 4 MHz verwendbar. Ebenso sollte man nur die Echtzeit- oder Realtime-Abtastrate beachten, eine manchmal ebenfalls angegebene "Äquivalent-Abtastrate" ist nur bei periodischen Signalen zu gebrauchen und damit im Umfeld von Microcontrollern meist wertlos.

Wem ein wirklich einfaches Oszilloskop für kleine Frequenzen (bis etwa 20 kHz) ausreicht, bspw. um die Kommunikation am I2C-Bus zu analysieren, findet hier eine Anleitung für das Messen mit der Soundkarte. Der Vorteil ist hierbei, dass es sich, dank des PCs, um ein Speicheroszilloskop handelt und die Daten zum Beispiel in Excel analysiert werden können. Ebenfalls in diese Kategorie fällt die Donateware Visual Analyser für Windows.

Allerdings eignet sich eine Soundkarte nicht dazu, Gleichspannungen zu messen, zu niederfrequente Signale können daher nicht damit erfasst werden: Im Screenshot nebenan erkennt man das z.B. an der fallenden Gerade am Schluss (obwohl der tatsächliche Signalpegel konstant oben bleibt). Auch ist hier besondere Vorsicht geboten, da Soundkarten nur für geringe Spannungen ausgelegt sind und bei einer zu hohen Eingangsspannung möglicherweise der ganze PC beschädigt wird.

Siehe auch

• AVR Softwarepool: Oszilloskop
• Einfaches Oszilloskop mit Bascom-AVR
• USB_Oszilloskop

• Logic_Analyzer

Links

• Forum-Beiträge zum Thema Oszilloskop (Kaufberatung, Anwendung)
• Beiträge im Markt-Forum
• Ein virtuelles interaktives Oszi (zum üben)
• Selbstbau-DSO 40MSPS
• Probing High-Speed Digital Designs, Originally published in Electronic Design Magazine, March, 1997
• Oscilloscope Tutorials Linkliste bei hackedgadgets.com