Oszilloskop

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

"Beratung" in mikrocontroller.net Foren

In den Foren von mikrocontroller.net finden sich regelmäßig Anfragen, um nicht zu sagen Forderungen nach individueller Beratung zum Oszilloskopkauf. Solche Anfragen sind weitgehend sinnlos. Besonders dann, wenn sich der Fragesteller nicht einmal Ansatzweise mit den Grundlagen eines Oszilloskops und den wichtigsten Kennzahlen bekannt gemacht hat oder nicht weiß, was er messen will. Die Foren von mikrocontroller.net sind Diskussionsforen, keine Beratungs-Hotlines.

Abgesehen davon sind die üblichen Fragen ("Wo/wie bekomme ich billig ...", "Taugt das was ...?") schon oft diskutiert worden. Die Anzahl von "Oszilloskop-Threads" auf mikrocontroller.net liegt über 1000. Wer glaubt, gerade sein Oszilloskopkauf sei etwas ganz besonderes, seltenes und ganz anders als alle anderen Oszilloskopkäufe, und daraus einen Beratungsanspruch ableitet, hat schon den ersten großen Fehler gemacht.

Besonders die immer wiederkehrende Forderung, dass es unbedingt das maßgeschneiderte Oszilloskop zum Superpreis genau für den Fragesteller geben muss (*fußaufstampf!*) ist sinnlos. Wer mit diesem Anspruch ala verwöhntes Einzelkind kommt, der wird enttäuscht werden. Das gibt es nicht und gute Oszilloskope kosten Geld, da sie keine Massenware sind. Es gibt kein gesetzlich verbrieftes Recht auf ein billiges Spitzenoszilloskop.

Eine andere Variante, von der man abraten muss, ist die Frage nach Erfahrungen. Besonders dann, wenn man nicht willens ist, die Erfahrungen anderer zur Kenntnis zu nehmen, wenn sie der eigenen Forderung nach einem billigen Superoszilloskop (*fußaufstampf!*) widersprechen.

Analoge Oszilloskope

Allgemeines

Hybrides Analog/Digital 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.

Analoge Speicheroszilloskope

Inzwischen eher selten sind analoge Speicheroszilloskope anzutreffen. Diese speichern im Gegensatz zu digitalen Speicheroszilloskopen nicht das Signal selbst, sondern das Bild auf der Röhre. Dies wird mit speziellen speichernden Bildröhren erreicht. Je nach Typ kann es mehrere getrennt betreibbare Bereiche geben, um beispielsweise 2 Bilder eines Signales zu unterschiedlichen Zeitpunkten darstellen zu können. (z.Bsp. Tektronix 549)

Einige wenige dieser Oszilloskope waren sogar in der lage, das aufgezeichnete Bild auf Papier auszugeben. (z.Bsp. "hp Model 175A" mit Modul 1784A)

Vergleichstabelle Analogoszilloskope

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

Bezeichnung	Hersteller	Preis [€]	Kanäle	Bandbreite [MHz]	Röhre	Bemerkungen
generisches 10 MHz Oszilloskop unter Bezeichnungen wie C1-94, S1-94, OS10, AO-610, ST16, CV10	-	130	1	10	4 bis 4,8 x 6 cm	Seit Jahrzehnten von vielen No-Name Herstellern in unterschiedlichen Ausführungen und Bauformen im Angebot. Wenig empfehlenswert für µC-Arbeiten.

Digitale Speicheroszilloskope

Allgemein

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 unterschiedliche Verfahren: günstige Oszilloskope wie die TDS1000-Serie von Tektronix verwenden CCD-Speicher (analoge Schieberegister); die Messwerte werden erst gespeichert, und dann digitalisiert. Nachteile dieser Vorgehensweise sind ein stärkeres Rauschen, die begrenzte Speichertiefe und Totzeiten, während der keine Eingangswerte aufgenommen werden. Diese enstehen da das Wandeln aller Werte aus dem analogen Zwischenspeicher länger dauert als die Zeit zum Füllen dieses Speichers. Deshalb muß das Gerät bis zum Abschluß der Wandlung warten bevor es den Speicher erneut füllt.

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.

In den richtig schnellen Geräten (mehrere GHz Samplerate) sind in den verwendeten Wandlerschaltkreisen eine größere Anzahl Sample-and-Hold-Stufen und AD-Wandler integriert. Die Eingangsspannung wird dann zeitversetzt in den Sample-and-Hold-Stufen gespeichert und von den im Vergleich zur Samplerate langsameren AD-Wandlern umgesetzt. Die Ausgangslogik sorgt dann dafür das die Daten in der richtigen Reihenfolge ausgegeben werden. Ein Problem bei dieser Vorgehensweise sind unterschiedliche elektrische Eigenschaften der parallelen Wandlerstufen.

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.

Digitale Tischoszilloskope

Allgemeines

DSO Tischoszilloskope sind die klassischen, in sich abgeschlossenen Geräte, die in der Gestaltung analogen Oszilloskopen ähneln. Daneben gibt es zum Beispiel auch PC DSOs. Viele Tischgeräte sind bereits so klein (geringe Tiefe) und leicht, dass sie zurecht auch als tragbare Geräte bezeichnet werden.

Mittlerweile ist es üblich, dass man bereits bei Einsteigermodellen eingebaute USB oder RS-232 Schnittstellen findet, und eine (häufig sehr simple) PC-Software zur Bedienung vom PC aus oder zumindest zum Auslesen von Daten auf den PC. Ebenfalls häufig sind USB oder ähnliche Schnittstellen für USB-Memorysticks oder Speicherkarten zum Speichern von Messwerten, Screenshots und Konfigurationen. Ironischerweise sind dies Schnittstellen und PC-Software bei Markengeräten häufig gesondert zu erwerben, wärend sie bei eher unbekannten Marken kostenlos mitgeliefert werden, wenn auch die Qualität der kostenlosen Software häufig zu wünschen übrig lässt.

Ein Beispiel für günstige Eistiegsmodelle sind die Geräte der Owon PDS Serie. Für wenig Geld erhält man ein für einfache Anwendungen brauchbares Oszilloskop mit ein paar Highlights (Bildschirmauflösung) aber auch auffälligen Einschränkungen wie eine geringe Abtastrate. Zum Beispiel 250 MS/s beim PDS6062.

Ein vernünftiges Verhältnis von Bandbreite zu Abtastrate haben die Geräte der GDS-2000 Serie von GW Instek. 1 GS/s, allerdings sinkt die Abtastrate je mehr Kanäle man gleichzeitig verwendet. Die 25 kByte Speichertiefe verteilt sich ebenfalls über die benutzten Kanäle. Für Oszilloskope aller GW Instek GDS-Serien gibt es eine einfache freie Software für Linux, ansonsten ist Linux-Software für DSOs eher selten.

Ein weiteres Beispiel für ein Einstiegsmodell ist das TDS1002 von Tektronix (ca. 1200 Euro). Es hat zwei Kanäle mit je 1 GS/s und ist für Signale bis 60 MHz verwendbar. Die Wandlerauflösung beträgt 8 Bit (256 Stufen), der Speicher ist nur 2 kByte groß. Markengeräte wie das TDS1002 sind häufig Vorbilder für die Geräte der Hersteller weniger bekannter Marken.

Vergleichstabelle digitale Tischoszilloskope

Diese Tabelle soll einen Überblick über interessante oder bekannte Geräte besonders im unteren Preisbereich geben. Eine vollständige Auflistung aller existierenden Geräte ergibt 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
WaveAce Serie	LeCroy	1000 - 3500	2	250 - 2000	60 - 300	8	4k - 8k	320x240	USB (Geräte- und Host-Modus), RS-232(?)	Das Gerät wird von ATTEN(Taiwan) gebaut, ein Rigol Gerät diente als Vorlage.
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	299,- (PDS5022S); 495,- (PDS6062T)	2	100 - 500	25 - 100	8	5k pro Kanal	640x480	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. nur Real-Time Sampling
GW Instek GDS-1000 Serie	GW Instek, alias Good Will Instrument Co., Ltd.	350 - 550 (Conrad: 475 - 950)	2	250	25 - 100	8	4k	320x234	USB (Geräte-Modus, kein Host-Modus), SD Kartenslot	Von Conrad teurer als DSO-4000 Serie erhältlich. einfache Software für Linux erhältlich
GW Instek GDS-2000 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)	320x234	Inkl. USB (Geräte-Modus zum PC, zwei weitere USB-Buchsen Host-Modus für eine Speicherkarte oder Drucker), RS-232	Weitgehend baugleich mit Conrad Voltcraft DSO-8000 Serie. Vier-Kanal Versionen haben keinen externen Trigger und weniger Trigger-Funktionen. einfache Software für Linux erhältlich
UNI-T UT2025B / Voltcraft DSO-1022 M	Uni-Trend Group Limited	290 - 356	2	250	25	8	512k/Kanal	320x240 (Monochrom)	USB, RS-232.	Als UT2025C mit Farbdisplay. UT2000 Serie 25-200MHz, 2CH 250MSa/s bis 1GSa/s wenig Rauschen
HM2008	Hameg	2000	2	2GSa/s(1CH)1GSa/s(2CH)	200	8 bit	4048k	Röhre 8x10cm	USB für Speicherstick(vorne),USB/RS232 für PC(hinten),	4 Logikkanäle nachrüstbar, Ethernet/USB nachrüstbar

PC-Oszilloskope

PC-Zusätze

Allgemeines & Beachtenswertes

PC-Oszilloskope / PC-Zusätze 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, 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 Mikrocontrollern meist wertlos.

Die Wahl zwischen einem Tischoszilloskop und einem PC-Zusatz ist nicht nur eine Geld-, Leistungs- oder Qualitätsfrage. Ein Tischgerät lässt sich anders bedienen (echte Knöpfe, sicherer Stand) und belegt nicht den PC oder Laptop. Erfahrene Entwickler ziehen ein separates Gerät einem PC-Zusatz vor. Zum Teil ist dies eine Generationsfrage.

Hinzu kommt, dass billige PC-Oszilloskope meist keine galvanische Trennung an ihrer USB-Schnittstelle besitzen. Ein Fehler bei einer Messung kann daher nicht nur das Oszilloskop, sondern gleich den PC mit beschädigen. Ein Problem, dass man auch bei einfachen Tischoszilloskopen mit PC-Schnittstelle haben kann. Allerdings kann man Tischgeräte ohne die PC-Verbindung betreiben.

Gelegentlich wird geraten das Oszilloskop, egal ob Tischgerät oder PC-Zusatz, immer über einen "self powered" USB-Hub (einer mit eigenem Netzteil) mit dem PC zu verbinden. Ob ein solcher Hub als Schutzmaßnahme, besonders zum Personenschutz, geeignet ist, sei dahingestellt. Schaden sollte er nicht.

Besonders zu beachten ist die PC-Software. Nicht nur, ob sie zum Zeitpunkt des Kaufs wenigstens grundsätzlichen Ansprüchen genügt, sondern auch, ob der Hersteller vermutlich willens und in der Lage ist, die Software über viele Jahre zu warten. Stichwort Investitionssicherheit. Ohne Wartung kann eine Inkompatibilität in der Software zum nächste Windows Service-Pack oder zur nächste Windows-Version das Gerät völlig entwerten.

Leider ist es so, dass es fast keine freie Oszilloskop-Software gibt. Die Protokolle zwischen Oszilloskop-Vorsätzen und Computer sind meist proprietär und selten hat sich ein Entwickler freier Software die Mühe gemacht, ein Protokoll zu entschlüsseln. Noch seltener ist es, dass auf dieser Basis eine brauchbare oder gar gute Software geschrieben wurde. So ist ein Ausweichen auf freie Software kaum möglich, sollte der Hersteller die Wartung aufgeben. Man ist im Normalfall auf Gedeih und Verderben dem Hersteller ausgeliefert.

Vergleichstabelle PC-Zusätze

Diese Tabelle soll einen Überblick über interessante oder bekannte Geräte besonders im unteren Preisbereich geben. Eine vollständige Auflistung aller existierenden Geräte ergibt 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
PicoScope 2205	Pico Technology	350	2	200	25	8 - 12	16k	auf dem PC	USB	Kleiner Arbitrary Waveform Generator eingebaut.
DSO-2090 USB	Hantek - Qingdao Hatek Electronic Co., Ltd.	200	2	1 Kanal: 100 / 2 Kanäle: 50	40	8	1 Kanal: 64k / 2 Kanäle: 32k	auf dem PC	USB	Wenige Vorteile gegenüber einem Tischgerät. Analogbandbreite bei der Samplingrate nicht ausnutzbar. Kleiner Eingangsspannungsbereich. Unter diversen anderen Namen erhältlich.
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,

Soundkarte-Oszilloskope

Soundkarten Oszilloskop

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
• LCS-1M - Ein einfaches, preiswertes, mikrokontrollergesteuertes Zweikanal-Oszilloskop zum Selberbauen (Picaxe)

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
• 10 bit 2 Kanäle USB tiny45 mit Obdev