Oszilloskope: Ihre Fragen, unsere Antworten.

Die benötigte Bandbreite ergibt sich aus der höchsten zu messenden Signalfrequenz. Wird die Bandbreite zu niedrig gewählt, kann das Oszilloskop keine hochfrequenten Änderungen erfassen. Die Amplitude wird ggf. verzerrt dargestellt, und die Flanken sind schlecht sichtbar, sodass Signaldetails verloren gehen. Bei der Analyse analoger Signale sollte die spezifizierte Oszilloskop-Bandbreite mindestens dreimal so groß sein wie die höchste Sinusfrequenz. Für die Analyse von Digitalsignalen empfehlen wir eine Bandbreite vom Fünffachen der höchsten zu messenden Taktfrequenz.

Achtung: Das Messsystem besteht nicht nur aus dem Oszilloskop, sondern in der Regel auch aus einem Tastkopf . Beide zusammen bilden die relevante Systembandbreite.

Die meisten Oszilloskope können mehrere Signale gleichzeitig messen und auf dem Bildschirm darstellen. Jedes Signal wird in einen separaten Kanal eingespeist. Üblich sind Modelle mit 2, 4, 6 oder 8 Kanälen. Mixed-Signal-Oszilloskope (MSO) verfügen zusätzlich über 8 oder 16 Digitaleingänge für die Darstellung und Analyse von zueinander zeitkorrelierten analogen und digitalen Signalen.

Die Abtastrate (Sample Rate) bezieht sich bei einem Oszilloskop auf die Anzahl der Messpunkte pro Zeiteinheit, mit welcher der A/D-Wandler des Oszilloskops die analogen Signal-Eingangswerte in digitale Daten umwandelt (Samples per second, Sa/s). Je höher die Abtastrate, desto besser ist die zeitliche Auflösung und damit die im Signalverlauf erkennbaren Details. Bei Oszilloskopen mit mehr als einem Kanal kann sich die Abtastrate bei der Verwendung von mehreren Kanälen verringern. Bei längerer Zeitbasis-Einstellung wird die Abtastrate entsprechend der verfügbaren Speichertiefe geringer.

Die Signalerfassungsrate gibt die Geschwindigkeit an, mit der das Messgerät ein Signal erfasst (Angabe in waveforms per second, wfms/s). Die Anzahl der Erfassungen ist unter anderem abhängig von der eingestellten zeitlichen Auflösung (Sekunden pro Skalenteil) sowie von der Speichertiefe. Ein Oszilloskop benötigt nach jedem Abtastdurchlauf eine bestimmte Zeit, um die Daten zu verarbeiten. Je kürzer diese Verarbeitungszeit ist, desto schneller tastet das Oszilloskop ein Signal erneut ab und kann so beispielsweise auch sporadische Signalanomalien schneller erfassen. Bei mehrkanaligen Oszilloskopen kann sich die Signalerfassungsrate verringern, wenn mehrere Kanäle im Einsatz sind.

Die Anzahl der Abtastungen ist durch die Speichertiefe begrenzt: Um die maximale Abtastrate für einen längeren Zeitbereich nutzen zu können, benötigen Sie einen großen Speicher. Der Speicherbedarf berechnet sich nach einer einfachen Formel: Speichertiefe = Aufzeichnungsdauer x Abtastrate. Dies gilt allerdings nur, wenn jeder Eingangskanal des Oszilloskops die gleiche Speichertiefe besitzt. Bei sporadischen Signalereignissen ist es von Vorteil, wenn man einen möglichst tiefen Speicher und eine hohe Signalerfassungsrate hat, um möglichst viele Signalsequenzen abspeichern zu können.

Der Tastkopf eines Oszilloskops stellt eine physische und elektrische Verbindung zwischen einer Messstelle und dem Oszilloskop her. Er kann das Signal 1:1 übertragen oder auch abschwächen (10:1), um höhere Spannungen sicher messen zu können. Der Tastkopf hat eine hohe Eingangsimpedanz, um die Belastung des zu messenden Schaltkreises zu minimieren und sicherzustellen, dass das Signal unverfälscht bleibt. Tastköpfe sind oft abgeschirmt, um elektromagnetische Störungen zu reduzieren und sicherzustellen, dass das Signal klar und präzise an das Oszilloskop übertragen wird. Abhängig von ihrem Typ können Tastköpfe für verschiedene Anwendungen ausgelegt sein, z.B. zum Messen von Hochfrequenzsignalen, Strom oder differenziellen Signalen.

Passive Tastköpfe sind die gängigsten Tastköpfe für Oszilloskope. Sie enthalten keine aktiven Komponenten wie Verstärker oder elektronische Schaltungen und können ohne Stromversorgung durch das Oszilloskop betrieben werden. Aufgrund ihrer einfachen Bauweise sind passive Tastköpfe sehr robust und wenig anfällig für Beschädigungen. Sie sind im Lieferumfang der meisten Oszilloskope enthalten. Es gibt verschiedene Typen von passiven Tastköpfen, am häufigsten sind 1:1- und 10:1-Tastköpfe. 1:1-Tastköpfe übertragen Signale ohne Abschwächung und haben eine Eingangsimpedanz von etwa 1 MΩ. Weil sie sehr empfindlich sind, können 1:1-Tastköpfe leichter Kleinsignale entdecken. 10:1-Tastköpfe schwächen das Signal um den Faktor 10 ab, was die Eingangsimpedanz auf 10 MΩ erhöht und die kapazitive Belastung verringert. Sie sind damit besonders geeignet für das Messen hoher Spannungen. Abhängig von Modell und Qualität reicht die Bandbreite passiver Tastköpfe von einigen MHz bis zu mehreren hundert MHz.

Schaltbare Tastköpfe sind spezielle Tastköpfe für Oszilloskope, die über eine Funktion zum Ändern des Abschwächungsfaktors verfügen. Über einen Schalter kann beispielsweise zwischen den Stufen 1:1 und 10:1 gewechselt werden. Schaltbare Tastköpfe sind besonders nützlich in Anwendungen, bei denen häufig zwischen unterschiedlichen Signalpegeln gewechselt werden muss, oder wenn vielseitige Messmöglichkeiten gewünscht sind, ohne dass mehrere Tastköpfe verwendet werden müssen. Erkennt das Oszilloskop die Tastkopfteilung nicht automatisch, muss der Benutzer die entsprechenden Einstellungen am Oszilloskop manuell vornehmen.

Eine automatische Tastkopferkennung ist eine Funktion moderner Oszilloskope, die es dem Gerät ermöglicht, automatisch zu erkennen, welcher Tastkopf angeschlossen ist. Indem es den Typ des angeschlossenen Tastkopfes (z. B. 1:1, 10:1, aktiver Tastkopf) identifiziert, passt das Oszilloskop seine Einstellungen wie den konkreten Abschwächungsfaktor entsprechend an. Dies reduziert die Fehlerquote und vereinfacht die Bedienung. Neben dem Abschwächungsfaktor können auch andere Informationen wie Bandbreite, Impedanz und maximale Eingangsspannung automatisch erkannt und berücksichtigt werden. Einige Systeme führen zudem automatische Kalibrierungen und Kompensationen durch, um sicherzustellen, dass die Messungen präzise sind und die Signalqualität optimal ist.

Der Bezug zwischen Bandbreite und Anstiegszeit lässt sich mithilfe einer Konstanten „k“ herstellen: Anstiegszeit = k / Bandbreite, wobei „k“ vom Oszilloskop abhängt. Für Oszilloskope mit einer Bandbreite von 1 GHz gilt für k typischerweise ein Wert zwischen 0,4 und 0,45. Bei einer Bandbreite von 1 GHz ist k = 0,35.

Die vertikale Auflösung eines Oszilloskops gibt an, mit welcher Genauigkeit der A/D-Wandler eine Eingangsspannung in digitale Werte umwandelt. Üblich sind 8 bis 16 Bit. Die effektive Amplitudenauflösung lässt sich bei einigen Oszilloskopen durch digitale Berechnungsmethoden verbessern, beispielsweise im High-Resolution-Erfassungsmodus (Hi-Res-Modus).

Die vertikale Empfindlichkeit beschreibt, wie stark das Oszilloskop ein schwaches Eingangssignal verstärken kann, bevor es auf dem Bildschirm angezeigt wird. Sie wird üblicherweise in Millivolt pro Skalenteil (mV/div) angegeben. Ist beispielsweise die vertikale Empfindlichkeit auf 5 mV/div eingestellt, bedeutet das, dass jede vertikale Teilung auf dem Bildschirm eine Spannung von 5 Millivolt repräsentiert. Die richtige Einstellung der vertikalen Empfindlichkeit ist wichtig, um das Signal präzise auf dem Bildschirm darzustellen. Bei zu hoher Empfindlichkeit kann das Signal übersteuert werden und bei zu niedriger kann die Anzeige zu schwach bzw. ungenau sein.

Ihr Oszilloskop sollte auch zukünftige Messanforderungen erfüllen, um wirtschaftlich zu sein. Moderne Geräte erlauben beispielsweise die Erweiterung der Kanalanzahl, Bandbreite oder Speichertiefe. Zudem können Sie anwendungsspezifische Messfunktionen hinzufügen oder die Leistungs- und Funktionsfähigkeit des Geräts durch Software-Optionen, Tastköpfe, Anwendungsmodule und entsprechendes Zubehör erhöhen.

Um mit einem Oszilloskop Strom messen zu können, sind spezielle Stromsonden verfügbar. Für die Wechselstrommessung wird eine sogenannte Rogowski-Spule oder ein Rogowski-Stromwandler verwendet. Rogowski-Stromwandler sind robust und ermöglichen AC-Messungen bis 100 kA. Für Gleichstrommessungen bieten sich Oszilloskop-Stromzangen an. Diese sind in der Regel für Ströme bis 2 kA geeignet. Auch eine Wechselstrommessung ist möglich, allerdings nur bis 100 MHz. Oszilloskop-Stromzangen sind als Zubehör erhältlich.

Bekannte Oszilloskop-Hersteller sind unter anderem:

• GW Instek
• Keysight
• NI (National Instruments)
• Pico
• Rohde&Schwarz
• Tektronix

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Die Funktionen eines digitalen Oszilloskops basiert auf dedizierter Software. Einige Hersteller stellen Software kostenlos zur Verfügung, andere bieten hochkomplexe und individuell programmierbare Lösungen an. Stand-alone-Oszilloskope werden häufig mit Beispielprogrammen geliefert, USB-Oszilloskope benötigen eine spezielle Software. Je nach Bauform, Hersteller, Messaufgabe und Produkt unterscheiden sich die Softwarelösungen.

Ein digitales Oszilloskop ist in der Regel aus folgenden Grundelementen aufgebaut:

• Tastkopf (Probe)
• Analoger Eingangskanal bzw. -kanäle
• AC/DC Kopplung
• Abschwächer
• Vorverstärker
• Abtastung 
• Trigger-Einheit
• A/D Wandler
• Prozessor
• Monitor zur Signaldarstellung

Die Kriterien beim Kauf eines Oszilloskops umfassen technische Anforderungen und Spezifikationen sowie budgetäre Bedingungen und unternehmensspezifische Einkaufskonditionen. Ihre Messanwendung definiert die technischen Eigenschaften des Oszilloskops. Je nach Budget sind gegebenenfalls Kompromisse beim Kauf erforderlich. Diese Kompromisse sollten jedoch nicht die ausschlaggebenden Parameter beeinträchtigen. Die 12 wichtigsten Kaufkriterien für ein Oszilloskop sind:

• Bandbreite
• Anzahl der Kanäle 
• Vertikale Auflösung 
• Abtastrate
• Anstiegszeiten
• Kompatibilität (Tastköpfe etc.)
• Triggerfunktionen
• Speichertiefe 
• Automatisierte Messfunktionen 
• Einfache Bedienung 
• Erweiterungsmöglichkeiten 
• Schnittstellen

Die Messanwendung bestimmt, wie viele Kanäle ein Oszilloskop benötigt. Für die einfache Signalanalyse genügen in der Regel 2 bis 4 Analogkanäle. Für sehr komplexe Anwendungen können 8 Eingangskanäle sinnvoll sein, um beispielsweise mehrere Sensoren und Aktoren gleichzeitig zu überwachen. So werden 8-kanalige Oszilloskope u. a. für die Wechselstrombetrachtung von E-Motoren verwendet, indem an den drei Phasen der Strom und die Spannung gemessen werden (= 6 Kanäle) und die übrigen 2 Kanäle für Triggerbedingungen zur Verfügung stehen. Für die Validierung von Digital- und Mischsignalen benötigt ein Oszilloskop zusätzlich digitale Eingangskanäle.

Eine hohe Benutzerfreundlichkeit bei einem Oszilloskop ist aus mehreren Gründen wichtig:

• Effizienz: Eine hohe Benutzerfreundlichkeit ermöglicht es dem Anwender, schnell und effizient auf die gewünschten Funktionen und Einstellungen zuzugreifen. Das spart Zeit und erleichtert die Durchführung von Messungen.
• Ergebnissicherheit: Eine intuitive Bedienoberfläche reduziert das Risiko von Bedien- und Messfehlern. Klare Anweisungen, eine übersichtliche Menüstruktur und gut platzierte Bedienelemente helfen dabei, die richtigen Einstellungen und Messungen vorzunehmen.
• Produktivität: Ein gut verständliches Oszilloskop erleichtert es Neuanwendern, sich schnell mit dem Gerät vertraut zu machen und produktiv zu arbeiten.
• Wirtschaftlichkeit: Moderne Oszilloskope bieten eine Vielzahl von Funktionen für mitunter komplexe Messanwendungen. Ein benutzerfreundliches Design ermöglicht es dem Anwender, diese Funktionen zu verstehen, effektiv zu nutzen und die Leistungen des Gerätes voll auszuschöpfen.
• Bedienkomfort: Die Anordnung der Bedienelemente und die Gestaltung des Bildschirms beeinflussen den Komfort bei der Bedienung auch über längere Zeiträume hinweg.

Beim Oszilloskop unterscheidet man zwischen Echtzeit-Oszilloskop und Sampling-Oszilloskop (Äquivalentzeit-Oszilloskop). Bei einigen Oszilloskopen kann die Abtastmethode auch ausgewählt werden. Bei der Abtastung wird ein Teil des Eingangssignals in elektrische Werte umgewandelt. Der Wert der dargestellten Abtastpunkte entspricht der Amplitude des Eingangssignals zum Zeitpunkt der Abtastung. Ein digitales Oszilloskop zeigt eine Reihe von Abtastpunkten mit der gemessenen Amplitude auf der y-Achse und die Zeit auf der x-Achse an. So wird das Eingangssignal rekonstruiert.

Ein Realtime-Oszilloskop kann die aktuellen Werte, die am A/D-Wandler anliegen, anzeigen. Die Echtzeit-Abtastung eignet sich ideal für Signale, deren Frequenzbereich kleiner ist als die Hälfte der maximalen Abtastrate des Oszilloskops. Mit dem Echtzeit-Oszilloskop lassen sich auch einmalige oder sporadisch auftretende, transiente Signale erfassen. Hierzu ist eine sehr hohe Abtastrate erforderlich. Die Echtzeit-Abtastung erfordert i. d. R. eine hohe Speichertiefe, um die Signale nach der Digitalisierung zu speichern.

Ein Sampling-Oszilloskop benötigt ein wiederkehrendes Signal, um dieses nach mehreren Abtastdurchläufen darzustellen. Die Äquivalentzeit-Abtastung ermöglicht damit die Erfassung von Signalen, deren Frequenzanteile wesentlich höher sind als die Abtastrate des Oszilloskops. Repetitive Signale werden rekonstruiert, indem bei jeder Wiederholung ein kleiner Informationsanteil erfasst wird.

Digitale Oszilloskope werden hauptsächlich in Digital-Speicheroszilloskope (DSO), Digital-Phosphor-Oszilloskope (DPO), Mixed-Signal-Oszilloskope (MSO), Mixed-Domain-Oszilloskop (MDO) und Digital-Sampling-Oszilloskop unterteilt. Speziell für Laboranwendungen sind darüber hinaus USB-Oszilloskope, Sampler-extended Real-Time Oszilloskope und modulare PXI-Oszilloskope verbreitet.

Das Digital-Speicher-Oszilloskop ermöglicht die Erfassung und Darstellung von einmaligen Ereignissen, sog. Transienten. Die Signale können auf dem Oszilloskop selbst oder auf einem externen PC angezeigt und analysiert werden. Ein DSO bietet permanente Signalspeicherung und umfassende Signalverarbeitung.

Digital-Phosphor-Oszilloskope nutzen hohe Signalerfassungsraten, um ein Signal darzustellen und zu analysieren. Mit ihren Fähigkeiten können Signale exakt rekonstruiert werden kann. Im Vergleich zu einem DSO können DPO transiente Ereignisse in digitalen Systemen, z. B. Runt-Impulse, Glitches oder Flankenfehler, besser erkennen und bieten zudem erweiterte Analysemöglichkeiten.

Das Mixed-Signal-Oszilloskop verfügt zusätzlich zu den Analogkanälen über digitale Eingangskanäle. Es kombiniert die Mess- und Analysefunktionen eines DPO mit den Grundfunktionen eines 16-Kanal-Logikanalysators, einschließlich der Dekodierung und Triggerung paralleler sowie serieller Busprotokolle. Das MSO eignet sich für die schnelle Fehlersuche in digitalen Schaltungen, indem es sowohl die analoge als auch die digitale Signaldarstellung ermöglicht.

Ein Mixed-Domain-Oszilloskop kombiniert mehrere Gerätefunktionen, u. a. die eines Spektrumanalysators und Funktionsgenerators. Somit ermöglicht es die zeitkorrelierte Darstellung und Synchronisation von Signalen aus dem Digital-, Analog- und HF-Bereich.

Bei einem Digital-Sampling-Oszilloskop sind die Positionen von Dämpfer bzw. Verstärker und Sampling-Brücke im Vergleich zur DSO-/DPO-Architektur vertauscht. Das Eingangssignal wird vor der Dämpfung/Verstärkung abgetastet und auf eine niedrigere Frequenz konvertiert. Dadurch ergibt sich eine sehr hohe Bandbreite. Der Nachteil ist ein eingeschränkter Dynamikbereich. Zudem können vor der Sampling-Brücke keine Schutzdioden eingesetzt werden, da dies die Bandbreite beschränken würde. Dadurch reduziert sich die Eingangsspannung eines Sampling-Oszilloskops auf etwa 3 V reduziert gegenüber 500 V bei anderen Oszilloskop-Arten.

USB-Oszilloskope erfordern eine USB-Verbindung zu einem externen PC sowie eine entsprechende Software-Anwendungen, um das Oszilloskop zu steuern und Messkurven darzustellen. Die Geräte sind besonders leicht und kompakt und daher auch für den mobilen Einsatz geeignet. Am Markt sind USB-Sampling-Oszilloskope sowie USB-Echtzeit-Oszilloskope verfügbar.

SXRTO-Oszilloskope kombinieren die Vorteile von Echtzeit- und Äquivalentzeit-Abtastung. Ihre Architektur nutzt zwei unabhängige zyklische Vorgänge: Wird eine Abtastfolge durch ein Trigger-Ereignis ausgelöst, nimmt das Oszilloskop so viele Abtastungen wie möglich vor. Das Oszilloskop misst das Zeitintervall zwischen Trigger-Zeitpunkt und dem ersten Abtastzeitpunkt. Alle folgenden Abtastzeitpunkte sind bestimmt durch den internen Abtastgenerator. Wiederholt sich ein Trigger-Ereignis, so beginnt die Abfolge von neuem. Da das Auftreten des Trigger-Ereignisses und des Abtastzeitpunktes nicht zeitkorreliert ist, erfolgt eine Abtastsequenz zu unterschiedlichen Zeitpunkten bezogen auf den Trigger. Durch das Messen der Zeitintervalle lassen sich die einzelnen Abtastwerte jeder Abtastsequenz auf der Zeitachse exakt zuordnen. Diese Art der Signalabtastung (= Random Sampling) führt zu einer sehr hohen Abtastrate.

PXI (PCI eXtensions for Instrumentation) ist ein Industriestandard in der Mess- und Automatisierungstechnik. Ein PXI-System besteht aus drei Hardware-Komponenten: Chassis, Controller und periphere Input/Output-Module für die Datenerfassung, Steuerung und Regelung, darunter auch Oszilloskope. Die Oszilloskop-Module lassen sich in die PXI-Plattform integrieren und ersetzen konventionelle Tischgeräte. PXI-Oszilloskope sind flexibel einsetzbare, softwarebasierte Messgeräte. Sie bieten Anwendern ein besonders leistungsstarkes und skalierbares Testsystem.