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Ratgeber

Analog-Oszilloskope » Traditionelle Messung des elektrischen Signals

Kaum zu glauben, aber kommerziell erfolgreiche Oszilloskope gibt es bereits seit mehr als 70 Jahren. Bis in die 1980er Jahre hinein arbeiteten sie noch rein analog, zur Anzeige verwendeten sie eine Bildröhre. Erst nach und nach setzten sich digitale Oszilloskope mit LC-Displays und Datenspeichern durch. Analoge Oszilloskope sind aber nach wie vor im Handel, trotz der starken digitalen Konkurrenz. In unserem Ratgeber stellen wir Ihnen die Vorteile der traditionellen Technologie vor und vergleichen sie mit modernen Systemen.



Was sind Oszilloskope?

Bei einem Oszilloskop handelt es sich um ein Messinstrument zur Darstellung eines elektrischen Signals, das sich im Allgemeinen zeitlich verändert. Es wird gerne in Wissenschaft, Ingenieurwesen und in der Technik verwendet. Ziel ist die Visualisierung elektrischer Spannungen oder anderer physikalischen Größen, die zuvor mithilfe eines geeigneten Konverters oder von Sensoren in eine Spannung umgewandelt wurden. Die Wiedergabekurve eines Oszilloskops wird als Oszillogramm bezeichnet. Typische Kurven haben die Form einer Sinus-, Rechteck- oder Sägezahnwelle.



Allgemeine Eigenschaften eines Analog-Oszilloskops

Ein klassisches Oszilloskop besteht in der Regel aus einem rechteckigen Kasten mit einem aus einer Kathodenstrahlröhre bestehenden Display und zahlreichen Reglern und Tasten. Auf dem Display ist ein Raster sichtbar, um das Ablesen der Daten zu erleichtern. Jedes Intervall des Gitters wird als Teilung bezeichnet: Auf der horizontalen Achse gibt es in der Regel zehn Teilungen, auf der vertikalen Achse variieren sie von sechs aufwärts, je nach Geometrie des Gitters.

Die zu messenden oder zu analysierenden Spannungen gelangen meist über wenigstens einen Kanal mit speziellen BNC-Kabeln in das Gerät. Anschließbar sind Sonden, Tastköpfe oder spezielles Zubehör zum Abgreifen von Signalen aus den untersuchten Schaltkreisen.

Im einfachen Modus bewegt sich ein Elektronenstrahl mit konstanter Geschwindigkeit von links nach rechts über das Display und zeigt die Spannung auf den X-Y-Achsen an. Dabei steht die Y-Achse für den Momentanwert der Eingangsspannung und die X-Achse für die zeitabhängige Rampensignalform. Die Abtastgeschwindigkeit des von der Sonde oder dem Tastkopf erfassten Signals lässt sich mit einem Knopf auf dem Bedienfeld auswählen. Diese sogenannte Zeitbasis erzeugt präzise Intervalle, die von einigen Nanosekunden bis zu Sekunden reichen können.

Liegt keine Messung an, zeigt das Display die Messkurve als geraden Strich in der Mitte des Displays. Das Anlegen einer Spannung an einen Kanal bewirkt, dass die Messkurve je nach Polarität des Signals nach oben oder nach unten ausgelenkt wird. Die vertikale Skala definiert dabei üblicherweise die Spannung in Volt pro Teilung. Ist das Signal periodisch, ergibt sich eine stabile Kurve, in den meisten Fällen in Sinus-, Rechteck oder Sägezahnform. Dazu muss allerdings die Zeitbasis so eingestellt sein, dass sie mit der Frequenz des Signals oder einem Vielfachen davon übereinstimmt.



Unterschiede zwischen einem analogen und einem digitalen Oszilloskop

Im Großen und Ganzen liegen die Unterschiede eher in den Ausstattungsmerkmalen und der Signalaufbereitung, weniger in den Grundfunktionen. Das Prinzip immerhin ist identisch: Beide Oszilloskop-Typen erfassen elektrische Werte im zeitlichen Zusammenhang und stellen diese auf einem Display dar. Analoge Geräte zeigen die Wellenform allerdings in der ursprünglichen analogen Form, während ein digitales Oszilloskop die Spannungssignale zunächst über einen Analog-Digital-Wandler in digitale Werte umwandelt und daraus dann die Kurvenform errechnet.

Moderne digitale Oszilloskope verwenden zur Darstellung keine Kathodenstrahlröhre, sondern ein LC-Display. USB-Oszilloskope kommen sogar vollkommen ohne eigenes Display aus: Sie werden über ein USB-Kabel an den USB-Port eines PCs oder Laptops angeschlossen und fungieren damit als PC-Oszilloskop.

Vorteile eines analogen Oszilloskops

Im Vergleich zu digitalen Oszilloskopen besitzen analoge Geräte gleich mehrere Vorteile. Einer davon sind die Schärfe- und Intensitätsregler. Sie lassen sich einstellen, um eine besser lesbare und schärfere Anzeige zu erhalten. Ein analoges Oszilloskop verfügt außerdem über eine phosphorbasierte Anzeige, die beim Auftreten von Signalmerkmalen eine hellere Spur liefert. Diese auch als Intensitätsabstufung bezeichnete Funktion hilft der nutzenden Person, Details von Signalen leichter zu erkennen.

Ein weiter nicht unwesentlicher Vorteil analoger Modelle sind die Beschaffungskosten. Analoge Oszilloskope sind in der Regel wesentlich preiswerter als ihre digitalen Pendants. Schon für deutlich weniger als 200 Euro sind voll funktionstüchtige Geräte zu erwerben. Die Technologie ist außerdem seit Jahrzehnten etabliert und daher preiswerter als Spitzentechnologien, bei denen zusätzlich zu den höheren Komponenten- und Produktionskosten auch noch hohe Entwicklungskosten anfallen.

In zahlreichen Anwendungsgebieten vor allem in der Elektrotechnik bieten diese Geräte nach wie vor ein absolut ausreichendes Leistungsniveau. Noch immer arbeiten viele Experten in Labor- und Servicesituationen mit analogen Oszilloskopen. Nicht zuletzt auch deshalb, weil sich auch analoge Modelle nach offiziellen Kriterien kalibrieren lassen. Zu den üblichen Zertifikaten zählen Kalibrierungen nach ISO oder durch ein DakkS-akkrediertes Labor.


Nachteile eines analogen Oszilloskops

Zu den Nachteilen zählt dagegen die relativ eingeschränkte Bandbreite. Sie bezieht sich auf die maximale Frequenz der Spannung, die durch das Messgerät geleitet werden kann. Dies bedeutet, dass die analoge Bandbreite in Echtzeit größer sein muss als die maximale berechenbare Frequenz. Zum Vergleich: Viele analoge Oszilloskope bieten eine Bandbreite von 10 Megaherz. Selbst preisgünstige digitale Oszilloskope sind in der Lage, Signale mit 50 Megahertz oder mehr zu verarbeiten.

Die Abtastrate ist ein wichtiger Aspekt eines digitalen Oszilloskops und einer der wesentlichen Unterscheidungsmerkmale in der Signalverarbeitung, die bei analogen Typen als Zeitbasis definiert ist. Denn das analoge Signale muss kontinuierlich in möglichst kleinen Intervallen erfasst und bei digitalen Geräten in entsprechende Werte interpoliert werden. Dabei gilt: Je höher die digitale Abtastrate, desto ähnlicher sind sich das analog erfasse Signale und das digitale Ergebnis. In digitalen Geräten liegen die Abtastraten deshalb oft im Mega- oder Gigabereich, das heißt, die Messung erfolgt millionen- oder milliardenfach pro Sekunde.

Größter Vorteil eines digitalen Geräts ist aber zweifellos die Speichertiefe, über die ein analoger Typ technisch bedingt nicht verfügt. Es handelt sich dabei um einen gepufferten Speicher, der die abgetastete Wellenform aufnimmt.

Die Abtastrate steht in direktem Zusammenhang mit der Speichertiefe des Geräts. Das heißt, bei einer bestimmten Abtastrate entscheidet die Speichergröße über die Erfassungszeit eines Signals, bevor der Speicher voll ist. Dieser Zusammenhang zwischen diesen beiden Parametern des Geräts ist von Bedeutung, da ein Speicher-Oszilloskop mit einer hohen Abtastrate und einer geringen Speichertiefe nicht die gesamte Abtastrate in den ersten Zeitbasen verarbeiten kann. Ähnlich bedeutungsvoll ist auch der Vorteil der Datenübertragung an PCs. Digitale Systeme verfügen über entsprechende Schnittstellen, in der Regel mindestens über eine USB-Buchse.



Bleibt die Frage: Lohnt sich die Anschaffung eines analogen Oszilloskops noch?

Die Antwort kann immer mit Ja beantwortet werden, wenn es auf die folgenden Kriterien ankommt:

✓  Möglichst geringe Beschaffungskosten

✓  Keinen Notwendigkeit für das Messen von Frequenzen jenseits von etwa 10 Megahertz

✓  Keine Notwendigkeit für Datenübertragung, Datenspeicherung oder -visualisierung über PC, Smartphone oder Tablet

✓  Bewährte Technologie

✓  Einfache Bedienung

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