Digital-Oszilloskope
(457)Man kann sich kaum einen Elektroniker vorstellen, der noch nie einem Oszilloskop begegnet ist. Dabei handelt es sich um multifunktionale und präzise Messgeräte, die derzeit fast ausschließlich in digitaler Ausführung erhältlich sind. In den letzten Jahrzehnten sind viele erschwingliche Modelle auf dem Markt erschienen (oft für Nutzung bei Bastlern, Amateuren und Schülern gedacht). Da sich das Angebot von TME nicht nur an erfahrene Fachleute richtet, stellen wir im Folgenden die allgemeinen Eigenschaften digitaler Oszilloskope vor und gehen detailliert auf ihre wichtigsten Funktionen und Anwendungsbereiche ein.
Wer nutzt Oszilloskope?
Oszilloskope gehören zu den wichtigsten Messgeräten, daher müsste die Antwort auf diese Frage lauten: Jeder, der sich mit Elektronik beschäftigt. Mit einem Oszilloskop kann man Spannungsänderungen im Laufe der Zeit beobachten, wodurch man den Betrieb elektrischer und elektronischer Schaltkreise (z. B. Netzteile und Wandler) analysieren, den Betrieb von Prototypen überprüfen, Untersuchungen durchführen und die Grundgesetze der Physik unterrichten kann. Im Bereich der Funktechnik, deren Einsatzmöglichkeiten mit der Entwicklung kabelloser Kommunikationsmethoden immer größer werden, ist das Arbeiten ohne Oszilloskop praktisch unmöglich, da es uns ermöglicht, die richtigen Betriebsparameter von Sendern und Empfängern zu ermitteln. Im Fall der digitalen Elektronik gibt es für Oszilloskope weniger Anwendungen, sie werden hauptsächlich zur Erkennung von Interferenzen, zur Untersuchung von PWM-Signalen und zum Betrieb von A/D- und D/A-Wandlern verwendet. Es sollte jedoch auch betont werden, dass die Grundfunktionen von Oszilloskopen ständig erweitert werden, was sich auch im Bereich der Analyse von Kommunikationsprotokollen usw. als nützlich erweist.
Unterschied zwischen analogen und digitalen Oszilloskopen
Nur wenige Elektroniker verwenden immer noch analoge Oszilloskope (normalerweise aus Gewohnheit und aus Kostengründen), es darf aber nicht vergessen werden, dass sie jahrzehntelang die einzige verfügbare Option waren. Ihre Funktionsweise basierte (ganz einfach ausgedrückt) auf der Verarbeitung und Verstärkung elektrischer Signale, sodass sie den auf den Schirm gerichteten Elektronenstrahl mithilfe von Elektromagneten krümmten. Die Änderungen der Stromwerte in den Elektromagnetspulen (zyklisch für die horizontale Achse und abhängig von der Eingangsspannung für die vertikale Achse) verursachten die Bewegung des Punktes, an dem Elektronen auf die Oberfläche der Röhre fielen. Durch die Anpassung der Frequenz, mit der sich die horizontale Koordinate des Punktes ändert, an die Frequenz des Signals, konnte auf dem Bildschirm ein klares Diagramm der Spannungsänderungen über einen bestimmten Zeitraum erzeugt werden. Bei digitalen Oszilloskopen werden, wie der Name schon sagt, Messungen mit Analog/Digital-Wandlern durchgeführt und die erfassten Daten werden im Speicher abgelegt und nicht direkt, sondern per Software auf dem Bildschirm dargestellt.
Vorteile und Funktionen digitaler Oszilloskope
Da Messergebnisse in digitalen Oszilloskopen als Daten gespeichert werden, können wir sie in Software und mithilfe von Logikschaltungen verarbeiten. Dies ermöglicht die Herstellung von Geräten mit einem großen Messbereich und einer detaillierten Analyse der erhobenen Werte. Eine solche Untersuchung wird mit mehreren Funktionalitäten durchgeführt:
Speichern und Anzeigen des Spannungsverlaufs
Im Gegensatz zu analogen Geräten können digitale Oszilloskope sogar einen einzelnen Impuls grafisch darstellen, da das gemessene Signal nicht periodisch sein muss. Es ist jedoch auch möglich, Spannungswerte in Echtzeit zu verfolgen, während die Software automatisch Extremwerte bereitstellt und die Abtastperiode anpasst. Es ist auch möglich, die Teile des Diagramms zu vergrößern und seinen Maßstab für jeden Kanal separat anzupassen.
Mess- und Analysefunktionen
Die Grundfunktionen digitaler Oszilloskope ermöglichen die Durchführung von Spannungs- und Frequenzmessungen sowie mathematischen Operationen an ausgewählten Werten und Kurven, wodurch man Phasen, Taktsignale oder PWM-Signale überprüfen kann. In den Geräten ist häufig auch die FFT-Funktion verfügbar (Fast Fourier Transform), wodurch das Oszilloskop als Spektrumanalysator fungieren kann (so dass man unter anderem Interferenzen, Rauschen und andere Signale in einem breiten Frequenzspektrum identifizieren kann).
Auslösemöglichkeiten
Digitale Oszilloskope bieten dem Benutzer umfangreiche Möglichkeiten hinsichtlich der Triggereinstellungen, d.h. der Bestimmung der Bedingungen, nach deren Erfüllung die Messung gestartet wird. Die Einstellungen in diesem Bereich umfassen Überschreitung des eingestellten Pegels, Impuls, Erkennung einer fallenden oder steigenden Flanke und sogar Krümmung. Die Geräte sind außerdem mit einer Warte- oder Totzeitsteuerung ausgestattet, also mit der Funktion Holdoff Control. Dank eines solchen Aufbaus kann das Oszilloskop zur Beobachtung bestimmter Teile der Wellenform und Anomalien und sogar zur Überwachung serieller Kommunikationsleitungen verwendet werden.
Konnektivität und Datenübertragung
Zum Zusammenfassen und Analysieren großer Datenmengen wird meist spezielle Computersoftware verwendet. Um den Datenimport aus dem Oszilloskop zu ermöglichen, sind solche Geräte mit Standard-Kommunikationsschnittstellen (USB, Ethernet, manchmal sogar WLAN) ausgestattet. So kann man nicht nur Informationen herunterladen, sondern auch Messungen in Echtzeit beobachten und sogar das Oszilloskop fernsteuern. Diese Art von Annehmlichkeiten sind besonders nützlich unter Laborbedingungen und im Stadium des Prototypenbaus – insbesondere, wenn sie von Ingenieurteams durchgeführt werden, in deren Fall der Austausch von Arbeitsergebnissen zu den wichtigsten Aspekten der Tätigkeit zählt.
Sonden und Zubehör
Eine weitere Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten von Oszilloskopen sind spezialisierte Sonden, mit denen Sie verschiedene Größen sowie den Betrieb von Energiequellen und Signalen untersuchen kann. Dazu gehören folgende Sonden: passive Sonden (typisch), ausgestattet mit Dämpfungsfaktorschalter (d.h. mit einem Spannungsteiler, der die Empfindlichkeit gegen Rauschen begrenzt), Stromsonden (zur Aufzeichnung von Stromstärkenänderungen), Differenzialsonden (werden hauptsächlich zur Messung von Hochspannungswerten in Versorgungsleitungen verwendet) und aktive Sonden (die zusätzliche Funktionen oder einen erweiterten Bereich getesteter Frequenzen bieten können).
Softwarebasierte Schnittstelle
Ein riesiger Vorteil digitaler Oszilloskope ist ihre umfangreiche Schnittstelle, die nicht nur die Fähigkeiten der Geräte erweitert, sondern auch ihre Verwendung erleichtert. Erstens ermöglicht der relativ hochaufgelöste Bildschirm die Anzeige detaillierter Informationen sowie „Tipps“ und Erklärungen zu einzelnen Funktionen. Zweitens macht die Verwendung von Touch-Matrizen die Bedienung des Oszilloskops nahezu intuitiv. Drittens kann der Benutzer die Bedienung des Geräts an seine Bedürfnisse anpassen, z.B. durch das Speichern von Einstellungen, um häufig wiederkehrende Messungen durchzuführen. Abschließend sollte auch betont werden, dass Hersteller oft Patches für die Software ihrer Oszilloskope anbieten, um deren Funktionalität und Genauigkeit zu verbessern – separate Pakete der firmware sind manchmal gegen eine zusätzliche Gebühr erhältlich und bieten eine erhebliche Erweiterung der Fähigkeiten der Geräte.
Zusatzfunktionen
Moderne Oszilloskope sind Laborgeräte, deren Fähigkeiten weit über das Messen hinausgehen. Sie verfügen oft über eingebaute Funktionsgeneratoren mit verschiedenen Wellenformen, können Kommunikationsprotokollsignale dekodieren und dienen sogar als Logikanalysatoren (die den Zustand mehrerer Leitungen über einen relativ langen Zeitraum aufzeichnen). Diese Funktionen sind besonders nützlich bei der Arbeit mit digitaler Elektronik.
Einsatz digitaler Oszilloskope
Die oben genannten Funktionen ermöglichen den Einsatz von Oszilloskopen in vielen Bereichen – sie sind zudem zu preisgünstigeren Geräten geworden. Darüber hinaus zeichnen sich bereits die Basismodelle durch eine hohe Arbeitsfrequenz, gute Auflösung und Genauigkeit aus. Dadurch hat sich nicht nur der Anwendungsbereich von Oszilloskopen erweitert, sondern auch der Kreis ihrer Nutzer.
Prüfung und Wartung elektronischer Schaltungen
Ein Bereich, in dem Oszilloskope ein unverzichtbares Gerät sind, ist das Design und die Reparatur elektronischer Geräte. In diesem Bereich kommt es vor allem darauf an, die im Design vorgesehenen passenden Spannungs-, Strom- und Frequenzwerte zu erhalten. Mit dem Oszilloskop kann man Abweichungen von den korrekten Betriebsparametern erkennen sowie Fehler oder falsche Annahmen in der Entwurfsphase identifizieren.
Signalanalyse in der Telekommunikation
Kommunikations- und Telekommunikationsstandards definieren streng die zulässigen Betriebsspezifikationen von Geräten und Komponenten. Im Falle von Störungen oder gar Fehlern können die Ursachen für diesen Zustand mit dem Oszilloskop erkannt werden – man kann die Störquelle lokalisieren, die Zeiten messen, mit denen Signale übertragen werden, die passenden Spannungswerte zwischen den Leitungen ermitteln usw.
Qualität der Versorgungsquelle
Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet digitaler Oszilloskope ist die Untersuchung der Versorgungsquellen und der Energiequalität. Hierbei handelt es sich um typische Tätigkeiten im Rahmen der Wartung und Inspektion von Industriebetrieben, insbesondere von Maschinenparks, in denen automatisierte Systeme betrieben werden. Hierbei werden die Oszilloskope für die Verifizierung der in den Versorgungsleitungen oder an den Wechselrichterausgängen anliegenden Spannungen sowie der an einzelnen Komponenten abgegebenen Ströme eingesetzt – um einen optimalen Systembetrieb und die Sicherheit der Maschinenbediener zu gewährleisten.
Forschung und Entwicklung
Da sich digitale Oszilloskope nicht nur durch Multifunktionalität, sondern auch durch hohe Empfindlichkeit auszeichnen, werden sie häufig in der Laborforschung eingesetzt – in Entwicklungszentren und an den Universitäten. Sie werden natürlich in den Bereichen der Physik, Elektrotechnik, Funktechnik, aber auch in der Chemie, Astronomie und Medizin eingesetzt – praktisch in allen Disziplinen, in denen elektronische Geräte eine immer wichtigere Rolle spielen.
Bildung
Abschließend muss betont werden, dass Oszilloskope ein ausgezeichnetes Lehrmittel sind. Dadurch können Schüler und Studenten den Verlauf des elektrischen Stroms experimentell untersuchen und „sehen“, was oft schwer darstellbar ist und oft mithilfe reiner Theorie vermittelt wird – was nicht immer zu zufriedenstellenden Ergebnissen führt.
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