mini|Kompaktes digitales Oszilloskop von 1997 mit Flüssigkristallanzeige mini|Analoges Oszilloskop aus den 1970er Jahren mit Röhrenanzeige mini|Ein Oszillogramm eines Sinus-Signals auf einem analogen Oszilloskop. Aus der Signalkurve können mittels der Gitter­einteilung und den oben eingeblen­deten Einstel­lungen des Geräts die Periodendauer und der Spitze-Tal-Wert des Signals ermittelt werden. Moderne digitale Geräte berechnen die Signal­parameter automatisch.

Ein Oszilloskop (lat. oscillare „schaukeln“, altgr. σκοπεῖν skopein „betrachten“) ist ein elektronisches Messgerät, das in seiner bevorzugten Anwendung für eine oder mehrere elektrische Spannungen deren zeitlichen Verlauf auf einem Bildschirm sichtbar macht. Das Oszilloskop stellt einen Verlaufsgraphen in einem zweidimensionalen Koordinatensystem dar, wobei üblicherweise die (horizontale) x-Achse die Zeitachse ist und die (vertikale) y-Achse die Spannungsachse. Das so entstehende Bild wird als Oszillogramm bezeichnet.

Es gibt analoge und digitale Oszilloskope, wobei die analogen Geräte von den digitalen fast vollständig vom Markt verdrängt worden sind. Das Oszilloskop ist neben dem Multimeter eines der wichtigsten Messgeräte in der Elektronik und der Elektrotechnik. Der Bereich messbarer Spannungen reicht einerseits von Gleichspannung über niederfrequente Spannung, wie sie im elektrischen Versorgungsnetz auftritt, Spannung in der Tontechnik bis hin zum hochfrequenten Signal bei Radios, Fernsehern oder Computern; andererseits reicht der Bereich unter Verwendung von Standardzubehör von wenigen Millivolt bis zu einigen hundert Volt (im Spitzenwert).

Manchmal wird noch die Bezeichnung Oszillograph verwendet, die in einer frühen Phase der Entwicklung für ein auf Papier schreibendes Gerät korrekt war. Saloppe Bezeichnungen sind Scope, Oscar oder Oszi.

Messung Allgemein kann jeder Vorgang, der sich als zeitlicher Verlauf einer elektrischen Spannung abbilden lässt, mit dem Oszilloskop durch einen stetigen oder unstetigen Kurvenzug dargestellt werden. Dazu hat es eine rechteckige Anzeigefläche. Vorzugsweise werden periodische Verläufe betrachtet, deren charakteristische Einzelheiten ihrer „Form“ erfasst werden sollen. Dabei dient die x-Ablenkung der Zeitdarstellung.

Die Eingangsspannungen werden meistens über BNC-Buchsen auf der Frontseite direkt oder unter Verwendung eines Tastkopfes angeschlossen. Die Buchsen sind bei Laborgeräten über Schutzleiter einseitig mit Masse (Gehäuse, Schutzkontakt) verbunden. Entsprechend muss jede zu messende Spannung einseitig in gleicher Weise geerdet oder potentialfrei sein. Vorzugsweise sind 2 oder 4 Eingangskanäle vorhanden für die Beeinflussung der y-Ablenkung von 2 oder 4 Eingangsspannungen.

Bei den meisten Oszilloskopen ist ein Eingang für die x-Ablenkung verwendbar, wodurch nicht nur zeitabhängige Funktionen dargestellt werden können (t-y-Darstellung), sondern auch x-y-Darstellungen (wie etwa Lissajous-Figuren oder Kennlinien). Gelegentlich gibt es einen z-Eingang, über den die Intensität des Kurvenzugs beeinflusst werden kann.

Viele physikalische Größen können über Messumformer durch Spannungssignale dargestellt werden. Dann können am Oszilloskop auch deren Einzelheiten wie Spitze-Tal-Wert, Gleichanteil bzw. Periodendauer, Zeitspanne, Phasenverschiebung gemessen werden.

Je nach Ausstattung ist eine Summen- oder Differenzbildung zwischen zwei Kanälen möglich oder die Darstellung anderer als zeitlicher Zusammenhänge, beispielsweise in Form von Kennlinien elektronischer Bauelemente (mit einer Zusatzschaltung über die x-Ablenkung) Frequenzgängen elektronischer Schaltungen (mit einem Wobbelgenerator).

Aufbau und Einstellmöglichkeiten mini|Blockschaltbild eines Oszilloskops

Einen Überblick über den Aufbau eines Oszilloskops gibt das gezeigte Blockschaltbild.

Die Einstellmöglichkeiten sind je nach Fabrikat vielfältig. (Die hier genannten Möglichkeiten sind repräsentativ und keineswegs vollständig bzw. keineswegs auf jedem Gerät vorhanden.)

Vertikalbaugruppe mini|Typischer Aufbau einer Eingangsstufe

Wesentliche Bestandteile hierzu sind für jeden Kanal ein hochwertiger Verstärker von Gleichspannung bis zu Wechselspannung mit hoher Frequenz (typisch 100…500 MHz) ein Wahlschalter für den Spannungs-Messbereich ein Einsteller für die Höhe der Nulllinie (y-Position) ein Eingangswahlschalter mit den Möglichkeiten der Aufnahme des Wechselspannungsanteils der angelegten Spannung (Stellung AC) der gesamten Spannung einschließlich Gleichanteil (Stellung DC) der Nulllinie (Stellung GND).

Wie jedes Messgerät soll ein Oszilloskop die zu untersuchende Schaltung möglichst wenig beeinflussen und das anliegende Signal möglichst wenig verfälschen. Damit soll die Eingangsimpedanz möglichst hoch sein, zugleich sollen möglichst keine Reflexionen auf der Messleitung auftreten. Diese Forderungen können nicht miteinander vereint werden.

Ein Universal-Oszilloskop hat in der Regel einen Eingangswiderstand von 1 MΩ und eine Eingangskapazität von 20 bis 50 pF. Mit einem Tastkopf können der Widerstand erhöht und die Kapazität vermindert werden, meistens aber unter Verzicht auf die untersten Messbereiche für kleine Spannungen. Bei Spezial-Oszilloskopen für reflexionsarme Hochfrequenz-Anwendungen kann der Eingangswiderstand 50 Ω betragen.

Eine Besonderheit beim Oszilloskop: Der Spannungsnullpunkt liegt weder fest an einem Bildrand noch fest auf der Mittellinie, sondern stets da, wo er zur optimalen Bildschirmausnutzung individuell hingelegt wird.

Triggerbaugruppe mini|Zur Triggerung:Dünne Linie: eine fortlaufend am Eingang vorhandene Sägezahn-Spannung.Dicke Linie: Teil der Eingangsspannung, der bei gegebenem Maßstab auf dem Bildschirm sichtbar ist (bei Triggerung auf positiven Anstieg).

Ein anliegendes Signal wird fortlaufend gemessen und vom linken Rand der Anzeigefläche bis zum rechten immer wieder neu gezeichnet. Um bei den periodischen Signalen ein stehendes Bild zu erhalten, ist es nötig, den Bildschirm-Durchlauf so lange aufzuhalten, bis das darzustellende Signal einen festgelegten Anfangszustand erreicht. Erst dann wird eine neue Darstellung ausgelöst. Die Durchläufe sind somit identisch und frischen das Bild immer wieder auf.

Üblicherweise werden dazu eingestellt das Triggerniveau (LEVEL, stufenlos einstellbare Spannung) den Triggeranstieg, mit dem das Signal das Triggerniveau überquert(SLOPE, + oder −) die Triggerbetriebsart (MODE, normal oder automatisch). Wenn die eingestellte Triggerbedingung durch das ausgewählte Triggersignal nicht erfüllt wird, bleibt die Zeitablenkung bei Normalbetrieb in Warteposition; im Automatikbetrieb entsteht dann eine, allerdings freilaufende, Darstellung. Beispielsweise kann Gleichspannung nicht triggern; auch für das Suchen des Signalverlaufs bis zur korrekten Einstellung der Vertikalbaugruppe ist der Freilauf hilfreich.

Als Triggerquelle, von deren Spannungsverlauf ausgelöst werden soll, kommt infrage jeder der Kanäle (CH1, CH2, …) ein externer Triggereingang (EXT) das Versorgungsnetz (50 Hz; LINE), da häufig netzsynchrone Ereignisse zu erfassen sind.

Je nach Ausstattung des Oszilloskops gibt es noch spezielle Triggerschaltungen, die z. B. TV-Signale oder den I2C-Buszyklus erkennen und zur Auslösung verwenden.

Horizontalbaugruppe Für den horizontalen Durchlauf des Bildes sorgt eine Zeitbasis, die ebenfalls hohen Anforderungen genügen muss. Sie hat Einstellmöglichkeiten für den Zeit-Messbereich die horizontale Position des Bildanfangs. Bei einem Analogoszilloskop erzeugt sie eine ab dem Triggerzeitpunkt mit der Zeit streng linear ansteigende Spannung („Sägezahnspannung“), die für die Horizontalablenkung verwendet wird.

Bei einem Digitaloszilloskop wird der Verlauf abgetastet, und die Daten der Messpunkte werden in einem Datenspeicher abgelegt, der ringförmig immer wieder überschrieben wird. Hier sorgt die Zeitbasis für den zeitlichen Abstand, in dem Messdaten gewonnen und in den Speicher geschrieben werden. Diese werden dann – ab einem festgelegten Abstand zum Triggerzeitpunkt – zum Bildaufbau verwendet. Der Datenspeicher übernimmt Daten für eine längere Zeitspanne als die Zeitspanne, die auf dem Bildschirm angezeigt wird. Dadurch kann bereits die Vorgeschichte des Trigger-Ereignisses („pre trigger“) angezeigt werden.

Bei digitalen Oszilloskopen gibt es auch die bequeme Möglichkeit, einmalige Ereignisse darzustellen („single“). Ab Triggerereignis wird der Datenspeicher nur noch mit einer festgelegten Anzahl von Messpunkten beschrieben, aber nicht mehr ständig überschrieben. Dadurch lässt sich ein transientes Signal aufnehmen und beliebig lange anzeigen.

Komfortable Oszilloskope verfügen über zwei Zeitbasen. Neben der Hauptzeitbasis gibt es eine zweite Zeitbasis, mit der bei schnellerem Durchlauf Ausschnittvergrößerungen erzeugt werden können. Diese startet nach einer einstellbaren Verzögerungszeit nach Triggerung der Hauptzeitbasis; oder sie wird nach der eingestellten Verzögerungszeit triggerbar aufgrund eines zweiten Triggerereignisses. Auf diese Weise ist ein Ereignis viel feiner auflösbar, als das mit der Hauptzeitbasis möglich ist, wenn das Ereignis in einem größeren Abstand nach dem Triggerereignis auftritt. Die zweite Zeitbasis kann entfallen, wenn Daten von vornherein ganz wesentlich dichter erfasst und in den Speicher geschrieben werden, als sie zum Bildaufbau verwendbar sind. Zur besseren Auflösung des Ereignisses wird ein Ausschnitt der Daten gespreizt dargestellt.

Messbereiche Um Messwerte ablesen zu können, enthält der Bildschirm ein Raster. Bevorzugt wird es mit 10 Teilungen (Divisions, kurz „div“) waagerecht und 8 div senkrecht ausgestattet. Ein Messbereich wird hier – anders als in der Messtechnik bevorzugt – nicht durch einen Nullpunkt und einen Messbereichsendwert, sondern durch einen Maßstab („scale“) oder Ablenkkoeffizienten gekennzeichnet.

Zur quantitativen Beschreibung der Zeit auf dem Bildschirm dient die Angabe

Typisch einstellbare Maßstäbe sind 10 ns/div … 1 s/div mit drei Einstellungen pro Zehnerpotenz in den Faktoren 1, 2 und 5.

Aber auch 20 ps/divWaveRunner 6 Zi Oscilloscopes 400 MHz –4 GHz. Datenblatt, S. 12 Auf: cdn.teledynelecroy.com; abgerufen am 25. Juli 2023. oder 5000 s/div Datenblatt, S. 7. Abgerufen am 25. Juli 2023. werden angeboten.

Die Einstellmöglichkeiten reichen also typisch über die große Spanne von rund acht Zehnerpotenzen, fallweise noch einige mehr.

Zur quantitativen Beschreibung der Spannung auf dem Bildschirm dient die Angabe

Typisch einstellbare Maßstäbe sind 2 mV/div … 5 V/div in derselben Stufung wie für die Zeit.

Arten Digitales Oszilloskop mini|Mit einem digitalen Oszilloskop aufgenommenes Oszillogramm

Überblick mini|Digitales Oszilloskop für höhere An­sprü­che, mit farbiger TFT-Anzeige, 2012 mini|Digitales Oszilloskop, Einsteiger-Modell, mit farbiger TFT-Anzeige, 2008

Heute werden überwiegend digitale Oszilloskope (DSO, englisch: Digital Storage Oscilloscopes) verwendet. Sie setzen für jeden Kanal nach einer analogtechnischen Verstärkung die Spannungswerte zu diskreten Zeitpunkten um in Digitalsignale und legen die Daten in einem Datenspeicher ab. Diese werden dann für den Bildaufbau verwendet, können aber auch nach der Messung auf einem externen Speicher abgelegt oder auf einen PC übertragen werden.

Es gibt verschiedene Ausstattungsstufen sowie Mischformen zwischen Analog- und Digitaloszilloskopen. Zusätzlich zu den oben genannten Mess-Möglichkeiten enthalten Digitaloszilloskope weitere Funktionen, beispielsweise: Pre-Triggerung zur Betrachtung der Vorgeschichte eines Ereignisses, das die Triggerung auslöst, zum Beispiel wenn die Ursache einer Spannungsspitze gesucht wird Mittelwertbildung über viele Bilddurchläufe zur Störunterdrückung bei periodischen Signalen Berechnung von Anstiegszeit, Impulsbreite, Amplitude, Frequenz usw. Berechnung von Frequenzspektren / FFT, Histogrammen und Statistiken automatische Einstellung auf ein unbekanntes Signal.