Digitaloszilloskop: effektiver Einsatz in der Elektrotechnik

Das Oszilloskop (auch Oszillograph oder kurz „OSZI“ genannt) ist ein Instrument, mit dem der Verlauf eines elektrischen Signals als Funktion der Zeit in grafischer Form dargestellt werden kann. Es wird häufig im elektrischen und elektronischen Bereich eingesetzt, z. B. bei der Entwicklung, Wartung und Kalibrierung von elektronischen Geräten sowie bei deren Reparatur.

Wie andere Geräte, die es schon lange gibt, hat es sich in den letzten Jahrzehnten von analogen Modellen mit Kathodenstrahlröhre zu moderneren digitalen Oszilloskopen mit Display entwickelt.

Im Folgenden wird die Funktionsweise eines Digitaloszilloskops erläutert:

• Eingangssignale erfassen: Ein Oszilloskop hat Eingangsbuchsen, über die elektrische Signale von der zu testenden Schaltung über spezielle Kabel und Sonden eingeführt werden. Diese Sonden können Tastköpfe oder andere Arten von Messgeräten sein.
• Vertikale Skalierung und Positionierung: Das eingehende Signal wird zuerst verstärkt oder abgeschwächt, um es an den Messbereich des Oszilloskops anzupassen. Die vertikale Position und Skalierung können eingestellt werden, um verschiedene Amplituden (Spannungshöhen) zu betrachten.
• Zeitliche Skalierung: Die horizontale Achse des Oszilloskops zeigt die Zeit. Die zeitliche Skalierung (oft als Zeitbasis bezeichnet) kann angepasst werden, um unterschiedlich schnelle Signale zu beobachten. Dadurch kann das Oszilloskop schnelle oder langsame Signaländerungen auf dem Bildschirm darstellen.
• Signalverarbeitung: Das Oszilloskop wandelt das analoge Eingangssignal in ein digitales Signal um (in digitalen Oszilloskopen). Dies erfolgt durch einen Prozess, der als Analog-Digital-Umwandlung bekannt ist. Das digitale Signal wird dann verarbeitet, um die Wellenform auf dem Bildschirm zu erzeugen.
• Darstellung auf dem Bildschirm: Das verarbeitete Signal wird als Wellenform auf dem Bildschirm des Oszilloskops dargestellt (Oszillogramm). Die vertikale Achse zeigt die Spannung, während die horizontale Achse die Zeit repräsentiert. Diese Darstellung ermöglicht es, die Eigenschaften des Signals wie Frequenz, Amplitude, Phase und eventuelle Verzerrungen oder Rauschen zu analysieren.

Moderne Oszilloskope bieten zusätzliche Funktionen wie die Möglichkeit, Signale zu speichern und zu analysieren, Trigger-Funktionen, um bestimmte Signalereignisse zu erfassen, mathematische Funktionen zur Signalanalyse und vieles mehr.

Es gibt zahlreiche Arten von digitalen Oszilloskopen auf dem Markt, die sich je nach ihren Funktionen und ihrem Verwendungszweck unterscheiden. Im Folgenden werden wir nicht nur die verschiedenen Arten von Digitaloszilloskopen analysieren, sondern auch das Zubehör, das verwendet werden kann, sowie die Kits und Module, aus denen sie zusammengesetzt werden können.

• Standard-Digitaloszilloskope: Dies sind die Basismodelle, die mit einem Speicher (DSO) zum Speichern der Wellenform und mit verschiedenen Funktionen ausgestattet sind.
• Mixed-Domain-Oszilloskope (MDO): können Signale unterschiedlicher Art erkennen und analysieren, z. B. analoge, digitale und serielle Kommunikation.
• Mixed-Signal-Oszilloskope (MSO): Sie fungieren nicht nur als Oszilloskop, sondern auch als Logik-Analysator.

• Tischoszilloskope: Sie werden als Alternative zu tragbaren digitalen Oszilloskopen verwendet. Sie sind in der Regel größer und verfügen über mehr Funktionen und werden in Labors oder industriellen Umgebungen eingesetzt.
• Taschenoszilloskope: Sie sind klein und werden oft über USB mit Strom versorgt.

• Digitale Oszilloskope für den PC: auch USB-Digitaloszilloskope genannt, da sie über einen USB-Anschluss an den Computer angeschlossen werden. Es handelt sich um Instrumente ohne Tasten und ohne Bildschirm, denn die Steuerung und Anzeige wird dem Computer überlassen. Ihre Vorteile sind ihre große Portabilität, die bequeme Anzeige auf dem PC-Bildschirm, der viel größer ist als die Displays, ein geringerer Preis aufgrund des Fehlens des Displays und der Bedienelemente direkt am Gerät. Zu diesen Vorteilen kommt noch hinzu, dass der Computer die Verarbeitung und Verwaltung der Daten erleichtert.

• Digitale Speicheroszilloskope: Sowohl in der Tischversion als auch in der tragbaren Version ermöglichen sie die Speicherung und Identifizierung von Wellenformen und Transienten über einen langen Zeitraum.
• Digitale Abtastoszilloskope: Diese sind für die Analyse von Hochfrequenzsignalen (bis zu 50 GHz) geeignet.

Es gibt eine große Auswahl an Zubehör für Oszilloskop-Tastköpfe, einschließlich Tastköpfen, Adaptern, Spitzen, elektronischen und mechanischen Komponenten.

Mit Oszilloskop-Kits können Sie ein komplettes System aus Oszilloskop, Tastkopf und Zubehör erwerben oder das Instrument, das Sie bereits besitzen, zur Durchführung bestimmter Aufgaben erweitern.

Durch die Verwendung spezieller Oszilloskop-Module, die sowohl die Analyse- als auch die Anschlussmöglichkeiten Ihres Oszilloskops erweitern, können Sie die Möglichkeiten weiter ausbauen.

Mit digitalen Oszilloskopen können Sie verschiedene Messungen durchführen und wie Werte vom Oszilloskop ablesen, wie z. B.:

• Spannungsmessung als Funktion der Zeit
• Zeit- und Frequenzmessungen
• Messungen von Pulsdauer und Anstiegszeit
• automatische Spitze-Spitze-Frequenzmessung
• Messungen der Phasenverschiebung
• Analyse von Signalen im Frequenzbereich

Die Messung und Anzeige der Ergebnisse erfolgt in vier Hauptsystemen:

Vertikales System: Die vertikale Achse des Bildschirms zeigt das Eingangssignal der Sonde als Funktion der Zeit (horizontale Achse) an. Mit den Bedienelementen des Geräts können Sie die vertikale Skala und damit die Amplitude der Welle, die auf dem Display erscheint, einstellen.

Horizontales System: Die horizontale Achse ermöglicht die Visualisierung des Wellenmusters des Signals durch Komprimierung oder Erweiterung der Zeitskala. Um die Welle sowohl in ihrer Form als auch in ihrer Frequenz korrekt darzustellen, ist es ratsam, eine Abtastfrequenz einzustellen, die für das untersuchte Phänomen korrekt ist.
Damit die Frequenz des Signals erkennbar ist, reicht es aus, dass die Abtastfrequenz größer ist als die Frequenz des zu untersuchenden Phänomens, aber um die Wellenform korrekt wiederzugeben, muss die Abtastfrequenz mindestens 2,5 mal höher sein (bei regelmäßig geformten Wellen, viel höher, wenn wir es mit komplexen Wellen zu tun haben).

Triggersystem: Oszilloskop-Trigger ermöglichen es dem Oszilloskop, nur dann zu starten und Abtastwerte zu erfassen, wenn das Signal bestimmte Bedingungen erfüllt, z. B. wenn ein bestimmter Spannungswert gemessen wird. Es handelt sich im Wesentlichen um ein System, das das Gerät „einschaltet.

Anzeigesystem: Ein gutes digitales Oszilloskop verfügt über mehrere Anzeige- und Messfunktionen, wie z. B. Vergrößern/Verkleinern, Spitzenspannungsmessungen, Frequenzmessungen, Impulsmessungen, Anstiegs-/Abfallzeiten, usw.

Angenommen, ein Ingenieur entwickelt ein neues Netzteil. Eines der wichtigsten Dinge, die überprüft werden müssen, ist die Stabilität der Ausgangsspannung. Jegliche Schwankungen oder Rauschen in der Ausgangsspannung könnten angeschlossene Geräte beeinträchtigen. Der Ingenieur kann ein digitales Oszilloskop verwenden, um die Ausgangsspannung des Netzteils über die Zeit zu überwachen. Wenn es signifikante Spannungsschwankungen oder ein hohes Maß an Rauschen gibt, zeigt das Oszilloskop diese in Form von Abweichungen von der erwarteten Spannungskurve an. So kann der Ingenieur feststellen, ob das Netzteil wie beabsichtigt arbeitet oder ob Änderungen an den Komponenten erforderlich sind.

Oszilloskope werden in verschiedenen Bereichen wie Physik, Medizin und im Ingenieurwesen eingesetzt, um die Entwicklung verschiedener physikalischer Größen zu überprüfen: Mit Hilfe von speziellen Sensoren und Sonden wird die zu untersuchende Größe in ein elektrisches Signal umgewandelt, das vom Oszilloskop analysiert werden kann.
Sobald Sie die Sonden an die zu untersuchende Quelle und an das Gerät angeschlossen haben, erscheint auf dem Bildschirm ein Diagramm, das die Signalveränderung über die Zeit zeigt.

Wenn Sie eine Spannung prüfen und eine Welle sehen, erkennen Sie einen Wechselstrom, dessen Frequenz, Periode, Amplitude, Hintergrundrauschen usw. aus dem Diagramm berechnet werden können, wenn Sie die Bedienelemente, Skalen und Funktionen des Geräts entsprechend verwenden.

Nicht alle physikalischen Phänomene manifestieren sich in einer wellenförmigen Weise, aber bei vielen ist es möglich, einen Wellenzyklus, der sich mehr oder weniger regelmäßig wiederholt, herauszufiltern und hervorzuheben. Das Studium der Form dieses Zyklus und seiner Variationen enthüllt eine Menge Informationen.

Die meisten Wellen lassen sich in die folgenden Typen einteilen:

• Sinuswellen
• Rechteckwellen
• Sägezahnwellen
• Schritt- und Handgelenksformen
• synchrone und asynchrone Signale
• periodische und nicht-periodische Signale

Die Wartung des jeweiligen Geräts wird vom Hersteller angegeben. Es gelten jedoch die allgemeinen Regeln für die regelmäßige Reinigung des Oszilloskops und insbesondere seiner Tastköpfe, die regelmäßig ohne Verwendung von Lösungsmitteln und aggressiven Flüssigkeiten durchgeführt werden muss.

Die Verwendung einer speziellen Software ermöglicht es, mehrere Oszilloskope anzuschließen und zu verwalten und vor allem eine tiefgreifende Datenanalyse ohne spezielle Hardware durchzuführen.

Die Wahl der am besten geeigneten Software hängt vor allem von der Art der Analyse ab, die Sie durchführen möchten, sowie von der Marke und dem Modell des Oszilloskops. Dann folgen weitere Parameter wie Betriebssystem und Systemanforderungen, Anzahl der Lizenzen, verfügbare Sprachen, mögliche Kabel und Zubehör usw.

Im Bereich Oszilloskop-Software finden Sie eine große Auswahl an Software, mit der Sie die Analysemöglichkeiten Ihres Oszilloskops erweitern können.

Moderne digitale Oszilloskope bieten zahlreiche Funktionen und Analysemöglichkeiten, insbesondere in Verbindung mit spezieller Software.

Wenn Sie die Eigenschaften der verschiedenen Typen, des Zubehörs, der Module und der verfügbaren Software kennen, sind Sie in der Lage, die Ihnen zur Verfügung stehenden Werkzeuge optimal zu nutzen – oder zu verstehen, ob Sie mit einem der verfügbaren Upgrades besser arbeiten oder neue Analysen durchführen können, die Sie benötigen.

Wenn dies nicht ausreicht, ermöglicht Ihnen eine sorgfältige Analyse Ihrer Bedürfnisse und der erwarteten Leistung eine fundierte Entscheidung für ein neues Gerät oder ein spezielles Kit.

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