Wie wird ein Oszilloskop verwendet?

Sobald Sie ein Oszilloskop besitzen, müssen Sie einige grundlegende Dinge tun, um es einzurichten und in Betrieb zu nehmen. In diesem Kapitel wird kurz beschrieben, wie ein Oszilloskop verwendet wird. Insbesondere die richtige Erdung ist aus Sicherheitsgründen sehr wichtig, nicht nur für Sie selbst, sondern auch für die integrierten Schaltungen (ICs), die Sie testen. Die Einstellung der Bedienelemente des Oszilloskops, die Kalibrierung des Oszilloskops, der Anschluss der Oszilloskop-Tastköpfe und die Kompensation der Tastköpfe werden ebenso beschrieben wie die grundlegenden Messtechniken des Oszilloskops.

Korrekte Erdung

Eine korrekte Erdung ist ein wichtiger Schritt, wenn Sie Messungen vornehmen oder an einem Stromkreis arbeiten wollen:

• Eine ordnungsgemäße Erdung des Oszilloskops schützt Sie vor einem gefährlichen Stromschlag.
• Eine ordnungsgemäße Erdung schützt Ihre ICs vor Schäden.

Die Erdung des Oszilloskops bedeutet, dass es mit einem elektrisch neutralen Bezugspunkt, wie dem Erdungspunkt, verbunden wird. Erden Sie Ihr Oszilloskop, indem Sie das dreipolige Netzkabel an eine geerdete Steckdose anschließen. Die Erdung des Oszilloskops ist aus Sicherheitsgründen erforderlich. Wenn eine hohe Spannung das Gehäuse eines nicht geerdeten Oszilloskops berührt – egal welcher Teil des Gehäuses, einschließlich der isolierten Knöpfe – können Sie einen Stromschlag bekommen. Mit einem ordnungsgemäß geerdeten Oszilloskop fließt der Strom jedoch durch den Erdungspfad zur Erde und nicht durch Sie zur Erde.

Die Erdung ist auch erforderlich, um genaue Messungen mit dem Oscope durchzuführen. Das Oszilloskop muss denselben Erdungspunkt wie alle Schaltkreise, die Sie testen, teilen. Einige Oszilloskope benötigen keine separate Verbindung zur Erdung. Diese Oszilloskope sind mit isolierten Gehäusen und Bedienelementen ausgestattet, wodurch eine mögliche Stromschlaggefahr vom Benutzer ferngehalten wird.

Wenn Sie mit ICs arbeiten, müssen Sie sich ebenfalls erden. ICs haben winzige Leiterbahnen, die durch statische Elektrizität, die sich an Ihrem Körper aufbaut, beschädigt werden können. Sie können einen teuren IC ruinieren, indem Sie einfach über einen Teppich laufen oder einen Pullover ausziehen und dann die Anschlüsse des ICs berühren. Um dieses Problem zu lösen, tragen Sie ein Erdungsband, wie in Abbildung 64 dargestellt. Dieses Band leitet die statische Aufladung Ihres Körpers sicher zur Erde ab.

Abbildung 64: Typisches Erdungsband für das Handgelenk.

Einstellung der Steuerung

Nachdem Sie das Oszilloskop an das Stromnetz angeschlossen haben, werfen Sie einen Blick auf die Vorderseite. Wie zu Beginn beschrieben in Kapitel 4 – Oszilloskop-Systeme und -Steuerung, ist die Vorderseite in der Regel in drei Hauptbereiche unterteilt, die mit vertikal, horizontal und Trigger bezeichnet sind Je nach Modell und Typ Ihres Oszilloskops können weitere Bereiche vorhanden sein. Beachten Sie die Eingangsanschlüsse Ihres Oszilloskops – hier werden die Tastköpfe angeschlossen. Die meisten Oszilloskope haben mindestens zwei Eingangskanäle, wobei jeder Kanal eine Wellenform auf dem Bildschirm anzeigen kann. Zum Vergleich von Wellenformen sind mehrere Kanäle nützlich. Die Vorderseite eines Mixed-Signal-Oszilloskops (MSO) verfügt auch über digitale Eingänge.

Einige Oszilloskope verfügen über AUTOSET- und/oder DEFAULT-Tasten, mit denen die Regler in einem Schritt auf ein Signal eingestellt werden können. Wenn Ihr Oszilloskop nicht über diese Funktion verfügt, ist es hilfreich, die Regler vor der Messung auf die Standardpositionen einzustellen.

Oszilloskop-Anleitung

1. Stellen Sie das Oszilloskop auf die Anzeige von Kanal 1 ein.
2. Stellen Sie die vertikale Volt-/Teilungsskala und die Positionsregler auf mittlere Positionen.
3. Schalten Sie die variable Volt/Teilung aus.
4. Schalten Sie alle Vergrößerungseinstellungen aus.
5. Stellen Sie die Eingangskopplung von Kanal 1 auf DC.
6. Stellen Sie den Trigger-Modus auf Auto ein.
7. Setzen Sie die Trigger-Quelle auf Kanal 1.
8. Stellen Sie die Trigger-Verzögerung auf ein Minimum oder aus.
9. Stellen Sie die horizontalen Zeit/Teilung- und Positionsregler auf mittlere Positionen.
10. Stellen Sie Kanal 1 Volt/Teilung so ein, dass das Signal einen möglichst großen Teil der 10 vertikalen Teilungen ausfüllt, ohne dass es zu Übersteuerungen oder Signalverzerrungen kommt.

Kalibrieren des Geräts

Zusätzlich zu einer ordnungsgemäßen Einrichtung des Oszilloskops wird für genaue Messungen eine regelmäßige Selbstkalibrierung des Geräts empfohlen. Eine Kalibrierung des Oszilloskops ist erforderlich, wenn sich die Umgebungstemperatur seit der letzten Selbstkalibrierung um mehr als 5° C (9° F) geändert hat oder einmal pro Woche. Im Menü des Oszilloskops kann dies manchmal als Signalpfadkompensation eingeleitet werden. Ausführlichere Anweisungen finden Sie im Handbuch zu Ihrem Oszilloskop.

Anschließen der Tastköpfe

Wenn Sie das Oszilloskop und sich selbst ordnungsgemäß geerdet haben und das Oszilloskop in Standardpositionen aufgestellt haben, können Sie einen Tastkopf an Ihr Oszilloskop anschließen. Ein gut auf das Oszilloskop abgestimmter Tastkopf ermöglicht Ihnen den Zugriff auf die gesamte Leistung des Oszilloskops und gewährleistet die Integrität des zu messenden Signals. Die Messung eines Signals erfordert zwei Anschlüsse:

• Der Anschluss der Tastkopfspitze
• Der Erdungsanschluss

Tastköpfe werden oft mit einer Klammerbefestigung geliefert, um den Tastkopf mit dem zu prüfenden Stromkreis zu erden. In der Praxis befestigen Sie die Erdungsklemme an einem bekannten Erdungspunkt in der Schaltung, wie dem Metallgehäuse eines Produkts, das Sie reparieren und berühren mit der Tastkopfspitze einen Testpunkt in der Schaltung.

Kompensieren der Tastköpfe

Passive Spannungstastköpfe mit Dämpfung müssen an das Oszilloskop kompensiert werden. Bevor Sie einen passiven Tastkopf verwenden, müssen Sie ihn ebenfalls kompensieren, um seine elektrischen Eigenschaften an ein bestimmtes Oszilloskop anzupassen. Deshalb sollten Sie sich angewöhnen, den Tastkopf jedes Mal zu kompensieren, wenn Sie Ihr Oszilloskop einrichten. Ein schlecht eingestellter Tastkopf kann dazu führen, dass Ihre Messungen ungenauer werden. Abbildung 65 veranschaulicht die Auswirkungen auf ein 1-MHz-Prüfsignal bei Verwendung eines nicht ordnungsgemäß kompensierten Tastkopfes.

Die meisten Oszilloskope verfügen über ein Rechteck-Referenzsignal, das an einem Anschluss auf der Vorderseite zur Kompensation des Tastkopfes verwendet wird. Für die Kompensation des Tastkopfes gilt die folgende allgemeine Anleitung:

1. Befestigen Sie den Tastkopf an einem vertikalen Kanal.
2. Verbinden Sie die Spitze des Tastkopfes mit der Tastkopfkompensation, also dem Rechteck-Referenzsignal.
3. Bringen Sie die Erdungsklemme der Sonde an Masse an.
4. Betrachten Sie das Rechteck-Referenzsignal.
5. Nehmen Sie die richtigen Einstellungen an dem Tastkopf vor, damit die Ecken der Rechteckwelle quadratisch sind.

Oszilloskop-Messtechniken

Die beiden grundlegenden Oszilloskop-Messungen, die Sie durchführen können, sind:

• Spannungsmessungen
• Zeitmessungen

Nahezu jede andere Messung basiert auf einer dieser beiden grundlegenden Techniken.

In diesem Abschnitt werden Methoden zur Verwendung des Oszilloskops für visuelle Messungen auf dem Bildschirm des Oszilloskops erläutert. Dies ist eine gängige Technik bei analogen Instrumenten und kann auch für die Interpretation von digitalen Oszilloskop-Anzeigen „auf einen Blick“ nützlich sein.

Beachten Sie, dass die meisten digitalen Oszilloskope automatische Messwerkzeuge enthalten, die gängige Analyseaufgaben vereinfachen sowie beschleunigen und so die Zuverlässigkeit und das Vertrauen in Ihre Messungen erhöhen. Wenn Sie jedoch wissen, wie Sie die hier beschriebenen Messungen manuell durchführen, werden Sie die automatischen Messungen besser verstehen und überprüfen können.

Spannungsmessungen

Die Spannung ist das elektrische Potenzial, ausgedrückt in Volt, zwischen zwei Punkten in einem Stromkreis. Normalerweise ist einer dieser Punkte Masse (Null Volt), allerdings nicht immer. Spannungen können auch von Spitze-zu-Spitze gemessen werden. Das heißt, vom Maximalpunkt eines Signals bis zum Minimalpunkt. Sie müssen genau darauf achten, dass Sie die gewünschte Spannung angeben. Das Oszilloskop ist ein Gerät zur Messung der Spannung. Sobald Sie die Spannung gemessen haben, sind andere Größen nur noch eine Berechnung entfernt. Das Ohm'sche Gesetz besagt etwa, dass die Spannung zwischen zwei Punkten in einem Stromkreis gleich dem Strom multipliziert mit dem Widerstand ist. Aus zwei dieser Größen lässt sich die Dritte mithilfe der nachstehenden Formel berechnen.

Spannung = Strom x Widerstand

Eine weitere praktische Formel ist das Potenzgesetz, demzufolge die Leistung eines Gleichstromsignals gleich der Spannung multipliziert mit dem Strom ist. Bei Wechselstromsignalen sind die Berechnungen komplizierter, aber hier geht es darum, dass die Messung der Spannung der erste Schritt zur Berechnung anderer Größen ist. Abbildung 66 zeigt die Spannung einer Spitze (V_p) und die Spitze-Spitze-Spannung (V_p–p).

Abbildung 66: Spannungsspitze (V_p) und Spitze-Spitze-Spannung (V_p-p).

Die einfachste Methode der Spannungsmessung besteht darin, die Anzahl der Teilungen einer Wellenform auf der vertikalen Skala des Oszilloskops zu zählen. Wenn Sie das Signal so einstellen, dass es den größten Teil der Anzeige vertikal abdeckt, erhalten Sie die besten Spannungsmessungen, wie in Abbildung 67 dargestellt. Je mehr Fläche Sie auf dem Bildschirm verwenden, desto genauer können Sie die Messung ablesen.

Abbildung 67: Messen Sie die Spannung an der mittleren vertikalen Linie des Gitternetzes.

Viele Oszilloskope verfügen über Cursors, mit denen Sie Wellenformmessungen automatisch durchführen können, ohne dass Sie Strichstärken zählen müssen. Ein Cursor ist eine einfache Linie, die Sie über das Display bewegen können. Zwei horizontale Cursorlinien können nach oben und unten bewegt werden, um die Amplitude einer Wellenform für Spannungsmessungen zu klammern, während zwei vertikale Linien sich nach rechts und links für Zeitmessungen bewegen. Eine Anzeige zeigt die Spannung oder die Zeit an ihren Positionen an.

Zeit- und Frequenzmessungen

Sie können Zeitmessungen mithilfe der horizontalen Skala des Oszilloskops durchführen. Zeitmessungen umfassen die Messung der Periode und der Impulsbreite von Impulsen. Die Frequenz ist der Kehrwert der Periode. Wenn Sie also die Periode kennen, ist die Frequenz eins geteilt durch die Periode. Wie Spannungsmessungen sind auch Zeitmessungen genauer, wenn Sie den Teil des zu messenden Signals so einstellen, dass er einen großen Bereich der Anzeige abdeckt, wie in Abbildung 68 dargestellt.

Abbildung 68: Messen Sie die Zeit auf der mittleren horizontalen Linie des Gitternetzes.

Pulsweiten- und Anstiegszeitmessungen

In vielen Anwendungen sind die Details der Form eines Impulses wichtig. Impulse können verzerrt werden und zu Fehlfunktionen in einem digitalen Schaltkreis führen, wobei das Timing von Impulsen in einer Impulsfolge oft von Bedeutung ist.

Standard-Impulsmessungen sind Impulsanstiegszeit und Impulsbreite. Die Anstiegszeit ist die Zeitspanne, die ein Impuls benötigt, um von einer niedrigen auf eine hohe Spannung zu wechseln. Konventionell wird die Anstiegszeit von 10 % bis 90 % der vollen Impulsspannung gemessen. Dadurch werden Unregelmäßigkeiten an den Übergangsecken des Impulses vermieden.

Die Impulsbreite ist die Zeit, die der Impuls benötigt, um von einem niedrigen zu einem hohen Wert und wieder zurück zu einem niedrigen Wert zu wechseln. Konventionell wird die Impulsbreite bei 50 % der vollen Spannung gemessen. Abbildung 69 veranschaulicht diese Messpunkte.

Abbildung 69: Messpunkte für Anstiegszeit und Impulsbreite.

Impulsmessungen erfordern oft eine Feinabstimmung der Triggerung. Um Experte im Erfassen von Impulsen zu werden, sollten Sie lernen, wie man Trigger-Hold-Off verwendet und das Digitaloszilloskop so einstellt, dass es Pre-Trigger-Daten erfasst, wie in Kapitel 4 - Oszilloskop-Systeme und Bedienelemente beschrieben. Die horizontale Vergrößerung ist eine weitere nützliche Funktion für die Messung von Impulsen, da sie es Ihnen ermöglicht, feine Details eines schnellen Impulses zu erkennen.

Erfahren Sie mehr über die Verwendung eines Oszilloskops im Oszilloskop-Lernzentrum und laden Sie unser Poster zu den Oszilloskop-Grundlagen mit schrittweisen Anleitungen zum Einrichten Ihres Oszilloskops herunter, um es in Ihrem Labor aufzuhängen. Wenn Sie Ihr Oszilloskop bisher nicht gekauft haben oder aufrüsten möchten, um fortschrittlichere Tests durchzuführen, kaufen Sie noch heute das Oscope von Tektronix.