Lernen › Thema 12

Das Oszilloskop bedienen: Skalen, Trigger und Messungen

7 Min. Lesezeit · bitGateLab-Team

Das Multimeter liefert dir eine Zahl; das Oszilloskop zeigt dir den zeitlichen Verlauf des Signals. Damit siehst du, ob ein Sinussignal abgeschnitten ist, wie viel Restwelligkeit ein Netzteil hat oder wie weit der Ausgang eines Filters seinem Eingang nacheilt. Anfangs schüchtert die Menge der Drehknöpfe ein, aber alles lässt sich auf vier Ideen zurückführen: die vertikale Skala, die horizontale Skala, den Trigger und die Kopplung. Hier lernst du, sie einzustellen und Amplitude, Periodendauer, Frequenz und Phasenverschiebung mit konkreten Zahlen zu messen.

Der Bildschirm: ein Diagramm der Spannung über der Zeit

Der Bildschirm des Oszilloskops ist in ein Raster unterteilt, in der Regel mit 10 horizontalen und 8 vertikalen Skalenteilen. Die vertikale Achse stellt die Spannung dar und die horizontale die Zeit. Jede Messung besteht darin, Skalenteile zu zählen und mit der zugehörigen Skala zu multiplizieren:

Spannung = vertikale Skalenteile × (V/div)
Zeit     = horizontale Skalenteile × (s/div)

Jeder Skalenteil hat auf den Mittelachsen meist fünf markierte Unterteilungen, sodass du mit einer Auflösung von 0.2 Skalenteilen ablesen kannst.

Vertikale Skala (V/div) und Position

Der Regler für die vertikale Skala legt fest, wie viel Volt ein Skalenteil darstellt. Die Werte folgen der 1-2-5-Folge: 10 mV, 20 mV, 50 mV, 100 mV, 200 mV, 500 mV, 1 V, 2 V, 5 V… Der Positionsregler verschiebt die Kurve nach oben oder unten, ohne die Skala zu ändern; mit ihm legst du den 0-V-Bezug dorthin, wo er dir passt.

Als Faustregel wählst du die empfindlichste Skala, bei der das ganze Signal noch auf den Bildschirm passt. Ein Signal, das 6 Skalenteile einnimmt, lässt sich viel genauer messen als eines, das einen halben Skalenteil einnimmt.

Verwendest du einen Teilertastkopf ×10, ist die tatsächliche Spannung das Zehnfache dessen, was du ohne Korrektur sehen würdest. Stelle den Kanal auf das Teilerverhältnis des Tastkopfs ein oder multipliziere den Messwert selbst.

Horizontale Skala (s/div)

Die Zeitbasis gibt an, wie viel Zeit ein horizontaler Skalenteil darstellt. Der ganze Bildschirm umfasst 10 × (s/div). Um die Periodendauer genau zu messen, solltest du zwischen zwei und fünf vollständige Perioden sehen: Mit weniger als einer kannst du die Periodendauer nicht messen, und bei Dutzenden von Perioden drängen sich die Details zusammen.

Zwei Sinussignale mit 500 Hz in einem Raster aus 10 × 8 Skalenteilen. CH1 misst 6 Skalenteile von Spitze zu Spitze, und seine Periode nimmt 4 Skalenteile ein. CH2 durchläuft den Nulldurchgang nach oben 0.4 Skalenteile nach CH1.

Beispiel 1: Amplitude, Periodendauer und Frequenz. Im Bild beträgt die vertikale Skala 2 V/div und die horizontale 0.5 ms/div.

CH1 reicht von +3 bis −3 Skalenteilen: 6 div × 2 V/div = 12 V Spitze-Spitze.
Amplitude: 12/2 = 6 V Scheitelwert. Ist das Signal sinusförmig, beträgt sein Effektivwert 6/√2 = 4.24 V.
Eine vollständige Periode nimmt 4 Skalenteile ein: T = 4 × 0.5 ms = 2 ms.
Frequenz: f = 1/T = 1/0.002 s = 500 Hz.
CH2 misst 4 Skalenteile von Spitze zu Spitze: 8 V Spitze-Spitze oder 4 V Scheitelwert.

Der Trigger

Das Oszilloskop zeichnet das Signal, indem es den Bildschirm immer wieder von links nach rechts durchläuft. Würde jeder Durchlauf an einer anderen Stelle der Kurve beginnen, sähest du übereinanderliegende, „durchlaufende“ Kurven. Der Trigger löst dieses Problem: Der Durchlauf startet erst, wenn das Signal eine bestimmte Spannung in einer bestimmten Richtung kreuzt, sodass alle Durchläufe deckungsgleich sind und das Bild stillsteht. Seine wichtigsten Einstellungen sind:

Quelle: welchen Kanal der Trigger überwacht. Wenn du zwei Signale vergleichst, triggere auf das Bezugssignal.
Pegel: die Spannung, die das Signal kreuzen muss. Er muss innerhalb des Signalbereichs liegen; stellst du ihn über den Scheitelwert, wird nie ausgelöst.
Flanke: steigende oder fallende Flanke.
Modus: In Auto läuft das Oszilloskop auch ohne Triggerereignis durch, nützlich, um das Signal zu finden; in Normal zeichnet es nur, wenn ausgelöst wird, besser für unregelmäßige Signale; in Single (Einzelerfassung) nimmt es ein einziges Ereignis auf und stoppt, ideal für Einschwingvorgänge wie das Einschalten eines Netzteils.

Phasenverschiebung zwischen zwei Kanälen

Hast du zwei Signale gleicher Frequenz auf dem Bildschirm, miss den zeitlichen Abstand Δt zwischen zwei einander entsprechenden Punkten, zum Beispiel den steigenden Nulldurchgängen, und rechne ihn in Grad um:

φ = 360° × Δt / T

Kommt das zweite Signal später als das Bezugssignal, eilt es nach; kommt es früher, eilt es vor. Für mehr Genauigkeit dehne die Zeitbasis um die Nulldurchgänge herum oder verwende in beiden Kanälen dieselbe vertikale Skala und zentriere die Kurven auf null.

Beispiel 2: Phasenverschiebung. Im Bild durchläuft CH2 den Nulldurchgang nach oben 0.4 Skalenteile nach CH1.

Δt = 0.4 div × 0.5 ms/div = 0.2 ms.
φ = 360° × 0.2 ms/2 ms = 36°.
CH2 eilt CH1 um 36° nach.

Anwendung: In der RC-Reihenschaltung aus Wechselstrom und Zeiger (1 kΩ, 1 µF, 100 Hz) eilt die Spannung am Widerstand, die den Verlauf des Stroms hat, der Quelle um 57.9° vor. Mit T = 10 ms würdest du Δt = 57.9/360 × 10 ms = 1.61 ms erwarten. So misst man die Phase eines Stroms mit dem Oszilloskop: über die Spannung an einem Widerstand.

DC- und AC-Kopplung

Jeder Kanal hat einen Wahlschalter für die Kopplung:

DC: zeigt das vollständige Signal einschließlich seines Mittelwerts. Das ist die Standardeinstellung und die richtige Wahl, um Gleichspannungen, Logikpegel oder niederfrequente Signale zu messen.
AC: schaltet einen Kondensator in den Signalweg, der den Gleichanteil sperrt, sodass die Kurve um null zentriert ist. Das entspricht einem Hochpass mit einer Grenzfrequenz von wenigen Hertz.
Masse (GND): trennt das Signal ab und zeigt eine waagerechte Linie bei 0 V, nützlich, um den Bezug zu finden.

Beispiel 3: Restwelligkeit messen. Ein Netzteil liefert 5 V Gleichspannung mit 0.2 V Restwelligkeit von Spitze zu Spitze.

Mit DC-Kopplung bei 2 V/div erscheint die Kurve 2.5 Skalenteile über der Mitte, und die Restwelligkeit nimmt gerade einmal 0.1 Skalenteil ein: Sie ist nicht zu erkennen.
Gehst du auf 50 mV/div herunter, ohne die Kopplung zu ändern, schieben die 5 V die Kurve aus dem Bildschirm.
Mit AC-Kopplung wird der Pegel von 5 V entfernt. Bei 50 mV/div nimmt die Restwelligkeit 0.2/0.05 = 4 Skalenteile ein, und du kannst ihre Form und Frequenz messen.

Vorsicht: Da die AC-Kopplung ein Hochpass ist, verformt sie Signale mit sehr niedriger Frequenz. Bei einem langsamen Rechtecksignal erscheint das flache Dach geneigt.

Häufige Fehler

Den Triggerpegel außerhalb des Signalbereichs einstellen und daraus schließen, dass „kein Signal da ist“.
Den Teilerfaktor des Tastkopfs vergessen und eine zehnmal zu kleine Spannung angeben.
Eine Gleichspannung mit AC-Kopplung messen: Die Kurve bleibt auf null.
Die Phasenverschiebung zwischen Nulldurchgängen entgegengesetzter Flanke messen (einem steigenden und einem fallenden), was 180° hinzufügt.
Eine Zeitbasis wählen, die weniger als eine Periode oder Dutzende davon zeigt, was das Ablesen der Periodendauer ungenau macht.

Probiere es im Simulator aus

Das virtuelle Oszilloskop des Simulators hat im Prinzip dieselben Bedienelemente wie ein Laborgerät und ist damit ein guter Ort, um ohne Risiko zu üben.

Platziere eine Sinusquelle mit 6 V Amplitude und 500 Hz und schließe sie an Kanal 1 an.
Stelle die vertikale Skala auf 2 V/div und die horizontale auf 0.5 ms/div ein und überprüfe, dass du 6 Skalenteile von Spitze zu Spitze und 4 Skalenteile pro Periode siehst.
Schiebe den Triggerpegel über 6 V und beobachte, was mit dem Bild passiert; stelle ihn auf 0 V zurück.
Baue ein RC-Filter auf und schließe Kanal 2 an seinen Ausgang an; miss Δt zwischen den Nulldurchgängen und berechne die Phasenverschiebung.
Füge der Quelle einen Gleichanteil hinzu und wechsle zwischen DC- und AC-Kopplung, um den Unterschied zu sehen.

Übungen

Ein Sinussignal nimmt bei 5 V/div 3.2 Skalenteile von Spitze zu Spitze ein. Berechne seine Spitze-Spitze-Spannung, seinen Scheitelwert und seinen Effektivwert.

Lösung anzeigen
3.2 × 5 = 16 V Spitze-Spitze; 8 V Scheitelwert; 8/√2 = 5.66 V effektiv.
Eine Periode nimmt 2.5 Skalenteile ein, bei einer Zeitbasis von 20 µs/div. Wie groß ist die Frequenz?

Lösung anzeigen
T = 2.5 × 20 µs = 50 µs. f = 1/50 µs = 20 kHz.
Zwei Signale mit 1 kHz liegen bei 0.1 ms/div 1.5 Skalenteile auseinander. Wie groß ist die Phasenverschiebung?

Lösung anzeigen
Δt = 1.5 × 0.1 ms = 0.15 ms und T = 1 ms. φ = 360° × 0.15/1 = 54°.
Du möchtest mindestens drei vollständige Perioden eines Signals mit 1 kHz auf einem Bildschirm mit 10 Skalenteilen sehen. Welche Zeitbasis der 1-2-5-Folge wählst du?

Lösung anzeigen
Drei Perioden dauern 3 ms, du brauchst also mindestens 0.3 ms/div. Der erste Wert der Folge, der das erfüllt, ist 0.5 ms/div; er zeigt 5 ms, also 5 Perioden. Mit 0.2 ms/div würdest du nur 2 sehen.