Ein Oszilloskop besteht aus einem Display, einer Einstellmöglichkeit für die Zeitbasis, den Reglern für die Signalspannung sowie Eingangskanälen zum Anschluss eines Tastkopfes. Im Beitrag Funktionseinheiten werden diese Elemente genauer erklärt. Es gibt nun zwei Arten von Oszilloskopen: analog und digital.
Aufbau und Funktionsweise eines Analogoszilloskops
Aufbau und Funktionsweise eines Analogoszilloskops: Die Elektronenstrahlröhre.
Das Analogoszilloskop basiert wesentlich auf der sogenannten Elektronenstrahl- oder Kathodenstrahlröhre. Die Kathodenstrahlröhre ist vergleichbar mit der Bildröhre in alten Fernsehern. Im oberen Bild ist die Kathodenstrahlröhre dargestellt. Ganz links befindet sich ein Heizdraht, der durch einen Strom zum Glühen gebracht wird. Der Heizdraht bzw. eine dahinter liegende Elektrode wird negativ geladen: die sogenannte Kathode. Durch die Erwärmung des Drahtes lösen sich nun Elektronen von der Kathode (-) und werden Richtung Anode (+) gezogen. Dahinter steckt das physikalische Prinzip der elektrostatischen Anziehung bzw. Abstoßung. Zwei negative Ladungen stoßen sich ab, eine positive und eine negative Ladung ziehen sich an. Die Elektronen werden also von der Kathode nach rechts Richtung Anode beschleunigt. In der Röhre herrscht Vakuum, die Elektronen können nicht mit Luftteilchen kollidieren. Um den Glühdraht herum befindet sich der sogennante Wehneltzylinder. Dieser Zylinder ist leicht negativ geladen hat rechts eine Öffnung. Durch die negative Spannung werden die Elektronen Richtung der Öffnung gedrückt. Wichtig hierbei ist, dass die Spannung nicht zu stark negativ ist, was den Elektronenfluss unterbinden würde. Es folgt weitere Fokussieroptik vor der Anode, um den Strahl zu bündeln. Dazu werden in der Elektronenoptik verschiedene elektrische Potentiale angelegt.
Die Anode selbst hat ebenfalls eine Öffnung. Die einzelnen Elektronen werden so stark beschleunigt, dass sie an ihrem Ziel (der Anode) durch die Öffnung vorbeifliegen. Ohne weitere Beeinflussung würden die Elektronen nun in der Mitte des Schirmes auftreffen und dort einen Leuchtpunkt erzeugen. Ein Plattenkondensator mit je einer Platte oben und unten sorgt nun dafür, dass der Elektronenstrahl nach oben und unten abgelenkt werden kann. An diese Platten wird das zu messende Signal (nach analoger Verstärkung) angelegt. Ist die obere Platte durch das Messsignal positiv, werden die Elektronen nach oben gezogen. Ist es negativ, werden die Elektronen nach unten gedrückt. Dadurch folgt der Elektronenstrahl in Y-Richtung dem Messsignal. Zwei weitere Platten in X-Richtung lenken den Strahl anschließend nach links und rechts. Dazu legt das Oszilloskop einen Sägezahn an die Kondensatorplatten links und rechts an. Der Strahl folgt dem Sägezahn, wandert von links nach rechts und folgt der zu messenden Signalform. Die Frequenz des Sägezahns bestimmt damit die Abtastung des analogen Signals. Die Frequenz wird durch die Zeitbasis-Einstellung gesetzt. Am Ende der Röhre sitzt der Leuchtschirm. Der Elektronenstrahl trifft auf den Schirm und bringt die phosphoreszierende Schicht zum Leuchten. Der Phosphor im Schirm sorgt dafür, dass der Elektronenstrahl eine Weile nachleuchtet und man der Signalform auf dem Oszilloskop folgen kann.
Die Ansteuerung der Elektronenstrahlröhre erfordert eine Vielzahl von Verstärkungsfaktoren und weiteren Parametern. Außerdem kann die Signalform eines Analogoszilloskpos nicht digital gespeichert werden, man kann sie nur "abfotografieren". Ähnlich zu den Röhrenfernsehern wurden Analogoszilloskope von moderneren Digitaloszilloskopen mit LCD-Display verdrängt. Trotzdem ist ein Analogoszilloskop für einfache Messaufgaben immer noch sehr gut geeignet und günstig auf dem Gebrauchtmarkt zu erwerben.
Aufbau und Funktionsweise eines Digitaloszilloskops
Aufbau und Funktionsweise Digitaloszilloskop - A/D-Wandlung und Verarbeitung.
Das Bild zeigt die Aufbau und Funktionsweise eines Digitaloszilloskops. Das Messignal wird analog verstärkt und anschließend analog gefiltert. Dies ist beim Digitaloszilloskop notwendig, da die digitale Abtastung nach oben hin begrenzt ist (durch die Bandbreite des Oszilloskops). Kommen im Messsignal Frequenzen höher als die Abtastrate vor, würde die zu niedrige Abtastrate zu Fehlinterpretationen des Signals führen (siehe Alias-Effekt). Die eigentliche Abtastung erfolgt durch einen Analog-Digital-Wandler, der in fixen Zeiteinheiten das Signal erfasst und die Signalamplitude bestimmt. Die Frequenz der diskreten Abtastung muss ein Vielfaches der Signalfrequenz sein, um steile Flanken noch ordentlich erfassen zu können. Die Bandbreite eines Oszilloskops ist also ein wichtiges Kaufkriterium. Die Signalamplitude wird in diskrete Werte konvertiert. Ein 10-Bit A/D-Wandler kann 2^10 Signalstufen, also 1024 verschiedene diskrete Werte darstellen. Ein 8-Bit A/D-Wandler kann hingegen nur 256 verschiedene Stufen darstellen. Eine hohe Bitzahl des A/D-Wandlers ist also vorteilhaft. Die so digitalisierten Daten werden in einen Speicher geschrieben. Ein Prozessor liest die Daten dann aus und stellt sie auf einem Display dar. Da die Daten ohnehin im Speicher liegen, lassen sich diverse Algorithmen wie FFTs oder sonstige mathematischen Operatoren darauf anwenden. Außerdem können die Daten auf einem USB-Stick, Compact-Flash oder einer SD-Karte abgespeichert werden, sofern das Oszilloskop das unterstützt. Für ältere Oszilloskope gibt es Adapter von Compact-Flash auf SD-Slot. Somit lassen sich auch die neueren SD- oder Micro-SD-Karten in den Geräten nutzen.
Speicherkarten-Slot an einem Digitaloszilloskop.
Digitaloszilloskope haben ihre analogen Pendants weitgehend abgelöst. Die einfachere Bauweise und günstigere Technik hat zu einer starken Verbreitung von Oszilloskopen im Hobbybereich geführt und sind bereits für einige hundert Euro zu erhalten. Digitaloszilloskope sind in vielen Bandbreiten und Speichergrößen verfügbar. Geräte mit großem Speicher werden auch Speicheroszilloskope oder Transientenrekorder genannt.