Oszilloskop – Messen und Analysieren elektronischer Signale
Signale sichtbar machen – vom Grundprinzip zur Praxismessung
Autor: Wolfgang Lessat
Originalquelle:
lessat.net
https://lessat.net/technik/elektronik/grundlagen/ozilloskop
Spannungsverläufe sichtbar machen
Ein Oszilloskop macht elektrische Spannungen sichtbar. Es zeichnet ihren zeitlichen Verlauf als Kurve auf, das sogenannte Oszillogramm. Die horizontale Achse steht für die Zeit, die vertikale Achse für die Spannung.
Während ein Multimeter nur einen einzelnen Zahlenwert liefert, etwa den Effektiv- oder Mittelwert, zeigt das Oszilloskop die Form des Signals. Damit lässt sich erkennen:
- ob ein Signal sinusförmig, rechteckig oder verzerrt ist,
- ob Störungen oder Schwingungen auftreten,
- wie lange Impulse dauern,
- wie steil deren Flanken ansteigen oder abfallen.
Diese Informationen sind die Grundlage für die Analyse elektronischer Schaltungen und für eine gezielte Fehlersuche.
Die Beispiele in diesem Artikel orientieren sich an typischen Anwendungen aus der Praxis und werden anhand eines Rigol DHO804 erläutert. Die gezeigten Einstellungen lassen sich jedoch in gleicher Weise auf vergleichbare Digitaloszilloskope übertragen.
In der Praxis dominieren heute digitale Speicheroszilloskope (DSO). Sie erfassen das Eingangssignal in Echtzeit, wandeln es in digitale Werte um, speichern diese und stellen sie auf einem Bildschirm dar. Analoge Oszilloskope mit Kathodenstrahlröhre sind didaktisch aufschlussreich, spielen im Alltag aber kaum noch eine Rolle.
Aufbau und Bedienelemente
Moderne DSO-Oszilloskope sind weitgehend einheitlich aufgebaut. Wer die wichtigsten Bedienelemente versteht, kann Signale gezielt erfassen und korrekt interpretieren.
Vertikalsystem (Spannung)
Bestimmt die Spannung pro Rasterkästchen (Division). Typischer Bereich: 1 mV/div bis 10 V/div. Für eine gute Ablesbarkeit sollte das Signal etwa 3–6 Divisionen der Bildschirmhöhe einnehmen.
Verschiebt die Kurve vertikal. So lassen sich mehrere Kanäle übersichtlich anordnen oder der Nullpunkt gezielt einstellen.
DC: zeigt das vollständige Signal inklusive Gleichanteil. AC: blendet den Gleichanteil aus (nur Wechselanteil sichtbar). GND: legt den Eingang auf Masse und zeigt den Nullpegel.
Ein zuschaltbarer Tiefpass begrenzt die Bandbreite (z. B. auf 20 MHz). Dadurch wird hochfrequentes Rauschen reduziert, besonders hilfreich bei langsamen Signalen.
Horizontalsystem (Zeit)
Legt die Zeit pro Division fest. Typischer Bereich: 1 ns/div bis 50 s/div. Idealerweise sind 2–5 vollständige Perioden eines Signals sichtbar.
Verschiebt den dargestellten Zeitbereich. So kann der Triggerpunkt im Bild positioniert und auch der Signalverlauf vor dem Ereignis (Pre-Trigger) sichtbar gemacht werden.
Triggersystem
Definiert die Spannungsschwelle für die Auslösung. Dadurch wird das Signal stets an derselben Stelle erfasst und erscheint stabil statt „rollend“.
Bestimmt, ob bei steigender (↑) oder fallender (↓) Flanke ausgelöst wird. Erweiterte Modi umfassen z. B. Pulsbreiten-, Video- oder serielle Trigger (I²C, SPI, UART).
Auto: kontinuierliche Darstellung, auch ohne Trigger. Normal: Anzeige nur bei gültigem Triggerereignis. Single: einmalige Erfassung mit anschließendem Einfrieren – ideal für Einzelereignisse.
Zeitbasis und Triggerung
Die Zeitbasis bestimmt, welcher Zeitausschnitt eines Signals auf dem Bildschirm dargestellt wird. Bei 10 Divisionen Breite und einer Einstellung von 1 ms/div ergibt sich ein sichtbarer Zeitbereich von 10 ms.
Die passende Zeitbasis richtet sich nach der Signalfrequenz:
Faustregel: Eine Periode sollte etwa 5 Divisionen einnehmen, sodass insgesamt 2–3 Perioden auf dem Bildschirm sichtbar sind.
Triggerung im Detail
Ohne Triggerung würde das Signal auf dem Bildschirm kontinuierlich „durchlaufen“, da jede Erfassung an einem anderen Punkt der Signalperiode beginnt. Die Triggerung definiert einen festen Startpunkt: Die Darstellung startet immer dann, wenn das Signal den eingestellten Trigger-Pegel in der gewählten Richtung überschreitet.
Wichtige Trigger-Modi in der Praxis
Standardmodus: Auslösung auf steigende oder fallende Flanke eines gewählten Kanals oder der externen Triggerquelle. Für die meisten Messaufgaben ausreichend.
Reagiert auf Impulse, die kürzer oder länger als ein definierter Zeitwert sind. Ideal zur Erkennung von Glitches oder fehlerhaften Impulsen in digitalen Schaltungen.
Ermöglicht das Triggern auf bestimmte Adressen oder Dateninhalte serieller Protokolle. Je nach Gerät im Funktionsumfang enthalten oder als Option verfügbar.
Spannungsmessung
Die Spannungsmessung ist die Grundfunktion des Oszilloskops. Gemessen wird stets die Spannung zwischen Tastspitze und Masseklemme (GND). Der Messkreis ist damit einseitig geerdet, ein zentraler Unterschied zum potenzialfreien Multimeter.
Wichtige Spannungskenngrößen
Differenz zwischen positivem Maximum und negativem Minimum. Direkt ablesbar (z. B. mit Cursorn). Beschreibt den gesamten Spannungshub eines Signals.
Halber Spitze-Spitze-Wert bei symmetrischen Signalen. Für Sinusspannung gilt: \( \hat{U} = \frac{U_{SS}}{2} \).
Wird vom Oszilloskop automatisch berechnet (Auto-Measure → RMS). Für Sinusspannung: \( U_{eff} = \frac{\hat{U}}{\sqrt{2}} \approx 0{,}707\,\hat{U} \). Für beliebige Signalformen erfolgt eine True-RMS-Berechnung aus den digital erfassten Abtastwerten.
Mittelwert der Spannung (Mean). Nur bei DC-Kopplung sichtbar. Relevant z. B. bei PWM-Signalen mit überlagertem Gleichanteil.
Der True-RMS-Wert wird digital aus den gesampelten Messwerten berechnet.
Messkopplung richtig wählen
Die gewählte Kopplung beeinflusst das Messergebnis direkt:
| Kopplung | Eingangsschaltung | Anwendung |
|---|---|---|
| DC | Direkt (kein Filter) | Standard – zeigt Gleich- und Wechselanteil |
| AC | Kondensator in Reihe (blockiert DC-Anteil) | Kleine Wechselanteile auf hohem DC-Pegel sichtbar machen |
| GND | Eingang kurzgeschlossen | Nullpegel festlegen / Referenz setzen |
Praxisbeispiel: Ein Netzteil liefert 5 V DC mit einem überlagerten Ripple im Millivolt-Bereich. Bei DC-Kopplung und 1 V/div ist dieser nicht sichtbar. Mit AC-Kopplung und einer feineren Skalierung (z. B. 10 mV/div) wird der Gleichanteil ausgeblendet – der Ripple tritt deutlich hervor.
Strommessung
Das Oszilloskop misst von Haus aus nur Spannungen. Für Strommessungen wird der Strom daher indirekt erfasst, indem er in eine proportionale Spannung umgewandelt wird. Dafür gibt es zwei gängige Methoden.
Methode 1: Shunt-Widerstand
Ein kleiner, bekannter Widerstand \( R_S \) (Shunt) wird in Reihe zur Last geschaltet. Das Oszilloskop misst die Spannung über diesem Widerstand. Für den Shunt gilt nach dem Ohmschen Gesetz:
Der Shunt sollte möglichst klein gewählt werden (typisch 0,1 … 1 Ω), damit der Spannungsabfall die Schaltung nicht beeinflusst. Beispiel: Bei 1 Ω und 1 A ergibt sich 1 V – gut messbar mit dem Tastkopf.
Achtung: Die Masse des Oszilloskops ist in der Regel mit dem Schutzleiter verbunden. Liegt der Shunt in der Masseleitung (Low-Side), kann die Tastkopf-Masse direkt angeschlossen werden. Bei einer High-Side-Messung (in der Plusleitung) kann die geerdete Tastkopf-Masse jedoch einen Kurzschluss verursachen. In diesem Fall ist ein Differenztastkopf oder ein isolierter Messkanal erforderlich.
Diese Methode eignet sich besonders für präzise Messungen kleiner Ströme.
Methode 2: Stromzange (Current Clamp)
Eine Stromzange wird um den zu messenden Leiter gelegt und misst den Strom berührungslos. Sie wandelt das Magnetfeld des Stroms in ein proportionales Spannungssignal um (typisch 100 mV/A oder 10 mV/A).
Beim Rigol DHO804 kann die Stromzange an einem beliebigen Kanal angeschlossen werden. Die Empfindlichkeit (z. B. 100 mV/A) wird im Kanalmenü eingestellt. Das Gerät rechnet die gemessene Spannung entsprechend um, sodass der Wert direkt in Ampere angezeigt wird.
Frequenz- und Zeitmessung
Das Oszilloskop ermöglicht präzise Messungen von Zeitintervallen, Periodendauern und Frequenzen. Im Gegensatz zum Multimeter, das meist nur Effektivwerte anzeigt, liefert es zusätzlich den zeitlichen Verlauf des Signals.
Manuelle Messung per Raster
Die Periodendauer \( T \) kann direkt aus dem Raster bestimmt werden:
Beispiel: Das Signal erstreckt sich über 4 Divisionen bei 1 ms/div → \( T = 4\,\text{ms} \) → \( f = 250\,\text{Hz} \)
Typische Zeitmessungen
Tastköpfe und Kalibrierung
Der Tastkopf (Probe) ist das Bindeglied zwischen Schaltung und Oszilloskop. Er beeinflusst das Messergebnis wesentlich und sollte zur Messaufgabe und zur Bandbreite des Geräts passen.
Dämpfungsfaktor: 1:1 und 10:1
Standard-Tastköpfe sind meist auf 10:1 umschaltbar: Ein interner Vorwiderstand von 9 MΩ in Reihe mit dem 1-MΩ-Eingang des Oszilloskops ergibt eine Dämpfung von 10. Das gemessene Signal wird entsprechend um den Faktor 10 reduziert, wodurch die kapazitive Belastung der Schaltung deutlich sinkt und die nutzbare Bandbreite steigt.
| Einstellung | Eingangskapazität | Eingangsimpedanz | Typischer Einsatz |
|---|---|---|---|
| 1:1 | Hoch (ca. 100 pF) | 1 MΩ | Kleine Signale, niedrige Frequenzen |
| 10:1 | Niedrig (ca. 13–20 pF) | 10 MΩ | Standard für die meisten Messungen, auch bei höheren Frequenzen |
Am Rigol DHO804 muss der eingestellte Dämpfungsfaktor im Kanalmenü (z. B. CH1 → Probe → ×10) korrekt hinterlegt sein, damit die angezeigte Spannung stimmt. Kompatible Rigol-Tastköpfe mit PLTM-Stecker werden automatisch erkannt.
Tastkopf-Kalibrierung (Kompensation)
Jeder 10:1-Tastkopf besitzt einen einstellbaren Trimmer, mit dem die kapazitive Kompensation zwischen Tastkopf und Oszilloskop-Eingang abgeglichen wird. Ist die Kompensation falsch eingestellt, erscheint ein Rechtecksignal verzerrt: überkompensiert (Überschwingen) oder unterkompensiert (abgerundete Flanken). Dadurch entstehen Messfehler von mehreren Prozent.
Kalibrierung am Rigol DHO804: Den Tastkopf an die Kalibrierausgangsbuchse (Cal, typ. 1 kHz Rechtecksignal) anschließen. Anschließend den Trimmer am Tastkopf so einstellen, dass die Rechteckflanken waagerecht verlaufen und die Signalform weder über- noch unterkompensiert ist. Diese Kalibrierung sollte nach jedem Tastkopfwechsel und regelmäßig überprüft werden.
Cursor und automatische Messungen
Moderne Digitaloszilloskope (DSO) bieten zwei Wege zur Signalauswertung: die manuelle Cursor-Messung und die automatische Parameter-Messung (Auto-Measure).
Cursor-Messung
Zwei horizontale oder vertikale Linien (Cursor) werden manuell auf markante Punkte des Signals gesetzt. Das Oszilloskop zeigt den Abstand direkt in Spannung oder Zeit an.
Automatische Messungen (Auto-Measure)
Das Rigol DHO804 kann mehrere Messwerte gleichzeitig anzeigen (typisch bis zu 5) und berechnet diese direkt aus dem Signalverlauf. Häufig verwendete Parameter sind:
Hinweis: Automatische Messwerte können bei verrauschten oder instabilen Signalen ungenau sein. Im Zweifelsfall sollte der Wert mit den Cursorn überprüft werden.
Grundform periodischer Wechselgrößen. Tritt z. B. im Stromnetz (50 Hz), bei Generatoren oder in Resonanzkreisen auf. Verzerrungen deuten auf nichtlineare Bauelemente oder Übersteuerung hin.
Typisch für digitale Signale, Taktleitungen und PWM. Flache oder gerundete Flanken weisen auf begrenzte Bandbreite oder hohe kapazitive Belastung hin. Überschwingen (Ringing) entsteht durch parasitäre Induktivitäten und Reflexionen in Leitungen.
Entsteht durch Integration eines Rechtecksignals. Typisch für Spulenströme in Schaltnetzteilen. Die Symmetrie gibt Aufschluss über das Tastverhältnis.
Linearer Anstieg mit abruptem Abfall (oder umgekehrt). Typisch für Zeitbasissignale, Rampengeneratoren und bestimmte PWM- oder Sweep-Anwendungen.
Kurzzeitige hochfrequente Schwingung nach einer Flanke. Ursache sind parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten, z. B. in Leitungen oder Bauteilen.
Mittlere Spannung eines PWM-Signals
Der Gleichanteil (Mean) entspricht dem Mittelwert der PWM:
Der Mittelwert ergibt sich aus dem Tastverhältnis \( D \) und der maximalen Spannung \( U_{max} \).
Dieser Wert kann direkt mit Auto-Measure → Mean bestimmt werden.
Zur Kontrolle kann ein RC-Tiefpass (z. B. 10 kΩ / 100 nF) angeschlossen werden. Die geglättete Ausgangsspannung entspricht näherungsweise dem Mittelwert und kann mit einem Multimeter gemessen werden.
Rigol DHO804 – Besonderheiten
Das Rigol DHO804 ist ein 4-Kanal-Digital-Oszilloskop der DHO800-Serie mit 70 MHz Bandbreite und bis zu 1,25 GSa/s Abtastrate. Es basiert auf der Phenix-II-Plattform und bietet einen großen 8-Zoll-Touchscreen sowie umfangreiche Analysefunktionen.
Technische Kenndaten
| Kenngröße | Wert |
|---|---|
| Kanäle | 4 Analogkanäle |
| Bandbreite | 70 MHz (erweiterbar auf 100 MHz per Lizenz) |
| Abtastrate | bis 1,25 GSa/s (Einzelkanal), reduziert bei mehreren Kanälen |
| Speichertiefe | 25 Mpts (Standard), 50 Mpts (optional) |
| Vertikale Auflösung | 12 Bit (Standard), bis 16 Bit im Hi-Res-Modus (durch Mittelung) |
| Eingangsimpedanz | 1 MΩ ‖ 13 pF |
| Eingangsspannung | max. ± 300 V (DC + Spitze) |
| Zeitbasis | 1 ns/div … 100 s/div |
| Triggertypen | Edge, Pulse, Slope, Video, RS232, I²C, SPI u. a. |
| Konnektivität | USB-Host, USB-Device, LAN (LXI), HDMI |
| Display | 8" TFT-Touchscreen, 1280 × 800 px |
Nützliche Funktionen im Alltag
Durch Mittelung benachbarter Abtastwerte erhöht sich die effektive vertikale Auflösung auf bis zu 16 Bit bei niedrigen Frequenzen. Dadurch lassen sich kleine Signalanteile besser erkennen. Aktivierbar unter Acquire → Hi-Res.
I²C, SPI, UART/RS232 und weitere Busprotokolle können in Echtzeit dekodiert werden. Die Daten werden direkt über der Signalkurve als lesbare Pakete eingeblendet. Einstellung: Decode → Protokoll wählen → Kanal und Schwellwert festlegen.
Bis zu 100.000 Wellenformen können intern gespeichert und später schrittweise analysiert werden. Ideal zur Untersuchung seltener oder sporadischer Ereignisse. Zugriff über Acquire → Record/Play.
Zwei Mathematikkanäle ermöglichen Operationen wie Addition, Subtraktion oder Multiplikation von Signalen. Die FFT (Fast Fourier Transform) stellt das Frequenzspektrum dar und hilft bei der Analyse von Oberwellen und Störungen. Einstellung über Math → FFT.
Verhindert erneutes Triggern innerhalb einer einstellbaren Zeit nach einem Triggerereignis. Besonders hilfreich bei Burstsignalen oder Signalen mit Vorimpulsen. Einstellung im Trigger-Menü → Holdoff.
Screenshots, Wellenformdaten (CSV, WFM) und Einstellungen können über USB oder Netzwerk (LXI/SCPI) exportiert werden. Die SCPI-Schnittstelle ermöglicht automatisierte Messungen, z. B. mit Python (PyVISA).
Praxistipps und häufige Fehler
Wird ein 10:1-Tastkopf verwendet, aber am Gerät 1:1 eingestellt, zeigt das Oszilloskop nur ein Zehntel der tatsächlichen Spannung. Immer die Probe-Einstellung im Kanalmenü (CH → Probe → ×10) überprüfen.
Der GND-Clip muss auf dem korrekten Bezugspotenzial der Schaltung liegen. Bei High-Side-Messungen besteht Kurzschlussgefahr durch die geerdete Tastkopfmasse – hier einen Differenztastkopf verwenden. Kurze Masseverbindungen (Federhaken statt langer Leitung) reduzieren parasitäre Induktivität und damit Ringing.
Liegt der Trigger-Pegel außerhalb des Signalbereichs, wird kein stabiler Trigger ausgelöst und das Bild „läuft“ durch. Abhilfe: Trigger-Pegel innerhalb der Signalamplitude setzen oder „Auto Set“ verwenden.
AC-Kopplung kann bei langsamen Signalen (unter wenigen Hz) zu Verzerrungen führen. Für DC- und Mischsignale grundsätzlich DC-Kopplung verwenden. AC-Kopplung nur nutzen, wenn der Gleichanteil ausgeblendet werden soll.
Die Abtastrate sollte mindestens doppelt so hoch sein wie die höchste Signalfrequenz (Nyquist-Kriterium). Ist sie zu gering, entstehen Alias-Signale mit scheinbar falscher Frequenz. Bei mehreren aktiven Kanälen reduziert sich die effektive Abtastrate.
Mehrere Tastköpfe verbinden ihre GND-Clips über das Oszilloskop miteinander und mit der Schutzerde. In netzbetriebenen Schaltungen kann das zu Brummschleifen oder Kurzschlüssen führen. Alle Masseanschlüsse möglichst auf denselben Bezugspunkt legen.
Unterschiedliche Tastköpfe und Leitungen können zu Laufzeitunterschieden führen. Für genaue Phasenmessungen beide Tastköpfe zunächst an dieselbe Quelle anschließen und den Versatz mit der De-Skew-Funktion (CH → Deskew) korrigieren.
Wichtige Formeln
Strom ergibt sich aus Spannung am Shunt und dessen Widerstand.
Frequenz ist der Kehrwert der Periodendauer.
Periodendauer ergibt sich aus Anzahl der Kästchen und Zeitbasis.
Der Gleichanteil eines PWM-Signals ist proportional zum Tastverhältnis.
Verhältnis von Einschaltzeit zur gesamten Periodendauer.
Zeitversatz zweier Signale in einen Phasenwinkel umgerechnet.
Quadratischer Mittelwert der Spannung über eine Periode.
Zusammenfassung
Das Oszilloskop macht den zeitlichen Verlauf elektrischer Spannungen sichtbar und ist damit ein zentrales Werkzeug für Analyse, Entwicklung und Fehlersuche in elektronischen Schaltungen.
Titel: Oszilloskop – Messen und Analysieren elektronischer Signale
Druckdatum: 14.05.2026
Domain: www.lessat.net
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