Oszilloskope Grundlagenwissen, Teil 1 Signale mit einem Oszilloskop analysieren

Das Oszilloskop ist eines der am meisten eingesetzten Messgeräte. In diesem Beitrag zeigen wir Ihnen, wie Oszilloskope funktionieren und wie sie verwendet werden, um Signale zu interpretieren und zu messen.

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Die klassische, natürlich vorkommende Wellenform ist die Sinuswelle. Ob Meereswellen, Erdbeben, Überschall-Stoßwellen, Explosionen, Luftschall oder die Eigenschwingung eines bewegten Körpers – alles breitet sich in Sinusform aus. Energie, vibrierende Partikel und andere unsichtbare Kräfte durchdringen unser physisches Universum. Selbst das Licht, halb Partikel, halb Welle, verfügt über eine Grundfrequenz, die wir als Farbe wahrnehmen können.

Mit Sensoren können diese Kräfte in elektrische Signale umgewandelt werden, die wir mit einem Oszilloskop beobachten und untersuchen können. Oszilloskope ermöglichen es Wissenschaftlern, Ingenieuren, Technikern oder Pädagogen, zeitlich veränderliche Ereignisse für das menschliche Auge sichtbar zu machen.

Das Messgerät Oszilloskop

Ein Oszilloskop ist im Grunde nichts weiter als ein Gerät zur Darstellung von Graphen. Am häufigsten wird es für die Anzeige der Veränderung von elektrischen Signalen eingesetzt, wobei die vertikale y-Achse die Spannung darstellt und die horizontale x-Achse die Zeit. Die Intensität oder Helligkeit der Anzeige wird als z-Achse bezeichnet. Bei Digital-Phosphor-Oszilloskopen wird die z-Achse durch Farbabstufungen der Anzeige dargestellt.

Dieser einfache Graf kann viele Informationen über ein Signal vermitteln, zum Beispiel:

• Zeit- und Spannungswerte
• Frequenz eines Schwingungssignals
• „dynamische Komponenten“ eines durch das Signal dargestellten Schaltkreises
• Häufigkeit, mit der ein bestimmter Bereich des Signals in Relation zu anderen Bereichen auftritt
• ob eine fehlerhafte Komponente das Signal stört
• Gleich- und Wechselstromanteile des Signals (meist DC und AC abgekürzt)
• den Anteil des Signalrauschens, und ob das Rauschen sich im Laufe der Zeit verändert

Signale und Signalmessungen von Osilloskopen verstehen

Allgemein wird ein Muster, das sich in regelmäßigen zeitlichen Abständen wiederholt, als Welle bezeichnet – ein Oszilloskop misst beispielsweise Spannungswellen. Der Zyklus (bzw. die Schwingung) einer Welle ist ihr sich wiederholender Abschnitt. Ein Signal ist die grafische Darstellung einer Welle. Bei einem Spannungssignal wird auf der horizontalen Achse die Zeit und auf der vertikalen Achse die Spannung angezeigt.

Die Form eines Signals verrät viel über seinen Inhalt. Jede Veränderung der Höhe des Signalpegels kennzeichnet eine Veränderung der Spannung. Eine flache horizontale Linie bedeutet, dass sich über den betreffenden Zeitraum keine Veränderung ergeben hat. Gerade diagonale Linien weisen auf lineare Veränderungen hin, also ein konstantes Ansteigen oder Abfallen der Spannung, und ein gezacktes Signal auf plötzliche Veränderungen. In Bild 1 sind einige typische Signalformen abgebildet.

Synchrone und asynchrone Signale

Wenn zwei Signale miteinander in einem zeitlichen Zusammenhang stehen, bezeichnet man sie als synchron. Takt-, Daten- und Adresssignale in einem Computer sind Beispiele für synchrone Signale. Entsprechend werden Signale, zwischen denen kein zeitlicher Zusammenhang besteht, als asynchron bezeichnet. Da es beispielsweise zwischen dem Drücken einer Taste auf der Computertastatur und dem Taktsignal im Computer keinen zeitlichen Zusammenhang gibt, gelten sie als asynchrone Signale.

Komplexe Wellenformen

Manche Signale vereinen die Charakteristika von Sinus-, Rechteck-, Stufen- und Impulssignalen, was zu komplexen Wellenformen führt. Die Signalinformationen können in Amplituden-, Phasen- und/oder Frequenzvariationen eingebettet vorliegen. Digital-Phosphor-Oszilloskope sind am besten zur Anzeige komplexer Signale geeignet, da ihre Displays die erforderlichen Informationen zur Häufigkeit des Auftretens liefern können, die nötig ist, um das Verhalten des Signals richtig zu deuten. Dies wird auch als Helligkeitsmodulation bezeichnet.

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