Der Oszillograph

Die Begriffe Oszillograph bzw. Oszilloskop (oder kurz Oszi) werden meist synonym verwendet

OSZILLOGRAPH: (Oszillieren – Schwingen;  Graph – Schreiben)

Auf dem Oszillographen wird der Verlauf eines Eingangssignals Y1 in Abhängigkeit von der Zeit t oder eines Signals Y2 dargestellt.

Bei Zweistrahl-Oszillographen (häufigste Variante) können auch zwei verschiedene Signale Y1 und Y2 parallel dargestellt werden. Diese Signale können:

  • parallel dargestellt werden
  • mathematisch verknüpft werden
  • in Abhängigkeit voneinander dargestellt werden (x-y-Betrieb)

In den meisten Fällen werden ein oder zwei Signale auf die Eingänge Y1 und Y2 gelegt und in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt.

Im Wesentlichen sind alle Oszillographen gleich aufgebaut, die Abbildung soll das verdeutlichen. Es gibt auf dem Oszillographen Bereiche für den Y1 Eingang (rot), den  Y2 Eingang (blau) und den Zeiteingang (grün).

Die beiden wichtigsten Einstellungen sind die der Amplitude (Y-Eingang) und die der Zeitbasis. Die Einheit für die Amplitude ist in V/Div oder in V/cm gegeben. Für die Zeit ist die Einheit s/Div oder s/cm. Egal, ob der Nenner „Div“ oder „cm“ ist, gemeint ist damit immer ein Kästchen, auch wenn das tatsächliche Maß von 1 cm verschieden ist.

Beispiel:

Die Amplitude beträgt 3,5 Kästchen. Der Wahlschalter zeigt 1 V/Div. Die gemessene Spannung beträgt also 3,5 V.

Die Periodenlänge beträgt 2,5 Kästchen. Der Wahlschalter zeigt 5 ms/Div. Die Periodendauer beträgt also 5 ms/cm · 2,5 cm = 12,5 ms.

Häufig ist am Oszillographen nicht sofort ein stabiles Bild zu erkennen. Stattdessen „läuft“ oder flackert der Graph auf dem Bildschirm. Der häufigste Grund dafür ist die fehlende oder falsche Triggerung.

Triggern

Der Begriff „trigger“ (englisch) bedeutet übersetzt auslösen bzw. etwas veranlassen. Das beschreibt auch sehr gut, worum es hier geht.

Im Beispiel hatten wir eine Zeitbasis von 5 ms/Div. Bei 8 Kästchen hat der Oszillograph das Fenster in 40 ms durchlaufen. Dann würde die Aufzeichnung von vorne beginnen. Das bedeutet, dass alle 40 ms ein neues Bild aufgezeichnet wird. In der Regel stimmt das Ende des Graphen am rechten Bildschirmrand nicht mit der Phase am Anfang überein. Es wird also ein Graph gezeichnet, der zum vorherigen Graphen Phasenverschoben ist. (s. Animation)

Beim Triggern wird die Position gewählt, an der der Oszillograph mit der Aufzeichnung beginnt. Ziel ist es, die folgenden Graphen deckungsgleich darzustellen.

Gelingt das nicht, sieht das Oszillographenbild so aus, wie in der Animation.

Die Triggerung kann über ein externes Eingangssignal, über die Y-Kanäle oder händisch durchgeführt werden. Dabei wählt man i.d.R. an einem Drehschalter einen Y-Wert, an dem die Darstellung beginnen soll. 

Oszillograph - Funktion

Wir können grob zwischen zwei Arten von Oszillographen unterscheiden, Analog-Oszillographen und Digital-Oszillographen. In den meisten Schulsammlungen werden noch analoge Geräte existieren. Diese werden aber zunehmend durch Digital-Oszillographen ergänzt, weil diese deutlich preiswerter, leichter und leistungsfähiger sind.

Während sich die beiden Oszillographen bezüglich ihrer Bedienung und im äußeren Aufbau kaum unterscheiden, erfolgt die Bildgebung grundsätzlich verschieden. Die Umsetzung der Signale und die Bildgebung bei den digitalen Geräten stellen aus Sicht der Schulphysik eine „Black Box“ dar. Daher wird sich diese Seite auf die analogen Geräte beschränken.

Analog-Oszillograph

Das am Y-Eingang anliegende Signal, wird entsprechend des Messbereiches über einen Verstärker angepasst. Dieses Signal wird dann so verarbeitet, dass am ersten Kondensatorplattenpaar (blau) die erforderliche Ablenkspannung anliegt. (Y-Eingang)

 

Bildgebung – Erzeugung des Elektronenstrahls

Das Bild wird auf einer Braunschen Röhre dargestellt, die im Aufbau einer Elektronen Röhre ähnelt.

In der Kathode werden durch Glühemission Elektronen freigesetzt, die dann im Wehnelt-Zylinder (Elektronenkanone), im Feld zwischen Kathode und Loch-Anode beschleunigt werden. Die Elektronen verlassen den Wehnelt-Zylinder mit einer Geschwindigkeit v und bewegen sich dann mit konstanter Geschwindigkeit in Richtung des Schirms. Mit dieser Anordnung würde in der Mitte des Schirms ein Punkt sichtbar sein.

Zwischen Anode und Schirm befinden sich zwei Kondensatorplattenpaare (Abbildung orange und blau), die jeweils unterschiedlich ausgerichtet sind. Wenn an diesen Platten eine Spannung angelegt wird, dann erfahren die Elektronen auf ihrem Weg zu Schirm eine Ablenkung. (Kraftwirkung im elektrischen Feld)

  • oranges Plattenpaar – vertikale Ablenkung
  • blaues Paar – horizontale Ablenkung

Entsprechend des am Eingang anliegenden Signals, wird der Elektronenstrahl nach oben und unten abgelenkt. Damit wäre auf dem Bildschirm, ein sich auf- und abwärts bewegender Punkt, bzw. ein senkrechter Strich zu beobachten.

Die horizontale Ablenkung (blau) erfolgt über einen Sägezahnimpuls. Dieser steigt linear an und fällt dann senkrecht ab. (Bild) Die steigende Flanke des Sägezahns sorgt dafür, dass der Elektronenstrahl den Schirm von links nach rechts durchläuft.

Die Frequenz des Sägezahn Signals entscheidet, wie schnell der Elektronenstrahl die Röhre in horizontaler Richtung durchläuft. Diese Frequenz wird mit dem Wahlschalter für die Zeit eingestellt.