Oszilloskop – Grundlagen und Anwendung

Ein Multimeter ist hervorragend, wenn du einen einzelnen Wert brauchst – etwa die Versorgungsspannung an einer Klemme oder den Strom durch einen Verbraucher. Es zeigt dir aber immer nur eine Zahl: bei Wechselspannung meist den Effektivwert, bei Gleichspannung den Mittelwert. Wie sich die Spannung im Verlauf der Zeit verhält, bleibt verborgen.

Das Oszilloskop macht genau das sichtbar. Es stellt die Spannung als Kurve über der Zeit dar – ähnlich wie ein Diagramm, bei dem die Zeit nach rechts läuft und die Spannung nach oben aufgetragen ist. Aus dieser Kurve liest du auf einen Blick ab, ob ein Signal sinusförmig, rechteckig oder verzerrt ist, wie schnell es sich wiederholt und ob es von Störungen überlagert wird.

Damit lassen sich Dinge erkennen, die ein Multimeter nie zeigen würde: das Brummen auf einer Versorgungsspannung, die steile Flanke eines Schaltsignals, eine eingekoppelte Störspitze oder die genaue Form eines Sensorausgangs. Wo das Multimeter eine Momentaufnahme in Zahlen liefert, liefert das Oszilloskop den ganzen Film.

Praktisch arbeitet man heute fast ausschließlich mit dem Digital-Oszilloskop (oft als DSO bezeichnet, von Digital Storage Oscilloscope). Es tastet das Eingangssignal in vielen Punkten ab, speichert die Werte und zeichnet daraus die Kurve. Ältere Analog-Oszilloskope lenkten einen Elektronenstrahl direkt ab; das Prinzip des Schirmbilds – Zeit nach rechts, Spannung nach oben – ist aber bei beiden gleich, und genau dieses Bild musst du lesen können.

Begriffe wie Spitzenwert, Effektivwert und Frequenz tauchen beim Arbeiten am Oszilloskop ständig auf. Ihre genaue Definition wird hier vorausgesetzt – sie gehört zu den Kenngrößen der Wechselspannung. In diesem Beitrag geht es darum, diese Größen am Schirmbild abzulesen und einzustellen.

Das Schirmbild eines Oszilloskops ist im Kern ein Koordinatensystem. Über den ganzen Bildschirm liegt ein gleichmäßiges Gitter aus Linien – das Raster. Die einzelnen Felder dieses Gitters nennt man Division (kurz „div“), auf Deutsch schlicht Kästchen.

Die waagrechte Achse (X-Achse) ist die Zeitachse: Von links nach rechts läuft die Zeit. Die senkrechte Achse (Y-Achse) ist die Spannungsachse: Nach oben steigt die Spannung, nach unten wird sie negativer. In der Mitte liegen meist zwei kräftiger gezeichnete Mittellinien, die als Nulllinien und zum genauen Ablesen dienen.

Üblich ist ein Raster mit 10 Kästchen in der Breite und 8 Kästchen in der Höhe. Jedes Kästchen ist oft noch durch kleine Teilstriche auf der Mittellinie in fünf Unterteilungen geteilt, sodass du auch Bruchteile eines Kästchens genau ablesen kannst.

Der entscheidende Punkt: Ein Kästchen hat keinen festen Wert. Wie viel Spannung ein vertikales Kästchen darstellt und wie viel Zeit ein horizontales Kästchen bedeutet, legst du an zwei Stellschrauben selbst fest – an der vertikalen und der horizontalen Skalierung. Wie das genau funktioniert, klären die nächsten beiden Kapitel.

Raster: Breite = 10 Kästchen (Zeitachse, X)
           Höhe = 8 Kästchen (Spannungsachse, Y)
1 Kästchen = 1 Division (div)

Die vertikale Skalierung bestimmt, wie viel Spannung ein Kästchen in der Höhe darstellt. Der dazugehörige Einstellwert heißt Volt pro Division (V/div). Stellst du zum Beispiel 2 V/div ein, dann entspricht jedes vertikale Kästchen 2 Volt. Eine Kurve, die vier Kästchen hoch ausschlägt, zeigt damit 8 Volt.

Daraus ergibt sich die zentrale Ablese-Regel der senkrechten Achse:

Wichtig ist, von welchem Bezugspunkt aus du zählst. Für eine Wechselspannung misst du oft die volle Auslenkung von der untersten bis zur obersten Stelle der Kurve – das ist der Spitze-Spitze-Wert. Für eine Gleichspannung zählst du die Kästchen von der Nulllinie bis zur Kurve.

Wie die Kurve überhaupt auf den Schirm kommt, hängt von der Kopplung ab. Es gibt drei Einstellungen:

• DC-Kopplung: Das Signal wird vollständig durchgelassen, mit Gleich- und Wechselanteil. So siehst du auch eine Gleichspannung oder den Gleichanteil eines Signals.
• AC-Kopplung: Der Gleichanteil wird abgetrennt, nur der Wechselanteil bleibt. Praktisch, wenn du ein kleines Brummen auf einer hohen Gleichspannung untersuchen willst – das Signal wird dann um die Nulllinie zentriert.
• GND-Kopplung: Der Eingang wird intern auf Masse gelegt. Die Kurve liegt dann auf der Nulllinie – damit findest du die Bezugslinie, von der aus du später zählst.

Eine zweite Sache beeinflusst, was du abliest: der Tastkopf. Ein Tastkopf 1:1 leitet das Signal unverändert weiter. Ein Tastkopf 10:1 teilt die Spannung im Verhältnis zehn zu eins, schwächt das Signal also auf ein Zehntel ab. Das hat den Vorteil, dass die Messung die Schaltung kaum belastet und höhere Spannungen messbar werden. Du musst aber daran denken: Bei einem 10:1-Tastkopf ist der wahre Spannungswert das Zehnfache des aus dem Raster berechneten Werts – sofern das Oszilloskop den Teiler nicht automatisch berücksichtigt. Viele Geräte erkennen den Tastkopf und zeigen den korrekten Wert direkt an; bei älteren Geräten musst du selbst mit zehn multiplizieren.

So wie die vertikale Skalierung die Spannung pro Kästchen festlegt, bestimmt die Zeit pro Division (t/div) die Zeit pro Kästchen in der Breite. Diese horizontale Skalierung heißt auch Zeitbasis. Steht die Zeitbasis auf 1 ms/div, dann entspricht jedes horizontale Kästchen einer Millisekunde.

Damit kannst du die Periodendauer eines periodischen Signals direkt ablesen. Die Periodendauer T ist die Zeit für einen vollständigen Durchlauf des Signals – etwa von einem Nulldurchgang bis zum nächsten gleichartigen Nulldurchgang einer Sinuskurve. Du zählst die Kästchen, über die sich eine Periode erstreckt, und multiplizierst mit der Zeitbasis:

Aus der Periodendauer ergibt sich die Frequenz – der Zusammenhang zwischen beiden ist als bekannt vorausgesetzt:

Am Oszilloskop läuft die Frequenzbestimmung also indirekt: Du misst zuerst die Periodendauer über die Rasterkästchen und rechnest sie dann in die Frequenz um. Je breiter du eine Periode über den Schirm ziehst, desto genauer kannst du T ablesen – deshalb wählt man die Zeitbasis so, dass ein bis zwei Perioden gut sichtbar sind.

Schließt du ein Wechselsignal an und stellst Skalierung und Zeitbasis passend ein, passiert am Anfang oft etwas Verwirrendes: Das Bild steht nicht still, sondern läuft seitlich durch oder flackert. Der Grund ist, dass das Oszilloskop immer wieder neue Aufzeichnungen über die alten zeichnet – und jede beginnt an einem etwas anderen Punkt des Signals. Die Bilder liegen nicht übereinander, das Auge sieht ein wanderndes Durcheinander.

Hier kommt die Triggerung ins Spiel. Der Trigger ist eine Bedingung, die festlegt, an welchem Punkt jede einzelne Aufzeichnung beginnt. Erst wenn das Signal diese Bedingung erfüllt, startet das Oszilloskop eine neue Kurve. Dadurch beginnt jede Aufzeichnung am exakt gleichen Punkt des Signals, alle Kurven liegen deckungsgleich übereinander – und das Bild steht still.

Zwei Einstellungen bestimmen den Trigger:

• Der Triggerpegel legt fest, bei welcher Spannung ausgelöst wird. Du verschiebst eine waagrechte Schwelle so weit, bis sie das Signal an der gewünschten Stelle schneidet.
• Die Triggerflanke bestimmt, ob beim Anstieg oder beim Abfall des Signals ausgelöst wird. Bei steigender Flanke startet die Aufzeichnung, wenn das Signal den Pegel von unten nach oben durchläuft, bei fallender Flanke umgekehrt.

Dazu kommen die Trigger-Modi:

• Auto: Das Oszilloskop zeichnet auch dann, wenn keine Triggerbedingung erfüllt wird – praktisch zum schnellen Finden eines Signals, das Bild kann aber leicht wandern.
• Normal: Es zeichnet nur, wenn die Triggerbedingung erfüllt ist. Ohne passendes Signal bleibt der Schirm leer, dafür steht ein erkanntes Signal sauber.
• Single: Das Oszilloskop wartet auf ein einziges Auslöseereignis, zeichnet genau eine Aufzeichnung auf und hält sie fest. Ideal für einmalige Vorgänge wie einen Einschaltvorgang.

Stell dir den Trigger wie einen abgesprochenen Startpunkt bei einem Rennen vor: Wenn jeder Läufer immer von derselben Startlinie losläuft, liegen alle Bahnen übereinander. Lässt man jeden irgendwo starten, ergibt sich ein wirres Bild. Der Triggerpegel ist die Startlinie, die Flanke die Laufrichtung.

In der Werkstatt entscheidet vor allem der richtige Anschluss über eine brauchbare und gefahrlose Messung. Ein Tastkopf hat zwei Anschlüsse: die Messspitze und die Masseklemme. Diese Masseklemme liegt im Oszilloskop fest auf dem Schutzleiter und damit auf Erdpotential. Das ist der wichtigste Punkt, der oft übersehen wird.

Klemmst du die Masse irgendwo an, legst du diesen Punkt der Schaltung zwangsläufig auf Erdpotential. Liegt dieser Punkt in der Schaltung nicht auf Masse, sondern führt eine Spannung, erzeugst du einen Kurzschluss gegen Erde – mit Funkenflug, durchgebrannten Bauteilen oder ausgelöstem FI. Besonders heikel ist das bei netzbezogenen Schaltungen, wo Punkte gegenüber Erde gefährlich hohe Spannungen führen können. Hier gilt: niemals einfach die Masseklemme an einen beliebigen Punkt klemmen. Sind zwei Punkte zu messen, die beide nicht auf Erde liegen, braucht man einen Differenztastkopf, der die Spannung zwischen zwei Punkten potentialfrei misst. Ein normaler Tastkopf kann das nicht.

Ein weiterer Routinepunkt ist der Tastkopf-Abgleich. Ein 10:1-Tastkopf enthält einen kleinen Abgleichkondensator, der auf das Oszilloskop eingestellt werden muss. Dazu legt man die Messspitze an das Rechteck-Kalibriersignal des Geräts und dreht so lange an der Schraube, bis die Rechteckkanten sauber rechtwinklig stehen – nicht verschliffen und nicht überschwingend. Ein schlecht abgeglichener Tastkopf verfälscht vor allem schnelle Signale und Flanken.

Sind Anschluss und Abgleich erledigt, sind das die typischen Messungen im Alltag: die Amplitude eines Signals (über V/div), seine Frequenz (über die Periodendauer), die Form der Kurve, das Brummen auf einer Versorgung – und das Tastverhältnis bei Schaltsignalen. Das Tastverhältnis (englisch Duty Cycle) beschreibt, welcher Anteil einer Periode das Signal auf High-Pegel liegt. Es ist zentral bei pulsweitenmodulierten Signalen, wie sie zur Ansteuerung von Ventilen, Motoren oder LED-Dimmern verwendet werden.

Ein Rechtecksignal besteht aus einer High-Zeit (t_on) und einer Low-Zeit (t_off). Beide zusammen ergeben die Periodendauer, und das Verhältnis von High-Zeit zur Periode ist das Tastverhältnis: