Oszilloskop: Aufbau, Kathodenstrahlröhre, Ablenkung & Betrieb

Beschreibung

Das Oszilloskop ist ein elektronisches Instrument zur Messung und Darstellung elektrischer Signale. Es können zwar direkt nur Spannungen gemessen werden, jedoch lassen sich viele physikalische Größen indirekt messen, solange sich eine Spannung direkt proportional zum interessierenden Messwert erzeugen lässt. Im Gegensatz zu einem Voltmeter visualisiert das Oszilloskop das Verhalten eines Signals im Verlauf der Zeit: Der Bildschirm zeigt die Spannung gegen die Zeit.

Als Bildschirm wird technisch häufig eine Kathodenstrahlröhre (TRC/CRT) verwendet. Die wichtigsten Teile eines analogen Oszilloskops sind unter anderem:

• TRC (Kathodenstrahlröhre)
• Vertikalschnitt (Vertikaleintrag)
• Horizontalschnitt (Zeitbasis / horizontaler Antrieb)
• Stromversorgung / Netzteil

Kathodenstrahlröhre (TRC / CRT)

Die TRC ist eine Vakuumröhre, deren Bildschirm mit phosphoreszierendem Material beschichtet ist. Elektronen treffen mit kinetischer Energie auf diese Schicht; diese Energie wird als Licht freigesetzt und macht den Elektronenstrahl sichtbar. Dieser Effekt nutzt die Eigenschaft des Auges der retinalen Nachwirkung (Beharrlichkeit). Die TRC besteht aus mehreren wichtigen Baugruppen und Elementen:

• Filament‑Kathoden‑Montage: Verantwortlich für die Erzeugung der Elektronenwolke. Elektronen werden durch Erhitzen freigesetzt.
• Gitter (Grid): Dient zur Steuerung des Elektronenstromes. Ist das Gitter auf ein negatives Potential voreingestellt, wird der Elektronenfluss geregelt und damit die Helligkeit des Elektronenstrahls auf dem Bildschirm verändert.
• Anoden / Beschleuniger: Nachdem Elektronen von der Kathode emittiert wurden, beschleunigen die Anoden sie. Die Anoden regeln die Menge und die Geschwindigkeit der Elektronen, um auf dem Bildschirm scharfe Bilder zu erhalten. Die Beschleunigeranoden erzeugen positive Potentiale, die die Konzentration und Fokussierung des Strahls beeinflussen.

Die Fokussierung des Elektronenstrahls beruht auf den zwischen den Beschleunigeranoden erzeugten Feldlinien. Dadurch wird der Strahl wieder auf einen Punkt auf dem Bildschirm zusammengeführt. Die Regelung dieser positiven Potentiale ergibt einen mehr oder weniger definierten Punkt – dies ist die Fokussteuerung des Oszilloskops. Dieser Vorgang ähnelt optischer Fokussierung, weshalb man von elektronischer Optik spricht.

Ablenksystem – Sobald der Elektronenstrahl auf dem Bildschirm fokussiert ist, muss er bewegt werden, um das Signal darzustellen. Es gibt zwei Arten der Ablenkung:

• a) Elektromagnetische Ablenkung: Der Elektronenstrahl wird in einem Magnetfeld abgelenkt, das durch Spulen erzeugt wird. Der Strahl bewegt sich senkrecht zum Magnetfeld; diese Art der Ablenkung wurde in älteren CRT‑Fernsehern verwendet.
• b) Elektrostatische Ablenkung: Der Elektronenstrahl wird durch ein zwischen zwei Platten erzeugtes elektrisches Feld abgelenkt; die Ablenkung erfolgt entlang der Richtung des Feldes.

Betrieb des Oszilloskops

Vertikal‑Eingang – Hier wird das zu beobachtende Signal eingespeist, meist über einen BNC‑Stecker. Am Eingang befindet sich ein Dreistufenschalter AC / DC / GND:

• AC: Lässt nur die Wechselkomponente des Signals passieren; die Gleichkomponente wird durch einen Kondensator blockiert.
• DC: Lässt die Gleich- und Wechselkomponenten passieren (Direktmessung).
• GND: Trimmt den Eingang auf Massepotenzial; das Eingangssignal ist blockiert, das Oszilloskop zeigt die Null-Linie.

Der Eingang besitzt typischerweise einen Signalabschwächer (V/div), der das Signal auf ein für die Darstellung geeignetes Spannungsniveau reduziert. Der Vertikalverstärker verstärkt das Signal vertikal mit ausreichend Leistung, um die vertikalen Ablenkplatten anzusteuern.

Generator Sägezahn (horizontaler Oszillator) – Der Oszillator erzeugt das Sägezahnsignal, das für das horizontale Auslenken (Sweep) des Strahls benötigt wird. Die Frequenz des Sägezahns wird über die Zeitbasis (T/div) eingestellt.

Streich‑/Blanking‑Stufe – Eine Schaltung, die während des Rücklaufes (Retrace) des Strahls die Anzeige verhindert, damit nur die Vorwärts‑Darstellung sichtbar ist.

Der horizontale Verstärker verstärkt das Signal horizontal mit genug Leistung, um die horizontale Ablenkung zu treiben.

Sync‑Generator – Für die Untersuchung eines Signals ist eine Synchronisation zwischen dem Signal und dem horizontalen Sweep wichtig. Ist das Signal periodisch, kann es nur dann scheinbar „ruhig“ auf dem Bildschirm stehen, wenn die Sweep‑Frequenz und Phase mit der Periodizität des Signals übereinstimmen. In diesem Fall erscheint bei jedem erneuten Durchlauf der Strahl links wieder an der gleichen Stelle, das Signal hat dieselbe Amplitude und denselben Verlauf wie im vorherigen Sweep.

Um dies zu erreichen, verfügt das Oszilloskop über eine Kontrolle des Trigger‑Levels, die den Schwellwert bestimmt, bei dessen Überschreiten der Sweep ausgelöst wird. Die Synchronisations‑Abnahme erfolgt in der Regel aus dem Vertikalverstärker. Über einen Schalter kann der Sync‑Impuls vom Vertikalverstärker getrennt und ein externer Sync‑Impuls zugeführt werden. Dadurch lässt sich das Signal auch mit Standardfrequenzen synchronisieren (z. B. 50 Hz Netzfrequenz, horizontale TV‑Sync).

Mit einem horizontalen Eingangsschalter (INT / EXT) kann der horizontale Oszillator abgeschaltet werden, sodass der Strahl stillsteht und ein anderes Signal die horizontale Ablenkung bestimmt. Das Eingangssignal wird über die entsprechende BNC‑Buchse eingespeist; danach sind AC / DC / GND‑Schalter und die Eingangsdämpfung (V/div) zu wählen.

Der horizontale Eingang wird oft verwendet, wenn zwei Signale verglichen werden sollen (z. B. für Lissajous‑Figuren). Hierfür werden zwei alternative Sinus‑Signale benötigt, eines für jeden Eingang, um die relative Phase und Frequenz zu analysieren und die resultierenden Lissajous‑Bilder zu betrachten.