Elektronenkanone Durch Zufuhr von innerer Energie (Glühen eines Metalldrahtes) können Elektronen aus dem Metall freigesetzt werden (glühelektrischer Effekt). In der hochevakuierten Röhre werden die Elektronen durch eine Spannung zwischen Kathode (1) und Anode (4) beschleunigt und treffen auf den Leuchtschirm, bei dem sich ihre Bewegungsenergie in Lichtenergie umwandelt (Leuchtpunkt).

Die aus der Kathode austretenden Elektronen müssen zur Erzeugung eines scharfen Leuchtpunktes fokussiert werden. Dazu dienen die Elektroden 2 (Wehneltzylinder) und 3 in Verbindung mit der Anode. Mit Hilfe der Spannung, die zwischen Kathode und Wehneltzylinder liegt, kann die Helligkeit des Leuchtpunktes gesteuert werden.

Ablenksystem Neben dem Elektrodensystem zur Strahlerzeugung befindet sich in der Röhre das sogenannte Ablenksystem für den Elektronenstrahl. Es besteht aus den Plattenpaaren 2 und 3. Durch Anlegen einer Spannung an das Plattenpaar 2 kann der Elektronenstrahl in der Vertikalen, bei Anlegen einer Spannung an das Plattenpaar 3 in der Horizontalen beeinflusst werden.

Die Ablenkung des Leuchtpunktes ist sowohl in der Horizontalen als auch in der Vertikalen proportional zur jeweiligen Spannung. Es gilt also:

x ~ U_x und y ~ U_y

Die zu messende Spannung U_y wird an das Plattenpaar 2 (im Allgemeinen über einen Verstärker) angelegt. Ist U_x = 0, so bewegt sich der Leuchtpunkt, dessen Ablenkung ein Maß für die momentan anliegende Spannung U_y ist, auf einer Vertikalen durch den Koordinatenursprung (Leuchtstrich bei Wechselspannung).

Mechanisches Analogon: Um die Schwingung eines Pendels zu registrieren kann man Sand in einen aufgebohrten Pendelkörper füllen, der unten durch ein Loch ausläuft. Auch hier ergibt sich zunächst ein Strich aus Sand. Um nähere Information über den zeitlichen Schwingungsverlauf zu erhalten, kann man das Papier mit konstanter Geschwindigkeit unter dem Pendelkörper wegziehen.

Um über das zeitliche Auf und Ab des Elektronenstrahls am Leuchtschirm mehr Information zu bekommen, muss – analog zum mechanischen Beispiel – der Elektronenstrahl mit konstanter Geschwindigkeit in x-Richtung bewegt werden. Dies wird durch eine sogenannte Sägezahnspannung erreicht, die an das Plattenpaar 3 gelegt wird.

Der relativ langsame zeitlineare Anstieg der Spannung U_x bewirkt, dass der Elektronenstrahl vom linken Schirmrand zum rechten Schirmrand in gleichen Zeiten gleiche Wege zurücklegt. Durch den sehr raschen Abfall der Sägezahnspannung auf den Anfangswert springt er Leuchtpunkt wieder an den linken Schirmrand zurück und der Aufzeichnungsprozess beginnt erneut.

Hinweis:
Würde die Sägezahnspannung nicht im negativen Bereich sondern bei 0V beginnen, so würde der Elektronenstrahl von der Schirmmitte zum rechten Rand gezogen, d.h. man würde nur die halbe Schirmfläche ausnutzen.

Synchronisation Um ein "stehendes" Bild am Schirm zu erreichen, muss das Schirmbild, das bei einem ersten Aufzeichnungsprozess entstanden ist, deckungsgleich mit den Folgebildern sein. Dazu muss die Zeit tv + tr wie in der obigen Abbildung gewählt werden. Allgemeiner: die Periodendauer der Signalspannung T und die Zeit tv + tr müssen in einem ganzzahligen konstanten Verhältnis stehen. Da dieses Verhältnis jedoch immer kleinen Schwankungen unterworfen sein wird, muss durch eine geeignete elektronische Schaltung (Synchronisation) dafür gesorgt werden, dass die Ganzzahligkeit des Zeitverhältnisses aufrechterhalten wird. Bei Oszilloskopen mit Synchronisation muss die Zeit tv + tr immer wieder von Hand nachgestellt werden. tv: Vorlaufzeit tr: Rücklaufzeit tw: Wartezeit

Wenn die Synchronisation nicht stimmt, gibt es flimmernde oder "wackelnde" Bilder am Schirm.

Triggerung Mit der sogenannten Triggerung (nach diesem System arbeiten die meisten modernen Oszilloskope) gelingt es sicherer zu stehenden Schirmbildern zu gelangen. Aus der Abbildung ersieht man, dass sich die Horizontalablenk-Spannung in "Wartestellung" befindet, solange die Signalspannung einen bestimmten Pegel (Triggerpegel) noch nicht überschritten hat, der Leuchtpunkt befindet sich am linken Schirmrand. Wird der Triggerpegel durch Uy überschritten, so steigt die Sägezahnspannung bis der Leuchtpunkt den rechten Schirmrand erreicht hat. Der rasche Abfall der Sägezahnspannung bewirkt dann wieder das Zurücklaufen des Leuchtpunktes in die Anfangsstellung. Nun beginnt der Prozess von erneut: erst bei Überschreiten des Triggerpegels läuft die Sägezahnspannung wieder los. Hinweis: Beim Rücklauf wird der Strahl durch geeignete Spannungseinstellung an der Elektronenkanone unterdrückt.

Die Animation links hat Jean-Jacques Rousseau von der Universität Maine in Frankreich erstellt und uns dankenswerterweise gestattet, sie einzubauen. Im Modus Relaxé = Ausgeschaltet, ist die Triggerung ausgeschaltet, die Sägezahnspannung läuft permanent durch und zeichnet ein fortwährendes Bild der angelegten y-Spannung. Im Modus Ceclénché = Eingeschaltet, ist die Triggerung eingeschaltet. Die Elekronenstrahl wird eingeschaltet (Punkt leuchtet grün), wenn die y-Spannung die Triggerschwelle (=Seuil) überschreitet, gleichzeitig läuft die Sägezahnspannung an und der Elektronenstrahl wird ausgeschaltet (Punkt leuchtet rot), wenn der Leuchtpunkt den Bildschirm durchlaufen hat.