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Ausblick

Oszilloskop

Zeigerinstrumente können wegen der Trägheit des mechanischen Systems den Spannungsschwankungen nur bei sehr langsamer Änderung folgen. Das Oszilloskop ist ein Gerät zur Anzeige rasch veränderlicher Spannungen. Man nutzt dabei die nahezu trägheitslose Ablenkung der Elektronen im elektrischen Feld aus. Im Folgenden werden wir die wichtigsten Bestandteile und die Funktionsweise des Oszilloskops genauer erläutern.

Abb. 1 Aufbau und die Funktionsweise eines Oszilloskops

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 (WEHNELT-Zylinder) und 3 in Verbindung mit der Anode. Mit Hilfe der Spannung, die zwischen Kathode und WEHNELT-Zylinder liegt, kann die Helligkeit des Leuchtpunktes gesteuert werden.

Ablenksystem

Weiter 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, durch Anlegen einer Spannung an das Plattenpaar 3 in der Horizontalen beeinflusst werden.

Die zu messende Spannung Uy wird an das Plattenpaar 2 (im Allgemeinen über einen Verstärker) angelegt. Ist an das andere Plattenpaar keine Spannung angelegt, so bewegt sich der Leuchtpunkt, dessen Ablenkung proportional zur Messspannung (y ~ Uy) und damit ein Maß für die momentan anliegende Spannung Uy ist, auf einer Vertikalen durch den Koordinatenursprung (Leuchtstrich bei Wechselspannung).

Um über den zeitlichen Verlauf der Messspannung mehr Information zu bekommen, muss der Elektronenstrahl auch in horizontaler Richtung (x-Richtung) bewegt werden. Dies wird durch die sogenannte Kippspannung erreicht, die an das Plattenpaar 3 angelegt wird. Die Kippspannung ist eine Sägezahnspannung, die bei negativen Werten beginnt und mit positiven Werten endet. Dadurch wird der Elektronenstrahl vom linken zum rechten Rand des Schirms "gezogen". 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.

Der relativ langsame und linear mit der Zeit verlaufende Anstieg der Spannung Ux 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.

Abb. 5 Entstehung des Schirmbildes bei einem Oszilloskop

Die nebenstehende Animation zeigt am Beispiel einer sinusförmigen Messspannung, wie durch das Zusammenspiel von Mess- und Kippspannung das Schirmbild aufgebaut wird.

Hierzu gibt es auch ein 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.

 

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.