Kathodenstrahl-Oszilloskop KO (Analoges Messprinzip)

FHBB Trinationale Ingenieurausbildung Elektronik 

Oszilloskop 

Kathodenstrahl-Oszilloskop KO (Analoges Messprinzip) 

Funktionsweise: 

In der Kathodenstrahlröhre wird ein Elektronenstrahl durch zwei Plattenpaare (Y-Achse 

und Zeitachse) proportional der Messgrösse abgelenkt und auf dem Bildschirm als 

analoge Grösse sichtbar gemacht. 

Die Messgrösse ist als Zeitfunktion auf dem Bilschirm sichtbar 

Vereinfachtes Blockschaltbild: 

Messsignal 

Eingang 

Trigger 

Eingang 

Strahl 

Y - Achse 

Auslösung 

Messignal y(t) 

Strahlbewegung 

Zeitliche Auflösung 

dank X-Ablenkung 

Z-Achse 

Vertikal 

Verstärker 

hell/dunkel 

Steuerung 

Sägezahn 

Generator 

X - Achse 

Kathode 

Horizontal 

Verstärker 

Y-Achse 

Ablenkung über Schirmbreite 

Trigger 

Strahlrücklauf schnell 

X-Achse 

Ablenkplatten 

Z - Achse 

Hellsteuerung 

Kathodenstrahlrohr 

Hochspannungs 

Einheit 

Strahlrücklauf dunkel 

Bildschirm 

Anode 

KO1.doc Seite 1 07.11.04/nh 

hell 

Bildschirm



Kathodenstrahlröhre 

Steuerelektrode 

Kathode 

Fokussier 

Elektrode 

Steuerelektrode: 

(Wehneltzylinder) 

Kathode glüht: 

Ablenkplatten 

Horizontal Vertikal 

Elektronenstrahl 

Nachbeschleunigungs-Elektrode 

Neg. Polarität gegen Kathode 

Die Elektronen können nicht austreten 

Anode 

Pos. Polarität gegen Kathode 

Elektronen werden "herausgesogen" und durch die 

Nachbeschleunigungselektrode beschleunigt bis sie auf den 

Bildschirm auftreffen. 

Die phosphorizierende Schicht leuchtet am Aufprallort. 

Elektronen können austreten (Elektronenemission). 

Phosphorizierende 

Schicht 

(Zink-Sulfid) 

Ablenkplatten 

Wegen der Coulomb’schen Kräfte werden die Elektronen durch die vertikalen 

Ablenkplatten proportional dem Messsignal und durch die horizontalen Ablenkplatten 

proportional der Zeit abgelenkt. 

Darstellungsart für 2-Kanal KO 

Obwohl nur ein Elektronenstrahl vorhanden ist, können mit folgender Massnahme zwei 

Messsignale dargestellt werden. 

DUAL (ALT) 

Darstellung nacheinander 

(alternierend) 

alternating 

Ungeeignet für: 

- Einmalige Vorgänge 

- Langsame Vorgänge 

CHOP 

Darstellung gleichzeitig 

zerstückelt (chopped) 

chopped 

Ungeeignet für: 

- sehr schnelle Vorgänge (Choppfrequenz). 

Die Anzeige ist immer phasenrichtig. 

KO1.doc Seite 2 07.11.04/nh



Digitales Speicheroszilloskop (Digitales Messprinzip) 

Die Messgrösse wird digitalisiert, gespeichert und dann auf einem Bildschirm (Monitor) 

dargestellt. 

Blockschaltbild mit 2 Eingangskanälen 

CH 1 

CH 2 

External 

trigger 

Attenuator 

Sample 

& Hold 

Sample 

& Hold 

Trigger 

logic 

8-bit ADC 

8-bit ADC 

Timebase 

Peak 

detect 

Peak 

detect 

Fast 

memory 

Fast 

memory 

Databus 

Data 

memory 

Interface 

Centronics 

Micro 

processor 

Real-time 

clock 

Display 

Das analoge Eingangssignal wird mit dem Eingangsverstärker/abschwächer (Attenuator) 

auf das richtige Signalniveau angepasst. Durch eine Sample & Hold Schaltung wird das 

angepasste Signal im Zeittakt abgetastet und zum Digitalisieren festgehalten. 

Der Analog-Digital Converter (ADC) wandelt jedes Sample mit der 

Abtastgeschwindigkeit in ein digitales Wort z.B. 8 bit. 

In einem schnellen Speicher (Fast memory) wird das Signal digital zwischengespeichert. 

Der Scheitelwerterfasse (Peakdetector) erfasst den Spitzenwert für den Messbereich. 

Über einen internen Datenbus werden die Daten zu den verschiedenen Einheiten wie 

Microprocessor; Datenspeicher (Memory); Bildschirm (Display); Schnittstellen (Interface, 

RS 232; GPIB; Centronics) gebracht. 

Über die Triggerlogic wird die Zeitbasis (Timebase) gesteuert. Diese steuert die 

Abtastgeschwindigkeit (sample rate). 

Schematischer Aufbau eines Analog-Digital-Umsetzers: 

Analogwert 

Abtaster (Sample) Halteglied Quantisierung Codierung 

Takt 

(Hold) (ADC) 

Zeitdiskret Amplitudendiskret 

0110 

Digitalwert 

Speicherung 


1101 

1011 

0110



Digitales Speicheroszilloskop TDS210 mit 2 Eingangskanälen 

Frontplatte 

Technische Daten (siehe auch Benutzerhandbuch) 

Vertikal 

Eingangsimpedanz 1 MΩ parallel 20 pF 

Max. Eingangsspannung 300 VRMS 

Digitalisierung 8 Bit Auflösung, jeder Kanal gleichzeitig abgetastet 

VOLT/DIV-Bereich 2 mV/div bis 5V/div 

Analoge Bandbreite 60 MHz 

Anstiegszeit < 5,8 ns 

DC-Messgenauigkeit ± (3% von Anzeigewert + 0,1 div + 1mV) 

Horizontal 

Abtastraten-Bereich 50 Samples/sek bis 1GS/s 

Aufzeichnungslänge 2500 Abtastungen für jeden Kanal 

SEC/DIV-Bereich 5 ns/div bis 5 s/div, im 1; 2,5; 5-er Schritt 

Trigger 

Triggersensibilität intern 1 div von DC bis 10 MHz 

Triggersensibilität extern 100 mV von DC bis 10 MHz 

Holdoff-Bereich 500 ns bis 10 s 

Bildschirm 

Typ 4,7 inch (120mm) diagonale, LCD 

Auflösung 320 horizontal mal 240 vertikal Pixel 




Vertikalablenkung (y): 

Die Auslenkung auf dem Bildschirm hängt ab von: 

• Maximale Amplitude des angelegten Signals 

• Teilerverhältnis am Tastkopf (x1; x10; x100) 

mit MENU CH1 bzw. CH2 einstellbar 

• Eingestelltem Ablenkkoeffizient A am KO 

A: V/div von z.B. 2 mV/div. bis 5 V/div. 

mit einer Teilung 1 - 2.5 - 5 

Beispiel: Bildschirmhöhe H: 8 div. 

Messsignal V: 5 Vpp (peak-peak) 

Teilerverhältnis T: x 10 

Ablenkkoeffizient A = ? (für möglichst grosse Auslenkung) 

Messarten, Eingangskopplung: (mit MENU wählbar) 

DC: Direct Current (Gleichstrom); lässt Gleich- und Wechselkomponente durch 

AC: Alternating Current (Wechselstrom); blockiert die Gleichkomponente 

GND: Ground (Nullpotential); unterbricht das Eingangssignal 

Messsignal: 

Rechteck mit 

off set 

(Nullverschiebung) 

Eingangs- 

kopplung 

0 

0 

DC AC AC GND 

Darstellung DC + AC Nur AC Bei tiefer Frequenz 

wird Dach sichtbar 


0 

0 

Nulllinie



Horizontalablenkung (x) 

Die Abtastrate auf dem Bildschirm hängt ab von: 

• Eingestelltem Zeitkoeffizient (SEC/DIV) 

von z.B. 5 s/div bis 5 ns/div 

• Dehnungsfaktor (Zoom Bereich); MENU HORIZONTAL 

Beispiel: Darstellen eines Signals der Frequenz 1 kHz 

Bildschirmbreite b: 10 div 

Zeitkoeffizient Z = ? 

MENU HORIZONTAL 

Hauptzeitbasis Einstellung für die Haupt-Zeitbasis 

Zoombereich Zwei Cursor definieren einen Bereich. 

Mit Knopf POSITION einstellbar. 

Dehnen dehnt das Signalsegment innerhalb des 

Zoombereiches auf die Anzeigebreite 

Trigger Pegel/Holdoff Bestimmt, ob der Triggerpegelknopf den 

Triggerpegel (Volt) oder die Holdoff-Zeit (sek) 

einstellt. 

Dehnfunktion (Zoombereich) 

Holdoff 

Mit dieser Option wird die Anzeige nicht-periodischer Signale stabilisiert. 

Während der Holdoff-Zeit ist der Trigger nicht wirksam. 




Triggerung (Strahlauslösung) 

Damit sich auf dem Bildschirm ein 

stehendes Bild ergibt, muss die 

Horizontalablenkung immer beim 

gleichen Augenblickswert der 

Signalspannung beginnen. 

Uy Signalspannung 

Triggerpegel 

Triggerimpuls 

Abgebildeter 

Spannungsverlauf 

Modus: (Einstellbar mit TRIGGER MENU) 

Auto: Automatische Triggerung 

Der Strahl löst immer aus, auch ohne Eingangssignal 

Normal: Normaltrigger mit einstellbaren Auslösekriterien 

Amplitude: Pegel 

Steigung: Flanke; Positiv/Negativ 

Der Strahl löst nur aus, wenn die Kriterien erfüllt sind. 

Flanke: Positiv 

Pegel: Positiv 

Flanke: Positiv 

Pegel: Negativ 

Flanke: Negativ 

Pegel: Positiv 

Flanke: Negativ 

Pegel: Negativ 

Single Shot: Einmaliges Auslösen auf ein definiertes Eingangssignal 

Die Triggerfunktion wird mit RUN/STOP wieder bereit gestellt. 

Quelle: Intern: Strahl 1 (CH1) oder Strahl 2 (CH2) 

Extern: Separater Eingangsstecker für externes Signal 

Netz: Auslösung mit Netzfrequenz 

Kopplung: Bandbreite DC: 

AC und DC Signal 0 - 10 MHz 

AC: DC wird unterdrückt 10 Hz - 10 MHz 

HF Reject: Hohe Frequenzen werden unterdrückt. 0 Hz - 7 kHz 

Unterdrücken von HF-Störungen 

NF Reject: Niedere Frequenzen werden unterdrückt. 300 kHz - 10 MHz 

Unterdrücken von z.B. 50 Hz Brumm) 


t 

t



Tastkopf-Abgleich 

Damit der verwendete Tastteiler (Probe) die Form des Signales unverfälscht wiedergibt, 

muss er genau an die Eingangsimpedanz des Vertikalverstärkers angepasst werden. 

Der im KO eingebaute Generator TASTKOPF ABGL. liefert dazu ein Rechtecksignal mit 

sehr kurzer Anstiegszeit. 

Bei einigen Tastteilern ist ein Niederfrequenter (NF) und ein Hochfrequenter (HF)-Abgleich 

notwendig. 

Ersatzschema Tastkopf 1/10 

R1 

9M 

C1 

ca.7p 

Ck 

30p 

R2 

1M 

C2 

30p 

Tastkopf Kabel KO-Eingang 


9M 

1M 

1/10 

ca. 7p 

60p 

R-Teil C-Teil 

Durch den Abgleich bekommt die kapazitive Teilung dasselbe Verhältnis wie der ohmsche 

Spannungsteiler. 

In Stellung 1:1 ist dieser Abgleich nicht nötig und auch nicht möglich. 

Der Abgleich soll mit einem Isolierschraubenzieher erfolgen (Streukapazitäten). 

Eingangskopplung auf Stellen DC. 

Die Dächer des Rechtecksignales müssen exakt parallel zu den horizontalen Rasterlinien 

stehen. 

Abgleichpunkte 

der Tastköpfe 

1 kHz 

1 MHz 

richtig falsch falsch 

1/10



Bildschirm-Anzeige 

Zusätzlich zur einfachen Darstellung von Signalen verfügt die Anzeige über viele Details 

zum Signal und den Geräteeinstellungen 

Schwarze Signallinie: Signal ist aktuell 

Graue Signallinie: Referenzsignal 

Unterbrochene Linie: Anzeige ungewiss 

Spezialfunktionen Funktionstasten 

1. Erfassungsmodus (Mittel-, Spitzenwert, Punktabtastung) 

2. Zeigt ob eine ädequate Triggerquelle vorliegt oder ob die 

Erfassung gestoppt wurde. 

3. Markierung zeigt die horizontale Triggerposition. Dies ist 

auch die horizontale Position des Signals. 

4. Zeigt den zeitlichen Unterschied zwischen dem mittleren 

Raster und der Triggerposition. 

5. Markierung zeigt den Triggerpegel. 

6. Nummerischer Wert des Triggerpegels 

7. Symbol zeigt die für die Flankentriggerung ausgewählte 

Triggerflanke. 

8. Einblendung der Triggerquelle 

9. Einblendung der Zeitbasiseinstellung für den Zoombereich 

10. Einblendung der Haupt-Zeitbasiseinstellung 

11. Einstellung der vertikalen Skalierungsfaktoren 

für Kanal 1 und Kanal 2. 

12. Anzeigebreich zeigt Online-Meldungen 

13. Bildschirmmarkierung zeigt Nulllinien der Signale. 

DISPLAY 

Format YT zeigt die vertikale Spannung relativ zur Zeit. 

XY zeigt Kanal 1 in der horizontalen und Kanal 2 in der vertikalen Achse. 

MESSUNG 

Effektiv- Mittel- Spitzenwert, Periode; Frequenz des Signals kann gemessen werden. 

AUTOSET 

Stellt das Gerät automatisch auf eine brauchbare Anzeige des Eingangssignales ein. 

HARDCOPY 

Startet den Druckvorgang. 

DIENSTPROGM. 

Verschiedene Grundeinstellungen wie Sprache; Schnittstelle können erfolgen. 

MATH MENU 

Signale an CH1 und CH 2 können addiert, subtrahiert, invertiert werden. 

SAVE/REC 

Geräteeinstellungen oder Signale können gespeichert und abgerufen werden. 

CURSOR 

Zum Bewegen der CURSOR die Knöpfe für Vertikal-Position verwenden. 

Es kann zwischen Spannungs- und Zeitcursor gewählt werden. 

Der Unterschied zwischen den Cursorn wird angezeigt. 




Signalverzerrung durch Digitalisierung: ALIASING-Effekt 

Nach dem Shannon-Theorem muss bei einem digitalen System (digitaler-Speicher-KO) 

die Abtastfrequenz fa mehr als doppelt so gross sein, wie die höchste im Signal 

enthaltene Frequenz fmax. 

fa > 2 fmax 

Wird diese Regel verletzt (Untertastung), kann die rekonstruierte Signalfrequenz auf 

dem Bildschirm verändert sein. 

Um den ALIASING-Effekt zu verhindern, müssen Signale mit Frequenzanteilen 

oberhalb der halben Abtastfrequenz einer Tiefpass-Vorfilterung unterworfen werden. 

Ein solches Filter nennt man Antialiasing-Filter oder im Hinblick auf seine Stellung 

innerhalb der Signalerfassungskette Presampling-Filter. 

Messen der Anstiegszeit ta eines Signals: 

ta: Anstiegszeit zwischen 10% und 90% 

der vertikalen Impulshöhe 

Bei einer Bildschirm-Anzeige von 

ta < 100 ns, ist die Eigen Anstiegszeit 

des Systems zu beachten. 

Die auf dem Bildschirm dargestellte Anstiegszeit setzt sich zusammen aus: 

t = t - t - t 

s 

2 

r 

2 

p 

2 

k 

t 

t 

t 

t 

s 

p 

k 

r 

Anstiegszeit 

des Eingangssignals 

Anstiegszeit 

des Tastkopfes 

Eigenanstiegszeit 

des KO 

Anstiegszeit 

auf demKO 

- Bildschirm 

ts tp tk tr 




Übungen mit dem Oszilloskop: 

1.) Messe die Amplitude und die Frequenz eines Sinussignales von ca. 4Vpp/1kHz 

Verwende die Triggerart AUTO 

A (Ablenkkoeffizient) = Z (Zeitkoeffizient) = 

2.) Kopplungsarten: Betrachte einen Rechteckimpuls 0-5 Vp / 50 Hz 

(TTL-Signal des Funktionsgenerators) 

0 

DC 

t 

0 

AC 


t 

0 

GND 

3.) Dehnfunktion (Zoom) 

Bestimme die Anstiegszeit 10/90% des Rechtecksignals ab Funktionsgenerator. 

Tastkopf x1 und x10 

4.) Triggere ein Sinussignal mit der Einstellung NORMAL in allen Positionen: 

Flanke: + + - - 

Pegel: + - + - 

5.) Gleiche den Tastkopf zu Y1 und Y2 mit dem Kalibrierimpuls ab (1 kHz / 5V) 

6.) Digitaler Speicherbetrieb: 

Verletze das Shannon-Theorem (Untertastung). Beobachte den ALIASING-Effekt. 

Signal: 4Vpp/1kHz ab Funktionsgenerator 

1. Einstellung am KO: 1ms/div 

2. Einstellung am KO: 500ms/div 

Variiere die Signalfrequenz ganz wenig und beobachte die Bildschirmdarstellung. 

7.) Speichere eine Sinusspannung als Ref.A bei: 

- Repetierendem Betrieb 

- Single shot 

8.) Betrachte zwei phasenverschobene Sinusspannungen und bestimme die 

Phasenverschiebung zwischen Ua und Ue: 

y-t-Mode 

x-y-Mode 

0 0 

Δt 

a 

T 

45 0 

b 

90 0 

t 

180 0 

j = 

Dt 

T 

0 

360[ 

] 

a 

j = arcsin 

b 

Ue 

Y1 

f ≈ 1kHz 

R 

10k 

t 

C 

10nF 

Y2 

Ua

Kathodenstrahl-Oszilloskop KO (Analoges Messprinzip)

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