Richtig messen mit USB-Scope (eBook)

Cover 1
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Vorwort 6
Inhaltsverzeichnis 7
1. Das Messen in Elektrotechnik, Elektronik und Funktechnik 12
1.1 Die Elektrotechnik 12
1.2 Die Elektronik 16
1.3 Elektrische und elektronische Bauelemente 18
1.4 Die Funktechnik 20
1.5 Analog- und Digitaltechnik 23
1.6 Die Sicherheit 25
2. Spannung, Strom, Widerstand und Leistung 27
2.1 Die elektrische Spannung 27
2.2 Der elektrische Strom 29
2.3 Der elektrische Widerstand und das ohmsche Gesetz 30
2.4 Die elektrische Leistung 32
2.5 Warum Hoch- und Niederspannung? 32
3.Der Universal Serial Bus (USB) 34
3.1 USB näher vorgestellt 34
3.2 USB – bemerkenswerte Vorteile 35
3.3 Die Stecker und das Kabel 36
4. Das Oszilloskop und seine Bedienung 40
4.1 Die wichtigsten Bedienelemente 40
4.2 Vorbereitung zur Messung 42
4.3 Spannungsmessung 42
4.4 Frequenzermittlung 43
4.5 Ermittlung einer Phasenverschiebung 43
4.6 Wenn ein zweiter Kanal hinzukommt 44
5. Digitale Oszilloskope 47
5.1 Die Analog-Digital-Wandlung 47
5.2 Das DSO 49
5.3 Das DPO 52
5.4 Das Sampling-Oszilloskop 53
5.5 Das USB-Scope 53
6. Grundtypen des USB-Scopes 55
6.1 Das USB-Hand-Scope (Pen-Scope) 55
6.2 Das USB-Mini-Scope (Pocket-Scope) 56
6.3 Das USB-Standard-Scope 58
6.4 Das USB-Profi-Scope (Highend-Scope) 60
6.5 Das USB-Kombi-Instrument mit Scope 61
6.6 Auswahl- und Kauftipps 62
7. Praktische Beurteilung eines Oszilloskops 64
7.1 Das A und O: die Bandbreite 64
7.2 Das Impulsverhalten 65
7.3 Minimaler Triggerpegel und maximale Frequenz 66
7.4 Die Linearität 66
7.5 Das Übersteuerungsverhalten 68
7.6 Die Sampling Rate 68
7.7 Vertical Resolution 70
7.8 Waveform Capture Rate 71
7.9 Record Length 71
7.10 Die Speichertiefe 71
8. Tipps für die Messung mit dem USB-Scope 73
8.1 Werte an Spannungen 73
8.2 Beachtung von Bandbreite und Anstiegszeit 75
8.3 Was bei Tastköpfen wichtig ist 76
8.4 Die Vorteile eines Vorteilers 77
8.5 Messen von Analogsignalen 81
8.6 Messen von Digitalsignalen 83
8.7 Trigger- und Sample-Rate-Einstellung 85
9. Weiteres zu USB-Scopes 87
9.1 Kalibriergenerator 87
9.2 Funktionsgenerator (Wafeform Generator) 88
9.3 Spectrum Analyzer 88
9.4 Frequenzmesser 90
9.5 Voltmeter 91
9.6 Datenlogger (Data Logger) 91
10. Einfache aktive Tastköpfe 92
10.1 Tastkopf in Drainschaltung 92
10.2 Tastkopf mit zwei SFETs 95
10.3 Tastköpfe mit SFET und Bipolartransistor 96
11. Mehrkanalschalter- Vorsätze 98
11.1 Grundsätzliche Hinweise zum Aufbau 98
11.2 Zweikanalschalter mit Operationsverstärkern 99
11.3 Zweikanalschalter mit SFET-Vorstufen 102
11.4 Erweiterung auf vier Kanäle 104
11.5 Multikanalschalter mit CMOS-Logik-ICs 105
12. Wobbeln mit dem USB-Scope 108
12.1 Wobbler: Grundtypen und Grundfunktion 108
12.2 Darstellungsmöglichkeiten 109
12.3 Begriffe der Wobbelmesstechnik 110
12.4 Besonderheit beim USB-Scope 112
13.Schaltungen für Wobbelzusätze 113
13.1 Audiofilter-Wobbler 113
13.2 Vielseitiger NF-Wobbler 115
13.3 Wobbelzusatz für keramische Filter 117
13.4 Low-Cost-HF-Wobbler 119
13.5 Logarithmischer NF-Wobbler 120
14. Weitere interessante Scope-Zusatzschaltungen 123
14.1 Vierfach-Spannungsvergleicher 123
14.2 Grafik auf dem Scope-Bildschirm 124
14.3 Bargraph-Anzeige 126
14.4 Kennlinienschreiber-Zusatz 129
14.5 Modulationsmonitor-Zusatz 132
15. Noch mehr USB-Messtechnik 135
15.1 PC-Karten/-Module 135
15.2 Das „Messlabor“ 137
15.3 Der Datenlogger 138
16. Prüfen und Testen von USB-Scopes 141
16.1 Die Bandbreite 141
16.2 Triggerung 142
16.3 Flankendarstellung 142
16.4 Zusatzfunktion FFT 142
17. Das Hand-Scope PS40M10 143
17.1 Wichtige technische Daten 144
17.2 Besonderheiten 144
17.3 Bandbreite 144
17.4 Triggerung 144
17.5 Flankendarstellung 146
17.6 FFT 146
17.7 Fazit 147
18 Das Mini-Scope USBscope50 149
18.1 Wichtige technische Daten 149
18.2 Besonderheiten 150
18.3 Bandbreite 150
18.4 Triggerung 152
18.5 Flankendarstellung 152
18.6 FFT 153
18.7 Fazit 153
19. Das Standard-USB-Scope RedScope 155
19.1 Wichtige technische Daten 156
19.2 Besonderheiten 156
19.3 Bandbreite 156
19.4 Triggerung 158
19.5 Flankendarstellung 158
19.6 FFT 159
19.7 Fazit 159
20 Das Scope DSO-21 0 USB 161
20.1 Wichtige technische Daten 161
20.2 Besonderheiten 162
20.3 Bandbreite 162
20.4 Triggerung 163
20.5 Flankendarstellung 163
20.6 Fazit 164
21. Das Standard-Scope DSO-2090 USB 165
21.1 Bandbreite, Triggerung, Flankendarstellung 165
21.2 Fazit 166
22. Das Profi-Scope M523 167
22.1 Wichtige technische Daten 168
22.2 Besonderheiten 168
22.3 Bandbreite 168
22.4 Triggerung 170
22.5 Flankendarstellung 170
22.6 Fazit 170
23 Das Profi-Scope CleverScope 328 171
23.1 Wichtige technische Daten 171
23.2 Besonderheiten 173
23.3 Bandbreite 173
23.4 Triggerung 175
23.5 Flankendarstellung 175
23.6 Fazit 176
24 Das Highend-Scope PicoScope 5203 177
24.1 Wichtige technische Daten 178
24.2 Besonderheiten 179
24.3 Bandbreite 179
24.4 Triggerung 181
24.5 Flankendarstellung 181
24.6 FFT 182
24.7 Fazit 182
25. Das vielseitige MEphisto Scope 183
25.1 Funktionen 184
25.2 Oszilloskop 185
25.3 FFT 187
25.4 XY-Betrieb 187
25.5 Voltmeter 188
25.6 Logikanalysator 189
25.7 Datenlogger 189
25.8 Digitale Ein- und Ausgänge 190
25.9 Fazit 191
Sachverzeichnis 192

7 Praktische Beurteilung eines Oszilloskops (S. 63-64)

Ein Oszilloskop kann man im Wesentlichen anhand seiner Daten aus den Unterlagen beurteilen. Feinheiten muss man durch praktische Tests auf die Spur kommen. Aufgeführt werden hier alle wichtigen Kriterien für analoge und digitale Typen.

7.1 Das A und O: die Bandbreite

Das wichtigste Qualitätsmerkmal ist die Bandbreite (beim digitalen Scope spricht man auch von analoger Bandbreite). Sie ist beim analogen Oszilloskop identisch mit der oberen –3-dB-Grenzfrequenz.

Merke: Je größer die Bandbreite, desto kleiner ist für eine bestimmte Messfrequenz der Fehler durch den Frequenzgang und umso getreuer werden Flanken dargestellt.

Das gilt uneingeschränkt nur für analoge Scopes. Beim digitalen Oszilloskop kann die Bandbreite auch von der Abbildungsqualität des Signals begrenzt werden. Hier existieren also zwei Kriterien: Amplitudenrückgang um 3 dB (29 %) einsetzende Verzerrung Während das erste Kriterium exakt definiert ist, hat man beim zweiten einen Interpretationsspielraum. Eine weitere Eigenheit der digitalen Scopes ist, das es zwei grundverschiedene Möglichkeiten des Abtastens gibt: Echtzeit- und periodisches Sampling (vgl. Abschnitt 5.2). Die meisten USB-Scopes beherrschen beide Spielarten. Mit periodischem Sampling sind in der Regel wesentlich höhere Bandbreiten möglich als mit Echtzeit-Sampling. Eine exakte Bandbreitenangabe für ein USB-Scope benötigt also noch zwei Zusatzinformationen und könnte beispielsweise so lauten:

Bandbreite 50 MHz (-3 dB, periodisch)

Theoretisch wird die Bandbreite von der Abtastrate bestimmt. Das könnte dazu verleiten, die Abtastrate(n) als entscheidendes Kriterium anzusehen. Das praktische Verhalten der USB-Scopes lehrt jedoch, dass die Abtastrate hier keine verlässliche Richtschnur für die Bandbreite darstellt. Der Frequenzgang kann von Scope-Typ zu Scope-Typ variieren. Man kann den Frequenzgang mit dem amplitudenkonstanten Signal eines durchstimmbaren HF-Gene- rators austesten.

Dabei darf die Eingangskapazität des Oszilloskops auch bei den üblichen 50 Ohm Innenwiderstand des Messgenerators nicht vernachlässigt werden. Bei einem Wert von 35 pF ergibt sich bei 10 MHz ein Blindwiderstand von 457 Ohm, also eine nennenswerte Belastung. Bei 10 MHz ist dann also schon von einem Messfehler von mehreren Prozent auszugehen. Bei höheren Frequenzen spielt noch der reduzierte ohmsche Anteil des Scope-Eingangswiderstands mit hinein. Um diese Einflüsse zu vermindern, kann man einen niederohmigen Spannungsteiler zwischenschalten. Besteht dieser beispielsweise aus Widerständen von 47 und 5,6 Ohm, liegt der Quellwiderstand für das Scope bei 5 Ohm, die Spannungsteilung bei 10 gegenüber 50-Ohm-Abschluss bzw. 20 gegenüber Leerlauf. Sowohl die Widerstandswerte als auch der Teilerfaktor sind unkritisch, wichtig ist nur die Senkung des Quellwiderstands für das Scope. 7.2 Das Impulsverhalten Ein ebenfalls wichtiges Kriterium jedes Oszilloskops ist das Impulsverhalten.

Ein praktisch tadelloser Impuls sollte auch so abgebildet werden. Das gelingt den Oszilloskopen nur eingeschränkt, denn bereits theoretisch können ansteigende und abfallende Flanke nicht mit Originalgeschwindigkeit nachvollzogen werden. Die Scope-Darstellung ist also weniger steil – das bedeutet eine höhere Anstiegs- und Abfallzeit als in der Wirklichkeit. Der Amplitudenspielraum für diese Zeiten ist definiert von 10 auf 90 % bzw. von 90 auf 10 % der Impulshöhe.

Das analoge Scope kann einer idealen Flanke nur gemäß der Formel t = 0,35 / Bandbreite folgen. Dies ist auch bei den meisten USB-Scopes der Fall. Ein 35-MHz-Scope würde demnach einer idealen Flanke in nur 10 ns folgen können (0,35 / 35 MHz = 0,01 µs = 10 ns). Die Eigenanstiegszeit des Scopes beträgt 10 ns. Das zeigt, dass eine hohe Bandbreite auch für die möglichst getreue Darstellung von digitalen Signalen unentbehrlich ist. Weiter sollte das Überschwingen gering sein, das Impulsdach sollte möglichst perfekt wirken.