Ratgeber
Die USB-Schnittstelle ist heute sowohl an PCs als auch an Laptops nicht mehr wegzudenken. Denn sie überträgt nicht nur Daten, sie liefert auch eine für unzählige Geräte ausreichende Stromversorgung.
So auch für USB-Oszilloskope, die dadurch auf Netzkabel, Display und Bedienelemente verzichten können. Das macht sie kleiner, leichter und auch preiswerter. In diesem Ratgeber erfahren Sie deren wichtigste Eigenschaften. Wir beschreiben ausserdem die wesentlichen Kriterien für die Beschaffung.
Oszilloskope – oft auch Oszis oder Scopes genannt – gehören zu den Mess- und Testinstrumenten. Sie stellen variierende Signalspannungen grafisch in Form von Wellen dar, typischerweise als Funktion der Zeit. Die angezeigte Wellenform lässt sich dann auf Eigenschaften wie Amplitude, Frequenz, Anstiegszeit, Zeitintervall, Verzerrung und andere Parameter analysieren.
Zu finden sind USB-Oszilloskope in den Naturwissenschaften, in der Medizin, im Maschinenbau, in der Automobilindustrie und in der Telekommunikationsbranche. Allzweckgeräte dienen beispielsweise zur Wartung und Reparatur elektronischer Geräte.
Frühe Oszis verwendeten Kathodenstrahlröhren und lineare Verstärker für die Signalverarbeitung. Weitgehend abgelöst sind sie inzwischen durch digitale Speicheroszilloskope mit hochauflösenden LC-Displays, schnellen Analog-Digital-Wandlern und digitalen Signalprozessoren.
Nachteil dieser Oszilloskope: Ihr Einsatz kann im Wesentlichen nur stationär erfolgen, sie benötigen einen Anschluss ans Stromnetz, sind verhältnismässig schwer und gross. In den 1990er Jahren kamen deshalb Oszilloskope ohne Display und Einstellknöpfe auf den Markt. Sie wurden einfach per Datenkabel an einen PC oder Laptop angeschlossen. Die Bedienung des Geräts sowie die Auswertung, Darstellung und Speicherung der Daten erfolgte komplett durch eine Software über den Rechner.
Da ein solch abgespecktes Oszilloskop nur noch über Ein- und Ausgangsbuchsen verfügte, fiel das Gehäuse erheblich kleiner, leichter und vor allem preiswerter aus.
Zudem entwickelte sich das Gespann aus Oszi-Box und Laptop zum idealen Begleiter für Servicetechniker in elektrotechnischen und elektronischen Bereichen.
Inzwischen ist nicht nur die Leistungsfähigkeit der kleinen Helfer gestiegen, auch der Datentransfer zum Computer erfolgt dank schneller Schnittstellen quasi in Echtzeit. Als Favorit hat sich in dieser Hinsicht der USB-3-Standard etabliert. Er bietet nicht nur eine Datentransferrate von einigen Hundert Megabyte pro Sekunde, der Anschluss am Laptop liefert auch gleich die Versorgungsspannung für das USB-Gerät. Dies gilt allerdings nur für Scopes des unteren und mittleren Preissegments. High-End-Systeme mit vielen Zusatzfunktionen benötigen häufig ein externes Netzteil.
Wie die stationären Oszilloskope verfügen auch moderne USB-Oszis über einen oder mehrere analoge oder digitale Kanäle und manchmal auch über Tasten oder Schalter zur rudimentären Bedienung.
Was genau bei der Beschaffung eines USB-Oszilloskops zu beachten ist, hängt in erster Linie vom Verwendungszweck und vom zur Verfügung stehenden Budget ab.
Das wichtigste Merkmal ist die Anzahl der Kanäle zur gleichzeitigen Signalerfassung unterschiedlicher Quellen. Bedeutende Rollen spielen ausserdem die erreichbare Analogbandbreite, die Auflösung der Analog-Digital-Wandlung, der interne Speicherplatz sowie eine anwenderfreundliche Software und Zusatzfunktionen wie Funktionsgeneratoren oder Spectrum-Analyser.
Anzahl der Kanäle
Für einfache Anwendungen kann ein einziger Signaleingang durchaus reichen. Besser sind allerdings zwei oder mehr Eingangskanäle, um unterschiedliche Quellen gleichzeitig anzeigen zu können.
Darüber hinaus unterstützen einige USB-Oszilloskope zusätzliche digitale Kanäle, deren Signale entsprechend ihres Spannungspegels als Null oder Eins interpretiert werden.
Als nützlich hat sich zudem der Trigger-Eingang für eine externe Signalquelle erwiesen. Der lässt sich so einstellen, dass eine Messung erst bei einem vorher definierten Schwellwert ausgelöst beziehungsweise gestoppt wird.
Analoge Bandbreite
Die Bandbreite – angegeben in Megahertz (MHz) – gibt an, welche Frequenzen sich mit dem Gerät erfassen lassen. Die weitaus meisten am Handel angebotenen USB-Scopes akzeptieren Frequenzen zwischen 10 und 350 MHz.
Abtastrate
Die Abtastrate steht für die maximale Anzahl von Abtastungen, die das Oszilloskop pro Sekunde vornehmen kann. Digitale Instrumente arbeiten mit einer Reihe von Spannungsabtastungen, dargestellt durch diskrete Binärzahlen.
Ein digitales Oszilloskop tastet die Wellenform zu festgelegten Zeitpunkten ab und gibt die Werte an einen Analog-Digital-Wandler weiter. Es erfolgt somit eine Umwandlung analog gemessener Spannungen in digitale Informationen, den Samples. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Abtastrate, desto genauer ist die Wellenformanzeige des gemessenen Eingangssignals.
USB-Oszilloskope der unteren und mittleren Leistungsklasse können zwischen 25 und 500 Millionen Samples pro Sekunde und Kanal erfassen, sie besitzen also eine Abtastrate von 25 bis 500 Megasamples oder auch 25 bis 500 MSa/s. Einige Spitzenmodelle bieten sogar bis zu 5 GSa/s, das sind 5 Milliarden Samples pro Sekunde.
In direktem Zusammenhang mit der Abtastrate steht die Speichertiefe. Sie gibt an, wie viele Samples im Scope gespeichert werden können, das heisst: Je grösser die Speicherkapazität, desto höher kann die Abtastrate sein. Die Skala der Speichertiefen pro Kanal reicht von 4000 bis zu einer Milliarde Punkte pro Sekunde, mit einem Median bei 128 Millionen Punkten pro Sekunde, abgekürzt 128 Mpts.
Speicher
Der Sample-Speicher bestimmt, wie viele Samples in einer Aufnahme aufgezeichnet werden können. Wie bei stationären Scopes beträgt die Speicherauflösung 8, 12 oder 16 Bit. Ein USB-Scope wird deshalb auch hier als "Digitales Speicher-Oszilloskop" (DSO) bezeichnet.
Zertifizierungen
Genau wie stationäre Modell lassen sich auch USB-Oszilloskope kalibrieren und zertifizieren. Die meisten angebotenen Geräte sind werksseitig kalibriert und werden ohne Zertifikat ausgeliefert.
Spielt die Zertifizierung eine wichtige weil gesetzlich vorgeschrieben Rolle, können Kalibrierungen und Zertifizierungen nach ISO oder durch ein SCS / DAkkS-akkreditiertes Labor erfolgen.
Unser Praxistipp: Stromversorgung für unterwegs
Obwohl USB-Oszilloskope in der Regel über den USB-Anschluss mit Strom versorgt werden können, ist es ratsam, stets ein Netzteil bei mobilen Einsätzen dabei zu haben. Vorausgesetzt natürlich, das Oszilloskop besitzt einen Netzteilanschluss. Alternativ lässt sich ein USB-Oszilloskop mit einer Powerbank, einem mobilen Akkupack, betreiben. Dafür gibt es passende Kabel mit Netzteil-Klinkensteckern für den USB-Ausgang der Powerbank.
Sind für USB-Scopes spezielle Prüfspitzen erforderlich?
Nein, auch USB-Scopes sind wie stationäre Oszilloskope mit BNC-Anschlussbuchsen für passive und aktive Tastköpfe ausgestattet. Zur Minimierung hochfrequenter Signale verfügen Tastköpfe und Prüfspitzen über Koaxialleitungen. Sie schützen das Signal vor externen elektromagnetischen Störungen und besitzen eine geringere Induktivität als fliegende Leitungen, wodurch der Tastkopf Hochfrequenzsignale genauer erfasst.
Lassen sich USB-Scopes auch an ältere Laptops anschliessen?
Grundsätzlich ja, wichtig ist lediglich eine USB-Schnittstelle ab der Version 2. Ausserdem sollten Grafikkarte und Display wenigstens die VGA-Auflösung 640 mal 480 Pixel beherrschen, wobei gilt: Je höher die Auflösung und die Bildschirmdiagonale, desto besser die Darstellung und Bedienbarkeit. Hinsichtlich des Betriebssystems erfordert die zum Gerät kostenlos mitgelieferte PC-Software in aller Regel Microsoft Windows. Vereinzeln stehen aber auch Applikationen für Linux und macOS zur Verfügung.