Historische Entwicklung des Oszilloskops

In diesem Artikel betrachten wie die historische Entwicklung des Oszilloskopes vom „Hospitalier-Schreiber“ bis zum modernen Digitalmessgerät.

Am Anfang des 20. Jahrhunderts waren es Galvanometer, die zur Registrierung eines Signalverlaufs über die Zeit verwendet wurden, indem ein seitlich beweglicher Stift über eine konstant drehende Walze geführt wurde. Ein Beispiel dafür ist der sogenannte „Hospitalier-Schreiber“. Diese und ähnliche Geräte wurden fast 100 Jahre lang verwendet und zuletzt als „Messschreiber bezeichnet. Sie waren aber durch die begrenzte Bewegungsmöglichkeit (mechanische Dynamik) des Stiftes stark eingegrenzt, was nicht nur für die Amplituden, sondern vor allem auch für die Geschwindigkeit der Stiftbewegung, also für die Frequenzen gilt. Diese Einschränkung der Bandbreite, die wie ein physikalischer Low-Pass-Filter wirken, ermöglichte eher niederfrequente Aufzeichnungen. Bei der Aufzeichnung eines Erdbebens z. B. waren daher die langwelligen Oberflächenwellen gut erkennbar, aber der hochfrequente Ersteinsatz der Primärwelle war ziemlich unterdrückt.

Dann kam Licht ins Dunkel

Eine deutliche Verbesserung der Bandbreite brachte die Erfindung und der Einsatz des Spiegelgalvanometers, weil damit auf den (trägen) mechanischen Zeiger verzichtet werden konnte. Die Aufzeichnungen erfolgten nun optisch mithilfe einer Lichtquelle, deren Lichtstrahl über einen leicht beweglichen kleinen Spiegel an einem Torsionsfaden auf einen lichtempfindlichen Film gelenkt wurde. Ein großer Vorteil dieses Systems war auch die quasi beliebige Verstärkung des Signals, indem der Weg (Hebel) zwischen Spiegel und Filmstreifen einfach nur vergrößert wurde. Dennoch war die Handhabung etwas aufwendig, und die erforderliche Entwicklung der Filme war ein zusätzlicher Aufwand.

Dann kam endlich die Kathodenstrahlröhre ins Spiel. Zwar war diese schon seit Ende des 19. Jahrhunderts bekannt, aber ihr praktischer Einsatz für ein Messgerät zur Signalaufzeichnung mit zwei Elektronenstrahlen kam erst in den 1930er Jahren durch die britische Firma A.C.Cossor (später Raytheon) zur Anwendung. Diese zunächst noch unkalibrierten Geräte wurden vielfach im Zweiten Weltkrieg eingesetzt, um die Signale der Radargeräte auf einen Bildschirm zu bringen.

Bedeutung der Triggerung

Oszilloskop Philips GM5659

Das Oszilloskop Philips GM5659 von 1955 mit einem Frequenzbereich von 1Hz bis 1 MHz.

Die in Deutschland während des Zweiten Weltkrieges entwickelte Idee der Triggerung im Falle periodischer Signalverläufen ermöglichte eine genaue zeitliche Ausrichtung für die Darstellung (Stapelung) des sich ständig wiederholenden Signals, womit die grundlegende Architektur des analogen Oszilloskops erstanden war. Das erste kommerzielle Oszilloskop von der amerikanischen Firma Tektronix mit der Bezeichnung „Modell 511“ erschien dann auch 1946 auf dem Markt.

Aber auch nicht-periodische Vorgänge konnten schon mit dem analogen Oszilloskop angezeigt werden, indem man speziell beschichtete Kathodenstrahlröhren mit sehr langer (speichernder) Nachleuchtzeit verwendete. Daher kam übrigens auch die Bezeichnung Oszillograph. Die Bildauflösung und auch die Lebensdauer des Leuchtschirms waren allerdings recht begrenzt. Darüber hinaus gab es noch die technische Lösung der sogenannten „ereignisausgelösten fotografischen Aufnahme“, hierbei wurde das Bild auf der Kathodenstrahlröhre zum richtigen Zeitpunkt automatisch fotografiert.

Das Skiatron

Die sogenannte Blauschriftröhre war nicht selbstleuchtend, sondern hatte eine externe Lichtquelle. Der Elektronenstrahl wurde auf eine aufgedampfte Schicht aus Alkalihalogeniden gelenkt, meistens handelte es sich um Kaliumchlorid (KCL). Die Elektronenflut verursachte eine punktuelle Verfärbung, die typenabhängig blau oder eher blauviolett erscheint, und diese Spur war sehr beständig, in manchen Fällen bis zu Tagen. Durch Erwärmen konnte das Bild dann wieder gelöscht werden.

Das Ende der „Analogie“

Klassische Front eines digitalen Oszilloskopes

Dieses Bild zeigt die klassische Front eines modernen, digitalen Oszilloskopes

Mit der digitalen Signalverarbeitung und den Möglichkeiten der Datenspeicherung wurden analoge Oszilloskope ab ungefähr 1980 immer mehr durch digitale Speicheroszilloskope ersetzt (DSO). Das Herzstück der modernen Oszilloskope ist ein leistungsstarker Analog-Digital-Umsetzer, auch Datalogger oder Digitalisierer genannt. Die ersten Speicheroszilloskope wurden von Walter LeCroy gebaut und auf den Markt gebracht. Noch heute gehört die amerikanische Firma LeCroy zu den führenden Herstellern von qualitativ hochwertigen Oszilloskopen.