Messtechnik Dokumentierte Messungen mit dem Oszilloskop

Für den Elektronikingenieur ist das Oszilloskop ein Werkzeug von unschätzbarem Wert. Man kann es für viele Aufgaben einsetzen - aber der letzte Schritt ist immer die Dokumentation der Ergebnisse.

Über die Jahre wurde eine Menge Gehirnschmalz in die Verbesserung von Bandbreite, Triggerfunktionen, Signalaktualisierungsrate und vieler anderer Funktionen des Oszilloskops gesteckt, aber bis vor ganz kurzer Zeit hat sich eigentlich niemand so recht darum gekümmert, die Dokumentation der Messergebnisse schneller und effizienter zu gestalten. Entsprechende Angebote der Hersteller gab es kaum, dabei ist gerade dieser Schritt für viele Anwender entscheidend.

Die traditionelle Dokumentationsmethode arbeitet mit Bildschirmausdrucken, die man ins Laborprotokoll einfügt. Ein sehr großer Schritt nach vorn war, als man solche Bilder nicht mehr physikalisch ausdrucken musste, sondern sie elektronisch auf einem USB-Stick speichern konnte. Dennoch hat diese Vorgehensweise noch viele Beschränkungen.

Will man einen Bildschirmausdruck richtig interpretieren, benötigt man unbedingt korrekte Angaben über Skalierung und Offset. Jedes Oszilloskop schreibt diese Information aber an eine andere Stelle. Der erste Schritt bei jeder Auswertung besteht somit darin, auf dem Ausdruck die Skalierung zu finden. Man hat aber bis zu vier Kanäle und dazu die Horizontalachse, das macht diese Aufgabe nicht einfacher, speziell dann, wenn der auswertende Ingenieur nicht regelmäßig mit Oszilloskopen zu tun hat.

Eine Skalierung von 10 ns/Div wird meist nur als »10 ns/« angegeben, das unterscheidet sich von einer Verzögerung von 10 ns nur um ein einziges Zeichen. Die Hersteller haben aber noch einen weiteren Umweg auf Lager: Sind Marker auf dem Bildschirm zu sehen, findet sich deren numerische Position (und wichtiger noch, die mit den Markern gemessenen Differenzen) auf jedem Oszilloskop an einer anderen Stelle.

Die meisten Oszilloskope zeigen Messwerte wie etwa Anstiegszeiten unten auf dem Bildschirm an. Hat man nur eine einzige Messkurve, ist das auch in Ordnung. Was ist aber, wenn mehrere Messkurven sich den Bildschirm teilen? Manche Hersteller zeigen die Werte zur Messkurve standardmäßig links auf dem Bildschirm an, andere in der Mitte. Noch andere erlauben es, Messwerte per Drag&Drop auf dem Bildschirm frei zu positionieren.

Techniken wie etwa der Einsatz von Markern sind sicher nützlich, hinterher ist es aber manchmal sehr schwierig zu sagen, welche der Kurven hier gerade gemessen wurde. Ein weiteres Problem ergibt sich aus der begrenzten Bildschirmfläche: Manche Oszilloskope zeigen dem Anwender zu einer bestimmten Zeit nur eine Art Information, beispielsweise nur die Messwerte, aber nicht die Marker.

Will ein Anwender beides, braucht er statt einem Bildschirmausdruck zwei. Weil die Dokumentation letztlich also ziemlich aufwendig ist, sind manche Nutzer dazu übergegangen, ihre Bildschirmausdrucke in PowerPoint einzulesen. Dort können sie die Ausdrucke so nachbearbeiten, dass sie leichter leserlich sind. Damit ist das Ziel einer guten Dokumentation natürlich erreicht, aber effizient ist eine solche Arbeitsweise nicht.

Es ist nie gut, Ingenieurzeit zu verschwenden, andererseits ist eine unzureichende Dokumentation der Ergebnisse auch nicht akzeptabel. Immer wieder berichten viele Anwender, dass ihr Hauptproblem beim Einsatz ihrer Oszilloskope nicht etwa zu wenig Bandbreite oder Speichertiefe ist, sondern das Fehlen geeigneter Werkzeuge für die Dokumentation. Daher gibt es nun Produkte, die einem Oszilloskopanwender die Werkzeuge an die Hand geben, die er für eine gute Dokumentation braucht, beispielsweise die Oszilloskop-Analysesoftware »N8900A InfiniiView« von Agilent.

Messkurven mit Skalierung

Analog-Oszilloskope konnten die Skalierung der Koordinatenachsen nicht anzeigen, daher wurden die Anwender mit der Zeit ziemlich gut darin, die Messwerte aus den Einstellungen des Eingangsteilers und der Zeitbasis zu errechnen. Trotzdem beklagen sich Anwender immer wieder darüber, dass die Umrechnung zu schwierig ist, wenn die Zeitbasis nicht auf geraden Werten steht.

Heutige Oszilloskope sind aber keine Analoggeräte mehr, also kann man die Skalierung der Achsen problemlos einblenden (siehe Bild 1), und zwar optional: Der Anwender kann die Skalierung ausschalten, wenn er Bildschirmfläche sparen will, und einschalten, wenn er einen Bildschirmausdruck braucht. Der erste Haken der Methode zeigt sich dann, wenn man mehrere Messkurven auf dem Schirm hat, weil jede Messkurve normalerweise ihre eigene Vertikalskalierung hat.

Hier helfen Bildschirmgitter in mehreren Farben. Sie überdecken einander normalerweise nicht, daher lassen sie sich einfach erkennen. Jedes Bildschirmgitter bekommt seine eigene y-Achse mit Beschriftung. Der Einsatz von Markern ist an sich ziemlich einfach. Weil sie aber im Koordinatensystem angezeigt werden, die Markerwerte aber anderswo, ist die Sache doch nicht so trivial.

Aus diesem Grund arbeitet InfiniiView mit eingebetteten Markern (siehe Bild 2). Wiederum lassen sich die Markerwerte wahlweise ausblenden, damit die Zahlen auf dem Bildschirm nicht im Wege sind, aber wenn der Anwender zwecks Dokumentation einen Bildschirmausdruck anfertigt, ist diese Darstellung viel einfacher.

Etikettierte Messwerte

Es wurde bereits erwähnt, dass es oft nicht ganz einfach ist, numerische Messwerte und Messkurven einander zuzuordnen. Dabei können moderne Oszilloskope gleichzeitig bis zu 20 Messungen anzeigen. Schlichte Etiketten in der Messkurve und vor der Anzeige der Messwerte lösen das Problem (Bild 3). Auf diese Weise ist unmittelbar klar, für welche Kurve ein angezeigter Messwert gilt. Dennoch sind bei diesem Verfahren Messwert und Messkurve noch an unterschiedlichen Stellen des Bildschirms dargestellt, die der Anwender einander zuordnen muss.

Interessiert den Anwender nur der aktuelle Messwert und keine Statistik, kann er den Messwert auch in einer Textblase direkt im Messfenster anzeigen lassen (siehe Bild 4). Das ist für jedermann unmittelbar verständlich. Fast alle Oszilloskope zeigen die Messwerte am unteren Rand des Bildschirms, auch die Statistik, die Markerwerte, Histogramme und einige andere Daten.

Bis in die jüngste Zeit konnte der Anwender nicht verändern, was dort genau angezeigt wurde (und in welcher Form). Er konnte also nicht bestimmen, was er dort sehen wollte und was nicht. Beispielsweise ist es üblich, dort gleichzeitig die Messstatistik und die Markerwerte anzuzeigen. Die Statistik liefert eine ganze Reihe Ergebnisse, etwa Maximum, Minimum, Mittelwert und Standardabweichung; nur sehr selten aber will ein Anwender all diese Statistikwerte sehen.

Ihn interessieren in der Regel nur einige davon, auf die anderen kann er verzichten. In InfiniiView hat der Anwender die Wahl, welche Statistikwerte er angezeigt haben will, somit belegen ungenutzte Werte keinen Bildschirmplatz. In Bild 5 hat der Anwender beispielsweise den aktuellen Wert gewählt, dazu den Mittelwert, das Maximum und den Zähler. Alle anderen Statistikwerte hat er weggeklickt, die werden nicht angezeigt.

Bilder: 8

Dokumentierte Messungen

Mit dem Oszilloskop arbeiten

Auf dem Bildschirm sieht das dann aus, wie in Bild 6 dargestellt. Bild 6 sieht zwar recht aufgeräumt aus, Anwender von Oszilloskopen mögen aber keinen ungenutzten Bildschirmplatz: »Die rechte Hälfte der Ergebniszeile ist ja leer! Kann man dort nicht noch etwas Nützliches anzeigen?«. Bild 7 zeigt, wie man diesen Platz beispielsweise für die Anzeige von Markerwerten nutzen könnte.

In eine Zeile passen die Markerwerte allerdings nicht, also wurde die Zeile automatisch auf drei Spalten verteilt. Das Oszilloskop versucht, den vorhandenen Platz jeweils optimal zu nutzen und nach Möglichkeit ohne Scrolling auszukommen. Die Fenstergrenzen lassen sich manuell bewegen, auch die vertikalen. Hat ein Anwender einen großen Monitor mit viel Platz für Ergebnisse, kann er diese Bildschirmfläche auch zu diesem Zweck nutzen (siehe Bild 8).

Manchmal möchte der Benutzer einen bestimmten Teil einer Mess-kurve kommentieren (Bild 9). InfiniiView bietet dafür eine Funktion namens »Bookmarks«. Damit lässt sich einem bestimmten Punkt der Kurve ein beliebiger Text zuordnen (siehe Bild 10). Ein solches Bild ist wesentlich leichter verständlich als ein herkömmlicher Bildschirmausdruck.

Offline-Analyse

Die effizienteste Dokumentation von Messungen mit dem Oszilloskop ist, nicht nur Bildschirmausdrucke zu speichern, sondern gleich die ganze Messkurve. Angenommen, Anwender A erfasst Messdaten mit seinem Oszilloskop und speichert alle Messdaten und die Einstellung des Oszilloskops in einer einzigen Datei. Diese Datei dokumentiert die Messkurve mit den Anmerkungen, den überlagerten Messwerten, etc. Diese Datei schickt er an Anwender B.

Dieser kann die Datei mit einer Offline-Anwendung öffnen (beispielsweise InfiniiView), welche die Messkurve genauso auf dem Bildschirm darstellt, wie Anwender A sie gesehen hat. Der einzige Unterschied ist, dass Anwender B keine neuen Daten erfassen kann. Mit der Offline-Anwendung kann Anwender B an den vorhandenen Daten neue Messungen und neue Analysen durchführen.

Er kann eigene Anmerkungen zufügen und danach die Datei wieder an Anwender A zurückschicken. Dies ermöglicht völlig neue Formen der Teamarbeit. Statt dass wie früher nur ein einziger an die Messdaten herankommt und seinen Mitarbeitern lediglich Bildschirmausdrucke liefert, kann nun eine ganze Gruppe Ingenieure die Daten auswerten, ohne dass sie einen physikalischen Zugang zum eigentlichen Testobjekt hat.

Über die Autoren:

Douglas Beck ist Usability Engineer und Markus Stocklas ist Oszilloskop-Experte, beide bei Agilent Technologies.