Triggerbarer Oszillograf zum Selberbauen
Siegfried W. Schmidt (Original: Oktober 1974)
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1) Überblick
Durch die immer kleiner werdende Elektronik wird es möglich, ohne großen Bauteileaufwand kleine leistungsfähige Geräte zu bauen. Die nachfolgende Schaltung stammt ausnahmslos aus der Bastlerwerkstatt eines reinen Hobbyelektronikers und ist daher für den Nachbau geeignet.
Außerdem stellt die Schaltung, so glaube ich, eine Fundgrube von Schaltungsdetails dar, die, aus der Gesamtschaltung herausgelöst, für so manchen Sonderzweck verwendet werden können. (Es soll später sogar noch ein Zweikanalschalter beschrieben werden, der sich ohne Mühe nachträglich einfügen läßt.)
Den grundsätzlichen Aufbau des Gerätes zeigt das Blockschaltbild (Abb.1). Das Mess-Signal gelangt über den Abschwächer zum Vertikalverstärker, wird hier verstärkt und den Y-Ablenkplatten der Elektronenstrahlröhre zugeführt. Gleichzeitig wird das Signal der Triggerschaltung angeboten. In der Triggerstufe werden aus einem Signal beliebigen Spannungsverlaufes Triggerimpulse bestimmter Form und Amplitude gewonnen. Ein Triggerimpuls am Eingang der Zeitbasis bewirkt am Ausgang einen zeitlinearen Spannungsanstieg (Sägezahn). Über den Horizontalverstärker wird der Sägezahn verstärkt und den X-Platten der Bildröhre zugeführt.
Abbildung 1 - Blockschaltbild
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2) Abschwächer
Die Abbildung 2 zeigt die Schaltung. Mit einem Schalter kann der Eingang wahlweise auf AC- oder DC-Kopplung geschaltet werden. Eine dritte Schalterstellung ermöglicht es, den Eingang auf Masse zu legen, um ohne einen Messaufbau zu trennen, die Ruhelage des Strahles zu kontrollieren. Der Ablenkkoeffizient läßt sich mit einem kompensierten Abschwächer zwischen 100 mV/cm und 100 V/cm in Stufen verändern. Durch Einfügen einer Drahtbrücke im Vertikalverstärker läßt sich die Empfindlichkeit insgesamt noch um den Faktor 10 oder sogar 40 erhöhen.
Abbildung 2 - Abschwächer
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3) Vertikalverstärker
Der Schaltplan des Vertikalverstärkers ist in Abb.3 wieder gegeben. Er ist als gleichspannungsgekoppelter Verstärker ausgeführt. Die Eingangsstufe ist mit einem Feldeffekt-Transistor bestückt. Es läßt sich dadurch der hohe Eingangswiderstand erreichen, und zugleich der nachfolgende µA733 pegelrichtig und niederohmig ansteuern. Mit den beiden Endtransistoren BF259 läßt sich ein Spannungshub erreichen, der auch bei älteren, unempfindlicheren Röhren hohe Oszillogramme erzeugt. Die Arbeitswiderstände können, wenn der Oszillograf später einmal noch schneller gemacht werden soll, durch erheblich kleinere ersetzt werden. Es sind Werte bis hinab zu 10 kOhm zulässig, wenn man die Transistoren mit aufgesteckten Sternen kühlt.
Die Einstellung der Arbeitspunkte erfordert einiges Fingerspitzengefühl, ist aber auch von einem Laien durchaus zu Wege zu bringen.
Abbildung 3 - Vertikalverstärker
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4) Triggerschaltung
Soll ein Oszillograf, selbst von geringster Bandbreite, universell verwendbar sein, so hört jede Diskussion über "triggerbar oder nicht?" auf. Er muß ganz einfach triggerbar sein. Die meisten Oszillografen, die von Amateurelektronikern benutzt werden, haben nur eine synchronisierbare Zeitablenkung. Ein stabiles Oszillogramm von komplizierten und unregelmäßigen Impulsfolgen ist damit kaum möglich.
Die Triggerschaltung ist bereits im "Technik Anzeiger" besprochen worden (Reinhard A. Fenger, Heft 35-74, S.3583). Sie besteht aus einem Operationsverstärker (µA710) mit geeigneter Beschaltung (vgl. Abb.4). Über einen Schalter kommt das Signal von einer wählbaren Triggerquelle: Entweder intern vom Y-Verstärker oder extern über die Buchse "Triggereingang". Ein weiterer Schalter erlaubt die Wahl der Triggerqualität (pos./neg. Flanke), indem das Signal wahlweise dem invertierenden und nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers zugeführt wird. Ein Potentiometer (100 kOhm) dient zur Verschiebung der Ansprechschwelle, d.h. der Triggereinsatzpunkt kann entlang der Signalflanke verschoben werden.
Abbildung 4 - Triggerschaltung
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5) Sägezahngenerator
Die Abb.5 zeigt den Schaltplan des Sägezahngenerators. Er wurde vom Autor bereits im "Technik Anzeiger" vorgestellt (Heft 36-74, S. 3606). Der Kern der Schaltung ist der bekannte Timer 555. Durch seine Vielseitigkeit bedarf es keiner besonders auffälligen Beschaltung, um eine auf Anhieb funktionierende Zeitbasis zu erhalten.
Die Innenschaltung des 555 ist in Abb.5a wieder gegeben. Ein von der Triggerschaltung kommender Impuls wird im Komparator K1 mit einer Spannung verglichen und kippt das interne RS-Flip-Flop in eine Lage, die den Entladetransistor (TE) öffnet. Über das Poti (1 MOhm) "Zeit fein" wird ein mit dem Schalter "Zeit grob" gewählter Kondensator aufgeladen. (Eine Schutzdiode begrenzt die Ladespannung auf max. 15 Volt im Fall eines Defektes.) Der Ladezustand des Kondensators wird dauernd im Komparator K2 mit einer Referenzspannung verglichen, um beim Erreichen eines oberen Schaltpunktes das Flip-Flop zurück zu kippen. Der Kondensator wird dadurch über einen Widerstand (100) zur Strombegrenzung entladen. In dieser Stellung "wartet" die Zeitbasis auf den nächsten Triggerimpuls. Über den Verstärker wird das Ausgangssignal des Flip-Flops der Auftastschaltung zugeführt.
Abbildung 5 - Sägezahngenerator
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6) Auftastschaltung
Die Auftastschaltung (Abb.6) wird gebildet durch den Optokoppler mit dem Transistor. Der Koppler erhält seinen Ansteuerimpuls aus dem Timer 555. Somit ist die Impulsdauer gleich der Hinlaufzeit des Sägezahnes. Die Oszillografenröhre wird also während des Hinlaufes hell getastet, während sonst üblicherweise der Rücklauf des Strahls unterdrückt wird. Zur Potentialtrennung wurde ein Optokoppler deshalb verwendet, weil dieser im Gegensatz zu dem sonst üblichen Kondensator keinen (nennenswerten) Frequenzgang hat.
Abbildung 6 - Optokoppler
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7) Horizontalverstärker
Der Horizontalverstärker ist baugleich mit dem Y-Verstärker (vgl. Abb.3). Er bedarf hier keiner besonderen Erläuterung.
8) Bildröhre und Stromversorgung
Die Stromversorgung richtet sich in erster Linie nach der verwendeten Bildröhre, darum sollte man sich zuvor nach den Daten der verwendeten Röhre erkundigen. Im Allgemeinen läßt sich aber nahezu jede billige Oszillografenröhre mit dem von mir verwendeten Netzteil betreiben. In dem von mir gebauten Gerät wurde eine recht alte Röhre verwendet (2 BP 1). Zu ändern wäre nur der Spannungsbereich der Fokussierung und natürlich die Heizspannung. Eine zu geringe Anodenspannung beeinträchtigt die Funktion kaum. Sie führt nur zu einer geringeren Helligkeit des Schirmbildes. Im Gegenzug erhält man dafür aber eine höhere Empfindlichkeit des Ablenksystems. Als Transformator würde ich (fast) jeden Netztrafo aus einem alten Röhrenradio empfehlen. Die Anodenspannung über 500 Volt) kann ggf. durch Spannungsverdopplung erzeugt werden.
Wer sich die Mühe machen will, einen neuen Trafo "nach Maß" wickeln zu lassen, der sollte unbedingt darauf achten, daß die Heizung von allen anderen Wicklungen gut isoliert ist, da auf ihr nahezu die volle Anodenspannung steht. Die benötigten Sekundärwicklungen sind: Heizung für die Kathodenstrahlröhre (6,3 Volt), allgemeine Betriebsspannung (15 Volt) und Anodenspannung (500 Volt). Die Ablenkspannung (250 Volt) wird durch eine Mittelanzapfung gewonnen.
Die allgemeine Betriebsspannung (15 Volt) wird durch einen µA733 stabilisiert (vgl. Abb.7). Die Stabilisierung der Hochspannungen ist in Abb.8 wiedergegeben. Die Anodenspannung wird durch Vervielfachung gewonnen und durch eine Reihe Zehnerdioden stabilisiert.
Abbildung 7 - Stabilisiertes Netzgerät
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Abbildung 8 - Hochspannungserzeugung
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9) Ausblick
Der beschriebene Oszillograf ist, so wie er hier in Text und Bild dargestellt ist, noch lange nicht an der Grenze der Möglichkeiten. Ich habe aber bewußt auf die Hinweise verzichtet, mit denen Oszillografen "schnell" gemacht werden. Manch einer mag zum Beispiel über die Dunkeltastung mit Optokoppler lächeln. Ich aber halte den beschriebenen Aufbau für absolut nachbautauglich. Ich wollte mit Absicht das Schaltbild so einfach wie möglich halten, da ich glaube, daß der Selbstbau dieses Gerätes soweit ausbildet, daß der Bastler am Ende seiner Arbeit selber sieht, wo er (durch einfaches Einfügen von Teilen) den Oszillografen verbessern kann. Erweiterungsfähig ist er ja.
