Auf dem Prüfstand Handheld-Oszilloskope im Test

Autor / Redakteur: Jürgen Altheide * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Handheld-Messgeräte sind ähnlich wie moderne Smartphones: Sie sind vielseitig, leistungsstark, kompakt und netzunabhängig. Doch was steckt in ihnen? Wir haben uns zwei Geräte angeschaut.

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Handheldgeräte im Vergleich: Die mobilen Geräte OX 7204 von Metrix (links) und das U1620A von Agilent (rechts) bieten vollisolierte USB- und Netzgeräteanschlüsse und messen auch während des Ladevorgangs.
Handheldgeräte im Vergleich: Die mobilen Geräte OX 7204 von Metrix (links) und das U1620A von Agilent (rechts) bieten vollisolierte USB- und Netzgeräteanschlüsse und messen auch während des Ladevorgangs.
(Agilent)

Oszilloskope gehören zweifellos zu den bedeutendsten und gefragtesten Geräten schlechthin unter den elektronischen Messinstrumenten. Kein Labor, keine Werkbank, keine Ausbildung und kein Wartungsservice kann auf sie verzichten. Aufgrund der zunehmenden Leistung integrierter Schaltkreise und der immer höheren Packungsdichte der Platinen werden die Geräte nicht nur vielseitiger und leistungsfähiger, sondern auch immer kompakter. Lediglich der Durchmesser des verbauten Displays und die Ausmaße des Tastaturfeldes bestimmen im Wesentlichen die Größe der Geräte.

Dabei ist es durchaus lohnenswert, einmal einen prüfenden Blick auf die bisweilen geringgeschätzten, netzunabhängigen und tragbaren Oszilloskope, die Service- oder Handheld- Oszilloskope zu werfen. Stellen sie doch mit ihren technischen Daten manch einfaches Workbenchgerät in den Schatten: Bandbreiten bis 500 MHz, 12 Bit A/D Wandler, Abtastraten von mehreren GS/s pro Kanal und Speichertiefen im Megapointsbereich sind beachtliche Werte. Hinzu kommt eine Fülle von Analysemöglichkeiten, die sich auch nicht hinter ihren teureren Brüdern verstecken müssen.

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Beispielhaft sollen hier einmal zwei 200-MHz-Kandidaten unter die Lupe genommen werden: das Service-Oszilloskop OX 7204 von Metrix (Chauvin Arnoux Gruppe aus Kehl/Rhein) und das Handheldgerät U1620A von Agilent (Distributor dataTec aus Reutlingen). Beide Geräte messen etwa 27 cm x 19 cm x 6 cm und bringen mit Akkus ungefähr 2 kg auf die Waage. Die Displaygrößen betragen 5,7'' (ca. 14,5 cm ) und übertreffen im Durchmesser damit die klassischen Braunschen Röhren.

Auch während des Ladens gefahrlos messen

Handheld-Oszilloskope besitzen in der Regel voll isolierte Eingänge, denn insbesondere bei der industriellen Wartung sind oft massefreie Signale über mehrere Eingänge zu erfassen. Hierbei kann es zu Erdschleifen und Kurzschlüssen kommen. USB- und Netzgerätanschlüsse sind voll isoliert, deshalb sind gefahrlose Messungen auch während des Ladevorganges oder bei der Übertragung zum PC möglich. Außerdem sind Service-Oszilloskope immer Multifunktionsgeräte. Beide hier vorgestellte Kandidaten bieten neben der Oszilloskopfunktion, einschließlich FFT und mathematische Funktionen, noch jeweils ein Multimeter und einen Daten-Logger. Damit hören allerdings die Gemeinsamkeiten schon auf.

Das OX 7204 ist ein Vierkanalgerät (600 V CAT III) mit einer Abtastrate bis zu 2,5 GS/s im Single Shot- und 100 GS/s im ETS-Modus (Mehrfacherfassung period. Signale). Es besitzt einen berührungssensitiven Farb-LCD-Bildschirm mit einer QVGA-Auflösung von 320 x 240 Punkten und fast stufenloser Helligkeitsregelung. Der interne Speicher beträgt nur 50 Kilopoints pro Kanal, eine hohe externe Speicherkapazität wird aber durch eine steckbare SD-Speicherkarte erreicht. Als Besonderheit verfügt das Scope über einen 12 Bit A/D-Wandler und einen optionalen Oberschwingungsanalysator. Der Akku ist vom Typ Ni-MH.

Das zweikanalige Agilent-Gerät (ebenfalls 600 V CAT III ) hingegen punktet mit voller VGA-Displayauflösung von 640 x 480 Punkten und drei speziellen Displaybetriebsarten für Raum, Sonnenlicht und Nacht sowie einem internen Speicher von 2 Mpts/Kanal (interleaved). Die Samplerate beträgt 2GS/s pro Kanal (auch interleaved). Das Scope bietet außerdem effiziente Bustrigger-Möglichkeiten. Der A/D-Wandler ist ein 8-Chip, der Akku ein moderner Li-Ionen-Typ.

Features und Analysefunktionen im Vergleich

Bei den Features und Analysefunktionen haben sich die Entwickler beider Firmen voll ins Zeug gelegt, wenngleich sich die Konzeptionen der Geräte durchaus unterscheiden. Zunächst zum Gerät von Metrix: Ein dicker Gummischutz vermittelt einen robusten Eindruck und der lichtstarke, berührungssensitive Schirm zeichnet klare Bilder. Auswahl und Scrollen der Menüs sowie Cursorbewegungen oder Messkurven zoomen erfolgen mit einem Stift, der neben dem Screen verlustsicher magnetisch gehaltert ist. Vier intelligente Plug&Play-Eingangsbuchsen versorgen und kalibrieren Sonden und Tastköpfe, wobei ihre Eigenschaften beim Anschluss angezeigt und Umrechnungsfaktoren, Skalen und Einheiten im Gerät automatisch verwaltet werden. Die Tastköpfe sind mit drei Bedientasten ausgerüstet, und auf Knopfdruck wird eine integrierte Beleuchtungs-LED aktiviert.

Im Oszilloskopmodus erfreuen komplexe Triggerfunktionen, die über reine Flanken- und Impulsbreiten-Triggerung hinausgehen. Neben den üblichen Darstellungen wie Rollmodus, Hüllkurve und Mittelung sind Posttriggerung, Ereigniszählung, Auslösung durch Signal und eine Pulstriggerung, die auch kleiner/größer oder innerhalb/außerhalb eines Bereiches umfasst, zu nennen. Dazu sind noch Software-Triggerschwellen für Spannungen, Zeiten oder Frequenzen in Form eines Toleranzfensters programmierbar und die dabei erkannten Fehler können automatisch erfasst und gespeichert werden. Transienten können ab einer Länge von 2 ns aufgespürt werden. Auch manuelle und automatische Cursormessungen sind selbstverständlich. 19 automatische Messungen mit Messzonenauswahl ermöglichen diverse Zeit-, Pegel-, Phasen- und Frequenzbestimmungen. Allerdings fehlen so bekannte Messungen wie Crestfaktor oder Standardabweichung.

Beim Vertikal-Zoom kann der 12-Bit-A/D-Wandler sein Potential ausschöpfen: bis zu 156 µV/Div Auflösung (Faktor 16 x) sind möglich. Der Horizontal-Zoom bringt es aufgrund des bescheidenen internen Speichers nur auf den Faktor 100. Interessant ist dabei die Vorgehensweise. Um das zu analysierende Detail eines Kurvenzuges wird ein Rahmen gezogen und anschließend wird die horizontal und vertikal vergrößerte Darstellung in einem Fenster präsentiert.

Der Mathematik-Editor kann bis zu vier berechnete Signalverläufe gleichzeitig darstellen und ggf. Skalierungen mit physikalischen Einheiten festlegen, wobei auch Winkel- und Exponentialfunktionen zur Verfügung stehen. Selbst die Simulation von Kurven und die Modellierung von erwarteten Ergebnissen ist möglich (FFT-Analyse im Bild auf Seite 16 oben links). Die integrierte FFT-Analyse basiert auf der Berechnung von 2500 Punkten (mit Speichererweiterung auf 1016 Punkten) und bietet durch die 12-Bit-Umwandlung mit 2,5 GS/s einen Dynamikbereich von 80 dB. Es stehen 5 Bewertungsfenster sowie 2 Darstellungsarten zur Verfügung.

Erfassungszeiten von zwei Sekunden bis zu einem Monat

Sehr vielseitig ist das digitale Vierkanal-TRMS-Multimeter ausgelegt. Es arbeitet bis 200 kHz bei einer Auflösung von 8000 Digit (4-Stellen-Anzeige) und einer Grundgenauigkeit von 0,5 Prozent. Messergebnisse können bis zu einem Monat automatisch aufgezeichnet werden, eine Triggerung der Messungen für bestimmte Bereichsunter- und -überschreitungen oder eine bestimmte Dauer kann definiert und Fehler in einem Fehlerspeicher erfasst werden. Es kann sogar nach spezifizierten Bereichsfehlern automatisch gesucht werden. Der zeitliche Verlauf der Messwerte kann in einem Trendplot dargestellt werden. Bei der Leistungsmessung werden Wirk-, Blind- und Scheinleistung gleichzeitig angezeigt. Hier zeigt sich deutlich die Konzeption des Gerätes für die Industrielle Wartung.

Der Oberschwingungsanalysator eignet sich für Grundschwingungen bis 1 kHz, jedoch kann vorrangig für Standardfrequenzen von 50, 60 und 400 Hz vorgewählt werden. Oberschwingungen können normgerecht bis zur 61. Ordnung, der Klirrgrad (THD) bis zur 50. Ordnung berechnet werden, wobei die Dynamik je nach Bedarf zwischen 100, 50, 25 und 10 Prozent eingestellt werden kann. Der optionale Recorder mit einer Erfassungsdauer zwischen zwei Sekunden und einem Monat und einem Erfassungsintervall zwischen 40 µs und 53,3 s ermöglicht es, Fehler automatisch zu erfassen. Nach Überwachung von Schwellwerten, der Definition zulässiger Toleranzfenster oder einer Ereignissuche können die gespeicherten Phänomene am Gerät selbst mit Cursoren und automatischen Messungen bearbeitet oder exportiert werden.

Jeder Kurvenverlauf kann als Referenzverlauf in zwei Formaten und auf verschiedenen Trägern gespeichert werden. Das Gerät besitzt neben einem USB-Anschluss eine Ethernet- Schnittstelle und den integrierten Webserver SCOPENET. Dadurch lassen sich Dateioperationen oder Gerätesteuerungen übers Netz mit klassischen Windows-Befehlen über große Entfernungen durchführen. Und das ohne spezielle Software auf dem PC, da die integrierten Server sowie ein Dienstprogramm diese Aufgabe übernehmen.

Erweiterte mathematische Funktionen des Metrix-Scopes

Mit der optionalen Dateiverarbeitungssoftware SX-METRO lassen sich nicht nur das Scope fernsteuern, Bildschirmkopien und Dokumentationen erstellen und Kurven vom PC auf das Scope exportieren. Ebenso lassen sich zahlreiche zusätzliche Funktionen erschließen.

So werden die mathematischen Funktionen um Infinitesimalrechnung und digitale Filterberechnung erweitert. Auch die Dekodierung eines RS 232-Buses ist implementiert. Und schließlich lassen sich Nachleuchtdauer der Grafen und Darstellung ihrer Historie steuern.

In der neuen OX 7204-Bus-Variante des Gerätes ist anstelle der Oberschwingungsanalyse nun Triggerung auf 14 serielle Bustypen (unter anderem KNX, DALI, FlexRay, AS-i, Profibus, RS-485 oder ETHERNET) inklusive diverser Protokolle und Augendiagramm-Darstellung möglich. Optionale Verbindungsboards erleichtern den Anschluss an die unterschiedlichen Bustypen.

Das Scope von Agilent ist erst seit ungefähr zwei Jahren am Markt und damit hardwaremäßig das modernere Gerät. Es arbeitet sehr leise, braucht aber zum Booten gut eine Minute, was für das kleine Betriebssystem erstaunlich ist. Die gemessene Betriebszeit von gut 2½ Stunden für eine Akkuladung ist nicht gerade üppig. Das orange gummierte Instrument besticht durch einen hochauflösenden Bildschirm mit messerscharfer Schriftdarstellung. Die ist aber auch nötig, denn die Buchstaben und Zahlen sind bei den diversen Angaben, Achsbemaßungen, Kanal- und Setup-Informationen oft nur einen Millimeter groß und damit nichts für schwache Augen. Außerdem fehlt dem Schirm eine mattierte Oberfläche, so dass man sehr deutlich sein Spiegelbild betrachten kann.

Der Screen ist zwar nicht berührungssensitiv, durch implementierte Softkey-Funktionen aber sinnvoll genutzt. Neu in diesem Gerätesegment ist sicherlich die Möglichkeit, das Display in einen Nachtmodus mit orangefarbenen Messgitter und Beschriftung sowie in einen Helligkeitsintensiven Außenmodus mit weißem Hintergrund zu schalten.Damit lässt sich bei vollem Sonnenschein ohne Probleme arbeiten. Das Scope besitzt eine vertikale Empfindlichkeit von 2 mV/Div bei einer maximalen Auflösung von 40 ps. Tansienten können ab 5 ns erfasst werden.

Durch den für Handheld-Geräte enormen Speicher von 1 Mpoint (2 Mpoint interleaved ) lassen sich selbst bei Sampleraten von 1 GS/s noch Aufzeichnungen von 1 ms vornehmen. Oder anders betrachtet können 10 s lange Signale noch mit 100 KS/s erfasst werden. Bei niedriger Wobbelgeschwindigkeit sorgt ein Hochauflösungsmodus für zusätzliche Abtastungen, um Rauschen zu minimieren. Und selbst dem bei digitalen Scopen leidigen Aliasingproblem ist man mit einer schaltbaren Antialiasingfunktion zu Leibe gerückt: eine randomisierte Samplegeschwindigkeit verhindert die Fehlinterpretation der HF-Aliasingsignale als Niederfrequenzsignale.

Bis zu 30 automatische Messfunktionen verfügbar

30 automatische Messfunktionen wie Standardabweichung, Dutycycle und Crestfaktor, aber auch Pre- und Overshot, lassen sich aufrufen, allerdings ist nur jeweils eine Funktion aktiv. Im Zoommodus kann man ein Segment variabler Breite bis hinunter zu 2 ns/Div über den zu vergrößenden Signalabschnitt schieben, und das horizontal gestreckte Ergebnis wird dann in der unteren Bildschirmhälfte angezeigt.

Auch die Triggerfunktionen sind vielfältig. Es fehlen weder eine Triggerung auf die Nte-Flanke noch eine solche innerhalb oder außerhalb eines Zeitbereiches oder einer Zeitmarke. Auch die Flankenhöhe oder Störimpulse mit wählbarem Pegel sind Triggerereignisse. Weiterhin unterstützt die TV-Triggerung bereits den modernen HDTV-Standard. Aktuellen Anforderungen entspricht die Triggerung an CAN- und LIN-Bussignalen. Es lassen sich differenziert jeweils Bustyp, Polarität, Baudrate und Pegel, Taktzahl oder sogar der Abtastpunkt innerhalb einer Bit-Zeit wählen.

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Handheld-Oszilloskope – ein Fazit

Handheld-Oszilloskope sind mittlerweile sehr mächtige und vielseitige Geräte mit beachtlichen Leistungsdaten. Während das vorgestellte Metrix-Gerät OX 7204 mit seinen umfangreichen, teils sogar automatischen Fehlereingrenzungs,- Fehlersuch-, und Fehlererfassungsmöglichkeiten inklusive der optionalen Oberwellenanalyse sowie Touchscreen für leichten Außeneinsatz sicherlich seinen Schwerpunkt in der industriellen Wartung (Elektrotechnik, elektr. Energie oder Kfz-Technik) findet, dürfte das Agilent-Gerät U1620A mit seinem großen Speicher, dem hochauflösenden Bildschirm und der ausgefeilten Bustriggerung seine Stärke für Messungen in der Elektronik, der Medizin oder im physikalischen Umfeld ausspielen können. Je nach Kanalzahl und optionaler Ausrüstung kosten die Geräte brutto zwischen 4000 und 6000 Euro.

Die Mathematikfunktionen beschränken sich auf Grundrechenarten zwischen den Kanälen sowie die Infinitesimalrechnung, leider fehlen Exponential- und Winkelfunktionen. Ein Formeleditor ist nicht implementiert. Dafür ist die wählbare sinx/x-Interpolation zur genauen Rekonstruierung des Grafen bei relativ niedrigen Abtastraten vorbildlich. Die FFT-Funktion arbeitet auf Basis von 1024 Punkten bei fünf verschiedenen Bewertungsfenstern.

Die Daten werden mit einer festen Rate von 1 Sample/s protokolliert und lassen sich bis zu maximal acht Tage aufzeichnen. Zur Trendanalyse zeigt die Protokollfunktion ein Bildschirmdiagramm inkl. Messparametern, dessen horizontale Zeitachse sich ständig der verstrichenen Messzeit anpasst. Erfasst werden die ersten beiden Messkurven, ihre Statistik (Max, Min, Durchschnitt) kann auf Tastendruck abgerufen werden. Daten lassen sich in fünf verschiedenen Formaten im internen Speicher oder auf einem USB-Speichergerät ablegen, der Bildschirm auf einem angeschlossenen Printer unmittelbar ausgedruckt werden.

Eine LAN-Schnittstelle ist nicht eingebaut. Das einkanalige TRMS-Multimeter löst 10.000 Digit (4-stellige Anzeige) auf bei einer Grundgenauigkeit von 0,09 Prozent und ist bis 2 kHz spezifiziert. Statistikwerte werden automatisch angezeigt, und ein Bargraph visualisiert das Messergebnis. Übliche Multimetermessungen sind ebenso implementiert wie beispielsweise Frequenz- und Temperaturmessung, aber auch Leistungsmessungen (Blind-, Wirk-, und Scheinwerte) inklusive Leistungsfaktor. Allerdings lassen sich Schwellwerte, Toleranzfenster oder Fehlerspeicher nicht einrichten.

* Dr. rer. nat. Jürgen Altheide studierte Mathematik und Physik mit Schwerpunkt HF-Technik, ist freier Mitarbeiter der Uni Hannover und hat bereits verschiedene Sachbücher veröffentlicht.

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