Ein Analogoszilloskop zeigt das Signal, indem es den Elektronenstrahl unmittelbar damit ablenkt. Zwischen Tastkopfspitze und Leuchtschirm liegen ein Abschwächer und ein Verstärker, sonst nichts: Das Bild auf dem Schirm ist eine ununterbrochene Spur, die genau so entsteht, wie das Signal verläuft. Ein digitales Speicheroszilloskop unterbricht diesen Weg. Sein Verstärker führt auf einen Analog-Digital-Umsetzer, der die Spannung in festen Zeitabständen misst und jeden Messwert als Zahl in einen Speicher schreibt. Was auf dem Schirm erscheint, ist kein Abbild des Signals mehr, sondern eine Rekonstruktion aus diesen Zahlen — und alles, was das DSO gegenüber dem Analoggerät auszeichnet, sowie alles, worin es eigentümlich versagen kann, folgt aus diesem einen Unterschied.
Das Nyquist-Shannon Abtasttheorem gibt die untere Grenze an: Die Abtastrate muss größer sein als das Doppelte der höchsten im Signal enthaltenen Frequenz. Diese Grenze ist mathematisch scharf, in der Messpraxis aber unbrauchbar, denn sie gilt für ein bandbegrenztes Signal und eine ideale Rekonstruktion über unendlich viele Stützstellen. Gerätehersteller nennen deshalb Faustwerte: Bei einem Oszilloskop mit gaußförmigem Amplitudengang sollte die Abtastrate etwa das Vier- bis Fünffache der analogen Bandbreite betragen, bei Geräten mit steilflankigem Eingangsfilter und sin(x)/x-Interpolation genügen etwa 2,5. Ein 1-GHz-Gerät arbeitet also typischerweise mit 5 GSa/s — nicht, weil die Theorie das verlangte, sondern weil erst dann die Kurvenform im Bild der wirklichen Kurvenform ähnelt.
Unterhalb dieser Werte wird die Darstellung nicht einfach nur gröber. Bei vier Punkten je Periode einer Sinusschwingung zeigt eine geradlinige Verbindung der Abtastwerte ein Rechteck-ähnliches Gebilde mit deutlich zu kleiner Amplitude, je nach Phasenlage der Abtastpunkte. Die sin(x)/x-Interpolation, die aus den Stützstellen die einzige bandbegrenzte Kurve durch alle Punkte berechnet, behebt das für sinusförmige Signale sauber. Sie ist aber für bandbegrenzte Signale gedacht, und eine steile Impulsflanke ist genau das nicht: An Sprüngen erzeugt sie Über- und Unterschwinger, die im Signal nicht vorhanden sind. Deshalb bieten DSOs beide Verfahren an, und deshalb ist die Frage „linear oder sin(x)/x" keine Geschmacksfrage, sondern eine Frage nach der Art des Signals.
Der praktisch wichtigste Unterschied betrifft nicht den Normalbetrieb, sondern den Grenzfall. Legt man an ein Analogoszilloskop ein Signal oberhalb seiner Bandbreite, so sinkt die dargestellte Amplitude, das Bild wird blass und verschwindet schließlich. Das Gerät zeigt weniger, als da ist, aber es zeigt nichts Falsches.
Ein DSO, dessen Abtastrate für das anliegende Signal zu niedrig ist, verhält sich anders: Es zeigt ein sauberes, stabiles, vollständig falsches Signal. Aus einer 990-MHz-Schwingung, mit 1 GSa/s abgetastet, wird eine 10-MHz-Schwingung mit voller Amplitude, die im Bild durch nichts als Fehler zu erkennen ist. Diese Spiegelung des Spektrums an der halben Abtastfrequenz — der Alias — ist die charakteristische Fehlerart der digitalen Erfassung. Das Analoggerät verschweigt, das Digitalgerät erfindet.
Gegen Aliasing hilft primär die Bandbegrenzung des Eingangs: Solange die analoge Bandbreite kleiner ist als die halbe Abtastrate, kann nichts zurückgefaltet werden, was die Faustregeln oben zusätzlich begründet. Im Betrieb bleibt als Prüfung, die Zeitbasis und damit die Abtastrate zu ändern: Ein echtes Signal behält seine Frequenz, ein Alias wandert.
Die Abtastrate ist am DSO keine frei wählbare Größe, sondern das Ergebnis einer Rechnung. Aufgezeichnet wird ein Zeitfenster von zehn Rasterfeldern Länge; die Zahl der dabei anfallenden Werte ist das Produkt aus Abtastrate und Fensterlänge und darf die verfügbare Speichertiefe nicht überschreiten. Aus dieser einen Beziehung folgt das gesamte Verhalten der Zeitbasis.
Ein Beispiel: Bei 10 ms/div ist das Fenster 100 ms lang. Mit 1 GSa/s wären das 100 Millionen Werte. Stehen nur 10 Mpts zur Verfügung, senkt das Gerät die Abtastrate auf 100 MSa/s. Dreht man weiter auf 1 s/div, sind es noch 1 MSa/s. Die Abtastrate, die auf der schnellen Zeitbasis großzügig war, ist auf der langsamen also um drei Zehnerpotenzen kleiner — und die Aliasgefahr ist dort am größten, wo man sie am wenigsten erwartet, nämlich beim langsamen Beobachten eines Signals mit schnellen Anteilen. Genau das ist der Grund, weshalb Speichertiefe ein Qualitätsmerkmal ist: Sie erlaubt, ein langes Zeitfenster zu erfassen, ohne die zeitliche Auflösung aufzugeben.
Wo die Werte nicht alle gespeichert werden können, entscheidet die gewählte Erfassungsart, was aus den weggelassenen wird. Im Abtastbetrieb wird schlicht jeder n-te Wert behalten — dazwischenliegende kurze Ereignisse gehen verloren. Die Spitzenwerterfassung behält je Intervall den größten und den kleinsten Wert; damit wird ein Nadelimpuls sichtbar, der kürzer ist als der Anzeige-Abtastschritt, allerdings um den Preis, dass auch das Rauschen mit seiner vollen Hüllkurve erscheint und die Kurvenform selbst nicht mehr korrekt rekonstruiert wird. Die hochauflösende Erfassung mittelt die Werte eines Intervalls: Das ist eine Tiefpassfilterung im Digitalteil, die je Vervierfachung der gemittelten Werte etwa ein zusätzliches Bit an Auflösung einbringt — eine sinnvolle Antwort darauf, dass die üblichen 8-bit-Umsetzer theoretisch nur knapp 50 dB Störabstand hergeben und praktisch, ausgedrückt in effektiven Bits, deutlich darunter bleiben.
Neben der Abtastrate steht eine zweite, ganz andere Rate im Datenblatt: die Erfassungsrate in Kurven je Sekunde (Waveform update rate). Sie beschreibt, wie oft das Gerät den vollständigen Zyklus aus Triggern, Aufzeichnen, Auslesen, Verarbeiten und Neu-Triggern durchläuft. Nur während der Aufzeichnung sieht das Oszilloskop das Signal; die restliche Zeit ist Blindzeit.
Die Größenordnungen sind ernüchternd. Ein Gerät, das 5000 Kurven je Sekunde erfasst und dabei ein Fenster von 1 µs aufzeichnet, ist 5 ms je Sekunde aufnahmebereit — es sieht 0,5 Prozent des Geschehens. Ein Störimpuls, der alle paar Sekunden auftritt, wird entsprechend selten erwischt. Moderne Geräte mit weitgehend in Hardware ausgeführter Verarbeitung erreichen einige hunderttausend bis über eine Million Kurven je Sekunde und schieben die Blindzeit damit in einen Bereich, in dem seltene Ereignisse innerhalb von Sekunden auffallen (beim Batronix Magnova 50ns). Die Erfassungsrate steht dabei im direkten Widerstreit mit der Speichertiefe: Je mehr Werte je Durchlauf zu verarbeiten sind, desto länger dauert der Zyklus. Wer die Speichertiefe manuell hochsetzt, bezahlt mit Blindzeit.
Beim Analogoszilloskop gibt es diesen Zyklus praktisch nicht — nach dem Sägezahndurchlauf folgt nur der Rücklauf, und das Gerät ist wieder bereit. Hinzu kommt, dass der Phosphor die Häufigkeit mit abbildet: Was selten vorkommt, erscheint schwach, was häufig vorkommt, hell. Diese Helligkeitsstaffelung ist beim Analoggerät ein physikalischer Nebeneffekt; DSOs bilden sie mit Nachleuchtfunktionen und Farbabstufung nach, und erst eine hohe Erfassungsrate gibt dieser Nachbildung genug Material, um aussagekräftig zu sein.
Eine dritte Rate ist von beiden zu trennen: die Bildwiederholrate der Anzeige, die bei etwa 60 Hz liegt. In ein Bild fließen also hunderte oder tausende Erfassungen ein, und da die Anzeige nur etwa tausend Spalten hat, ein Datensatz aber Millionen Werte umfassen kann, muss auch für die Darstellung reduziert werden — sinnvollerweise wieder über Minimum und Maximum je Spalte, damit schmale Ereignisse nicht zwischen den Bildpunkten verschwinden
Abtastrate, Speichertiefe, Zeitfenster, Erfassungsrate und analoge Bandbreite sind keine unabhängigen Kenngrößen, sondern Ecken eines Gebildes, in dem sich nichts vergrößern lässt, ohne anderswo nachzugeben. Das Analogoszilloskop kennt diese Abwägungen nicht; es kennt dafür auch keinen Speicher, keine Messautomatik und keine Möglichkeit, das Ereignis vor dem Trigger zu betrachten. Der Preis für all das ist die Notwendigkeit, jederzeit zu wissen, mit welcher Abtastrate das Gerät gerade arbeitet — denn diese Zahl steht klein am Bildrand, bestimmt aber, ob das gezeigte Bild das Signal ist oder nur eine plausible Erfindung.
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… OsziWissen: eine komprimierte Erläuterung zum Thema „Nyquist-Shannon Abtast-Theorem“ (2026)
… H. NYQUIST: CertainTopics inTelegraph TransmissionTheory (1928)
… C. E. SHANNON: A Mathematical Theory of Communication (1948) (Link Harvard University)
