Evolution des Oszilloskops
Das Oszilloskop (oder der Oszillograph) ist nicht die Erfindung eines einzelnen genialen Kopfes, sondern das Ergebnis einer Entwicklung, beginnend bei mechanischen über elektro-mechanischen Kurvenschreibern (oder Wellenschreiber / Ondographen), über die Braun’sche Röhre zum Kathodenstrahloszillograph, wie wir es noch bis Ende des 20. Jahrhunderts in den Laboren fanden. Die heutigen computerisierten Speicheroszilloskope sind „nur“ die (bislang) letzte Stufe der konsequenten Digitalisierung analoger Technik.
Die Entwicklung des Oszilloskops ist eine Geschichte der Überwindung physikalischer Trägheit. Um die schnellen, unsichtbaren Vorgänge der Elektrizität sichtbar zu machen, mussten Ingenieure von mechanischen Systemen, die durch ihre Masse begrenzt waren, zu nahezu masselosen Elektronenstrahlen wechseln.
Die mechanische Ära (19. Jahrhundert)
Die Entwicklungen des 19. Jahrhunderts bis zum Anfang des 20. Jahrhunderts in Bezug auf Elektrotechnik ist in Nehemiah Hawkins „Electrical Guide“ hervorragend zu verfolgen. Man kann digitalisierte Ausgaben in verschiedenen Internet-Archiven finden. Die Inhalte sind heute gemeinfrei.
Es existieren wohl verschiedene Auflagen, weshalb insbesondere das Thema „Wave Form Measurement“ bei der einen oder anderen Auflage in Band 6 oder Band 8 zu finden ist. In diesem Kapitel wird sowohl die Theorie der Messung von Wellenformen, wie auch die zeitgenössischen Apparate erläutert.
Der Hawkins Electrical Guide – war zu seiner Zeit (ca. 1914) ein äußerst einflussreiches Lehrwerk für Elektriker und Ingenieure. Man könnte es als Enzyklopädie bezeichnen. Es bot umfassende Erklärungen zu elektrischen Prinzipien und Geräten, die in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts von großer Bedeutung waren. Die folgenden Skizzen entstammen dem Electrical Guide, Band 6, Ausgabe 1917 (click auf das Bild rechts)
Der Oszillograph, ein Instrument zur Visualisierung zeitlich veränderlicher elektrischer Signale, war in diesem Kontext von besonderem Interesse. Hawkins Guide widmete ein eigenes Kapitel über die Messung von Wellenformen.
Gegen Ende des 19. Jahrhunderts nahm die Elektrifizierung rasant an Fahrt auf. Ingenieure bauten immer größere Generatoren, oft angetrieben durch Wasserkraft. Doch man stellte schnell fest: Ein einzelner Generator reicht nicht aus, um ganze Städte über große Strecken mit Strom zu versorgen. Die Lösung? Man musste mehrere Wechselstromgeneratoren in einem Netz parallelschalten.
Genau hier entstand ein massives Problem: Das Parallelschalten funktioniert nur dann, wenn die Maschinen absolut phasengleich arbeiten. Aber wie soll man die Phase einer elektrischen Schwingung anpassen, wenn man sie weder sehen noch messen kann? Die Elektrizität war ein unsichtbares Phänomen – die Ingenieure tappten buchstäblich im Dunkeln. Man brauchte also dringend eine Möglichkeit, diese schnellen elektrischen Vorgänge zu visualisieren.
Die allererste Synchronisierung wurde oft mit einem simplen Trick gelöst: der Dunkelschaltung mit Phasenlampen (Glühbirnen zwischen den Generatoren, die erlöschen, wenn die Phase stimmt). Um das Verhalten der Generatoren, die Kurvenformen und Oberwellen aber wirklich zu verstehen und Kraftwerke zu konstruieren, mussten die Ingenieure die Wechselspannung zwingend als Kurve sehen.
Die Inspiration dafür kam aus einer ganz anderen Richtung: Unabhängig von der Elektrotechnik hatten Erfinder bereits mechanische Apparate getüftelt, um Schallwellen auf rußgeschwärztem Papier sichtbar zu machen. Diese mechanischen Wellenschreiber waren die konzeptionelle Blaupause für die ersten elektrischen Kurvenschreiber – den Vorläufern unseres heutigen Oszilloskops
Bevor es elektronische Displays gab, mussten elektrische Signale in mechanische Bewegungen übersetzt werden. Diese frühen Geräte wurden als Oszillographen (Schriftschreiber) bezeichnet, da sie buchstäblich Kurven auf Papier oder Film zeichneten.
Der französische Physiker André Blondel stellte 1893 erste Theorien auf, aber der Brite William Duddell perfektionierte das Prinzip. Sein Oszillograph nutzte eine winzige Drahtschleife, die in einem starken Magnetfeld hing. Ein kleiner Spiegel war an der Schleife befestigt. Wenn Strom floss, drehte sich die Schleife (und der Spiegel). Ein Lichtstrahl traf auf den Spiegel und wurde auf einen rotierenden fotografischen Film reflektiert, wodurch die Wellenform aufgezeichnet wurde. Dieser Oszillograph wurde auch als „Moving Coil Oscillograph“ (Drehspulmesswerk) bezeichnet.
Für niederfrequente Wechselströme (wie sie in frühen Stromnetzen verwendet wurden) entwickelte Édouard Hospitalier den Ondographen. Dieses Gerät funktionierte ähnlich wie ein heutiges Sampling-Oszilloskop, jedoch rein elektromechanisch. Ein Synchronmotor trieb einen Kommutator an, der in jedem Zyklus des Wechselstroms einen Kondensator für einen winzigen Moment auflud. Der Kondensator entlud sich dann über ein Galvanometer, das einen Stift auf einer sich drehenden Papiertrommel bewegte. So wurde die Kurve Punkt für Punkt, Zyklus für Zyklus, auf Papier gezeichnet.
Das Problem dieser Ära: Die mechanische Trägheit der Drähte, Spiegel und Federn begrenzte diese Geräte massiv. Frequenzen über 10 kHz waren praktisch nicht darstellbar, da die mechanischen Teile den schnellen Stromänderungen nicht mehr folgen konnten.
Die Braun’sche Röhre
Die Braunsche Röhre (auch Kathodenstrahlröhre oder CRT für Cathode Ray Tube) ist eines der wichtigsten Bauteile in der Geschichte der Elektronik. Sie legte nicht nur den Grundstein für das analoge Oszilloskop, sondern war für fast ein Jahrhundert die bestimmende Technologie für Fernseher und Computermonitore.
Erfunden wurde sie 1897 von dem deutschen Physiker Karl Ferdinand Braun. Er nutzte eine bereits existierende Vakuumröhre, in der Elektronenstrahlen erzeugt wurden, und erweiterte sie entscheidend, um damit schnelle elektrische Signale darzustellen.
Erzeugung, Fokussierung und Ablenkung eines Elektronenstrahls
Die Funktion der Braunschen Röhre lässt sich am besten verstehen, wenn man dem Weg der Elektronen von ihrer Erzeugung bis zum Leuchtschirm folgt. Der Prozess durchläuft drei Hauptstationen: Erzeugung & Fokussierung, Ablenkung und Sichtbarmachung.
1. Das Elektronenstrahl-Erzeugungssystem (Die "Elektronenkanone")
Ganz hinten im Hals der trichterförmigen, luftleeren Glasröhre entsteht der masselose "Zeiger", der später die Kurven zeichnet.
2. Das Ablenksystem (X- und Y-Achse)
Nachdem der Elektronenstrahl das Erzeugungssystem verlassen hat, fliegt er durch zwei Paare von Ablenkplatten. Ohne diese Platten würde der Strahl einfach genau in der Mitte des Bildschirms auftreffen und einen einzigen hellen Punkt erzeugen.Um aus dem Punkt eine Kurve zu machen, macht man sich zunutze, dass der Elektronenstrahl ladungstragend und nahezu masselos ist. Er lässt sich daher durch elektrische (oder magnetische) Felder blitzschnell und völlig trägheitsfrei aus seiner Bahn werfen.
Die Kombination aus der Messspannung (Y) und der konstanten Zugbewegung (X) zeichnet die Zeitverlaufskurve des Signals.
Die Perfektionierung der CRT (1900 – 1930er Jahre)
Um aus Brauns Erfindung ein echtes Laborinstrument zu machen, mussten drei zentrale Probleme gelöst werden: Fokussierung, Strahlintensität und die Zeitachse.
Damit wurde das erste voll elektronische, in sich geschlossene Oszilloskop geschaffen. Es besaß eine X-Achse für die Zeit und eine Y-Achse für die Amplitude
CRT Simulation
DuMont Oszillosgraphen (1930er / 1940er Jahre)
In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts boten viele Hersteller Oszillographen mit Kathodenstrahlröhre (CRT) unter den verschiedensten Bezeichnungen an. Doch marktführend und mit dem weitaus größten Angebot zu dieser Zeit war die Firma Du Mont Laboratories.
Sie existiert heute leider nicht mehr, doch wurden viele Dokumente (Journale, Kataloge und Manuals) von Enthusiasten archiviert und sind heute noch im Internet verfügbar. Diese Dokumente geben einen hervorragenden Einblick in die damalige Technik
Allen B. DuMont machte das Oszilloskop (damals noch regelmäßig als Oszillograph bezeichnet) in den 1930ern überhaupt erst zu einem praxistauglichen, massenmarktfähigen Laborinstrument. Man kann die Bedeutung der Allen B. DuMont Laboratories für diese Epoche kaum überschätzen. Vor dem Zweiten Weltkrieg und in den frühen 1940er Jahren war DuMont der absolute Marktführer und quasi der "Goldstandard" für Oszilloskope.
Ihre Rolle lässt sich an drei zentralen Meilensteinen festmachen:
1. Die Lösung des Lebensdauer-Problems (1931)
In den frühen 1930er Jahren waren Kathodenstrahlröhren (CRTs) extrem fragil und teuer. Sie hatten eine durchschnittliche Lebensdauer von gerade einmal 30 bis 100 Stunden, bevor sie ausbrannten. Das war für ein Laborgerät untragbar. Allen B. DuMont, ein brillanter Ingenieur, optimierte 1931 die Materialien und das Vakuum der Röhren so massiv, dass die Lebensdauer auf über 1.000 Stunden anstieg. Erst durch diesen Schritt wurde das Oszilloskop kommerziell überhaupt erst wirtschaftlich.
2. Der Weg zum kommerziellen Massenprodukt (ab 1934)
Aufbauend auf seinen Röhren gründete er die Allen B. DuMont Laboratories und begann 1934, fertige „Cathode-Ray Oscillographs“ für den allgemeinen Labormarkt zu verkaufen. Vorher mussten sich Ingenieure oft ihre eigenen Messgeräte aus Einzelteilen zusammenbasteln. DuMont lieferte nun komplette, standardisierte Instrumente (wie das extrem populäre Modell 164 aus dem Jahr 1939 oder das Modell 208). Sie waren essenziell für die damalige Radarentwicklung, die aufkommende Fernsehtechnik und die Hochfrequenztechnik.
3. Der Thyratron-Sweep (Der Vorläufer des Triggers)
DuMont arbeitete bereits daran das Problems der durchlaufenden Wellendarstellung in den Griff zu bekommen und bereitete so bereits in den 1930er Jahren den Weg zum Trigger. DuMont nutzte gasgefüllte Vakuumröhren (sogenannte Thyratrons) für den Sägezahngenerator. Diese Thyratrons erlaubten eine sehr effektive "Synchronisation" der Zeitbasis mit dem Eingangssignal. Es war noch nicht der voll-kalibrierte, starre "Warte-auf-Pegel"-Trigger im Sinne des späteren Tektronix Model 511, aber es war ein gewaltiger Sprung. Tatsächlich bot DuMont mit dem kommerziellen Model 248 bereits 1945 eine frühe Form des „driven sweeps“ (getriggerten Sweeps) an, bevor Howard Vollum diese Technik bei Tektronix perfektionierte und messbar machte.
In den 1940er Jahren lag dann die eigentliche Leidenschaft und Vision des Firmengründers Allen B. DuMont nicht mehr beim Labor-Equipment, sondern in der Unterhaltungselektronik. Er sah in der Kathodenstrahlröhre primär den Weg ins Wohnzimmer (ganz Unrecht hatte er natürlich nicht 😀).
DuMont investierte gigantische Summen in die Produktion von Konsumenten-Fernsehgeräten. Er gründete sogar ein eigenes Fernsehnetzwerk: Das DuMont Television Network (neben NBC, CBS und ABC eines der vier frühen großen US-Networks).
Dieser Ausflug in die Medienwelt wurde zum finanziellen Desaster. DuMont konnte gegen die etablierten Radiogiganten (die das TV-Geschäft übernahmen) nicht bestehen. Das Netzwerk wurde 1956 nach massiven Verlusten eingestellt.
Um das finanziell angeschlagene Unternehmen zu retten, wurde die Firma aufgespalten. Die Fernseh- und Rundfunkstationen wurden verkauft (daraus entstand später Metromedia). Die Reste des Instrumenten- und Röhrengeschäfts von DuMont wurden 1960 von der Fairchild Camera and Instrument Corporation aufgekauft.
Fairchild Camera and Instrument wurde 1927 in Delaware als Fairchild Aviation Corporation gegründet, die aus der 1920 gegründeten Fairchild Aerial Camera Corporation hervorgegangen waren. Durch den Zusammenschluss wurde Fairchild Aviation zum zweitgrößten Hersteller von Verkehrsflugzeugen und zum viertgrößten Luftfahrtunternehmen in den Vereinigten Staaten.
Fairchild Aerial Camera produzierte Luftbildkameras für militärische und zivile Kartierungszwecke.
Unter Fairchild wurden noch einige Zeit Oszilloskope mit dem Label "Fairchild-DuMont" (später nur noch Fairchild) produziert, darunter auch frühe Transistor-Geräte. Sie konnten die verlorenen Marktanteile jedoch nie wieder zurückgewinnen. Der Name DuMont verschwand schließlich in den 1960er Jahren völlig von den Werkbänken, und Tektronix übernahm für die nächsten Jahrzehnte die absolute Weltmarktführerschaft.
Paradigmenwechsel
Vor Tektronix war das Oszilloskop in erster Linie ein qualitatives Instrument. Man nutzte es, um zu sehen, ob ein Signal vorhanden war und wie es ungefähr aussah. DuMont baute hervorragende Geräte für genau diesen Zweck.
Howard Vollum (Gründer von Tektronix) änderte 1946 mit dem Modell 511 und den darauffolgenden Geräten die Spielregeln komplett. Durch den präzisen Trigger und kalibrierte Verstärker wurde das Oszilloskop zu einem quantitativen Messgerät.
Tektronix: Bot ein Raster mit kalibrierten Schaltern (exakte Volt pro Rasterkästchen, exakte Mikrosekunden pro Rasterkästchen). Ingenieure konnten Signale plötzlich verlässlich messen.
DuMont: Hielt zu lange an freischwingenden oder nur mäßig synchronisierten Sweeps und unkalibrierten Drehreglern fest. Als sie endlich versuchten, gleichwertige getriggerte Geräte zu bauen, hatten Ingenieure bereits massenhaft zu Tektronix (und später auch Hewlett-Packard) gewechselt. Die überlegene Trigger-Schaltung von Tektronix war schlichtweg der neue Goldstandard.
Das getriggerte Oszilloskop (1946)
und der Aufstieg von Tektronix
Trotz all dieser Fortschritte hatten Oszilloskope in den 1930er und frühen 1940er Jahren einen massiven Nachteil: Der Sägezahngenerator lief freischwingend. Wenn die Frequenz des Messsignals und die Frequenz der Zeitbasis nicht exakt übereinstimmten (was fast nie der Fall war), wanderte das Bild kontinuierlich über den Bildschirm. Man musste ständig an Reglern drehen, um das Bild manuell zu synchronisieren.
Der letzte große Meilenstein in der Geschichte des analogen Oszilloskops war die Erfindung der getriggerten Zeitbasis.
1946 gründete Howard Vollum zusammen mit Jack Murdock, Melvin H. Banfield und Glenn McDowell Tektronix (oft einfach „Tek“ genannt).
Seine Erfahrungen als Ingenieur für das US Army Corps im Zweiten Weltkrieg waren für Howard Vollum die Grundlage, das Model 511 zu entwickeln. Revolutionär daran war eine Schaltung, bei der der Sägezahngenerator ruht, bis das Messsignal einen bestimmten Spannungswert (den Trigger-Level) überschreitet.
Das Ergebnis: Erst wenn das Signal diesen Schwellenwert erreicht, wird der Strahl einmal von links nach rechts über den Bildschirm geführt. Danach wartet das System auf das nächste Überschreiten des Schwellenwerts.
Dies sorgte dafür, dass jeder Durchlauf exakt am gleichen Punkt der Wellenform startete. Zum ersten Mal konnten auch kurze, unregelmäßige oder nur einmalig auftretende Impulse als gestochen scharfes, stehendes Bild analysiert werden. Mit dem Model 511 und der getriggerten Zeitbasis erreichte das CRT-Oszilloskop seine architektonische Vollendung und definierte das Aussehen und die Bedienung von Oszilloskopen für die nächsten fünfzig Jahre, bevor Ende der 1990er Jahre die Digitalisierung einsetzte.
Zwischenzeitlich etablierten sich allerdings auch andere Hersteller wie HP und LeCroy auf dem Premium-Oszilloskop-Markt. Mit der Digitalisierung verlor Tektronix allerdings die fast 50 Jahre andauernde Dominanz etwas. In 2025 ist Tektronix zwar noch gut dabei bei den Premium-Marken, aber bei Leibe nicht mehr konkurrenzlos.
