Der Weg zum Oszilloskop des 21. Jahrhunderts 

Das analoge Oszilloskop mit seiner getriggerten Kathodenstrahlröhre (CRT) war ein Meisterwerk der Ingenieurskunst. Doch es besaß eine fundamentale Schwäche: Die Flüchtigkeit des Moments. Ein analoger Elektronenstrahl zeichnet das Signal exakt in dem Moment auf den Bildschirm, in dem es passiert. Wenn das Signal verschwindet, verschwindet auch das Bild (abgesehen von der kurzen Nachleuchtdauer des Phosphors).

Der Übergang vom analogen zum computerisierten, digitalen Oszilloskop ist daher die Geschichte, wie Ingenieure lernten, elektrische Signale nicht mehr nur darzustellen, sondern sie zu speichern, zu berechnen und zu analysieren.

Bevor die Digitaltechnik schnell genug für Hochfrequenzsignale wurde, versuchte man, das Problem der Flüchtigkeit analog zu lösen. Wenn ein Ingenieur ein einmaliges, extrem kurzes Ereignis (wie einen Spannungsblitz beim Einschalten eines Geräts) messen wollte, war der Strahl zu schnell wieder weg, um ihn mit dem Auge zu erfassen.

• Die Speicherröhre (Storage CRT): Firmen wie Tektronix entwickelten spezielle Kathodenstrahlröhren mit einem komplexen Gitter- und Phosphoraufbau. Diese Röhren konnten den Verlauf eines Elektronenstrahls für einige Minuten bis Stunden auf dem Bildschirm "einfrieren".

• Das Problem: Diese Röhren waren extrem teuer, empfindlich (das Bild konnte einbrennen) und die Röhrentechnik war klobig. Man konnte das Signal betrachten, aber nicht weiterverarbeiten.

Der eigentliche Paradigmenwechsel fand statt, als man aufhörte, den Elektronenstrahl direkt mit dem Messsignal zu steuern. Stattdessen wurde das Signal von der Anzeige entkoppelt. Das Oszilloskop wurde zu einem Datenerfassungsgerät.

Das englische Unternehmen Gould Advance brachte 1974 mit dem OS4000 eines der ersten kommerziell erfolgreichen digitalen Speicher-Oszilloskope auf den Markt.

Der neue, digitale Prozess lief in drei Schritten ab:

• Abtastung (Sampling) & Wandlung: Ein Analog-Digital-Wandler (ADC) misst die Spannung des eingehenden Signals in sehr kurzen, regelmäßigen Abständen millionenfach pro Sekunde
  
  
• Speicherung: Diese diskreten Spannungswerte (Samples) werden als binäre Zahlen in einem digitalen Halbleiterspeicher (RAM) abgelegt.
  
  
• Rekonstruktion: Ein Mikroprozessor liest die Daten aus dem Speicher aus und zeichnet sie auf einem Raster-Display (anfangs noch eine CRT, später LCDs) neu.

Die revolutionäre Neuerung: Der Pre-Trigger

Beim analogen Oszilloskop startete die Aufzeichnung erst nach dem Trigger-Ereignis. Das digitale Oszilloskop hingegen zeichnet permanent in einen Ringpuffer (Circular Buffer) auf. Tritt das Trigger-Ereignis ein, stoppt das Gerät die Aufzeichnung einfach nach einer definierten Zeit. Dadurch war es plötzlich möglich, in die Vergangenheit zu schauen und zu analysieren, was vor dem eigentlichen Fehler (dem Trigger) im Schaltkreis passiert ist.

Frühe DSOs hatten jedoch einen entscheidenden Nachteil gegenüber ihren analogen Vorgängern: Sie waren blind.

Ein altes analoges Oszilloskop schoss den Strahl ohne Pause auf den Schirm. Trat ein seltenes Rauschen oder Jitter auf, sah der Ingenieur das als "Geisterbild" oder leicht leuchtenden Schatten auf dem Phosphor. Frühe digitale Oszilloskope benötigten nach der Aufnahme eines Datenpakets Zeit, um die Daten zu verarbeiten und auf den Bildschirm zu zeichnen (Totzeit oder Dead Time). In dieser Zeit (oft 99% der Betriebszeit) sahen sie keine Signale.

Digital Phosphor Oscilloscopes (DPO): Um 1998 lösten Hersteller dieses Problem. Durch den Einsatz massiv paralleler ASICs (anwendungsspezifische integrierte Schaltungen) anstelle von Standard-Prozessoren konnten Oszilloskope hunderttausende Wellenformen pro Sekunde in den Speicher schreiben. Das wird oft als „3D-Datenbank“ bezeichnet.

Farbkodierung (Color Grading): Um das Nachleuchten des alten analogen Phosphors zu simulieren, nutzten DPOs farbige Pixel. Ein Pixel, das oft vom Signal getroffen wurde (Normalzustand), leuchtete beispielsweise rot. Ein Pixel, das nur extrem selten getroffen wurde (ein Fehler oder Glitch), leuchtete blau. Das digitale Oszilloskop fühlte sich nun wieder so "lebendig" an wie ein analoges.

Der Begriff „Digital Phosphor“ ist eigentlich eine Metapher – und ein genialer Marketing-Schachzug von Tektronix, die diesen Begriff einführten. Mit Phosphor hat das ganze nichts zu tun.

In den alten analogen Röhren (CRTs) war die Innenseite der Glasscheibe mit einer chemischen Schicht aus Phosphor (Leuchtstoff) überzogen. Wenn der Elektronenstrahl auf diesen Phosphor traf, begann er zu leuchten. Dabei galt ein einfaches physikalisches Prinzip:

Wurde eine Stelle auf dem Bildschirm immer und immer wieder vom Strahl getroffen (das periodische Hauptsignal), regte sich das Material stark an und leuchtete sehr hell.

Wurde eine Stelle nur ganz selten getroffen (z. B. ein sporadischer Störimpuls), leuchtete der Phosphor nur sehr schwach auf und das Bild verblasste schnell.

Die in den 90er Jahren entwickelte 3D-Datenbank mit ihren Pixel-Zählern und der Farbkodierung macht exakt dasselbe: Sie ahmt das chemische Leucht- und Nachleuchtverhalten von echtem, physikalischem Phosphor rein mathematisch nach. Das auf dem Schirm angezeigte Signal entsteht durch eine Überlagerung  unzähliger aufgezeichneter Wellenformen (Rendering).

Der Name "Digital Phosphor" sollte den von der frühen Digitaltechnik frustrierten Ingenieuren signalisieren: "Hey, ihr bekommt das vertraute, leuchtende analoge Bild zurück – aber kombiniert mit digitaler Speicherung."

Die DPO-Architektur hat mittlerweile den Markt komplett erobert. Es ist die Blaupause für praktisch jedes moderne DSO. Ein professionelles Oszilloskop ohne diese Technik wäre heute für die Fehlersuche unbrauchbar.

Da Tektronix sich den Begriff "DPO" und die Technik "DPX" jedoch markenrechtlich schützen ließ, nutzen andere Hersteller einfach eigene Namen für exakt dieses Prinzip:

• Rohde & Schwarz: Setzt in seinen High-End-Serien (wie RTO oder RTP) massiv auf proprietäre ASICs, die oft über 1.000.000 Wellenformen pro Sekunde in Echtzeit erfassen und auswerten können. Man spricht hier meist sehr technisch-nüchtern von "High Update Rate" oder "Hardware-Accelerated Processing".

• Keysight (früher Agilent/HP): Nennt seine Technologie MegaZoom. Auch hier kümmert sich ein Custom-ASIC um die blitzschnelle, ununterbrochene Signalaktualisierung ohne CPU-Flaschenhals.

• Teledyne LeCroy: Vermarktet sein intensitätsabgestuftes, schnelles Display-System unter dem Namen WaveStream.

• Rigol / Siglent: Selbst im Hobby- und Einstiegssegment ist die Technik heute Standard. Rigol nennt es UltraVision, und Siglent nennt seine Geräte ganz ungeniert SPO (Super Phosphor Oscilloscope).

Kurz gesagt: Wenn ein Gerät heute "DPO" auf der Frontplatte stehen hat, ehrt das zwar eine historische Erfindung von Tektronix, bedeutet aber für den Käufer heutzutage schlicht: "Dieses Oszilloskop funktioniert so, wie ein digitales Oszilloskop heutzutage eben funktionieren muss."

Die Computerisierung und Automatisierung (2000er Jahre)

Da die Signale nun als reine Datenreihen im Speicher lagen, begannen die Hersteller, immer mehr Rechenleistung (DSP – Digital Signal Processing) in die Geräte zu integrieren. Das Oszilloskop wandelte sich vom reinen Anzeigeinstrument zum Analysewerkzeug.

Mathematik und Messungen: Statt Kästchen auf dem Bildschirm abzuzählen, berechnete das Oszilloskop nun auf Knopfdruck Anstiegszeiten, Frequenzen, Durchschnittsspannungen und RMS-Werte.

FFT (Fast Fourier Transformation): Per Knopfdruck ließ sich das Zeitsignal in ein Frequenzspektrum umwandeln. Das Oszilloskop übernahm Aufgaben, für die man früher einen teuren Spektrumanalysator brauchte.

Serielle Dekodierung: Die Geräte konnten digitale Kommunikationsbusse (wie I2C, SPI, CAN, USB) nicht nur als "High/Low"-Wellenformen anzeigen, sondern die Datenpakete in Echtzeit lesen und als Hexadezimal- oder Klartextwerte auf den Bildschirm schreiben.

Heute ist der Unterschied zwischen einem High-End-Oszilloskop und einem Hochleistungs-PC fast vollständig verschwunden.

• PC-Architektur: Moderne digitale Oszilloskope sind im Grunde extrem spezialisierte Computer. Unter der Haube läuft meist ein angepasstes Windows- oder Linux-Betriebssystem.

• Mixed Signal Oscilloscopes (MSO): Sie kombinieren analoge Kanäle mit Dutzenden von rein digitalen Kanälen (Logikanalysator), um komplexe Mikrocontroller-Systeme als Ganzes zu überwachen.

• Benutzeroberfläche: Drehen und Drücken ist oft Wischgesten gewichen. Große kapazitive Full-HD- oder 4K-Touchscreens erlauben das Zoomen in Signale per "Pinch-to-Zoom", wie man es vom Smartphone kennt.

• Bandbreiten-Wunder: Durch extremes Interleaving (das versetzte Parallelschalten mehrerer ADCs) erreichen moderne Oszilloskope Echtzeit-Abtastraten von über 250 Giga-Samples pro Sekunde (GS/s) und Bandbreiten von mehr als 100 GHz. Damit lassen sich Signale in optischen Netzwerken oder modernsten PCIe-Datenbussen auf Piko-Sekunden-Ebene analysieren

Weil quasi jeder Ingenieur oder Elektrotechniker (oder Metrologe 😀) des 20. Jahrhunderts mit Tektronix aufgewachsen ist, muss ich dazu noch ein paar Worte verlieren.

Die Geschichte von Tektronix während des Übergangs von analog zu digital ist ein klassisches Beispiel für das sogenannte „Innovator’s Dilemma“ – die Schwierigkeit eines Marktführers, eine neue Technologie zu adaptieren, die zunächst das eigene hochprofitable Kerngeschäft bedroht.

1. Das Zögern in den 1980er Jahren: Der Verlust der Krone

In der Hochzeit der Analogtechnik (1960er und 1970er Jahre) besaß Tektronix geradezu ein Monopol. Etwa 75 % des weltweiten Oszilloskop-Marktes gehörten dem Unternehmen aus Oregon. Jeder ernstzunehmende Elektronik-Ingenieur weltweit hatte ein Tektronix-Gerät auf dem Tisch.

Ironischerweise wurde das Konzept des digitalen Speicher-Oszilloskops bereits 1971 von einem Tektronix-Ingenieur, Hiro Moriyasu, erfunden. Dennoch tat sich Tektronix unglaublich schwer damit, die Digitaltechnik aggressiv auf den Markt zu bringen. Der Grund? Tektronix baute die mit Abstand besten analogen Kathodenstrahlröhren (CRTs) der Welt. Es war ihr Kronjuwel und hochprofitabel.

Während Tektronix an der Analogtechnik festhielt, preschten Konkurrenten wie Hewlett-Packard (HP) (heute Keysight) und LeCroy (heute Teledyne LeCroy) in den 1980er Jahren aggressiv in den digitalen Markt vor. HP integrierte Mikroprozessoren und digitale Speicherung sehr viel schneller in massentaugliche Geräte. Tektronix verlor in dieser Zeit massiv an Marktanteilen, geriet in finanzielle Schwierigkeiten und musste schmerzhafte Entlassungswellen durchführen. Die absolute Monopolstellung war verloren.

2. Das Comeback durch DPO (späte 1990er Jahre)

Tektronix ging jedoch nicht unter, sondern schaffte den Turnaround. Man besann sich darauf, was die Ingenieure am analogen Oszilloskop so liebten (die sofortige, verzögerungsfreie Darstellung und das Sichtbarmachen seltener Signale durch leuchtenden Phosphor) und übersetzte dies in die digitale Welt.

Mit der Erfindung des Digital Phosphor Oscilloscope (DPO) Ende der 1990er Jahre gelang Tektronix ein gigantischer Befreiungsschlag. Durch massiv parallele Signalverarbeitung (ASICs) konnten Tektronix-Geräte plötzlich hunderttausende digitale Wellenformen pro Sekunde erfassen und farblich so abstufen, dass es sich anfühlte wie ein analoges Instrument – nur eben mit all den Vorzügen der digitalen Speicherung und Analyse. Damit meldete sich Tektronix eindrucksvoll an der Weltspitze zurück.

3. Der Verkauf und das Ende der Eigenständigkeit (2007)

Obwohl Tektronix den technologischen Sprung geschafft hatte, war der globale Markt für Test- und Messtechnik konsolidiert und hochgradig umkämpft. Im Jahr 2007 endete die Ära von Tektronix als eigenständiges, unabhängiges Unternehmen: Der amerikanische Industriekonzern Danaher Corporation kaufte Tektronix für 2,8 Milliarden US-Dollar auf. Tektronix wurde in die Elektroniktest-Sparte von Danaher eingegliedert, wo sich bereits andere bekannte Marken wie Fluke befanden.

Im Jahr 2016 gliederte Danaher seine industriellen Messtechnik-Sparten (darunter Tektronix, Fluke, Keithley) in ein neues, eigenständiges Börsenunternehmen namens Fortive Corporation aus.

4. Heute

Heute (Stand Mitte der 2020er Jahre) ist Tektronix eine hundertprozentige Tochtergesellschaft von Fortive.

Marktpositionierung: Tektronix hat zwar nicht mehr die 75 % Marktanteil wie in den 1970ern, gehört aber nach wie vor fest zu den „Big Four“ der Oszilloskop-Hersteller (zusammen mit Keysight Technologies, Teledyne LeCroy und Rohde & Schwarz).

Technologisch an der Spitze: Im High-End-Bereich spielt Tektronix weiterhin ganz vorne mit. Ihre Geräte können heute Frequenzen von über 70 Gigahertz messen und sind essenziell für die Entwicklung von modernen Technologien wie PCIe-Datenbussen, Glasfasernetzen und Hochgeschwindigkeits-Computerchips.

Fokus: Das Unternehmen hat sich vom reinen Hardware-Hersteller stark in Richtung Software-Analysewerkzeuge und Mixed-Signal-Debugging (die Kombination aus analoger und digitaler Fehlersuche) weiterentwickelt.

Zusammenfassend kann man sagen: Tektronix ist fast über die eigene analoge Perfektion gestolpert und hat dabei seine Alleinherrschaft eingebüßt. Sie haben den digitalen Wandel jedoch überlebt, sich erfolgreich neu erfunden und sind bis heute eine der angesehensten und wichtigsten Premium-Marken in jedem Elektroniklabor der Welt.