HAMEG Oszilloskope

Oszilloskope sind nicht ersetzbar ...

... nur sie ermöglichen eine ganzheitliche Darstellung des Messsignals.

... nur sie zeigen den zeitlichen Verlauf von Spannungen an.

Die Bedeutung der Signalformdarstellung wird dann klar, wenn man die beiden Alternativen zu Oszilloskopen — Multimeter und Fre quenz­zäh ler — betrachtet: Beide bieten zwar eine höhere Messgenauigkeit, doch führt die fehlende Signaldarstellung leicht zu Fehl messungen.

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So kommt es z. B. bei der Span nungs mes­sung von impulsförmigen Signalen, deren Tas t ver hältnis nicht exakt 1:1 ist, zu fal­schen Mess ergebnissen. Das gilt insbe son­dere, wenn kom plexe Signale vorliegen.

Bei Frequenzmessungen gibt es ver gleich­ba re Probleme. Hier werden ideale Sinus­, Drei eck­ oder Rechtecksignale vorausge­setzt. Kom plexe Signale füh ren auch hier zu Fehl mes sun gen.

Ein Beispiel für ein solches Signal ist ein FBAS­Signal. Es enthält 50 Hz Bildsyn­chron impulse, 15,625 kHz Zeilensynchron­im pulse und den Bildinhalt mit Frequenzen von wenigen Hertz bis ca. 5 MHz.

Wird ein derartiges Signal mit einem Fre­quenz zähler gemessen, bestimmt die zu fäl lige Wahl des Triggerpunktes, wel­che Fre quenz angezeigt wird. Je nachdem wie der Triggerpunkt gewählt ist, wird die Frequenz der Synchronimpulse oder des Bildinhalts gemessen. Das lässt sich mit den meisten HAMEG Oszilloskopen sehr gut demons trie ren, denn sie zeigen nicht nur das Signal an, sondern ver fügen auch über Fre quenz zäh ler. Die Einstellung des Trig ger punktes er folgt bei Oszillos kop und Fre quenzzähler gleich, nur sieht man den Trig ger punkt beim Zähler nicht.

Bild 1 zeigt ein FBAS­Signal. Wie am linken Rasterrand zu sehen, befindet sich das Trig­ger punkt­Symbol auf dem Niveau der Syn­chron impulse. Diese Information kann ein Frequenzzähler weder erfassen noch anzei­gen, was auch für den im Oszilloskop ent­hal tenen Frequenzzähler gilt. Das Messer­gebnis wird mit dem Readout oben rechts angezeigt (16.00kHz), müsste aber 15.625kHz (Zeilenfrequenz) betragen. Die Ur sache für die Abweichung sind die Vor­ und Nacht­ra ban ten der Bild syn chron im pul se sowie der Halbzeilenabstand der Bild syn chron­im pul se. Wie in Bild 2 zu sehen, er gibt eine ma nuell durch ge führte Cursor­Messung einen Zeilenab stand von 64,0 µs und damit eine Zeilenfre quenz von 15,625 kHz.

Befindet sich der Triggerpunkt in Höhe des Bild­ bzw. Zeileninhalts, sind die Abwei chun­gen noch größer. Je nach Einstellung wer­den un terschiedliche Messwerte an ge zeigt. In Bild 3 werden z.B. 1,76 MHz an ge zeigt,

ob wohl bei diesem Sig nal die Fre quenz 4,43 MHz dominiert. Ur sache ist, dass das 4,43 MHz Farbartsignal — wie zu sehen — nicht konstant vorhanden ist, son dern durch Synchronimpulse und an de re Signale unterbrochen wird. Auch hier kann nur die auf der Signalanzeige ba sie ren de Cursor­mes sung zum richtigen Er geb nis führen.

Ohne Oszilloskop muss man den Messer­geb nis sen von Multimetern und Frequenz­zäh lern im wahrsten Sinne des Wortes „blind“ vertrauen, was bei komplexen Sig na­len leicht ins Auge gehen kann. Das be trifft selbst „einfache“ Signale wie ein 50 Hz Netz­Sinussignal, das häufig durch Über­la ge rungen und durch Phasenanschnitt­steue rungen ungewollt zum komplexen Sig nal mutiert ist.

Die Bedeutung der Signaldarstellung ist also sehr groß und mit ihr die Bedeutung des Oszilloskops.

Was resultiert aus der Bedeutung der Signaldarstellung?

Die Antwort ist einfach: Die Signaldarstel­lung soll das Messsignal genauso darstel­len, wie es am Messpunkt vorhanden ist, da mit der Informationsgehalt möglichst hoch ist!

Leider ist diese Forderung prinzipiell un er­füll bar, aber die HAMEG Ingenieure be mü­h en sich, der Erfüllung so nahe wie möglich zu kommen. Dabei gibt es eine Vielzahl von Kriterien, die hier aus Platzgründen nicht alle aufgeführt werden können. Die wich­tigsten sind:

Bild 1: FBAS­Signal (HAMEG Gerät)

Bild 2: Zeitmessung mit Cursorli nien (HAMEG Gerät)

Bild 3: Frequenz zäh ler zeigt 1,76 MHz an (HAMEG Gerät)

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EigenanstiegszeitDass bei endlicher Bandbreite auch Mess­ver stärker von HAMEG Oszilloskopen eine Ei genanstiegszeit auf wei sen, lässt sich nicht vermeiden. Aller dings kann die Ei gen­an stiegszeit durch den Kauf eines Os zil los­kops mit größerer Band breite (= geringerer Anstiegszeit) deutlich reduziert werden, so dass Anstiegs zeit mes sun gen an Mess ob­jek ten mit geringer An stiegs zeit genau­er wer den. Bild 4 zeigt ei nen derartigen An wen dungs fall.

ÜberschwingenEin Beispiel dafür, dass HAMEG Oszillos­ko pe der Forderung nach Signaltreue ent­spre chen, ist das Rechteckverhalten der Mess verstärker. Es wird mit einem Recht­eck signal getestet, das praktisch kein Über ­schwingen aufweist, obwohl seine An stiegs ­zeit weniger als 1 ns beträgt.

Wird dieses Rechtecksignal trotzdem mit Über schwin gen dargestellt, liegt ein De sign ­fehler des Messverstärkers vor. Bild 5 zeigt die Darstellung ei nes aus Fern ost stam­men den Oszilloskops. Mit die sem Ge rät

hat der Anwender keine Mög lichkeit, die Qua lität eines recht eck för mi gen Signals hin­sichtlich seines Über schwin gens zu über­prüfen, denn die Anteile des Signal­ und des Os zil los kop­Über schwin gens las sen sich bei der Signal dar stellung nicht tren nen.

Wie in Bild 6 zu sehen, zeigt ein HAMEG Os zillos kop mit der gleichen Bandbreite das sel be Signal ohne Über schwingen und bie tet damit die Basis für eine fundierte Sig nal beurteilung: Wird mit dem HAMEG Os zil los kop Überschwingen ange zeigt, stammt es nicht vom Oszillos kop.

JitternBild 7 zeigt ein Schirmbildfoto eines Mit be­wer bergerätes. Die Breite der An stiegs flan­ke zeigt an, dass Jittern vor liegt, ob wohl das Signal nicht jittert. Durch das Jit tern des Os zilloskops geht die Information über das Jit tern der Sig nal quel le verloren. Die Größe des Jitterns ist aber für viele An wen dungs­fälle eine wichtige Information.

Leider ist Jittern unvermeidlich und wird bei Oszilloskopen z.B. durch Rauschen, Trig ger komparatoren und den Zeit ba sis ge­ne rator bewirkt. Auch hier kann man nur ver suchen, es so gering wie möglich zu hal ten. Andernfalls sind die vom Signal und die vom Os zilloskop stammenden Anteile nicht aus ein ander zu halten. Mit Bild 8 wird do ku men tiert, dass ein HM2005 das selbe Sig nal ohne Jittern zeigt.

RauschenHAMEG legt großen Wert auf geringes Rau­schen der Oszilloskop­Messverstärker. Es ge nügt schließlich, wenn das Messob jekt rauscht.

Der Einsatz aufwändiger 8 Bit Flash A/D­Wandler in HAMEG Analog­/Digital­Oszil los ­ko pen führt dazu, dass man in den meis ten Fällen erst auf das Readout blicken muss, um zu erkennen, ob gerade Digital be trieb vor liegt oder nicht. Bei relativ ein fa chen „Nur­Digi tal“­Oszilloskopen hat man der­ar tige „Pro ble me“ nicht, die rau schen — wie Bild 9 zeigt — im mer. Bild 10 zeigt die Strahl linien dar stel lung eines HAMEG Os zil­los kops bei Digitalbetrieb. Rauschen ist fast nicht zu sehen.

Bild 4: Rechteck mit Eigenanstiegszeit ‹ 1 ns (HAMEG Gerät)

Bild 6: Signaldarstellung mit gutem Mess verstärker (HAMEG Gerät)

Bild 7: Fremd fabrikat zeigt Anstiegs­flan ke mit Jitter, ...

Bild 8: ... obwohl die Anstiegsflanke nicht jittert! (HAMEG Gerät)

Bild 10: Fast kein Rauschen im Digital­betrieb (HAMEG Gerät)

Bild 9: Rauschen eines „Nur­Digital“­Oszilloskop (Fremdfabrikat)

Bild 5: Fremdfabrikat verfälscht Sig nal darstellung durch Überschwingen

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Natürlich kann man Rauschen durch Mit­tel wertbildung (Average) beseitigen. Al ler­dings beseitigt man damit auch die In for­mation über das tatsächliche Rauschen der Signal quel le.

Signalerfassungs­ und Darstellungshäu fig keitEin weiteres Kriterium ist die Häufigkeit, mit der ein Signal erfasst und dargestellt wird. Mit höherer Signalerfassungs­ und Dar stel lungshäufigkeit steigen die Chan­cen, zusätzliche Informationen zu sehen. Wie vie le Signaldarstellungen in der Se kun­de mög lich sind, hängt von der Signal fre­quenz und der Zeitbasiseinstellung des Os zil lo skops ab. Im Analogbetrieb können 500.000 bis 2,5 Millionen Signaldar stel lun­gen in der Sekunde erfolgen. Diese Zahl ver deut licht die Vorteile einer Katoden­strahl röhre. Sol che Werte werden weder mit einer Grafik karte noch mit einem LCD erreicht. Mit ge rin gerer Zahl der Signal dar­stellungen pro Sekunde werden Über la ge­rungen eines Sig nals im Digitalbetrieb nicht richtig dar ge stellt (siehe Bild 11). Bild 12 zeigt dassel be Sig nal im Analog be trieb und damit die wah ren Verhältnisse.

Das nächste Beispiel (Bild 13) zeigt diesen Sachverhalt noch deutlicher: Im Analog be­trieb wird ein amplitudenmoduliertes Sig nal angezeigt. Der Signaldarstellung lässt sich ohne Mühe entnehmen, dass der Mo du la­tionsgrad 100 % und die Modulations fre­quenz 1 kHz beträgt. Demgegenüber fällt es im Digital be trieb schwer auch nur zu er ken nen, dass es sich um ein am pli tu den­mo du lier tes Signal handelt (Bild 14).

Erfolgt die digitale Signalerfassung des AM­Sig nals im Envelope­Betrieb, scheint, wie Bild 15 zeigt, das Problem der Signaler­kenn barkeit gelöst. Das gilt aber nur für den Fall, dass sich Modulationsgrad und –frequenz nicht ändern, denn im Envelope­Betrieb wird im mer der einmal erfasste Maximalwert an gezeigt. Also ist Envelope­Betrieb auch keine Lösung um Modula­tions messungen vor zunehmen.

Die hier beschriebenen Nachteile des Di gi­tal betriebs treffen auf Mitbe wer ber zu, de ren „Nur­Digital“­Oszil los kope sich nicht auf Analogbetrieb umschalten lassen.

Schärfe und StrahlhelligkeitZur Signaldarstellung gehört natürlich auch eine gute Ablesbarkeit, welche eine gute Schär fe und Strahlhelligkeit voraus­setzt. Das ist schon heute bei Strahlröhren mit 2.000 Volt Beschleunigungsspannung der Fall, so wie sie im HM303­6, HM504 und HM507 einge setzt werden.

Die Oszilloskope HM1000, HM1008, HM1500, HM1508 und HM2005 haben noch bes sere Eigen schaf ten, da sie mit Strahl röh ren aus­ge rüstet sind, die mit 2.000 Volt Be schleu­ni gungs­ und 12.000 Volt Nach be schleu ni­gungs span nung arbeiten. Damit steht eine sehr hohe Strahl hellig keits re ser ve zur Ver­fü gung. Sie ist für Oszilloskope mit zweiter Zeit basis, zur Darstellung stark ge dehnter Sig nal aus schnit te besonders wichtig.

Die zweite Zeitbasis eines HM1507­3 steht auch im Digitalbetrieb zur Verfügung und er möglicht die 200.000 fache X­Dehnung eines 10 MHz Sinussignals (siehe Bild 16), das mit der A­Zeitbasis mit 20 ms/cm und

mit der B­Zeit ba sis mit 100 ns/cm ange­zeigt wird. Eine so hohe Dehnung ist nur im Digitalbetrieb sinn voll durchführbar, da sich dabei — im Ge gensatz zum Analog­be trieb — die Strahl hel ligkeit mit höherer Deh nung nicht ver rin gert. Mit einem rei­nen Ana log­Oszil los kop wäre unter diesen Be din gungen kaum noch etwas zu sehen.

AuflösungDie Grenzen der Auflösung sind bei Analog­Oszilloskopen nur durch die Sehschärfe des Betrachters vorgegeben, denn der Elektro nen strahl kann in jede Position des

Bild 11: Scheinbar niederfrequente, „sprin gen de“ Über lagerung (HAMEG Gerät)

Bild 12: Analogbetrieb offenbart: Die Frequenz der Über la ge rung ist hoch (HAMEG Gerät)

Bild 13: AM mit Modula tions grad 100 % im Analogbetrieb (HAMEG Gerät)

Bild 14: Am pli tu den moduliertes Sig­nal im Digitalbetrieb auf genommen (HAMEG Gerät)

Bild 15: Digitalbetrieb, aber mitEn ve lope­Erfassung (HAMEG Gerät)

Bild 16: Signal im Helltastsektor 200.000 fach gedehnt

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Bild schirms abgelenkt werden. Ein schrän­kun gen der X­ oder Y­Auflösung gibt es folglich nicht.

Demgegenüber ist die Auflösung bei Digi­tal­Oszilloskopen prinzipbedingt begrenzt. Die Y­Auflösung wird durch den 8 Bit Ana log/ Digital­Wandler bestimmt, der zur Mess signalabtastung benutzt wird. In ver ti­ka ler Richtung stehen somit nur 256 Posi­tio nen zur Verfügung, 200 Positionen für den ver ti ka len Gesamt­Messrasterbereich. Das ent spricht einer Y­Auflösung von 25 möglichen Signalpositionen pro Raster. Grafik 1 zeigt die Gesamtansicht des 8 x 10 gro ßen Ge samt­Messrasters und Grafik 2 die Ver grö ße rung eines Rasters.

Bei „Nur­Digital“­Oszilloskopen mit LCD ist die X­Auflösung für die Signal an zeige in den meisten Fällen auf 250 Punk te be grenzt. Die Auflösung eines Ras ters beträgt dann ­ wie mit Grafik 2 dar ge stellt ­ in X­ und Y­Richtung jeweils 25 Ab tast punkte.

Mit 500 Punkten X­Auflösung über 10 Ras­ter ist die Anzeige mit Monitorröhren schon besser (pro Raster 50 Punkte in X­ und 25 Punkte in Y­Richtung), erreicht aber immer noch nicht die Auflösung, die HAMEG Os zil­los kope im Digitalbetrieb bieten.

Der Vorteil einer Kathodenstrahlröhre ist, dass sie bei Digitalbetrieb die vollständi­ge An zei ge des gesamten Speicherinhalts von 2.000 Abtastwerten über das Gesamt­Messraster ermöglicht. Die Auflösung pro Raster be trägt somit 200 Punkte in X­ und 25 Punkte in Y­Richtung. Wie Grafik 3 zeigt, ist die X­Auflösung gegenüber LC­Anzeigen um den Faktor 8 höher, also muss auch die Ab tast rate um diesen Faktor höher sein.

Speicher­, Anzeigeauflösungund Abtast ra teDiese drei Parameter stehen in einem direk ten Ver hältnis zueinander. Wie unter „Auf lö sung“ erwähnt, beträgt die Spei cher­tie fe bei HAMEG Analog­/Digital­Os zil los­ko pen 2.000 Abtastpunkte (pro Kanal), die alle angezeigt werden. Das heißt, dass die Speichertiefe und die Anzeigeauflösung gleich sind. Diese Feststellung ist deshalb von Bedeutung, da es auch Mit be wer ber ge­räte gibt, die eine höhere Zahl von Ab tas tun­

Grafik 1: Gesamt­Messraster

Grafik 2: Ein Messraster mit 25 Y­ und 25 X­Abtastpunkten (LCD)

Gra fik 3: 8 fach höhere Auf lö sung = kleinere Abtastlücken

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gen durchführen und speichern, an schlie­ßend aber nur je den 10. Punkt an zei gen. Was sich auf eine Gesamt sig nal dar stellung so auswirkt, als sei die Ab tas tung nur mit einem Zehntel der Abtastrate er folgt.

Die höhere Auflösung der Anzeige bietet auch den Vorteil, dass die Signalerfassung der HAMEG­Oszilloskope mit einer höheren Abtastrate erfolgen muss. Damit wird die Gefahr von Aliassignal­Darstellungen stark vermindert.

Die Abtastrate, mit der eine Signaler fas­sung erfolgt, ist beim Digital­Oszilloskop von der gewählten Zeitbasiseinstellung, der Spei chertiefe bzw. der Zahl der angezeigten Abtastpunkte (Anzeigetiefe) abhängig. Da die Speichertiefe und die Anzeigetiefe fest vor­gegeben sind, ist für den Anwender nur die Zeitbasiseinstellung veränderbar und auch das nur in stark eingeschränktem Ma ße. Letztlich gibt das Signal die Zeitbasis ein­stellung vor, denn zur Signalerkennung ist die Anzeige mindestens einer Signalpe riode erforderlich.

Bei einer Speichertiefe von 2.000 Punkten und deren vollständiger Anzeige mit einer Strahlröhre, beträgt die X­Auflösung 200 Punkte pro Raster. Ist die Zeitbasis z.B. auf 10 µs/cm (pro Raster) eingestellt, heißt das, dass 200 Abtastungen innerhalb von 10 µs erfolgen müssen. Das Abtastintervall be trägt dann 10 µs : 200 = 50 ns; d.h., das Sig nal wird in 50 ns Abständen abgeta­stet. So mit beträgt die Abtastrate 1/50 ns = 20 MSa/s (20 Millionen Abtastungen (Sam ples) pro Sekunde). Der eigentliche Abtast vor gang er folgt innerhalb weniger Pikose kun den. Sig naländerungen zwischen 2 Ab tast vor gän gen werden normalerweise nicht erfasst.

Im Gegensatz dazu, können LC­Anzeigen oft nur 25 Abtastungen pro Raster anzeigen. Liegt wieder 10 µs/cm als Zeitbasisstellung vor, beträgt das Abtastintervall 10 µs : 25 = 400 ns. Dies entspricht einer Abtastfre­quenz von 2,5 MSa/s. Eine geringere An zei­ge tiefe (Auflösung) bedingt somit eine nied­ri gere Abtastrate.

Die Auswirkung in der Praxis wird anhand eines Beispiels beschrieben, wobei fol gen­de Fakten zu berücksichtigen sind:

1. Die Periodendauer des Messsignals be ­ stimmt die Zeitbasiseinstellung.

2. Bei der Erfassung sinusförmiger Sig na ­ le müssen mindestens 10 Abtastungen pro Sig nalperiode erfolgen, da andern­ falls eine Unterscheidung zwischen si ­ nus­ und drei eck förmigem Signal nicht möglich ist.

Daraus resultiert, dass die Abtastrate bei der Erfassung eines 5 MHz Sinussignals 50 MSa/s (Abtastfrequenz 50 MHz) betragen muss. In den meisten Fällen werden Sig na­le mit relativ niedrigen Wieder hol fre quen­zen auf ge zeichnet, die aber Signalanteile mit viel höheren Frequenzen enthalten.

Ein Beispiel dafür ist ein TV­Videosignal, in dem Signale bis 5 MHz enthalten sein kön­nen, obwohl seine Halbbildfrequenz nur 50 Hz und seine Zeilenfrequenz nur 15,625 kHz (64 µs Periodendauer) beträgt. Um eine voll ­ständige Zeile darzustellen, muss die Zeit­basiseinstellung 10 µs/cm be tra gen. Bei einem „Nur­Digital“­Oszillos kop mit LCD, so wie Bild 17 es zeigt, beträgt die Ab tast­fre quenz dann 2,5 MHz. Infolge des sen dürf­

Bild 17: TV­Videosignal mit LCD angezeigt (Vektorgrafik Fremdfabrikat)

Bild 18: LCD zeigt TV­Videosignal in Punktdarstellung (Fremdfabrikat)

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te die höchste Signalfrequenz nur 250 kHz be tra gen. Bild 18 zeigt das selbe Signal in Punkt darstellung.

Beim HAMEG Oszilloskop hat die Auflösung von 200 Abtastpunkten/cm in Verbindung mit 10 µs/cm eine Abtastrate von 20 MSa/s zur Folge, mit der immerhin noch 2 MHz mit 10 Punkten pro Signalperiode erfasst wer den. Die obere Dar stellung (A­Zeitbasis) von Bild 19 zeigt ein Halbbild; die untere Darstellung (B­Zeit basis) eine Zeile.

Übrigens: Mit dem Umschalten auf Analog­be trieb steht die volle Oszilloskopband brei ­te zur Verfügung und damit die optima­le Sig naldarstellung, natürlich unabhän­gig von der Zeitbasiseinstellung. Bild 20 be weist es.

Das gilt natürlich nicht nur für Videosig na­le, sondern auch für andere Signale. Bild 21 zeigt ein mit höherfrequenten Störungen über lagertes Sinussignal, das im Analog be­trieb aufgenommen wurde. Im Bereich des negativen Scheitelwertes beträgt die Am pli­tude der Störung ca. 67 mVss. Dasselbe Sig nal – im Di gi talbetrieb aufgenommen – zeigt die Stö rung mit einer geringeren Am pli tude. Im Bereich des positiven Schei­tel werts X sind die Störungen kaum noch wahr nehm bar (Bild 22).

ZusammenfassungDie hier angesprochenen Eigenschaften be schrei ben nur einen Bruchteil der wich tig s ten Qua litätsmerkmale eines Oszilloskops. Gleich zeitig widerlegen sie die Behauptung, dass Analog­Oszilloskope nicht mehr „up to date“ sind.

Natürlich bietet ein Digital­Oszilloskop Vor teile bei der Einzelereigniserfassung, der Auf zeichnung sehr langsam ab lau fen­der Vor gänge und der Signal do ku men ta­tion. Die Möglichkeit mit einer 2. Zeitbasis ohne Strahlintensitätsverlust extrem hohe X­Dehnungen zu realisieren sowie die Pre­ und Post­Triggerfunktionen des Digital­Os zil loskops sind vielfach unverzichtba­re Ei gen schaften. Es hat aber auch viele Nach tei le bei der Darstellung von sich kon­ti nuier lich wiederholenden Signalen. Diese Nach teile zu beseitigen ist oft unmöglich oder muss sehr teuer bezahlt werden.

Das ist ein Grund warum Analog­Oszil los­ko pe in den meisten Anwendungsfällen die technisch bessere und gleichzeitig ökono­mi schere Lösung sind. Die Kombination von Analog­ und Digital­Oszilloskop – so wie HAMEG sie anbietet – ist nach wie vor das Optimum. Gleichgültig ob ein Analog­ oder ein Digital­Oszilloskop für die aktuelle Mess aufgabe geeigneter ist: Ein Tasten­druck genügt und das Analog­/Digital­Os­zil loskop misst mit den Eigenschaften, die gerade benötigt werden.

Bild 22: Digitalerfassung führt zu ver­fälschter Störungsamplitude(HAMEG Gerät)

Bild 19: Video sig nal mit Strahlröhre angezeigt (HAMEG Gerät)

Bild 20: opti ma le Analogdarstellung eines Videosignals(HAMEG Gerät)

Bild 21: Analogdarstellung über la ger ter Störungen (HAMEG Gerät)