Messen mit dem Soundkartenoszilloskop (Scope V1.40 C

Messen mit dem Soundkartenoszilloskop (Scope V1.40 C. Zeitnitz)
Fortbildungsveranstaltung am 3.12.2011 / KGS Pattensen, 10 bis 13 Uhr
Spannungswerte
Aufgrund der verschiedenen Einstellungsmöglichkeiten der Lautstärke in Windows lässt sich die absolute Spannung nicht direkt
bestimmen! Die dargestellten Werte sind daher in willkürlichen Einheiten zu verstehen. Die Einstellung der Amplitude bezieht sich
sowohl auf das Oszillographenfenster als auch auf den x-y Graphen.
Zeiteinstellung
Die Einstellung der Zeit bezieht sich auf den gesamten dargestellten Bereich und NICHT wie bei einem normalen Oszillographen auf
den Wert pro Einheit! Der Bereich geht von 1-10000ms. Je größer der dargestellte Bereich ist umso geringer ist die verwendete
Abtastrate, die verwendet wird. Dies ist aus Gründen der Rechnerauslastung nicht zu vermeiden.
Trigger
In der Triggereinstellung finden sich die Modi „Aus“, „Auto“, „Normal“ und „Single“. Diese entsprechen den üblichen Modi von
Oszillographen. Die Triggerschwelle kann hierbei sowohl über das Eingabefenster in der Triggerauswahl, als auch per Maus durch
verschieben des gelben Kreuzes im Oszillographenfenster erfolgen. Der Triggerzeitpunkt kann ausschließlich per Maus durch
verschieben des gelben Kreuzes verstellt werden.
Messen
Unterhalb des Oszillographenfensters befindet sich ein Auswahlfeld für die Vermessung verschiedener Eigenschaften der Signale.
Einmal kann über die Auswahl „Hz und Volt“ die automatische Analyse der Frequenz, der Signalamplitude und Streuung aktiviert
werden. Die Messergebnisse werden am oberen Rand des Schirms eingeblendet. Zu Spannungsmessung siehe oben.
X-Y Graph
Hier werden die beiden Kanäle gegeneinander aufgetragen. Hierdurch können z.B. Lissajous’sche Figuren erzeugt werden. Hierzu
können im Signalgenerator die Frequenzen und Phasenlagen entsprechend gewählt werden.
Eingangsspannungsteiler für die Soundkarte
Schaltung (1): Die zu messende wird über R1, dem Line-In-Eingang, zugeführt. R1 bildet mit R2 einen Spannungsteiler mit einem
Teilverhältnis von etwa 7:1. Die eigentliche Schutzschaltung besteht aus den antiparallel geschalteten LED-Dioden 1 und 2. Sobald
die Eingangsspannung dem für die Soundkarte kritischen Wert nah kommt, fließt Strom durch die LED-Dioden, der dann in
Verbindung mit R1 zu einer Spannungsreduktion am Eingang der Soundkarte führt. So können auch Spannungen bis 100 V an der
Soundkarte keinen Schaden anrichten. Sauber messen können Sie damit Spannungen bis etwa 7 V am Eingang.
Für den Schutz des Mikrofoneingangs der Soundkarte ist die Schaltung (2) zuständig. Sie hat den gleichen prinzipiellen Aufbau. Als
Schutzdioden werden Si-Dioden verwendet, sodass bereits bei etwa 0,6 V die Spannungsbegrenzung beginnt. Die unterschiedliche
Eingangsimpedanz der Soundkarte führt zu einem Teilverhältnis von etwa 10:1. Sie können mit dieser Konfiguration Spannung
zwischen 0 und 3 V messen. Eingangsspannungen bis 50 V können der Soundkarte nichts anhaben.
Die Dioden begrenzen die Spannung an der Soundkarte auf ±0,6V. Die Widerstände wirken mit dem Innenwiederstand der
Soundkarte als Spannungsteiler, welcher mit dem DIL-Schalter eingestellt werden kann. Die Widerstände sind so dimensioniert, dass
sich grob eine Verdopplung bzw. Halbierung der Spannung ergibt (immer nur ein Schalter geschlossen).
Da die Widerstände (in etwa) dual gewichtet sind, kann bei Verwendung mehrere Schalter in ca 22kΩ-Schritten der Vorwiderstand bis
730kΩ gesteigert werden.
Eine potenzialfreie Wechselspannung von 6 V wird über einen Widerstand R1 an das Messobjekt (DUT) herangeführt. Der dabei fließende Strom
wird, als Spannungsabfall über R5, dem Y-Kanal zugeleitet. Die Spannung über dem Messobjekt wiederum gelangt zum X-Kanal. Die Spannung
am Messobjekt wird periodisch im Takt der Wechselspannung auf- und abgebaut. Auf dem Bildschirm ergibt sich zwangsläufig ein stehendes Bild
für den Zusammenhang zwischen angelegter Spannung (Null bis Maximalwert der Wechselspannung) über dem Messobjekt und dem
resultierenden Stromfluss durch das Messobjekt. Die Messspannungen für das PC-Oszilloskop werden durch Spannungsteiler jeweils im
Verhältnis etwa 10:1 reduziert, um die Gefahr der Überlastung des Soundkarteneingangs zu vermeiden.
PC-Signalgenerator
Für ernsthafte Anwendungen lohnt sich
der Selbstbau eines geeigneten Interface
für den PC-Signalgenerator. Damit kann
die Ausgangsspannung geeicht und
mittels Potenziometer und
Spannungsteiler kontinuierlich in
folgenden Bereichen eingestellt werden:

0 bis 1 V

0 bis 100 mV

0 bis 10mV
Nebenstehend eine entsprechende
Schaltung. Der Elektrolytkondensator C1
hält schädliche Gleichspannungen vom
Ausgang der Soundkarte fern. Mit dem
Potenziometer P1 kann die
Ausgangsspannung zwischen Null und
jeweiligem Maximalwert eingestellt
werden. Der Spannungsteiler, gebildet
von R1 bis R3, erlaubt es, die maximale
Ausgangsspannung auf 1 V, 100 mV oder
10 mV zu begrenzen. Die Schaltung wird
am besten in ein kleines Metallgehäuse
eingebaut. So werden eventuell mögliche
Störspannungen zuverlässig
ferngehalten. Für die Anschlussleitungen
werden abgeschirmte Kabel verwendet.
Bestimmung der Resonanzfrequenz eines Lautsprecherchassis
Am NF-Generator wird ein
Ausgangspegel von 1 V eingestellt. Das
PC-Oszilloskop wird mit hoher
Empfindlichkeit betrieben. Drehen Sie
jetzt am PC-NF-Generator langsam die
Frequenz bei 20 Hz beginnend nach
oben. Die am Oszilloskop angezeigte
Amplitude wird irgendwann beginnen
zu steigen. Nach dem Erreichen des
Maximums fällt die Amplitude bei weiter
zunehmender Frequenz wieder
langsam ab. Stellen Sie die Frequenz
ein, bei der das Amplitudenmaximum
erreicht wird. Dann können Sie direkt
die Resonanzfrequenz des
Lautsprecherchassis ablesen. Am
Lautsprecher dürfen selbstverständlich
keinerlei weitere Bauteile
angeschlossen sein
(Dämpfungswiderstände, Übertrager
oder Induktivitäten
bzw.Kondensatoren).
Lissajous-Figuren auf einem Oszilloskop
Bei der Arbeit mit dem Oszilloskop erhält man Lissajous-Figuren, wenn man bei abgeschalteter
Zeitablenkung sowohl an den Eingang für die y- als auch für die x-Ablenkung eine harmonische
Wechselspannung anlegt.
Die Form der Figuren erlaubt genaue Rückschlüsse auf Frequenz und Phasenlage der beiden Spannungen. Bei gleichen Frequenzen
(Bsp: v = 1:1) kann man an der elliptischen Figur die Phasendifferenz ablesen. Bei zwei fast gleichen Frequenzen (oder einem
Frequenzverhältnis, das sehr nahe an einem der einfachen rationalen Verhältnisse liegt) zeigt der Schirm des Oszilloskops eine zwar
geschlossene, aber sich zeitlich verändernde Figur. So kann man mit hoher Empfindlichkeit kleine Frequenzunterschiede messen.
Aufgabenstellungen:
a) Verwende den internen Signalgenerator und stelle bei beiden Kanälen eine Frequenz von 440 Hz ein bei gleicher Amplitude
(Default). Betrachte das Signal im Oszilloskop. Schalte dann auf den X-Y-Graphen um. Es müsste nun eine um 45 Grad geneigte
Linie zu sehen sein (siehe unten, Bild 1).
b) Lasse die Amplitude unverändert und verändere die Frequenz einer der beiden Kanäle um 1/10 Hz (z.B. 440.1). Beobachtung?
c) Was verändert sich, wenn die Frequenzdifferenz größer wird?
d) Stelle unterschiedliche Frequenzverhältnisse ein bei unterschiedlichen Phasenlagen von Kanal 1 und 2 (Signalgenerator unten
rechts) und überprüfe den X-Y-Graphen  Lissajous-Figuren (siehe unten).
(weitere Lissajous-Figuren siehe z.B. http://de.wikipedia.org/wiki/Lissajous-Figur)
Abbildungen für Frequenzverhältnis 1:n und n:1 (Amplituden-Verhältnis 1:1)
Die Phasendifferenz Δφ bezieht sich in den folgenden Abbildungen immer auf die größere Frequenz.
Δφ
1:1
1:2
0o
45o
1:3
2:1
Frequenzverhältnis
Phasendifferenz
90o
135o
180o
225o
270o
315o
o
360o  siehe Δφ = 0
aus: http://de.wikipedia.org/wiki/Lissajous-Figur