ET4 Oszilloskop
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Grundpraktikum Elektrotechnik Oszilloskop Ziel: Versuch-Nr.: ET4 Dieser Versuch dient dem Kennenlernen des Elektronenstrahloszilloskops als ein wichtiges und universelles Messgerät zur Anzeige des zeitlichen Verlaufs veränderlicher elektrischer Spannungen. Für diesen Versuch ist die Arbeitsgruppe Digital Signalverarbeitung und Systemtheorie Prof. Dr.-Ing. Gerhard Schmidt verantwortlich. Sollten Sie Erweiterungs- oder Verbesserungsvorschläge für diesen Versuch haben, so melden Sie sich bitte bei unserer Arbeitsgruppe. Einige Versuchsteile sollen vor der Versuchsdurchführung d.h. während der Versuchsvorbereitung durchgeführt werden. Solche Versuchsteile sind Hinweis: durch eine Markierung, wie sie rechts dargestellt ist, gekennzeichnet. V orbereitungsaufgabe Zu diesem Versuch ist ein Mitschrift-Protokoll zu erstellen. Stand: 28. Oktober 2016 Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen 3 1.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Aufbau und Wirkungsweise des Elektronenstrahloszilloskops . . . . . . . . . . . . 3 1.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2.2 Die Kathodenstrahlröhre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2.3 X- und Y-Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2.4 Zeitbasis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2.5 Triggereinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2.6 Stromversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2.7 Besonderheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2.8 1.3 1.4 Digital-Speicheroszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Messungen mit dem Elektronenstrahloszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3.1 Messung von Gleichspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3.2 Messung der Kurvenform periodischer Signale . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3.3 Frequenz- und Phasenmessungen mittels Lissajousguren . . . . . . . . . 9 Beschreibung der eingesetzten Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.4.1 Funktionsgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.4.2 Bedienelemente des Elektronenstrahloszilloskops 10 . . . . . . . . . . . . . . 2 Versuchsdurchführung und Auswertung 15 2.1 Inbetriebnahme des Oszilloskops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Darstellung periodischer Signale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.3 Messung von Amplituden, Zeiten und Frequenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.4 Lissajousguren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.5 Umschaltvorgänge 23 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literaturverzeichnis 15 26 2 1 Grundlagen 1.1 Einleitung Zunächst werden die Anwendungsgebiete und Ausführungsformen von Oszilloskopen vorgestellt. Anhand eines Blockschaltbildes erfolgt danach die Beschreibung der einzelnen Baugruppen sowie die Erläuterung ihres Zusammenspiels. Die Funktion von Digital-Speicheroszilloskopen wird kurz beschrieben. Zur Vorbereitung der praktischen Versuchsdurchführung sind zum Abschluss des theoretischen Teils einige Fragen formuliert. Ausgehend von einfachen Aufgaben zum Kennenlernen des verwendeten Oszilloskops zeigt der praktische Teil des Versuchs am Beispiel einiger Messungen die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten dieses Geräts. 1.2 Aufbau und Wirkungsweise des Elektronenstrahloszilloskops 1.2.1 Allgemeines Das Elektronenstrahloszilloskop gestattet die Aufzeichnung zeitabhängiger elektrischer Spannungen auf einem Bildschirm. Diese Spannungen können • periodische Signale, • sich nicht periodisch wiederholende Impulse oder • einmalige Impulse sein. Neben der qualitativen Betrachtung des Signalverlaufs können mit dem Oszilloskop quantitative Aussagen über wichtige Gröÿen der Signale gemacht werden. Oszilloskope lassen sich nach drei Kriterien unterscheiden: • dem zulässigen Frequenzbereich des Signals, • der Möglichkeit gleichzeitiger Darstellung mehrerer Signale und • der Möglichkeit der Signalspeicherung. Zur gleichzeitigen Darstellung mehrerer Signale werden Mehrkanal- und Mehrstrahloszilloskope verwendet. Speicheroszilloskope gestatten die Speicherung eines einmal gezeichneten Signalverlaufs. Für Signale im Frequenzbereich oberhalb einiger hundert MHz werden Abtastoszilloskope verwendet. In diesem Versuch wird ein Zweikanaloszilloskop ohne Signalspeicherung für Frequenzen unterhalb von 60 MHz vorgestellt. 3 E303: Oszilloskop Die notwendigen Baugruppen eines Oszilloskops sind: • Kathodenstrahlröhre (Braun'sche Röhre), • Horizontalverstärker mit Abschwächer, • Vertikalverstärker mit Abschwächer, • Zeitablenkeinheit, • Triggereinrichtung und • Stromversorgung. Die Funktionsweise dieser Komponenten und ihr Zusammenwirken werden in den folgenden Kapiteln anhand des Blockschaltbildes des Oszilloskops nach Abb. 1.1 erläutert. Kathode y-Platten x-Platten Bildschirm Anode Wehnelt- Hilfsanode zylinder Heizung Intensität Bild schärfe _ + Y b Zeitdehnung Pegel Flanke Verzögerung Position Verstärker X Zeitbasis a Dämpfungsglieder Triggereinheit Netz 220 V 50 Hz Stromversorgung Triggerung Y X Abbildung 1.1: Blockschaltbild eines Oszilloskops. 4 E303: Oszilloskop 1.2.2 Die Kathodenstrahlröhre Die Kathodenstrahlröhre, auch Bildröhre genannt, ist eine Hochvakuumröhre, mit der elektrische Spannungen sichtbar gemacht werden können. Die von der geheizten Kathode austretenden Elektronen durchlaufen den Wehneltzylinder, die Hilfsanode, die Anode, die Ablenkplattenpaare Y und X und treen als Elektronenstrahl auf den Bildschirm. Der Bildschirm auf der Innenseite der Bildröhre enthält uoreszierende Bestandteile, die beim Auftreen der Elektronen aueuchten, und phosphoreszierende Bestandteile, die ein Nachleuchten bewirken. Der Elektronenstrahl kann auf folgende Weise beeinusst werden: • Helligkeitssteuerung durch Änderung der Spannung zwischen dem Wehneltzylinder und der Kathode (Änderung der Elektronendichte im Elektronenstrahl), • Strahlbündelung mittels Spannung zwischen der Hilfsanode und der Kathode, • Vertikalablenkung durch eine Spannung am Ablenkplattenpaar Y und • Horizontalablenkung durch eine Spannung am Ablenkplattenpaar X. Die Beschleunigung der von der Kathode austretenden Elektronen erfolgt durch die Kraftwirkung des elektrischen Feldes, das sich zwischen Anode und Kathode ausbildet. Die vertikale und horizontale Auslenkung des Elektronenstrahls erfolgt durch die Kraftwirkung des elektrischen Feldes zwischen den Y- bzw. X-Platten. 1.2.3 X- und Y-Verstärker Die zu messenden Spannungen sind in der Regel zu gering, um damit den Elektronenstrahl mittels der Ablenkplatten abzulenken. Daher werden vor die Ablenkplatten noch Horizontal- und Vertikalverstärker (X- und Y-Verstärker) geschaltet. Diese Verstärker müssen breitbandig sein, da Oszilloskope zur Betrachtung von Signalen im Frequenzbereich von null bis zu einigen hundert MHz geeignet sein sollen. Die Eingangsempndlichkeit der Verstärker liegt bei ca. 2 mV pro 1 cm Auslenkung des Leuchtecks auf dem Bildschirm. Zur Betrachtung von Signalen mit groÿen Amplituden sind den Verstärkern stufenweise umschaltbare Dämpfungsglieder vorgeschaltet. Die Gesamtempndlichkeit von Verstärker und Dämpfungsglied wird durch den Ablenkkoezienten α angegeben. Der Ablenkkoezient α ist ein Maÿ dafür, welche Spannung des Messsignals für eine bestimmte Auslenkung des Leuchtecks erforderlich ist. Übliche Werte für α liegen im Bereich 2 mV/cm < α < 20 V/cm. Die Dämpfungsglieder haben im Allgemeinen eine hohe Eingangsimpedanz, die durch die Parallelschaltung eines Widerstandes von ca. 1 MΩ und eines Kondensators mit einer Kapazität von einigen Picofarad (30 pF) beschrieben werden kann (entspricht dem Eingangsersatzschaltbild vieler Oszilloskope). Über dreistuge Schalter lassen sich die Eingänge der Dämpfungsglieder kurzschlieÿen (und damit gleichzeitig von den Eingangsbuchsen trennen) sowie direkt oder über einen Kondensator an die Eingangsbuchsen schalten. Zur Positionierung des Bildes auf dem Bildschirm werden den Ablenkspannungen in den Endstufen der Verstärker einstellbare Gleichspannungen additiv überlagert. Zur Verbindung mit dem Messobjekt kann an 5 E303: Oszilloskop die Eingangsbuchse des Y-Verstärkers/Abschwächers ein Tastkopf angeschlossen werden. Dieser ist im Allgemeinen ein isolierter Handgri mit Messspitze und einer Masseklemme. Die Masse der Messanschlüsse eines Oszilloskops ist für gewöhnlich mit der Erdungsleitung des Anschlusskabels identisch. Dies ist wichtig beim Anschluss der Masseleitung an nicht erdpotenzialfreie Schaltungen. Es sind dadurch Kurzschlüsse und Erdschleifen möglich. Ein Teil der Tastköpfe kann mit integrierten Abschwächern ausgestattet sein. Bei der Skalierung der Bildschirmanzeige muss das beachtet werden. 1.2.4 Zeitbasis Das Messsignal ux(t) u(t) soll als Funktion der Zeit ab- gebildet werden. Legt man das Messsignal an den ûx Y-Eingang, so ist die Auslenkung uy (t) des Leucht- punktes in y-Richtung proportional zum Momentanwert u(t) des Messsignals. Liegt an den X-Platten eine Gleichspannung, so erscheint auf dem Bildschirm ein vertikaler Strich. 0 t t0+Tv t0+T+T r v t0 Abbildung 1.2: Sägezahnimpuls ux (t). Wird zusätzlich an die zahnförmige Spannung X-Platten ux (t) eine säge- nach Abb. 1.2 ange- legt, so bewegt sich der Leuchteck im Intervall t0 ≤ t ≤ t0 + TV vom linken zum rechten Bildschirmrand. Damit wird ein Ausschnitt des Mess- signals der Dauer TV auf dem Bildschirm abgebildet. Im Intervall t0 + TV ≤ t ≤ t0 + TV + Tt läuft der Elektronenstrahl zum linken Bildschirmrand zurück. Während des Strahlrücklaufs wird der Elektronenstrahl dunkelgetastet, d.h. seine Intensität auf Null verringert. Um bei einem periodischen oder bei einem sich nicht periodisch wiederholenden Impuls ein stehendes Bild zu erhalten, muss der Elektronenstrahl immer mit der Aufzeichnung sich entsprechender Bildpunkte am linken Bildschirmrand beginnen. Dazu dient die im Abschnitt 1.2.5 beschriebene Triggerein- TV des Sägezahnimpulses und der Breite b des Bildschirms lässt β zu β = TV /b angeben; übliche Werte sind 10 ns/cm ≤ β ≤ 1 s/cm. richtung. Mit der Anstiegszeit sich der Ablenkkoezient 1.2.5 Triggereinrichtung Die Triggereinrichtung erkennt, zu welchem Zeitpunkt t00 das Messsignal u(t) einen bestimmten, vorgebbaren Spannungswert, den Triggerpegel, erreicht und ob die Steigung du(t) zu diesem dt Zeitpunkt das vorgegebene Vorzeichen besitzt. Wird der Triggerpegel in der vorgegebenen Flanke erreicht und ist zu diesem Zeitpunkt die Spannung ux (t00 ) nach Abb. 1.2 ux (t00 ) = 0, so gilt t00 = t0 , d.h. der sägezahnförmige Impuls wird gestartet. Zur Bestimmung des Triggerzeitpunktes kann an Stelle des Messsignals u(t) auch ein externes Triggersignal oder ein internes Signal, welches aus der Netzfrequenz abgeleitet wird, verwendet werden. 6 E303: Oszilloskop 1.2.6 Stromversorgung Die Stromversorgungseinheit eines Oszilloskops muss das Gerät galvanisch vom speisenden Netz trennen und eine Vielzahl verschiedener Spannungswerte liefern. Diese Spannungen liegen im Bereich von 5 V für Logikschaltkreise (TTL) bis zu einigen tausend Volt für die Braun'sche Röhre. 1.2.7 Besonderheiten Im Folgenden werden Baugruppen beschrieben, die nicht alle Oszilloskope enthalten: • Z-Modulation Über den Z-Eingang kann mittels eines externen Signals die Intensität des Leuchtpunktes eingestellt werden. Diese Beeinussung der Intensität wird als Z-Modulation bezeichnet. Sie ist notwendig, um z. B. einzelne Schriftzeichen auf dem Bildschirm abzubilden. • Signalidentizierung Bei Mehrkanal- und Mehrstrahloszilloskopen ist es wünschenswert, die einzelnen Signalverläufe den Signalen zuzuordnen, ohne die Positionseinstellung zu verändern. Zu diesem Zweck können, nach Kanälen getrennt, die Ablenkspannungen mit einem Spannungsoset beaufschlagt werden. • Triggerverzögerung Der Start des Sägezahnimpulses der Zeitablenkeinheit kann gegenüber dem Triggerzeitpunkt verzögert werden. Damit wird es möglich, einen kleinen Ausschnitt des Signals ab einer ohne Triggerverzögerung nicht triggerbaren Stelle zeitlich gedehnt zu betrachten. Oszilloskope mit Triggerverzögerung verfügen in der Regel über eine zweite Zeitbasis, auf die beim Betrieb mit Triggerverzögerung umgeschaltet wird. • Zeitdehnung Die Verstärkung des X-Verstärkers kann um einen festen Faktor, oft fünf- oder zehnfach, vergröÿert werden. Die zeitliche Auösung des Signals wird dadurch verbessert. • Eichspannung Zum Abgleich von Tastköpfen mit eingebauten Abschwächern sowie zur Kalibrierung der Verstärker stellen viele Oszilloskope eine periodische Rechteckspannung mit konstanter Frequenz und Amplitude zur Verfügung. 1.2.8 Digital-Speicheroszilloskop Bei den klassischen analogen Oszilloskopen ergeben sich für nichtperiodische und/oder sehr niederfrequente Signale prinzipbedingte Probleme. Solche Signale sind nur auf Oszilloskop- 7 E303: Oszilloskop bildschirmen mit langer Nachleuchtdauer gut darstellbar. Eine lange Nachleuchtdauer kann jedoch bei höherfrequenten Signalen die Erkennbarkeit verschlechtern. Ferner lässt sich die Nachleuchtdauer nicht unbegrenzt erhöhen und kann nach der Herstellung des Oszilloskops nicht weiter variiert werden. Diese Schwierigkeiten haben zur Konstruktion von digitalen Speicheroszilloskopen geführt. Moderne, leistungsfähige Speicheroszilloskope bestehen im Prinzip aus schnellen Analog-DigitalWandlern und einem kompletten PC. Durch diese Kombination sind verschiedene Betriebsarten möglich. Der PC berechnet je nach eingestellter Betriebsart die graphische Position der aufgenommenen Daten auf dem Bildschirm. Zum einen können die eingelesenen Messwerte direkt auf den Bildschirm wieder ausgegeben werden. In dieser Betriebsart verhält sich das Speicheroszilloskop wie ein Analogoszilloskop. Eine weitere Möglichkeit der Signaldarstellung ist der Rollmodus. Hierbei erscheinen die neu eingelesenen Messwerte immer am rechten Bildschirmrand und der Rest der Anzeige rollt nach links durch. Die Speicherfunktion erlaubt es, eine bestimmte Anzahl von Messwerten vor und nach dem Triggerzeitpunkt digital abzuspeichern und beliebig lange anzuzeigen. Hierdurch ist es möglich, auch transiente, einmalige Signale oder das Geschehen vor dem Triggerzeitpunkt zu analysieren. Besonders leistungsfähige Speicheroszilloskope verfügen über zusätzliche Funktionen zur Signalverarbeitung, wie die Möglichkeit der Fourieranalyse oder Filterung. 1.3 Messungen mit dem Elektronenstrahloszilloskop 1.3.1 Messung von Gleichspannungen Sollen Gleichspannungen mit dem Oszilloskop gemessen werden, so muss der Sägezahngenerator der X-Ablenkung so eingestellt sein, dass er nicht ständig von der Y-Spannung getriggert wird. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten: Triggerwahlschalter auf den entsprechenden Kanal und auf AUTO (die einzelnen Funktionen werden in Abschnitt 1.4.2 noch genauer erklärt) schalten oder SOURCE auf LINE schalten. Auÿerdem muss der AC-DC-Umschalter des entsprechenden Kanals auf DC geschaltet sein. Wenn nun am Mittelleiter der Koaxialbuchse ein höheres Potenzial als am Auÿenleiter anliegt, so wird auf dem Bildschirm eine horizontale Linie oberhalb der Nullinie angezeigt. 1.3.2 Messung der Kurvenform periodischer Signale Wird an den Eingang des Y-Verstärkers eine periodische Wechselspannung u(t) angelegt und erfolgt die X-Ablenkung durch die intern erzeugte Sägezahnspannung nach Abb. 1.2, so wird auf dem Bildschirm als stehendes Bild dargestellt. Die Spannung u(t) u(t) muss nicht sinusförmig zu sein. Die Wiedergabetreue ist jedoch nur gewährleistet, wenn die höchsten Frequenzanteile der Spannung u(t) hinreichend kleiner als die Grenzfrequenz des Y-Verstärkers sind. 8 E303: Oszilloskop Aus der gewählten Einstellung der Ablenkkoezienten α und β folgt der Ordinaten- und Abs- zissenmaÿstab des Bildes. Dadurch ist eine Bestimmung von Amplitude und Periodendauer des Signals u(t) möglich. 1.3.3 Frequenz- und Phasenmessungen mittels Lissajousguren Der Y-Eingang erhält die sinusförmige Messspannung uy (t) = ûy cos ωy t + ϕ mit der Frequenz fy = ωy /(2π), (1.1) der X-Eingang erhält eine sinusförmige Vergleichsspannung (anstatt der intern erzeugten Sägezahn-Ablenkspannung) ux (t) = ûx cos ωx t , deren Frequenz fx = ωx /(2π) zur Frequenz fy (1.2) im Verhältnis kleiner ganzer Zahlen steht. Die Überlagerung beider Signale führt zu einem stehenden Bild, der sog. Lissajousgur. Deren Gestalt erlaubt Rückschlüsse auf das Frequenzverhältnis und auf die Phasendierenz ϕ der Signale uy (t) fy : fx , auf ux (t). û y / ûx = 2 j = 90° û y / ûx = 1 j = 0° das Amplitudenverhältnis ûy : ûx und û y / ûx = 1 j = 90° ûy / ûx = 0.5 j = 90° û y / ûx = 1 j = 180° Abbildung 1.3: Lissajousguren für den Fall fy = fx . fx = fy . In Abb. 1.4 ist eine Lissajousgur für den ◦ Fall fy : fx = 3 : 2, ûy : ûx = 5 : 6 und ϕ = 45 dargestellt. Die Frequenz fy kann aus der bekannten Frequenz fx und der Anzahl ny bzw. nx der Maxima der y- bzw. x-Schwingung Abb. 1.3 zeigt Lissajousguren für den Fall berechnet werden. Es gilt die Beziehung fy = fx 9 nx ny . (1.3) E303: Oszilloskop Diese Gesetzmäÿigkeit kann anhand von Abb. 1.4 überprüft werden. Abbildung 1.4: Lissajousgur für den Fall ϕ = 45◦ . fy : fx = 3 : 2, ûy : ûx = 5 : 6, 1.4 Beschreibung der eingesetzten Geräte 1.4.1 Funktionsgenerator Es steht ein Zweikanalfunktionsgenerator von Agilent zur Verfügung. Der Funktionsgenerator verfügt über die üblichen Einstellmöglichkeiten für Signalform (Rechteck, Sinus, Sägezahn), Frequenz, Amplitude und Gleichspannungsoset des Ausgangssignals. 1.4.2 Bedienelemente des Elektronenstrahloszilloskops In diesem Kapitel werden die Bedienelemente des im Labor verwendeten Zweikanal-Oszilloskops Tektronix 2213 beschrieben. Zur Veranschaulichung bendet sich in Abb. 1.5 eine Darstellung des verwendeten Oszilloskops. Die Frontplatte des Oszilloskops ist in fünf nebeneinanderliegende Bereiche unterteilt: 1. Bildschirm mit aufgeprägtem Koordinatensystem (Gitternetzlinien im Abstand von 1 cm x 1 cm) 2. Hilfsfunktionen Symbol Bedeutung INTENS Drehknopf zur Einstellung der Intensität des Leuchtstrahls FOCUS Drehknopf zur Einstellung der Bildschärfe PROBE AdJ Eichspannungsausgang POWER Netzschalter EIN/AUS 10 E303: Oszilloskop 1 2 3 4 5 Abbildung 1.5: Zweikanal-Oszilloskop Tektronix 2213. 11 E303: Oszilloskop 3. Eingangssignale Symbol Bedeutung CH1 BNC-Eingangsbuchse (Kanal 1 oder X-Eingang) CH2 BNC-Eingangsbuchse (Kanal 2 oder Y-Eingang) PROBE AdJ Eichspannungsausgang AC/GND/DC Schalter zur Wahl der Kopplung der Buchse CH l oder CH 2 mit dem Abschwächer des entsprechenden Kanals: • AC: Verbindung über Kondensator (Wechselspannungskopplung) • GND: Kurzschlieÿen des Abschwächereinganges bei gleichzeitiger Abtrennung der BNC-Buchsen • DC: Galvanische Verbindung (Gleichspannungskopplung) VOLTS/DIV Drehschalter zur Einstellung des Ablenkkoezienten (ein Schalter pro Kanal). Die angegebenen Zahlenwerte gelten nur dann, wenn der rote Drehknopf am rechten Anschlag in der Stellung CAL steht. POSITION Drehknopf zur Positionierung der Bilder der Eingangssignale in vertikaler Richtung (ein Knopf pro Kanal) INVERT Taste zur Invertierung des Signals an Buchse CH 2 CH1/BOTH/CH2 Schalter zur Wahl der Darstellung eines Kanals allein oder beider Kanäle gleichzeitig (Zweikanalbetrieb) ADD/ALT/CHOP Auswahl des Darstellungmodus: • ADD: Addiert die Y-Auslenkungen der beiden Kanäle • ALT: Alternierender Betrieb bei Zweikanaldarstellung. Innerhalb jeder Periode der Horizontalablenkung wird abwechselnd genau einer der beiden Kanäle auf den Bildschirm geschrieben. • CHOP: Chopperbetrieb bei Zweikanaldarstellung. Innerhalb einer Periode der Horizontalablenkung wird die Ablenkung des Elektronenstrahls abwechselnd durch den einen oder den anderen Kanal gesteuert. Die Umschaltung erfolgt mit hoher Frequenz. 12 E303: Oszilloskop 4. Zeitbasis Symbol Bedeutung SEC/DIV Drehschalter zur Einstellung des Ablenkkoezienten. Die angegebenen Zahlenwerte gelten nur dann, wenn der rote Drehknopf am rechten Anschlag in der Stellung CAL steht. Wird der Knopf gezogen, so erhöht sich die Verstärkung des X-Verstärkers um den Faktor zehn, d.h. der mit SEC/DIV eingestellte Ablenkkoezient ist durch zehn zu dividieren. In der Stellung XY des Drehschalters wird die Zeitbasis abgeschaltet und das Signal an Buchse CH 1 zur Horizontalablenkung verwendet. POSITION Drehknopf zur Positionierung des Bildes in horizontaler Richtung HORIZ. MODE Einstellung des horizontalen Darstellungsmodus: • NO.DLY: Die Zeitbasis läuft normal. • INTENS: Ein Teil des Signals kann mit gröÿerer Helligkeit betrachtet werden. Diese Funktion dient zur Markierung des Signalanteils für die DLY'D- Funktion. • DLY'D: Ermöglicht die Betrachtung eines relativ zum Triggerzeitpunkt verzögerten Signalausschnittes mit höherer zeitlicher Auösung. DELAY TIME Stufenschalter zur Grobeinstellung der Verzögerungszeit MULTIPLIER Feineinstellung der Verzögerungszeit 5. Triggerung Symbol Bedeutung EXT INPUT BNC-Buchse zum Anschluss eines externen Triggersignals SOURCE Auswahl der Triggerquelle: • INT: Triggerung durch interne Signale (Kanal 1 oder Kanal 2) • LINE: Triggerung durch die Netzfrequenz • EXT: Triggerung durch das Signal am EXT INPUTEingang 13 E303: Oszilloskop Symbol Bedeutung INT Schalter zur Auswahl der internen Triggerquelle (CH1, CH2, VERT MODE): In der Stellung VERT MODE wird das im Feld Vertikal Mode (am Oszilloskop gekennzeichnet) ausgewählte Signal zur Triggerung verwendet. EXT COUPLING Schalter zur Wahl der Ankopplung an die externe Triggerquelle (möglich sind AC (über Kondensator), DC und DC/10) SLOPE Triggerung auf steigende/fallende Signalanke MODE Im Modus AUTO erfolgt eine Triggerung auf getrennt einstellbaren Triggerpegel. Falls kein Triggerpegel gefunden wird, läuft die Zeitbasis selbständig los, so dass auch ohne Signal eine horizontale Linie auf dem Bildschirm erscheint. NORM Triggerung auf getrennt einstellbaren Triggerpegel LEVEL Einstellung des Triggerpegels VAR HOLDOFF Einstellung der Wartezeit zwischen Ende und Anfang zweier Perioden der Sägezahnspannung der Horizontalablenkung (nützlich bei aperiodischen Signalen zur Verhinderung der zeitlichen Überlagerung der Signalverläufe) 14 2 Versuchsdurchführung und Auswertung Um das Einbrennen des Elektronenstrahls zu verhindern, ist im XY-Betrieb die Helligkeit auf Null zu stellen, sofern beide Ablenkspannungen gleichzeitig konstant sind. Im Folgenden werden die beiden Eingänge des verwendeten Zweikanal-Oszilloskops mit Kanal 1 und Kanal 2 bezeichnet. Bei allen Versuchen werden die zu messenden Signale mit den X- bzw. Y-Verstärkern verbunden. 2.1 Inbetriebnahme des Oszilloskops In diesem Versuchsteil sollen erste Darstellungsmöglichkeiten des OszilloLernziel: skops kennengelernt werden, indem die Eichspannung mittels eines Tast- V erständnis des Tastkopfes kopfs auf dem Oszilloskop dargestellt wird. Gleichzeitig wird die Funktionsweise des Tastkopfes kennengelernt. Verbinden Sie den Tastkopf mit Kanal 1 des Oszilloskops. Das Ersatzschaltbild dieses Zusammenschlusses von Oszilloskop und Tastkopf ist in Abb. 2.1 gezeigt. Hierbei ist die Eingangsadmittanz des Y-Verstärkers des Oszilloskops Yy = Gy + jωCy . (2.1) R Gy C um (t) U _m U _ y uy(t) Cy Abbildung 2.1: Ersatzschaltbild eines Oszilloskops mit vorgeschaltetem Tastkopf. Im Tastkopf ist als Abschwächer ein Widerstand C und eineinstellbarer um (t) bezeichnet die gemessene Spannung, uy (t) Hinweis: Kondensator D ie bezeichnet den Spannungsverlauf, der nach Übertragung der Spannung von Teilaufgaben a) und b) sind während der Versuchsvorbereitung (zu Hause) zu lösen! eingebaut. R der Tastkopfspitze zum Oszilloskop auf dem Bildschirm dargestellt wird. Um bzw. Uy sind die zugehörigen komplexen Eektivwerte. Ziel ist es, dass der auf dem Bildschirm dargestellte Spannungsverlauf dem tatsächlich gemessenen Spannungsverlauf entspricht, d.h. es soll kein Einuss der Messleitungen auf den dargestellten Spannungsverlauf erkennbar sein. 15 E303: Oszilloskop Der Ausgleich entsprechender Einüsse geschieht durch geeignete Wahl von Sie im Rahmen der Versuchsvorbereitung folgende Berechnungen durch: a) Bestimmen Sie R so, dass U m / U y = 10 bei Ergebnisse und Antworten 16 ω = 0 gilt! R und C. Führen E303: Oszilloskop C = C0 so, dass U m / U y = 10 gilt bei ω 6= 0 nicht. b) Bestimmen Sie U m/U y frequenzunabhängig wird! Die Näherung Ergebnisse und Antworten Der Einuss der einstellbaren Kapazität im Tastkopf auf die SignaldarstelMaterial: lung soll für den Fall der Eichspannung untersucht werden. Schalten Sie zu O szilloskop, Tastkopf diesem Zweck die automatische Triggerung ein. Stellen Sie auf dem Bildschirm des Oszilloskops zwei Perioden der rechteckförmigen Eichspannung dar. c) Die Spannung um (t) hat einen rechteckförmigen Verlauf. Skizzieren Sie in den drei nach- folgenden Abbildungen qualitativ die Verläufe uy (t) für die Fälle, dass der Tastkopf abge- glichen ist, d.h. 1) C = C0 , (Abb. 2.2) bzw. dass der Tastkopf unter- oder überkompensiert ist, d.h. 2) C > C0 (Abb. 2.3) und 3) C < C0 (Abb. 2.4) mit C0 nach Teilaufgabe b) ist! 17 E303: Oszilloskop Abbildung 2.2: Verlauf von Abbildung 2.3: Verlauf von Abbildung 2.4: Verlauf von uy (t) uy (t) uy (t) für den Fall eines abgeglichenen Tastkopfs für den Fall eines unterkompensierten Tastkopfs für den Fall eines überkompensierten Tastkopfs 18 E303: Oszilloskop 2.2 Darstellung periodischer Signale Zwei Signale mit leicht verschiedenen Frequenzen sollen simultan auf dem Oszilloskop dargestellt werden, dabei sollen die Eigenschaften der Trigge- Lernziel: reinheit vertieft werden. V erständnis der Triggereinheit Verbinden sie die beiden Kanäle des Signalgenerators mit denen des Oszilloskops. Wählen Sie als Signalform für Kanal 1 ein Sinussignal und für Kanal 2 ein Rechtecksignal. Stellen Sie Kanal 1 auf eine Frequenz von 1 kHz und ihre maximale Ausgangsspannung (eigenständiger Generator: Umax = 10 V) ein. Stellen sie Kanal 2 auf 1,001 kHz und maximale Ausgangsspannung. Material: O szilloskop, Signalgenerator, BNC-Kalbel Lassen Sie beide Kanäle gleichzeitig auf dem Oszilloskop anzeigen, wobei zunächst Kanal 1 als Triggerquelle gewählt wird. Untersuchen Sie den Einuss von Triggerpegel und Triggeranke. Wiederholen Sie anschlieÿend den Versuch, wobei Sie Kanal 2 als Triggerquelle wählen. d) Was verändert sich, wenn Sie als Triggerquelle VERT MODE und zusätzlich ALT einschalten? Ergebnisse und Antworten 19 E303: Oszilloskop 2.3 Messung von Amplituden, Zeiten und Frequenzen Verwenden Sie den Versuchsaufbau aus Abschnitt 2.2 und schalten Sie die Lernziel: Signalform von Kanal 1 auf ein Rechtecksignal um. Lassen Sie sich von Ih- V erständnis rem Betreuer verdeckt zwei unterschiedliche Frequenzen und Amplituden der Umrechnung von analysierten Zeitverläufen in Frequenzwerte der Rechtecksignale einstellen. Wählen Sie Ihre Einstellungen am Oszilloskop so, dass mindestens eine Periodendauer von jedem Signal erkennbar ist. e) Zeichnen Sie anschlieÿend die auf dem Oszilloskop dargestellten Signalverläufe ab (Abb. 2.8) und geben Sie die zugehörigen Frequenzen und Amplituden an. Abbildung 2.5: Signalverläufe beider Rechtecksignale Ergebnisse und Antworten 20 E303: Oszilloskop 2.4 Lissajousguren Aus Abschnitt 1.3.3 und aus der Literatur (siehe z.B. [1, 3]) ist bekannt, dass Lissajousguren zur Bestimmung von Frequenzverhältnissen sowie Phasen- Lernziel: informationen genutzt werden können, sofern ein Eingangssignal (Referenz- V erständnis signal) bekannt ist. f ) Stellen Sie für die in Abb. 2.6 dargestellten Spannungen Platzhalter uy (t) die zugehörige Lissajousgur in Abb. 2.7 dar. ux (t) der Analyse von Phasenbeziehungen (mittels Lissajousguren) und Hinweis: V orbereitungsaufgabe uy (t) 1V t T -1 V ux (t) 1V t T -1 V Abbildung 2.6: Eingangsspannungen für eine Lissajousgur. Abbildung 2.7: Zu den Spannungen ux (t) 21 und uy (t) gehörige Lissajousgur. E303: Oszilloskop Verwenden Sie den Versuchsaufbau aus Abschnitt 2.2. Stellen Sie das Oszilloskop auf externe XYAblenkung sowie die Signalform von Kanal 1 auf ein Sinussignal als Referenzsignal Ihrer Wahl ein. Lassen Sie sich anschlieÿend (für Sie verdeckt) durch Ihren Betreuer ein für Sie unbekanntes, zweites Signal mit identischer Amplitude und Frequenz, aber anderem Phasenwinkel einstellen. Wie bestimmen Sie den Phasenversatz zwischen den beiden EingangssignaHinweis: len anhand der Lissajousgur? Geben Sie eine Formel für den Zusammen- V orbereitungsaufgabe hang des Phasenversatzes mit Parametern der Lissajous-Figur an. Platzhalter Ergebnisse und Antworten Lassen sie sich nun durch ihren Betreuer nun verdeckt ein anderes Sinus-Signal einstellen. g) Zeichnen Sie die entstandene Lissajousgur vom Bildschirm des Oszilloskops ab und bestimmen Sie das Amplitudenverhältnis, das Fequenzverhältnis und die Phase! Abbildung 2.8: Entstandene Lissajousgur Ergebnisse und Antworten 22 E303: Oszilloskop 2.5 Umschaltvorgänge Bauen Sie eine Hochpassschaltung nach Abb. 2.9 auf und verbinden Sie einen Kanal des Funktionsgenerators sowohl mit Kanal 1 des Oszilloskops Material: als auch mit dem Schaltungseingang. O szilloskop, Wählen Sie ein Rechtecksignal mit einer Amplitude von U = 1V als Ein- gangssignal. Schlieÿen Sie weiterhin den Ausgang der Schaltung an Kanal 2 des Oszilloskops an. Stellen Sie einen vollen Umschaltvorgang durch geeig- Funktionsgenerator, beliebiger Widerstand, unbekannte Kapazität, unbekannte Induktivität, BNC-Kabel. nete Wahl der Frequenz des Eingangssignals auf dem Oszilloskopbildschirm dar. C G uq(t) R u c(t) Abbildung 2.9: Hochpassschaltung. h) Zeichnen Sie in Abb. 2.10 den angezeigten Spannungsverlauf möglichst genau vom Bildschirm ab, da jener zur späteren Bestimmung der unbekannten Kapazität Abbildung 2.10: Spannungsverlauf C benötigt wird. uc (t). Wiederholen Sie den Versuch mit einer Tiefpassschaltung gemäÿ Abb.2.11. Auch hier dient ein Rechtecksignal mit einer Amplitude von U = 1V zur Anregung der Schaltung. Das Eingangssignal ist sowohl mit dem Schaltungseingang als auch mit Kanal 1 des Oszilloskops verbunden. Der Ausgang der Tiefpassschaltung wird mit Kanal 2 des Oszilloskops verbunden. 23 Lernziel: V erständnis von Umschaltvorgängen und Bestimmmung von Bauteilkenngröÿen E303: Oszilloskop Stellen Sie einen vollen Umschaltvorgang durch geeignete Wahl der Frequenz des Eingangssignals auf dem Oszilloskopbildschirm dar. L G uq(t) R u L(t) Abbildung 2.11: Tiefpassschaltung. i) Zeichnen Sie in Abb. 2.12 den angezeigten Spannungsverlauf möglichst genau vom Bildschirm ab, da jener zur späteren Bestimmung der unbekannten Induktivität L benötigt wird. Abbildung 2.12: Spannungsverlauf uL (t). Die Quellen in den Schaltungen nach Abb. 2.9 und Abb. 2.11 liefern eine sprungförmige Spannung uq (t) = ûq − 1 + 2σ(t − t0 ) σ(t) gemäÿ Abb. 2.13. Die Funktion σ(t) (2.2) wird Sprungfunktion genannt und ist wie folgt deniert 1, 1 σ(t) = 2, 0, 24 für für für t > 0 , t = 0 , t < 0 . (2.3) E303: Oszilloskop Abbildung 2.13: Verlauf der Spannung uq (t). τ = f (R, C) und τ = f (L, R) der Hochpass- Hinweis: Wie hängen die Zeitkonstanten V orbereitungsaufgabe bzw. Tiefpassschaltung, die Sie recht einfach graphisch ermitteln können, von den Bauteilen der jeweiligen Schaltung ab? Ergebnisse und Antworten j) Bestimmen Sie sowohl die unbekannte Kapazität L. C als auch die unbekannte Induktivität Bitte geben Sie dabei keine ausschweifenden Rechnungen an, sondern verwenden Sie zur Lösung einen graphischen Ansatz auf der Basis Ihrer vorbereitenden Überlegungen zur Abhängigkeit von Zeitkonstanten und Bauteilen aus den Aufgabenteilen h) und i). Ergebnisse und Antworten 25 Literaturverzeichnis [1] Engels: Oszilloskop-Meÿtechnik von A-Z; Franzis-Verlag, München, 1992. [2] Freyer: Meÿtechnik in der Nachrichtenelektronik; Hanser-Verlag, München, 1983. [3] Meyer: Oszilloskope; 2. überarb. Auage, Hüthig-Verlag, Heidelberg, 1997. [4] Schrüfer: Elektrische Meÿtechnik; 8. neu bearb. Auage, Hanser-Verlag, München, 2004. [5] Hering, Martin, Stoher: Physik für Ingenieure; 9. Auage, Springer Verlag, Berlin, 2004. 26
