Oszilloskop - antriebstechnik.fh

7. Laborübung Oszilloskop
15:03
09.02.2001
Laborübung: Oszilloskop
Die folgenden Laborübungen sind für Studenten gedacht, welche wenig Erfahrung im
Umgang mit dem Oszilloskop haben.
Für diese Laborübung wurde eine Schaltung entwickelt, die verschiedene Signale zur
Verfügung stellt. Auf dem Print sind 2 Generatoren (WAVEFORM GENERATOR, ECL
GENERATOR) mit folgenden Eigenschaften zu finden:
WAVEFORM GENERATOR
• 16 verschiedene Signale, können mit dem Drehschalter WAVEFORM selektiert
werden
• Zwischen 2 Frequenzbereichen (1Hz - 100Hz und 100Hz - 10kHz) kann mit dem
Schalter RANGE umgeschaltet werden. Die Frequenz wird mit dem Poti
FREQUENCY ADJUSTMENT eingestellt.
• Ausgang STANDARD: Das Signal wird ungefiltert ausgegeben.
• Ausgang FILTER: Das Signal passiert ein RC-Tiefpassfilter. Die Grenzfrequenz des
Filters (50, 500 und 5000Hz) kann mit dem Schalter CUT OFF FREQ gewählt
werden.
• Ausgang -40dB: Das Signal wird um 40dB(100:1) gedämpft.
• Wenn der Schalter INT. / EXT. auf EXTERN geschaltet ist, kann ein externes Signal
an den Ausgang geschaltet werden.
Schneller ECL PULS-GENERATOR
• Ausgangssignal in der ECL Technologie (ECL: Emiter gekoppelte Logik)
• Mit dem Schalter MODE kann zwischen einem Rechteck-Signal und einem EinzelImpuls gewählt werden. Mit dem Schalter TRIGGER kann ein Impuls ausgelöst
werden.
• Mit dem Poti DUTY CYCLE kann das Tastverhältnis des Rechtecksignals verändert
werden.
+12V -12V GND
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Kartenlayout
17. CUT OFF FREQ
5 kHz
500 Hz
50 Hz
7. RANGE
1 Hz - 100 Hz
0.1 kHz - 10 kHz
8. INT/EXT
internes Signal
externes Signal
6. Frequenzregelung
10. EXTERN
5. EPROM
11. GND
4. WAVEFORM
12. FILTER
16. DUTY CYCLE
3. +12V
13. STANDARD
2. -12V
14. -40 dB
1. GND
18. TRIGGER
15. ECL OUTPUT
17. MODE
Rechtecksignal
Einzelimpuls
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Elemente der Karte
1. GND:
2. -12V:
3. +12V:
Massenanschluss
-12 V Anschluss
+12V Anschluss
WAVEFORM-Generator
4. WAVEFORM:
Drehschalter zur Wahl eines der 16 erzeugten Signale.
5. EPROM:
Speicher, indem die 16 vom Generator erzeugten Signal
abgespeichert sind.
6. FREQUENCY ADJUSMENT: Frequenzregelung des Ausgangssignal
7. RANGE:
Wahl des Frequenzbereich (1-100 Hz; 1-10 kHz)
8. INT/EXT :
Wahl zwischen einem internen Signal (im EPROM gespeichert)
und einem externen Signal (am Eingang EXTERN angelegt)
9. CUT OFF FREQ: Wahl der Grenzfrequenz (50 Hz; 500 Hz; 5000 Hz)
10. EXTERN :
Eingang zum anlegen von externen Signalen
11. GND :
Massenausgang für KO-Messungen
12. FILTER :
Das Ausgangssignal nach einem Tiefpassfilter (Grenzfrequenz
einstellbar durch den Schalter CUT OFF FREQ)
13. STANDARD :
unverändertes Ausgangssignal
14. -40 dB :
Um 40 dB gedämpftes Ausgangssignal
ECL-Generator
15. ECL OUTPUT:
16. DUTY CYCLE:
17. MODE:
Digitales Ausgangssignal erzeugt durch eine ECL-Logik
Regelung des Freilaufkreises des ECL-Signals
Wahl zwischen einem Rechteck- und einem Einzelimpulsgenerator (TRIGGER)
TRIGGER: Taster der zur Erzeugung eines Einzelimpulses führt.
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Kartenbeschrieb
Diese Schaltung wurde entwickelt, um das Arbeiten mit einem KO zu trainieren. Sie
setzt sich aus 2 verschiedenen Signalgeneratoren zusammen, die nachfolgend erklärt
werden.
WAVEFORM-Generator
Der WAVEFORM-Generator erzeugt maximal 16 verschiedene Signale. Diese Signale
liegen an den Ausgängen STANDARD (ohne Verzerrung), -40 dB (Dämpfung von
40 dB) und FILTER (Signal nach einem RC-Tiefpass) an.
Blockschema des WAVEFORM-Generators:
Ausgang
STANDARD
Oszillator
Externes Signal
Dämpfung
-40dB
Counter
Ausgang
- 40 dB
Ausgang
FILTER
EPROM
D/A
TiefpassFilter
Waveform
Select
Die Signale, die der Generator erzeugen kann, sind in einem EPROM durch 512
Punkte pro Periode gespeichert. Mit Hilfe eines Oszillators und eines Zählers kann man
daraus ein periodisches Signal generieren. Der Drehschalter Waveform Select dient zur
Wahl des Ausgangssignal. Durch den D/A-Wandler wird das digitale Signal des
EPROMs in ein analoges Signal umgewandelt.
Die Karte erzeugt 3 verschiedene Ausgangssignale:
1. Das unveränderte Signal am Ausgang STANDARD
2. Das um 40 dB gedämpfte Signal am Ausgang -40 dB
3. Das Signal nach einem Tiefpassfilter am Ausgang FILTER
Falls man keines der gespeicherten Signale verwenden will, hat man auch die
Möglichkeit, ein externes Signal anzulegen.
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ECL-Signalgenerator
Dieser Generator erzeugt am Ausgang dank der ECL Technologie ein Signal mit sehr
steilen Flanken.
Blockschema des ECL-Signalgenerators:
Oszillator
TTL/ECL
Wandler
Ausgang ECL
Monostable
Taster
TRIGGER
Aus dem Blockschema kann man ersehen, dass das Ausgangssignal einerseits ein
Rechtecksignal (erzeugt durch den Oszillator), andererseits ein Einzelimpuls (erzeugt
durch den Taster TRIGGER) sein kann. Beide Signale werden durch eine Schaltung
von der TTL Logik in eine ECL Logik umgewandelt.
Das ECL-Signal gelangt über eine monostabile Kippstufe zum Ausgang. Mit dieser
Kippstufe kann man den duty cycle (Freilaufkreis) regeln.
Für die Laborübung notwendiges Material
1
Messschaltung
1
Oszilloskop Hameg HM 604-2 60 MHz
2
KO-Sonden Hameg HZ54
1
Speisegerät OLTRONIX POWER SUPPLY B103T
oder
2
Speisegeräte A+D DC POWER SUPPLY MODEL LC 30-1
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Übung 1
Ziel dieser Übung :
Einfache Messungen mit dem Oszilloskop, um sich mit den Funktionen des KO’s
vertraut zu machen.
1. Abstimmen der KO-Sonden mit den Testsignalen des Oszilloskops
• Messen Sie die Frequenz und die Amplituden der beiden Testsignale.
• Beschreiben Sie wie Sie die KO- Sonden kalibrieren.
• Kann man die Sonden abgleichen, wenn sie in der Position x1 sind ?
• Schalten Sie die Eingangskopplung auf AC um. Was passiert ?
2. Stellen Sie mit dem Schalter WAVEFORM ein Dreiecksignal ein. Messen Sie mit
dem Kanal 1 die Amplituden am Ausgang STANDARD und mit dem Kanal 2 am
Ausgang -40dB. Verwenden Sie dazu die beiden Kanäle des Oszilloskops.
• Wie gross ist das Verhältnis der beiden Signale ?
3. Stellen Sie auf dem Print ein Rechteck-Signal mit einer Frequenz von 5kHz ein.
• Messen Sie die Amplitude am Ausgang STANDARD
• Messen Sie die Amplitude und Frequenz des Signals am Ausgang FILTER bei
allen 3 Grenzfrequenzen des RC-Filters und vergleichen Sie die Messungen mit
dem Signal am Ausgang STANDARD.
• Warum stimmen die Signale nicht überein.
4. Gleiche Messung wie unter Punkt 3, aber mit einem Sinussignal
• Warum ändert sich die Kurvenform nicht, wie bei der Messung 3 ?
• Es gibt dennoch Unterschiede. Welche?
5. Gleiche Einstellungen wie bei Messung 4. Schalten Sie nun den Schalter RANGE
um.
• Wie gross ist die Frequenz des Signals ?
• Damit das Signal besser dargestellt wird, benutzen Sie die Option CHOP am
Oszilloskop. Was ist der Unterschied zwischen dem NORMAL- (Alternate) und
dem CHOP-Mode?
• Wann benötigt man den NORMAL- und wann den CHOP-Mode?
• Welchen Modus wählt man zur Messung einer Phasenverschiebung?
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Übung 2
Ziel dieser Übung:
Nach dieser Übung sollten Sie die wichtigsten Funktionen des Oszilloskops im Schlaf
bedienen können !
1. Stellen Sie die Frequenz des Generators auf etwa 5kHz ein
• Messen Sie die Amplitude der 16 Signale des Generators am Ausgang
STANDARD.
• Vergleichen Sie die Frequenz der einzelnen Signale.
2. Messen Sie die ‘Logic Levels’ und die Frequenz des ECL Generators
• Stellen Sie den duty cycle des Generators auf 60 % ein
Duty Cycle = ton/T = 0.6
50%
tfwhm=ton
tfwhm
T
fwhm= full with at half max
90%
10%
trise
•
•
•
•
•
tfall
Messen Sie ton, toff sowie die trise und tfall mit der 10 :1 Abschwächung der Sonde.
Skizzieren sie den Spannungsverlauf.
Stimmen die gemessenen Werte mit den Werten aus dem Datenbuch überein?
Wenn nicht, warum nicht?
Messen Sie den duty cycle des Triggerimpulses. (Bemerkung: Währenddem Sie
die Triggertaste (Print) mehrmals nacheinander betätigen, drehen Sie am KO das
Trigger-Level Potentiometer, bis der Triggerimpuls auf dem Bildschirm
erscheint. Messen Sie nun die Impulsdauer).
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Übung 3
Ziel dieser Übung:
Ausmessen eines Filters 1.Ordnung. Folgende Daten sollen gemessen werden:
• Übertragungskennlinie (Amplitude, Phase)
• Grenzfrequenz des Filters
Theorie:
Ein RC-Netzwerk (Schema 1) ist ein Filter 1. Ordnung, da im Netzwerk ein einziger
Energiespeicher (Kondensator) vorhanden ist. Das abgebildete Filter ist ein
Tiefpassfilter. Bei einem Tiefpassfilter werden tiefe Frequenzen durchgelassen.
Frequenzen, welche höher als die Grenzfrequenz fG sind, werden abgeschwächt. Bei
der Grenzfrequenz fG wird das Signal um 3 dB gedämpft. In der linearen Skala
entsprechen 3 dB einem Faktor von 1/√2.
Us =
1
⋅U e
2
[V]
Diese Formel gilt, wenn das Eingangssignal sinusförmig ist.
R
Ue
C
Us
Schema 1
Auf unserem Print kann die Grenzfrequenz fG mit dem Schalter CUT OFF FREQ
verstellt werden. Je nach Schalterstellung wird ein anderer Widerstand gewählt. Die
Grenzfrequenz fG beträgt 50, 500 oder 5000Hz.
1. Stellen Sie am Generator ein Sinussignal mit einer Frequenz von 5kHz ein.
• Messen Sie für jede Schalterstellung (CUT OFF FREQ) des Filters, die
Amplitude und die Phasenverschiebung am Ausgang FILTER. Vergleichen Sie
die Messung mit dem Signal am Ausgang STANDARD. Berechnen Sie für jede
Messung die Dämpfung in dB.
U 
Dämpfung [dB] = 20 ⋅ log s 
Ue 
Benutzen Sie beide Kanäle des Oszilloskops.
2. Wiederholen Sie die Messung bei einer Grenzfrequenz von 50Hz. Messen Sie die
Amplitude und die Phaseverschiebung bei verschiedenen Frequenzen (10Hz bis
10kHz).
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• Stellen Sie die Messwerte, Ua/Ue und Frequenz, im logarithmischen Massstab
dar und in einem zweiten Diagramm (gleiche Frequenz untereinander) die
Phasenverschiebung (linear) und die Frequenz (logarithmisch).
• Bestimmen Sie aus der Grafik die Grenzfrequenz fG. Wie gross ist die
Phasenverschiebung bei der Grenzfrequenz ?
3. Analysieren und Beschreiben sie im XY-Mode die Lissajousfiguren für
verschiedene Frequenzen. Was geschieht, wenn sie sich der Grenzfrequenz nähert?
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Übung 4
Ziel dieser Übung:
Durch verschiedene Messungen sollen prinzipielle Eigenschaften des Oszilloskops
herausgefunden werden:
• Grenzfrequenz des Oszilloskops
• Einfluss der AC-Kopplung auf die Messungen
• Grenzfrequenz des x-Verstärkers
Grenzfrequenz des Oszilloskops
Theorie:
Wie alle Messgeräte hat auch das Oszilloskop bestimmte Grenzen. Eine dieser Grenzen
ist die obere Grenzfrequenz fG. Im Bereich der oberen Grenzfrequenz und darüber wird
die Amplitude nicht mehr richtig gemessen. Bei der oberen Grenzfrequenz fG gibt es
keinen scharfen Übergang zwischen gut und schlecht.
Die obere Grenzfrequenz eines Oszilloskops kann aber einfach gemessen werden,
indem man die Flankensteilheit bei einem Rechtecksignal misst (Kurs Seite 9). Mit
diesem Wert kann man die Bandbreite des Oszilloskops bestimmen.
1. Um die Grenzfrequenz fG des Oszilloskops zu bestimmen, können Sie die
Flankensteilheit eines Rechteck-Signals messen.
• Messen Sie die Flankensteilheit des Signals (10%-90%)
• Berechnen Sie daraus die obere Grenzfrequenz fG (siehe Manual KO Hameg 604 –2 Seite M5)
t a = t ges − t osz − t t
2
2
ta: Anstiegszeit der Flanke (Logiktechnologie)
tges: Gesammtanstiegszeit
tosz: Anstiegszeit des Kos
tt: Anstiegszeit der Sonden (ca. 2ns)
2
• Stimmt Ihre Berechnung mit den Angaben des Herstellers überein ?
AC-Kopplung
Theorie:
Der Eingang eines Kanals bei einem Oszilloskop sieht wie folgt aus:
DC
AC
C
R
Ue
Ua
GND
Schema 2
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Im AC-Mode sieht der Eingang wie ein Hochpassfilter 1.Ordnung aus (Ein Hochpass
ist das Umgekehrte eines Tiefpasses):
C
Ue
R
Us
Schema 3
Ist die Grenzfrequenz erreicht, ergibt sich zwischen dem Eingangssignal Ue und dem
Ausgangssignal Us eine Phasenverschiebung von 45°. Das Ausgangssignal ist
gegenüber dem Eingangssignal bei der Grenzfrequenz um 3dB bzw. 1/√2
abgeschwächt.
1. Bestimmen Sie die untere Grenzfrequenz des Oszilloskops (AC-Kopplung) mit
Hilfe der Lissajous-Figuren (Kurs Seite 7-3).
Kanal 1: auf AC
Kanal 2: auf DC
2. Bestimmen Sie die untere Grenzfrequenz des Oszilloskops (AC-Kopplung) mit
Hilfe der Phasenverschiebung zwischen Kanal 1 und Kanal 2.
Grenzfrequenz des Verstärkers x
Theorie:
Der Verstärker für die y-Achse hat eine viel höhere Grenzfrequenz als der Verstärker
der x-Achse. Diese Grenzfrequenz ist daher wichtig.
1. Suchen Sie eine Methode um die Grenzfrequenz des Verstärkers für die x-Achse zu
messen.
Doppelzeitbasis
•
Bereiche a.) und b.) bei Signal 1 (Anhang S. 15) mit Hilfe der Doppelzeitbasis
vergrössert darstellen und skizzieren.
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Anhang 1
MC10198
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Bemerkung: Falls Sie genauere Informationen benötigen, sehen Sie im Datenbuch
“MECL Device Data” von Motorola nach.
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Anhang 2
Die im EPROM gespeicherten Signale
Die folgenden Signale sind im EPROM gespeichert. Sie können für die Laborübung
verwendet werden ohne dass ein externes Signal angelegt werden muss. Um ein
bestimmtes Signal auszuwählen muss man den Drehschalter WAVEFORM verwenden.
Signal 0:
a)
b)
Signal 1:
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Signal 2:
Signal 3:
Signal 4:
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Signal 5:
Signal 6:
Signal 7:
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Signal 8:
Signal 9:
Signal A:
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Signal B:
Signal C:
Signal D:
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Signal E:
Signal F:
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