Versuch 1 Oszilloskop Einleitung

Labor Messtechnik II
Versuch 1
Prof. Dreetz/Lassahn/Stolle
24.09.2014
- 1.1 -
Versuch 1 Oszilloskop
Zur Vorbereitung des Versuches arbeiten Sie bitte Kapitel 3.2 des Messtechnik
Skriptes durch.
Einleitung
Das Oszilloskop ist eines der wichtigsten Messgeräte, da es universell einsetzbar ist und detaillierte Informationen der Messsignale liefern kann. Mit dem Oszilloskop ist es möglich
sowohl zeitlich veränderliche Vorgänge als auch physikalische Abhängigkeiten von zwei
Größen auf einem Bildschirm darzustellen. In diesem Versuch soll die sichere Bedienung des
Oszilloskops erlernt und die Möglichkeiten, die dieses Messgerät bietet, verdeutlicht werden.
Für den Versuch stehen digitale Oszilloskope, wie sie in modernen Forschungs- und
Prüflaboren eingesetzt werden zur Verfügung.
1.
1.1
Beschreibung des Oszilloskops
Prinzip
Moderne Oszilloskope haben ein LCD Display. Die Vorstellung der Signalverarbeitung ist
jedoch am Oszilloskop mit Elektronenstrahlröhre besser zu verstehen. Die Elektronenstrahlröhre erzeugt einen Elektronenstrahl, der auf dem Bildschirm des Oszilloskops als ein Punkt
abgebildet wird. Da es sich bei dem Elektronenstrahl um bewegte Ladungen handelt, verändert dieser Punkt seine Lage auf dem Bildschirm bei Anlegen einer vertikalen- und einer
horizontalen Spannung an ein Ablenksystem. Dieses Ablenksystem besteht aus horizontalen
und vertikalen Kondensatorplatten.
Wird zunächst an die horizontalen Platten (X-Platten) eine ansteigende Spannung angelegt, so
bewegt sich der Punkt z. B. von links nach rechts. Ist der Punkt am Ende des Bildschirmes
angekommen, muss der Vorgang von neuem beginnen. Dies erfordert ein schlagartiges
Zurücksetzen der horizontalen Spannung. Der zeitliche Verlauf der horizontalen Spannung
entspricht damit einer Sägezahnspannung (siehe Bild 1.1). Während des Rücksetzens der
Ablenkspannung wird der Elektronenstrahl ausgeschaltet, damit nicht ein rücklaufender Punkt
das Schirmbild stört. Die Horizontalablenkung erzeugt zunächst nur eine waagerechte Linie.
Die Geschwindigkeit, mit der der Punkt über den Bildschirm läuft, ist über die Steigung der
Sägezahnspannung einstellbar. Damit ist dann die für einen Bildschirmdurchlauf erforderliche
Zeit festgelegt. Deshalb wird der Sägezahngenerator auch Zeitbasis genannt.
Die zeitlich veränderliche Amplitude des Messsignals soll eine Lageveränderung des Punktes
in vertikaler Richtung (Y-Richtung) bewirken. Dazu wird das Messsignal an die Y-Platten
gelegt. Bewegt sich der Lichtpunkt nun von links nach rechts und gleichzeitig entsprechend
dem Signal z. B. von unten nach oben entsteht das Abbild des zeitlichen Verlaufes des Signals
auf dem Bildschirm.
Hat der Lichtpunkt den rechten Rand des Bildschirmes erreicht, springt er wieder zurück.
Wird jedoch direkt anschließend das periodische Signal wieder dargestellt, und sind die Frequenzen des Signals und der Sägezahnspannung nicht identisch, erfolgt die Darstellung des
nächsten Signals etwas nach links oder rechts verschoben. Bei häufiger Wiederholung führt
dies zu einem "Weglaufen" der Abbildung. Um ein wirklich stehendes Bild zu erzielen, muss
die x-Ablenkung so lange "warten", bis das Messsignal wieder die gleiche Startposition hat,
wie bei der ersten Abbildung. Nur dann schreibt der Lichtstrahl das nächste Bild wieder genau
über das vorherige. Deshalb ist die Horizontalablenkung mit der Periodendauer des Messsignals zu synchronisieren.
Labor Messtechnik II
Versuch 1
Prof. Dreetz/Lassahn/Stolle
24.09.2014
- 1.2 -
Bei LCD- Bildschirmen ist die Ansteuerung anders; trotzdem ist eine Synchronisierung
zwischen dem zu messenden Signal und der Zeitdarstellung erforderlich.
1.2
Triggersystem
Durch ein sogenanntes "Triggersystem" lässt sich das Problem lösen. Die Horizontalablenkung wird immer genau dann gestartet, wenn das abzubildende periodische Signal einen ganz
bestimmten, vorher eingestellten Spannungswert (die Triggerspannung) durchläuft (Bild 1.1).
Dabei ist wählbar, ob die Triggerung auf die positive oder negative Flanke des Signals erfolgen soll.
a
b
c
Bild 1.1: Zeitlicher Verlauf der Spannungen im Oszilloskop
a: erzeugtes Oszilloskopbild
b: darzustellendes Signal mit eingezeichneter Triggerspannung (Triggerlevel)
c: zeitlicher Verlauf der Ablenkspannung in x-Richtung
Steht eine externe, zum zu messenden Signal synchrone Spannung zur Verfügung, so besteht
auch die Möglichkeit, diese Spannung als externes Triggersignal einzuspeisen (Menüpunkt
ext). Weiterhin kann für netzfrequenzabhängige Signale eine Synchronisation mit der am
Oszilloskop anliegende Netzfrequenz (Menüpunkt auf Netz „Line“) erfolgen. Diese
Einstellungen sind bei den Oszilloskopen meistens im Untermenü zu finden.
1.3
Anpassung des Oszilloskops an die Messsignalamplituden
Da das Oszilloskop ein universelles Messgerät darstellt, müssen auch der Zeitmaßstab und der
Amplitudenmaßstab einstellbar sein. Gleichzeitig befindet sich auf dem Bildschirm ein
Raster, an dem Amplitudenwerte und Zeiten des Signals ablesbar sind. Zur Einstellung der
Amplitude ist über einen Knopf zu wählen, welche Spannung ein Rastermaß (Div.) darstellen
Labor Messtechnik II
Versuch 1
Prof. Dreetz/Lassahn/Stolle
24.09.2014
- 1.3 -
soll (z. B. Ablenkfaktor: 5 V/Div). Es sind üblicherweise 8 Raster in vertikaler Richtung und
10 Raster in horizontaler Richtung vorhanden. Die Spannungsraster sind in Schritten von
..0,5, 1, 2, 5.. einstellbar und haben in der Regel einen maximalen Ablenkfaktor von 5 V/Div,
so dass maximal bei dieser Einstellung 40 V in der Vertikalen darstellbar ist. Für die
horizontale Achse, die üblicherweise den Zeitbereich (s/Div.) repräsentiert, gelten äquivalente
Einstellmöglichkeiten.
Es gibt zusätzlich noch die Möglichkeit (über ein Untermenü) das Signal in kleinen Bereichen
(Schritten) zu verändern. Dies ist sinnvoll, wenn man mehrere Signale unterschiedlicher
Amplituden in ihrem Verlauf vergleichen möchte.
ACHTUNG bei alten analogen Osziloskopen!!! Der angezeigte Ablenkfaktor gilt nur,
wenn diese Funktion deaktiviert ist (Oft Anzeige „>“ oder "uncalibrated" oder es leuchtet eine
Kontroll-Lampe).
Bei dem Oszilloskop können die Signale ausgemessen werden. Hierzu stehen verschiedene
Cursor- Funktionen zur Verfügung. So ist die Amplitude eines Signals mit den Y-Cursor
sowie die Zeit bzw. Frequenzen mit den X-Cursor bestimmbar. Auf dem Bildschirm erfolgt
dann die ziffernmäßige Anzeige der Spannungs- und Zeitwerte unter Berücksichtigung der
eingestellten Ablenkfaktoren.
Moderne Oszilloskope besitzen häufig Kunststoffgehäuse und keine metallischen Gehäuse
mehr. Somit können Störsignale das Messsignal erheblich beeinflussen. Durch eine
Mittelwertbildung (Aquire) kann diese Störung rechnerisch eliminiert werden.
Weiterhin ist wählbar, ob das Signal im AC- oder im DC- Modus aufgenommen werden soll.
Die Unterschiede sind im folgenden beschrieben:
Stellung AC (Alternating Current): Es wird nur der Wechselspannungsanteil des
Eingangssignals übertragen. Eventuelle Gleichanteile bleiben unberücksichtigt.
Stellung DC (Direct Current): Es wird der Gleich- und der Wechselanteil des Signals übertragen. Diese Einstellung ist zunächst immer zu wählen, da nur im DC-Modus das komplette
Signal dargestellt wird.
1.4
X-Y Betrieb
Ist nicht der zeitliche Verlauf, sondern ein Verlauf y = f(x) darzustellen, so kann ein zweites
Signal auf die X-Platten gelegt werden. Damit ist der Sägezahngenerator außer Betrieb gesetzt. Hiermit lassen sich z.B. Bauteilekennlinien aufnehmen oder zwei Wechselspannungen
miteinander vergleichen (Lissajous- Figuren).
1.5
Blockschaltbild
Im Bild 1.2 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Oszilloskops dargestellt:
Labor Messtechnik II
Versuch 1
Prof. Dreetz/Lassahn/Stolle
24.09.2014
- 1.4 -
Bild 1.2: Blockschaltbild eines Oszilloskops
Mit dem Schalter S1 kann man zwischen AC und DC wählen. Der Schalter S5 wählt zwischen
Darstellung y(t) und y(x). Die Schalter S3 und S4 sind Abschwächer, also Spannungsteiler mit
denen der Ablenkfaktor in V/DIV einstellbar ist. Mit dem Schalter S6 wird der Sägezahngenerator beeinflusst und damit die Zeitablenkung. Mit dem Schalter S7 kann man von interner
auf externe Triggerung umschalten.
1.6
Erdfreie Messungen
Für den Fall, dass nicht zwischen einem Potential und Erde, sonder zwischen zwei verschiedenen Potentialen gemessen werden soll, ist es erforderlich einen Differenzverstärker einzusetzen. Es handelt sich dabei um einen Operationsverstärker, der die Differenz von zwei Signalen verstärkt (Bild 1.3).
Bild 1.3: Differenzverstärkerschaltung zur erdunabhängigen Messung
Die Differenzspannung ergibt sich zu: UD = U1 – U2 die dann verstärkt wird.
Zu beachten ist dabei, dass die Spannungen U1 und U2 gegen Erde auftreten und die
zulässigen Eingangsspannungen des Verstärkers überschreiten können, obwohl das
gemessene Differenzsignal sehr klein ist. Sinnvollerweise wählt man die Spannungen U1 und
U2 derart, dass eine ausreichende Differenzspannung UD auftritt. Im Labor steht ein Differenzverstärker (Differenztastkopf; engl. Differental Probe) zur Verfügung. Dieser ist bei
Bedarf einzusetzen.
Labor Messtechnik II
1.7
Versuch 1
Prof. Dreetz/Lassahn/Stolle
24.09.2014
- 1.5 -
Tastkopf
Häufig erfolgen Messungen über ein längeres Koaxialkabel, das aber eine zusätzliche Kapazität darstellt. Weiterhin kann es vorkommen, dass größere Spannungsamplituden zu messen sind, als mit dem größten Ablenkfaktor des Oszilloskops noch darstellbar ist. Für diese
Fälle ist ein frequenzkompensierter Spannungsteiler erforderlich. Derartige Teiler gibt es in
sehr kompakter Ausführung mit der üblichen Bezeichnung "Tastkopf", der prinzipiell
folgendermaßen aufgebaut ist:
Bild 1.4: Prinzipschaltbild eines Tastkopfes
Der Widerstand R2 ist der Eingangswiderstand des Oszilloskops, der üblicherweise
R2 = 1 Mbeträgt. Die Kapazität C2 entspricht der Eingangskapazität des Oszilloskops (ca.
10 pF ... 47 pF) und parallel dazu der Kapazität der Messleitung (ca. 100 pF/m).
R1
Für die Teilung eines Gleichspannungssignals ist das Verhältnis R maßgebend. Für sehr
2
C2
hohe Frequenzen ist das Verhältnis C entscheidend. Soll das Teilerverhältnis für alle Fre1
quenzen gleich sein, so muss gelten: R1 . C1 = R2 . C2
Um diese Bedingung für den jeweiligen Messaufbau einhalten zu können, ist die Kapazität C1
als veränderlicher Kondensator ausgeführt. Die richtige Einstellung lässt sich durch ein
bekanntes Eingangssignal, das alle Frequenzen enthält, vornehmen. Ein solches Eingangssignal ist ein Rechtecksprung mit ausreichender Flankensteilheit. Üblicherweise ist in die
Oszilloskope ein solcher Rechteckgenerator eingebaut. Vor der Messung muss der Tastkopf
abgeglichen werden.
Nur wenn das Bild am Oszilloskop ebenfalls einen Rechtecksprung darstellt ist der Tastkopf
richtig kompensiert. Anderenfalls ergeben sich die Bilder für einen unterkompensierten oder
überkompensierten Tastkopf (Bild 1.5).
u(t)
t
kompensiert
überkompensiert
unterkompensiert
Bild 1.5: Oszilloskopbild bei eingespeistem Rechtecksignal an Tastkopf
Labor Messtechnik II
1.8
Versuch 1
Prof. Dreetz/Lassahn/Stolle
24.09.2014
- 1.6 -
Einmalige Vorgänge
Die bisherige Beschreibung bezieht sich auf periodische Vorgänge, bei denen ein stehendes
Bild durch geeignetes Triggern zu erreichen ist. Häufig sind jedoch einmalige Signale aufzunehmen (Einschaltvorgänge, Impulse etc.). Bei einem analogen Oszilloskop führt der
einmalige Vorgang nach dem Triggern zu einem Durchlauf des Punktes. Mit dem Auge ist
hierbei keine Auswertung möglich. Durch einen Photoapparat vor den Bildschirm kann
jedoch die vom Lichtpunkt erzeugte Spur auf einem Bild (Polaroid) festgehalten und
ausgewertet werden.
Bei digitalen Oszilloskopen (wie sie im Labor verwendet werden) ist eine Speicherung
erheblich einfacher zu realisieren.
Das Eingangssignal wird zunächst in digitale Abtastwerte umgesetzt und es ist eine beliebig
lange Speicherung dieser Werte in digitalen Speichern (Schieberegister) möglich. Der
Speicherinhalt wird dann periodisch ausgelesen und kann so auf einem analogen Oszilloskop
angezeigt werden. Damit lässt sich der einmalige Vorgang auf dem Bildschirm ständig
sichtbar machen.
Darüber hinaus ist es möglich, das Eingangssignal ständig abzutasten und in ein Schieberegister einzulesen. Ist das Schieberegister voll, so werden die ältesten Abtastwerte wieder
überschrieben. Erfolgt nun eine Triggerung, so wird der "Durchschiebeprozeß" nach einer
einstellbaren Zeit angehalten. Das Schieberegister enthält dann Informationen über den
Signalverlauf sowohl vor als auch nach dem Triggerzeitpunkt. So lassen sich auch die
Ereignisse vor dem Triggersignal darstellen (Pretrigger-Modus). Dies ist häufig erforderlich,
wenn z. B. das Triggersignal durch eine Störung ausgelöst wird und man untersuchen möchte,
was zu dieser Störung geführt hat. Bild 1.6 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild des
Digitalteils des Speicheroszilloskops.
Bild 1.6: Blockschaltbild eines digitalen Speicheroszilloskops
Bei den im Labor verwendeten Oszilloskopen ist der Pretrigger standardmäßig auf 50%
eingestellt. Damit befindet sich der Triggerzeitpunkt in der Mitte des Bildschirmes.
Ein weiterer Vorteil der digitalen Speicherung ist die Möglichkeit, die Messwerte an einen
Rechner zu übertragen. Hier können dann zusätzliche Auswertungen (z. B. statistische Untersuchungen) vorgenommen werden. Es gibt ebenfalls Steckkarten als Analog/DigitalUmsetzer, die direkt auf die Hauptplatine des Rechners zu stecken sind. Hiermit besteht die
Möglichkeit einen Rechner als Oszilloskop einzusetzen.
Labor Messtechnik II
2.
Versuch 1
Prof. Dreetz/Lassahn/Stolle
24.09.2014
- 1.7 -
Versuchsdurchführung
Bringen Sie bitte für den Versuch einen USB-Stick mit!
2.1
Inbetriebnahme
Aufgabenstellung
Das Digitalspeicheroszilloskop ist zunächst zu überprüfen. Hierzu soll die vom eingebauten
Rechteckgenerator zur Verfügung gestellte Spannung über einen Tastkopf oszillographiert
werden.
Die Oszilloskope können im Triggermenü entweder auf „Auto“ oder auf „Normal“ eingestellt
werden. Prüfen Sie das Verhalten des Oszilloskops bei beiden Einstellungen, einmal wenn der
Triggerlevel das Signal schneidet und wenn der Triggerlevel das Signal nicht schneidet. Wird
in jedem Fall das tatsächlich anliegende Signal dargestellt?
Es ist schließlich ein stehendes Bild zu erzeugen. Speichern Sie je ein Bild für den unter- bzw.
überkompensierten und den kompensierten Fall auf. Bestimmen Sie am Schluss mit Hilfe der
Cursor Funktion die Amplitude und die Frequenz des Referenzsignales für den kompensierten
Fall.
Verlängern Sie für den kompensierten Fall nun die Zuleitung mit einer weiteren
Koaxialleitung (ca. 1 m). Beobachten Sie die Veränderung des Signals und kompensieren Sie
den Tastkopf neu.
Auswertung
Beschreiben Sie den Vorgang der Inbetriebnahme und erläutern Sie das Ergebnis.
Kann man zum kompensieren statt dem Rechtecksignal auch ein sinusförmiges Signal
nutzen? Begründen Sie Ihre Antwort.
2.2
Spannungen in einer Gleichrichterschaltung
Aufgabenstellung
Bauen Sie die Gleichrichterschaltungen nach Bild 1.7 auf. Da ein Oszilloskop nur Spannungen messen kann, erfolgt zur zeitabhängigen Darstellung des Stromes die Umsetzung über
einen ohmschen Widerstand. Es wird ein 1  Widerstand verwendet, so dass sich eine einfache Umrechnung ergibt. Da die Amplitude des Messsignals sehr gering ist, führt die Verwendung von koaxialen Messleitungen zu einem besseren Ergebnis. Es stehen hierfür Präzisionswiderstände mit einem koaxialen Messanschluss zur Vermeidung von Übergangswiderständen zur Verfügung.
V1
U~
230 V
50 Hz
RN1
RN2
C
Bild 1.7: Gleichrichterschaltung mit Glättungskondensator
RL
Labor Messtechnik II
Versuch 1
Prof. Dreetz/Lassahn/Stolle
24.09.2014
- 1.8 -
Nehmen Sie vier Signale Ihrer Wahl gleichzeitig auf und speichern Sie diese auf einem USBStick. Zu beachten ist dabei die Lage des Erdpotentials (Achtung: Die Massepotentiale aller
Eingänge des Oszilloskops sind geräteintern miteinander verbunden).
Prüfen Sie die Auswirkungen, wenn Sie die Mittelwertbildung „Aquire“ ausschalten. Warum
sind die Signale durch Störungen unterschiedlich beeinflusst?
Dokumentieren Sie für zwei verschiedene Zeitkonstanten τ = RC die Signalverläufe.
Schalten Sie für den Fall einer großen Zeitkonstante den Oszilloskopeingang der Ausgangsspannung URL auf AC und passen Sie den Ablenkfaktor an das nun gemessene Signal an.
Speichern Sie das Ergebnis.
Schalten Sie nun die FFT Funktion (Fast Fourier Transformation) ein und ermitteln Sie die
ersten 4 Harmonischen der Spannungen (Frequenz und Pegel aufnehmen) am Widerstand RL.
Dokumentieren Sie den Verlauf im Frequenzbereich (FFT).
Hinweis: Die Pegel in dBV entsprechen beim Oszilloskop den Effektivwerten.
Auswertung
Beschreiben Sie die Messungen und erläutern Sie die Ergebnisse.
Geben Sie die Spannungen der ersten 4 Harmonischen in Volt an.
2.3
Einschalten eines Reihenschwingkreises
Aufgabenstellung
Beim Einschalten eines Reihenschwingkreises handelt es sich um einen einmaligen Vorgang.
Bauen Sie die Schaltung entsprechend Bild 1.8 auf. Messen Sie die Spannungen über L und C
und den Strom. Beachten Sie die Lage des Erdpunktes! Es steht ein prellfreier Schalter S mit
Akku zur Verfügung.
Bild 1.8: Schalten eines Reihenschwingkreises bei Gleichspannung
Stellen Sie den Einschaltvorgang dar, wobei auf ein Signal selbst getriggert wird. Wählen Sie
hierzu ein geeignetes Signal. Wie müssen sie die Triggerung einstellen, damit nur der erste
Schaltvorgang aufgenommen wird?
Variieren Sie die Darstellung so, dass nur der Signalverlauf ab dem Schalt- bzw. Trigger
Zeitpunkt zu sehen ist. Dies wäre die Darstellung wie sie analoge Oszilloskope nur erfassen
können. Ferner sollen sie die Darstellung so einstellen, dass auf der Abbildung 20% des
Bildes den Verlauf vor dem Schaltzeitpunkt darstellt, etwas was nur mit Speicheroszilloskopen möglich ist.
Auswertung
Beschreiben Sie die Messung und erläutern Sie die Ergebnisse.
Labor Messtechnik II
2.4
Versuch 1
Prof. Dreetz/Lassahn/Stolle
24.09.2014
- 1.9 -
Bauteilekennlinie
Aufgabenstellung
Nehmen Sie die Strom-Spannungskennlinie eines nichtlinearen Widerstandes (Z-Diode) auf.
Bauen Sie hierzu die Schaltung nach Bild 1.9 auf und schließen Sie das Oszilloskop derart an,
dass sich eine Darstellung i = f(u) ergibt. Beachten Sie den gemeinsamen Masseanschluss.
Der Widerstand Rs ist als Schutzwiderstand zur Strombegrenzung vorgesehen.
Bild 1.9: Schaltung zur Messung der Kennlinie der Z-Diode
Auswertung
Beschreiben Sie die Messung, bestimmen Sie die Daten der Z-Diode aus der Messung und
erläutern Sie die Ergebnisse.
2.5
Hysteresekennlinie eines Transformatorkerns
Aufgabenstellung
Oszillographieren Sie die Hystereseschleife eines Transformatorkernes. Bauen Sie hierzu die
Schaltung nach Bild 1.10 auf und schließen Sie das Oszilloskop derart an, dass sich eine Darstellung B = f(H) ergibt.
Bild 1.10: Schaltungsaufbau zur Messung der Hysteresekurve eines Eisenkerns
Achtung: Achten Sie auf Punkte an denen berührungsgefährliche Spannungen auftreten
können und verwenden Sie zu Ihrer eigenen Sicherheit geeignete Kabel!
Als Integrierglied steht eine bereits vorbereitete Schaltung mit R = 1 M und C = 1 µF zur
Verfügung. Zur späteren Auswertung benötigen Sie die geometrischen Daten des Kerns.
Labor Messtechnik II
Versuch 1
Prof. Dreetz/Lassahn/Stolle
24.09.2014
- 1.10 -
Speichern Sie die Hysteresekurve für fünf verschiedene Eingangsspannungen.
Auswertung
Beschreiben Sie die Messung, bestimmen Sie die Achsenbeschriftungen für B und H.
Bestimmen Sie die Koerzitivfeldstärke HK .
Stellen Sie als Ergebnis der Werkstoffuntersuchung des Kernes die relative Permeabilität µr in
Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke H dar.