Messungen an Zweipolen
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Labor für elektrische Messtechnik Fakultät Elektro-Feinwerk- und Informationstechnik Versuch Oszilloskop Fassung vom 26.04.10 Blatt 1 1. Einleitung und Ziel Es sollen grundlegende Fertigkeiten im Umgang mit einem Oszilloskop gefestigt werden. Zur Vorbereitung wird neben der Durchsicht der folgenden Ausführungen insbesondere auch die in Kap.3 benannte Anleitung zum Online Tutorium "Oszilloskop" empfohlen. Die Versuche werden im Team durchgeführt. Jedes Team erstellt zusammen eine Ausarbeitung. 2. Aufbau und Funktion der benutzten Geräte In der Beschreibung werden beispielhaft die Funktionsgeneratoren "Phillips PM 5127" und „Agilent 33210A“ und ein Digital-Oszilloskop der Serie "Agilent 54000" dargestellt. Andere Geräte funktionieren aber im Prinzip ganz ähnlich. 2.1 Signal- oder Funktionsgenerator Signal- oder Funktionsgeneratoren liefern ein in der Regel ein periodisches Signal, z.B. eine zeitlich veränderliche Spannung zur Untersuchung elektrischer Schaltungen. Üblicherweise kann man bei Signalgeneratoren folgende Signaleigenschaften einstellen: Signalform: Sinus, Rechteck, Dreieck, TTL Frequenz (evtl. mit den Bereichen Grob- und Feineinstellung) Amplitude (oft mit Abschwächung z.B. - 20 dB = Faktor 1/10 und - 40dB = Faktor 1/100) Offset (d.h. Gleichspannungsanteil) Tastverhältnis (Duty-Cycle, SYM) Signalgeneratoren haben verschiedene Ausgänge: "50 Ohm", das Signal hat genau dann die eingestellten Eigenschaften, wenn der Ausgang mit 50 Ohm belastet wird, was bei sehr anspruchsvollen Messungen mit dem "Wellenwiderstand" der angeschlossenen Signalleitung in Zusammenhang steht. Meistens haben wir im Versuch eine hochohmige Belastung. Deswegen ist der Ausgang des Funktionsgenerators „Agilent 33210A“ auf „High Z Load“ eingestellt. "TTL" genormtes Rechtecksignal: 0 V ≤ Low ≤ 0,4 V und 2,4 V ≤ High ≤ 5 V Achtung: An diesem Ausgang liegt ein TTL-Signal mit der eingestellten Frequenz. Ihre individuellen Amplituden- und Offset-Einstellungen werden ignoriert! Der TTLAusgang des Funktionsgenerators „Agilent 33210A“ ist als „Sync – Ausgang“ bezeichnet. Damit die Ausgangsgröße des verwendeten Signalgenerators bezugspotentialunabhängig ist, wird hier der Netzanschluss über einen Trenntransformator betrieben. 2.2 Oszilloskop 2.2.1 Übersicht Das Oszilloskop gehört zu den wichtigsten Messgeräten des Elektrotechnikers und dient dazu, zeitlich veränderliche Spannungen darzustellen. Im "u(t)-Modus" werden eine oder mehrere Spannungen als Funktion der Zeit dargestellt (s. Bild 1). Dagegen wird im "XY- Labor für elektrische Messtechnik Fakultät Elektro-Feinwerk- und Informationstechnik Versuch Oszilloskop Fassung vom 26.04.10 Blatt 2 Modus" eine Spannung y als Funktion einer anderen Spannung x dargestellt, was beispielsweise die Darstellung von Kennlinien ermöglicht (s. Bild 2). Bild 1. Beispiel u(t)-Modus - sinusförmige Spannung 1) Heizung und Kathode Bild 2: Beispiel XY-Modus: Diodenkennlinie X ~ Spannung , Y ~ Strom 2) Beschleunigung Y-Ablenkung 3) Bildschirm X-Ablenkung Bild 3: Elektronenstrahl-Röhre (Schematisch) Analoges Oszilloskop Das Bedienungskonzept jedes Oszilloskops orientiert sich an der Bedienung des analogen Oszilloskops, dessen grundsätzlichen Aufbau und Wirkungsweise man kennen sollte. Bild 3 zeigt ein stark vereinfachtes Bild einer Elektronenstrahl-Röhre eines analogen Oszilloskops. In einer evakuierten Glasröhre wird mit den Elektroden 1 und 2 ein Elektronenstrahl erzeugt, der am Auftreffpunkt den Leuchtschirm (3) zum Leuchten bringt. Wenn an den Ablenkplatten eine Spannung anliegt, wird der Strahl von der Mitte abgelenkt. Eine Spannung an den Y-Platten bewirkt eine Ablenkung in vertikaler Richtung, während eine Spannung an den X-Platten den Strahl in horizontaler Richtung lenkt. Im XY-Modus wird die X-Spannung an die X-Platten und die Y-Spannung an die Y-Platten angelegt und am Leuchtschirm wird Y als Funktion von X dargestellt. Im u (t) -Modus wird an die X-Platten eine Spannung angelegt, die linear mit der Zeit von maximal negativer bis maximal positiver Spannung anwächst (Sägezahnspannung) und dabei den Strahl linear mit der Zeit von ganz links bis ganz rechts auslenkt. Durch die Spannung u an den Y- Labor für elektrische Messtechnik Fakultät Elektro-Feinwerk- und Informationstechnik Versuch Oszilloskop Fassung vom 26.04.10 Blatt 3 Platten wird zugleich der Stahl in Y-Richtung abgelenkt, so dass auf dem Schirm ein Abbild des zeitlichen Verlaufes u (t) aufleuchtet. Eine Triggereinrichtung steuert den Ablauf so, dass der Ablenkvorgang immer an der gleichen Stelle des Spannungsverlaufes startet. Bei periodischen Signalen wird dann immer wieder der gleiche Ausschnitt des Signals wiedergegeben. Das Auge ist zu träge, um die nacheinander dargestellten Bilder aufzulösen und nimmt ein stehendes Bild wahr. Traditionell ist der Oszilloskop-Schirm horizontal in 10 und vertikal in 8 Abschnitte (Divisions = DIV) unterteilt. Digitales Oszilloskop Beim digitalen Oszilloskop werden die Spannungsverläufe abgetastet mit schnellen Analog-Digital-Convertern (ADC) erfasst und als digitale Werte in einen Speicher geschrieben. Es erlaubt in einfacher Weise auch die Erfassung transienter Vorgänge (das sind einmalige, zeitlich nicht vorhersehbare Vorgänge von begrenzter Dauer = single-shots). Analog Digital Converter AC Analog In 1 DC GND Verstärker ADC Digitaler Speicher AC Verstärker BildschirmAnzeige ADC Kopplung Line External Trigger TriggerSteuerung Steuereinrichtung Analog In 2 DC GND Drucker Speicher Trigger-Wahl Bedien-Elemente Fernsteuerung (z.B.) IEEE-Bus Bild 4: Blockschaltbild Digital-Oszilloskop (vereinfacht) Eine Zeitbasis-Steuerung sorgt dafür, dass jeder Speicherplatz einem bestimmten Messzeitpunkt zugeordnet wird. Die Trigger-Steuerung erzeugt ein Signal, wenn die eingestellte Triggerbedingung erfüllt ist. Hiermit kann man dann Messabläufe steuern, z.B. starten, stoppen, eine voreingestellte Wartezeit (Delay) abwarten etc. Die Triggerbedingung kann ziemlich einfach sein (z.B. "Spannung 1 wird größer als 3 V") oder auch komplizierter ("Pattern"; Pulsbreite etc.). Zur Darstellung werden die Messwerte wiederholt aus dem Speicher ausgelesen und auf einem Bildschirm angezeigt. Da die Messwerte in digitaler Form vorliegen, kann man leicht viele aus der Computertechnik bekannten Operationen durchführen wie z.B. speichern, drucken, Effektivwert be- Labor für elektrische Messtechnik Fakultät Elektro-Feinwerk- und Informationstechnik Versuch Oszilloskop Fassung vom 26.04.10 Blatt 4 rechnen, Anstiegszeit ermitteln, 2 Signale voneinander subtrahieren, Signalverläufe digitalisiert an Computer übermitteln usw.. Im Folgenden werden wichtige Teile und Funktionen eines Oszilloskops beschrieben. Bild 5: Ansicht eines Digital-Oszilloskopes 2.2.1 Eingänge (Analog Channel Input-Controls) Die Masseanschlüsse (Bezugspotenzial) an allen Eingangsbuchsen sind miteinander verbunden (bei netzbetriebenen Oszilloskopen besteht auch eine Verbindung zwischen Masse und dem Schutzleiter). Wenn mehrere Spannungsverläufe beobachtet werden sollen, muss man sehr darauf achten, dass man über die gemeinsame Masse nicht einen Kurzschluss in dem Messobjekt herbeiführt (wichtig z.B. bei "Diodenkennlinie"). Es ist möglich, die Eingänge ein- und auszuschalten und zu invertieren. Weitere Einstellungen sind je nach Gerät mit Schaltern oder Softkeys, zum Teil auch in unterschiedlichen Menüebenen zu betätigen. 2.2.2 Kopplung GND: Ground - zum Einstellen der Nulllinie (mit Vertical-Position) DC-Kopplung (Direct Coupling): Das Messsignal wird direkt an den Verstärker geführt und richtig mit Gleichanteil dargestellt. AC-Kopplung (Alternate Coupling): Das Signal wird über einen in Reihe geschalteten Kondensator an den Verstärker geleitet. Nur der Wechselanteil gelangt an den Verstärker, der Gleichanteil wird unterdrückt. AC-Kopplung ist nützlich, wenn kleine Spannungsschwankungen auf einem höheren Gleichspannungslevel untersucht werden sollen (z.B. "Brumm- Labor für elektrische Messtechnik Fakultät Elektro-Feinwerk- und Informationstechnik Versuch Oszilloskop Fassung vom 26.04.10 Blatt 5 spannung"). Ansonsten kann AC leicht zu Fehlinterpretationen und Signalverfälschungen in der Darstellung (also einem systematischen Messfehler) führen. 2.2.3 Abschwächer / Verstärker Hier wird die Ablenk-Empfindlichkeit eingestellt; angegeben in V/DIV, mV/DIV, µV/DIV. 2.2.4 Horizontal Einstellungen Hier kann man die Zeitbasis bzw. den Zeitablenk-Faktor einstellen (angegeben in s/DIV, ms/DIV und µs/DIV), außerdem die horizontale Position. 2.2.5 Betriebsarten Es lassen sich verschiedene Darstellungsarten auswählen: Messen im Zeitbereich u (t) oder XY-Betrieb - ggf. über ein Menü. Bei Digitaloszilloskopen kann man auch den ROLLModus wählen und mit den RUN-Controls die Messung anhalten - von Hand mit STOP oder mit SINGLE Single-Shot) nach der Messung eines einmaligen Vorganges mit einem Triggerereignis. 2.2.6 Trigger Damit man auch kompliziertere Signale gut darstellen kann, ist es wichtig, zu verstehen, wie eine Triggersteuerung funktioniert. Generell erzeugt die Triggersteuerung dann, wenn die Triggerbedingung erfüllt ist, ein Signal (Impulsflanke), mit der die Darstellung auf dem Bildschirm gesteuert wird. Dabei hat man sehr vielfältige Möglichkeiten, eine Triggerbedingung festzulegen: • Normal Trigger Mode: Im NORMAL Modus ist die Triggerbedinung erfüllt, wenn das Signal mit der ausgewählten Flanke (= SLOPE + steigend oder - fallend) die ausgewählte Spannung (LEVEL) erreicht. • Auto Trigger Mode: Zusätzlich zum Normal Mode wird beim Auto Mode auch dann die Aufzeichnung und Darstellung der Signale gestartet, wenn die Triggerbedingung nicht erfüllt ist und das Oszilloskop länger auf eine Triggerbedingung gewartet hat. Dies kann in den Fällen hilfreich sein, wenn man nicht genau weiß welches Signal zu erwarten ist oder beim Darstellen von Gleichspannungen. Es wird also auf alle Fälle ein Bild dargestellt. Sollte die Triggerbedingung jedoch erfüllt sein, verhält sich das Oszilloskop wie im Normal Mode. • Der Auto Lvl Trigger Mode: In diesem Modus versucht das Oszilloskop ein stabiles Bild herzustellen, indem es den Triggerlevel selbstständig verändert und ihn meist in die Mitte des Bereichs zwischen der maximalen und minimalen auftretenden Spannung einstellt. • Der Single Trigger Mode: Dieser Modus wird benötigt, um einmalige Ereignisse aufzuzeichnen. Dafür muss der Triggermode auf Normal stehen und die Aufzeichnung mit der Taste "SINGLE" aktiviert werden. Das Oszilloskop wartet auf das Zutreffen der Triggerbedingung, Labor für elektrische Messtechnik Fakultät Elektro-Feinwerk- und Informationstechnik Versuch Oszilloskop Fassung vom 26.04.10 Blatt 6 startet die Aufzeichnung und Darstellung und stoppt wieder selbständig am rechten Ende des Bildschirms. Will man erneut messen, dann aktiviert man das Oszilloskop wieder mit der Single-Taste. Es gilt auszuwählen: a) Signalquelle (SOURCE): Kanal 1, Kanal 2 ....(Generell sollte man das langsamer veränderliche Signal zum Triggern nutzen). LINE (Trigger wird von der Netzspannung abgeleitet, es kommt auf jeden Fall ein Triggerpuls zustande – geeignet zur Einstellung der Grundlinie) EXTERN: ein von außen zugeführtes, zusätzliches Signal wird zur Triggerung benutzt. b) Mit DC/AC-Kopplung des Triggersignals, Flanke (SLOPE) und LEVEL wird die Triggerbedingung weiter festgelegt. c) Wenn das zum Triggern benutzte Signal verrauscht ist, kann ein Filter helfen (NOISEReject = Rauschunterdrückung oder HF-Reject = Hochfrequenzunterdrückung) d) Mit DELAY kann die Aufzeichnung gegenüber dem Triggersignal verzögert werden e) Mit PRETRIGGER bei dem Digitalozilloskop ist es möglich, auch Vorgänge festzuhalten, die vor dem Triggerereignis aufgetreten sind. Hierfür wird andauernd gemessen und die Messwerte in den Speicher geschrieben. Wenn die Triggerbedingung erfüllt ist, wird noch eine vorgegebene Zeit lang weiter gemessen und dann die Messung angehalten. Die am Bildschirm dargestellten Messwerte wurden zum Teil vor dem Triggerereignis (Pretrigger) und zum Teil danach gemessen (Posttrigger). Dies ist zum Feststellen von Ursachen und Vorgeschichten oft recht nützlich. 2.2.7 Tastkopf Der Eingang eines Oszilloskops stellt für die Signalquelle (d.h. die zu untersuchende Schaltung) eine ohmsch-kapazitive Last dar, die durch eine Parallelersatzschaltung aus einem Widerstand und einer Kapazität beschrieben werden kann. Die geräteabhängigen Daten sind in der Regel neben den Anschlussbuchsen aufgedruckt (typisch 1 MΩ und ca. 20 pF). Hinzu kommt, dass auch die Anschlussleitung eine Kapazität CKab besitzt. Vor allem bei höherfrequenten Signalen oder steilen Flanken oder bei Quellen mit hohem Innenwiderstand kann das Anschließen des Oszilloskops durch die gemischt kapazitive Belastung für das Messobjekt dazu führen, dass das Signal in seiner Form oder sogar das Verhalten der Schaltung wesentlich verändert wird. Ein Tastkopf dient dazu, diese Rückwirkung auf die Signalform zu vermindern, weil er den Eingangswiderstand des Messgeräts (Oszilloskops) erhöht und die Eingangskapazität vermindert. Die Wirkungsweise eines abgeglichenen Tastkopfes lässt sich mit Hilfe eines frequenzunabhängigen RC-Teilers verstehen, für den gilt: R1 · C1 = R2 · (C2║CKab) (vgl. Bild 6) Labor für elektrische Messtechnik Fakultät Elektro-Feinwerk- und Informationstechnik Versuch Oszilloskop Fassung vom 26.04.10 Blatt 7 Tastkopf 10:1 Eingang Oszilloskop R1 = 9M Kabel CKab = 120 pF C1 = 13,3 pF R2 = 1M C2 = 20 pF Bild 6: Schaltbild eines 10:1-Tastkopfes am Oszilloskopeingang Betrachtet man bei dem 10:1-Tastkopf nur die ohmschen Widerstände (ohne alle Kapazitäten), so bilden Tastkopfwiderstand (R1 = 9 MΩ) und Verstärker-Eingangswiderstand (R2 = 1 MΩ) einen Spannungsteiler. Für das Messobjekt stellt das Gesamtsystem eine Last von 10 MΩ dar (Erhöhung um Faktor 10). Am Verstärkereingang liegt allerdings nur 1/10 der zu messenden Spannung an, d.h. man hat einen Verlust an Empfindlichkeit. In ähnlicher Weise stellt auch die Reihenschaltung aus Tastkopfkapazität und Summe aus Kabel- und Verstärkereingangskapazität einen kapazitiven 10:1 Spannungsteiler dar. Die das Objekt belastende Kapazität ist um den Faktor 10 geringer als ohne Tastkopf. Der Tastkopf muss, um Frequenzunabhängigkeit zu erreichen, abgeglichen werden, indem die Tastkopfkapazität passend zum Kabel und zum Verstärkereingang des Oszilloskops eingestellt wird (siehe 4.7.1). Jedes Oszilloskop stellt hierfür ein Rechteck - Testsignal zur Verfügung (Anschluss "PROBE COMP"). Ist Frequenzunabhängigkeit gegeben, wird ein Rechtecksignal am Eingang des Tastkopfes von dem Oszilloskop auch unverfälscht wiedergegeben 1 . 2.2.8 Ausgewählte Zusatzfunktionen (nicht bei allen Oszilloskopen verfügbar) Bei modernen Oszilloskopen werden eine Menge Funktionen über Menüs und Softkeys und bei Agilent-Oszilloskopen mit dem "ENTRY" Knopf (Eingabedrehknopf) gesteuert. Man kann ausdrucken (PRINT), speichern (SAVE) und rechnen (MATH), z.B. addieren, subtrahieren, Verhältnis bilden, integrieren. Sehr nützlich sind Cursor-Funktionen. Mit verschiebbaren Messlinien (Cursor) kann man Zeitpunkte oder Spannungshöhen auswählen, die dann digital angezeigt werden. Einige Oszilloskope bieten fertige Messfunktionen an, z.B. • Frequenz • Anstiegzeit tr, (engl.: rise time, d.h. Zeit zwischen 10% und 90% der Signaländerung) • Spannungshub (Spitze zu Spitze; engl.: upp) • Effektivwert (engl: RMS = root mean sqare) • Phasenverschiebung zwischen zwei Signalen Bei verrauschten Signalen gibt es die Möglichkeit der Reduktion des Eingangssignalrauschen durch Mittelung (Averaging). 1 Suchbegriffe: RC-Teiler, frequenzunabhängiger Spannungsteiler, Fourier-Analyse. Labor für elektrische Messtechnik Fakultät Elektro-Feinwerk- und Informationstechnik Versuch Oszilloskop Fassung vom 26.04.10 Blatt 8 2.3 sonstige Geräte Bei modernen Labor-Netzgeräten kann man geregelte Spannungs- und Stromgrenzen einstellen. Je nach angeschlossenem Belastungswiderstand arbeitet das Gerät dann als geregelte Konstantspannungsquelle (CV - controlled voltage) oder Konstantstromquelle (CC - controlled current). Am Messplatz können Sie nachsehen, ob Sie solch ein Netzgerät vor sich haben und mit einem Multimeter den eingestellten Strom und Spannungswert überprüfen. 3. Vorbereitung 3.1 Durcharbeiten des Tutoriums (E-learning FB EFI) Zur Vorbereitung auf das Laborexperiment ist ein Online Oszilloskop-Tutorial so sorgfältig durch zu arbeiten, dass Sie beim Kolloquium fachspezifische Fragen beantworten können. Mit dem Link http://www.efi.fh-nuernberg.de/elearning/index.htm kommen Sie auf die Lernumgebung „Elektronik und Schaltungstechnik“ der Fakultät EFI. Dort geben Sie als Username "gast" und als Passwort "gast" ein. Das Oszilloskop Tutorial finden Sie dann unter Æ „Messtechnik" 3.2 Fragen zum Verständnis Erläutern Sie die Begriffe und beschreiben Sie mit Ihren eigenen Worten: a) Die Funktion einer Triggereinrichtung im NORMAL-Modus b) XY-Modus c) Unterschied AC und DC-Kopplung d) Wozu braucht man GND-Einstellung? e) Wozu dient ein Tastkopf? 3.3 Messschaltungen Wenn Sie noch ungeübt sind, dann stellen Sie zunächst für den Kanal 1 die 0 V-Linie in die Mitte des Bildschirms ein. Verbinden Sie dann den Kanal 1 des Oszilloskops mit einem Funktionsgenerator, stellen am Funktionsgenerator eine sinusförmige Spannung mit û = ca. 1 V bei f = ca. 1 kHz ein und sehen Sie zu, bei DC-Kopplung ein stehendes Bild zu erhalten. Verändern Sie anschließend den Offset am Funktionsgenerator, dann müssen Sie eine Mischspannung beobachten. Spielen Sie mit den Einstellungen und beobachten Sie das Verhalten der Geräte. Drücken Sie nicht die AUTOSCALE-Taste! → Die ist nur für Ahnungslose. Labor für elektrische Messtechnik Fakultät Elektro-Feinwerk- und Informationstechnik Versuch Oszilloskop Fassung vom 26.04.10 Blatt 9 3.3.1 Vergleich zweier Signale, z.B. Messung einer Phasenverschiebung Ergänzen Sie Verbindungsleitungen so, dass mit der Schaltung aus Signalgenerator, Prüfling und Oszilloskop die Signale an Eingang (Kanal 1) und Ausgang (Kanal 2) dargestellt werden können. 1 R = 1K ue C = 100 nF 2 ua Signalgenerator Messobjekt z.B. RC - Tiefpass Bild 7: Schaltung zum Vergleich von Eingangs- und Ausgangsspannung Zwei Signale gleicher Frequenz können zueinander "phasenverschoben" sein, d.h. dass ein Signal gegenüber dem anderen vorauseilt oder nacheilt. Die Phasenverschiebung kann man als Zeit (Δt in s, mitunter bezogen auf die Periodendauer) oder als Phasenwinkel d.h. bezogen auf eine Periode (Δϕ in Grad oder rad) angeben. u(t) u1 u2 T 2 3 T 4 2 π 3 90° 180° T 4 π π 2 270° t T 2π ϕ 360° Δt Δϕ Bild: 8 zwei phasenverschobene Sinus-Signale Δt Δt Dabei gilt die Beziehung in rad: Δϕ = • 2π bzw. in Grad: Δϕ = • 360 ° . T T 3.3.2 Kennlinie einer Diode im XY-Betrieb Die Diodenspannung soll in X-Richtung, der Strom in Y-Richtung aufgezeichnet werden. Zur Verfügung stehen: Ein Transformator zur Spannungsversorgung, eine Diode, ein Labor für elektrische Messtechnik Fakultät Elektro-Feinwerk- und Informationstechnik Versuch Oszilloskop Fassung vom 26.04.10 Blatt 10 Shuntwiderstand zur Strommessung 2 und ein 2-Kanal-Oszilloskop. Wie müssen Sie die Elemente verbinden? X 220V y 100 Ω 8V ud Bild 9: Schaltung zur Messung einer Diodenkennlinie a) Wie muss die "Masse" des Oszilloskops angeschlossen werden? b) Welche wesentlichen Einstellungen sind am Oszilloskop erforderlich ? ...... und ....... c) Warum kann man bei dieser Messschaltung die Spannungsversorgung nicht ohne weiteres mit einem Signalgenerator durchführen ? ..................................... 4. Versuchsdurchführung und Protokoll Zeichnen Sie die Bildschirmdarstellungen in die vorbereiteten Bilder. Bei komplexen Darstellungen können Sie natürlich auch ausdrucken, aber bitte nicht jede einfache Linie ausdrucken. Als Messprotokoll schreiben Sie immer die Oszilloskopeinstellungen von X- und Y-Ablenkung, Eingangskopplung und Triggereinstellungen (Auto, Norm, Triggerflanke, Triggerquelle etc.) auf. 4.1 Erste Schritte Betrachten Sie den Signalgenerator und stellen Sie fest, mit welchen Bedienelementen Sie die in 2.1 genannten Parameter einstellen können. Stellen Sie eine Sinusspannung (ohne Offset) mit der Frequenz 1 kHz und dem Effektivwert 1 V ein (ggf. mit Multimeter messen) und verbinden Sie den Ausgang mit einem Eingang des Oszilloskopes. Schalten Sie das Oszilloskop ein und versuchen Sie intuitiv, das Signal darzustellen 2 Da ein Oszilloskop nur die Darstellung von Spannungen erlaubt, müssen bei Strommessungen die Ströme über niederohmige Widerstände (= Shunts) in Spannungen umgewandelt werden. Labor für elektrische Messtechnik Fakultät Elektro-Feinwerk- und Informationstechnik Versuch Oszilloskop Fassung vom 26.04.10 Blatt 11 X: ...................……….. Y: .......…............…….. Kopplung: .....……….. Trigger : ……………… Bild 10: Sinusspannung 1 kHz, U= 1 V Bestimmen Sie Amplitude und Periodendauer des Signals. Schließen Sie das Signal auch an den zweiten Kanal an und schalten Sie in den XYModus. Ergebnis: X: ...................……….. Y: .......…............…….. Kopplung: .....……….. Trigger : ……………… Bild 11: XY-Modus: identisches Signal an beiden Kanälen Invertieren Sie einen Eingang. Ergebnis: Labor für elektrische Messtechnik Fakultät Elektro-Feinwerk- und Informationstechnik Versuch Oszilloskop Fassung vom 26.04.10 Blatt 12 X: ...................……….. Y: .......…............…….. Kopplung: .....……….. Trigger : ……………… Bild 11a: Wie Bild 11, jedoch .......-Kanal invertiert Gehen Sie zurück in den u(t)-Modus und verschaffen Sie sich einen ersten Überblick über alle Funktionen ihres Gerätes. 4.2 Tastkopf kalibrieren Tastkopf verstellen und an "PROBE COMP" anschließen - Oszillogramm aufnehmen X: ...................……….. Y: .......…............…….. Kopplung: .....……….. Trigger : ……………… Bild 12a: Tastkopf nicht abgeglichen Tastkopf abstimmen – erneut Oszillogramm aufnehmen: Labor für elektrische Messtechnik Fakultät Elektro-Feinwerk- und Informationstechnik Versuch Oszilloskop Fassung vom 26.04.10 Blatt 13 X: ...................……….. Y: .......…............…….. Kopplung: .....……….. Trigger : ……………… Bild 12b:Tastkopf abgeglichen 4.3 Erzeugung und Darstellung einiger Testsignale 4.3.1 TTL-Signal (Sync – Ausgang) Stellen Sie von Ihrem Testsignal (Sinus, 1kHz) das Signal am TTL-Ausgang dar und bestimmen Sie: (Benutzen Sie auch automatische Messfunktionen wie Quick Meas oder Cursors) Low-Spannung = .......... V; High-Spannung = .......... V und Anstiegszeit tr= ........ s X: ...................……….. Y: .......…............…….. Kopplung: .....……….. Trigger : ……………… Bild 13: TTL-Signal Anstiegszeit Ändern sie die Frequenz des TTL-Signals auf 20Hz. Messen Sie ggf. den Effektivwert. : URMS = ........ V Schalten Sie auf AC-Eingangskopplung und messen Sie ggf. wieder den Effektivwert: URMS = ..... V Labor für elektrische Messtechnik Fakultät Elektro-Feinwerk- und Informationstechnik Versuch Oszilloskop Fassung vom 26.04.10 Blatt 14 X: ...................……….. Y: .......…............…….. Kopplung: AC Trigger : ……………… Bild 14: ……………………………………….. Warum erscheint die Spannung nicht mehr rechteckförmig ? .................................................................................................................................. 4.3.2 Sinusspannung (3kHz, Amplitude 2 V mit Offset 1,5 V) Beobachten Sie bei Triggerfunktion NORMAL die Wirkung von LEVEL und SLOPE. Beispiel: LEVEL = 2 V , Slope = ↑ ; LEVEL = -2 V , Slope = ↑ ; LEVEL = 2 V , Slope = ↓ X: ...................……….. Y: .......…............…….. Kopplung: .....……….. Trigger : ……………… Bild 15 a: ………..……………………….. Labor für elektrische Messtechnik Fakultät Elektro-Feinwerk- und Informationstechnik Versuch Oszilloskop Fassung vom 26.04.10 Blatt 15 X: ...................……….. Y: .......…............…….. Kopplung: .....……….. Trigger : ……………… Bild 15 b:....................………………………….. X: ...................……….. Y: .......…............…….. Kopplung: .....……….. Trigger : ……………… Bild 15 c: …………………………………….. Messen Sie mit der Messfunktion den Effektivwert: URMS = ........ V Schalten Sie auf AC-Kopplung (Trigger-Level: 0V) und messen Sie ggf. wieder den Effektivwert: URMS = ......V X: ...................……….. Y: .......…............…….. Kopplung: AC Trigger : ……………… Bild 15 d: …………………………………….. Labor für elektrische Messtechnik Fakultät Elektro-Feinwerk- und Informationstechnik Versuch Oszilloskop Fassung vom 26.04.10 Blatt 16 4.4 Diodenkennlinie Bauen Sie die Messchaltung nach 3.3.2 , Bild 9, auf und nehmen Sie die i(u) - Kennlinie einer Diode auf. X: ...................……….. Y: .......…............…….. Kopplung: .....……….. Trigger : ……………… Bild 16: XY-Modus……………………….. Bestimmen Sie in einem willkürlich gewählten Arbeitspunkt der Diode - den Widerstand : R =..................Ω - den differenziellen Widerstand rd =..................Ω - und die Schwellspannung us =..................V. 4.5 Messungen im XY-Modus Lissajou-Figuren Schließen Sie den Transformator an Kanal 1 und den Signalgenerator an Kanal 2 an und erzeugen Sie mit dem Signalgenerator ein Signal von der gleichen Frequenz (50 Hz) und annähernd gleicher Amplitude. Trigger: Source Kanal 1, NORMAL . Variieren Sie die Frequenz geringfügig und beobachten Sie. Zeichnen sie die Signale im u(t)-Modus und im XY-Modus auf. X: ...................……….. Y: .......…............…….. Kopplung: .....……….. Trigger : ……………… Bild 17a: u(t)……………………………….. Labor für elektrische Messtechnik Fakultät Elektro-Feinwerk- und Informationstechnik Versuch Oszilloskop Fassung vom 26.04.10 Blatt 17 X: ...................……….. Y: .......…............…….. Kopplung: .....……….. Trigger : ……………… Bild 17b: XY-Modus……………………….. Wie kommt die XY-Darstellung zustande ? .......................................................................... ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. Erhöhen Sie die Frequenz auf 100 Hz und wiederholen Sie die Messungen. X: ...................……….. Y: .......…............…….. Kopplung: .....……….. Trigger : ……………… Bild 17c: u(t)……………………………….. Labor für elektrische Messtechnik Fakultät Elektro-Feinwerk- und Informationstechnik Versuch Oszilloskop Fassung vom 26.04.10 Blatt 18 X: ...................……….. Y: .......…............…….. Kopplung: .....……….. Trigger : ……………… Bild 17d: XY-Modus……………………….. Triggern Sie auch von Kanal 2. Ergibt sich für Kanal 1 ein "flackerndes" Bild ? Warum sollte man zum Triggern stets das "langsamere" Signal heranziehen ? ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. 4.6 Gleichrichterschaltung An den Transformator wird ein Doppelweg-Gleichrichter aus 4 Dioden mit Glättungskondensator C = 1000 µF = 1 mF und Lastwiderstand RL = 1 kΩ angeschlossen. Bild 18: Doppelweggleichrichtung Stellen Sie am Oszilloskop den Verlauf der Ausgangsspannung dar. a) mit DC-Kopplung. Die Ausgangs-Gleichspannung beträgt ......... V b) mit AC-Kopplung die "Brummspannung" messen. Labor für elektrische Messtechnik Fakultät Elektro-Feinwerk- und Informationstechnik Versuch Oszilloskop Fassung vom 26.04.10 Blatt 19 X: ...................……….. Y: .......…............…….. Kopplung: .....……….. Trigger : ……………… Bild 19a: Gleichrichter- Ausgangsspannung X: ...................……….. Y: .......…............…….. Kopplung: .....……….. Trigger : ……………… Bild 19b: Brummspannung Bestimmen Sie den Spannungshub Umax - Umin = uss = ........ V und die Frequenz f = ...... Hz. Überlegen Sie, wie die Brummspannung entsteht und erklären Sie die gemessene Frequenz: ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... Warum dürfen Sie nicht gleichzeitig - z.B. mit Kanal 2 - die Eingangs-Wechselspannung des Transformators messen ? Antwort: ..................................................................................................... Entfernen Sie nun den Glättungskondensator und zeichnen Sie u (t) auf. Erklären Sie Ihre Messung: Labor für elektrische Messtechnik Fakultät Elektro-Feinwerk- und Informationstechnik Versuch Oszilloskop Fassung vom 26.04.10 Blatt 20 X: ...................……….. Y: .......…............…….. Kopplung: .....……….. Trigger : ……………… Bild 19c: Gleichrichter- Ausgangsspannung ohne Glättungskondensator ............................................................................................................................................... (haben Sie Kopplung AC oder DC gewählt ?) Schließen Sie nun den Kondensator wieder an und entfernen Sie den Lastwiderstand. Versuchen Sie erneut eine Brummspannung zu messen. Beobachtung:......................................................................................................................... Erklärung: 4.7 .......................................................................................................................... Sprungantwort an einem Tiefpass (oder Ladekurve eines Kondensators) Bauen Sie die Schaltung gemäß Bild 20 auf und zwar so, dass sie die Gleichspannungsquelle mit einem in der Hand gehaltenen Kabel leicht überbrücken können. ~ - 100nF 10 k Ω Y Gleichspannungsquelle 6V Bild 20: Messschaltung für Ladekurve Solange der Kondensator überbrückt ist, fällt die gesamte Spannung am Widerstand ab. Die mit dem Oszilloskop gemessene Spannung ist 0 V. Wird der Kurzschluss entfernt, lädt sich der Kondensator nach einer e-Funktion auf, bis die gesamte Spannung am Kondensator anliegt und kein Strom mehr fließt. Ziel des Versuches ist es, diesen Schaltvorgang aufzuzeichnen. Hierzu müssen Sie das Oszilloskop für die Aufnahme eines einmaligen Vorganges bereit machen (Single shot), Trigger NORMAL, LEVEL etwas oberhalb von 0V und deutlich unter der Maximalspannung, SLOPE positiv. Labor für elektrische Messtechnik Fakultät Elektro-Feinwerk- und Informationstechnik Versuch Oszilloskop Fassung vom 26.04.10 Blatt 21 Beim Entfernen der Überbrückung wird der Ladevorgang aufgezeichnet. Hier ist etwas experimentelles Geschick erforderlich, um "Prellen" zu vermeiden. Evtl. muss man ein paar Mal üben! Ergebnis: X: ...................……….. Y: .......…............…….. Kopplung: .....……….. Trigger : ……………… Bild 21: Ladevorgang am Kondensator Auswertung: Bestimmen Sie aus dem Oszillogramm (ggf. mit Cursor oder Messfunktion) die Anstiegszeit ta (oder rise time tr) und die Zeitkonstante τ. Nach der Zeitkonstanten τ hat das Signal 63 % des Endwertes erreicht.) Mathematisch wird diese Ladekurve durch eine e-Funktion beschrieben: t − ⎛ τ ⎜ u (t ) = u 0 ⋅ ⎜1 − e ⎝ ⎞ ⎟ wobei τ = R · C und ta = 2,2 · τ ⎟ ⎠ Messung: ta = s τ = ………….. s Theorie: ta = s τ = ………….. s 4.8 Sinusspannung an Tiefpass Bauen Sie die Schaltung gemäß Bild 7 auf und stellen Sie am Signalgenerator Sinusform, Amplitude ûe = 2 V , ohne Offset ein. Messen Sie bei den Frequenzen 1 kHz, 3 kHz und 10 kHz jeweils das Amplitudenverhältnis ûa/ûe und die Phasenverschiebung ggf. mit Hilfe von Cursor oder Messfunktionen. Bemühen Sie sich, den "Messbereich", d.h. die Bildschirmgröße, gut auszunutzen und dadurch eine genauere Messung zustande zu bringen. Folgender Tipp zur Messung der Phasenverschiebung ist insbesondere bei kleinen Phasenverschiebungen nützlich. Erproben Sie bei f = 1 kHz: zunächst beide Nulllinien übereinander legen, dann beide Eingänge übersteuern (sehr hohe Empfindlichkeit), damit der jewei- Labor für elektrische Messtechnik Fakultät Elektro-Feinwerk- und Informationstechnik Versuch Oszilloskop Fassung vom 26.04.10 Blatt 22 lige Nulldurchgang klar ablesbar wird, Zeitbasis so empfindlich wählen, dass Δt mehrere DIV einnimmt. Mit Cursor ablesen. X: ...................……….. Y: .......…............…….. Kopplung: .....……….. Trigger : ……………… Bild 22a: Ein- und Ausgangsspannung am Tiefpass f= .... kHz X: ...................……….. Y: .......…............…….. Kopplung: .....……….. Trigger : ……………… Bild 22b: Ausschnittvergrößerung zur Messung der Phasenverschiebung bei f= 1 kHz Ergebnisse: Frequenz / kHz 1 ûa/ûe Δϕ /° Ergebnis: Abschwächung und Phasenverschiebung gering 3 mittel 10 groß Fazit: Beim "Tiefpass" werden kleine Frequenzen durchgelassen, große abgeschwächt und phasenverschoben.
