GPV 4: Oszilloskop

GPV 4: Oszilloskop
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Aufgaben
1. Demonstration einer Schwebung
2. Demonstration verschiedener Lissajous-Figuren
3. Messung der Frequenz und der Spannung eines ungeeichten RC- Generators und Demonstration der verschiedenen Funktionen der Trigger-Einrichtung
4. Vergleich dieser Frequenz mit einem geeichten RC-Generator
5. Demonstration der Kennlinie eines Gleichrichters
6. Messung des Phasenwinkels zwischen Strom und Spannung bei einer RC- und einer RLKombination
7. Messung der Anstiegszeit einer Rechteckspannung
8. Demonstration der Hysteresis eines Ringkernes
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Gerätebeschreibung
Das Oszilloskop ist ein sehr schneller X-Y -Schreiber, der ein elektrisches Eingangssignal gegen
ein anderes Signal oder als Funktion der Zeit aufzeichnet. Das Kernstück des Oszilloskops ist die
Kathodenstrahlröhre (Braunsche Röhre, CRT = Cathode Ray Tube).
W A
Y
K
Y’
X X’
Abbildung 1: schematischer Aufbau der Kathodenstrahlröhre
Sie besteht aus einem evakuierten trichterförmigen Glasrohr, an dessen engen Ende die elektrischen Zuführungen eingeschmolzen sind. Das weite Ende ist mit einer ebenen Glasplatte abgeschlossen, die eine Leuchtschicht ( Phosphor“) trägt. Eine Elektronenkanone (i.A. bestehend
”
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aus Glühkathode K, Wehneltzylinder W, Anode A und je nach Bauart weiteren Elektroden für
die Fokussierung und Intensitätsregelung) erzeugt einen sehr dünnen Elektronenstrahl, der auf
dem Leuchtschirm den Auftreffpunkt zum Fluoreszieren bringt. Zwei hintereinander angeordnete
Plattenpaare YY’ und XX’ ermöglichen die Herstellung von senkrecht zueinander orientierten
elektrischen Feldern, die den Strahl in horizontaler bzw. vertikaler Richtung ablenken. Die beiden
Ablenkungen sind unabhängig voneinander, sodass der Leuchtfleck durch Anlegen entsprechender Spannunqen an die Ablenkplatten an jeden beliebigen Ort des Schirms gebracht werden
kann. Bei entsprechend sorgfältiger Konstruktion besteht ein linearer Zusammenhang zwischen
der Auslenkung auf dem Schirm und der Spannung an den Ablenkplatten, sodass auf diesem
Weg eine Spannungsmessung möglich ist. Um die Ablesung zu vereinfachen, ist der Leuchtschirm
meist mit einem Skalengitter versehen. Damit das Oszilloskop möglichst vielseitig verwendbar
ist, ist es mit einer Reihe von elektronischen Untersystemen ausgestattet, die in Abbildung 2 als
Blockschaltbild zusammengefasst sind.
Externer X-Eingang
Externer
SYNC
SG
XV
Y-Eingang
VA
Netzteil
TriggerEingang
Abbildung 2: Blockschaltbild der elektronischen Untersysteme eines Oszilloskops
Vertikal-Ablenk-System VA (Y -Achse)
Der Bereich der Spannungen, die direkt an die Ablenkplatten angelegt werden können, ist sehr
begrenzt. Damit auch Signale außerhalb dieses Bereiches verarbeitet werden können, sind Abschwächer und Verstärker für das Eingangssignal vorgesehen. Die gewünschte Kombination kann
mit einem Stufenschalter eingestellt werden, an dem der entsprechende geeichte Ablenkfaktor in
Volt (mV) pro cm angeschrieben ist. Unter Verzicht auf die Eichung kann bei gegebener Eingangsspannung die Bildhöhe auch kontinuierlich verändert werden. Abschwächer und Verstärker
arbeiten nur in einem bestimmten Bereich frequenzunabhängig. Besonders zu hohen Frequenzen
hin nimmt die Verstärkung ab. Bei Gleichspannungskopplung reicht die Bandbreite von null bis
zu der Frequenz, bei der die Ausgangsspannung der Abschwächer-Verstärker-Kombination um 3
dB unter dem Sollwert liegt (obere Grenzfrequenz). Bei dieser Frequenz weist das Ausgangssignal
auch bereits eine erhebliche Phasenverschiebung gegenüber dem Eingangssignal auf. Der an die
Ablenkplatten angelegten Signal-Spannung kann eine interne Gleichspannung überlagert werden,
mit der die Lage der Null-Linie des dargestellten Signals am Schirm verschoben werden kann.
Häufig ist es notwendig, mehrere Signale gleichzeitig zu verfolgen. Daher sind die meisten modernen Modelle als Zwei-Kanal-Oszilloskope ausgeführt. Echte“ Zwei-Strahl-Oszilloskope ent”
halten zwei voneinander unabhängige Elektronenstrahl-Systeme mit der zugehörigen Elektronik
(unabhängige Zeitbasen). Die meisten heutigen sogenannten Zwei-Strahler“ arbeiten nur mit
”
einem Strahlsystem, haben jedoch zwei unabhängige Vertikalablenkeinheiten. Ihre Ausgangs2
spannungen werden durch einen elektronischen Schalter in schneller Folge abwechselnd an die
Vertikalablenkplatten angelegt, so dass beide Signale gleichzeitig am Schirm erscheinen.
Horizontal-Ablenk-System XV (X-Achse)
Das Horizontal-Ablenk-System erzeugt die Spannungen, die für die horizontale Bewegung des
Strahles erforderlich sind. In der häufigsten Anwendung repräsentiert die X-Achse die Zeit (Y −tBetrieb). Zu diesem System gehört daher ein Sweep-Generator“ SG, der eine mit der Zeit li”
near anwachsende Sägezahn- oder Rampenspannung liefert. Damit erfolgt die X-Ablenkung des
Strahls mit konstanter Geschwindigkeit und das Oszilloskop kann in einer bestimmten Zeiteinheit pro cm geeicht werden. Um die optimale Darstellung von Signalen sehr unterschiedlicher
Frequenz zu gewährleisten, kann die Anstiegsrate der Ablenkspannung mit einem Stufenschalter in geeichten Schritten verändert werden, so dass die Zeitskala von s/cm bis ms/cm reicht.
Auch die Zeitskala kann unter Verzicht auf die Eichung kontinuierlich verändert werden, so dass
jeder beliebige Wert zwischen zwei Stufen eingestellt werden kann. Die X-Ablenkung kann auch
mit einer externen Spannung vorgenommen werden (X − Y -Betrieb), die ebenfalls über den
X-Verstärker XV an die Horizontal-Ablenkplatten geführt wird.
Synchronisierung/Triggereinheit (SYNC)
Uy
Eingangsspannung
Trigger-Pegel
Ux
der Kurve
sichtbarer Teil
Ablenkspannung
Abbildung 3: zum Prinzip des Triggerns“
”
Damit bei periodischen Signalen ein stehendes Bild zustandekommt, muss die Horizontalablenkung mit der Eingangsspannung synchronisiert werden. Beträgt die Frequenz des Y -Signals
exakt ein ganzzahliges Vielfaches der Ablenkfrequenz, so überstreicht der Elektronenstrahl bei
jedem Durchlauf genau die gleichen Punkte. Die endliche Nachleuchtdauer des Schirms und die
Trägheit des Auges sorgen für ein stehendes Bild. Weicht das Verhältnis der beiden Frequenzen
nur geringfügig von einer ganzen Zahl ab, so entspricht dies einer langsamen zeitlichen Änderung
der Phasenlage. Das Bild läuft“.
”
Da zwei unabhängige Oszillatoren nur für kurze Zeit zu synchronisieren sind, wird die XAblenkung getriggert“: Statt der einfachen Sägezahnspannung, bei der sich die Anstiegsrate der
”
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Spannung mit der Frequenz ändert, verwendet man eine Rampenspannung, bei der ein Spannungsanstieg jeweils zu dem Zeitpunkt gestartet wird, an dem die Eingangsspannung während
des Anstieges (oder Abfalls) einen bestimmten Wert ( Trigger Level“) erreicht hat. Bei periodi”
scher Eingangsspannung ist dann eine konstante Phasenverschiebung und damit ein stehendes
Bild gewährleistet.
Die Triggerung kann auch durch ein externes Signal erfolgen, für das ein eigener Eingang vorgesehen ist. Dies kann z.B. erforderlich sein, wenn das dargestellte Signal zu klein ist, um die
Triggerung verlässlich auszulösen.
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Zur allgemeinen Beachtung
• Die Massen aller Anschlüsse sind intern miteinander verbunden. Alle Spannungen einer
Schaltung müssen daher auf einen gemeinsamen Massenpunkt bezogen werden.
• An jedem Kanal ist ein Schalter mit der Wahlmöglichkeit AC/DC/GRND vorhanden. In
Stellung AC ist der entsprechende Eingang wechselspannungsgekoppelt, d.h. nur der ACAnteil des angelegten Signals wird gezeigt. DC bedeutet Gleichspannungskopplung, d.h es
werden auch die Gleichspannungsanteile angezeigt. Mit GRND (Ground) wird der Kanal
auf Nullpotential geschaltet und man kann sich mit dem X- bzw. Y-Positionsreglern einen
Nullpunkt oder eine Nulllinie am Schirm einstellen.
• Die Skalierung der vertikalen und der horizontalen Ablenkung kann sowohl stufenlos variiert werden als auch um den Faktor 5 oder 10 gedehnt werden. Auf diese Einstellungen ist
besonders zu achten. Beim Schalter für die stufenlose Variation ist die kalibrierte Stellung
immer ausgezeichnet (Regler rastet ein).
• Zum Triggern kann im manuellen Betrieb sowohl der Level als auch Kanal 1 oder Kanal 2
als Trigerquelle eingestellt werden. Der darzustellende Kanal muss also als Quelle gewählt
werden.
• Wie gesagt, ist die Bildröhre im Oszillographen eine Glühkathodenröhre. Bei jedem Einschalten leidet diese aufgrund des Anglühvorganges. Daher ist es der Lebensdauer derartiger Geräte zuträglicher sie zu Beginn des Praktikumsnachmittages einzuschalten und
eingeschalten zu belassen anstatt sie immer wieder ein- und auszuschalten. Außerdem kann
das Verhalten solcher Messgeräte natürlich auch von der Betriebstemperatur abhängen. Um
die Leuchtschicht zu schonen kann die Darstellung des Strahles mithilfe des Triggerlevels
oder der Helligkeitsregelung ausgeschaltet werden.
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Durchführung der Aufgaben
zu 1) Eine Schwebung ist eine Superposition zweier Schwingungen fast gleicher Frequenz. Sie
kann durch Verwendung der ADD-Funktion oder durch Überlagerung in einem T-Stück
demonstriert werden.
zu 2) Durch Variation der Frequenz des RC-Generators werden verschiedene Lissajous-Figuren
eingestellt (Abbildung 4).
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Abbildung 4: Lissajous-Figuren: In der ersten vertikalen Reihe ist das Verhältnis der beiden
Frequenzen 1:1, in der zweiten 1:2, in der dritten 1:3 und in der vierten 2:3. In der Horizontalreihe
beträgt die Phasendifferenz zwischen den beiden Schwingungen in der ersten Reihe 0, in der
zweiten Reihe π/4, in der dritten π/2, in der vierten 3π/4 und in der fünften π.
zu 3) An einem Funktionsgenerator wird ein Signal eingestellt und parallel ein Kanal des Oszilloskops und das Vielfach-Messgerät angeschlossen. Mit Hilfe der geeichten Zeit- und
Y -Ablenkungen werden Periodendauer und Spannung am Leuchtschirm abgelesen. Die
Skalenscheibe ist in einen bestimmten Abstand vor dem Leuchtschirm angebracht. Auf
parallaxenfreie Ablesung ist zu achten. Die Skalenscheibe ist aus Kunststoff und kann
daher leicht zerkratzt werden. Es dürfen auf ihr daher keine Markierungen angebracht
werden!
zu 4) Zusätzlich zur Anordnung von Aufabe 3) wird an dem zweiten Kanal der Funktionsgenerator angeschlossen. Seine Frequenz wird solange variiert, bis auf dem Schirm beide Signale
die gleiche Wellenlänge haben.
zu 5) Die Kennlinie ist eine graphische Darstellung des Gleichrichterstromes als Funktion der
am Gleichrichter anliegenden Spannung. Zur Darstellung mit dem Oszilloskop wird der
Gleichrichter mit einem Widerstand in Serie geschaltet. Die am Widerstand abfallende
Spannung wird als Maß für den Strom als Y -Koordinate, die Gleichrichterspannung als
X-Koordinate dargestellt. Die angelegte Wechselspannung aus dem Trenn-Trafo sorgt für
eine variable Spannung jeder Polung. Warum darf man hier den Funktionsgenerator nicht
verwenden?
5
Y
X
A
~
Trafo
Abbildung 5: Schaltung zu Aufgabe 5
Maximaler Belastungsstrom 15mA.
zu 6) Die am Widerstand abfallende Spannung (phasengleich mit dem Strom) wird an Kanal 1
des Oszilloskops, die angelegte Spannung an Kanal 2 angeschlossen. Die Phasenbeziehung
dieser beiden Wechselspannungen wird im Zweistrahlbetrieb richtig wiedergegeben. Hier
wird der Funktionsgenerator verwendet, um bei verschiedenen Frequenzen zu messen.
Kanal 2
Kanal 1
L
R
C
~
Trafo
Abbildung 6: Schaltung zu Aufgabe 6
zu 7) Der Anstieg und Abfall zwischen den beiden Spannungsniveaus erfolgt nicht sprunghaft
sondern kontinuierlich, was sich bei hinreichend schneller Zeitablenkung am Oszilloskop
direkt beobachten läßt. Als Anstiegszeit“ ist jene Zeit definiert, in der die Spannung von
”
10 % auf 90 % des stationären Wertes ansteigt. Analoges gilt für die abfallende Flanke
(10% u. 90 % werden wegen der leichteren Erkennbarkeit gewählt).
Als Quelle für die Rechteckspannung dient entweder das interne Eichsignal des Oszilloskops
oder der Funktionsgenerator. Für die Messung ist der Triggerpegel so einzustellen, dass
der benötigte Bereich der Flanke sichtbar ist. Markierungen, die die Ablesung erleichtern,
sind bereits vorhanden.
Anstiegs- und Abfallzeit des Rechtecksignals sind zu messen.
6
100 %
90 %
ta
10 %
Abbildung 7: Anstiegszeit einer Flanke
zu 8) Durch einer Hystereseschleife wird die Magnetisierung des Trafokernes in Abhängigkeit
vom externen Magnetfeld dargestellt. In unserem Experiment ist uns die Materialgleichung
B(H) zugänglich, also die magnetische Induktion B als Funktion der von der Primärspule
erzeugten magnetischen Feldstärke H.
1 MW
Y
W’=
300
W=
1200
Trafo ~
0,25 mF
X
R
Abbildung 8: Schaltung zu Aufgabe 8
Die am Widerstand R (einige Ohm) abfallende Spannung, die dem Primärstrom proportional ist, wird an den X-Eingang gelegt. Die X-Ablenkung ist also der Erregerfeldstärke
H proportional. In der Sekundärwicklung fließt praktisch kein Strom, so dass der Kraftfluß
Φ = B · A im Kern nur vom Primärstrom bestimmt wird. Für die in der Sekundärspule
induzierte Spannung gilt:
dB
dΦ
=A·
Ui ∝
dt
dt
R
Damit ist B ∝ Ui dt.
Zur Erzielung einer Y -Ablenkung, die der Induktion B proportional ist, benötigt man also
eine Spannung, die dem Zeitintegral der Sekundärspannung proportional ist. Man erzeugt
diese durch eine integrierende RC-Kombination:
Für die am Kondensator liegende (und dem Y -Eingang zugeführte) Spannung UC gilt
Z
Z
Z
1
1
1
1
UR
I dt =
dt ≈
U0 dt
UC = Q =
C
C
C
R
RC
7
R
I
U0
C
UC
Abbildung 9: integrierende RC-Kombination
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Die Zeitkonstante eines RC-Gliedes ist durch RC
definiert. Damit letztere Beziehung gilt
und das RC-Glied wirklich über die gesamte Periodendauer integriert, muss ω ¿ R C
gelten, was auf die Größe des Widerstandes führt.
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