Bau eines AC/DC Speicheroszilloskops
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Gymnasium Hilpoltstein Kollegstufenjahr 2005/06 FACHARBEIT aus dem Fach Physik Thema: Schulmesstechnik: Bau eines AC/DC Speicheroszilloskops Verfasser: Leistungskurs: Kursleiter: Abgabetermin: Felix Adamczyk Physik Herr Peter Wutschka 27. Januar 2006 Facharbeit: Erzielte Note: Erzielte Punkte: (einfache Wertung) Mündliche Prüfung zur Facharbeit: Erzielte Note: Erzielte Punkte: (Unterschrift des Kursleiters) in Worten: in Worten: Inhaltsverzeichnis 1. Aufgaben des Projekts 1.1. Alles schwingt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Probleme herkömmlicher Schulmesstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Das 2.1. 2.2. 2.3. . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 6 7 8 9 9 10 11 15 19 22 23 24 25 25 26 26 A. Anhang A.1. Bildergalerie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.2. Schaltbild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.3. Bauteilliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 28 31 32 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. digitale Speicheroszilloskop Allgemeiner Weg zur digitalen Datenverarbeitung Die Wahl der Schnittstelle und des A/D Wandlers Der CM108 I/O USB Controller . . . . . . . . . . 2.3.1. Signalauflösung . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2. Der Frequenzerfassungsbereich . . . . . . . 2.3.3. Die Gleichspannungsentkopplung . . . . . Die Elektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1. Der Wechselspannungskanal . . . . . . . . 2.4.2. Der Gleichspannungskanal . . . . . . . . . 2.4.3. Die Versorgungsspannung . . . . . . . . . 2.4.4. Der Schaltungsaufbau . . . . . . . . . . . Die Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1. Der Aufbau der Messsoftware . . . . . . . Eigene Messdurchführungen . . . . . . . . . . . . 2.6.1. Vermessen eines Schwingkreises . . . . . . 2.6.2. Messung der Kondensator Entladekurve . Oskar, das Oszilloskop für Schulen . . . . . . . . . 3 3 3 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Aufgaben des Projekts 1.1. Alles schwingt Alles schwingt” hätte Heraklit mit ebenso großer Berechtigung sagen können. Dass ” Schwingungen in unserem Leben eine Basis für vieles bilden, ist wohl unbestritten. Ob es nun die Gitarrensaite ist oder die Spannung aus der Steckdose. Alles ist irgendwie in Bewegung und eben diese möchte der Mensch oft erfassen. Mit diesem Thema beschäftigt sich meine Jugend forscht Arbeit. In den letzten Monaten konzipierte ich ein Messgerät, speziell für Schulen, dessen Bau und Wirkungsweise ich hier dokumentieren möchte. Es bekam den Namen Oskar, den Techniker häufig auch als Spitzname für Oszilloskope benutzen. Oszilloskope sind Messgeräte, die auf einem Schirm Schwingungen darstellen können. In der Regel handelt es sich dabei um Wechselspannung, jedoch können auch Gleichspannnungsverläufe visualisiert werden. Im Zeitalter der Bits und Bytes ist Oskar ebenfalls digital und basiert auf einer Messelektronik für Wechsel- und Gleichspannung, dessen Verläufe mit dem mitgelieferten Programm betrachtet werden können. 1.2. Probleme herkömmlicher Schulmesstechnik Als Auslöser für meine sehr praktisch orientierte Arbeit, standen Probleme aus unserem Physikunterricht. Bereiche wie Kosten, Messumfang, Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit sind häufig der Grund, dass es nicht immer möglich ist, Schulversuche vor der Klasse oder im Schülerpraktikum durchzuführen. 3 1. Aufgaben des Projekts Zu diesen Problemen machte ich mir Gedanken und entwickelte ein digitales SpeicherOszilloskop, das speziell an die Messbereiche der Schule angepasst ist. Ich verzichtete bewusst auf unnötige Sonderfunktionen und beachtete stets den Kostenfaktor um einen günstigen Selbstbau sicherzustellen. Das Gerät basiert auf der modernen USB Schnittstelle und ist durch seinen geringen Preis als Mehrfachanschaffung für Schulen ausgelegt. Den Bau und die Wirkungsweise von Oskar, dem digitalem Speicheroszilloskop, möchte ich in den nächsten Kapitel erläutern. 4 2. Das digitale Speicheroszilloskop 2.1. Allgemeiner Weg zur digitalen Datenverarbeitung Ein Messaufbau lässt sich nicht einfach direkt mit dem PC verbinden. Das Wort Datenverarbeitung zeigt bereits, dass hier Messdaten verarbeitet bzw. gewandelt werden müssen. Das folgende Blockschaltbild verdeutlicht die Funktion solcher Geräte. Signal Messwert Wandler A/D Wandler Schnittstelle Treiber Mess Software Ausgabe Abb. 2.1.: Blockschaltbild zur allgemeinen Datenverarbeitung Die Datenverarbeitung teilt sich in zwei Schritte: Die der Hardware, also unserer Elektronik, und die der Software. Ein ankommendes Signal muss in seiner Art erst an den Arbeitsbereich des analog-digital Wandlers angepasst werden. Der Messwertwandler übernimmt diesen Schritt. Der A/D Wandler macht aus dem analogen Signal, z.B. einer Wechselspannung mit 1kHz, ein digitales Signal. Das Bindeglied zwischen Hard- und Software stellen die Computer-Schnittstelle und der Treiber dar. Diese Komponente ermöglicht es der Mess-Software, die Daten des A/D Wandlers abzufragen. Der Anwender bekommt von diesen Schritten nichts mit. Er leitet ein Signal in sein Messgerät und betrachtet die Ergebnisse an seinem Bildschirm. 5 2. Das digitale Speicheroszilloskop 2.2. Die Wahl der Schnittstelle und des A/D Wandlers Bevor man ein Messgerät bauen kann, muss erst einmal die Schnittstelle sowie der A/D Wandler gewählt werden, denn von ihm hängt die Wandlerelektronik und die Software ab. Bei der Schnittstelle entschied ich mich für den USB Port. USB ist die heute am weitesten verbreitete externe Schnittstelle und garantiert eine Nutzung auf allen neuen Computern. Im Gegensatz zu der seriellen Schnittstelle (RS232) hat bereits USB 1.0 eine Datenübertragung von bis zu 12 M sBit was auch die Übertragung von komplexen Datenströmen ermöglicht. Durch die Plug-And-Play Eigenschaft kann ein Gerät im laufenden PC Betrieb angeschlossen werden und wird automatisch vom Betriebsystem erkannt. [Kainka S.13] Einer der wohl größten Vorteile des USB Ports liegt jedoch darin, dass es als erste Schnittstelle Bus Powered‘” ist [Code-Mercenaries S.12]. Dies meint, dass ” angeschlossene Gräte ihre Stromversorgung über die Schnittstelle beziehen können und keine externen Netzteile nutzen müssen. Die Versorgungsspannung liegt bei 5V und ist bis zu 100mA belastbar. Durch eine spezielle Anmeldung beim Betriebssystem liefert der Port sogar bis zu 500mA. Bei steigendem Stromverbrauch reduziert sich jedoch die Versorgungsspannung. Die Grafik 2.2 stellt die Belastungskennlinie dar. [Kainka S.55]. Doch die USB Nutzung bringt auch ein Pro- U/V 5 blem mit sich. Denn im Gegensatz zur seriel4 len und parallelen Schnittstelle gibt es keine 3 direkte Portverbindung mehr, was eine An- 2 steuerung erschwert. Man benötigt spezielle 1 USB Controller, die sich über die Treiber beim 100 200 300 400 500 I/mA Betriebssystem anmelden. Durch diese Enumeration wird eine Bus-Adresse bereitgestellt, Abb. 2.2.: USB Belastungskennlinie über die die Hardware Kommunikation er- folgt. Carsten Meyer stellt in seinem c’t Artikel USB Interfacing” (8/2003, S. 204) ” verschiedene Controller vor. Der IO-Warrior40 würde sich zwar zur Messwerterfassung 6 2. Das digitale Speicheroszilloskop eignen, doch der Preis von 40 Euro pro IC disqualifiziert ihn für mein Projekt. Die Messelektronik die Burkhard Kainka in seinem Buch MSR mit USB” beschreibt, und mit ” dem USB Controller AN2131 und dem 12-Bit A/D Wandler MAX186 arbeitet, kostet sogar weit über 100 Euro. Aufgrund dieser hohe Kosten für herkömmliche Messwerterfassung habe ich einen anderen Weg gewählt und mich für einen I/O USB Controller von C-Media entschieden. Der CM108 ist ein kompakter Audio Chip mit integriertem USB Controller, dessen Produkttyp erst seit wenigen Jahren existiert. 2.3. Der CM108 I/O USB Controller Der CM108 eignet sich hervorragend für eigene Entwicklungen. Das ausführliche Datenblatt gibt Auskünfte über elektrische Eigenschaften, Sonderfunktionen, wie beispielsweise das I 2 S Interface, präsentiert ein Blockschaltbild des Controllers sowie ein Schaltbild einer CM108 USB Soundkarte. Der USB Controller wird über das weitverbreitete HID (Human Interface Device) vom PC angesteuert, dessen Treiber sich laut Hersteller bereits auf Win98SE, ME, XP, 2000, MacOS und Linux befinden. Dies garantiert einen reibungslosen Betrieb. [CMedia S.3] Der einfachste und günstigste Weg den Mikrocontroller zu erhalten, führt über den Kauf einer entsprechenden externen Soundkarte. Ich wählte das Modell DSP 7.1 Skype 3D Gaming” von Xear, ” das beim Auktionshaus Ebay schon ab 7 Euro erhältlich ist. Dieser enorme Preisunterschied zu den eben angesprochenen Modellen, ließ mich auch einige funktionstechnische Abstriche akzeptieren. 7 2. Das digitale Speicheroszilloskop Da der CM108 kein typischer A/D Wandler ist, sondern für den Soundbetrieb konzipiert wurden, liegen hier auch seine technischen Grenzen. Die folgenden Punkte sollen Verständnis für seine Messgrenzen schaffen. 2.3.1. Signalauflösung Die Leistungsfähigkeit eines A/D Wandlern ist allgemein durch die Bit- und die Abtastrate (engl. sampling rate) festlegt. Sie geben Auskunft über die Signalauflösung hinsichtlich der Spannung und der Zeit. Daraus kann die Bandbreite des A/D Wandler berechnet werden. Das Datenblatt hilft hier weiter. Die Bitrate des CM108 liegt bei 16. 16Bit = 216 = 65536. Es können folglich 65536 Spannungswerte unterschieden werden. Bei einer maximalen Eingangsspannung von 0, 124Vef f liegt der kleinste zu unterscheidende Messschritt bei 1, 9µV . Durch die Abtastrate von 48 kS s können maximal 48000 Messungen pro Sekunde durchgeführt werden. Der kleinste Abstand zweier Messugen (samples) beträgt somit 20, 8µs. Bei einer Frequenz von 5kHz sind dies 9 Messungen pro Periode. Um ein Signal grob anzunähern sind etwa 10 Messungen pro Periode nötig. Die zu erfassende Grenzfrequenz liegt somit bei 4, 8kHz. Dieser Wert gibt die Analogbandbreite des Messgerätes an. Die folgenden Tabellen fassen die Ergebnisse noch einmal zusammen. 8 2. Das digitale Speicheroszilloskop Bitrate: Abtastrate: Eingangsspannung: Auflösung: Analogbandbreite: 16 Bit 48 kS s 0, 35 V ss 1, 9 µV S 20, 8 µs S 4, 8 kHz 10 Hz 4800 1 kHz 48 4,8 kHz 10 20 kHz 2,4 S period S period S period S period Hier nun ein Vergleich zu handelsüblichen digitalen Oszilloskopen. Das SDS 200A, das Conrad Elektronik für 849 Euro verkauft, bietet eine Abtastrate von 100 MsS (Realtime). Dies entspricht, bei dem obigen Grundsatz, einer Bandbreite von 10MHz. Der Hersteller wirbt mit 200M Hz, was 0, 5 Messungen pro Periode entspräche. 2.3.2. Der Frequenzerfassungsbereich Der Frequenzerfassungsbereich des CM108 ist für die obere Grenze, wie eben beschrieben, durch die Abtastrate festlegt. Für das Frequenzspektrum gibt der Hersteller im Datenblatt eine Messkurve an (Abb. 2.3) [C-Media S.20]. Wie beim menschlichen Ohr, dem schwer wahrnehmbare Frequenzen leiser erscheinen, ist für die Erfassbarkeit des Signals das Verhältnis der Lautstärke und der Frequenz aufgetragen. Da es sich um einen Audiochip handelt, ist sein Frequenzspektrum an unseren Hörbereich angepasst. Zwischen 20Hz und 4, 8kHz (Analogbandbreite) ist die Signalamplitude nahezu konstant. In der Praxis bedeutet dies, dass die aufgenommenen Amplituden des CM108 den ausgesandten, entsprechen. Meine Versuche ergaben, dass zwischen 5Hz und 20Hz die Amplitude zwar merklich abnimmt, eine Frequenz jedoch noch gut zu bestimmen ist. Diesen Effekt kann man mit einer softwaretechnischen Fehlerkorrektur ausgleichen. 2.3.3. Die Gleichspannungsentkopplung Audiochips sind für die Aufnahme und Wiedergabe von Tönen ausgelegt, weshalb sie nur Wechselspannung verarbeiten können. Um zu verhindern, dass Gleichspannung in 9 2. Das digitale Speicheroszilloskop Frequency Response 48kS/s C -media Digital Recording (32 Ohm Loading) (A -D -P C ) for Line Input Frequency Response +1 +0 -1 d B -2 -3 1 -4 -5 -6 20 50 100 200 500 1 2 5 10 H Color Line Style Thick Date Axis Black Solid 2 Fasttest .Ch .1/2 Ampl! Normalize Left L W -MFreq Resp -4 8 kS/s . 2 Abb. 2.3.: Frequenz Kontinuitätsbereich für die Datenerfassung den Controller kommt, befindet sich an seinem Signaleingang ein Entkopplungskondensator, der die Gleichspannungsanteile des Signals herausfiltert. In einem Versuch habe ich Wechselspannung 0, 35V ss mit 3V Gleichspannunganteil in den CM108 geleitet. Die Temperatur des Chips stieg daraufhin in wenigen Sekunden auf über 50◦ , was zeigt, dass man vermeiden sollte, Gleichspannung direkt verarbeiten zu wollten. Um Gleichspannung dennoch messen zu können, wird ein sogenannter Spannung-Frequenz-Wandler verwendet. Doch dazu später mehr. 2.4. Die Elektronik Der A/D Wandler und die Schnittstelle sind nun gewählt. Ich erläutere nun den Aufbau des Messwandlers. Die Messergebnisse werden wie bei einem analogen Oszilloskop auf einem Schirm mit acht Zeilen (vertikale Divisoren) gezeichnet. Über Drehschalter am V Messgerät lässt sich einstellen, wie viel Volt einer Zeile entsprechen. Die Angabe 20 Div ergibt für die Wechselspannung einen maximalen Spitze-Spitze Wert von 160Vss. Bei der V Gleichspannung liegt die Obergrenze mit 400V in der Messposition 50 Div . Vor dem Bau 10 2. Das digitale Speicheroszilloskop und der Dimensionierung der Schaltung müssen noch die elektrischen Eigenschaften des Controllers ermittelt werden. Der maximale Eingangspegel beträgt 2, 88V ss [C-Media S.20]. Durch die Mixereinstellung in der Soundsteuerung des Computers lässt sich dieser Wert verringern. Eine maximal gewählte Aufnahmelautstärke, die leicht einzustellen ist, lässt den Wert auf 0, 35V ss absinken. Die mit 100mA belastbare USB Versorgungsspannung beträgt 5V . 2.4.1. Der Wechselspannungskanal Bei der Arbeit mit Wechselspannung muss grundsätzlich zwischen Effektiv (Uef f )- und Spitze-Spitzewerten (Uss ) unterschieden werden. Effektivwerte verwendet man, um die Höhe der Spannung anzugeben. Wenn es um Darstellung geht, werden Spitze-Spitze Angaben verwendet, da sich diese direkt vom Oszilloskopschirm ablesen lassen. Bei Sinusschwingungen lauter ihr mathematischer Zusammenhang [Hameg A1]: Uef f = U√ ss 2· 2 Zum Wechselspannungsmesswandler. Das folgende Blockschaltbild soll seine Arbeitsweise veranschaulichen. 0-160Vss Spannungs Teiler Dioden Schutz Impedanz Wandler Signal Verstärker 0-0,35 Vss Abb. 2.4.: Blockschaltbild zum Aufbau des AC Messwandlers Die Signalspannung kann in sechs verschiedenen Messbereichen von 0 − 160V ss verarbeitet werden. Zwei Spannungsteiler reduzieren das Signal auf einen Regelwert von maximal 0, 16V ss. Für den Fall, dass ein Messbereich erheblich überschritten wird, habe ich einen Diodenschutz integriert, der das Signal ableitet. Um die in der Schaltung fließenden Ströme gering zu halten, ist der Spannungsteiler sehr hochohmig gewählt. Der Impedanzwandler ist ein Operationsverstärker mit dem Verstärkungsfaktor 1. Er trennt 11 2. Das digitale Speicheroszilloskop den hochohmigen Eingang vom Ausgang der Schaltung. Der Signalverstärker passt das Signal von 0, 16V ss den 0, 35V ss an. Es wird dann durch den Audiocontroller digitalisiert und am Computerbildschirm angezeigt. AC in C1 R 0,8Vss w n 2,2uF 4Vss 400k 16Vss 1,5M 40Vss 80Vss 3M U1 0,8Vss m ax.158,02Vss U2 0,16Vss m ax.1,98Vss U3 0,35Vss m ax.4,33Vss TL082 R1 80k 1W 1N 4148 3 2 R2 20k 5M TL082 + 5V + 1 5 -5V 6 + 5V + - 7 -5V 5k 160Vss 10M R3 10k R5 6,8k 9,1k R4 R wg Diesen Mechanismus möchte ich nun durch ein paar Rechnungen und das Schaltbild näher erläutern. Das Eingangssignal wird durch den Entkopplungskondensator C1 von möglichen Gleichspannungsanteilen getrennt. Der Grund liegt darin, dass ein gleichspannungsgekoppelter Verstärker viele Probleme mit sich bringt, ohne dass er hier einen Nutzen hätte. Das Signal trifft nun auf den ersten Spannungsteiler, der direkt mit dem sechsstufigen Schalter an der Frontplatte verbunden ist. Jeder Stufe ist ein diskreter Widerstand zugeordnet, die in Reihe zusammengeschaltet werden. Wenn wir beispielsweise die Maximalspannung von 160V ss messen möchten, arbeiten wir in dem Bereich V 20 Div . In der Schaltung ergibt sich so ein Spannungsteiler mit Rwn = 19, 9M Ω und Rwg = 100kΩ. Nach der Kirchhoffschen Regel und dem Ohmschen Gesetz ergeben sich folgende Gleichungen: I= Ue −U1 Rwn = U1 Rg U1 = U1 = 160V ss Ω 1+ 19,9M 0,1M Ω Ue wn 1+ R Rwg (2.1) = 0, 8V ss An U1 fallen in jeder Messstufe maximal 0,8Vss ab. Der zweiten Spannungsteiler arbeitet nach der selben Gleichung: U2 = 0,8V ss 1+ 80kΩ 20kΩ = 0, 16V ss. An U2 liegen demnach 0,16Vss an. 12 2. Das digitale Speicheroszilloskop Die Dioden haben unter diesen Bedin- 550 o Forward Voltage, V R [mV] Ta= 25 C 500 gungen keinen Einfluss auf die Spannung. 450 Sie schützen die Elektronik für den Fall, 400 dass ein Messbereich erheblich überschrit- 350 ten wird, indem der Messbereichsschal- 300 ter auf einer zu kleinen Position steht. 250 Am Extremfall lässt sich der Mechanis1 2 3 5 10 Forward Current, I 20 F 30 50 100 [uA] mus anschaulich zeigen. Wenn man mit Abb. 2.5.: Dioden Charakteristik IN4148 V 0, 1 Div den 0, 8V ss Messbereich wählt, je- doch eine Signalspannung von 160V ss anlegt, würden an U1 , ohne die Dioden, 32V ss auf die Operationsverstärker treffen. Um diese zu schützen sind die Dioden eingebaut. Sie sind antiparallel gegen Masse geschaltet. Ihr Arbeitspunkt liegt auf dem Nullpotential. An der Charakteristik des verwendeten Modells, 1N4148, ist zu erkennen, dass die Dioden bereits ab einer Spannung von 275mV also 778mV ss leiten und dadurch die zu hohe Spannung abführen [FairchildSemiconductor S.2]. Ihre Schaltspannung beträgt 0, 7V , was zur Folge hat, dass an U2 maximal 1, 98V ss abfallen. Es ist sehr wichtig, dass die Flussschwelle der Dioden über dem maximalen Signalwert von 0, 16V ss liegen, da sie sonst die Messergebnisse verfälschen würden. Schottky Dioden wären hier deshalb ungeeignet. Das Signal trifft nun die Operationsverstärker. Ich wählte hierfür den TL082, der sich durch sein geringes Rauschverhalten auszeichnet. Alternativ könnte auch der TL072 verwendet werden. Der Operationsverstärker mit dem Verstärkungsfaktor v = 1 hat die Aufgabe, den sehr hochohmigen Eingang (bis zu 20M Ω) vom Ausgang der Schaltung zu trennen. Da der TL082 zwei integrierte OP-Amplifier besitzt, entschied ich mich die Impedanzwandlung getrennt von der eigentlichen Verstärkung vorzunehmen. Die Spannung trifft nun auf den zweiten Verstärker. Durch das Beschalten des nicht invertierenden Eingangs ergiebt sich für den Verstärkungsfaktor folgende Formel [Pütz S.213]: v= R3 + R4 R4 13 (2.2) 2. Das digitale Speicheroszilloskop Um einen maximalen Ausgangspegel von 0, 35V ss zu erhalten müssen die 0, 16V ss mit 3 dem Faktor 2 16 verstärkt werden. Die Widerstände R3 und R4 sollen zusammen größer als 10kΩ sein, da sonst der Stromfluss im Operationsverstärker zu groß wäre. Bei einer Wahl von R4 = 10kΩ ergibt sich für R3 = R4 (v − 1) = 11, 875kΩ. Um die Verstärkung noch leicht nachzujustieren zu können, nutzt man für R3 eine Reihenschaltung eines 9, 1kΩ Widerstandes und 5kΩ Trimmpotentionmeters, der sich durch seine Spindel sehr genau justieren lässt. Der 6, 2kΩ definiert den Ausgangswiderstand. Durch den Eingangswiderstand des Controllers, erhöhen sich die 6, 2kΩ um 32Ω [C-Media S.20]. Man sollte ihn nicht größer wählen, da sonst das Signal zu stark belastet wird. Kleiner wäre ebenfals von Nachteil, da dieser mit der Eingangskapazität, also mit den Kapazitäten der Kabelleitungen, Widerständen und Dioden der Signalleitung gegen Masse, einen Tiefpass bildet, der die obere Grenzfrequenz des Messverstärkers festlegt. Bei einem Ausgangswiderstand von 6, 232kΩ und einer angestrebten Grenzfrequenz von 10kHz ergibt sich nach folgender Bedingung: C= 1 2·π·f0 ·R = 1 2·π·10kHz·6,232kΩ = 2, 6nF 2,6nF ist folglich als maximale Eingangskapazität möglich. Diese wird deutlich unterschritten. Bei Kabelleitungen von 1m ist dies immer noch unproblematisch. Die folgenden Bilder zeigen die Charakteristik der Schaltung durch ein Vermessen mit einem analogen Oszilloskop von Hameg (HM1005). Durch die angelegte Dreieckspannung lassen sich Signalverzerrungen leichter erkennen. Das Ergebnis zeigt, dass der Messwandler das Signal in einem Bereich weit über den zu erfassenden Grenzen noch sauber angleicht. 14 2. Das digitale Speicheroszilloskop (a) (b) (c) (d) 2.4.2. Der Gleichspannungskanal Wie bereits im Kapitel 2.3.3. erklärt, ist der Soundchip nicht in der Lage Gleichspannung direkt zu verarbeiten. Das Schaltungsprinzip des Gleichspannungskanals wurde deshalb um einen Spannungs-Frequenz-Wandler (engl. voltage frequency converter) erweitert. Die Gleichspannung wird dabei mit einem bestimmten Verhältnis in eine Wechselspannung gewandelt. Durch den Soundchip digitalisiert, rechnet die Software diese in eine Wechselspannung zurück. Dafür wird die Frequenz des Signals ermittelt. Mit dem Verhältnis von 1kHz je vertikalen Divisor wird die Messkurve gezeichnet. Der Arbeitsbereich des VFC ist auf 0 − 8V gelegt, so dass relativ 1V einer Zeile im Messprogramm entspre- 15 2. Das digitale Speicheroszilloskop chen. Der Gebrauch von VFCs ist in der Elektronik ein nützliches Hilfsmittel und wurde auch in Klaus-Dieter Grüningers Soundkarten Experimenten verwendet1 . + D C in R gn 0,8V U1 0,8V m ax.397,7V 800k 3M 1N 4148 16V 6M 10M 80M U2 0,4V m ax.2,3V 220k 4V 40V + 5V R6 1,2M 80V R7 120k 2W TL082 + 10V 3 R8 120k 1N 4148 2 + U3 8V m ax.9,13V TL082 + 10V 5+ 7 6 -10V 19k 1k BAT46 + 10V 10nF Rb 100k 7 5k 12k Rs 2 Ro 6,8k -10V 8 VFC RC 4151 5 1k 1 4 6 U4 0,35Vss 5,1k 3 1 5k Co 100k 0,1uF 10nF + 10V 400V 220k v = 20 R = 200k gg -5V Durch den vielfach höheren Messbereich von 0 − 400V wurde der bereits bekannte Spannungsteiler auf einen Gesamtwiderstand Rgn = 100M Ω erhöht. Dies ist notwendig um die fließenden Ströme und dadurch die Verlustleistungen in kontrollierbaren Größen zu halten. Gehen wir wiederrum von dem Fall einer maximalen Spannungsmessung aus. V Der Messbereich ist mit 50 Div festgelgt und es werden 400V Eingangsspannung ange- legt. Nach der Formel 2.1 aus dem vergangenem Kapitel fallen an U1 0, 8V ab. Hierbei ist zu beachten, dass sich der Widerstand Rgg aus einer Parallelschaltung von R6 und R7 , R8 aufbaut. Der zweite Spannungsteiler halbiert die Spannung auf 0, 4V . Dabei fließt ein Strom von 3, 3µA. Wenn die Schutzdioden nun ebenfalls antiparallel gegen Masse geschaltet wären, würden sie das Signal verfälschen, da nach der Charakteristik (Abb. 2.5), bereits bei 275mV ein Stromfluss von 1µA existiert. Bei einer maximalen Regelspannung von 0,4V würde dies eine Signalverfälschung von 25 % bedeuten. Ich habe deshalb den Arbeitspunkt der Dioden verschoben, und sie über eine Dioden-Widerstands-Kombination auf +5V und −5V gelegt. Sie schalten dadurch bei Spannungen über 2, 3V . Wenn man den Messbereich nun extrem überschreiten sollte und bei 400V Eingangsspannung einen Messbereich von 0,8V wählt, liegt mit 400V ein 500fach zu hohes Signal an U1 . Für die Dauer der Reaktionszeit der Diode von 4ns [Fairchild-Semiconductor S.2] 1 http://www.schule-bw.de/unterricht/faecher/physik/mess/soundkarte 16 2. Das digitale Speicheroszilloskop fließen durch die Widerstände R7 und R8 je 200V . Die Diode schalten nun durch, was zu einem Spannungsabfall von 2, 3V an R3 führt. Am Widerstand R6 und R7 fallen somit 397, 7V ab. Nach der Formel für die elektrische Leistung P = U · I und I = P = U2 R U R folgt: (2.3) Daraus ergibt sich eine Maximalleistung von 130mW an R6 und 1, 3W an R7 . Diese 1, 3W stellen ein Problem dar. Der Spannungsteiler ist exakt berechnet und mit 1% 41 W Metallschichtwiderständen aufgebaut. Metallschichtwiderstände sind mit dieser Genauigkeit für diese Leistung kaum erhältlich. Auf fünf prozentige Kohleschichtwiderstände zurückzugreifen, würde durch höheres Rauschen die Messqualität verschlechtern. Um die benötigte Leistung mit der entsprechenden Genauigkeit und geringem Rauschverhalten zu erhalten, kombinierte ich acht 15kΩ 1% 41 W Metallschichtwiderständen in Reihe und erhielt dadurch eine Gesamtleistung von 2W . Der Praktiker wird bereits bemerkt haben, dass die Widerstände so dimensioniert sind, dass sie leicht beim Elektronikhändler erhältlich sind. 80M Ω setzen sich dabei aus einer Reihenschaltung von acht 10M Ω Widerständen zusammen. Das maximale Regelsignal von 0, 4V wird nun wiederum in seiner Impedanz angepasst und durch den zweiten Operationsverstärker auf 8V verstärkt. Anmerkung: Operationsverstärker sind nicht in der Lage ein Signal über ihre Versorgungsspannung zu verstärken. Beim TL082 liegt die obere Grenze bei 0, 87V unterhalb der Versorgungsspannung. Ich entschied mich dafür, die OP-Amplifier mit einer symetrischen Versorgungsspannung von +/ − 10V zu versorgen. Wie mit Hilfe eines DC-DC Wandlers die USB Spannung an den gewünschten Bereich angepasst wird, erkläre ich im nächsten Kapitel. Am Ausgang des TL082 befinden sich nun maximal 8V und der zweite Anwenderschutz. Falls die Polarität der Eingangsspannung vertauscht wird, läge am VFC eine Spannung von −8V an, die ihn beschädigen würden. Durch die Schottky Diode (BAT46) in Sperrrichtung gegen Masse, erreicht negative Spannung über 0,2V niemals den Spannungs-FrequenzWandler. 17 2. Das digitale Speicheroszilloskop Die Gleichspannung tritt nun in den VFC. Ich wählte das Modell RC4151 von Fairchild, das bereits für weniger als 2 Euro erhältlich ist. Hierbei ist zu beachten, dass es nicht baugleich mit dem XR4141 ist. Bei einem Vergleich der Datenblätter fällt auf, dass der XR4151 mit einem 1µF Kondensator am Beinchen 6 betrieben werden sollte. Beim RC4151 ist es mit 0, 1µF nur 1 . 10 Dies ist entscheidend, da diese Kondensatoren Ein- fluss auf die maximal zu verarbeitende Spannung haben. Bei einem Aufbau nach dem Datenblatt liegt diese Schwelle bei 1V unterhalb der Versorgungsspannung. Ich experimentierte mit verschiedenen Kombinationen, wobei sich diese Grenze nicht verringen ließ. Das Spannungs-Frequenz-Verhältnis ergibt sich aus der folgenden Formel [Fairchild S.4]: f0 = 0, 486 · kHz RS RB · R0 · C0 V (2.4) Den Widerstand RS drückt man durch eine Widerstand-Trimmpotentionmeter-Kombination aus, um eine nachträgliche Feinjustierung vornehmen zu können. Der erwünschte Widerstand RS liegt bei 14kΩ. Das Frequenz-Spannungsverhältnis beträgt: f0 = 0, 486 · 14kΩ 100kΩ·6,8kΩ·10nF ≈ 1 kHz V Die maximal zu bestimmende Frequenz liegt somit bei 8kHz, die mit 6 Messungen pro Periode noch gut zu ermitteln ist. Die untere Grenze der zu bestimmenden Frequenz liegt etwa bei 8Hz. Im kleinsten Messbereich von 0, 8V sind somit minimal 0, 8mV zu bestimmen. Dieser mV Messbereich eignet sich besonders für Ladungsbestimmungen im Physikunterricht. Der Signalausgang des RC4151 befindet sich an Beinchen 3. Durch einen Spannungsteiler zwischen 10V und Masse, lässt sich der Ausgangspegel exakt auf 0, 35V ss regulieren. Die folgenden Fotos der Ausgangsfrequenz zeigen die erzeugte Rechteckspannung des RC4151. Man erkennt, dass die Pulsbreiten, bei niedrigen und hohen Frequenzen, verschieden sind. Dies könnte man zwar mit einem Flipflop ausgleichen, da die Software jedoch nur die Frequenz ermittelt, ist die Pulsbreite ohne Bedeutung. 18 2. Das digitale Speicheroszilloskop (e) (f) (g) (h) 2.4.3. Die Versorgungsspannung Aus den beiden vorausgegangenen Schaltbildern ist ersichtlich, dass die Operationsverstärker mit einer Versorgungsspannung von +/ − 5V und +/ − 10V arbeiten. Der USB Port liefert jedoch nur +5V . Um auf ein externes Netzteil verzichten zu können, setzte ich hier so genannte DC-DC Wandler ein. Diese ICs, die jeweils etwa für 2 Dollar bei dem Chiphersteller Maxim erhältlich sind, sind in der Lage Eingangsspannung zu verdoppeln und zu invertieren. Die einzelnen Modelle unterscheiden sich durch ihre Arbeitsbereiche und den maximalen Ausgangstrom. Wie der USB Port, haben auch sie die Eigenschaft bei steigendem Stromfluss ihre Ausgangsspannung zu reduzieren (voltage drop). Ich ver- 19 2. Das digitale Speicheroszilloskop + 5V U SB + 10V 3 8 + + 2 M AX + 0,1uF 660 6 100uF 100uF 4 5 8 2 M AX 1044 4 5 3 + -10V + + 0.1uF 8 2 + M AX 4 1044 3 5 10uF 10uF 10uF - 5 V + 10uF Abb. 2.6.: Schaltbild der Spannungsversorgung wendete deshalb zwei verschiedene Modelle. Der MAX660 ist für die Spannungsverdopplung auf 10V verantwortlich. Der MAX1044 invertiert einmal auf −10V und −5V . Die Beschaltung der ICs ist ihren Datenblättern zu entnehmen, die der Hersteller auf seiner Internetseite zum download bereitstellt. Der MAX660 hat für die Funktion der Span- 1.2 OUTPUT VOLTAGE DROP FROM SUPPLY (V) 2 1.0 nungsverdopplung einen Arbeitsbereich von 1, 5V − V+ = 1.5V V+ = 2.5V 0.8 0.6 V+ = 3.5V 5, 5V und kann einen maximal Ausgangstrom von 100mA liefern [Maxim MAX660 S.2]. Durch den Gleichspannungskanal, wird er mit 12, 4mA− 0.4 V+ = 4.5V 0.2 V+ = 5.5V verbrauchs liegt die Ausgangsspannung nur bei 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 12, 9mA belastet. Trotz dieses nur geringen Strom- 100 90 LOAD CURRENT (mA) 9, 91V . Dieser Spannungsabfall von 90mV zeigt sich auch an der Charakteristik im Datenblatt Abb. 2.7.: Charakteristik MAX660 [Maxim MAX660 S.3]. Der MAX1044, der dem vergleichbaren ICL7660 vorzuziehen ist, wird für die Spannungsinvertierung verwendet. Sein Arbeitsbereich liegt zwischen 1, 5V und 10, 0V und ist mit maximal 40mA belastbar, wobei er durch den hohen Spannungsabfall nur bis 20mA belastet werden sollte [Maxim MAX1044 S.3]. Da der MAX1044 jeweils nur einen Operationsverstärker versorgt, liegt der Stromfluss bei 3, 5mA. Die beiden Auszüge aus 2 http://www.maxim-ic.com 20 2. Das digitale Speicheroszilloskop -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 A A: MAX1044 with BOOST = V+ B: ICL7660 C: MAX1044 with BOOST = OPEN -2.0 -1.0 0 0 A 5 10 560 480 C V+ = 5V LV = OPEN OUTPUT RIPPLE 15 400 320 B -0.5 -9 640 B C -1.5 -10 720 20 25 30 35 240 -8 A: MAX1044 BOOST = B: ICL7660 C: MAX1044 BOOST = -7 -6 -5 700 B 630 C 560 with V+ 490 420 with OPEN 350 280 -4 OUTPUT RIPPLE -3 160 -2 80 -1 0 0 40 A OUTPUT VOLTAGE OUTPUT RIPPLE (mVp-p) OUTPUT VOLTAGE (V) -4.5 800 OUTPUT VOLTAGE (V) OUTPUT VOLTAGE OUTPUT RIPPLE (mVp-p) -5.0 C V+ = 10V LV = OPEN B 5 10 140 70 A 0 210 15 20 25 30 35 0 40 LOAD CURRENT (mA) LOAD CURRENT (mA) Abb. 2.8.: Charakteristik MAX1044 dem Datenblatt zeigen diesen voltage drop”. Es handelt sich um die Kennlinie C mit ” open boost. Ihre Ausgangsspannung liegt bei −4, 86V und −9, 77V . Eine Verringerung des voltage drop ist durch die boost Funktion zu erreichen. Dafür müssen nur Pin 1 und Pin 8 des ICs verbunden werden. Ich verzichtete jedoch auf sie, da sich dadurch der Stromverbrauch des DC-DC Wandlers von 0,1mA auf 0,9mA erhöht. Die exakte Größe der Ausgangsspannung ist von der Versorgungsspannung des USB Port abhänig, die wiederum von den angeschlossenen Verbrauchern (Scanner, Drucker, Tastatur, Oskar) abhängt. Um die 8V am Eingang des VFC verarbeiten zu können, muss dessen Stromversorgung größer als 9V sein. Dies wird noch mit einer USB Versorgungsspannung von 4, 6V erreicht. Dieser Wert entspricht nach der USB Belastungskennline [Abb: 2.2] einem Stromverbrauch von 400mA. Es gibt also ausreichend Reserven für einen reibungsloses Messbetrieb. Da die DC-DC Wandler intern mit einem Oszillator im kHz Bereich arbeiten, ist eine Spannungssiebung, wegen der Operationsverstärker, unbedingt notwendig. Sie wird durch den 0, 1µF Kondensator am Spannungseingang und den 10µF Kondensator am Ausgang erreicht. Da die Arbeitsfrequenz der Maxim ICs bei zu geringem Abstand zu den Operationsverstärkern diese dennoch leicht beeinflusst, habe ich sie räumlich von den OP-Amplifiern getrennt, was ein hervorragendes Ergebnis brachte. 21 2. Das digitale Speicheroszilloskop 2.4.4. Der Schaltungsaufbau Für einen eigenen Aufbau der Elektronik sollte man sich an den Fotos im Anhang orientieren, da dem Endprodukt eine lange Planungsphase vorging. Dies bezieht sich sowohl auf die Anordnung der Bauteile und Leitungsverbindungen wie auch auf die Bedienelemente. Dabei müssen Befestigungsmöglichkeiten und ein guter Wartungsaufbau berücksichtigt werden. Die Entwicklung der Elektronik vollzog ich über ein Steckbrett. Dadurch lassen sich rasch Schaltungsänderungen vornehmen. Ich nutze dabei handelsübliche Bauelemente die der Bestückungsliste zu entnehmen sind. Es ist dabei darauf zu achten, dass die Bauteile für die jeweiligen Spannungen und Leistungen ausgelegt sind. Dies betrifft vor allem den Entkopplungskondensator C1 und die Spannungsteiler. Es sollten ausschließlich Metallschichtwiderstände genutzt werden, da diese ein deutlich geringeres Rauschverhalten als Kohleschichtwiderstände aufweisen. Bislang entstanden zwei Exemplare von Oskar. Als Leiterplatte ist transparentes Epoxyd sehr zu empfehlen. Diese sind einmal robuster als Hartpapier und durch Gegenlicht lassen sich Lötsteller leichter überprüfen. Um Modifikationen leichter vornehmen zu können verzichtete ich bislang darauf, Platinen zu ätzen. Bei Mehrfachproduktionen wird jedoch darauf zurückgegriffen werden. Bei der Wahl des Gehäuse wurde Kunststoff verwendet, da sich diese leichter bearbeiten lassen. Die Frontplatte wurde am PC entworfen und über eine Klebefolie am Gehäuse angebracht. Um sie gegen Stöße und Feuchtigkeit zu schützen, lackierte ich sie mehrfach. Die Löcher für Schalter und Buchsen wurden gefräst. Mit einigem Geschick ist jedoch auch bohren möglich. Bei den Drehschaltern handelt es sich um ein Modell mit sechs Stufen auf zwei Ebenen, von denen jeweils nur eine Ebene verwendet wird. Aus fertigungstechnischen Gründen rate ich von einem kleineren Modell ab. Wie auch beim analogen Oszilloskop erfolgt der Anschluss der Wechselspannung über eine BNC Buchse. Die Gleichspannung läuft über zwei Bananen Buchsen, deren Abstand dem Rastermaß der Bauelemente aus den Physiksammlungen entsprechen. Um die Gleich- und Wechselspannung voneinander 22 2. Das digitale Speicheroszilloskop zu trennen, liegt in der Mitte der Frontplatte ein Kippschalter der in die gewünschte Messrichtung zu bringen ist. Die Funktions LED darüber wird direkt über den Mikrokontroller gesteuert. Sobald Oskar vom Betriebsystem erkannt wird, leuchtet diese LED. Wenn eine Spannungsmessung gestartet wird, beginnt sie zu blinken. Ihre Regelung erfolgt über Pin 12 des CM108. Da der Chip 3, 25V und 8mA liefert, verwendete ich eine 20mA LED mit 160kΩ Vorwiderstand. [C-Media S.3]. Eine einfache Wartung des Gerätes wird durch die verwendeten Stecksysteme gewährleistet. So lässt sich die Elektronik mit ihren 23 Gehäuseverbindungen schnell ausbauen und durch eine andere Platine ersetzten. 2.5. Die Software Der prakitsche Bauabschnitt ist nun abgeschlossen. Bevor man die Messergebnisse am Bildschirm betrachten kann, braucht man noch die nötige Software. Durch die leichte Reproduzierbarkeit von Programmen, finden sich im Internet zahlreiche Anwendungen, zur Wechselspannungsdarstellung für die Soundkarte. Sowohl für Linux als auch Windows stehen Open-Source-Projekte zur Verfügung. Der einfachste Weg führt anfangs über eine Audioschnittsoftware wie Audacity. Dieses kostenlose Programm zeichnet die Daten am Audioeingang solange auf, bis die Festplatte voll ist. Mithilfe dieser doch recht einfache Methode kann Oskar sofort als Speicheroszilloskop genutzt werden. Meine ersten eigenen Softwareversionen basierten auf dem C Programm Xoscope für Linux.3 . Die Ansteuerung der Soundkarte erfolgte direkt über das /dev/dsp Device. Durch seine Oberfläche und die umfangreichen Triggerfunktionen verhält sich das Xoscope wie ein richtiges Oszilloskop. Für die Gleichspannungsmessung müssen statt der Schwingungen nur die Frequenzwerte aufgetragen werden. Durch dieses einfache Prinzip ist die Softwareumgebung ein ideales Arbeitsgebiet für den Informatikunterricht an Schulen. 3 http://xoscope.sourceforge.net 23 2. Das digitale Speicheroszilloskop Da an unserer Schule jedoch ausschließlich Windowscomputer verwendet werden, entstand auch für Oskar eine entsprechende Umgebung. Die Programmiersprache die sich hierfür besonders eignet, ist Delphi. Durch das Taudio Paket von John Mertus ist ein einfacher Zugriff auf die Soundkarten möglich. Innherhalb kürzester Zeit können eigene Messanwendungen geschrieben werden. Für das Programm, dass meiner Arbeit beigelegt ist, bediente ich mich zweier Delphi Projekte. An dieser Stelle möchte ich mich bei Herrn Klaus-Dieter Grüninger, dem Fachbetreuer für Physik am Landesbildungsserver Baden Württemberg4 und Herrn Gary Darby5 , auf deren Soundkarten Projekten, diese Messsoftware basiert, bedanken. Der Programmcode von Oskar ist deshalb ebenfalls öffentlich und kann beliebig erweitert werden. Nützliche Informationen für die Programmierung von Soundkarten unter Delphi können der Präsentation von Herr Klaus J. Koch von der Universität Marburg entnommen werden6 . 2.5.1. Der Aufbau der Messsoftware Das Programm greift bei einem Messbeginn auf den Mikrofon-Eingang der USB Soundkarte zu. Es setzt dabei den Aufnahmepegel maximal und stellt alle anderen Eingänge lautlos. Dies wird durch die TAudio Mixer Pakete erreicht. Bei einer Wechselspannungsmessung wird das aufgenommene Signal direkt ausgegeben. Über die vertikalen Divisoren und der am Messgerät eingestellten Messstufen lässt sich die aktuelle Höhe der Signalspannung bestimmen. Der folgende Programmauszug zeichnet die Werte auf den Bildschirm. Image1 . Canvas . MoveTo ( x , round ( ( Image1 . Height /2))+ PBuffer \ ˆ [ i ] div 2 5 6 ) ; while i < N do begin Image1 . Canvas . LineTo ( x , round ( ( Image1 . Height /2))+ PBuffer \ ˆ [ i ] div 1 6 3 ) ; inc ( i ) ; 1 2 3 4 5 6 7 4 http://www.schule-bw.de/unterricht/faecher/physik/mess/soundkarte/uf verlauf.htm http://www.delphiforfun.org/Programs/oscilloscope.htm 6 http://www.schule-bw.de/unterricht/faecher/physik/mess/soundkarte/soundkarte%20delphi.ppt 5 24 2. Das digitale Speicheroszilloskop 8 9 10 inc ( x ) ; end ; R e s u l t := TRUE; Über den Wert div 163 lässt sich dabei die Amplitude verändern. Die zeitliche Skalierung erfolgt die Variable i. Eine Feinabstimmung mit einem analogen Oszilloskop erfolgt über den 5kΩ Potentiometer am Operationsverstärker. Für die Gleichspannungsmessung wird die Frequenz des eingespeisten Rechtecksignals ermittelt. Jeder vertikale Divisor entspricht dabei einer Frequenz von 1kHz. Die Feinabstimmung erfolgt über den 5kΩ Potentiometer im Funktionswiderstand RS am RC4151. 2.6. Eigene Messdurchführungen Um neben der Entwicklungstheorie und dem praktischen Aufbau auch die Funktion von Oskar zu zeigen, führe ich zwei Messungen aus unserem Physikunterricht durch. Um das Messgerät nutzen zu können schließt man es einfach über das beigelegt USB Kabel am PC an. Bei einem Messbetrieb mit Win98 werden die HID Treiber benötigt, die sich auf der mitgelieferten CD befinden. Das Gerät wird automatisch vom Betriebsystem erkannt. Zur Kontrolle leuchtet eine rote LED in der Mitte des Frontplatine. Über den Kippschalter wählt man, ob Gleich- oder Wechselspannungsmessungen durchgeführt werden sollten. Die Messsoftware befindet sich ebenfals auf der CD. Ein Doppelklick auf das Programm genügt. 2.6.1. Vermessen eines Schwingkreises Um den Wechselspannungskanal zu testen, eignet sich das Vermessen eines elektrischen Schwingkreises. Eine Parallelschaltung einer Spule mit 600 Windungen und einem Kondensator mit 1µF werden dafür mit einer Gleichspannungsquelle verbunden. Spulen mit 25 2. Das digitale Speicheroszilloskop niedrigen Windungszahlen aus den Physiksammlungen der Schulen, haben den Vorteil, dass ihr eigener Widerstand geringer ist und der Schwingkreis dadurch weniger gedämpft wird. Über einen BNC-Bananen-Buchsen-Adapter schließt man nun den Aufbau an den Wechselspannungskanal. Bei einer Versorgungsspannung von 40V nutzt man einen MessV bereich von 10 Div . Durch den Kippschalter wird nun noch der AC Kanal gewählt. Die Messung wird mit einem Klick auf den Messbutton gestartet. Zur Kontrolle fängt die rote LED in der Frontplatte zu blinken an. Eine exponentialer Abfall einer periodischen Sinuswelle erscheint auf dem Bildschirm. 2.6.2. Messung der Kondensator Entladekurve Auch die charakteristische Entladekurve eines Kondensators ist mit wenigen Handgriffen visualisierbar. Um sie zu bestimmen, verbindet man ein 16V Netzgerät über Laborstecker direkt mit dem Gleichspannungskanal. In diesen steckte man dann einen 1µF Kondensator. Der Kippschalter wird nun auf DC gestellt und ein V Messbereich von 2 Div wird gewählt. Die Messung kann gestartet werden werden. 100 Messungen mit einem Abstand von 200ms genügen. Wenn man nun das Netzteil ein und wieder ausschaltet, erhält man eine exponential abfallende Entladekurve. 2.7. Oskar, das Oszilloskop für Schulen Durch die Projekterläuterung aus den vergangenen Kapiteln, wird ersichtlich, dass es sich bei Oskar um ein USB Oszilloskop handelt, das optimal an die Bedürfnisse der Schule angepasst ist. In Zeiten, in denen der Schuletat keine kostenintensiven Neuanschaffun- 26 2. Das digitale Speicheroszilloskop gen zulässt, kann mit Oskar schnell gutes Messequipment geschaffen werden. Mit einiger Löterfahrung kann man sich mit dem hier vorliegendem Bauplan für weniger als 80 Euro ein funktionsfähiges Oszilloskop bauen. Durch den offenen Programmcode handelt es sich bei Oskar nicht nur um ein Messgerät, sondern um eine ganze Entwicklungsumgebung. Eigene Veränderungen können selbst einprogrammiert werden. Es eignet sich daher als Basis für weitere Schulprojekte. Ein Blick auf die Frontplatte verrät, dass es sich um Oskar I handelt. Mit der hier vorgestellten Elektronik ließe sich ebenfalls ein Zweikanal-Wechselspannungs-Oszilloskop realisieren. Indem man das Schaltbild für die Gleichspannungsmessung doppelt aufbaut, erhält man ein Zweikanal-GleichspannungsMessgerät. Die Varianten sind vielfältig. Die Produktpalette der kompakten USB Audio Controller wurde durch C-Media erst im Jahr 2004 eingeleitet. Neue Modelle mit Samplingraten über 48kHz können die Bandbreite von Oskar rasch um das fünffache erhöhen. Es zeigt sich auch hier, dass das Projekt sehr universell und flexibel konzipiert wurde. Es ist wohl nur eine Frage der Zeit, bis es auch an unserer Schule zu finden ist. 27 A. Anhang A.1. Bildergalerie 28 A. Anhang 29 A. Anhang 30 A. Anhang A.2. Schaltbild + 5V U SB + 10V 3 8 + + 2 M AX 0,1uF 660 6 100uF 100uF 4 5 + 8 2 M AX 1044 4 5 3 + -10V + + 0.1uF 8 2 + M AX 4 1044 3 5 C1 10uF 10uF -5V + AC in 10uF 10uF R 0,8Vss w n 2,2uF 4Vss 400k 16Vss 1,5M 40Vss TL082 R1 80k 1W 3M 80Vss 3 2 R2 20k 5M TL082 + 5V 1N 4148 + 1 5 -5V 6 + 5V + - 7 -5V 5k 160Vss 10M R5 6,8k R3 10k 9,1k R4 R wg + D C in R gn TL082 800k 3M 1N 4148 16V 6M 80M 40V + 10V 5+ 7 6 -10V 19k 220k 4V 10M + 10V + 5V 0,8V R6 1,2M 80V R7 120k 2W TL082 + 10V 3 R8 120k 1N 4148 2 + 1k BAT46 7 5k 12k Rs 2 Ro 6,8k 1 -10V + 10V 220k v = 20 -5V 31 4 8 VFC RC 4151 5 1k 400V R = 200k gg 10nF Rb 100k 6 5,1k 3 1 Co 100k 0,1uF 10nF 5k A. Anhang A.3. Bauteilliste Produkt Gehäuse STRAPUBOX Schalter 6 Stufen 2 Ebenen Kippschalter Drehknopf BNC Einbaubuchse Banenen Einbaubuchse rot/blau Stiftleiste RM 2,54 - vergoldet Buchsenleiste RM 2,54 Platine Epoxyd RM 2,54 OP-Verstärker TL082 VFC RC4151 Schaltdiode 1N4148 Schottkydiode BAT46 LED 3mm 20mA rot Kondensator 10nF Kondesator 0,1µF Elektrolyt-Kondensator 10µF Elektrolyt-Kondensator 100µF Folien-Kondensator 2,2µF 400V DC Trimmpotentiometer 5kΩ Metallschicht 1% 1/4W 1kΩ Metallschicht 1% 1/4W 5,1kΩ Metallschicht 1% 1/4W 6,8kΩ Metallschicht 1% 1/4W 9,8kΩ Metallschicht 1% 1/4W 12kΩ Metallschicht 1% 1/4W 15kΩ Metallschicht 1% 1/4W 18kΩ Metallschicht 1% 1/4W 20kΩ Metallschicht 1% 1/4W 100kΩ Metallschicht 1% 1/4W 120kΩ Metallschicht 1% 1/4W 200kΩ Metallschicht 1% 1/4W 220kΩ Metallschicht 1% 1/4W 680kΩ Metallschicht 1% 1/4W 750kΩ Metallschicht 1% 1/4W 1MΩ Metallschicht 1% 1/4W 1,2MΩ Metallschicht 1% 1/4W 4,7MΩ Metallschicht 1% 1/4W 10MΩ Händler Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad Conrad 32 Preis 7,29 2,95 1,99 1,99 1,86 0,49 0,36 1,19 4,69 0,59 2,05 0,06 0,46 0,21 0,57 0,57 0,19 0,21 1,77 1,25 0,11 0,11 0,11 0,11 0,11 0,11 0,11 0,11 0,11 0,11 0,11 0,11 0,11 0,11 0,11 0,11 0,11 0,11 Zahl 1 2 1 2 1 2 2 1 1 2 1 4 1 3 2 3 4 2 1 3 4 1 1 1 1 8 1 5 2 2 2 2 1 2 6 2 1 14 A. Anhang Produkt USB Soundkarte CM108 USB A Buchse USB B Buchse DC-DC Wandler MAX660 DC-DC Wandler MAX1044 USB-Anschlusskabel A/B Stecker Produkt Bauteile gesamt Versandkosten alluneed Versandkosten Conrad Versandkosten CSD Versandkosten Maxim Versandkosten Pollin Gesamtkosten Händler alluneed CSD CSD Maxim Maxim Pollin Preis 63,22 4,90 4,95 2,10 frei 4,50 79,67 33 Preis 7,90 0,26 0,36 2,95 1,19 0,50 Zahl 1 1 1 1 2 1 Literaturverzeichnis C-Media: CM108 High Integrated USB I/O Controller Data Sheet. 29.10.2003 hURL: http://www.cmedia.com.tw/doc/CM108\%20DataSheet\%20v1.3.pdfi Code-Mercenaries: Generic universal I/O Controller. Rev. 1.0.5; 3/04 hURL: http: //www.codemercs.com/Downloads/SDK.zipi Fairchild: RC4151 Data Sheet. hURL: http://pdf.alldatasheet.com/ datasheet-pdf/view/87731/FAIRCHILD/RC4151.htmli Fairchild-Semiconductor: 1N4148 Data Sheet. Rev B; 2002 hURL: http://www. ortodoxism.ro/datasheets/fairchild/1N4148.pdfi Hameg: Manual Oscilloscope HM1005. Kainka, Burkhard: Messen, Steuern und Regeln mit USB. Franzis Verlag, 2000 Maxim: MAX660 Data Sheet. Rev 1; 7/94 hURL: http://pdfserv.maxim-ic.com/ en/ds/MAX660.pdfi Maxim: MAX660 Data Sheet. Rev 2; 9/96 hURL: http://pdfserv.maxim-ic.com/ en/ds/MAX660.pdfi Pütz, Jean: Experimente: Elektronik. vgs Köln, 1983 34
