2. Oszilloskop und Funktionsgenerator - fk-wind
Werbung
Laborversuch Elektrotechnik I Versuch 2: Oszilloskop und Funktionsg. Hochschule Bremerhaven Prof. Dr. Oliver Zielinski / Hans Stross Versuchsprotokoll Datum: Teilnehmer: Name: 1. 2. 3. 4. Testat Matrikelnummer: 2. Oszilloskop und Funktionsgenerator Das Oszilloskop macht den Verlauf einer Spannung auf einer Bildröhre (Elektronenstrahloszilloskop) oder auf einem LC-Display sichtbar. Zur Erläuterung des Funktionsprinzips soll das betagte Elektronenstrahloszilloskop dienen. Die Bedienung moderner Oszilloskope unterscheidet sich jedoch nicht wesentlich von einem Elektronenstrahloszilloskop. Bild 2.1: Modernes Oszilloskop mit Farb-LC-Display (Tektronix Inc., hier TDS 2014) Ein Funktionsgenerator ist ein Gerät zum Erzeugen elektrischer Schwingungen mit unterschiedlichen Kurvenformen, insbesondere Sinus, Rechteck, Dreieck und Sägezahn, mit einstellbarer Frequenz und Amplitude. Er dient zum Überprüfen von elektronischen Schaltungen und Filtern. ETT1 – Labor, Versuch 2: Oszilloskop und Funktionsgenerator Seite 1 2.1 Analog-Oszilloskop Das Funktionsprinzip zeigt Bild 2.1. In einem Strahlerzeugungssystem wird mit Hilfe einer Glühkathode (beheizt) und einem elektrischen Feld ein Elektronenstrahl erzeugt. Die Beschleunigung der Elektronen im elektrischen Feld erfolgt mit dem so genannten Wehnelt-Zylinder. Zusätzlich sorgen Fokussierungselektroden für die exakte Bündelung des Elektronenstrahls. Oszilloskope haben in der Regel zwei getrennte Regler für die Intensität des Strahls (=Beschleunigungsspannung) und die Fokussierung (Fokus). Stellen Sie die Intensität immer nur so ein, dass der Elektronenstrahl gut auf dem Schirm sichtbar ist. Eine zu hohe Intensität, insbesondere bei langsamer Ablenkgeschwindigkeit, zerstört die Fluoreszenzschicht der Bildröhre! Die Ablenkung des Strahls erfolgt durch zwei senkrecht aufeinander stehenden elektrischen Feldern, die durch Plattenkondensatoren erzeugt werden. Die Ablenkplatten für x- und y- Richtung in Verbindung mit den Ablenkspannungen an diesen Platten sorgen für die Position des Elektronenstrahls auf der Bildröhre. Bild 2.2: Blockschaltbild eines Elektronenstrahl-Oszilloskops (Umschalter sind in der gebräuchlichsten Stellung gezeichnet) ETT1 – Labor, Versuch 2: Oszilloskop und Funktionsgenerator Seite 2 Trifft der Elektronenstrahl auf die Phosphorschicht auf der Bildröhre, so wird an dieser Stelle durch Fluoreszenz Licht emittiert, was als Lichtpunkt sichtbar ist. Die geringe Trägheit des Elektronenstrahls ermöglicht es, auch extrem schnelle Vorgänge (bis in den GHz-Bereich) sichtbar zu machen. Die Ablenkempfindlichkeit des Elektronenstrahls auf der Bildröhre bezogen auf die Ablenkspannung beträgt ca. 0.5mm/V. Da die Bildröhre eine Ausdehnung von ca. 10cm aufweist, werden Spannungen an den Ablenkplatten von etwa 200V benötigt. Da die zu messenden Spannungen jedoch oft deutlich kleiner sind, werden für die x- und y-Ablenkung Verstärker benötigt. Diese Verstärker weisen einstellbare Verstärkungen auf (zumindest in y-Richtung), um Spannungen in einem großen Bereich messen zu können. Diese Verstärker sind sehr hochwertig, um im gesamten Frequenzbereich des Oszilloskops gleiche Verstärkung zu gewährleisten. Billige Oszilloskope messen bis ca. 20MHz; hochwertige Oszilloskope erlauben Messungen im GHz-Bereich. Die Bandbreite gibt die maximale Frequenz an, die mit einem Oszilloskop noch fehlerfrei gemessen werden kann. Die zu messende Spannung wird über den y-Verstärker auf die vertikale Ablenkung geschaltet. Die Mess-Spannung führt somit zu einer vertikalen Auslenkung des Leuchtpunktes auf der Bildröhre. Triggerung Um die Mess-Spannung als Funktion der Zeit darstellen zu können, wird eine Spannung in x-Richtung auf den x-Verstärker gegeben, bei der Amplitude und Zeit linear miteinander verknüpft sind. Diese Funktion ist der Sägezahn (Bild 2.3). Bild 2.3: Sägezahnsignal Mit einer Periode der Sägezahnspannung wird der Strahl einmal in x-Richtung über den Bildschirm geführt. Um ein “stehendes” Bild zu erhalten, beginnt der Sägezahn mit stets dem gleichen Punkt der zu messenden Spannung. Triggerung ist also die Synchronisation der Ablenkspannung Ux mit der zu messenden Spannung Uy. Der “Triggerpunkt” kann manuell eingestellt werden oder das Oszilloskop ermittelt den Punkt automatisch. In den meisten Fällen kann mit automatischer Triggerung gearbeitet werden. Eine manuelle Triggerung ist vorteilhaft bei gestörten Signalen oder Geräten minderer Qualität. ETT1 – Labor, Versuch 2: Oszilloskop und Funktionsgenerator Seite 3 2.2 Digitalspeicher-Oszilloskop Die Digitalspeicher Oszilloskope bilden die “nächste Generation” von Oszilloskopen, welche die analogen Oszilloskope inzwischen weitgehend verdrängt haben. Dies wurde ermöglicht durch die Preisentwicklung leistungsfähiger digitaler Komponenten. Der wesentliche Unterschied zwischen analogen und digitalen Oszilloskopen ist die Trennung zwischen Datenerfassung in Halbleiterspeichern und der Anzeige auf einem Monitor beim Digitalspeicher-Oszilloskop. Ein Digitalspeicher-Oszilloskop weist gegenüber dem analogen Oszilloskop folgende Vorteile auf: § Es lassen sich nicht nur periodische Signale messen, sondern auch einmalige Ereignisse messen (Single-Shot). § Da keine Elektronenstrahl-Bildröhre mehr benötigt wird, können auf dem Display die einzelnen Kurven in der Regel farbig dargestellt werden. § Die erfassten Daten lassen sich auf einen PC zur weiteren Analyse übertragen. § Durch die digitale Speicherung kann die Signaldarstellung vom Triggerpunkt weitgehend entkoppelt dargestellt werden. § Durch Menüführung ist die Bedienung intuitiver als bei der Vielzahl von Tasten und Reglern an analogen Oszilloskopen. § Die integrierte digitale Signalverarbeitung der gespeicherten Daten macht eine Reihe von Messgeräten überflüssig (Frequenzzähler, Effektivwertmessung, Scheitelwertmessung, Frequenzanalysator/FFT etc.). Allerdings unterliegen DSOs aufgrund der zeitdiskreten Signalerfassung den Einschränkungen der digitalen Signalverarbeitung. Prinzipbedingt können nur Signale fehlerfrei erfasst werden, die keine Frequenzen oberhalb der halben Abtastfrequenz enthalten (Abtast- oder Nyquist-Theorem). Bei den im Labor eingesetzten DSOs beträgt die Abtastfrequenzmaximal 1 GSamples / s (109=1 Milliarde Messungen pro Sekunde). Damit dürfen die zu messenden Signale keine Frequenzen oberhalb von 500 MHz enthalten. Diese DSOs können allerdings nur Signale bis ca. 100MHz präzise darstellen. DC- und AC-Messungen Die Abkürzungen DC und AC bedeuten direct current (Gleichstrom) bzw. alternating current (Wechselstrom). Die normale Einstellung ist DC, das bedeutet, das Oszilloskop zeigt die Eingangsspannung unverfälscht an. In der Stellung AC wird das Eingangssignal über ein Hochpassfilter mit sehr niedriger Grenzfrequenz geführt, d.h. es wird ein Gleichanteil in der Mess-Spannung entfernt. Auf diese Weise lassen sich Wechselspannungen messen, die einer Gleichspannung überlagert sind (z.B. Welligkeit auf einer Spannung aus einer Gleichspannungsquelle). Die Einstellung DC bedeutet also nicht, dass in diesem Bereich Gleichspannungen gemessen werden sollen (das wäre mit einem Oszilloskop auch recht sinnlos), sondern dass in dem angezeigten Signal ein eventueller DC-Anteil angezeigt wird. ETT1 – Labor, Versuch 2: Oszilloskop und Funktionsgenerator Seite 4 Alle Oszilloskope haben darüber hinaus eine Gnd-Einstellung (ground), bei der der Eingang des Spannungsverstärkers auf 0V gelegt wird. Dies kann zur vertikalen Justierung des Strahls genutzt werden. 2.3 Hinweise zum Arbeiten mit Oszilloskopen § Verwenden Sie möglichst 10:1Tastköpfe (Messspitzen). Nur auf diese Weise können Sie mit maximaler Bandbreite messen. Denke Sie daran den verwedeten Tastkopf auch auf dem Oszilloskop einzustellen. § Verwenden Sie immer eine Masseverbindung. Die Masse muss sich auf dem Potenzial des Schutzleiters befinden oder vollkommen potenzialfrei sein. Durch die Masseverbindung mit dem Oszilloskop wird das Messobjekt mit dem Schutzleiter verbunden. § Alle Kanäle messen bezüglich des gleichen Massepotenzials. § Die Grundeinstellung bei der Triggerung ist AUTO, DC. § Das Oszilloskop darf ausschließlich zur Messung niedriger Spannungen eingesetzt werden (<40V). Größere Spannungen dürfen nur mit speziellen Tastköpfen gemessen werden. 2.4 Fragen zum Oszilloskop Ø Erläutern Sie das Funktionsprinzips des Oszilloskops mit eigenen Worten. Ø Was versteht man unter Triggerung? Ø Was bedeuten “automatische” und “manuelle” Triggerung? Ø Wozu wird das Sägezahnsignal benötigt? Ø Was versteht man unter dem Abtast-Theorem? 2.5 Messung mit Oszilloskop und Funktionsgenerator In den folgenden Oszillogrammen ist, neben den aufgabenspezifischen Antworten, folgendes anzugeben: x- Ablenkung in ....... s/ DIV Eingang: AC / DC Nulllinie y- Ablenkung in ....... V/DIV Triggerung: AT / manuell, int. / ext., + / ggfs.: externe x-Ablenkung, u.ä. ETT1 – Labor, Versuch 2: Oszilloskop und Funktionsgenerator Seite 5 1. Messung einer Wechselspannung (u(t) wird vorgegeben) Triggerung: u2 V cm ......................................... Eingang: ......................................... u1 Û = ..7,5 V..... Ueff= ........... V cm T = ............. f = ....66 Hz.... s cm 2. Messung eines Rechtecksignals t (u(t) wird vorgegeben) Triggerung: u2 V cm ......................................... Eingang: ......................................... u1 Û = ..5,0 V...... Ueff= ........... V cm T = ............. f = ....660 Hz.... s cm 3. Messung eines Dreiecksignals t (u(t) wird vorgegeben) Triggerung: u2 V cm ......................................... Eingang: ......................................... u1 Û = ..0,7 V... Ueff= ............ V cm T = ............. f = ....2 Hz..... s cm t ETT1 – Labor, Versuch 2: Oszilloskop und Funktionsgenerator Seite 6 4. Messen an einer Gleichrichterschaltung 5V 50Hz Bauen Sie die nebenstehende Schaltung (R=68 kO, C=10µF Achtung, Polung des Elkos beachten, Diode BY251) auf und oszillografieren Sie uR. uR 6.a) Gleichgerichtete Spannung uR ohne Ladekondensator: Triggerung: u2 V cm ......................................... Eingang: ......................................... u1 Û = ............. Ueff= ...5 V..... V cm T = ............. f = ....50 Hz.... UAV = .......... UAV /Ueff= ........ s cm t 6.b) Gleichgerichtete Spannung uR mit parallelgeschaltetem Ladekondensator: Triggerung: u2 V cm ......................................... Eingang: ......................................... UAV= ............. u1 V cm s cm t 6.c) Wechselspannungsanteil der gleichgerichtete Spannung uR mit parallelgeschaltetem Ladekondensator: Dazu wird die Kopplung des u2 V cm entsprechenden Einganges am Oszilloskop von DC auf AC umgestellt und die u1 Verstärkung geeignet V cm vergrößert. s cm t ETT1 – Labor, Versuch 2: Oszilloskop und Funktionsgenerator Seite 7
