EME8 Arbeitshilfe
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FH-D GET Arbeitshilfe zu EME 8 Fachhochschule Düsseldorf Chr. Jörgens / H. Saure Fachbereich Elektrotechnik Fachbereich Medien Arbeitshilfe zu Versuch EME 8 Arbeiten mit dem Digital-Oszilloskop 1 Registrierende Messgeräte 1.1 Verwendung Zur Darstellung einer oder mehrerer Größen in Abhängigkeit von einer weiteren Größe, vorzugsweise von der Zeit, so zum Beispiele: die elektrische Spannung direkt; elektrischer Strom, indirekt über den Spannungsabfall an einem Widerstand, (siehe Ohmsches Gesetz) oder mittels einer Stromzange; Frequenz eines Signals; Phasenverschiebung von Signalen mit Hilfe einer Lissajous-Figur (sofern am Oszilloskop ein Eingang für die X-Ablenkung vorhanden ist), ebenfalls mit dieser Methodik die Frequenz eines Signals mit Hilfe eines externen Frequenzgenerators; Durchgangskennlinien von elektronischen Bauelementen (entweder mit Hilfe einer bereits im Oszilloskop vorhandenen Schaltung (Komponententester) oder, sofern ein Eingang für die X-Ablenkung vorhanden ist, mit einer Zusatzschaltung); Frequenzgänge elektronischer Schaltungen (mit einem Wobbelgenerator); Impulsdiagramme an digitalen Schaltungen und Mikroprozessoren. 2 Langsame Vorgänge werden auf Papier gezeichnet (geschrieben), schnelle Vorgänge auf einen Bildschirm dargestellt (gezeichnet). Schreiber haben Einstellzeiten zwischen 0,1 … 1s (Sonderkonstruktionen schaffen ca. 1ms.). Das liefert eine Grenze, was "zu schnell" ist. Bildschirme haben Nachleuchtdauern von 10µs … 1ms. (Sonderkonstruktionen schaffen ca. 10min.). Das liefert eine Grenze, was "zu langsam" ist. Schnelle einmalige Vorgänge erfordern eine schnelle Speicherung für die Ausgabe (einfrieren des Vorgangs). Schnelle periodisch wiederkehrende Vorgänge können direkt auf den Bildschirm ausgegeben (beobachtbar gemacht) werden, wenn es gelingt, die Darstellung so zu wiederholen, dass ein stehendes Bild erscheint. Solch ein Gerät mit Bildschirm heißt Oszilloskop. Schreiber XY-Schreiber zeichnen eine Größe y in Abhängigkeit von einer anderen Größe x auf, also die Funktion y = y(x). YT-Schreiber zeichnen eine Größe y in Abhängigkeit von der Zeit t auf, also die Funktion y = y(t). Die Bewegung des Schreibstifts entsteht vorzugsweise mit einem Motor, der über eine Rückmeldung der aktuellen Schreibposition mit einem selbstabgleichenden Kompensator arbeitet. Ein XY-Schreiber benötigt zwei dieser Antriebe für die zwei Koordinaten. Ein YT-Schreiber ver26.04.2013 Letzte Änderung Seite 1/19 FH-D Arbeitshilfe zu EME 8 Fachhochschule Düsseldorf Chr. Jörgens / H. Saure GET Fachbereich Elektrotechnik Fachbereich Medien wendet für den Antrieb in t-Richtung üblicherweise einen Synchronmotor mit Getriebe oder einen Schrittmotor. Bei der YT-Registrierung ist oft die gleichzeitige Darstellung mehrerer Größen gefragt. Dafür vorgesehene Geräte können mehrere Linien zeichnen. Eingesetzt in einem Produktionsprozess werden die Messwerte lückenlos dokumentiert, gegenseitige Abhängigkeiten werden erkennbar, der zeitliche Verlauf ist nachträglich zu sehen und Tendenzen werden aufgezeigt. 3 Oszilloskop Allgemein 3.1 Einführung Diese Messgeräte zeichnen mit einem Bildpunkt, der über die Bildschirmfläche bewegt wird. Beispiel eines Analog-Oszilloskopes mit Braunscher Röhre: 1 Kathode An der Kathode liegt eine Spannung von -200 ... -800 Volt. Sie liefert die Elektronen. Durch ein Heizelement wird der Elektronenaustritt erhöht. 2 Wehneltzylinder Mittels dieses Zylinders lässt sich die Intensität (Helligkeit) des Elektronenstrahls beeinflussen. 3 Elektronen-Optik Bündelt die Elektronen im elektrischen Feld worüber man die Schärfe des darzustellenden Elektronenstrahls einstellt. 4 Anode Die Anode liegt an einer Spannung von +100 ... +200 Volt und beschleunigt die Elektronen. 5 Nachbeschleunigungsanode (bis 15 kV) 6 Leuchtschicht 7 Brennpunkt X-Platten für die horizontale Ablenkung. Die Elektronen werden nach links oder rechts abgelenkt, z.B. Zeitmessung. Y-Platten für die vertikale Ablenkung. Die Elektronen werden nach oben oder unten für die Spannungsmessung abgelenkt. Für keine der Richtungen gibt es einen festen Nullpunkt. Dieser wird passend zur Anforderung, individuell vom Benutzer über Positions-Steller eingestellt. Vorsicht: Beim Elektronenstrahl-Oszilloskop mit stehendem Bildpunkt besteht Einbrenngefahr! 26.04.2013 Letzte Änderung Seite 2/19 FH-D GET Arbeitshilfe zu EME 8 Fachhochschule Düsseldorf Chr. Jörgens / H. Saure Fachbereich Elektrotechnik Fachbereich Medien In der Hauptanwendung wird der Verlauf einer periodisch veränderlichen Größe y über der Zeit t dargestellt, y = y(t). Die Größe y muss als Spannungs-Signal vorliegen. Für die Horizontalablenkung wird eine streng linear mit der Zeit anwachsende Spannung (die Sägezahnspannung) in einer Zeitbasis erzeugt. Ux rechter Bildrand 0 t Pause linker Bildrand Durch die Dunkelsteuerung wird während der Rückkehr des Bildpunktes vom rechten zum linken Rand und während der Pause nicht gezeichnet. Der Elektronenstrahl wird ausgeschaltet (dunkelgetastet). Damit bei periodischem y-Signal ein stehendes Bild entsteht, muss jeder Durchlauf in gleicher Phasenlage gestartet (getriggert, ausgelöst) werden. Dafür beginnt die Sägezahnspannung nicht sofort nach dem Rücklauf mit einer neuen Rampe sondern es wird eine veränderbare Pause eingefügt. Beispiel: Y: Messsignal X: interne Sägezahnspannung Der 2. Start beginnt an der gleichen Stelle des Signals, so dass ein deckungsgleiches Bild (stehendes Bild) entsteht. 1 2 Anmerkung: Für die Lösung schwieriger Triggeraufgaben kann eine Mindestpause eingestellt werden (Hold-Off-Time). Eine Triggereinrichtung benötigt die Einstellmöglichkeiten für den Triggerlevel (Triggerniveau), der Triggerflanke (Triggeranstieg) und der Triggerbetriebsart (automatisch/normal). Wird zum Beispiel ein Triggerlevel höher als der höchste Augenblickswert des y (Signals) eingestellt, wird eine Triggerbedingung nicht erfüllt und kein Bild dargestellt. Dazu dient zu Beginn der Einstellung die Automatik als Hilfe. Bei eingeschalteter Automatik wird in diesem Fall die Zeitbasis freilaufend betrieben und zumindest etwas angezeigt, wenn auch nicht unbedingt als stehendes Bild. 26.04.2013 Letzte Änderung Seite 3/19 FH-D GET Arbeitshilfe zu EME 8 Fachhochschule Düsseldorf Chr. Jörgens / H. Saure Fachbereich Elektrotechnik Fachbereich Medien 3.2 Elementares Blockschaltbild Vertikalbaugruppe y Kap.3.5 Seite 6 Triggerbaugruppe Horizontalbaugruppe Anzeigebaugruppe Kap.3.7 Seite 12 Kap.3.8 Seite 15 Kap.3.3 Seite 4 Das Oszilloskop in seiner ursprünglichen Ausführung ist ein analog arbeitendes Messgerät. Heutige Geräte, gerade im Professionellen Bereich, arbeiten überwiegend in digitaler Technik. Dabei werden die Bedienelemente so ausgeführt, dass der Benutzer in Arbeitsweise und Bezeichnungen möglichst wenig Unterschiede merkt. So können die grundlegenden Funktionen von einem versierten Anwender intuitiv bedient werden. Daher können beide Ausführungen gemeinsam beschrieben werden und die Besonderheiten werden dann zum Schluss erklärt. 3.3 Anzeigebaugruppe In der ursprünglichen Anzeigetechnik trifft ein horizontal und vertikal ablenkbarer Elektronenstrahl auf den Bildschirm. Diese Geräte haben Einstellmöglichkeiten für Strahlhelligkeit (Intensity) und Strahlbündelung (Focus). Bei aktuellen Digital-Oszilloskopen wird das Bild auf einem LCD- oder OLED- Bildschirm angezeigt. Die Geschwindigkeit der Bildwiederholung ist in der Regel unabhängig von der Geschwindigkeit der Messung. Die Notwendigkeit zu häufiger Helligkeits-Nachstellung entfällt hier. Durch Einsatz von Farbdisplays können den verschiedenen Messkanälen unterschiedliche Farben zugeordnet werden. Dies erleichtert ein Unterscheiden und Ablesen der Messergebnisse oder Menüeinblendungen. 26.04.2013 Letzte Änderung Seite 4/19 FH-D GET Arbeitshilfe zu EME 8 Fachhochschule Düsseldorf Chr. Jörgens / H. Saure Fachbereich Elektrotechnik Fachbereich Medien 3.4 Messbereiche Um Messwerte ablesen zu können, enthält der Bildschirm ein rechteckiges Raster. Bevorzugt enthält es 10 Teilungen (Divisions) waagerecht und 8 div senkrecht. Breitbildversionen erweitern das Raster in waagerechter Richtung auf 12 Divisions. Horizontal (X-Achse) Zur quantitativen Beschreibung der Zeit in einer Abbildung gibt man an [ ] Typisch einstellbare Maßstäbe sind 10ns/div … 1s/div mit 3 Einstellungen pro Zehnerpotenz in den Faktoren 1, 2 und 5. Außerdem können unjustierte Werte stufenlos eingestellt werden. Dann ist natürlich kein qualitatives Ablesen des Messwertes mehr möglich. Die hierzu vorhandenen Bedienelemente sind Bestandteile der Horizontalbaugruppe. Vertikal (Y-Achse) Zur quantitativen Beschreibung der Spannung in einer Abbildung gibt man an Typisch einstellbare Maßstäbe sind 2mV/div … 5V/div in gleicher Weise wie für die Zeit. Die hierzu vorhandenen Bedienelemente sind Bestandteile der Vertikalbaugruppe. Hinweis: Die Spannungen werden immer gegen Masse (Gehäuse, Schutzkontakt) gemessen. Bei mehreren Eingängen sind die jeweiligen Masseanschlüsse miteinander verbunden. Es gibt nur eine Bezugsmasse! 26.04.2013 Letzte Änderung Seite 5/19 FH-D GET Arbeitshilfe zu EME 8 Fachhochschule Düsseldorf Chr. Jörgens / H. Saure Fachbereich Elektrotechnik Fachbereich Medien 3.5 Vertikalbaugruppe Sie dient zur Aufbereitung der zu messenden Spannung. Die Eingangsschaltung enthält einen Eingangswahlschalter, einen Spannungsteiler (Abschwächer) zur Messbereichswahl und einen breitbandigen hochwertigen Verstärker von Gleichspannung bis zu Wechselspannungen von hoher Frequenz. Je nach Ausführung liegt die Grenzfrequenz bei 20 bis 500 MHz. y-Position dient zur Verschiebung des Messsignals und Einstellung des Nullpunktes. Funktion des Eingangswahlschalters AC (alternating current = Wechselstrom), es wird nur der Wechselanteil durchgeschaltet DC (direct current = Gleichstrom), es wird die Gesamt-Eingangsspannung durchgeschaltet GND (ground = Masse), es ist die Nulllage (Null-Linie) darstellbar Beispiel: Ausgangsspannung eines Netztransformators 26.04.2013 Letzte Änderung Seite 6/19 FH-D Arbeitshilfe zu EME 8 Fachhochschule Düsseldorf Chr. Jörgens / H. Saure GET Fachbereich Elektrotechnik Fachbereich Medien Beispiel: Es soll von einem Netzteil zur Erzeugung von Gleichspannung der Schwingungsanteil der Ausgangsspannung gemessen werden. a) Einstellung GND b) Einstellung DC c) Einstellung AC d) Einstellung AC, aber anderer Messbereich und andere Nulllinie 26.04.2013 Letzte Änderung Seite 7/19 FH-D GET Arbeitshilfe zu EME 8 Fachhochschule Düsseldorf Chr. Jörgens / H. Saure Fachbereich Elektrotechnik Fachbereich Medien Beispiel: Eine Rechteckspannung mit einem Pegel zwischen null und positivem Wert. a) Einstellung DC bei 20Hz b) Einstellung AC bei 2kHz c) Einstellung AC bei 20Hz d) Einstellung AC bei 200Hz Auf dem Bildschirm c) sieht man deutlich den Einfluss des Eingangskoppelkondensators. Das ursprüngliche Messsignal wird verfälscht! 26.04.2013 Letzte Änderung Seite 8/19 FH-D Arbeitshilfe zu EME 8 Fachhochschule Düsseldorf Chr. Jörgens / H. Saure GET Fachbereich Elektrotechnik Fachbereich Medien Üblicherweise enthält ein Oszilloskop zwei, teilweise vier solcher Eingangsschaltungen zur gleichzeitigen Messung mehrerer Signale. Sie werden mit Kanal 1 (Channel 1), Ch 1, Ch 2, u.s.w. bezeichnet. Es kann gewählt werden, was dargestellt werden soll: - - Nur Kanal 1, nur Kanal 2, beide Kanäle in Wechsel-Betrieb (alternierend; voller Durchlauf von Y1, dann voller Durchlauf von Y2), oder beide Kanäle in Chopper-Betrieb (zerhackt; während eines gemeinsamen Durchlaufs stückchenweise Teile von Y1 und von Y2). Die Chopper-Frequenz beträgt typisch fChop = 100 ... 500kHz . Alternierend Chopper Die alternierende Darstellung bevorzugt man bei genügend schnellen Vorgängen, wenn kein Flackern der Kurven entsteht. Die Chopper-Darstellung bevorzugt man bei genügend langsamen Vorgängen, wenn die Kurvenabschnitte so dicht beieinander liegen, dass ein lückenloser Kurvenzug sichtbar ist. Teilweise ist die Auswahl der Darstellung selbst einstellbar (alt/chop), teilweise ist sie fest an die Wahl der Zeitbasis gekoppelt. 26.04.2013 Letzte Änderung Seite 9/19 FH-D GET Arbeitshilfe zu EME 8 Fachhochschule Düsseldorf Chr. Jörgens / H. Saure Fachbereich Elektrotechnik Fachbereich Medien 3.6 Tastkopf (Probe) Der Eingangswiderstand eines Kanals beträgt in der Regel Re = 1 M. Außerdem hat er eine (Streu-)Kapazität typ. Ce = 10 … 50pF. Hinzu kommt auf einer abgeschirmten Messleitung ein Kapazitätsbelag von Ck = 50 … 100pF/m. OSC-Eingang Ersatzschaltbild für einen Oszilloskop-Eingang Bei vielen hochohmigen Messobjekten entsteht durch den Anschluss des Oszilloskops eine unvertretbar hohe Verfälschung der zu messenden Spannung Um. Dann verwendet man einen Tastkopf. Mit dem darin eingebauten Vorwiderstand Rt wird die Belastung einer Gleichspannung Um kleiner. Es entsteht ein Spannungsteiler, der die zu messende Spannung auf die Eingangsspannung Ue herunterteilt, in der Regel auf . Mit einem Tastkopf “10x“ sind die Vertikalmessbereiche um den Faktor 10 größer als ohne Tastkopf. Das hat den Vorteil, dass nur noch ein 10tel eines großen Messsignals am Eingang anliegt, und somit der Messbereich erweitert werden kann. Es hat aber auch den Nachteil, dass bei kleinen Messsignalen die Empfindlichkeitsgrenze des Oszilloskops erreicht wird und der Messbereich nicht mehr ausreicht. Ersatzschaltbild des OszilloskopEingangs mit Tastkopf OSC-Eingang Gleichzeitig wirkt sich der Faktor des Tastkopfes auch auf den Eingangswiderstand aus. So kann auch dieser vergrößert werden und somit das Messobjekt weniger belasten. Dadurch verfälscht das Oszilloskop durch seinen Eingang das Signal des Messobjekts weniger und das Ergebnis ist aussagekräftiger. Mit ist 26.04.2013 Letzte Änderung Seite 10/19 FH-D Arbeitshilfe zu EME 8 Fachhochschule Düsseldorf Chr. Jörgens / H. Saure GET Fachbereich Elektrotechnik Fachbereich Medien Wechselspannungen werden durch Ck und Ce in ihrem zeitlichen Verlauf und damit frequenzabhängig verfälscht. Dem begegnet man durch den Kondensator Ct der fallweise zu justieren ist. Oszilloskope haben dafür einen Referenzausgang für eine Spannung mit rechteckigem Verlauf. Bei richtig eingestelltem Ct entsteht auch wieder ein rechteckiges Signalbild. Referenzrechtecksignal Beispiel: Unter- und Überkompensation Der Faktor des Tastkopfes wirkt sich auch auf die Eingangskapazität aus. Damit entsteht für Um ebenfalls eine 1:10 kleinere kapazitive Belastung. Somit verfälscht das Oszilloskop durch seinen Eingang das Signal des Messobjekts weniger und das Ergebnis ist aussagekräftiger. Man sieht, die nicht kompensierten Signale lassen keine richtigen Rückschlüsse auf das ursprüngliche Referenzrechtecksignal zu! Daher ist es wichtig Tastköpfe auf das Oszilloskop abzugleichen!!! 26.04.2013 Letzte Änderung Seite 11/19 FH-D Fachhochschule Düsseldorf Chr. Jörgens / H. Saure Arbeitshilfe zu EME 8 GET Fachbereich Elektrotechnik Fachbereich Medien 3.7 Triggerbaugruppe Sie sorgt für eine Aufzeichnung synchron zu einem auswählbaren Ereignis. Einstellmöglichkeiten bestehen für die Betriebsart (Mode), Quelle (Source), Kopplung (Coupling), Niveau (Level) und Anstieg (Slope). Für die Triggerung können verschiedene Quellen gewählt werden. Insbesondere bei Mehrkanalbetrieb ist die Frage zu bedenken: Wer triggert wen? Die Triggerquelle "int" (intern) mit Abgriff hinter dem Kanalwahlschalter hat Bedeutung nur in Verbindung mit der Darstellung "alt" (alternierend). Denn in der Kombination "int/chop" würde in der Regel die Chopperfrequenz triggern. In der Kombination "int/alt" können in der Frequenz unabhängige Signale angezeigt werden, denn hier gilt: Jedes Signal triggert sich selbst. Damit kann jedes der Bilder stehen, obwohl die Signale untereinander keine Beziehung haben. In dieser Einstellung lassen sich selbstverständlich auch Signale mit gleicher Frequenz in stabilen Kurven anzeigen. Aber Achtung: Die Darstellung ist insoweit trügerisch, dass die im Bild angezeigte zeitliche Verkopplung zwischen den Signalen nicht vorhanden ist, eben wegen der Triggerung "jedes sich selbst". 26.04.2013 Letzte Änderung Seite 12/19 FH-D GET Arbeitshilfe zu EME 8 Fachhochschule Düsseldorf Chr. Jörgens / H. Saure Fachbereich Elektrotechnik Fachbereich Medien Bei gleichfrequenten Signalen ist die zeitliche Zuordnung häufig eine wesentliche Information, die das Oszilloskop liefern können muss. Diese ist in beiden Darstellungsarten bei geeigneter Triggerung möglich. Bei der Darstellung "a1t" wählt man dazu vor dem Umschalter eines der Eingangssignale aus. Im folgenden Beispiel triggert Y1 das eine Mal sich selbst und das andere Mal Y2, immer abwechselnd. Dadurch werden beide Durchläufe durch das gleiche Ereignis gestartet, und die Phasenbeziehung zwischen den Signalen ist im Bild stets korrekt. Bei der Darstellung "chop" versucht man, eines der Signale stabil darzustellen. Dazu greift man dieses Signal ebenfalls vor dem Umschalter ab, z. B. Y1 triggert Y1. Steht das eine Bild, dann steht wegen der Gleichzeitigkeit des Durchlaufes das gleichfrequente zweite Bild auch, und die Phasenbeziehung zwischen den Signalen ist im Bild stets korrekt. Die Trigger-Kopplung lässt noch eine Filterung des ausgewählten Triggersignals zu, typischerweise als DC Gesamt-Signal mit Gleichanteil, AC Wechselanteil, HF-Reject oder LF mit unterdrücktem Hochfrequenzanteil, LF-Reject oder HF mit unterdrücktem Niederfrequenzanteil. Die Grenze, was hohe Frequenz (HF) und was niedrige Frequenz (LF) ist, ist je nach Fabrikat sehr unterschiedlich. Der Komparator (Vergleicher) erzeugt ein binäres Signal, das sehr rasch springt, wenn die von der Triggerquelle gelieferte, eventuell in der Kopplung gefilterte Spannung größer wird als der eingestellte Triggerlevel (Trigger-Spannung). Bei Unterschreitung erzeugt der Komparator die gleiche Flanke am invertierenden Ausgang. Der Sinn der Einstellbarkeit von Trigger-Level und Anstieg ist bereits in der Einführung erläutert worden. Der Schalter der Trigger-Betriebsart lässt zumindest die Wahl zwischen "automatisch" und "normal" zu. Die beiden Betriebsarten unterscheiden sich bei fehlendem Triggerereignis: In der Einstellung "normal" bleibt dann die Zeitbasis in Warteposition. Eine Horizontalablenkung findet nicht statt. (schwarzer Bildschirm, letzte Signal "gespeichert") Bei eingeschalteter "Automatik" wird dann die Zeitbasis nach dem Rücklauf selbsttätig wieder gestartet. Die Horizontalablenkung wird freilaufend betrieben. Eine Betriebsart "einmalig" (single shot) ist bei Speicher-Oszilloskopen zu finden. Die Triggerschaltung wird nach dem Rücklauf erst wieder startbereit, nachdem sie durch einen Taster freigegeben worden ist. Das aufgezeichnete Bild bleibt bestehen und kann ausgewertet werden. 26.04.2013 Letzte Änderung Seite 13/19 FH-D Fachhochschule Düsseldorf Chr. Jörgens / H. Saure Arbeitshilfe zu EME 8 GET Fachbereich Elektrotechnik Fachbereich Medien Wahlweise kann ein nicht dargestelltes, als "extern" bezeichnetes Signal oder ein von der Netzspannung abgeleitetes Signal “Line“ zur Triggerung verwendet werden. Beispiel: Ein Signal, das sich selbst triggert, wird. merkwürdig unsauber dargestellt. Der Erfahrene stellt die Triggerung auf "Line" und die Zeitbasis langsamer und bekommt ein anderes stehendes, aber auch wieder nicht stehendes Signal. Damit ist klar, dass sich 50Hz Netzbrummen eingekoppelt hat; das Gesamtsignal sieht so aus: 26.04.2013 Letzte Änderung Seite 14/19 FH-D Arbeitshilfe zu EME 8 Fachhochschule Düsseldorf Chr. Jörgens / H. Saure GET Fachbereich Elektrotechnik Fachbereich Medien 3.8 Horizontalbaugruppe Für die Darstellung y = y(t) ist der Elektronenstrahl bzw. Bildpunkt mit möglichst hoher Konstanz der Horizontal-Geschwindigkeit über den Bildschirm zu führen. Dazu dient die Zeitbasis mit Sägezahngenerator, die bereits in der Einführung Kap. 3.1 erklärt wurde. Diese Baugruppe hat eine Einstellmöglichkeit für den Messbereich der Zeitachse. Damit wird dann die Frequenz der Sägezahnspannung verändert und somit die Wiederholrate zur Darstellung des Messsignals. Neben der Darstellung y = y(t) kann auch y = y(x) gewählt werden. Dabei ist x ein weiteres Signal, das in Form einer Spannung vorliegt. Entweder gibt es für diese Spannung eine getrennte Eingangsbuchse mit einer Eingangsbeschaltung ähnlich der in der Vertikalbaugruppe (weniger hochwertig), oder von mehreren Eingangskanälen für die Vertikalablenkung wird einer umgeschaltet auf die Horizontalablenkung. 3.8.1 Ausschnittvergrößerung Gelegentlich interessiert während eines abgebildeten Verlaufs eine Einzelheit, auf die man aber nicht triggern kann. - In einfachen Fällen: Dehnung (X-Magnifier), z.B. um den Faktor 10. Die Sägezahn-Rampe wird dann zehnmal steiler durchfahren, als es der Zeitbasis entspricht. Dadurch wird die in der Bildmitte stehende Einzelheit in zehnfacher Breite sichtbar. - Sonst aufwändiger: Eine zusätzliche Zeitbasis. Die bekannte Zeitbasis heißt jetzt Hauptzeitbasis (Main Time Base), auch mit A bezeichnet. Die zweite Zeitbasis heißt verzögerte Zeitbasis (Delayed Time Base), auch mit B bezeichnet. Bei den zwei Zeitbasen gibt es typischer weise 4 Wahlmöglichkeiten: 1) 2) 3) 4) Hauptzeitbasis; normale Anwendung (A only) Hauptzeitbasis mit Helltastung (A intensified by B) Verzögerte Zeitbasis (B delayed by A) Abwechselnd Fall 2) und 3). Wozu wird hellgetastet? Die interessierende Einzelheit wird damit markiert. Man sieht, ob von der richtigen Stelle an und in richtiger Breite markiert wird. Die markierte Stelle lässt sich anschließend in voller Breite darstellen. Markiert 26.04.2013 Letzte Änderung Vergrößert Seite 15/19 FH-D GET Arbeitshilfe zu EME 8 Fachhochschule Düsseldorf Chr. Jörgens / H. Saure Fachbereich Elektrotechnik Fachbereich Medien Wie wird die hellgetastete Stelle festgelegt? Dazu sind zwei Einstellungen erforderlich, - für den Anfang: eine Verzögerungszeit (Delay Time); sie zählt ab dem Triggerpunkt der Hauptzeitbasis; was verzögert wird, ist die Startmöglichkeit der Zeitbasis B, - für das Ende: der Maßstab der verzögerten Zeitbasis; was hellgetastet wird, ist die Durchlaufzeit der Basis B. Die verzögerte Zeitbasis ist also sinnvoll einsetzbar, wenn sie schneller abläuft als die Hauptzeitbasis. Je schneller diese ist, desto schmaler ist der Ausschnitt. Eine dritte Wahlmöglichkeit kommt noch hinzu: - Wenn die Einzelheit starr mit dem Ereignis verkoppelt ist welches die Hauptzeitbasis triggert, kann die Zeitbasis B nach Ablauf der Verzögerungszeit anlaufen (Start nach Verzögerung). - Wenn die Einzelheit ein nicht verkoppeltes, höher frequentes Signal ist, muss für dessen Darstellung als stehendes Bild gesorgt werden: Nach Ablauf der Verzögerungszeit wird noch länger gewartet, bis eine Triggerbedingung erfüllt ist; erst dann läuft die Zeitbasis B an (trigger bar nach Verzögerung). Dazu benötigt die verzögerte Zeitbasis ihre eigene Triggereinrichtung. 4 Digital-Speicher-Oszilloskop (DSO) 4.1 Einführung Zu bestimmten Zeitpunkten werden Augenblickswerte erfasst, digitalisiert, gespeichert und dann zur Darstellung aufbereitet. Die Digitalisierung ist eine zweifache: Nur zu schrittweise einstellbaren Zeiten werden schrittweise auflösbare Spannungswerte (Samples = Proben) erfasst. Als Beispiel verwendet das Tektronix TDS3012 für die vertikale Auflösung einen 9Bit ADWandler. Dieser bietet 512 Schritte für die Bildschirmfläche. Bei 8div in vertikaler Richtung ergeben sich daraus 64 Schritte/div. Die horizontale Auflösung ist zur Erfassung schneller Änderungen feiner. Hier variiert sie von 100S/s … 1,25GS/s (S/s = Sample per second). Bei 10div in horizontaler Richtung ergeben sich daraus 10 … 125*106 Schritte/div. Problem: Die maximale Abtastfrequenz beträgt typisch fAbtast max = 20MS/s … 5GS/s Um Signale zuverlässig zu erkennen, müssen mindestens 10, möglichst 50 Punkte pro Periodendauer vorhanden sein. Das limitiert die obere Grenze der Frequenz des Eingangssignals. Beispiel: Es sei ( ) Für eine Auflösung 50S ≙ 1 Signalperiode erhält man die maximale Signalfrequenz, die erkennbar ist, Bei langsamen Vorgängen wird mit größerem Horizontal-Maßstab die Abtastfrequenz entsprechend verkleinert. 26.04.2013 Letzte Änderung Seite 16/19 FH-D Arbeitshilfe zu EME 8 Fachhochschule Düsseldorf Chr. Jörgens / H. Saure GET Fachbereich Elektrotechnik Fachbereich Medien 4.2 Speichern, Anzeigen Die zu messende Spannung durchläuft die Eingangsschaltung mit Signalanpassung und Verstärkung. Danach wird digitalisiert. Die Eingangsstufe liegt also vor der Abtastung und arbeitet analog. Die bei der Digitalisierung entstehenden Messwerte werden gespeichert. Speichertiefe = Anzahl der speicherbaren Bildpunkte (TDS3012 hat 10k Punkte) typ. Speichertiefe = 1000 ... > 106 z.B. für Speichertiefe N = 1000 = 1 kS T = Triggerpunkt Der Speicher wird zyklisch überschrieben. Nach der Speicherung des letzten Platzes beginnt der Vorgang wieder von vorne (Ringspeicher). Die Geschwindigkeit des Bildaufbaues ist bei diesen Geräten unabhängig von der Geschwindigkeit der Messwerterfassung. Der Abruf der Daten zur Anzeige auf dem Bildschirm wird mit dem Triggerlevel synchronisiert. Bei größeren Speichertiefen werden mehr Messpunkte erzeugt als Bildpunkte wiedergegeben werden können; z.B. bei einem Speicher für 100kS wird mit hundertfach höherer Taktrate und Zeitauflösung gemessen gegenüber einem Speicher mit 1kS. Mehrere Messpunkte werden zu einem Bildpunkt zusammengefasst, wobei zwischen Mittelwert oder Spitzenwert gewählt werden kann. Wegen der hohen Datendichte können Einzelheiten gespreizt und feiner aufgelöst dargestellt werden. Im Beispiel ist ein Zoom-Faktor bis 200 möglich, ohne dazu die Bildpunkte auseinander zu ziehen. Die zweite (schnellere) Zeitbasis kann hier fehlen, weil von vornherein schneller abgetastet und mehr Speicher gefüllt wird als für die Anzeige erforderlich ist. Das Besondere am digitalen Speicher-Oszilloskop ist: 1) Da Messwerte unabhängig von der Triggerbedingung gespeichert werden, und da mehr Werte gespeichert als angezeigt werden, kann auch ein Stück des Verlaufs vor der Triggerung dargestellt werden (Pre-Trigger). 2) Die Speicherung kann hinter dem Triggerzeitpunkt nach Auffüllung eines wählbaren Teils des Speichers beendet werden. Somit sind einmalige Vorgänge beliebig lange sichtbar zu machen. Dazu gibt es die Triggerbetriebsart “einmalig“ (Trigger Mode: Single Sequence, Single Sweep, Single Shot) 26.04.2013 Letzte Änderung Seite 17/19 FH-D Arbeitshilfe zu EME 8 Fachhochschule Düsseldorf Chr. Jörgens / H. Saure GET Fachbereich Elektrotechnik Fachbereich Medien 4.3 Abtastung Die bisher zugrunde gelegte Erfassungsart, bei der die Digitalisierung mit dem Signal Schritt hält, ist ein Echtzeit-Sampling. Es ist beschränkt auf nicht allzu schnelle Vorgänge und hängt von der Schnelligkeit der Speicherbausteine ab. Bei einmaligen Vorgängen ist es die einzige Möglichkeit das Ereignis festzuhalten. Die Bildpunkte sind nach der Reihenfolge der Erfassung nummeriert. Horizontaler Abstand zwischen zwei Bildpunkten: tAbtast = l/fAbtast Zur Messung schnellerer Vorgänge arbeitet man mit periodischem-Sampling. Der Speicher wird bei jedem Durchlauf nur mit einem Punkt oder wenigen Punkten gefüllt. Das Bild wird aus vielen Erfassungsperioden konstruiert. Dazu ist ein stabiles, periodisches Signal zwingend notwendig. Zwei bewährte Techniken sind: Willkürliches (Random) Sampling: Jeder Datenpunkt wird im Rahmen der Abtastgeschwindigkeit aufgenommen, und zusätzlich wird sein zeitlicher Abstand zum Triggerpunkt gemessen. Diese Zeitwerte legen die Reihenfolge im Bildaufbau fest. Sequentielles Sampling: Ausgehend vom Triggerzeitpunkt wird der Erfassungszeitpunkt in jedem Durchlauf etwas mehr verzögert festgelegt. Eine Erfassung vor dem Triggerzeitpunkt ist hierbei nicht möglich. Für beide Arten des periodischen Samplings gilt: Bei hinreichend langer Erfassungszeit liegen die Punkte ebenfalls so dicht, dass ein Kurvenzug erscheint. Durch die Ansammlung der Bildpunkte entsteht eine “äquivalente Abtastfrequenz“ typisch in der Größenordnung 10 GS/s. Achtung: Wenn Signale bei Echtzeit-Sampling in einem zu niedrigen Frequenzbereich gesucht werden, so dass weniger als 2 Messpunkte pro Periode aufgenommen werden, dann können diese zu einem Bild mit völlig falscher, zu niedriger Frequenz zusammengesetzt werden (AliasErscheinung, Aliasing, Aliasfrequenz). Das Auge (Oszilloskop) verbindet die Abtastwerte wieder zu einer Sinusschwingung, deren Frequenz aber offenbar die Differenz zwischen der Abtastfrequenz und der Schwingungsfrequenz ist. 26.04.2013 Letzte Änderung Seite 18/19 FH-D Arbeitshilfe zu EME 8 Fachhochschule Düsseldorf Chr. Jörgens / H. Saure GET Fachbereich Elektrotechnik Fachbereich Medien Beispiel: Die anliegende Spannung (dünner Strich) und ihr durch Unterabtastung entstehendes OszilloskopBild (dicker Strich) Für das DSO gilt bei unbekannter Frequenz die Regel: Man beginnt mit dem kleinsten Zeitmessbereich. Bei der schnellsten Zeitbasis wird dem Aliaseffekt am ehesten vorgebeugt. 4.4 Vor- und Nachteile Nachteile des digitalen Oszilloskops gegenüber dem analogen: Ereignisse zwischen zwei Messpunkten werden nicht erfasst Zu langsameren Vorgängen hin werden die Abtast-Lücken immer größer. Dadurch können schnelle Störimpulse verloren gehen. (Hochwertige Digital-Oszilloskope haben als Hilfe eine "Glitch-Erkennung".) Es besteht die Gefahr eines Alias-Bildes bei (für die Signalfrequenz) zu geringer Abtastfrequenz bzw. zu langsam eingestellter Zeitbasis. Vorteile des digitalen Oszilloskops gegenüber dem analogen: Es gibt die bequeme Möglichkeit, einen einmaligen Vorgang aufzunehmen und diesen beliebig lange anzuzeigen. Entsprechendes gilt für die "Vorgeschichte" des Triggerereignisses (Pre-Trigger). Die Daten können langsam an Plotter (digitale Schreiber), Netzwerk, Speichermedien oder Drucker ausgegeben werden. Die gespeicherten Daten können ausgewertet werden und es können daraus verschiedene Messergebnisse ausgerechnet werden. Verschiedene Zusatzinformationen können in das Bild eingefügt werden und mit einem Farb-Display können die Signale farblich unterschieden werden. Inhaltsverzeichnis 1 Registrierende Messgeräte ................................................................................................................................... 1 1.1 Verwendung ................................................................................................................................................ 1 2 Schreiber .............................................................................................................................................................. 1 3 Oszilloskop Allgemein ......................................................................................................................................... 2 3.1 Einführung ................................................................................................................................................... 2 3.2 Elementares Blockschaltbild ....................................................................................................................... 4 3.3 Anzeigebaugruppe ....................................................................................................................................... 4 3.4 Messbereiche ............................................................................................................................................... 5 3.5 Vertikalbaugruppe ....................................................................................................................................... 6 3.6 Tastkopf (Probe) ........................................................................................................................................ 10 3.7 Triggerbaugruppe ...................................................................................................................................... 12 3.8 Horizontalbaugruppe ................................................................................................................................. 15 3.8.1 Ausschnittvergrößerung .................................................................................................................... 15 4 Digital-Speicher-Oszilloskop (DSO) ................................................................................................................. 16 4.1 Einführung ................................................................................................................................................. 16 4.2 Speichern, Anzeigen .................................................................................................................................. 17 4.3 Abtastung................................................................................................................................................... 18 4.4 Vor- und Nachteile .................................................................................................................................... 19 26.04.2013 Letzte Änderung Seite 19/19
