Versuchsanleitung M
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Labor Grundlagen der Elektrotechnik Elektrische Nachrichtentechnik Versuch M-1 Multimeter und Oszilloskop im Fachbereich Technik an der HS Emden-Leer 1. Versuchsanleitung 1.1 Beschreibung der verwendeten GerÄte Im Praktikum Grundlagen der Nachrichtentechnik werden Messger€te wie Multimeter und Oszilloskop und Signalgeneratoren in fast allen Versuchen ben•tigt. Ziel dieses ersten Versuches ist es, die wesentlichen Funktionen und Eigenschaften dieser Ger€te kennenzulernen, um sie in den folgenden Versuchen sinnvoll einsetzen zu k•nnen. Im folgenden werden die Ger€te jeweils anhand eines Beispiels behandelt. 1.1.1 Multimeter Multimeter ist die Bezeichnung f‚r ein Vielfachmessinstrument, mit dem die elektrischen Gr•ƒen Strom Spannung Widerstand Kapazit€t ( nicht immer vorhanden ) gemessen werden k•nnen. H€ufig haben Multimeter eine spezielle M•glichkeit f‚r die sog. Durchgangspr‚fung, d.h. sie zeigen an, ob zwischen zwei Messpunkten eine durchgehende elektrische Verbindung ( mit einem Widerstand deutlich geringer als 1 ) besteht. Das Messen von Strom und Spannung ist sowohl f‚r Gleichstrom als auch f‚r Wechselstrom m•glich, wobei die maximale Wechselstromfrequenz auf einige 100Hz bis ca. 20kHz beschr€nkt ist. F‚r Strom-, Spannungs- und Widerstandsmessungen gibt es eine gemeinsame Anschlussbuchse, die h€ufig mit COM bezeichnet ist. Eine zweite Buchse wird f‚r fast alle Messungen benutzt. Nur f‚r hohe Str•me und hohe Spannungen steht jeweils eine besondere Buchse zur Verf‚gung. Die Multimeter k•nnen in die Gruppen analog bzw. digital unterteilt werden. - passiv aktiv Die einfachste und historisch erste Ausf‚hrung ist das passive analoge Multimeter. F‚r Anwendungen in der Nachrichtentechnik ist das Messwerk eine Drehspuleinrichtung: eine stromdurchflossene Spule dreht sich im Feld eines Dauermagneten und bewirkt einen Zeigerausschlag; die folgende Abbildung zeigt das Prinzip : Eine wichtige Eigenschaft jedes Strom- oder Spannungsmessers ist der Eigenwiderstand. Er h€ngt beim passiven Multimeter vom Aufbau der Drehspulein- richtung ab und bewirkt Messfehler, weil die gemessene Schaltung durch den Widerstand des Messger€tes ver€ndert wird. Bild 1.1 Prinzip des Drehspulmessger€tes Seite 1 von 19 Labor Grundlagen der Elektrotechnik im Fachbereich Technik an der HS Emden-Leer Elektrische Nachrichtentechnik Versuch M-1 Multimeter und Oszilloskop (1) EIN-/AUS-Schalter (2) Messbereichsschalter (3) Potentiometer f‚r elektr. Nullpunkt (4) „se f‚r Tragriemenbefestigung (5) Stellschraube f‚r mechan. Nullpunkt (6) Buchse f‚r Netzadapteranschluss (7) Skala (8) Batteriefachabdeckung (9) Anschlussbuchse „+10A“ f‚r h•chsten Strommessbereich (10) Schmelzsicherung f‚r Messkreis (11) Anschlussbuchse f‚r alle Messbereiche auƒer Bereich 10A und hohe Spannung (12) Anschlussbuchse f‚r alle Messbereiche (COM) (13) Potentiometer f‚r Endwerteinstellung bei Widerstandsmessung Bild 1.2 Beispiel eines analogen Multimeters (Die Messbereiche m‚ssen von Hand eingestellt werden.) Das aktive analoge Multimeter ist eine Verbesserung des passiven Multimeters mittels vorgeschalteter Verst€rker. Vorteile: der Eigenwiderstand bei Spannungsmessung wird deutlich gr•ƒer der Eigenwiderstand bei Strommessung wird deutlich kleiner der Einfluss auf die gemessene Schaltung wird deutlich geringer die Empfindlichkeit wird erh•ht, so dass kleinere Str•me und Spannungen messbar sind Inbetriebnahme von analogen Multimetern Vor dem Messen von Str•men und Spannungen ist zu pr‚fen, ob die Nullanzeige richtig eingestellt ist. Bei Kurzschluss zwischen den Messbuchsen muss die Anzeige auf Null stehen; falls nicht, muss die Anzeige mittels Schraubendreher an einem Einstellknopf auf Null gebracht werden. Ablesunsicherheit Der Messwert, der zu der Zeigerstellung geh•rt, kann nicht beliebig genau bestimmt werden. Die Skala ist in grobe und feine Schritte unterteilt. Meist steht der Zeiger zwischen zwei Teilstrichen. Man kann sich f‚r den linken oder den rechten entscheiden. Damit macht man einen Seite 2 von 19 Labor Grundlagen der Elektrotechnik im Fachbereich Technik an der HS Emden-Leer Elektrische Nachrichtentechnik Versuch M-1 Multimeter und Oszilloskop Rundungsfehler nach oben oder unten. Der Rundungsfehler ist h•chstens gleich dem halben Intervall zwischen den Teilstrichen. Z.B. kann der Zeiger auf der 10V-Skala zwischen 9,0V und 9,1V stehen. Entweder gibt man als Messwert 9,0V an, wenn der Abstand zu 9,0V kleiner ist, oder man gibt 9,1V an, wenn der Abstand zu 9,1V kleiner ist. Der Messwert ist mit einer Unsicherheit von maximal 0,05V behaftet. Wer meint, dass er die Zeigerstellung auch einem Teil des Intervalls zuordnen kann, z.B. der H€lfte, vermindert die Ableseunsicherheit. Wenn man in dem obigen Beispiel meint, dass der Zeiger eher bei 9,05V steht als bei 9,0V oder 9,1V, dann ist die Ableseunsicherheit nur noch 0,025V. Wie genau man einen Messwert ablesen kann, ist schlieƒlich eine Sache der ‡bung. Empfindlichkeit Die Empfindlichkeit ist eine Kenngr•ƒe des Messinstruments. Sie gibt an, wie stark sich die Anzeige €ndert, wenn sich die Messgr•ƒe um einen bestimmten Schritt €ndert. Z.B. €ndert sich die Zeigerstellung des analogen Multimeters im Messbereich 10V um ca. 85ˆ, wenn man die Spannung von 0V auf 10V €ndert. Die Empfindlichkeit ist damit 85ˆ/10V = 8,5ˆ/V. Stellt man den Messbereich auf 100V ein, so €ndert sich die Zeigerstellung bei einer Spannungs€nderung von 0V auf 10V nur noch um 8,5ˆ. Damit betr€gt die Empfindlichkeit nur noch 0,85ˆ/V. Je gr•ƒer der Messbereich, umso weniger reagiert der Zeiger auf einen bestimmten Spannungsschritt und umso kleiner wird die Empfindlichkeit. Das digitale Multimeter, siehe Bild, besitzt anstelle des analogen Messwerks einen Analog/Digital-Wandler ( A/D-Wandler ). Die Messwerterfassung wird dadurch quantisiert, die Messwertausgabe erfolgt als Zahlenwert. Eine wichtige Eigenschaft ist die Aufl•sung ( normalerweise = kleinster Anzeigeschritt). Auch digitale Multimeter haben Eigenfehler. Die Aufl•sung sollte nicht wesentlich besser als die Eigenfehler sein, um nicht eine hohe Genauigkeit nur vorzut€uschen. Auch digitale Multimeter sind mit Vorverst€rkern ausgestattet mit denselben Vorteilen wie aktive analoge Ger€te. Durch die Messwerterfassung in digitaler Form ergeben sich weitere M•glichkeiten: Messbereiche k•nnen automatisch umgeschaltet werden die Messwerte k•nnen leicht von einem Rechner zur Bild 1.3 Digitales Multimeter Weiterverarbeitung ‚bernommen werden Die Ableseunsicherheit ist durch die niederwertigste Stelle vorgegeben. Seite 3 von 19 Labor Grundlagen der Elektrotechnik im Fachbereich Technik an der HS Emden-Leer Elektrische Nachrichtentechnik Versuch M-1 Multimeter und Oszilloskop Genauigkeitsklassen Elektrische Messger€te werden in Genauigkeitsklassen, die eine Aussage zu ihrer Messabweichung machen, eingestuft; siehe Abschnitt 1.2, Unsicherheit bei Messungen. Dabei unterscheidet man FeinmessgerÄte mit den Klassen 0,1, 0,2 und 0,5 sowie Betriebsmessger€te mit den Klassen 1,0, 1,5, 2,5, 5,0 und 10,0. Die Genauigkeitsklasse gibt die auf den Messbereichendwert bezogene maximale Messabweichung des Ger€tes an. Beispiel: Ein Strommesser mit dem Skalenendwert 200A habe die Genauigkeitsklasse 1,5. Die Messabweichung ist dann 3A. Dieser Wert gilt allerdings f‚r die gesamte Skala! Ein Messwert von z.B. 50A ist somit ebenfalls mit einem Fehler von 3A behaftet, er kann also (gem€ƒ Standardabweichung) zwischen 47A und 53A liegen. Auf den Messwert selbst bezogen sind dies 6% Fehler. Aus diesem Beispiel ergibt sich eine einfache Regel f‚r elektrische Messungen: der Messbereich sollte so auf die Messgr•ƒe abgestimmt sein, dass die Anzeige nicht im unteren Drittel der Skala erfolgt. Dies gilt sinngem€ƒ auch f‚r digitale Messger€te, bei denen im unteren Teil des Messbereichs neben dem Eigenfehler die Quantisierung der Messgr•ƒe an Einfluss gewinnt. Sinnbilder f‚r elektrische Messger€te Auf der Skala sind neben der Genauigkeitsklasse weitere Sinnbilder zu finden: Es sind auch die wichtigsten Messwerke dargestellt, die in ihrer prinzipiellen Form bereits zu Beginn des elektrischen Messens eingesetzt wurden. Seite 4 von 19 Labor Grundlagen der Elektrotechnik im Fachbereich Technik an der HS Emden-Leer Elektrische Nachrichtentechnik Versuch M-1 Multimeter und Oszilloskop 1.1.2 Oszilloskop ( analog ) Ein Oszilloskop ist zun€chst ein Messger€t, mit dem der zeitliche Verlauf einer elektrischen Spannung als Bild dargestellt werden kann. Die zu messende Spannung wird auf einen Signalverst€rker gegeben und dann an die vertikal wirkenden Ablenkplatten (Y-Richtung) einer Braunschen R•hre gelegt, siehe Bild 1.5. Die horizontal wirkenden Ablenkplatten (X-Richtung) werden von einem zeitlich s€gezahnf•rmigen Ablenksignal angesteuert, das im Oszilloskop selbst erzeugt wird. Dieses Signal steigt linear mit der Zeit an und wiederholt sich periodisch. Das Prinzip zeigt die folgende Abbildung einer Elektronenstrahlr•hre: Bild 1.4 Vorderansicht eines Oszilloskops Bild 1.5 Aufbau einer Elektronenstrahlr•hre Seite 5 von 19 Labor Grundlagen der Elektrotechnik im Fachbereich Technik an der HS Emden-Leer Elektrische Nachrichtentechnik Versuch M-1 Multimeter und Oszilloskop Hochohmige Messeing€nge Die Eingangsverst€rker des Oszilloskops haben einen sehr hohen Eingangswiderstand von mindestens 1M. Daher k•nnen nur Spannungen, aber keine Str•me gemessen werden. (Warum?) Triggerung Um bei periodischen Signalen ein stehendes Bild zu erhalten, muss der Y-Kanal getriggert werden. D.h. dass der zeitlich lineare Anstieg des X-Signals (S€gezahn) genau dann beginnt, wenn die Messspannung am Y-Eingang einen bestimmten einstellbaren Wert, die sog. Triggerschwelle, erreicht. Erst ab diesem Wert erfolgt die Aufzeichnung, immer der gleiche Teil der Signalperiode wird ‚bereinander geschrieben und man erh€lt ein stehendes Bild. Durch entsprechende Einstellung der Triggerschwelle ist es m•glich, eine besonders wichtige Stelle des Oszillogramms einzublenden und durch einen gen‚gend steilen Anstieg der X-Spannung zu dehnen, so dass sie die gesamte Bildschirmbreite ausf‚llt. Bild 1.6 Blockschaltbild eines Zweikanaloszilloskops Seite 6 von 19 Labor Grundlagen der Elektrotechnik im Fachbereich Technik an der HS Emden-Leer Elektrische Nachrichtentechnik Versuch M-1 Multimeter und Oszilloskop Erweiterungen des Grundaufbaus Das „Blockschaltbild eines Zweikanaloszilloskops“ , siehe Bild 1.6, zeigt den grunds€tzlichen Aufbau. Dazu kommen folgende Erweiterungen: 1) Die Signalverst€rkung kann umgeschaltet werden. Dadurch k•nnen kleine Signale bis ca. 1mV oder groƒe Signale bis einige 10V dargestellt werden. 2) Der Anstieg der S€gezahnspannung f‚r die X-Ablenkung kann schneller oder langsamer eingestellt werden. Man erh€lt dadurch die M•glichkeit, die Signaldarstellung zeitlich zu dehnen oder zu stauchen. Die Signalfrequenz kann damit im Bereich von ca. 0,1Hz bis einige GHz liegen, sofern die Messverst€rker dies zulasssen (ausreichende Bandbreite). 3) Wahl der Signalankopplung DC-Kopplung: Der Signaleingang nimmt das vollst€ndige Messsignal einschlieƒlich Gleichanteil auf. AC-Kopplung: Der Gleichanteil wird unterdr‚ckt, nur der Wechselanteil wird gemessen. 4) Das Oszilloskop hat zwei Messeing€nge mit jeweils einem eigenen, unabh€ngig einstellbaren Verst€rker. Die beiden Signale werden in einer Umschaltvorrichtung in schnellem Wechsel auf die Y-Ablenkung der R•hre gegeben. Wegen der Nachleuchteigenschaft der R•hre sind sie scheinbar gleichzeitig zu sehen. Dadurch erh€lt man die M•glichkeit des Gr•ƒen- und Phasenvergleichs. 5) XY-Betrieb zum direkten Vergleich von zwei Signalen Die interne S€gezahnspannung wird nicht benutzt. Stattdessen wird eines der Messsignale (meist Kanal 1) auf die X-Ablenkung gef‚hrt. Dies erm•glicht z.B. bei zwei Signalen gleicher Frequenz eine sehr genaue Kontrolle der Phasengleichheit. Seite 7 von 19 Labor Grundlagen der Elektrotechnik im Fachbereich Technik an der HS Emden-Leer Elektrische Nachrichtentechnik Versuch M-1 Multimeter und Oszilloskop Bedienungselemente eines Oszilloskops Ein Oszilloskop verf‚gt ‚ber viele Einstell- und Anschluƒm•glichkeiten, die je nach Bauart und Modell unterschiedlich sind. Bestimmte Grundeinstellungen sind in der Regel bei jedem Oszilloskop vorhanden. Bild 1.7 Bedienungselemente eines Oszilloskops (Frontansicht) Power Intens. Focus CAL. Illum. Hor.Ext. Ext. X-Pos. Y-Pos. Inv.I CHI/II Dual Alt/Chop Netzschalter Helligkeit des Schirmbildes Sch€rfe des Schirmbildes Anschluƒ zum Abgleichen eines Tastkopfes Zus€tzliche Beleuchtungsst€rke des Bildschirms XY-Betrieb Schalter f‚r die Externe Triggerung Einstellungsregler des Elektronenstrahls auf der X-Achse des Bildschirms Einstellungsregler des Elektronenstrahls auf der Y-Achse des Bildschirms Schalter erm•glicht invertierte Darstellung des Signals auf Kanal YI. Umschalter f‚r die Darstellung Kanal I oder Kanal II Zwei-Kanal-Betrieb Betriebsartenumschalter bei Zwei-Kanal-Betrieb, Addierfunktion der beiden Kan€le bei Ein-Kanal-Betrieb Slope +/- Umschalter f‚r die Triggerung auf positive oder negative Flanke Level Einstellregler f‚r die Triggerschwelle s/cm, ms/cm, ‰s/cm Einstellregler f‚r die X-Skalierung (Ablenkgeschwindigkeit) AC/DC/GD Signalankopplung: Wechselspannung/Gleichspannung/Ground V/cm, mV/cm Einstellregler f‚r die Y-Skalierung (Signalverst€rkung) Seite 8 von 19 Labor Grundlagen der Elektrotechnik im Fachbereich Technik an der HS Emden-Leer Elektrische Nachrichtentechnik Versuch M-1 Multimeter und Oszilloskop Inbetriebnahme Vor der Inbetriebnahme muƒ das Ger€t in seine Grundeinstellungen gebracht werden. * Alle Tasten haben sich in unbet€tigtem Zustand zu befinden. * Rot gekennzeichnete Drehkn•pfe sind in ihre kalibrierte Stellung zu bringen. Wenig sp€ter nach dem Dr‚cken des Netzschalters erscheint eine Linie auf dem Bildschirm. Im ung‚nstigsten Fall ist sie unscharf und dezentriert. * Durch das Drehen an den Kn•pfen f‚r Helligkeit (Intens.) und Sch€rfe (Focus), l€ƒt sich die Linie so ver€ndern bis sie scharf abgebildet wird. * Damit sich die Linie in der Bildschirmmitte befindet, sind die Drehkn•pfe f‚r horizontale (XPos.) und vertikale (Y-Pos.) Ablenkung entsprechend einzustellen. Dabei sollte der Umschalter f‚r die Signalankopplung auf Ground-Stellung(GD) stehen. Jetzt ist die Betriebsbereitschaft hergestellt. Alle weiteren Einstellungen sind von der jeweiligen Messung abh€ngig. Weitere Oszilloskoparten * * * Speicher-Oszilloskop, analog oder digital, um schnelle einmalige Signalabl€ufe festzuhalten Sampling-Oszilloskop, um sehr schnelle periodische Signale (bis einige 10GHz) darzustellen Digital-Oszilloskop mit A/D-Wandlung des Messsignals f‚r automatische bzw. vereinfachte Messungen von Signalparametern (Pegel, Frequenz, Zeitversatz) und Signalverarbeitung (Differenz-/Summensignal, Integrieren, Fourier-Analyse) und einfachen Anschluss an einen Rechner mit Signalverarbeitungssoftware und zur Dokumentation 1.1.3 Signalgeneratoren Die verwendeten Signalgeneratoren (auch als Funktionsgeneratoren bezeichnet) erzeugen perodische Signale und sind relativ einfache Ger€te mit wenigen Grundfunktionen: 1) Wahl der Signalform - Sinus - Dreieck - Rechteck, bipolar - Rechteck, unipolar - Gleichspannung 2) Wahl der Frequenz - Stufenschalter f‚r Bereiche (RANGE), Umschaltung in Dekaden Seite 9 von 19 Labor Grundlagen der Elektrotechnik im Fachbereich Technik an der HS Emden-Leer Elektrische Nachrichtentechnik Versuch M-1 Multimeter und Oszilloskop - Grobeinstellung mit groƒem Drehknopf auf Skala - Feineinstellung stufenlos (FREQ OFFSET) ‚ber -2% bis +2% - eingestellte Frequenz: Skalenwert Š RANGE-Wert + FREQ OFFSET 3) Einstellung des Signalpegels - variabel mit Drehknopf von MIN-Wert bis 30Vss - Abschw€chung mit Schalter ATTENUATION dB in zwei Stufen, 20dB und 40dB 4) Gleichanteil (DC OFFSET) zuschaltbar, Wert von -10V bis +10V einstellbar 5) Mit der Einrichtung VAR SYMMETRY kann die Signalform verzerrt werden. Z.B. kann das Tastverh€ltnis von Rechtecksignalen variiert werden. Die Funktion wird hier nicht gebraucht, der zugeh•rige Schalter ist auf AUS/OFF zu setzen ! Das folgende Bild zeigt die Frontseite eines Signalgenerators, der den im Labor vorhandenen Ger€ten sehr €hnlich ist. Frequenzanzeige Netzschalter Frequenzeinstellung Signalform w€hlen Signalpegel abschw€chen Signalpegel einstellen Signalausgang Bild 1.8 Signalgenerator, Frontansicht Seite 10 von 19 Labor Grundlagen der Elektrotechnik im Fachbereich Technik an der HS Emden-Leer Elektrische Nachrichtentechnik Versuch M-1 Multimeter und Oszilloskop 1.2 Allgemeines Åber elektrische Messtechnik Zu Empfindlichkeit und Messunsicherheit siehe Abschnitt 1.1.1 „Multimeter“. Entsprechendes gilt auch f‚r das Oszilloskop. Reproduzierbarkeit Wird eine Messgr•ƒe x mehrmals unter gleichen Bedingungen ermittelt, so stellt man fest, dass die Messwerte nicht immer v•llig gleich sind, auch wenn man eine beliebig kleine Ableseunsicherheit der Messwerte voraussetzt. Die Reproduzierbarkeit ist ein Maƒ f‚r die Genauigkeit, mit der eine Messgr•ƒe bei Wiederholungen ermittelt wird. Erfolgen die Messungen kurz hintereinander, kann in der Regel angenommen werden, dass sich systematische Messfehler nicht ver€ndert haben. Die Schwankungen der Messgr•ƒe sind dann auf zuf€llige Fehler zur‚ckzuf‚hren. Z.B. kann bei einer Personenwaage die Reibung im Messwerk zu leichten ‹nderungen der Messgr•ƒe f‚hren. Bei elektrischen Messger€ten ist die Reproduzierbarkeit meist sehr hoch. F‚r kurzzeitige Wiederholungen kann sie mit der Unsicherheit u gleichgesetzt werden. Erfolgen die Messungen in gr•ƒeren Zeitabst€nden, z.B. viele Stunden oder Tage, k•nnen ‹nderungen von Umgebungsbedingungen wie Temperatur oder Ver€nderungen im Messger€t selbst (Alterung) eintreten und das Messergebnis ver€ndern. Meist sind diese Langzeiteinfl‚ssse nicht bekannt und k•nnen daher auch nicht korrigiert werden. Bei langzeitigen Wiederholungen ist daher die Reproduzierbarkeit schlechter als bei kurzzeitigen. Seite 11 von 19 Labor Grundlagen der Elektrotechnik Elektrische Nachrichtentechnik Versuch M-1 Multimeter und Oszilloskop im Fachbereich Technik an der HS Emden-Leer 2. ArbeitsblÄtter fÅr die praktischen Versuchsanteile im Labor - - - in Originalgr•ƒe ausdrucken und ins Labor mitnehmen - - - 2.1 Messungen mit Multimetern 2.1.1 Empfindlichkeit und Ableseunsicherheit in verschiedenen Messbereichen Spannungsmessung Pr‚fen Sie bei den verwendeten analogen Multimetern die Eichung: (a) Messger€t nicht eingeschaltet, mechanischen Nullabgleich vornehmen. Erledigt [ ] (b) Messger€t eingeschaltet, elektrischen Nullabgleich vornehmen. Erledigt [ ] (4) Bauen Sie die folgende Messschaltung auf: F‚r U1 kann ein digitales Multimeter verwendet werden, f‚r U2 muss ein analoges verwendet werden. (8) Stellen Sie zun€chst beide Spannungsmesser auf den Messbereich 10V (soweit m•glich) ein und die Spannungsquelle so, dass genau U1 = 9V ist. (3) Bild 2.1 Messschaltung Spannungsmesser Notieren Sie den Messwert U2, die Ableseunsicherheit und die Empfindlichkeit des Messger€tes in ˆ/V. Messbereich/V 10V 30V 100V 300V U2/V Ableseunsicherheit /V Empfindlichkeit / ˆ/V Schalten Sie den Spannungsmesser U2 auf die Bereiche 30V, 100V und 300V um, stellen Sie U1 = 9V ein und notieren Sie den Messwert U2, die Ableseunsicherheit und die Empfindlichkeit. (16) Strommessung Bauen Sie die folgende Messschaltung auf: F‚r I1 kann ein digitales Multimeter verwendet werden, f‚r I2 muss ein analoges verwendet werden. (8) Stellen Sie zun€chst beide Strommesser auf den Messbereich 10mA ein und die Spannungsquelle U so, dass genau I1 = 9mA ist. (3) Bild 2.2 Messschaltung Strommesser Seite 12 von 19 Labor Grundlagen der Elektrotechnik Elektrische Nachrichtentechnik Versuch M-1 Multimeter und Oszilloskop im Fachbereich Technik an der HS Emden-Leer Notieren Sie den Messwert I2 , die Ableseunsicherheit und die Empfindlichkeit des Messger€tes in ˆ/mA. Messbereich/mA 10mA 100mA 1A Schalten Sie den I /mA 2 Ableseunsicherheit /mA Empfindlichkeit / ˆ/mA Strommesser I2 auf die Messbereiche 100mA und 1A um, stellen Sie I1 = 9mA ein und notieren Sie wieder den Messwert I2 , die Ableseunsicherheit und die Empfindlichkeit. (12) 2.1.2 Eigenwiderstand von Spannungs- und Strommesser Spannungsmesser Bauen Sie die folgende Messschaltung auf: (Die Multimeter k•nnen digitale oder analoge sein.) (6) Stellen Sie die Quellenspannung U0 auf maximal 30V ein. Notieren Sie den Strom I und die Spannung U und bestimmen Sie daraus den Eigenwiderstand RU des Spannungsmessers. U/V I / ‰A Bild 2.3 Messschaltung Eigenwiderstand des Spannungsmessers RU / (8) Strommesser Bauen Sie die folgende Messschaltung auf: (Die Multimeter k•nnen digitale oder analoge sein.) (10) Stellen Sie mittels der Quellenspannung U0 den Strom auf I = 10mA, 0,1A und 1A ein. Notieren Sie die Spannung U und bestimmen Sie daraus den Eigenwiderstand RI des Strommessers. Bild 2.4 Messschaltung Eigenwiderstand des Strommessers I / mA 10 100 1000 U/V RI / (15) Seite 13 von 19 Labor Grundlagen der Elektrotechnik Elektrische Nachrichtentechnik Versuch M-1 Multimeter und Oszilloskop im Fachbereich Technik an der HS Emden-Leer 2.1.3 Spannungsmessung an einem Spannungsteiler A) Spannungsteiler einstellen F‚r den Versuch wird ein vorgefertigtes Modul benutzt, das folgenden Schaltungsaufbau hat: Stellen Sie das Potentiometer (Poti) so ein, dass die Teilwiderst€nde RAC und RBC genau gleich groƒ sind. Daf‚r soll ein Widerstandsmesser (im Multimeter) benutzt werden. Messwerte: RAC = und RBC = (6) Achtung: man darf nur ein und denselben Widerstandsmesser benutzen ! B) Spannungsteiler vermessen Bauen Sie die Schaltung nach Bild 2.6 auf. (3) Bei korrektem Abgleich nach (A) sollten die Teilspannungen UCA und UCB genau halb so groƒ wie die Gesamtspannung UAB sein. Stellen Sie zuerst mit Hilfe des Spannungsmessers UAB = 10V ein. Messen Sie jetzt mit dem gleichen Spannungsmesser die Teilspannungen. Messwerte: UCA = UCB = (6) Bild 2.6 Spannungsteiler-Messschaltung 2.2 Messungen mit Oszilloskop 2.2.1 Messung von Amplituden Kanal 1 des Oszilloskops wird an den Signalgenerator angeschlossen, Kanal 2 wird nicht benutzt. Parallel zum Kanal 1 wird ein Spannungsmesser f‚r Wechselspannung angeschlossen. (8) Einstellungen am Oszilloskop: Verst€rkung auf 0,1V/cm*), Zeitaufl•sung auf 0,5ms/cm*), Eingangskopplung auf AC. (6) Einstellung des Generators: Sinus; 500Hz; Pegel so, dass 0,4V Amplitude auf dem Oszilloskop angezeigt werden. (7) Messwert vom Spannungsmesser ablesen und in die Tabelle eintragen. Seite 14 von 19 Labor Grundlagen der Elektrotechnik Elektrische Nachrichtentechnik Versuch M-1 Multimeter und Oszilloskop im Fachbereich Technik an der HS Emden-Leer Signalform Sinus Amplitude /Oszilloskop 0,4V Wechselspannung /V Dreieck 0,4V Rechteck 0,4V Wiederholen Sie die Messung f‚r Dreieck- und Rechtecksignale! (7) 2.2.2 Einfluss der Signalfrequenz Verwenden Sie den Aufbau von der vorigen Aufgabe. Signalform: Sinus; Pegel: 0,4V Amplitude; Frequenz: 50Hz. Notieren Sie den Messwert des Spannungsmessers in der Tabelle. (5) Lassen Sie den Generatorpegel unver€ndert. Wiederholen Sie die Messung f‚r die Frequenzen 500Hz, 5kHz, 50kHz, 500kHz und 5MHz. Notieren Sie die Amplitude auf dem Oszilloskop und den Messwert des Spannungsmessers. (20) Frequenz Amplitude /Oszi. Wechselspanng./V 50Hz 0,4V 500Hz 5kHz 50kHz 500kHz 5MHz Suchen Sie die Frequenzen, f‚r die der Messwert des Spannungsmessers um 1dB bzw. um 6dB bezogen auf den Wert bei 50Hz abgefallen ist. Gemessene Frequenz f‚r –1dB: Gemessene Frequenz f‚r –6dB: (10) *) Man achte darauf, dass die Einstellungen kalibriert (d.h. g‚ltig) und die Grundeinstellungen durchgef‚hrt sind! (ges171) Seite 15 von 19 Labor Grundlagen der Elektrotechnik Elektrische Nachrichtentechnik Versuch M-1 Multimeter und Oszilloskop im Fachbereich Technik an der HS Emden-Leer 3. Auswertung der praktischen Versuche (Hausarbeit) Die folgenden Seiten sind nur die Aufgabenstellung, kein Eingabeformular fÅr Ergebnisse! 3.1 Messungen mit Multimetern 3.1.1 Empfindlichkeit und Ableseunsicherheit in verschiedenen Messbereichen Spannungsmessung U2 in V Die Messwerte f‚r U2 , Ableseunsicherheit und Empfindlichkeit sind in Abh€ngigkeit vom Messbereich graphisch darzustellen. Dazu sind drei Diagramme mit jeweils gleicher Skalierung der x-Achse mit logarithmischer Einteilung anzufertigen. ( 23) 10 9,8 9,6 9,4 9,2 9 8,8 8,6 8,4 8,2 8 Muster 1 10 100 Messbereich in mV 1000 Hinweise: Das abgebildete Diagramm wurde mit MS Excel erzeugt. Diagrammtyp: Punkt(X,Y) (mit OpenOffice: (X,Y) ) Die Skalierungen der Achsen k•nnen nach Doppelklick direkt auf die jeweilige Achse erreicht werden, indem die Karte „Skalierung“ ausgew€hlt wird. Bild 3.1 Muster f‚r Diagramm mit logarithmisch eingeteilter x-Achse Strommessung Erstellen Sie Diagramme entsprechend der Spannungsmessung f‚r I2, Ableseunsicherheit und Empfindlichkeit. Beschreiben Sie die Ergebnisse der graphischen Darstellungen in Stichworten. Welche Merkmale kann man an der Darstellung (6) - der Spannung U2 bzw. des Stromes I2 der Ableseunsicherheit (6) - der Empfindlichkeit (6) in Abh€ngigkeit vom Messbereich erkennen? Seite 16 von 19 (23) Labor Grundlagen der Elektrotechnik Elektrische Nachrichtentechnik Versuch M-1 Multimeter und Oszilloskop im Fachbereich Technik an der HS Emden-Leer 3.1.2 Eigenwiderstand von Spannungs- und Strommesser Welchen Eigenwiderstand sollte ein idealer Spannungsmesser bzw. ein idealer Strommesser haben? (6) In der Schaltung nach Bild 3.1 soll die Spannung U2 gemessen werden. Wie groƒ w€re U2 ohne den Spannungsmesser? (3) Wie groƒ wird der absolute Messfehler U2 , und wie groƒ wird der relative Messfehler fU2 durch den Einbau des Spannungsmessers aus dem Laborversuch? (10) Bild 3.1 Spannungsmessfehler In der Schaltung nach Bild 3.2 soll der Strom I gemessen werden. Wie groƒ w€re I ohne den Strommesser? (3) Wie groƒ wird der absolute Messfehler , und wie groƒ wird der relative Messfehler fI durch den Strommesser aus dem Laborversuch? (10) Bild 3.2 Strommessfehler 3.1.3 Spannungsmessung an einem Spannungsteiler Die folgenden Fragen beziehen sich auf die Messschaltung von Bild 2.6. Der besondere Umstand, dass beide Teilwiderst€nde gleich sind, sei aber nicht bekannt. Kann man den wahren Wert der Teilspannung UCB (ohne Verf€lschung durch den Spannungsmesser) ausrechnen, wenn man den Eigenwiderstand des Spannungsmessers und (A) nur den Messwert UCB kennt, (B) den Messwert UCB und die Gesamtspannung UAB kennt? Seite 17 von 19 (4) (8) Labor Grundlagen der Elektrotechnik Elektrische Nachrichtentechnik Versuch M-1 Multimeter und Oszilloskop im Fachbereich Technik an der HS Emden-Leer 3.2.1 Messungen von Amplituden Berechnen Sie aus den Messwerten f‚r Sinus-, Dreieck- und Rechtecksignal das Verh€ltnis von Amplitude (Oszilloskop) zu Spannungspegel (Multimeter) und tragen Sie es in eine Tabelle ein: (9) Muster Signalform Sinus Amplitude/Spannungspegel Theoretisch erwartetes Verh€ltnis Ampl./Spanng. Dreieck Rechteck Erg€nzen Sie die Tabelle mit den theoretisch zu erwartenden Pegelverh€ltnissen. (7) 3.2.2 Einfluss der Signalfrequenz Stellen Sie alle Messwerte der Amplitude (Oszilloskop) und des Spannungspegels (Multimeter) auch die beiden Werte f‚r 1dB und 6dB Abfall - in einem Diagramm dar! (4+8) Spannung /V Muster 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 Frequenz /kHz Amplitude Pegel /Multimeter Frequenzachse logarithmisch unterteilt. 136 Seite 18 von 19 Labor Grundlagen der Elektrotechnik Elektrische Nachrichtentechnik Versuch M-1 Multimeter und Oszilloskop im Fachbereich Technik an der HS Emden-Leer Elektrotechnik und Informatik PRAKTIKUM Elektrische Nachrichtentechnik VERSUCH M - 1 Multimeter und Oszilloskop Versuchsanleitung / Aufgabenstellung Gruppe: Teilnehmer: Name Matr.-Nr. ................................................................. ................................. ................................................................. ................................. ................................................................. ................................. Testat 1 (Versuchsdurchf‚hrung): Datum: Testat 2 (Bericht): Seite 19 von 19
