Versuch 13: Elektronenstrahloszilloskop

Versuch 13: Elektronenstrahloszilloskop
Der Versuch vermittelt eine Einführung in die Funktionsweise des Elektronenstrahloszilloskops
anhand der wichtigsten Anwendungsmöglichkeiten dieses in der Messtechnik sehr vielseitig eingesetzten Gerätes. Als Beispiele werden zeitlich periodische Spannungsverläufe registriert, das
Differenzier- und Integrierverhalten von RC-Gliedern untersucht, die Kennlinie einer Diode aufgenommen und die Zeitdauer kurzer Impulse bestimmt.
Vorkenntnisse
Braunsche Röhre - Wirkung von elektrischen und magnetischen Feldern auf bewegte Ladungen
(Lorentzkraft) - Sägezahnspannung - Synchronisierung - Triggerung - Schwingungen (Überlagerung) - Lissajous-Figuren - Parallel- und Serienschaltung von Kondensator und Widerstand
(Zeitkonstante) - Halbleiterdiode
Physikalische Grundlagen
Aufbau und Funktionsweise des Oszilloskops
Im folgenden wird der Aufbau und die Funktion des Elektronenstrahloszilloskops im Zusammenhang mit der Bedienung des im Versuch benutzten Gerätes besprochen. Es handelt sich
um ein Zweikanalgerät von HAMEG (siehe Abbildung und Kurzanleitung, je nach Modell kann
die Anordnung der Bedienelemente leicht variieren, die Funktionen sind für alle Oszilloskope
fast identisch.). Zur weiteren Information ist es notwendig, die am Versuchsplatz ausliegende
Betriebsanleitung zu lesen.
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Versuch 13: Elektronenstrahloszilloskop
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Versuch 13: Elektronenstrahloszilloskop
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Das Strahlerzeugungssystem
Das Herzstück des Oszilloskops ist die Kathodenstrahlröhre (Braunsche Röhre - hier in der
Aufsicht zu sehen).
Das nebenstehende Bild zeigt das Schema des Strahlenerzeugungssystems. Die Elektronenquelle ist die
Kathode K. Durch eine Glühwendel wird ein mit
Barium- und Strontiumoxiden beschichteter Zylinder
auf ca. 1200 K erhitzt, so dass Elektronen emittiert
werden können (Glühemission).
Koaxial zur Kathode sind vier zylindrische Elektroden angebracht, die Schutzschirme mit runden Öffnungen enthalten. Die Elektrode G1 (Wehnelt-Zylinder) liegt auf einem Potential, das
5 bis 20 V niedriger ist als die Kathodenspannung. Dadurch entsteht ein elektrisches Feld, das
die Elektronen zur Kathode zurück- und in die Mitte zusammendrängt. Durch Verändern dieser Spannung kann die Anzahl der Elektronen, die durch die Öffnung in G1 hindurch treten,
beschränkt und die Intensität des Strahles geregelt werden.
Die Elektrode G2 ist mit A2 verbunden und beide liegen auf einer Spannung U2 von einigen hundert bis tausend Volt gegen K. Das sich ergebende elektrische Feld beschleunigt die Elektronen
längs der Röhrenachse. Die Spannung U1 zwischen der Elektrode A1 und K ist geringer als U2 .
Die sich zwischen G2 und A1 und zwischen A1 und A2 ergebenden elektrischen Felder dienen der
Strahlfokussierung. Die durch G1 in verschiedene Richtungen austretenden Elektronen werden
somit zu einem schmalen parallelen Strahl zusammengeführt, dessen Durchmesser hauptsächlich
durch den Durchmesser der Öffnung von G1 bestimmt wird. Die richtige Fokussierung beruht
im wesentlichen auf einer geeigneten Wahl von U1 und U2 , wobei das Verhältnis U1 /U2 einen
bestimmten Wert hat.
Das Ablenksystem
Nach dem Verlassen des Erzeugungssystems geht der Elektronenstrahl zwischen zwei Paaren von
Ablenkplatten hindurch. Das Anlegen einer Spannung an irgendeines dieser beiden Plattenpaare erzeugt ein transversales elektrisches Feld, das den Strahl in Richtung der Platten ablenkt.
Schließlich fällt der Elektronenstrahl mit großer Geschwindigkeit auf einen mit einer fluoreszierenden Schicht bedeckten Leuchtschirm. Zur Vermeidung elektrostatischer Aufladung des Schirms
ist hinter der Leuchtschicht noch eine Metallschicht aufgedampft, die auf positivem Potential
liegt und zur Ableitung der Elektronen nach ihrer Abbremsung dient.
In der Mehrzahl der Anwendungen wird das Elektronenstrahloszilloskop zur Darstellung zeitlicher Spannungsverläufe U (t) verwendet. Die folgende Abbildung zeigt ein Blockschaltbild des
Oszilloskops.
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Versuch 13: Elektronenstrahloszilloskop
U (t) wird an die y-Platten (Vert. Input I oder II) gelegt. Die Verstärkung kann in Stufen (großer Knopf Ampl. I oder II) und fein (kleiner Knopf) geregelt werden. Die beschriftete
Kalibrierung gilt nur bei eingerastetem Feinregler. Zur Darstellung der Funktion U (t) auf dem
Leuchtschirm wird der Elektronenstrahl außerdem gleichzeizeitig in x-Richtung von einer mit der
Zeit linear ansteigenden Spannung (Sägezahnspannung) abgelenkt, die von einem eingebauten
Zeitablenkgenerator geliefert wird.
DC
Y-Eingang
Y-Verstärker
C AC
GD
INT
EXT
Sägezahngenerator
Triggereingang
DC
X-Eingang
X-Verstärker
C AC
X-Y - Betrieb
GD
Nach Durchlaufen einer Bildbreite wird diese Spannung sehr rasch auf −Umax gesenkt, so dass der
Leuchtpunkt in die Ausgangslage zurückkehrt; anschließend folgt wieder der linear ansteigende
Teil, d. h., an den x-Platten liegt eine sog. Sägezahnspannung, deren Kippfrequenz grob (kalibriert, Timebase) und fein (nicht kalibriert, Variable) geregelt werden kann. Die Kalibrierung
gilt nur, wenn der Knopf Variable auf Cal gestellt ist. Hierbei kann mit dem Schalter Trig. I/II
gewählt werden, welcher der Eingänge Vert. Input I oder II den Zeitablenkgenerator auslösen
soll.
Um den Signalverlauf genau betrachten zu können, muss das Bild „stehen“, d. h. der Start der
x-Ablenkung muss immer an ein und demselben Signalpunkt erfolgen („Triggern“). Dies geschieht
entweder, indem man von außen eine geeignete Fremdspannung an die Buchse Trig Ext legt,
etwa einen mit dem Beginn des zu registrierenden Vorgangs zusammenfallenden Spannungsimpuls, der den Sägezahngenerator anstößt, oder man verwendet das y-Signal selbst dazu (der
HAMEG 203 bietet dazu mehrere Varianten, siehe Kurzbeschreibung). Dabei kann die Triggerung durch zeitlich ansteigende oder abfallende Spannungen bewirkt werden (Taste +/–). Damit
der Ablenkvorgang startet, muss ein bestimmter Spannungswert Us überschritten werden, der
mit dem Regler Level einstellbar ist. Im gebräuchlichsten Betrieb benutzt man die automatische
Triggerung (Schalter AT/Norm).
Im x-y-Betrieb müssen die Signale über die beiden y-Eingänge zugeführt werden. Die am rechten
Eingang (Hor. Inp.) liegende Spannung bewirkt dann die Horizontalablenkung, sofern die Taste
X-Y gedrückt ist.
Wechsel- und Gleichspannungsbetriebsart
Das Oszilloskop eignet sich auch zur Darstellung von Wechselspannungen, die einer Gleichspannung überlagert sind. Steht der Schalter AC/DC auf Stellung AC (alternating current: Wechselstrom), so wird die zu registrierende Spannung über einen in Reihe geschalteten Kondensator
C0 an den y-Verstärker gegeben. Die Gleichspannung wird dadurch unterdrückt und nur die
überlagerte Wechselspannung wird auf dem Bildschirm sichtbar. Im Betrieb DC (direct current:
Gleichstrom) ist der Kondensator überbrückt, die gesamte Spannung wird verstärkt und das
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Versuch 13: Elektronenstrahloszilloskop
Bild auf dem Schirm ist daher um die der Gleichspannung entsprechende konstante Ablenkung
nach oben (+) oder unten (–) verschoben. Bei allen Messungen muss beachtet werden, dass die
Abschirmung der BNC-Eingangsbuchsen des Oszilloskops mit der Gerätemasse und damit mit
dem Schutzleiter verbunden sind.
Experiment
Vorbereitende Aufgaben
Wie sieht das U (t)-Diagramm an den x-Platten aus und wie läßt sich dieser Spannungsverlauf
mit einfachen Mitteln (z. B. RC-Glied mit Glimmlampe) technisch realisieren? Wie berechnet
sich hierbei die Ablenkzeit?
Ein scharf gebündelter Elektronenstrahl durchläuft ein beschleunigendes elektrisches Feld E1
(Abbildung nächste Seite). Die Elektronen verlassen den Raum zwischen den Platten A und B
mit der Geschwindigkeit v0 , wenn die Geschwindigkeit der von der Wendel W emittierten Elektronen vernachlässigbar klein angenommen wird. Wie groß ist v0 , wenn der Abstand zwischen A
und B gleich l ist? (Hinweis: Man benutze den Energiesatz.)
Danach treten die Elektronen in das Feld des Plattenkondensators C ein (Spannung an den Platten U , Abstand der Platten r, Breite des elektrischen Feldes d). Nach freiem Flug durch die
Strecke e treffen sie auf einen Leuchtschirm. Die Ablenkung des Leuchtflecks Y soll in Abhängigkeit von der Spannung U berechnet werden. Das unten stehende Zahlenbeispiel ist einzusetzen.
Wovon hängt die maximale Frequenz (d. h. die minimale Ablenkzeit an den x-Platten) ab?
Zahlenbeispiel:
E1
l
r
d
e
Y
=
=
=
=
=
=
5 · 103 V/cm
1 cm
1 cm
10 cm
30 cm
5 cm
+U/2
E1
W
Y
r
A
B
l
-U/2
e
d
Versuchsaufgaben
Es ist darauf zu achten, dass die Masse des Oszilloskops (schwarze Anschlüsse)
immer mit der Masse des Generators (ebenfalls schwarz) verbunden wird!
1. Auswirkungen der Tasten +/– und Level
Mit Hilfe des Sinusgenerators untersuche man bei getriggertem Betrieb die Wirkung der Taste
+/– und des Reglers Level. Die Beobachtungen sind im Protokoll zu skizzieren und kurz zu
diskutieren!
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2. Wechsel- und Gleichspannungbetriebsart
An einen der y-Eingänge des Oszilloskops wird eine mit
einer Gleichspannung überlagerte Rechteckspannung (ν ≈
1 kHz) gelegt. Die x-Ablenkung soll der interne Zeitablenkgenerator besorgen. Dazu das Signal an einen Eingang
geben und entsprechende Triggerung wählen. Die Taste
At/Norm auf At stellen.
Generator Uw
Gleichstromnetzgerät Ug
U Eing. Osko
Dann am Drehknopf Timebase eine geeignete Kippfrequenz einstellen, bis man ein stehendes
Bild erhält. Man skizziere und erkläre die Oszilloskopbilder bei den Stellungen AC und DC.
Beim Betrieb Dc zeigt der Schirm die Spannung
U = Ugleich + URechteck ,
beim Betrieb AC dagegen
U = URechteck .
Anschließend sind die Oszilloskopbilder für eine hohe (≈20 kHz) und eine sehr niedrige (≈10 Hz)
Wiederholungsfrequenz der Rechteckspannung zu skizzieren, und zwar jeweils für DC- und ACBetrieb. Man erkläre die auftretenden Unterschiede!
3. Externe Triggerung
Bei diesem Versuchsteil soll die externe Triggerung anhand gedämpfter Schwingungen eines Parallelschwingkreises verdeutlicht werden. Eine Parallelschaltung aus
Kondensator und Spule ergibt ein schwingungsfähiges
System (Warum? ). Nach dem Anstoß, z. B. durch kurzzeitiges Aufladen des Kondensators, treten sinusförmige
Schwingungen des Stromes und der Spannung auf.
Generator
Ext. Triggerung
R
B
L
C
R
Bei Anwesenheit eines ohmschen Widerstandes wird in diesem elektrische Energie in Joulesche
Wärme umgewandelt, so dass die Schwingungen gedämpft sind. Im Versuch wird der Parallelschwingkreis mit rechteckigen Spannungsimpulsen angeregt. Der dämpfende Widerstand kann
variiert werden. Der Widerstand RB ist eingefügt, um die Belastung und damit die Dämpfung
des schwingenden Kreises durch den niederohmigen Innenwiderstand des Rechteckgenerators herabzusetzen, d. h. abgesehen vom Ein- und Ausschaltvorgang selbst kann der Schwingkreis als vom
Generator entkoppelt angesehen werden. Man triggere die Spannungsverläufe am Kondensator
im Falle starker Dämpfung zum Vergleich auch intern. Welche Schwierigkeiten ergeben sich? Man
beachte: Erst durch die externe Triggerung kann der Spannungsverlauf bequem gemessen werden
und daraus die Frequenz der Schwingung ermittelt werden. Man skizziere die Fälle kleine/große
Dämpfung und ermittle die Schwingungsfrequenzen.
4. RC-Differenzier- und Integrierglieder
Die Messung 2 hat bereits gezeigt, dass Rechteckimpulse beim Durchgang durch RC-Glieder
verformt werden können. Dies soll hier systematisch untersucht werden. An ein Serien-RC-Glied
wird eine Rechteckspannung UE gelegt. Gefragt ist nach dem zeitlichen Verlauf von UR und UC .
Es gilt
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Versuch 13: Elektronenstrahloszilloskop
U
E
dUE
dI
I
=R·
+
dt
dt
C
Für den einfachen Verlauf von UE ist
dUE
=0
dt
U
I = e−t/RC · const
⇒
t
Mit der Anfangsbedingung I(t = 0) = I0 = UE /R ergibt sich I = I0 · e−t/RC . Dieser Strom
erzeugt an R die Spannung UR und am Kondensator C die Spannung UC
UR = UE · e−t/RC
,
UC = −UE · e−t/RC + const
Letzteres liefert wegen der Anfangsbedingung UC (t = 0) = 0:
UC = UE · (1 − e−t/RC )
Die Größe RC nennt man „Zeitkonstante“; sie ist gleich der Zeit, in der die Spannung UR auf
den 1/e-ten Teil abgesunken ist. Wird zur Zeit t1 die Spannung UE kurzgeschlossen, so findet
eine Entladung von C über R statt. Die Rechnung ergibt:
UR = −UE · e−(t−t1 )/RC
RC ~~ t1
U
E
RC >>t1
RC<<t1
t
U
E
U
R
t
U
C
t
t1
UC = UE · e−(t−t1 )/RC
,
t
U
E
U
R
t
U
R
t
U
C
t
U
C
t
t1
t1
t
Die Spannungsverläufe sind in der Figur eingezeichnet, wobei die Zeitkonstante im ersten Fall
in derselben Größenordnung wie die Impulsdauer t1 liegt. Von Interesse sind noch die beiden
Extremfälle RC ≫ t1 und RC ≪ t1 , bei denen das RC-Glied als Differenzier- bzw. Integrierglied
wirkt.
Im Fall RC ≪ t1 erfolgt die Aufladung des Kondensators so schnell, dass an R nur kurze
Spannungsspitzen auftreten, die „Differentiation“ des Rechteckimpulses. Formal folgt aus RC ≪
t1 → UR ≪ UC und
Z
Z
1
1
t1
UE =
Idt + IR ≈
Idt
wegen
R≪
C
C
C
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Versuch 13: Elektronenstrahloszilloskop
dUE
dUE
⇒ UR = R · C ·
dt
dt
Umgekehrt setzt im Fall RC ≫ t1 schon kurz nach Beginn der Aufladung wieder die Entladung
des Kondensators ein. Jetzt ist die Spannung UC die „Integration“ der Eingangsspannung. Formal
folgt aus RC ≫ t1 ⇒ UC ≪ UR . Damit gilt: UE ≈ I · R und
Z
Z
1
1
Idt =
UE dt
UC =
C
RC
⇒
I=C·
Für die Messung wird das RC-Glied des Kästchens „Phasenschieber“ verwendet. Nach dem Anlegen der Rechteckspannung des Generators beobachte man abwechselnd UR und UC am Oszilloskop (mit internen Triggerung).
Man schätze den maximalen Widerstand des Potentiometers ab, indem man aus dem Oszilloskopbild die Zeitkonstante RC bestimmt. Man skizziere für die Fälle
• RC ≫ t1
• RC ≈ t1
• RC ≪ t1
das Oszillogramm an R und C und diskutiere den Verlauf.
5. Aufnahme der Kennlinie einer Halbleiterdiode
Diese Messung ist ein Beispiel für den x-y-Betrieb. Als
Kennlinie eines Bauelementes bezeichnet man die Funktion I(U ). Sie läßt sich mit dem Oszilloskop mit nebenstehender Schaltung sofort vollständig aufzeichen. An die
x-Ablenkplatten wird bei externem Betrieb die Spannung
UD gegeben, die mit der Frequenz 50 Hz alle Werte von 0
bis ±U0 durchläuft.
X-Platten
UD
230 V
U=RID
Y-Platten
R
Der zugehörige Strom wird aufgezeichnet, indem man mit Hilfe eines ohmschen Widerstandes R
eine dem Strom proportionale Spannung an die y-Platten legt.
Nun läuft der Elektronenstrahl 50-mal in der Sekunde die gesamte Kennlinie durch, die als stehendes Bild auf dem Schirm erscheint. Man übertrage das Oszilloskopbild punktweise ins Protokoll.
Um die Koordinatenachsen mit dem richtigen Maßstab zu versehen, legt man die Spannungen UD
bzw. U = R · ID an den geeichten y-Eingang und bestimmt die wahren Werte (R ist angegeben).
Warum ist die Kennlinie gespiegelt?
6. Bestimmung der Umlaufgeschwindigkeit einer Rasterscheibe
Die Versuchsteile 6. und 7. können nicht gleichzeitig durchgeführt werden da die notwendigen
Baugruppen nur einfach zur Verfügung stehen. Eine Gruppe beginnt daher zweckmäßgerweise
mit Versuchsteil 6, die Andere mit Teil 7.
Eine motorgetriebene Rasterscheibe mit unregelmäßig angeordneten Schlitzen wird von einer
Lichtschranke beleuchtet. Die Lichtimpulse fallen dahinter auf ein Fotoelement und werden von
einer kleinen Schaltung in eine gut zu detektierende Spannung umgewandelt.
Das vom Fotoelement gelieferte Signal wird an den y-Verstärker gegeben und die Zeitablenkung
auf geeignete Zeitdehnung eingestellt. Für diese Messung wird die interne Triggerung verwendet.
Versuch 13: Elektronenstrahloszilloskop
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Man bestimme die Impulslänge τ , die Motorfrequenz ν und berechne die Umlaufgeschwindigkeit
sowohl aus dem Bild eines Spaltes als auch aus dem Bild eines Umlaufes. Wie große sind die
Fehler beider Methoden und warum unterscheiden sie sich?
7. Darstellung von Lissajous-Figuren
Durch die Verwendung beider Funktionsgeneratoren im x-y-Betrieb des Oszilloskops sollen Lissajous-Figuren dargestellt werden. Dazu ist eine sehr feine Einstellung der Frequenzen und Phasen
der beiden Signale notwendig. Die Frequenzen können direkt am Funktionsgenerator eingestellt
werden. Die Einstellung der Phasen kann nur indirekt erfolgen, indem für einen kurzen Moment
die Frequenz eines der beiden Funktionsgeneratoren leicht verstimmt wird. Dazu kann es bereits
ausreichen den Frequenzregler leicht zu berühren und einen kurzen Moment zu warten.
Ist die Einstellung einer fast ruhenden Lissajous-Figur bei kleinen oder großen Frequenzen einfacher? Wie groß muss die Frequenz in etwa sein, um ein echtes Bild zu erhalten und nicht nur
einen leicht zu verfolgenden Leuchtpunkt?
Stellen Sie die unten abgebildeten Lissajous-Figuren (Frequenzverhältnisse 1:1, 1:2, 1:3; Phasendifferenzen 0 und π2 ) auf dem Oszilloskop ein. Wie sehen die entsprechenden Figuren aus,
wenn eine Dreiecks- oder Rechteckspannung anstelle des sinusförmigen Signals verwendet wird?
Skizzieren und diskutieren Sie die entstehenden Figuren im Protokoll. Diskutieren Sie auch welche Frequenzen verwendet wurden und worin die Schwierigkeiten beim Einstellen eines stehenden
Bildes bestehen.