Oszilloskop - Uni Regensburg/Physik

Oszilloskop
Oszilloskop
1. Einführung
Das Oszilloskop ist ein universelles Messgerät für Ströme und Spannungen und das Instrument
zum Sichtbarmachen des Zeitverlaufes von Messgrössen und Signalen verschiedener Formen
und Phasenlagen. In diesem Versuch soll der Umgang mit diesem wichtigen Gerät geübt
werden.
1.1. Lernziele
Sie sollen sich mit dem prinzipiellen Aufbau des Gerätes und Begriffen wie Zeitablenkung,
Triggerung, Verstärkung und deren physikalischem Hintergrund vertraut machen.
Anhand einiger Versuche, wie Messung von Gleichspannungen (DC) und Wechselspannungen (AC), Frequenzmessungen und Phasenwinkelbestimmung sollen Sie die Handhabung des Oszilloskops üben und sich mit sämtlichen Bedienelementen an ihm vertraut
machen.
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2. Vorbereitung
2.1. Beschreibung des Oszilloskops
Hauptbestandteil des Oszilloskops ist die Braun'sche oder Kathodenstrahl-Röhre (Abb. 1).
Aus einer Glühkathode austretende Elektro-nen werden durch eine elektrostatische Linse
und die Beschleunigung zur Anode zu einem engen Strahl gebündelt. Dieser durchläuft ein
horizontales und ein vertikales elektrisches Feld, die durch zwei Plattenpaare erzeugt
werden, und trifft schliesslich einen Leuchtschirm, auf dem er als Punkt sichtbar wird. Die
Position des Leuchtpunktes ist ein Mass für die an den Plattenpaaren anliegenden
Spannungen.
Bedienelemente:
Helligkeit: Die Helligkeit des Leuchtpunktes kann mit dem Regler "Intensity" gesteuert
werden. Die Schärfe des Leuchtflecks wird mit dem Knopf "Focus" eingestellt.
Horizontalablenkung: Das horizontale Ablenkung wird entweder durch eine von aussen anschliessbare Spannung (x-Eingang) oder durch eine interne zeitvariable Spannung erzeugt.
Diese hat einen sägezahnförmigen Zeitverlauf (auch „Kippschwingung“ genannt), so dass
der Leuchtpunkt gleichmässig von links nach rechts über den Bildschirm wandert und dann
schnell an den Anfangspunkt zurück springt. Die Geschwindigkeit dieser Bewegung wird mit
dem Schalter “Time/Div“ gewählt. Bei schneller Bewegung entsteht der optische Eindruck
einer Linie (Zeitlinie). Den Anfangspunkt der Linie verschiebt man mit dem Regler “X Pos“.
Vertikalablenkung: Durch Anlegen einer Spannung am Y-Eingang wird das Vertikalfeld und
damit die vertikale Position des Leuchtfleckes bestimmt. (Das Zweikanaloszilloskop besitzt
zwei solcher Eingänge, “YA“ oder Channel I und “YB“ oder Channel II, und diese werden
schnell abwechselnd eingeschaltet, so dass die Spannungen beider Eingänge "gleichzeitig"
zu sehen sind.) Da die Horizontalablenkung zeitproportional ist, erhält man auf dem Schirm
ein getreues Bild vom Zeitverlauf der angelegten Spannung. Durch den Schalter “YA V/cm“
kann man z. B. einstellen, wieviel Volt an der Buchse “YA“ den Strahl um einen Skalenteil
(„DIV“) vertikal auslenkt. Ist der Schalter “AC-DC“ in Stellung “AC“, so wird nur der Wechselspannungsanteil der angelegten Spannung dargestellt.
Triggerung: Das Verständnis der Triggerung stellt eine Schlüsselfunktion beim Umgang mit
dem Oszilloskop dar.
In Abb. 2 ist der zeitliche Verlauf der (internen) X-Ablenkung dargestellt. Wir legen jetzt in YRichtung ein periodisches Signal, z.B. eine sinusförmige Spannung, an. Da seine Frequenz
im Allgemeinen nicht mit der internen Zeitablenkfrequenz übereinstimmt, würde der Leuchtpunkt nach jedem Zurückspringen bei einer anderen Phase des Sinussignals beginnen und
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eine andere Kurve malen. Durch einen Trick, ,„Triggerung“ genannt, kann man aber erreichen, dass alle Sinuskurven aufeinander geschrieben werden, d.h. ein „stehendes Bild“ entsteht. Dazu lässt man den Sägezahngenerator nicht mit seiner eigenen Periode schwingen
(wohl aber mit der eingestellten Steigung!), sondern lässt die X-Ablenkung immer erst
anfangen, wenn das Y-Signal einen mit „Level“ einstellbaren Schwellwert in einer bestimmten Richtung (wählbar mit dem “+/-“ Schiebeschalter) überschreitet.
Externe Horizontalablenkung: Das Oszilloskop besitzt eine X-Y Drucktaste. Ist sie gedrückt,
dann wird das Signal am YB-Eingang (CH.II) zur X-Ablenkung anstelle der Sägezahnspannung benutzt. Die Kurve auf dem Schirm ist nun eine zweidimensionale Darstellung von
zwei Spannungen, und man kann z.B. Lissajous-Figuren darstellen.
2.2. Aufgaben
Machen Sie sich durch Nachlesen vertraut mit den Begriffen:
Schwingungen, Schwingungsdauer, Frequenz, Phase, Amplitude, Scheitelwert,
Überlagerungen zweier Schwingungen, Lissajousfiguren [2].
Kathodenstrahlen, Glühemission, Feldemission.
Kraftwirkung eines elektrischen Feldes auf Ladungsträger [1].
Braunsche Röhre, Kippspannung, “Darstellung eines zeitlichen Nacheinander als räumliches
Nebeneinander“: [1], [2].
2.2.1. Literatur
[1] W.H. Westphal, Lehrbuch über Experimentalphysik, S. 358,
84 UC 128
[2] W. Walcher, Physikpraktikum, S. 232 in Auflage 3,
84 UC 40
[3] Kuchling, Taschenbuch der Physik, Seite 299
84 UC ....
[4] Beschreibung des Oszilloskops (liegt am Versuch aus)
2.2.2. Testfragen
2.2.2.1. Wie kann man Elektronen aus einer Kathode auslösen? Was geschieht, wenn
dabei überhaupt kein elektrisches Feld anliegt?
2.2.2.2. Erklären Sie das Prinzip der Braun'schen Röhre. Um den Verlauf eines Signals
zeitproportional darzustellen, ist ein bestimmter Spannungsverlauf der x-Ablenkung nötig. Stellen Sie diesen dar!
2.2.2.3. Zeichnen Sie die Lissajousfiguren
[ x t =x 0 sinωx t  ; y t =y 0 sinωy t  ] für
x =y und x 0= y 0 punktweise für =0 , = / 4 , =/ 2 und = .
2.2.2.4. Zeichnen Sie die Lissajousfiguren für x =2 y
bei einer Anfangsphasendiffe-
renz =0 .
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2.2.2.5. Was versteht man unter dem Effektivwert einer Wechselstromgrösse?
2.3. Versuchsdurchführung
Geräte:
Oszilloskop (Hameg HM 203-5)
Multimeter (Metravo)
Tastkopf 10:1
Satz Trockenbatterien
Signalquelle: Funktionsgenerator (Hameg)
Photoelement (PA 0568)
Frequenzzähler, integriert in Funktionsgenerator
Mikrophon
Netzgerät (RIM)
Stimmgabel
2.3.1. Inbetriebnahme
Mit folgender “Checkliste“ kann eigentlich nichts schief gehen:
Oszilloskop einschalten, mindestens zwei Minuten aufwärmen lassen. Leuchtspur oder
Leuchtfleck suchen und die Helligkeit mit Intensity-Knopf einstellen.
Achtung: Die Helligkeit des stehenden Stahles (Leuchtfleck) darf nie zu gross sein, da
sonst auf dem Leuchtschirm ein blinder Fleck eingebrannt wird.
Grösste “V/div.“ wählen.
Signalquelle anschliessen. Empfindlichkeit so einstellen, dass auch die Signalspitzen
oben und unten noch sichtbar sind.
“Time/Div“ so einstellen, dass eine oder wenige Perioden des Signals den Bildschirm so
weit wie möglich ausfüllen.
Bei Unsicherheit Betreuer fragen.
2.3.2. Das
als
Oszilloskop
Gleichspannungs-
messer
Messung von verschiedenen
Gleich-
spannungen und Überprüfung der Linearität
der y-Ablenkung.
Messen Sie die Batteri- Abbildung 1: Schaltskizze zur Gleichspannungsmessung
en einzeln und in Reihe, notieren Sie die Einzelspannungen Ue und Uges, die Sie am Oszilloskop ablesen.
Überprüfen Sie Ihr Ergebnis mit einem Multimeter.
Was können Sie über die Linearität der y-Ablenkung aussagen. Welcher Strom fliesst maOszilloskop
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ximal, wenn der Eingangswiderstanddes Oszilloskops Ri = 1 MΩ ist? Vergleichen Sie mit
dem Innenwiderstand des Multimeters.
2.3.3. Beobachtung verschiedener Signalformen.
Legen Sie den Ausgang der
Signalquelle (Pulsgenerator)
an den y-Eingang des Oszilloskops. Stellen Sie die yAmpl. auf 5 V/div. Wählen
Sie
die
Zeitablenkung Abbildung 2: Schaltung zur Beobachtung verschiedener Signal-
(time/div) je nach einge- formen
stellter
Frequenz
auf
passenden Wert, AC-Kopplung, Trigger auf „intern“.
Beobachten Sie die dargestellten Bilder. Vergleichen Sie die Flankensteilheit des Rechtecks mit der für das Oszilloskop angegebenen Grenzfrequenz.
2.3.4. Messung der Intensitätschwankung von Leuchtstoffröhren
Ausgang des Photoelementes an dem y-Eingang des Oszilloskops.
Einstellungen: y-Ampl. auf 10mV/div. Triggertaste auf „Normal“, AC-Kopplung.
Messen Sie die Frequenz der Intensität der Leuchtstoffröhren über dem Arbeitsplatz, indem Sie das Photoelement in Richtung der Lampen halten. Welche Form hat die am
Schirm beobachtete Kurve?
Sie wissen, dass die Lampen des Raums mit der Netzfrequenz von 50 Hz betrieben
werden. Wie können Sie sich die von Ihnen gemessene Frequenz erklären?
2.3.5. Akustische Signale
Bestimmen Sie die Frequenz einer Stimmgabel oder einer anderen Schallquelle (Stimme).
Es wird dazu ein Mikrophon an das Oszilloskop angeschlossen.
2.3.6. Lissajous-Figuren
Sie sollen “unbekannte“ Frequenzen durch Vergleich mit der Netzfrequenz aus der Anzahl
der Knoten der Lissajous-Figuren bestimmen.
Aufbau (siehe Abb. 5)
An den x-Eingang (Ch.II mit gedrückten Knopf X-Y) wird der Frequenzgenerator mit parallelgeschaltetem Frequenzzähler angeschlossen, der Wechselspannungsausgang des
Netzgerätes kommt auf den Y-Eingang. Verwenden Sie den 4 V Wechselspannungsausgang des Netztrafos oder einen zweiten Sinusgenerator.
Einstellungen: Y-Ampl. auf 2 V/div., AC-Kopplung, Triggerung auf „Extern“ stellen, Zeitabl.
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Abbildung 3: Erzeugung von Lissajous - Figuren.
und „AT/Normal“-Knopf sind egal.
Bestimmen Sie aus der Anzahl der Knoten der Lissajousfiguren die am Frequenzgenerator eingestellte Frequenz (ganzzahlige Vielfache von 50 Hz). Überprüfen Sie die Skala
des Frequenzgenerators und die Kalibrierung des Frequenzzählers. Beobachten und skizzieren Sie die Lissajous-Figuren mit Frequenzverhältnissen von 1:1, 1:2 und 1:3 mit jeweils gleicher Phase.
In der folgenden Abb. 6 sind die Figuren für verschiede Frequenzverhältnisse und Phasenlagen dargestellt.
Abbildung 4: Lissajous-Figuren mit unterschiedlichen Frequenzverhältnissen f1 : f2 und Phasen ∆φ.
Vergleichen Sie Ihre skizzierten Figuren mit ihnen, versuchen Sie alle Figuren zu reproduzieren und diskutieren Sie die Topologie (Anzahl der Knoten ...).
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