close

Anmelden

Neues Passwort anfordern?

Anmeldung mit OpenID

7. Oszilloskop

EinbettenHerunterladen
7. Oszilloskop
Autoren: Reinhard Guserle und Stephan Drexl
Version: 1.10.1997
26.1.1998AK
Dieser Versuch soll einen Einblick in die vielseitigen Anwendungsmoglichkeiten
dieses in der Metechnik unentbehrlichen Gerates bieten. Wichtigstes Ziel ist
das Erlernen der Handhabung des Megerates. Als Anwendungsbeispiel werden
anhand eines Motorstandes Frequenz- und Spannungsmessungen zur Drehzahlbestimmung und mittels verschiedener Sensoren eine Signalauswertung am Oszilloskop durchgefuhrt.
Literaturhinweise
K. Dransfeld, P. Kienle, H. Vonach, Physik 1-4, Oldenbourg
W.Bitterlich, Einfuhrung in die Elektronik, Springer
F. Kohlrausch, Praktische Physik und Lehrbuch der Physik, Band 2
Grundbegri e
Folgendes Grundwissen sollten Sie zum Versuch mitbringen:
Blockschaltbild des analogen Oszilloskops
Funktion der vertikalen Ablenkung
Funktion der Zeitablenkung
Funktion der Triggereinrichtung
7.1 Einleitung
In diesem Versuch geht es weniger um die Erklarung eines physikalischen Phanomens
oder eines Gesetzes, sondern mehr um das Kennenlernen und richtige Anwenden eines
in Technik und Wissenschaft weitverbreiteten Gerates.
Das Oszilloskop dient zur Darstellung elektrischer Signale, wobei meist die zeitliche
Veranderung eines Signals interessiert. Dabei ist die x-Achse die Zeitachse, und die
y-Achse ist die Spannungsachse. Das Oszilloskop scheint also zunachst fur einen jeden
wichtig zu sein, der sich mit elektrischen Schaltungen beschaftigt.
86
7.2 Allgemeine Grundlagen
87
Tatsachlich ist aber der Einsatzbereich eines Oszilloskops wesentlich groer. Mit Hilfe
der entsprechenden Umwandler lassen sich nahezu alle Phanomene in elektrische Signale umsetzen. Ein solcher Umwandler ist z.B. ein Mikrofon. Wir haben es hier mit einem
universell einsetzbaren Instrument zu tun, mit dem sich von Karosserieschwingungen
bis zu Gehirnstromen praktisch alles darstellen lat.
In den vergangenen Jahren haben sich digitale Oszilloskope gegenuber den herkommlichen, analogen Oszilloskopen am Markt immer mehr durchgesetzt. Wir haben deshalb
beschlossen, diesen Versuch mit einem Digitaloszilloskop durchzufuhren. Ein analoges
Oszilloskop konnen sie im Versuch Elektrik" kennenlernen.
Die Begri e, die Sie im folgenden kennenlernen werden, stammen jedoch zum groten
Teil aus der analogen" Welt. Es ist deshalb sinnvoll, wenn nicht unerlalich, zunachst
auf das analoge Oszilloskop einzugehen.
7.2 Allgemeine Grundlagen
7.2.1 Das Elektronenstrahl-Oszilloskop
Das Elektronenstrahl-Oszilloskop besteht im wesentlichen aus der Elektronenstrahlrohre, Verstarkern fur die Eingangssignale, einer Zeitablenkung und einer Triggereinrichtung.
Ziel ist die Sichtbarmachung des zeitlichen Verlaufes eines Spannungssignals. Beim
Elektronenstrahl-Oszilloskop erfolgt die Darstellung des Signals mit Hilfe eines Stromes von Elektronen, die beim Auftre en auf den Bildschirm ein Leuchten verursachen.
Das funktioniert also ahnlich wie beim Fernsehapparat oder beim Computerbildschirm.
Allerdings erfolgt die Ablenkung des Elektronenstrahls mit Hilfe elektrischer Felder und
nicht mit magnetischen. Da die Anzeige mittels eines abgelenkten Elektronenstrahls erfolgt, d.h. fast tragheitslos, sind schnell ablaufende Vorgange darstellbar. Genauere Details zur Funktion der Elektronenstrahlrohre nden Sie in Abschnitt 7.7. Zunachst sollen uns aber die in Bild 7.1 dargestellten Elemente der Elektronenstrahlrohre genugen.
Elektronenstrahl
,
,
,
,
,
r
,
,
x-Ablenkung
,
,
Schirm
,
y-Ablenkung
Bild 7.1:
Vereinfachte Funktionsweise einer Elektronenstrahlrohre.
Wir wollen die Groe unseres Mesignals in y-Richtung darstellen, d.h. wir legen das
Signal an den entsprechenden Ablenkplatten an. Naturlich mu das Signal so verstarkt
oder abgeschwacht werden, da wir die Groe des Bildschirms optimal ausnutzen.
Jetzt ist allerdings noch nichts zu erkennen, da wir den Strahl ja nur auf- und abwarts
bewegen. Wir stellen deshalb die Zeit entlang der x-Achse dar. Dazu mussen wir den
88
7. Oszilloskop
Elektronenstrahl zusatzlich in x-Richtung ablenken. Dazu erzeugen wir uns eine interne
zeitabhangige Ablenkspannung. Die Frage, wann wir beginnen, diese Ablenkspannung
zu aktivieren, wird uns zur Funktion der Triggereinrichtung fuhren. Das ist eine sehr
trickreiche Einrichtung, deren Funktion Anfangern oft Probleme macht.
Bild 7.2 zeigt schematisch alle Elemente die wir im folgenden besprechen werden.
CH2 b
input
CH1 b
input
r
acb
dcb
b
-
b
r
GND
acb
dcb
b
GND
HH
b
VOLT DIV
b
-
HH
xy-Mode
,,
,
r
Schalter
Schirm
b
-
b
b
b
Ext.Trig. b
Eingang
Bild 7.2:
Input CH1
Mode CH2
ALT
CHOP
ADD
VOLT DIV
r
Triggerquelle
Trigger SagezahnCH1b b
Filter
generator
CH2b
LINEb
DC
AUTO
EXTb
LF REJ
NORM
b
HF REJ
SNGLAC
SWP TIME DIV
TriggerTriggerkopplung mode
,,
,,
Blockdiagramm eines Elektronenstrahl-Oszilloskops.
Vertikale Ablenkung - Die Signaldarstellung Die meisten Oszilloskope haben zwei
Kanale, d.h. es konnen gleichzeitig zwei Mesignale dargestellt werden. Fur jeden Kanal
gibt es einen Einstellknopf fur die Verstarkung, der mit VOLTS DIVISION bezeichnet
ist. Mit division" ist die Unterteilung des Bildschirms gemeint. Wir stellen also ein,
welchem Spannungshub in Volt die vertikale Seite eines der kleinen Kastchen entspricht.
Es gibt dann noch einen Drehknopf, der mit VARIABLE bezeichnet ist, und den wir
i.a. konzentrisch zum oben beschriebenen Verstarkungs-Drehknopf angeordnet nden.
Dieser sollte sich fur unsere Zwecke immer in der Position calibrated be nden.
Fur jeden Eingang konnen wir zwischen DC-, AC- und GND wahlen. Damit ist die Art
der Einkopplung des Signals gemeint. Meist wollen wir DC-Kopplung, welche uns das
volle Mesignal zeigt. Bei AC-Kopplung wird der Eingang uber einen Kondensator
mit dem Oszilloskop gekoppelt. Das ist von Vorteil, wenn wir ein kleines Signal sehen
wollen, welches einem groen Signal uberlagert ist. GND verbindet den Eingang nicht
das Mesignal mit der Erde. Wir sehen also die Nullinie.
Wir konnen des weiteren die vertikale Lage mit dem Einstellknopf POSITION verandern,
und meist kann das Signal mit INVERT auch invertiert werden. Hinzu kommt noch
die Wahl des INPUT MODE. Hier konnen wir den dargestellten Kanal CH1 oder CH2
7.2 Allgemeine Grundlagen
89
wahlen, oder wir konnen ihre Summe darstellen oder beide gleichzeitig. Die Einstellungen ALTERNATE und CHOPPED sind typisch fur analoge Oszilloskope und regeln wie
mit Hilfe eines einzigen Elektronenstrahles zwei Signale dargestellt werden.
Horizontale Ablenkung - Die Zeitablenkung Die horizontale Ablenkung soll naturlich linear von der Zeit abhangen. Da die Ablenkung des Strahls linear von der Ablenkspannung abhangt, mussen wir folglich die Ablenkspannung linear mit der Zeit
ansteigen lassen. Sobald der Elektronenstrahl einmal von links nach rechts abgelenkt
worden ist, schalten wir die Ablenkspannung ab und beginnen wieder auf der linken
Bildschirmseite. Diesen Verlauf der Ablenkspannung nennt man Sagezahn".
Bemerkung:
Wahrend der zeitlich kurzeren Rucklaufphase springt" der Strahl zuruck nach links, wobei
seine Helligkeit durch den Wehneltzylinder siehe Abschnitt 7.7 weggeschaltet ist Dunkeltastung.
Die Zeitdauer des Anstiegs konnen wir einstellen. Der entsprechende Einstellknopf heit
TIME DIV oder SEC DIV. Er ordnet den horizontalen Unterteilungen Zeitintervalle zu.
Ahnlich wie bei der Einstellung der Verstarkung gibt es auch hier den VARIABLE Knopf.
U
6
A
A
A
A
A
A
Vorlauf
Bild 7.3:
-t
Rucklauf
Verlauf der Sagezahnspannung.
Trigger Wir haben jetzt also den Elektronenstrahl von links nach rechts abgelenkt.
Der Elektronenstrahl fuhrt zum Leuchten des Bildschirms und falls unser Bildschirm
lange genug nachleuchtet", konnen wir das Signal betrachten. I.a. wird unser Signal
aber schnell vom Bildschirm verschwinden, und wir werden die Zeitablenkung erneut
starten. Das Auslosen der Zeitablenkung bezeichnen wir mit dem engl. Wort trigger"
to trigger = auslosen. Der trigger" ist also die Auslosung der Zeitablenkung.
Aber warum triggern wir nicht einfach periodisch?
Um das besser zu verstehen, stellen wir uns ein periodisches Mesignal vor, z.B. einen
sinusformigen Spannungsverlauf. Wir wollen die Frequenz bestimmen. Wir mussen also
die Zeitdauer einer Periode ablesen. Dazu brauchen wir ein stehendes Bild, d.h. das
Mesignal mu immer die gleiche Kurve durchlaufen. Um das zu erreichen mute der
Trigger aber mit einer Frequenz wiederholt werden, die ein ganzzahliges Vielfaches der
unbekannten! Mefrequenz ist, und auerdem muten beide Frequenzen stabil sein,
was in der Praxis i.a. nicht der Fall ist. Wir benotigen also einen Mechanismus, der die
Sagezahnspannung immer an der gleichen Stelle eines Mesignals startet. Wenn es uns
gelingt den Elektronenstrahl an der selben Stelle des Mesignals zu starten, so konnen
wir ein stehendes Bild am Schirm erreichen.
90
7. Oszilloskop
Wir betrachten dazu die momentane Starke" des Signals Triggerpegel=LEVEL und
die momentane Steigung SLOPE, wobei wir hier nur zwischen positiver + und negativer - Steigung unterscheiden. Die Sagezahnspannung wird fur eine Ablenkung
durch Uberschreiten Slope: + oder durch Unterschreiten Slope: - eines de nierten
Triggerpegels des Mesignals aktiv gestartet s. Bild 7.4.
Bild 7.4:
Prinzip des Triggervorgangs.
Der Triggerpegel ist stufenlos einstellbar. Wir konnen aber verschiedene Signale als
Vergleichssignale verwenden Triggerquelle. Bei der internen Triggerung lost das Mesignal Uy selbst die Sagezahnspannung aus. Bei der externen Triggerung wird ein
externes Signal Uext, angelegt am Eingang EXT.TRIG., dazu verwendet.
Mit dem Schalter MODE konnen wir zwischen NORMAL, AUTO und SINGLE SWEEP wahlen.
NORMAL macht den Trigger allein vom gewahlten Triggersignal abhangig. Es wird nichts
dargestellt, wenn das Signal die durch SLOPE und LEVEL gegebene Bedingung nicht
erfullt. Im Zustand AUTO wird das Signal auch ohne erfullte Triggerbedingung dargestellt. Der Trigger wird dann ohne erfullten Bezug zur Triggerquelle dargestellt aber
wir sehen zumindest etwas. SINGLE SWEEP kann fur einmalige Signale benutzt werden.
Wie beim Signaleingang konnen wir auch beim Trigger die Einkopplung wahlen. Wir
nden hier zwei zusatzliche Moglichkeiten. HF REJ aktiviert ein Tiefpa lter, d.h. hohe
Frequenzen werden ge ltert high frequency reject. Damit kann man z.B. Spannungsspitzen also Dreck" als Triggerursache ausschlieen. Ein Hochpa lter wird durch
LF REJ zugeschaltet. Wir konnten diese Einstellung wahlen, wenn wir gerade an den
Spitzen interessiert sind.
7.2.2 Der Tastkopf
Beim Messen von Gleichspannungen ist der innere ohmsche Widerstand eine wichtige
Groe. Bei der Spannungsmessung z.B. mit dem Drehspulinstrument soll der innere
Widerstand moglichst hoch sein 1 M ware ein typischer Wert, um den Strom u
durch das Instrument moglichst niedrig zu halten. Ein hoher Strom u wurde ja z.B.
zu einen zusatzlichen Spannungsabfall in den Zuleitungen fuhren und so das Ergebnis
verfalschen.
Im Fall von Wechselspannungen oder allgemein zeitabhangigen Spannungen genugt es
nicht, nur den ohmschen Widerstand zu berucksichtigen. Kapazitaten Kondensatoren
und Induktivitaten Spulen wirken in diesem Fall ebenfalls wie ein Widerstand; Man
spricht vom Scheinwiderstand oder der Impedanz . Eine Wechselspannung fuhrt beim
Kondensator zur standigen Umladung und bei der Spule zur Erzeugung wechselnder
7.3 Kurzbeschreibung der verwendeten Gerate
91
Magnetfelder. Dies erlaubt zwar in beiden Fallen Stromleitung, aber nur mit nichtohmschen Widerstand.
Oszilloskop
Tastkopf
C 5 pF
,
,
Spitze
Erdungsclip
C = 20pF
R = 9M
Bild 7.5:
abgeschirmtes Kabel
r
R = 1M
r
C 30pF
Prinzipschaltung eines Oszillographen mit Tastkopf.
Genauso wie der innere ohmsche Widerstand bei der Messung von Gleichspannungen,
Kann auch der innere Scheinwiderstand bei der Messung von Wechselspannungen zur
Verfalschung des Meergebnisses fuhren.
Beim Oszilloskop konnen wir die Eingangsimpedanz durch eine Parallelschaltung eines
ohmschen Widerstandes mit einer Kapazitat reprasentieren. Zur Eingangskapazitat
mussen wir aber auch noch die Kapazitat der Zuleitung hinzuzahlen. Dies kann zu
Problemen fuhren, wenn die Kapazitat zu hoch und dadurch die Eingangsimpedanz zu
niedrig wird. Dieses Problem losen wir i.a. durch Verwendung eines Tastkopfes. Dieser
hat eine hohe Impedanz. Die Kapazitat ist einstellbar. Meist wird ein 10 Tastkopf
verwendet, welcher als 10facher Spannungsteiler wirkt. Fur sehr kleine Signale gibt es
noch den 1 Tastkopf. Die Anpassung erfolgt mit Hilfe eines 1 kHz Rechtecksignales, welches vom Oszilloskop zur Verfugung gestellt wird. Es wird am Ausgang CALIB
bzw. PROBE ADJ abgegri en. Bei richtiger Einstelllung betragt die Kapazitat des 10
Tastkopfes gerade 1 9 der Summe der Kapazitaten von Zuleitung und Oszilloskop.
7.3 Kurzbeschreibung der verwendeten Gerate
7.3.1 Das Digital-Oszilloskop
Bedienelemente
Wir gehen jetzt nochmal speziell auf das von uns verwendete Oszilloskop ein. Eine Wiederholung des bisher gesagten ist dabei durchaus beabsichtigt. Sie werden feststellen,
da einige Knopfe" verschwunden sind und durch Menupunkte ersetzt sind.
Die Bedienungselemente sind in drei Hauptgruppen gegliedert :
VERTICAL
HORIZONTAL
TRIGGER
Die Bedienelemente sind in den Bildern 7.6 und 7.7 gezeigt.
Anschlusse
Die Anschlumoglichkeiten sind in Bild 7.8 gezeigt und in Tabelle 7.1 aufgelistet.
Tastkopf Abgl. ist ein Ausgang, der ein Rechtecksignal zur Verfugung stellt, mit
dem wir den Tastkopf einstellen konnen.
92
7. Oszilloskop
Tektronix
TDS 220
SAVE/REC
MESSUNG
DIENSTPGM
CURSOR
AUTOSET
ERFASSUNG
MENUS
RUN/STOP
HORIZONTAL TRIGGER
VERTICAL
Position
HARDCOPY
DISPLAY
Position
Pegel
Position
MATH
MENU
Cursor 1
CH 1
MENU
CH 2
MENU
VOLTS/DIV
VOLTS/DIV
HORIZONTAL
MENU
SEC/DIV
TRIGGER
MENU
PEGEL AUF 50%
TRIGGER ZWANG
5V
TASTKOPF ABGL.
-5V
2mV
CH 1
5V
2mV
CH 2
5s
5ns
TRIGGER VIEW
EXT TRIG
Die Bedienelemente des Oszilloskops im Uberblick.
Bild 7.6:
VERTICAL
Position
Cursor 1
HORIZONTAL
Position
TRIGGER
Pegel
Position
MATH
MENU
CH 1
MENU
CH 2
MENU
VOLTS/DIV
VOLTS/DIV
HORIZONTAL
MENU
TRIGGER
MENU
SEC/DIV
PEGEL AUF 50%
TRIGGER ZWANG
5V
Bild 7.7:
2mV
5V
2mV
Bild 7.9:
5ns
TRIGGER VIEW
Die Bedienelemente des Oszilloskops.
TASTKOPF ABGL.
-5V
Bild 7.8:
5s
CH 1
CH 2
EXT TRIG
Die Anschlusse des Oszilloskops.
SAVE/REC
MESSUNG
DIENSTPGM
CURSOR
Funktionstasten.
AUTOSET
ERFASSUNG
MENUS
DISPLAY
HARDCOPY
RUN/STOP
7.3 Kurzbeschreibung der verwendeten Gerate
Tabelle 7.1:
93
Anschlusse des Oszilloskops.
Tastkopf Abgl.
CH1 und CH2
Ext Trig
Kalibratorausgang und Erdung.
Verwendung: Tastkopf wird kompensiert
Eingangsanschlusse fur die Signalanzeige
Eingangsanschlusse fur eine externe Triggerquelle
Triggermenu zur Auswahl der Triggerquelle
Signalanzeigen
Das Erhalten einer Signalanzeige hangt von vielen unabhangigen Gerateeinstellungen
ab. Sobald ein Signal erfat wurde, konnen Messungen vorgenommen werden. Beim
verwendeten Oszilloskop enthalt auch das Erscheinungsbild des dargestellten Signals
wichtige Informationen uber das Signal selbst. Dies ist eine der Moglichkeiten, die uns
ein digitales Oszilloskop bietet.
Bild 7.10:
Die verschiedenen Formen der Signaldarstellung beim verwendeten Oszilloskop.
Das Signal kann in dreierlei Form angezeigt werden: schwarz, grau und unterbrochen
Bild 7.10:
1. Ein schwarzes Signal deutet auf die Anzeige eines aktuellen Signals hin. Das Signal bleibt schwarz, wenn die Erfassung gestoppt wird und keine Steuerungen
verandert werden, die die Anzeigegenauigkeit beein ussen. Die Anderung vertikaler und horizontaler Steuerungen ist bei gestoppten Erfassungen erlaubt.
2. Referenzsignale und Signale bei eingeschaltetem Nachleuchten erscheinen grau.
3. Eine unterbrochene Linie deutet darauf hin, da die Anzeigegenauigkeit ungewi ist. Der Grund dafur ist das Stoppen der Erfassung und die Anderung der
Steuerungseinstellung, die es dem Gerat unmoglich macht, das angezeigte Signal
abzustimmen. Das Verandern der Triggersteuerungen bei einer gestoppten Erfassung wurde beispielsweise zur Anzeige eines unterbrochenen Signals fuhren.
Funktionstasten
Zusatzlich zu den drei Hauptbedienelementen kommen noch die verschiedenen Funktionstasten Tabelle 7.2.
94
7. Oszilloskop
Weitere Funktionstasten des Oszilloskops.
Zeigt das Speichern Abrufen-Menu fur Gerateeinstellungen und Signale
Zeigt das automatische Messungs-Menu
Zeigt das Erfassungs-Menu
Zeigt das Anzeigetyp-Menu
Zeigt das Cursor-Menu. Die Drehknopfe der vertikalen Position stellen
die Cursorposition ein, wahrend das Cursor-Menu angezeigt wird. Die
Cursor bleiben falls nicht deaktiviert nach dem Verlassen des CursorMenus angezeigt, sind jedoch nicht einstellbar.
Dienstpgm. Zeigt die Dienstprogramm-Menus
Autoset
Stellt die Gerateeinstellungen automatisch auf die Darstellung einer
brauchbaren Anzeige des Eingangssignals ein.
Hardcopy
Startet Druckvorgange. Ein Erweiterungsmodul ist hierfur erforderlich.
Run Stop
Startet und stoppt die Signalerfassung.
Tabelle 7.2:
Save rec
Messung
Erfassung
Display
Cursor
Weitere Funktionstasten be nden sich direkt neben dem Display. Eine ausfuhrliche Beschreibung dazu entnehmen Sie bitte der Bedienungsanleitung des Gerates oder fragen
Sie Ihren Betreuer.
Triggerung
Tabelle 7.3:
Menu
Flanke
Flanke:
Das Triggermenu. Auf die Moglichkeit der VIDEO-Triggerung gehen wir hier
nicht ein.
Einstellungen Bemerkungen
Positiv
Negativ
Quelle
CH1
CH2
Ext.
Ext. 5
Netz
Modus
Auto
Normal
Single Shot
Kopplung AC
DC
Noise Reject
HF Reject
NF Reject
Bei Hervorhebung von Flanke wird die
positive negative Flanke des Eingangs-Signals
zum Triggern benutzt
Bestimmt Positiv
oder Negativ zum Triggern
Bestimmt den Ursprung
des Triggersignals
Bestimmt den Triggerungs-Typ
Bestimmt die auf die Triggerschaltung
angewendeten Komponenten des
Triggersignals
Wie schon erwahnt ist das Verstandnis des Triggers sehr wichtig. Das im Praktikum
verwendete Gerat ermoglicht zwei Arten der internen Triggerung: Flanke und Video.
Fur beide werden unterschiedliche Menusatze angezeigt. Wir beschranken uns auf die
7.3 Kurzbeschreibung der verwendeten Gerate
95
Flankentriggerung das Eingangssignal wird auf die Flanke an der Triggerschwelle getriggert. Tabelle 7.3 gibt einen Uberblick uber das Triggermenu.
Weitere Einzelheiten konnen Sie aus der ausliegenden Bedienungsanleitung entnehmen
oder direkt vom Praktikumsbetreuer erfahren.
7.3.2 Funktionsgenerator
Dieses Gerat liefert Spannungssignale in Dreieck-, Rechteck- und Sinusform mit einstellbarer Amplitude und Frequenz Bild 7.11. Das Funktionsprinzip ist in Abschnitt 7.8
beschrieben.
Bild 7.11:
Grundkurven des Funktionsgenerators mit den Phasenbeziehungen.
Bedienungselemente
Die Bedienelemente des Funktionsgenerators sind in Bild 7.12 gezeigt und in Tabelle 7.4 erklart.
Achtung : An den BNC Eingang durfen max. 150 Vpp angelegt werden!!!
Max Eingangsspannung fur VCF-BNC: 10 VDC .
7.3.3 Tastkopf
Bei den vielen Anwendungen des Oszillographen will man den Verlauf der Spannung
an verschiedenen Mepunkten einer elektronischen Schaltung betrachten. Oft ist auch
noch die zu betrachtende Spannung groer als die erlaubte Eingangsspannung des Oszillographen. Man benotigt daher ein Gerat mit dem man das Mesignal einer Schaltung
abgreifen kann und das gleichzeitig ein Spannungsteiler ist, den Tastkopf.
Prinzip
Der Eingangswiderstand bei den handelsublichen Oszillographen betragt 1M . Die dazu parallel liegende Eingangskapazitat betragt zwischen 15 und 40 pF Normung wegen
der Austauschbarkeit der Tastkopfe. Die meisten Tastkopfe haben einen Widerstand
von 9 M . Mit dem in Reihe geschalteten Eingangswiderstand des Oszillographen s.
96
7. Oszilloskop
Bild 7.12:
Bedienungselemente des Funktionsgenerators.
Abb. 7.5 ergibt das eine Spannungsteilung auf 1 10 des Eingangswertes. Die Eingangskapazitat des Oszillographen bildet mit dem Widerstand des Tastkopfes einen Tiefpa,
d.h. Signale werden integriert. Da man aber unveranderte Eingangssignale darstellen
will, mu der Tiefpa durch einen Hochpa mit der gleichen Grenzfrequenz fG wie
der Tiefpa kompensiert werden. Dies erreicht man durch eine parallel zum Widerstand des Tastkopfes geschaltete regelbare Kapazitat, die mit dem Eingangswiderstand
des Oszillographen einen Hochpa bildet. Mit der regelbaren Kapazitat kann man den
Tastkopf und den Oszillographen abgleichen, d.h. man betrachtet ein Rechtecksignal
Eingangsbuchse: CAL, U = 0,5 V , f = 1 kHz mit dem Tastkopf und stellt die Kapazitat des Tastkopfes so ein, da am Oszillographen ein Rechtecksignal ohne Uber- oder
Unterschwingen dargestellt wird.
7.4 Versuchsdurchfuhrung
Der Versuch besteht aus zwei Teilen und damit auch aus zwei Aufbauten.
Im Teil A werden mit dem Funktionsgenerator Signale am Oszillographen erzeugt und
diese ausgewertet. Nach einem anfanglichem Spielen um die Wirkungsweise der Bedienelemente zu verstehen und der anschlieenden Bearbeitung der gestellten Aufgaben sollte nun jeder in der Lage sein, einfache Signale am Oszilloskop darzustellen und
sich mit den verschiedenen Funktionen vertraut gemacht haben.
Im Teil B werden mit einem Motorstand und verschiedenen Sensoren Frequenz- und
Spannungsmessungen durchgefuhrt. Aufgrund der Verwendung unterschiedlicher Sensoren erhalten Sie Signale, die anhand verschiedener Aufgaben untersucht und analysiert werden Informieren Sie sich uber das kapazitive und induktive Verhalten von
elektronischen Bauteilen in den angegebenen Buchern. Sie erhalten hierbei einen Einblick, wie mittels eines Oszillographen komplexere Signale dargestellt und interpretiert
7.4 Versuchsdurchfuhrung
97
Bedienungselemente des Funktionsgenerators.
LED-Display fur die Anzeige der Generator oder externen Frequenz
Umschalter: Anzeige der Externen Frequenz Anzeige der Generatorfrequenz
Umschalter fur die 7 Frequenzbereiche
Schalter fur die Grund-Kurvenformen - Sinus, Rechteck oder Dreieck
Schalter fur den Abschwacher um -20 dB
Gate-Time Anzeige
Stellknopf fur die Einstellung der Frequenz
Anzeigen fur Maeinheiten der Frequenz
BNC-Buchse fur den externen Signaleingang
Stellknopf fur Wobbelgeschwindigkeit
Wobbeln aus und Wobbeln ein mit Einstellung der Band-Sweep-Breite
VCF-BNC-Buchse fur die spannungsgesteuerte Frequenzverstellung
Symmetrieeinstellung automatisch manuelle
TTL-Pegel fest eingestellt CMOS-Pegel einstellbar von 4-15 V
BNC-Buchse fur den TTL- CMOS-Ausgang
DC-O set automatisch manuell
BNC-Buchse fur den Generatorausgang, Impedanz: 50 Ohm
Knopf fur die Einstellung der Ausgangsamplitude von 0-20 dB
Aufstellbugel verstellbar
Netzschalter EIN AUS
Tabelle 7.4:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
werden. Abschlieend gehen wir auf einige spezielle Dinge ein, die das Messen mit
einem Oszilloskop mit sich bringt. Einige Schlagworter dazu: Impedanz, Laufzeitmessung, Rauschen und Datenauswertung mit computergesteuerten Programmen.
7.4.1 Versuchsaufbau
Teil A: Verbinden Sie mit Hilfe des BNC-Kabels den Ausgang 17 des Funktionsgenerators mit dem Oszilloskop CH1 Y, oder CH2 X.
Teil B: Mittels einer Gleichspannungsquelle wird ein Motor betrieben.
ACHTUNG: Uberlasten Sie den Motor nicht !!! max. 24V
Durch das sich andernde Magnetfeld am Ort des Sensors registriert dieser Impulse
Auf einer rotierenden Scheibe be nden sich 2,4 oder 6 Magnete. Dieses Signal stellen
wir anschlieend am Oszillographen dar. Verbinden Sie die Anschlusse des jeweiligen
Sensors uber einen sog. Bananenstecker, Tastkopf und BNC-Kabel mit dem Oszilloskop
CH1 Y, CH2 X. Uberlegen Sie sich die einzelnen Anschlumoglichkeiten ?
ACHTUNG: Der Aufbau mu vor der Inbetriebnahme der Gerate von Ihrem Praktikumsbetreuer kontrolliert werden !!!
98
7. Oszilloskop
7.5 Aufgaben
7.5.1 Teil A
Einfuhrende Aufgaben
Falls Sie noch kein Elektronik-Experte sind, spielen" Sie fur ca. 30 Min. mit dem
Oszillographen OSZ und Generator FG, um Ihre Wirkungsweise zu verstehen. Im
folgenden sind hier einige Anweisungen gegeben.
Grundeinstellung
1. Verbinden Sie den Ausgang Output 50 des FG mit dem Eingang CH1 des Oszilloskops durch ein Koaxialkabel.
2. Wahlen Sie am FG: Frequenz 10 kHz Dreieck; Maximale Amplitude; den Abschwacher -20dB aus.
3. Schalten Sie am OSZ: Input CH1; Volts Div auf 5V Div; Trigger Mode auf AUTO;
Trigger Quelle auf CH1, Sec Div auf 0.1 ms, Trigger Pegel auf Mitte des Signals.
4. Bringen Sie mit die Linie auf Skalenmitte, und stellen Sie so ein, da der Anfang
der Linie mit dem Skalenanfang zusammen fallt. Diese Einstellungen sollen idealerweise unabhangig von der Wahl Sec Div und V Div sein. Uberprufen Sie dies
und gehen Sie dann zuruck zu den oben angegebenen Einstellungen.
Triggereinrichtung
1. Schalten Sie jetzt im CH1 Menu auf AC oder DC. Sie sehen nun die symmetrischen
Dreiecksimpulse.
2. Verringern Sie die Amplitude am FG. Wenn die Signalhohe unter ca. 0.5 V Div
kommt, fallt der OSZ aus der Triggerung, das stehende Bild verschwindet, d.h.
im Trigger Mode Auto lauft jetzt die Zeitablenkung periodisch und frei.
3. Wahlen Sie nun Trigger Mode Norm. Wenn Sie nun die Signalamplitude verringern, verschwindet das Bild sobald der Trigger ausfallt, d.h. die Zeitablenkung
bleibt stehen, wenn kein Triggerimpuls kommt. In der Betriebsart Norm ist man
also sicher, da Triggerung vorliegt, wenn ein Bild erscheint. Andererseits wei
man nicht beim Fehlen des Bildes, ob kein Signal, oder nur ein zu kleines Signal
anliegt. Um dies zu entscheiden schaltet man auf Auto.
4. Zuruck in Norm und groer Amplitude. Schalten Sie den FG auf Sinus, wahlen
Sie die Ablenkzeit so, da etwa eine Periode sichtbar ist. Studieren Sie nun den
Ein u der Triggerkontrollen Pegel und Flanke im Trigger Menu.
5. Schalten Sie nun auf externe Triggerung im Trigger Menu Quelle und benutzen
Sie das Signal von der Buchse TTL des FG zum Triggern. Sie erhalten jetzt ein
stehendes Bild selbst fur kleine Amplituden benutzen Sie den Abschwacher 20dB
7.5 Aufgaben
99
Also: Wenn Sie ein Signal suchen, so benutzen Sie Auto Mode . Wenn Sie ein gefundenes
Signal studieren wollen, gehen Sie in Norm. Wenn Sie das Signal stehend haben wollen,
selbst bei veranderlicher Amplitude und Form, so benutzen Sie moglichst die externe
Triggerung. Die externe Triggerung dient auch dazu, die Synchronisation zwischen zwei
Signalen zu uberprufen.
Ein u der verschiedenen Kontrollmoglichkeiten am Funktionsgenerator
1. Andern Sie Signalform und Symmetrie des Signals mit den entsprechenden Kontrollen. Schalten Sie DC Offset des FG bei mittlerer Signalamplitude ein und
andern Sie die uberlagerte Gleichspannung mit dem Drehknopf. Falls der Eingang des OSZ auf DC geschaltet ist, sehen Sie wie sich das Signal auf dem Bildschirm verschiebt. In AC bleibt es stehen. Bei sehr groer O set Spannung wird
der Ausgangsverstarker des FG ubersteuert und das Signal verzerrt dargestellt.
Schalten Sie DC Offset nun ab.
2. Betrachten Sie bei sehr niedrigen Signalfrequenzen 10 Hz wie in der AC
Kopplung das Signal bei Dreieck oder Rechteck verzerrt dargestellt wird.
Zweikanalbetrieb
1. Verbinden Sie den Sinus von Out 50 mit Input CH1 und TTL Out mit Input CH2.
Im Math Menu konnen Sie die algebraisch Summe bzw. Di erenz darstellen.
2. Im Trigger Menu konnen Sie mit Quelle die Triggerung entweder mit CH1 oder
CH2 auslosen. Vergleichen Sie zwei Signale mit unterschiedlicher Frequenz benutzen Sie dazu einen zweiten FG BNC-T-Stuck verwenden und beim Nachbarteam
anschlieen oder greifen Sie mit dem Tastkopf das Kalibriersignal ab.
Uberprufung der Zeiteichung
1. Benutzen Sie Dreiecksimpulse von ca. 1 kHz und eine Zeitablenkung von 1 ms Div.
Triggern Sie extern. Stellen Sie nun die Frequenz am FG so ein, da die Gesamtskala des Schirms genau 10 Perioden enthalt. Der Frequenzzahler gibt die genaue Zeiteichung. Schalten Sie auf die drei nachstliegenden kurzeren Dekaden
der Zeitablenkung 0.1 ms Div usw.. Ist der Eichfehler der gleiche? Entscheiden
Sie, ob der SEC DIV Teiler oder die Grundfrequenz der Zeitbasis ungenau ist.
Uberprufung der Vertikaleichung
1. Messen Sie bei voller Amplitude die Spitzen-Spitzen-Spannung fur 5 V Div. Schalten Sie die -20 dB Signalabschwachung am FG ein und wahlen Sie eine sinnvolle
y-Emp ndlichkeit, so da das Signal etwa gleich gro erscheint. Messen Sie nun
erneut die Spitzen-Spitzen-Spannung. Wie genau entspricht dies -20 dB?
100
7. Oszilloskop
Anmerkung: Die Elektrotechnik benutzt man fur das Verhaltnis zweier Signale ein
10er-logarithmisches Ma. Es bezieht sich auf die von den beiden Signalen erzeugten
Leistungen L1 und L2. das Leistungsverhaltnis in dB ist de niert als: 10 logL1=L2.
Da die Leistung proportional zum Quadrat der Spannung ist, ergibt sich das Spannungsverhaltnis in dB als: 20 logU1=U2.
Weiterfuhrende Aufgaben
Nachdem Sie sich mit den Geraten vertraut gemacht haben folgen nun Aufgaben zur
Vertiefung.
ACHTUNG: Schreiben Sie Ihre Ergebnisse in ein Protokollheft !!!
1. Legen Sie mit Hilfe des FG eine Frequenz von 100 Hz sinus bei einer Amplitude von 10 V an. Bestimmen Sie aus der Anzeige die Frequenz des Signals und
vergleichen Sie diese mit der Frequenzmessung des Oszilloskops und der Anzeige
des FG. Wie gro sind die Unterschiede? Welche Anzeige ist genauer? Lesen Sie
die Periodendauer ab und berechnen Sie daraus die Frequenz.
2. Stellen Sie am FG bei einem Rechtecksignal die Frequenz von 1kHz ein. Welche
Anzeigen mussen Sie verandern um ein deutliches Signal zu bekommen? Worin
liegt der Unterschied zum vorhergehenden Signal?
3. Rechteckspannung anlegen bei 10 kHz und 10 V Amplitude. Wieviele Perioden
sind sichtbar? Notieren Sie die Einstellungen vom OSZ in Ihr Protokollheft.
4. Fuhren Sie die Punkte 1 und 2 bei einer Amplitude von 5 V und 15 V durch und
notieren Sie die Ergebnisse und Einstellungen vom OSZ.
5. Wechseln Sie die Signalart am FG und schauen Sie sich diese am OSZ an. Erklaren
Sie die Unterschiede der 3 Signalarten?
Zusatzliche Bedienungselemente
1. Diskutieren Sie die folgenden Funktionen am OSZ anhand der Bildschirmanzeige
und den damit verbundenen Veranderungen:
a OFFSETs in Kopplungsart AC und DC
b Symmetrie in Kopplungsart AC und DC
c Bedeutung der Kopplungsart GROUND
Triggerung Benutzen Sie Sinusspannung mit 10 V Ampl. und einer Frequenz von
100 Hz.
1. Triggerpegel einstellen: Stellen Sie den Triggerpegel uber die Signalhohe.Was passiert mit dem Signal und warum?
2. Im Menu nden Sie die Einstellung Triggerung auf positive bzw. negative Flanke.
Erklaren Sie den Unterschied?
7.5 Aufgaben
101
Externe Triggerung Bedeutung : Messung mehrerer Signale.
1. Schlieen Sie den Output TTL vom FG an die externe Triggerung an. Stellen Sie
Ihr Trigger-Menu auf eine externe Quelle ein.
2. Uberlegen Sie wie das Signal aussieht das zur ext. Triggerung benotigt wird und
wie Sie es sichtbar machen konnen im Display? Wo ndet die ext. Triggerung
Ihre Anwendung?
Anmerkung: Skizzieren Sie Ihre Ergebnisse vom Display und Erwartungen sowie Ihre
Begrundungen in das Protokollheft.
7.5.2 Teil B
Nachdem Sie die Signalerzeugung und Signaldarstellung studiert haben, wollen wir nun
das Erlernte anhand real erzeugter Signale anwenden und lernen dabei diese richtig zu
interpretieren. Die Erfassung der Signale erfolgt nun mittels Sensoren. Eine Auswahl
aus folgenden Sensoren steht uns zur Verfugung:
REED - Sensor
optischer Sensor
Induktionssensor
Impulsdrahtsensor
Hall - Sensor
ACHTUNG: Die Montage der einzelnen Sensoren und die Anschluverbindungen werden im Praktikum erklart.
Reed-Sensor
Der Reed-Sensor ist ein Schalter, der mit Hilfe eines bewegten Permanentmagneten
betatigt wird. Die Betriebsspannung betragt 6V.
1. Stellen Sie das Signal dar!
2. Diskutieren Sie den zeitlichen Verlauf des Signals : Wie mute theoretisch bei
einer Drehzahl von 1000 U Min der Verlauf des Signals ausschauen, wenn der
Reed-Sensor mit 6 V betrieben wird? Stellen Sie das Signal mit den oben angegebenen Parametern am Versuchsstand und OSZ ein und ubertragen Sie das
Ergebnis in Ihr Protokollheft. Was unterscheidet das gemessene Signal vom theoretisch erwarteten bzw. gibt es uberhaupt Unterschiede?
3. Wie ist die Drehzahlabhangigkeit des Signals? Nehmen Sie eine Spannungs-Drehzahl-Kennlinie auf. Wie verhalt sich der Sensor bei geringer Drehzahl?
4. Erklaren Sie die Funktionsweise des Sensors.
102
7. Oszilloskop
5. Wechseln Sie die Scheibe aus und betrachten Sie sich das Signal, wenn sich 4 oder
6 Magnete auf der Scheibe be nden. Was stellen Sie fest? Nehmen Sie erneut eine
Kennlinie bei den gleichen Werten wie zuvor auf.
6. Nennen Sie weitere Anwendungsmoglichkeiten.
Optischer Sensor
1. Stellen Sie das Signal dar!
2. Was sind die charakteristischen Eigenschaften eines optischen Sensors?
3. Ab welchem Punkt ist die Abtastrate zu hoch fur den optischen Sensor? Nehmen
Sie eine Kennlinie Spannung Drehzahl auf. Reaktionszeit
4. Bestimmen Sie die Reaktionszeit bei einer Erhohung von 10 auf 90.
5. Stellen Sie die Unterschiede zum Reed-Sensor heraus.
6. Wechseln Sie die Scheibe aus und betrachten Sie das Signal! Was stellen Sie fest?
Welche Anwendungsmoglichkeiten gibt es?
Impulsdraht- und Induktionssensor
Der Induktions-Sensor besteht aus einer Spule mit weichmagnetischem Kern, in die
mit Hilfe eines bewegten Permanentmagneten eine Spannung induziert wird.
Der Impulsdraht-Sensor besteht aus einer Spule mit Magnetdraht und Impulsdraht.
Die schlagartige Ummagnetisierung des Impulsdrahtes mit Hilfe eines bewegten Permanentmagneten induziert einen Spannungspuls in die Spule.
Anhand von Datenblattern und dem bisher Erlernten konnen Sie nun selbstandig die
charakteristischen Eigenschaften der Sensoren untersuchen.
7.6 Spezielles aus dem praktischen Messen
1. Erklaren Sie den Begri Impedanz
2. Was passiert, wenn Sie anstatt eines 50 BNC Kabels ein 75 Kabel verwenden?
Uberlegen Sie sich was sich daraus ergibt und fuhren Sie eine Probemessung
durch. Diskutieren Sie das Ergebnis !
3. Wie stark ist das sog. Netzbrummen Rauschen und wie konnen Sie es unterdrucken ?
7.7 Anhang: Elektronenstrahlrohre
103
7.7 Anhang: Elektronenstrahlrohre
In einem evakuierten Glaskolben be nden sich mehrere Elektroden. Die geheizte Kathode k emittiert Elektronen, die durch das mit einem positiven Potential versehene
Anodensystem a1, a2, a3 in Richtung zur Leuchtschicht S beschleunigt werden. Zuerst durchlaufen sie eine Lochblende, den sog. Wehneltzylinder g. Sein gegenuber der
Kathode negatives Potential bundelt die Elektronen zu einem Strahl. Durch Andern
des Potentials wird die Anzahl der durchgelassenen Elektronen und damit die Starke
des Elektronenstromes variiert. Bei genugend hohem negativen Potential kann dieser
vollstandig zu Null gemacht werden. Das Anodensystem hat die Funktion einer Elektronenlinse und fokussiert den Strahl an der Leuchtschicht Lumineszenzschicht, die
beim Beschu mit Elektronen au euchtet. Die waagerecht Dy und senkrecht Dx
stehenden Ablenkplatten verleihen dem Strahl eine senkrechte bzw. waagerechte Zusatzgeschwindigkeit, deren Wert proportional zu den an die Platten angelegten Ablenkspannungen ist. Die Helligkeit eines Bildpunktes nimmt mit der Anzahl der in einer
Zeiteinheit auf diesen Punkt tre enden Elektronen Dosierung und sehr stark mit deren Energie zu. Zur Erreichung einer hohen Ablenkemp ndlichkeit cm V auf dem
Bildschirm mu aber die Geschwindigkeit der Elektronen beim Passieren der Ablenkplatten moglichst klein sein. Aus diesen Grund ordnet man die Hauptbeschleunigung
durch Einbau einer Nachbeschleunigungsanode a4 hinter den Ablenkplatten an.
Bild 7.13:
Prinzipbild des Oszilloskops.
7.8 Anhang: Arbeitsweise des Funktionsgenerators
Fur exakt gleiche einstellbare Zeitdauer wird abwechselnd ein konstanter Lade- und
Entladestrom auf einen Prazisionskondensator gegeben. Die beiden Strome werden
durch entsprechende Schaltung sehr genau gleich gehalten. Fur die Spannung uber
den Kondensator gilt U = Q=C ; ferner ist dQ=dt = I = const. Also folgt auch
dU=dt = const. Am Kondensator entsteht dann eine linear ansteigende bzw. abfallende Spannung, je nachdem ob Ladung oder Entladung erfolgt. Man erzeugt so ein
104
7. Oszilloskop
prazises Dreieckssignal. Mit dem Lade- bzw. Entladestrom lat sich an einem ohmschen Widerstand ein rechteckiges Spannungssignal herstellen. Das Sinussignal wird
aus dem Dreieckssignal synthetisiert s. Bild 7.14. Dazu gibt man das Dreieck auf
einen Verstarker, der jeweils beim Uberschreiten eines bestimmten Eingangspegels seine lineare Verstarkung verringert. Aus dem Dreieckssignal konstanter Steigung entsteht so eine Sequenz von geradlinigen Spannungsverlaufen mit unterschiedlicher Steigung. Durch geeignete Wahl der Pegelpunkte kann man so eine sinusformige Spannung
annahern. Die so erzeugte Sinusspannung hat einen viel hoheren Gehalt an Oberwellen
hoher Klirrfaktor als ein mit einem Schwingkreis hergestelltes Sinussignal. Der Vorteil
der hier benutzten Methode ist, da alle drei Signale exakt phasen- und frequenzgleich
sind.
Bild 7.14:
Erzeugung eines Sinus aus einem Dreieck. Sp1 bis Sp4 sind die Umschaltpunkte.
Document
Kategorie
Technik
Seitenansichten
11
Dateigröße
426 KB
Tags
1/--Seiten
melden