Oszilloskop

Gemeinsames
Grundpraktikum
Oszilloskop
Versuch-Nr.: E303
Ziel: Kennenlernen des Elektronenstrahloszilloskops als ein wichtiges und universelles Messgerät
zur Anzeige des zeitlichen Verlaufs veränderlicher elektrischer Spannungen.
Für diesen Versuch ist die Arbeitsgruppe
Digitale Signalverarbeitung und Systemtheorie
Prof. Dr.-Ing. Gerhard Schmidt
verantwortlich. Sollten Sie Erweiterungs- oder Verbesserungsvorschläge für diesen Versuch haben,
so melden Sie sich bitte bei uns.
Noch ein Hinweis: Einige Versuchsteile sollen vor der Versuchsdurchführung
– d.h. während der Versuchsvorbereitung – durchgeführt werden. Solche
Versuchsteile sind durch eine Markierung, wie sie rechts dargestellt ist,
gekennzeichnet.
Hinweis:
Beispiel für einen Hinweis
Stand: 24. Oktober 2012

Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2. Aufbau und Wirkungsweise des Elektronenstrahloszilloskops . . . . . . . . . . . . 3
2.1. Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2. Die Kathodenstrahlröhre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.3. X- und Y-Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.4. Zeitbasis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.5. Triggereinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.6. Stromversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.7. Besonderheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.8. Digital-Speicheroszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3. Messungen mit dem Elektronenstrahloszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.1. Messung von Gleichspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.2. Messung der Kurvenform periodischer Signale . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.3. Frequenz- und Phasenmessungen mittels Lissajousfiguren . . . . . . . . . 8
4. Beschreibung der eingesetzten Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4.1. Funktionsgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4.2. Bedienelemente des Elektronenstrahloszilloskops . . . . . . . . . . . . . . 10
5. Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5.1. Inbetriebnahme des Oszilloskops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5.2. Darstellung periodischer Signale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.3. Messung von Amplituden, Zeiten und Frequenzen . . . . . . . . . . . . . . 18
5.4. Lissajousfiguren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
5.5. Umschaltvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1. Einleitung
Zunächst werden die Anwendungsgebiete und Ausführungsformen von Oszilloskopen vorgestellt.
Anhand eines Blockschaltbildes erfolgt danach die Beschreibung der einzelnen Baugruppen sowie
die Erläuterung ihres Zusammenspiels. Die Funktion von Digital-Speicheroszilloskopen wird
kurz beschrieben. Zur Vorbereitung der praktischen Versuchsdurchführung sind zum Abschluss
des theoretischen Teils einige Fragen formuliert. Ausgehend von einfachen Aufgaben zum Kennenlernen
des verwendeten Oszilloskops zeigt der praktische Teil des Versuchs am Beispiel einiger
Messungen die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten dieses Geräts.
2

E303: Oszilloskop
2. Aufbau und Wirkungsweise des Elektronenstrahloszilloskops
2.1. Allgemeines
Das Elektronenstrahloszilloskop gestattet die Aufzeichnung zeitabhängiger elektrischer Spannungen
auf einem Bildschirm. Diese Spannungen können
• periodische Signale,
• sich nicht periodisch wiederholende Impulse oder
• einmalige Impulse
sein. Neben der qualitativen Betrachtung des Signalverlaufs können mit dem Oszilloskop quantitative
Aussagen über wichtige Größen der Signale gemacht werden. Oszilloskope lassen sich nach
drei Kriterien unterscheiden:
• dem zulässigen Frequenzbereich des Signals,
• der Möglichkeit gleichzeitiger Darstellung mehrerer Signale und
• der Möglichkeit der Signalspeicherung.
Zur gleichzeitigen Darstellung mehrerer Signale werden Mehrkanal- und Mehrstrahloszilloskope
verwendet. Speicheroszilloskope gestatten die Speicherung eines einmal gezeichneten Signalverlaufs.
Für Signale im Frequenzbereich oberhalb einiger hundert MHz werden Abtastoszilloskope
verwendet. In diesem Versuch wird ein Zweikanaloszilloskop ohne Signalspeicherung für Frequenzen
unterhalb von 60MHz vorgestellt.
Die notwendigen Baugruppen eines Oszilloskops sind:
• Kathodenstrahlröhre (Braun’sche Röhre),
• Horizontalverstärker mit Abschwächer,
• Vertikalverstärker mit Abschwächer,
• Zeitablenkeinheit,
• Triggereinrichtung und
• Stromversorgung.
Die Funktionsweise dieser Komponenten und ihr Zusammenwirken werden in den folgenden Kapiteln
anhand des Blockschaltbildes des Oszilloskops nach Abb.1 erläutert.
2.2. Die Kathodenstrahlröhre
Die Kathodenstrahlröhre, auch Bildröhre genannt, ist eine Hochvakuumröhre, mit der elektrische
Spannungen sichtbar gemacht werden können. Die von der geheizten Kathode austretenden Elektronen
durchlaufen den Wehneltzylinder, die Hilfsanode, die Anode, die Ablenkplattenpaare Y
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E303: Oszilloskop
Kathode
Wehneltzylinder
Anode y-Platten x-Platten
Hilfsanode
Bildschirm
Heizung
Intensität
_
Bild -
schärfe
+
Y
Position
Verstärker
X
Zeitdehnung
Zeitbasis
Pegel
Flanke
Verzögerung
Triggereinheit
Dämpfungsglieder
Netz
220 V
50 Hz
Stromversorgung
Triggerung
Y
X
Abbildung 1: Blockschaltbild eines Oszilloskops.
und X und treffen als Elektronenstrahl auf den Bildschirm. Der Bildschirm auf der Innenseite der
Bildröhre enthält fluoreszierende Bestandteile, die beim Auftreffen der Elektronen aufleuchten,
und phosphoreszierende Bestandteile, die ein Nachleuchten bewirken.
Der Elektronenstrahl kann auf folgende Weise beeinflusst werden:
• Helligkeitssteuerung durch Änderung der Spannung zwischen dem Wehneltzylinder und der
Kathode (Änderung der Elektronendichte im Elektronenstrahl),
• Strahlbündelung mittels Spannung zwischen der Hilfsanode und der Kathode,
• Vertikalablenkung durch eine Spannung am Ablenkplattenpaar Y und
• Horizontalablenkung durch eine Spannung am Ablenkplattenpaar X.
Die Beschleunigung der von der Kathode austretenden Elektronen erfolgt durch die Kraftwirkung
des elektrischen Feldes, das sich zwischen Anode und Kathode ausbildet. Die vertikale und
horizontale Auslenkung des Elektronenstrahls erfolgt durch die Kraftwirkung des elektrischen
Feldes zwischen den Y- bzw. X-Platten.
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E303: Oszilloskop
2.3. X- und Y-Verstärker
Die zu messenden Spannungen sind in der Regel zu gering, um damit den Elektronenstrahl mittels
der Ablenkplatten abzulenken. Daher werden vor die Ablenkplatten noch Horizontal- und
Vertikalverstärker (X- und Y-Verstärker) geschaltet. Diese Verstärker müssen breitbandig sein,
da Oszilloskope zur Betrachtung von Signalen im Frequenzbereich von null bis zu einigen hundert
MHz geeignet sein sollen. Die Eingangsempfindlichkeit der Verstärker liegt bei ca. 2mV pro
1cm Auslenkung des Leuchtflecks auf dem Bildschirm. Zur Betrachtung von Signalen mit großen
Amplituden sind den Verstärkern stufenweise umschaltbare Dämpfungsglieder vorgeschaltet. Die
Gesamtempfindlichkeit von Verstärker und Dämpfungsglied wird durch den Ablenkkoeffizienten
α angegeben. Der Ablenkkoeffizient α ist ein Maß dafür, welche Spannung des Messsignals für eine
bestimmte Auslenkung des Leuchtflecks erforderlich ist. Übliche Werte für α liegen im Bereich
2mV/cm < α < 20V/cm. Die Dämpfungsglieder haben im Allgemeinen eine hohe Eingangsimpedanz,
die durch die Parallelschaltung eines Widerstandes von ca. 1MΩ und eines Kondensators
mit einer Kapazität von einigen Picofarad (30pF) beschrieben werden kann (entspricht dem
Eingangsersatzschaltbild vieler Oszilloskope). Über dreistufige Schalter lassen sich die Eingänge
der Dämpfungsglieder kurzschließen (und damit gleichzeitig von den Eingangsbuchsen trennen)
sowie direkt oder über einen Kondensator an die Eingangsbuchsen schalten. Zur Positionierung
des Bildes auf dem Bildschirm werden den Ablenkspannungen in den Endstufen der Verstärker
einstellbare Gleichspannungen additiv überlagert. Zur Verbindung mit dem Messobjekt kann an
die Eingangsbuchse des Y-Verstärkers/Abschwächers ein Tastkopf angeschlossen werden. Dieser
ist im Allgemeinen ein isolierter Handgriff mit Messspitze und einer Masseklemme. Die Masse der
Messanschlüsse eines Oszilloskops ist für gewöhnlich mit der Erdungsleitung des Anschlusskabels
identisch. Dies ist wichtig beim Anschluss der Masseleitung an nicht erdpotenzialfreie Schaltungen.
Es sind dadurch Kurzschlüsse und Erdschleifen möglich. Ein Teil der Tastköpfe kann mit
integrierten Abschwächern ausgestattet sein. Bei der Skalierung der Bildschirmanzeige muss das
beachtet werden.
2.4. Zeitbasis
û
x
0
u (t)
x
t t +T t +T+T
0 0 v 0 v r
Abbildung 2: Sägezahnimpuls u x (t).
t
Das Messsignal u(t) soll als Funktion der Zeit abgebildet
werden. Legt man das Messsignal an den
Y-Eingang, so ist die Auslenkung u y (t) des Leuchtpunktes
in y-Richtung proportional zum Momentanwert
u(t) des Messsignals. Liegt an den X-Platten
eine Gleichspannung, so erscheint auf dem Bildschirm
ein vertikaler Strich.
Wird zusätzlich an die X-Platten eine sägezahnförmige
Spannung u x (t) nach Abb.2 angelegt, so bewegt
sich der Leuchtfleck im Intervall t 0 ≤ t ≤
t 0 + T V vom linken zum rechten Bildschirmrand. Damit wird ein Ausschnitt des Messsignals
der Dauer T V auf dem Bildschirm abgebildet. Im Intervall t 0 + T V ≤ t ≤ t 0 + T V + T t läuft
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E303: Oszilloskop
der Elektronenstrahl zum linken Bildschirmrand zurück. Während des Strahlrücklaufs wird der
Elektronenstrahl dunkelgetastet, d.h. seine Intensität auf Null verringert. Um bei einem periodischen
oder bei einem sich nicht periodisch wiederholenden Impuls ein stehendes Bild zu erhalten,
muss der Elektronenstrahl immer mit der Aufzeichnung sich entsprechender Bildpunkte am linken
Bildschirmrand beginnen. Dazu dient die im Abschnitt2.5. beschriebene Triggereinrichtung.
Mit der Anstiegszeit T V des Sägezahnimpulses und der Breite b des Bildschirms lässt sich der
Ablenkkoeffizient β zu β = T V /b angeben; übliche Werte sind 10ns/cm ≤ β ≤ 1s/cm.
2.5. Triggereinrichtung
Die Triggereinrichtung erkennt, zu welchem Zeitpunkt t ′ 0 das Messsignal u(t) einen bestimmten,
vorgebbaren Spannungswert, den Triggerpegel, erreicht und ob die Steigung du(t)/dt zu diesem
Zeitpunkt das vorgegebene Vorzeichen besitzt. Wird der Triggerpegel in der vorgegebenen Flanke
erreicht und ist zu diesem Zeitpunkt die Spannung u x (t ′ 0 ) nach Abb.2 u x(t ′ 0 ) = 0, so gilt t′ 0 = t 0,
d.h. der sägezahnförmige Impuls wird gestartet. Zur Bestimmung des Triggerzeitpunktes kann
an Stelle des Messsignals u(t) auch ein externes Triggersignal oder ein internes Signal, welches
aus der Netzfrequenz abgeleitet wird, verwendet werden.
2.6. Stromversorgung
Die Stromversorgungseinheit eines Oszilloskops muss das Gerät galvanisch vom speisenden Netz
trennen und eine Vielzahl verschiedener Spannungswerte liefern. Diese Spannungen liegen im
Bereich von 5V für Logikschaltkreise (TTL) bis zu einigen tausend Volt für die Braun’sche
Röhre.
2.7. Besonderheiten
Im Folgenden werden Baugruppen beschrieben, die nicht alle Oszilloskope enthalten:
• Z-Modulation
Über den Z-Eingang kann mittels eines externen Signals die Intensität des Leuchtpunktes
eingestellt werden. Diese Beeinflussung der Intensität wird als Z-Modulation bezeichnet.
Sie ist notwendig, um z. B. einzelne Schriftzeichen auf dem Bildschirm abzubilden.
• Signalidentifizierung
Bei Mehrkanal- und Mehrstrahloszilloskopen ist es wünschenswert, die einzelnen Signalverläufe
den Signalen zuzuordnen, ohne die Positionseinstellung zu verändern. Zu diesem
Zweck können, nach Kanälen getrennt, die Ablenkspannungen mit einem Spannungsoffset
beaufschlagt werden.
• Triggerverzögerung
Der Start des Sägezahnimpulses der Zeitablenkeinheit kann gegenüber dem Triggerzeitpunkt
verzögert werden. Damit wird es möglich, einen kleinen Ausschnitt des Signals ab
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E303: Oszilloskop
einer ohne Triggerverzögerung nicht triggerbaren Stelle zeitlich gedehnt zu betrachten. Oszilloskope
mit Triggerverzögerung verfügen in der Regel über eine zweite Zeitbasis, auf die
beim Betrieb mit Triggerverzögerung umgeschaltet wird.
• Zeitdehnung
Die Verstärkung des X-Verstärkers kann um einen festen Faktor, oft fünf- oder zehnfach,
vergrößert werden. Die zeitliche Auflösung des Signals wird dadurch verbessert.
• Eichspannung
Zum Abgleich von Tastköpfen mit eingebauten Abschwächern sowie zur Kalibrierung der
Verstärker stellen viele Oszilloskope eine periodische Rechteckspannung mit konstanter
Frequenz und Amplitude zur Verfügung.
2.8. Digital-Speicheroszilloskop
Bei den klassischen analogen Oszilloskopen ergeben sich für nichtperiodische und/oder sehr
niederfrequente Signale prinzipbedingte Probleme. Solche Signale sind nur auf Oszilloskopbildschirmen
mit langer Nachleuchtdauer gut darstellbar. Eine lange Nachleuchtdauer kann jedoch
bei höherfrequenten Signalen die Erkennbarkeit verschlechtern. Ferner lässt sich die Nachleuchtdauer
nicht unbegrenzt erhöhen und kann nach der Herstellung des Oszilloskops nicht
weiter variiert werden.
Diese Schwierigkeiten haben zur Konstruktion von digitalen Speicheroszilloskopen geführt. Moderne,
leistungsfähige Speicheroszilloskope bestehen im Prinzip aus schnellen Analog-Digital-
Wandlern und einem „kompletten“ PC. Durch diese Kombination sind verschiedene Betriebsarten
möglich. Der PC berechnet je nach eingestellter Betriebsart die graphische Position der
aufgenommenen Daten auf dem Bildschirm.
Zum einen können die eingelesenen Messwerte direkt auf den Bildschirm wieder ausgegeben
werden. In dieser Betriebsart verhält sich das Speicheroszilloskop wie ein Analogoszilloskop.
Eine weitere Möglichkeit der Signaldarstellung ist der Rollmodus. Hierbei erscheinen die neu
eingelesenen Messwerte immer am rechten Bildschirmrand und der Rest der Anzeige „rollt“ nach
links durch. Die Speicherfunktion erlaubt es, eine bestimmte Anzahl von Messwerten vor und
nach dem Triggerzeitpunkt digital abzuspeichern und beliebig lange anzuzeigen. Hierdurch ist
es möglich, auch transiente, einmalige Signale oder das Geschehen vor dem Triggerzeitpunkt zu
analysieren.
Besonders leistungsfähige Speicheroszilloskope verfügen über zusätzliche Funktionen zur Signalverarbeitung,
wie die Möglichkeit der Fourieranalyse oder Filterung.
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E303: Oszilloskop
3. Messungen mit dem Elektronenstrahloszilloskop
3.1. Messung von Gleichspannungen
Sollen Gleichspannungen mit dem Oszilloskop gemessen werden, so muss der Sägezahngenerator
der X-Ablenkung so eingestellt sein, dass er nicht ständig von der Y-Spannung getriggert wird.
Dafür gibt es zwei Möglichkeiten: Triggerwahlschalter auf den entsprechenden Kanal und auf
AUTO (die einzelnen Funktionen werden in Abschnitt4.2. noch genauer erklärt) schalten oder
SOURCE auf LINE schalten. Außerdem muss der AC-DC-Umschalter des entsprechenden Kanals
auf DC geschaltet sein. Wenn nun am Mittelleiter der Koaxialbuchse ein höheres Potenzial als
am Außenleiter anliegt, so wird auf dem Bildschirm eine horizontale Linie oberhalb der Nullinie
angezeigt.
3.2. Messung der Kurvenform periodischer Signale
Wird an den Eingang des Y-Verstärkers eine periodische Wechselspannung u(t) angelegt und
erfolgt die X-Ablenkung durch die intern erzeugte Sägezahnspannung nach Abb.2, so wird u(t)
auf dem Bildschirm als stehendes Bild dargestellt. Die Spannung u(t) muss nicht sinusförmig zu
sein. Die Wiedergabetreue ist jedoch nur gewährleistet, wenn die höchsten Frequenzanteile der
Spannung u(t) hinreichend kleiner als die Grenzfrequenz des Y-Verstärkers sind.
Aus der gewählten Einstellung der Ablenkkoeffizienten α und β folgt der Ordinaten- und Abszissenmaßstab
des Bildes. Dadurch ist eine Bestimmung von Amplitude und Periodendauer des
Signals u(t) möglich.
3.3. Frequenz- und Phasenmessungen mittels Lissajousfiguren
Der Y-Eingang erhält die sinusförmige Messspannung
u y (t) = û y cos ( ω y t+ϕ ) (1)
mit der Frequenz f y = ω y /(2π), der X-Eingang erhält eine sinusförmige Vergleichsspannung
(anstatt der intern erzeugten Sägezahn-Ablenkspannung)
u x (t) = û x cos ( ω x t ) , (2)
deren Frequenz f x = ω x /(2π) zur Frequenz f y im Verhältnis kleiner ganzer Zahlen steht. Die
Überlagerung beider Signale führt zu einem stehenden Bild, der sog. Lissajousfigur. Deren Gestalt
erlaubt Rückschlüsse auf das Frequenzverhältnis f y : f x , auf das Amplitudenverhältnis û y : û x
und auf die Phasendifferenz ϕ der Signale u y (t) und u x (t).
Abb.3 zeigt Lissajousfiguren für den Fall f x = f y . In Abb.4 ist eine Lissajousfigur für den
Fall f y : f x = 3 : 2, û y : û x = 5 : 6 und ϕ = 45 dargestellt. Die Frequenz f y kann aus
8

E303: Oszilloskop
û y / û x = 1 û y / û x = 2 û y / û x = 1
û y / û x = 0.5
û y / û x = 1
Abbildung 3: Lissajousfiguren für den Fall f y = f x .
der bekannten Frequenz f x und der Anzahl n y bzw. n x der Maxima der y- bzw. x-Schwingung
berechnet werden. Es gilt die Beziehung
Diese Gesetzmäßigkeit kann anhand von Abb.4 überprüft werden.
f y = f x
n x
n y
. (3)
Abbildung 4: Lissajousfigur für den Fall f y : f x = 3 : 2, û y : û x = 5 : 6, ϕ = 45.
4. Beschreibung der eingesetzten Geräte
4.1. Funktionsgenerator
Es stehen zwei unterschiedliche Funktionsgeneratoren zur Verfügung. Ein Generator ist in den
Praktikumsplatz integriert, der zweite steht als eigenständiges Gerät zur Verfügung. Beide Funktionsgeneratoren
verfügen über die üblichen Einstellmöglichkeiten für Signalform (Rechteck, Sinus,
Sägezahn), Frequenz, Amplitude und Gleichspannungsoffset des Ausgangssignals.
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1 2 3 4 5
E303: Oszilloskop
4.2. Bedienelemente des Elektronenstrahloszilloskops
In diesem Kapitel werden die Bedienelemente des im Labor verwendeten Zweikanal-Oszilloskops
„Tektronix 2213“ beschrieben. Zur Veranschaulichung befindet sich in Abb.5 eine Darstellung
des verwendeten Oszilloskops.
Abbildung 5: Zweikanal-Oszilloskop „Tektronix 2213“.
Die Frontplatte des Oszilloskops ist in fünf nebeneinanderliegende Bereiche unterteilt:
1. Bildschirm mit aufgeprägtem Koordinatensystem (Gitternetzlinien im Abstand von 1cm
x 1cm)
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E303: Oszilloskop
2. Hilfsfunktionen
Symbol
INTENS
FOCUS
PROBE AdJ
POWER
Bedeutung
Drehknopf zur Einstellung der Intensität des Leuchtstrahls
Drehknopf zur Einstellung der Bildschärfe
Eichspannungsausgang
Netzschalter EIN/AUS
3. Eingangssignale
Symbol
CH1
CH2
PROBE AdJ
Bedeutung
BNC-Eingangsbuchse (Kanal 1 oder X-Eingang)
BNC-Eingangsbuchse (Kanal 2 oder Y-Eingang)
Eichspannungsausgang
AC/GND/DC Schalter zur Wahl der Kopplung der Buchse CH l oder CH 2
mit dem Abschwächer des entsprechenden Kanals:
VOLTS/DIV
POSITION
• AC: Verbindung über Kondensator (Wechselspannungskopplung)
• GND: Kurzschließen des Abschwächereinganges bei
gleichzeitiger Abtrennung der BNC-Buchsen
• DC: Galvanische Verbindung (Gleichspannungskopplung)
Drehschalter zur Einstellung des Ablenkkoeffizienten (ein
Schalter pro Kanal). Die angegebenen Zahlenwerte gelten
nur dann, wenn der rote Drehknopf am rechten Anschlag in
der Stellung CAL steht.
Drehknopf zur Positionierung der Bilder der Eingangssignale
in vertikaler Richtung (ein Knopf pro Kanal)
INVERT Taste zur Invertierung des Signals an Buchse CH 2
CH1/BOTH/CH2
Schalter zur Wahl der Darstellung eines Kanals allein oder
beider Kanäle gleichzeitig (Zweikanalbetrieb)
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E303: Oszilloskop
Symbol
Bedeutung
ADD/ALT/CHOP Auswahl des Darstellungmodus:
• ADD: Addiert die Y-Auslenkungen der beiden Kanäle
• ALT: Alternierender Betrieb bei Zweikanaldarstellung.
Innerhalb jeder Periode der Horizontalablenkung wird
abwechselnd genau einer der beiden Kanäle auf den
Bildschirm geschrieben.
• CHOP: Chopperbetrieb bei Zweikanaldarstellung. Innerhalb
einer Periode der Horizontalablenkung wird die
Ablenkung des Elektronenstrahls abwechselnd durch
den einen oder den anderen Kanal gesteuert. Die Umschaltung
erfolgt mit hoher Frequenz.
4. Zeitbasis
Symbol
SEC/DIV
POSITION
HORIZ. MODE
DELAY TIME
MULTIPLIER
Bedeutung
Drehschalter zur Einstellung des Ablenkkoeffizienten. Die
angegebenen Zahlenwerte gelten nur dann, wenn der rote
Drehknopf am rechten Anschlag in der Stellung CAL steht.
Wird der Knopf gezogen, so erhöht sich die Verstärkung des
X-Verstärkers um den Faktor zehn, d.h. der mit SEC/DIV
eingestellte Ablenkkoeffizient ist durch zehn zu dividieren.
In der Stellung XY des Drehschalters wird die Zeitbasis abgeschaltet
und das Signal an Buchse CH 1 zur Horizontalablenkung
verwendet.
Drehknopf zur Positionierung des Bildes in horizontaler
Richtung
Einstellung des horizontalen Darstellungsmodus:
• NO.DLY: Die Zeitbasis läuft normal.
• INTENS: Ein Teil des Signals kann mit größerer Helligkeit
betrachtet werden. Diese Funktion dient zur Markierung
des Signalanteils für die DLY’D- Funktion.
• DLY’D: Ermöglicht die Betrachtung eines relativ zum
Triggerzeitpunkt verzögerten Signalausschnittes mit
höherer zeitlicher Auflösung.
Stufenschalter zur Grobeinstellung der Verzögerungszeit
Feineinstellung der Verzögerungszeit
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E303: Oszilloskop
5. Triggerung
Symbol
EXT INPUT
SOURCE
INT
EXT COUPLING
SLOPE
MODE
NORM
LEVEL
VAR HOLDOFF
Bedeutung
BNC-Buchse zum Anschluss eines externen Triggersignals
Auswahl der Triggerquelle:
• INT: Triggerung durch interne Signale (Kanal 1 oder
Kanal 2)
• LINE: Triggerung durch die Netzfrequenz
• EXT: Triggerung durch das Signal am „EXT INPUT“-
Eingang
Schalter zur Auswahl der internen Triggerquelle (CH1, CH2,
VERT MODE): In der Stellung VERT MODE wird das im
Feld „Vertikal Mode“ (am Oszilloskop gekennzeichnet) ausgewählte
Signal zur Triggerung verwendet.
Schalter zur Wahl der Ankopplung an die externe Triggerquelle
(möglich sind AC (über Kondensator), DC und
DC/10)
Triggerung auf steigende/fallende Signalflanke
Im Modus AUTO erfolgt eine Triggerung auf getrennt einstellbaren
Triggerpegel. Falls kein Triggerpegel gefunden
wird, läuft die Zeitbasis selbständig los, so dass auch ohne
Signal eine horizontale Linie auf dem Bildschirm erscheint.
Triggerung auf getrennt einstellbaren Triggerpegel
Einstellung des Triggerpegels
Einstellung der Wartezeit zwischen Ende und Anfang zweier
Perioden der Sägezahnspannung der Horizontalablenkung
(nützlich bei aperiodischen Signalen zur Verhinderung der
zeitlichen Überlagerung der Signalverläufe)
5. Versuchsdurchführung
Um das Einbrennen des Elektronenstrahls zu verhindern, ist im XY-Betrieb die Helligkeit auf Null
zu stellen, sofern beide Ablenkspannungen gleichzeitig konstant sind. Im Folgenden werden die
beiden Eingänge des verwendeten Zweikanal-Oszilloskops mit Kanal 1 und Kanal 2 bezeichnet.
Bei allen Versuchen werden die zu messenden Signale galvanisch mit den X- bzw. Y-Verstärkern
verbunden. Der im Praktikumsplatz integrierte Funktionsgenerator wird nachfolgend als „Tischgenerator“
bezeichnet (siehe Abb.6).
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E303: Oszilloskop
Tischgenerator
Abbildung 6: Tischgenerator.
5.1. Inbetriebnahme des Oszilloskops
Für diesen Versuchsteil benötigen Sie das Oszilloskop und den Tastkopf.
Lernziel:
In diesem Versuchsteil sollen erste Darstellungsmöglichkeiten des Oszilloskops
kennengelernt werden, indem die Eichspannung mittels eines Tast-
Verständnis des Tastkopfes
kopfs auf dem Oszilloskop dargestellt wird. Gleichzeitig wird die Funktionsweise
des Tastkopfes kennengelernt. Verbinden Sie den Tastkopf mit Kanal 1 des Oszilloskops.
Das Ersatzschaltbild dieses Zusammenschlusses von Oszilloskop und Tastkopf ist in Abb.7 gezeigt.
Hierbei ist die Eingangsadmittanz des Y-Verstärkers des Oszilloskops
Y y = G y +jωC y . (4)
u (t) U_
R
C
U_ y
m m y
u (t)
G
y
C
y
Abbildung 7: Ersatzschaltbild eines Oszilloskops mit vorgeschaltetem Tastkopf.
Im Tastkopf ist als Abschwächer ein Widerstand R und eineinstellbarer
Hinweis:
Kondensator C eingebaut. u m (t) bezeichnet die gemessene Spannung, u y (t)
Die Teilaufgaben a) und b) sind bezeichnet den Spannungsverlauf, der nach Übertragung der Spannung von
während der Versuchsvorbereitung
(zu Hause) zu lösen! U m bzw. U y sind die zugehörigen komplexen Effektivwerte. Ziel ist es,
der Tastkopfspitze zum Oszilloskop auf dem Bildschirm dargestellt wird.
dass der auf dem Bildschirm dargestellte Spannungsverlauf dem tatsächlich
gemessenen Spannungsverlauf entspricht, d.h. es soll kein Einfluss der Messleitungen auf den
dargestellten Spannungsverlauf erkennbar sein.
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E303: Oszilloskop
Der Ausgleich entsprechender Einflüsse geschieht durch geeignete Wahl von R und C. Führen
Sie im Rahmen der Versuchsvorbereitung folgende Berechnungen durch:
a) Bestimmen Sie R so, dass U m /U y = 10 bei ω = 0 gilt!
Raum für Ihre Rechnungen (Durchführung zu Hause)
b) Bestimmen Sie C = C 0 so, dass U m /U y frequenzunabhängig wird! Die Näherung
U m /U y = 10 gilt bei ω ≠ 0 nicht.
Raum für Ihre Rechnungen (Durchführung zu Hause)
Der Einfluss der einstellbaren Kapazität im Tastkopf auf die Signaldarstellung soll für den Fall der
Eichspannung untersucht werden. Schalten Sie zu diesem Zweck die automatische Triggerung ein.
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E303: Oszilloskop
Stellen Sie auf dem Bildschirm des Oszilloskops zwei Perioden der rechteckförmigen Eichspannung
dar.
c) Die Spannung u m (t) hat einen rechteckförmigen Verlauf. Skizzieren Sie qualitativ den Verlauf
von u y (t) für die Fälle, dass der Tastkopf abgeglichen ist, d.h.
1) C = C 0 ,
bzw. dass der Tastkopf unter- oder überkompensiert ist, d.h.
2) C > C 0 und
3) C < C 0
mit C 0 nach Teilaufgabe b) ist (3 Skizzen)!
Raum für Ihre Skizzen
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E303: Oszilloskop
5.2. Darstellung periodischer Signale
Für diesen Versuchsteil benötigen Sie folgende Geräte: Oszilloskop, zwei unabhängige
Signalgeneratoren (Tischgenerator ELABO, externer Generator
„Agilent“), BNC-Kabel.
Lernziel:
Verständnis der Triggereinheit
Hinweis: Ausschlaggebend für Ihre nachfolgenden Beobachtungen ist, dass
der Tischgenerator qualitativ schlechter ist, d.h. die Frequenz schwankt leicht über der Zeit.
Verbinden Sie den Tischgenerator mit Kanal
1 des Oszilloskops und einen Ausgang des
eigenständigen Zweikanalfunktionsgenerators
mit Kanal 2. Wählen Sie als Signalform des
Tischgenerators ein Sinussignal und für den
anderen Generator ein Rechtecksignal. Stellen
Sie beide Generatoren auf eine Frequenz von
1kHz und ihre maximale Ausgangsspannung
(eigenständiger Generator: U max = 10V) ein.
Lassen Sie beide Kanäle gleichzeitig auf dem
Oszilloskop anzeigen, wobei zunächst Kanal1
als Triggerquelle gewählt wird. Untersuchen
Sie den Einfluss von Triggerpegel und Triggerflanke.
Wiederholen Sie anschließend den
Abbildung 8: Externer Generator „Agilent“.
Versuch, wobei Sie Kanal2 als Triggerquelle wählen.
d) Was verändert sich, wenn Sie als Triggerquelle VERT MODE und zusätzlich ALT einschalten?
Raum für Ihre Antworten
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E303: Oszilloskop
5.3. Messung von Amplituden, Zeiten und Frequenzen
Lernziel:
Verständnis der Umrechnung
von analysierten Zeitverläufen
in Frequenzwerte
Für diesen Versuchsteil benötigen Sie folgende Geräte: Oszilloskop, zwei
unabhängige Frequenzgeneratoren, BNC-Kabel.
Verwenden Sie den Versuchsaufbau aus Abschnitt5.2. und schalten Sie die
Signalform des Tischgenerators (Kanal1) auf ein Rechtecksignal um. Lassen
Sie sich von Ihrem Betreuer verdeckt zwei unterschiedliche Frequenzen der
Rechtecksignale einstellen.
e) Zeichnen Sie anschließend die auf dem Oszilloskop dargestellten Signalverläufe ab und
geben Sie die zugehörige Frequenz an. Bitte wählen Sie Ihre Einstellungen am Oszilloskop
so, dass mindestens eine Periodendauer von jedem Signal erkennbar ist.
Raum für Ihre Antworten
f) Variieren Sie die Amplitude des Tischgenerators und bestimmen Sie den minimalen und
maximalen Amplitudenbereich. Geben Sie die minimale und die maximale Amplitude an.
Raum für Ihre Antworten
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E303: Oszilloskop
5.4. Lissajousfiguren
Für diesen Versuchsteil benötigen Sie folgende Geräte: Oszilloskop, Zweikanalfrequenzgenerator,
BNC-Kabel.
Aus Abschnitt3.3. und aus der Literatur (siehe z.B. [1, 3]) ist bekannt, dass
Lissajousfiguren zur Bestimmung von Frequenzverhältnissen sowie Phaseninformationen
genutzt werden können, sofern ein Eingangssignal (Referenzsignal)
bekannt ist.
Lernziel:
Verständnis der Analyse von
Phasenbeziehungen (mittels
Lissajousfiguren)
g) Stellen Sie für die in Abb.9 dargestellten Spannungen u x (t) und u y (t) die zugehörige Lissajousfigur
dar. Analog zu den Aufgaben a) und b) ist auch diese Teilaufgabe während der
Versuchsvorbereitung zu erledigen.
uy( t)
1 V
-1 V
T
t
u ( t)
x
1 V
-1 V
T
t
Abbildung 9: Eingangsspannungen für eine Lissajousfigur.
Raum für Ihre Skizze (Durchführung zu Hause)
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E303: Oszilloskop
Hinweis:
Verbinden Sie beide Kanäle des Funktionsgenerators mit den entsprechenden
Eingängen des Oszilloskops. Stellen Sie das Oszilloskop auf externe
Die Teilaufgabe g) ist während
der Versuchsvorbereitung
XY-Ablenkung sowie die Signalform des Generators auf ein Sinussignal ein.
Stellen Sie ein Referenzsignal Ihrer Wahl ein. Lassen Sie sich anschließend
(zu Hause) zu lösen!
(für Sie verdeckt) durch Ihren Betreuer ein für Sie unbekanntes, zweites
Signal mit identischer Amplitude und Frequenz, aber anderem Phasenwinkel einstellen.
h) Zeichnen Sie die entstandene Lissajousfigur vom Bildschirm des Oszilloskops ab und bestimmen
Sie das Amplitudenverhältnis, das Fequenzverhältnis und die Phase!
Raum für Ihre Skizze bzw. Antworten
5.5. Umschaltvorgänge
Lernziel:
Für diesen Versuchsteil bentötigen Sie folgende Geräte: Oszilloskop, Funktionsgenerator,
beliebiger Widerstand, unbekannte Kapazität, unbekannte
Induktivität, BNC-Kabel.
Verständnis von Umschaltvorgängen
und Bestimmmung von
Bauen Sie eine Hochpassschaltung nach Abb.10 auf und verbinden Sie einen
Bauteilkenngrößen
Kanal des Funktionsgenerators sowohl mit Kanal1 des Oszilloskops als auch
mit dem Schaltungseingang. Wählen Sie ein Rechtecksignal mit einer Amplitude
von U = 1V als Eingangssignal. Schließen Sie weiterhin den Ausgang der Schaltung an
Kanal2 des Oszilloskops an. Stellen Sie einen vollen Umschaltvorgang durch geeignete Wahl der
Frequenz des Eingangssignals auf dem Oszilloskopbildschirm dar.
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E303: Oszilloskop
C
G
u (t)
q
R
u (t)
c
Abbildung 10: Hochpassschaltung.
i) Zeichnen Sie den angezeigten Spannungsverlauf möglichst genau vom Bildschirm ab, da
jener zur späteren Bestimmung der unbekannten Kapazität C benötigt wird.
Raum für Ihre Skizze
Wiederholen Sie den Versuch mit einer Tiefpassschaltung gemäß Abb.11.
Auch hier dient ein Rechtecksignal mit einer Amplitude von U = 1V zur
Anregung der Schaltung. Das Eingangssignal ist sowohl mit dem Schaltungseingang
als auch mit Kanal1 des Oszilloskops verbunden. Der Ausgang
der Tiefpassschaltung wird mit Kanal2 des Oszilloskops verbunden.
Stellen Sie einen vollen Umschaltvorgang durch geeignete Wahl der Frequenz
des Eingangssignals auf dem Oszilloskopbildschirm dar.
G
u (t)
q
L
R
u (t)
L
Hinweis:
Bereiten Sie während der Versuchsvorbereitung
(zu Hause)
vor, in wiefern die Zeitkonstanten
τ = f(R,C) bzw.
τ = f(L,R), welche Sie recht
einfach graphisch während des
Versuchs ermitteln können, von
den verwendeten Bauteilen abhängen!
Abbildung 11: Tiefpassschaltung.
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E303: Oszilloskop
j) Zeichnen Sie den angezeigten Spannungsverlauf möglichst genau vom Bildschirm ab, da
jener zur späteren Bestimmung der unbekannten Induktivität L benötigt wird.
Raum für Ihre Skizze
Die Quellen in den Schaltungen nach Abb.10 und Abb.11 liefern eine sprungförmige Spannung
u q (t) = û q
[
−1+2σ(t−t0 ) ] σ(t) (5)
gemäß Abb.12. Die Funktion σ(t) wird Sprungfunktion genannt und ist wie folgt definiert
σ(t) =
⎧
⎪⎨ 1, für t > 0,
1
2
, für t = 0,
⎪⎩
0, für t < 0.
(6)
Abbildung 12: Verlauf der Spannung u q (t).
k) Bestimmen Sie sowohl die unbekannte Kapazität C als auch die unbekannte Induktivität
L. Bitte geben Sie dabei keine „ausschweifenden“ Rechnungen an, sondern verwenden Sie
zur Lösung einen graphischen Ansatz auf der Basis Ihrer vorbereitenden Überlegungen zur
Abhängigkeit von Zeitkonstanten und Bauteilen aus den Aufgabenteilen h) und i).
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E303: Oszilloskop
Raum für Ihre Antwort
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Literaturverzeichnis
[1] Engels: Oszilloskop-Meßtechnik von A-Z; Franzis-Verlag, München, 1992.
[2] Freyer: Meßtechnik in der Nachrichtenelektronik; Hanser-Verlag, München, 1983.
[3] Meyer: Oszilloskope; 2. überarb. Auflage, Hüthig-Verlag, Heidelberg, 1997.
[4] Schrüfer: Elektrische Meßtechnik; 8. neu bearb. Auflage, Hanser-Verlag, München, 2004.
[5] Hering, Martin, Stoher: Physik für Ingenieure; 9. Auflage, Springer Verlag, Berlin, 2004.
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