Oszilloskop
Oszilloskop
Oszilloskop
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Gemeinsames<br />
Grundpraktikum<br />
<strong>Oszilloskop</strong><br />
Versuch-Nr.: E303<br />
Ziel: Kennenlernen des Elektronenstrahloszilloskops als ein wichtiges und universelles Messgerät<br />
zur Anzeige des zeitlichen Verlaufs veränderlicher elektrischer Spannungen.<br />
Für diesen Versuch ist die Arbeitsgruppe<br />
Digitale Signalverarbeitung und Systemtheorie<br />
Prof. Dr.-Ing. Gerhard Schmidt<br />
verantwortlich. Sollten Sie Erweiterungs- oder Verbesserungsvorschläge für diesen Versuch haben,<br />
so melden Sie sich bitte bei uns.<br />
Noch ein Hinweis: Einige Versuchsteile sollen vor der Versuchsdurchführung<br />
– d.h. während der Versuchsvorbereitung – durchgeführt werden. Solche<br />
Versuchsteile sind durch eine Markierung, wie sie rechts dargestellt ist,<br />
gekennzeichnet.<br />
Hinweis:<br />
Beispiel für einen Hinweis<br />
Stand: 24. Oktober 2012
Inhaltsverzeichnis<br />
1. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2<br />
2. Aufbau und Wirkungsweise des Elektronenstrahloszilloskops . . . . . . . . . . . . 3<br />
2.1. Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3<br />
2.2. Die Kathodenstrahlröhre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3<br />
2.3. X- und Y-Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5<br />
2.4. Zeitbasis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5<br />
2.5. Triggereinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6<br />
2.6. Stromversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6<br />
2.7. Besonderheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6<br />
2.8. Digital-Speicheroszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7<br />
3. Messungen mit dem Elektronenstrahloszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8<br />
3.1. Messung von Gleichspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8<br />
3.2. Messung der Kurvenform periodischer Signale . . . . . . . . . . . . . . . . 8<br />
3.3. Frequenz- und Phasenmessungen mittels Lissajousfiguren . . . . . . . . . 8<br />
4. Beschreibung der eingesetzten Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9<br />
4.1. Funktionsgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9<br />
4.2. Bedienelemente des Elektronenstrahloszilloskops . . . . . . . . . . . . . . 10<br />
5. Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13<br />
5.1. Inbetriebnahme des <strong>Oszilloskop</strong>s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14<br />
5.2. Darstellung periodischer Signale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17<br />
5.3. Messung von Amplituden, Zeiten und Frequenzen . . . . . . . . . . . . . . 18<br />
5.4. Lissajousfiguren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19<br />
5.5. Umschaltvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20<br />
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23<br />
1. Einleitung<br />
Zunächst werden die Anwendungsgebiete und Ausführungsformen von <strong>Oszilloskop</strong>en vorgestellt.<br />
Anhand eines Blockschaltbildes erfolgt danach die Beschreibung der einzelnen Baugruppen sowie<br />
die Erläuterung ihres Zusammenspiels. Die Funktion von Digital-Speicheroszilloskopen wird<br />
kurz beschrieben. Zur Vorbereitung der praktischen Versuchsdurchführung sind zum Abschluss<br />
des theoretischen Teils einige Fragen formuliert. Ausgehend von einfachen Aufgaben zum Kennenlernen<br />
des verwendeten <strong>Oszilloskop</strong>s zeigt der praktische Teil des Versuchs am Beispiel einiger<br />
Messungen die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten dieses Geräts.<br />
2
E303: <strong>Oszilloskop</strong><br />
2. Aufbau und Wirkungsweise des Elektronenstrahloszilloskops<br />
2.1. Allgemeines<br />
Das Elektronenstrahloszilloskop gestattet die Aufzeichnung zeitabhängiger elektrischer Spannungen<br />
auf einem Bildschirm. Diese Spannungen können<br />
• periodische Signale,<br />
• sich nicht periodisch wiederholende Impulse oder<br />
• einmalige Impulse<br />
sein. Neben der qualitativen Betrachtung des Signalverlaufs können mit dem <strong>Oszilloskop</strong> quantitative<br />
Aussagen über wichtige Größen der Signale gemacht werden. <strong>Oszilloskop</strong>e lassen sich nach<br />
drei Kriterien unterscheiden:<br />
• dem zulässigen Frequenzbereich des Signals,<br />
• der Möglichkeit gleichzeitiger Darstellung mehrerer Signale und<br />
• der Möglichkeit der Signalspeicherung.<br />
Zur gleichzeitigen Darstellung mehrerer Signale werden Mehrkanal- und Mehrstrahloszilloskope<br />
verwendet. Speicheroszilloskope gestatten die Speicherung eines einmal gezeichneten Signalverlaufs.<br />
Für Signale im Frequenzbereich oberhalb einiger hundert MHz werden Abtastoszilloskope<br />
verwendet. In diesem Versuch wird ein Zweikanaloszilloskop ohne Signalspeicherung für Frequenzen<br />
unterhalb von 60MHz vorgestellt.<br />
Die notwendigen Baugruppen eines <strong>Oszilloskop</strong>s sind:<br />
• Kathodenstrahlröhre (Braun’sche Röhre),<br />
• Horizontalverstärker mit Abschwächer,<br />
• Vertikalverstärker mit Abschwächer,<br />
• Zeitablenkeinheit,<br />
• Triggereinrichtung und<br />
• Stromversorgung.<br />
Die Funktionsweise dieser Komponenten und ihr Zusammenwirken werden in den folgenden Kapiteln<br />
anhand des Blockschaltbildes des <strong>Oszilloskop</strong>s nach Abb.1 erläutert.<br />
2.2. Die Kathodenstrahlröhre<br />
Die Kathodenstrahlröhre, auch Bildröhre genannt, ist eine Hochvakuumröhre, mit der elektrische<br />
Spannungen sichtbar gemacht werden können. Die von der geheizten Kathode austretenden Elektronen<br />
durchlaufen den Wehneltzylinder, die Hilfsanode, die Anode, die Ablenkplattenpaare Y<br />
3
E303: <strong>Oszilloskop</strong><br />
Kathode<br />
Wehneltzylinder<br />
Anode y-Platten x-Platten<br />
Hilfsanode<br />
Bildschirm<br />
Heizung<br />
Intensität<br />
_<br />
Bild -<br />
schärfe<br />
+<br />
Y<br />
Position<br />
Verstärker<br />
X<br />
<br />
Zeitdehnung<br />
Zeitbasis<br />
Pegel<br />
Flanke<br />
Verzögerung<br />
Triggereinheit<br />
<br />
Dämpfungsglieder<br />
Netz<br />
220 V<br />
50 Hz<br />
Stromversorgung<br />
Triggerung<br />
Y<br />
X<br />
Abbildung 1: Blockschaltbild eines <strong>Oszilloskop</strong>s.<br />
und X und treffen als Elektronenstrahl auf den Bildschirm. Der Bildschirm auf der Innenseite der<br />
Bildröhre enthält fluoreszierende Bestandteile, die beim Auftreffen der Elektronen aufleuchten,<br />
und phosphoreszierende Bestandteile, die ein Nachleuchten bewirken.<br />
Der Elektronenstrahl kann auf folgende Weise beeinflusst werden:<br />
• Helligkeitssteuerung durch Änderung der Spannung zwischen dem Wehneltzylinder und der<br />
Kathode (Änderung der Elektronendichte im Elektronenstrahl),<br />
• Strahlbündelung mittels Spannung zwischen der Hilfsanode und der Kathode,<br />
• Vertikalablenkung durch eine Spannung am Ablenkplattenpaar Y und<br />
• Horizontalablenkung durch eine Spannung am Ablenkplattenpaar X.<br />
Die Beschleunigung der von der Kathode austretenden Elektronen erfolgt durch die Kraftwirkung<br />
des elektrischen Feldes, das sich zwischen Anode und Kathode ausbildet. Die vertikale und<br />
horizontale Auslenkung des Elektronenstrahls erfolgt durch die Kraftwirkung des elektrischen<br />
Feldes zwischen den Y- bzw. X-Platten.<br />
4
E303: <strong>Oszilloskop</strong><br />
2.3. X- und Y-Verstärker<br />
Die zu messenden Spannungen sind in der Regel zu gering, um damit den Elektronenstrahl mittels<br />
der Ablenkplatten abzulenken. Daher werden vor die Ablenkplatten noch Horizontal- und<br />
Vertikalverstärker (X- und Y-Verstärker) geschaltet. Diese Verstärker müssen breitbandig sein,<br />
da <strong>Oszilloskop</strong>e zur Betrachtung von Signalen im Frequenzbereich von null bis zu einigen hundert<br />
MHz geeignet sein sollen. Die Eingangsempfindlichkeit der Verstärker liegt bei ca. 2mV pro<br />
1cm Auslenkung des Leuchtflecks auf dem Bildschirm. Zur Betrachtung von Signalen mit großen<br />
Amplituden sind den Verstärkern stufenweise umschaltbare Dämpfungsglieder vorgeschaltet. Die<br />
Gesamtempfindlichkeit von Verstärker und Dämpfungsglied wird durch den Ablenkkoeffizienten<br />
α angegeben. Der Ablenkkoeffizient α ist ein Maß dafür, welche Spannung des Messsignals für eine<br />
bestimmte Auslenkung des Leuchtflecks erforderlich ist. Übliche Werte für α liegen im Bereich<br />
2mV/cm < α < 20V/cm. Die Dämpfungsglieder haben im Allgemeinen eine hohe Eingangsimpedanz,<br />
die durch die Parallelschaltung eines Widerstandes von ca. 1MΩ und eines Kondensators<br />
mit einer Kapazität von einigen Picofarad (30pF) beschrieben werden kann (entspricht dem<br />
Eingangsersatzschaltbild vieler <strong>Oszilloskop</strong>e). Über dreistufige Schalter lassen sich die Eingänge<br />
der Dämpfungsglieder kurzschließen (und damit gleichzeitig von den Eingangsbuchsen trennen)<br />
sowie direkt oder über einen Kondensator an die Eingangsbuchsen schalten. Zur Positionierung<br />
des Bildes auf dem Bildschirm werden den Ablenkspannungen in den Endstufen der Verstärker<br />
einstellbare Gleichspannungen additiv überlagert. Zur Verbindung mit dem Messobjekt kann an<br />
die Eingangsbuchse des Y-Verstärkers/Abschwächers ein Tastkopf angeschlossen werden. Dieser<br />
ist im Allgemeinen ein isolierter Handgriff mit Messspitze und einer Masseklemme. Die Masse der<br />
Messanschlüsse eines <strong>Oszilloskop</strong>s ist für gewöhnlich mit der Erdungsleitung des Anschlusskabels<br />
identisch. Dies ist wichtig beim Anschluss der Masseleitung an nicht erdpotenzialfreie Schaltungen.<br />
Es sind dadurch Kurzschlüsse und Erdschleifen möglich. Ein Teil der Tastköpfe kann mit<br />
integrierten Abschwächern ausgestattet sein. Bei der Skalierung der Bildschirmanzeige muss das<br />
beachtet werden.<br />
2.4. Zeitbasis<br />
û<br />
x<br />
0<br />
u (t)<br />
x<br />
t t +T t +T+T<br />
0 0 v 0 v r<br />
Abbildung 2: Sägezahnimpuls u x (t).<br />
t<br />
Das Messsignal u(t) soll als Funktion der Zeit abgebildet<br />
werden. Legt man das Messsignal an den<br />
Y-Eingang, so ist die Auslenkung u y (t) des Leuchtpunktes<br />
in y-Richtung proportional zum Momentanwert<br />
u(t) des Messsignals. Liegt an den X-Platten<br />
eine Gleichspannung, so erscheint auf dem Bildschirm<br />
ein vertikaler Strich.<br />
Wird zusätzlich an die X-Platten eine sägezahnförmige<br />
Spannung u x (t) nach Abb.2 angelegt, so bewegt<br />
sich der Leuchtfleck im Intervall t 0 ≤ t ≤<br />
t 0 + T V vom linken zum rechten Bildschirmrand. Damit wird ein Ausschnitt des Messsignals<br />
der Dauer T V auf dem Bildschirm abgebildet. Im Intervall t 0 + T V ≤ t ≤ t 0 + T V + T t läuft<br />
5
E303: <strong>Oszilloskop</strong><br />
der Elektronenstrahl zum linken Bildschirmrand zurück. Während des Strahlrücklaufs wird der<br />
Elektronenstrahl dunkelgetastet, d.h. seine Intensität auf Null verringert. Um bei einem periodischen<br />
oder bei einem sich nicht periodisch wiederholenden Impuls ein stehendes Bild zu erhalten,<br />
muss der Elektronenstrahl immer mit der Aufzeichnung sich entsprechender Bildpunkte am linken<br />
Bildschirmrand beginnen. Dazu dient die im Abschnitt2.5. beschriebene Triggereinrichtung.<br />
Mit der Anstiegszeit T V des Sägezahnimpulses und der Breite b des Bildschirms lässt sich der<br />
Ablenkkoeffizient β zu β = T V /b angeben; übliche Werte sind 10ns/cm ≤ β ≤ 1s/cm.<br />
2.5. Triggereinrichtung<br />
Die Triggereinrichtung erkennt, zu welchem Zeitpunkt t ′ 0 das Messsignal u(t) einen bestimmten,<br />
vorgebbaren Spannungswert, den Triggerpegel, erreicht und ob die Steigung du(t)/dt zu diesem<br />
Zeitpunkt das vorgegebene Vorzeichen besitzt. Wird der Triggerpegel in der vorgegebenen Flanke<br />
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,<br />
d.h. der sägezahnförmige Impuls wird gestartet. Zur Bestimmung des Triggerzeitpunktes kann<br />
an Stelle des Messsignals u(t) auch ein externes Triggersignal oder ein internes Signal, welches<br />
aus der Netzfrequenz abgeleitet wird, verwendet werden.<br />
2.6. Stromversorgung<br />
Die Stromversorgungseinheit eines <strong>Oszilloskop</strong>s muss das Gerät galvanisch vom speisenden Netz<br />
trennen und eine Vielzahl verschiedener Spannungswerte liefern. Diese Spannungen liegen im<br />
Bereich von 5V für Logikschaltkreise (TTL) bis zu einigen tausend Volt für die Braun’sche<br />
Röhre.<br />
2.7. Besonderheiten<br />
Im Folgenden werden Baugruppen beschrieben, die nicht alle <strong>Oszilloskop</strong>e enthalten:<br />
• Z-Modulation<br />
Über den Z-Eingang kann mittels eines externen Signals die Intensität des Leuchtpunktes<br />
eingestellt werden. Diese Beeinflussung der Intensität wird als Z-Modulation bezeichnet.<br />
Sie ist notwendig, um z. B. einzelne Schriftzeichen auf dem Bildschirm abzubilden.<br />
• Signalidentifizierung<br />
Bei Mehrkanal- und Mehrstrahloszilloskopen ist es wünschenswert, die einzelnen Signalverläufe<br />
den Signalen zuzuordnen, ohne die Positionseinstellung zu verändern. Zu diesem<br />
Zweck können, nach Kanälen getrennt, die Ablenkspannungen mit einem Spannungsoffset<br />
beaufschlagt werden.<br />
• Triggerverzögerung<br />
Der Start des Sägezahnimpulses der Zeitablenkeinheit kann gegenüber dem Triggerzeitpunkt<br />
verzögert werden. Damit wird es möglich, einen kleinen Ausschnitt des Signals ab<br />
6
E303: <strong>Oszilloskop</strong><br />
einer ohne Triggerverzögerung nicht triggerbaren Stelle zeitlich gedehnt zu betrachten. <strong>Oszilloskop</strong>e<br />
mit Triggerverzögerung verfügen in der Regel über eine zweite Zeitbasis, auf die<br />
beim Betrieb mit Triggerverzögerung umgeschaltet wird.<br />
• Zeitdehnung<br />
Die Verstärkung des X-Verstärkers kann um einen festen Faktor, oft fünf- oder zehnfach,<br />
vergrößert werden. Die zeitliche Auflösung des Signals wird dadurch verbessert.<br />
• Eichspannung<br />
Zum Abgleich von Tastköpfen mit eingebauten Abschwächern sowie zur Kalibrierung der<br />
Verstärker stellen viele <strong>Oszilloskop</strong>e eine periodische Rechteckspannung mit konstanter<br />
Frequenz und Amplitude zur Verfügung.<br />
2.8. Digital-Speicheroszilloskop<br />
Bei den klassischen analogen <strong>Oszilloskop</strong>en ergeben sich für nichtperiodische und/oder sehr<br />
niederfrequente Signale prinzipbedingte Probleme. Solche Signale sind nur auf <strong>Oszilloskop</strong>bildschirmen<br />
mit langer Nachleuchtdauer gut darstellbar. Eine lange Nachleuchtdauer kann jedoch<br />
bei höherfrequenten Signalen die Erkennbarkeit verschlechtern. Ferner lässt sich die Nachleuchtdauer<br />
nicht unbegrenzt erhöhen und kann nach der Herstellung des <strong>Oszilloskop</strong>s nicht<br />
weiter variiert werden.<br />
Diese Schwierigkeiten haben zur Konstruktion von digitalen Speicheroszilloskopen geführt. Moderne,<br />
leistungsfähige Speicheroszilloskope bestehen im Prinzip aus schnellen Analog-Digital-<br />
Wandlern und einem „kompletten“ PC. Durch diese Kombination sind verschiedene Betriebsarten<br />
möglich. Der PC berechnet je nach eingestellter Betriebsart die graphische Position der<br />
aufgenommenen Daten auf dem Bildschirm.<br />
Zum einen können die eingelesenen Messwerte direkt auf den Bildschirm wieder ausgegeben<br />
werden. In dieser Betriebsart verhält sich das Speicheroszilloskop wie ein Analogoszilloskop.<br />
Eine weitere Möglichkeit der Signaldarstellung ist der Rollmodus. Hierbei erscheinen die neu<br />
eingelesenen Messwerte immer am rechten Bildschirmrand und der Rest der Anzeige „rollt“ nach<br />
links durch. Die Speicherfunktion erlaubt es, eine bestimmte Anzahl von Messwerten vor und<br />
nach dem Triggerzeitpunkt digital abzuspeichern und beliebig lange anzuzeigen. Hierdurch ist<br />
es möglich, auch transiente, einmalige Signale oder das Geschehen vor dem Triggerzeitpunkt zu<br />
analysieren.<br />
Besonders leistungsfähige Speicheroszilloskope verfügen über zusätzliche Funktionen zur Signalverarbeitung,<br />
wie die Möglichkeit der Fourieranalyse oder Filterung.<br />
7
E303: <strong>Oszilloskop</strong><br />
3. Messungen mit dem Elektronenstrahloszilloskop<br />
3.1. Messung von Gleichspannungen<br />
Sollen Gleichspannungen mit dem <strong>Oszilloskop</strong> gemessen werden, so muss der Sägezahngenerator<br />
der X-Ablenkung so eingestellt sein, dass er nicht ständig von der Y-Spannung getriggert wird.<br />
Dafür gibt es zwei Möglichkeiten: Triggerwahlschalter auf den entsprechenden Kanal und auf<br />
AUTO (die einzelnen Funktionen werden in Abschnitt4.2. noch genauer erklärt) schalten oder<br />
SOURCE auf LINE schalten. Außerdem muss der AC-DC-Umschalter des entsprechenden Kanals<br />
auf DC geschaltet sein. Wenn nun am Mittelleiter der Koaxialbuchse ein höheres Potenzial als<br />
am Außenleiter anliegt, so wird auf dem Bildschirm eine horizontale Linie oberhalb der Nullinie<br />
angezeigt.<br />
3.2. Messung der Kurvenform periodischer Signale<br />
Wird an den Eingang des Y-Verstärkers eine periodische Wechselspannung u(t) angelegt und<br />
erfolgt die X-Ablenkung durch die intern erzeugte Sägezahnspannung nach Abb.2, so wird u(t)<br />
auf dem Bildschirm als stehendes Bild dargestellt. Die Spannung u(t) muss nicht sinusförmig zu<br />
sein. Die Wiedergabetreue ist jedoch nur gewährleistet, wenn die höchsten Frequenzanteile der<br />
Spannung u(t) hinreichend kleiner als die Grenzfrequenz des Y-Verstärkers sind.<br />
Aus der gewählten Einstellung der Ablenkkoeffizienten α und β folgt der Ordinaten- und Abszissenmaßstab<br />
des Bildes. Dadurch ist eine Bestimmung von Amplitude und Periodendauer des<br />
Signals u(t) möglich.<br />
3.3. Frequenz- und Phasenmessungen mittels Lissajousfiguren<br />
Der Y-Eingang erhält die sinusförmige Messspannung<br />
u y (t) = û y cos ( ω y t+ϕ ) (1)<br />
mit der Frequenz f y = ω y /(2π), der X-Eingang erhält eine sinusförmige Vergleichsspannung<br />
(anstatt der intern erzeugten Sägezahn-Ablenkspannung)<br />
u x (t) = û x cos ( ω x t ) , (2)<br />
deren Frequenz f x = ω x /(2π) zur Frequenz f y im Verhältnis kleiner ganzer Zahlen steht. Die<br />
Überlagerung beider Signale führt zu einem stehenden Bild, der sog. Lissajousfigur. Deren Gestalt<br />
erlaubt Rückschlüsse auf das Frequenzverhältnis f y : f x , auf das Amplitudenverhältnis û y : û x<br />
und auf die Phasendifferenz ϕ der Signale u y (t) und u x (t).<br />
Abb.3 zeigt Lissajousfiguren für den Fall f x = f y . In Abb.4 ist eine Lissajousfigur für den<br />
Fall f y : f x = 3 : 2, û y : û x = 5 : 6 und ϕ = 45 dargestellt. Die Frequenz f y kann aus<br />
8
E303: <strong>Oszilloskop</strong><br />
û y / û x = 1 û y / û x = 2 û y / û x = 1<br />
<br />
û y / û x = 0.5<br />
<br />
û y / û x = 1<br />
<br />
Abbildung 3: Lissajousfiguren für den Fall f y = f x .<br />
der bekannten Frequenz f x und der Anzahl n y bzw. n x der Maxima der y- bzw. x-Schwingung<br />
berechnet werden. Es gilt die Beziehung<br />
Diese Gesetzmäßigkeit kann anhand von Abb.4 überprüft werden.<br />
f y = f x<br />
n x<br />
n y<br />
. (3)<br />
Abbildung 4: Lissajousfigur für den Fall f y : f x = 3 : 2, û y : û x = 5 : 6, ϕ = 45.<br />
4. Beschreibung der eingesetzten Geräte<br />
4.1. Funktionsgenerator<br />
Es stehen zwei unterschiedliche Funktionsgeneratoren zur Verfügung. Ein Generator ist in den<br />
Praktikumsplatz integriert, der zweite steht als eigenständiges Gerät zur Verfügung. Beide Funktionsgeneratoren<br />
verfügen über die üblichen Einstellmöglichkeiten für Signalform (Rechteck, Sinus,<br />
Sägezahn), Frequenz, Amplitude und Gleichspannungsoffset des Ausgangssignals.<br />
9
1 2 3 4 5<br />
E303: <strong>Oszilloskop</strong><br />
4.2. Bedienelemente des Elektronenstrahloszilloskops<br />
In diesem Kapitel werden die Bedienelemente des im Labor verwendeten Zweikanal-<strong>Oszilloskop</strong>s<br />
„Tektronix 2213“ beschrieben. Zur Veranschaulichung befindet sich in Abb.5 eine Darstellung<br />
des verwendeten <strong>Oszilloskop</strong>s.<br />
Abbildung 5: Zweikanal-<strong>Oszilloskop</strong> „Tektronix 2213“.<br />
Die Frontplatte des <strong>Oszilloskop</strong>s ist in fünf nebeneinanderliegende Bereiche unterteilt:<br />
1. Bildschirm mit aufgeprägtem Koordinatensystem (Gitternetzlinien im Abstand von 1cm<br />
x 1cm)<br />
10
E303: <strong>Oszilloskop</strong><br />
2. Hilfsfunktionen<br />
Symbol<br />
INTENS<br />
FOCUS<br />
PROBE AdJ<br />
POWER<br />
Bedeutung<br />
Drehknopf zur Einstellung der Intensität des Leuchtstrahls<br />
Drehknopf zur Einstellung der Bildschärfe<br />
Eichspannungsausgang<br />
Netzschalter EIN/AUS<br />
3. Eingangssignale<br />
Symbol<br />
CH1<br />
CH2<br />
PROBE AdJ<br />
Bedeutung<br />
BNC-Eingangsbuchse (Kanal 1 oder X-Eingang)<br />
BNC-Eingangsbuchse (Kanal 2 oder Y-Eingang)<br />
Eichspannungsausgang<br />
AC/GND/DC Schalter zur Wahl der Kopplung der Buchse CH l oder CH 2<br />
mit dem Abschwächer des entsprechenden Kanals:<br />
VOLTS/DIV<br />
POSITION<br />
• AC: Verbindung über Kondensator (Wechselspannungskopplung)<br />
• GND: Kurzschließen des Abschwächereinganges bei<br />
gleichzeitiger Abtrennung der BNC-Buchsen<br />
• DC: Galvanische Verbindung (Gleichspannungskopplung)<br />
Drehschalter zur Einstellung des Ablenkkoeffizienten (ein<br />
Schalter pro Kanal). Die angegebenen Zahlenwerte gelten<br />
nur dann, wenn der rote Drehknopf am rechten Anschlag in<br />
der Stellung CAL steht.<br />
Drehknopf zur Positionierung der Bilder der Eingangssignale<br />
in vertikaler Richtung (ein Knopf pro Kanal)<br />
INVERT Taste zur Invertierung des Signals an Buchse CH 2<br />
CH1/BOTH/CH2<br />
Schalter zur Wahl der Darstellung eines Kanals allein oder<br />
beider Kanäle gleichzeitig (Zweikanalbetrieb)<br />
11
E303: <strong>Oszilloskop</strong><br />
Symbol<br />
Bedeutung<br />
ADD/ALT/CHOP Auswahl des Darstellungmodus:<br />
• ADD: Addiert die Y-Auslenkungen der beiden Kanäle<br />
• ALT: Alternierender Betrieb bei Zweikanaldarstellung.<br />
Innerhalb jeder Periode der Horizontalablenkung wird<br />
abwechselnd genau einer der beiden Kanäle auf den<br />
Bildschirm geschrieben.<br />
• CHOP: Chopperbetrieb bei Zweikanaldarstellung. Innerhalb<br />
einer Periode der Horizontalablenkung wird die<br />
Ablenkung des Elektronenstrahls abwechselnd durch<br />
den einen oder den anderen Kanal gesteuert. Die Umschaltung<br />
erfolgt mit hoher Frequenz.<br />
4. Zeitbasis<br />
Symbol<br />
SEC/DIV<br />
POSITION<br />
HORIZ. MODE<br />
DELAY TIME<br />
MULTIPLIER<br />
Bedeutung<br />
Drehschalter zur Einstellung des Ablenkkoeffizienten. Die<br />
angegebenen Zahlenwerte gelten nur dann, wenn der rote<br />
Drehknopf am rechten Anschlag in der Stellung CAL steht.<br />
Wird der Knopf gezogen, so erhöht sich die Verstärkung des<br />
X-Verstärkers um den Faktor zehn, d.h. der mit SEC/DIV<br />
eingestellte Ablenkkoeffizient ist durch zehn zu dividieren.<br />
In der Stellung XY des Drehschalters wird die Zeitbasis abgeschaltet<br />
und das Signal an Buchse CH 1 zur Horizontalablenkung<br />
verwendet.<br />
Drehknopf zur Positionierung des Bildes in horizontaler<br />
Richtung<br />
Einstellung des horizontalen Darstellungsmodus:<br />
• NO.DLY: Die Zeitbasis läuft normal.<br />
• INTENS: Ein Teil des Signals kann mit größerer Helligkeit<br />
betrachtet werden. Diese Funktion dient zur Markierung<br />
des Signalanteils für die DLY’D- Funktion.<br />
• DLY’D: Ermöglicht die Betrachtung eines relativ zum<br />
Triggerzeitpunkt verzögerten Signalausschnittes mit<br />
höherer zeitlicher Auflösung.<br />
Stufenschalter zur Grobeinstellung der Verzögerungszeit<br />
Feineinstellung der Verzögerungszeit<br />
12
E303: <strong>Oszilloskop</strong><br />
5. Triggerung<br />
Symbol<br />
EXT INPUT<br />
SOURCE<br />
INT<br />
EXT COUPLING<br />
SLOPE<br />
MODE<br />
NORM<br />
LEVEL<br />
VAR HOLDOFF<br />
Bedeutung<br />
BNC-Buchse zum Anschluss eines externen Triggersignals<br />
Auswahl der Triggerquelle:<br />
• INT: Triggerung durch interne Signale (Kanal 1 oder<br />
Kanal 2)<br />
• LINE: Triggerung durch die Netzfrequenz<br />
• EXT: Triggerung durch das Signal am „EXT INPUT“-<br />
Eingang<br />
Schalter zur Auswahl der internen Triggerquelle (CH1, CH2,<br />
VERT MODE): In der Stellung VERT MODE wird das im<br />
Feld „Vertikal Mode“ (am <strong>Oszilloskop</strong> gekennzeichnet) ausgewählte<br />
Signal zur Triggerung verwendet.<br />
Schalter zur Wahl der Ankopplung an die externe Triggerquelle<br />
(möglich sind AC (über Kondensator), DC und<br />
DC/10)<br />
Triggerung auf steigende/fallende Signalflanke<br />
Im Modus AUTO erfolgt eine Triggerung auf getrennt einstellbaren<br />
Triggerpegel. Falls kein Triggerpegel gefunden<br />
wird, läuft die Zeitbasis selbständig los, so dass auch ohne<br />
Signal eine horizontale Linie auf dem Bildschirm erscheint.<br />
Triggerung auf getrennt einstellbaren Triggerpegel<br />
Einstellung des Triggerpegels<br />
Einstellung der Wartezeit zwischen Ende und Anfang zweier<br />
Perioden der Sägezahnspannung der Horizontalablenkung<br />
(nützlich bei aperiodischen Signalen zur Verhinderung der<br />
zeitlichen Überlagerung der Signalverläufe)<br />
5. Versuchsdurchführung<br />
Um das Einbrennen des Elektronenstrahls zu verhindern, ist im XY-Betrieb die Helligkeit auf Null<br />
zu stellen, sofern beide Ablenkspannungen gleichzeitig konstant sind. Im Folgenden werden die<br />
beiden Eingänge des verwendeten Zweikanal-<strong>Oszilloskop</strong>s mit Kanal 1 und Kanal 2 bezeichnet.<br />
Bei allen Versuchen werden die zu messenden Signale galvanisch mit den X- bzw. Y-Verstärkern<br />
verbunden. Der im Praktikumsplatz integrierte Funktionsgenerator wird nachfolgend als „Tischgenerator“<br />
bezeichnet (siehe Abb.6).<br />
13
E303: <strong>Oszilloskop</strong><br />
Tischgenerator<br />
Abbildung 6: Tischgenerator.<br />
5.1. Inbetriebnahme des <strong>Oszilloskop</strong>s<br />
Für diesen Versuchsteil benötigen Sie das <strong>Oszilloskop</strong> und den Tastkopf.<br />
Lernziel:<br />
In diesem Versuchsteil sollen erste Darstellungsmöglichkeiten des <strong>Oszilloskop</strong>s<br />
kennengelernt werden, indem die Eichspannung mittels eines Tast-<br />
Verständnis des Tastkopfes<br />
kopfs auf dem <strong>Oszilloskop</strong> dargestellt wird. Gleichzeitig wird die Funktionsweise<br />
des Tastkopfes kennengelernt. Verbinden Sie den Tastkopf mit Kanal 1 des <strong>Oszilloskop</strong>s.<br />
Das Ersatzschaltbild dieses Zusammenschlusses von <strong>Oszilloskop</strong> und Tastkopf ist in Abb.7 gezeigt.<br />
Hierbei ist die Eingangsadmittanz des Y-Verstärkers des <strong>Oszilloskop</strong>s<br />
Y y = G y +jωC y . (4)<br />
u (t) U_<br />
R<br />
C<br />
U_ y<br />
m m y<br />
u (t)<br />
G<br />
y<br />
C<br />
y<br />
Abbildung 7: Ersatzschaltbild eines <strong>Oszilloskop</strong>s mit vorgeschaltetem Tastkopf.<br />
Im Tastkopf ist als Abschwächer ein Widerstand R und eineinstellbarer<br />
Hinweis:<br />
Kondensator C eingebaut. u m (t) bezeichnet die gemessene Spannung, u y (t)<br />
Die Teilaufgaben a) und b) sind bezeichnet den Spannungsverlauf, der nach Übertragung der Spannung von<br />
während der Versuchsvorbereitung<br />
(zu Hause) zu lösen! U m bzw. U y sind die zugehörigen komplexen Effektivwerte. Ziel ist es,<br />
der Tastkopfspitze zum <strong>Oszilloskop</strong> auf dem Bildschirm dargestellt wird.<br />
dass der auf dem Bildschirm dargestellte Spannungsverlauf dem tatsächlich<br />
gemessenen Spannungsverlauf entspricht, d.h. es soll kein Einfluss der Messleitungen auf den<br />
dargestellten Spannungsverlauf erkennbar sein.<br />
14
E303: <strong>Oszilloskop</strong><br />
Der Ausgleich entsprechender Einflüsse geschieht durch geeignete Wahl von R und C. Führen<br />
Sie im Rahmen der Versuchsvorbereitung folgende Berechnungen durch:<br />
a) Bestimmen Sie R so, dass U m /U y = 10 bei ω = 0 gilt!<br />
Raum für Ihre Rechnungen (Durchführung zu Hause)<br />
b) Bestimmen Sie C = C 0 so, dass U m /U y frequenzunabhängig wird! Die Näherung<br />
U m /U y = 10 gilt bei ω ≠ 0 nicht.<br />
Raum für Ihre Rechnungen (Durchführung zu Hause)<br />
Der Einfluss der einstellbaren Kapazität im Tastkopf auf die Signaldarstellung soll für den Fall der<br />
Eichspannung untersucht werden. Schalten Sie zu diesem Zweck die automatische Triggerung ein.<br />
15
E303: <strong>Oszilloskop</strong><br />
Stellen Sie auf dem Bildschirm des <strong>Oszilloskop</strong>s zwei Perioden der rechteckförmigen Eichspannung<br />
dar.<br />
c) Die Spannung u m (t) hat einen rechteckförmigen Verlauf. Skizzieren Sie qualitativ den Verlauf<br />
von u y (t) für die Fälle, dass der Tastkopf abgeglichen ist, d.h.<br />
1) C = C 0 ,<br />
bzw. dass der Tastkopf unter- oder überkompensiert ist, d.h.<br />
2) C > C 0 und<br />
3) C < C 0<br />
mit C 0 nach Teilaufgabe b) ist (3 Skizzen)!<br />
Raum für Ihre Skizzen<br />
16
E303: <strong>Oszilloskop</strong><br />
5.2. Darstellung periodischer Signale<br />
Für diesen Versuchsteil benötigen Sie folgende Geräte: <strong>Oszilloskop</strong>, zwei unabhängige<br />
Signalgeneratoren (Tischgenerator ELABO, externer Generator<br />
„Agilent“), BNC-Kabel.<br />
Lernziel:<br />
Verständnis der Triggereinheit<br />
Hinweis: Ausschlaggebend für Ihre nachfolgenden Beobachtungen ist, dass<br />
der Tischgenerator qualitativ schlechter ist, d.h. die Frequenz schwankt leicht über der Zeit.<br />
Verbinden Sie den Tischgenerator mit Kanal<br />
1 des <strong>Oszilloskop</strong>s und einen Ausgang des<br />
eigenständigen Zweikanalfunktionsgenerators<br />
mit Kanal 2. Wählen Sie als Signalform des<br />
Tischgenerators ein Sinussignal und für den<br />
anderen Generator ein Rechtecksignal. Stellen<br />
Sie beide Generatoren auf eine Frequenz von<br />
1kHz und ihre maximale Ausgangsspannung<br />
(eigenständiger Generator: U max = 10V) ein.<br />
Lassen Sie beide Kanäle gleichzeitig auf dem<br />
<strong>Oszilloskop</strong> anzeigen, wobei zunächst Kanal1<br />
als Triggerquelle gewählt wird. Untersuchen<br />
Sie den Einfluss von Triggerpegel und Triggerflanke.<br />
Wiederholen Sie anschließend den<br />
Abbildung 8: Externer Generator „Agilent“.<br />
Versuch, wobei Sie Kanal2 als Triggerquelle wählen.<br />
d) Was verändert sich, wenn Sie als Triggerquelle VERT MODE und zusätzlich ALT einschalten?<br />
Raum für Ihre Antworten<br />
17
E303: <strong>Oszilloskop</strong><br />
5.3. Messung von Amplituden, Zeiten und Frequenzen<br />
Lernziel:<br />
Verständnis der Umrechnung<br />
von analysierten Zeitverläufen<br />
in Frequenzwerte<br />
Für diesen Versuchsteil benötigen Sie folgende Geräte: <strong>Oszilloskop</strong>, zwei<br />
unabhängige Frequenzgeneratoren, BNC-Kabel.<br />
Verwenden Sie den Versuchsaufbau aus Abschnitt5.2. und schalten Sie die<br />
Signalform des Tischgenerators (Kanal1) auf ein Rechtecksignal um. Lassen<br />
Sie sich von Ihrem Betreuer verdeckt zwei unterschiedliche Frequenzen der<br />
Rechtecksignale einstellen.<br />
e) Zeichnen Sie anschließend die auf dem <strong>Oszilloskop</strong> dargestellten Signalverläufe ab und<br />
geben Sie die zugehörige Frequenz an. Bitte wählen Sie Ihre Einstellungen am <strong>Oszilloskop</strong><br />
so, dass mindestens eine Periodendauer von jedem Signal erkennbar ist.<br />
Raum für Ihre Antworten<br />
f) Variieren Sie die Amplitude des Tischgenerators und bestimmen Sie den minimalen und<br />
maximalen Amplitudenbereich. Geben Sie die minimale und die maximale Amplitude an.<br />
Raum für Ihre Antworten<br />
18
E303: <strong>Oszilloskop</strong><br />
5.4. Lissajousfiguren<br />
Für diesen Versuchsteil benötigen Sie folgende Geräte: <strong>Oszilloskop</strong>, Zweikanalfrequenzgenerator,<br />
BNC-Kabel.<br />
Aus Abschnitt3.3. und aus der Literatur (siehe z.B. [1, 3]) ist bekannt, dass<br />
Lissajousfiguren zur Bestimmung von Frequenzverhältnissen sowie Phaseninformationen<br />
genutzt werden können, sofern ein Eingangssignal (Referenzsignal)<br />
bekannt ist.<br />
Lernziel:<br />
Verständnis der Analyse von<br />
Phasenbeziehungen (mittels<br />
Lissajousfiguren)<br />
g) Stellen Sie für die in Abb.9 dargestellten Spannungen u x (t) und u y (t) die zugehörige Lissajousfigur<br />
dar. Analog zu den Aufgaben a) und b) ist auch diese Teilaufgabe während der<br />
Versuchsvorbereitung zu erledigen.<br />
uy( t)<br />
1 V<br />
-1 V<br />
T<br />
t<br />
u ( t)<br />
x<br />
1 V<br />
-1 V<br />
T<br />
t<br />
Abbildung 9: Eingangsspannungen für eine Lissajousfigur.<br />
Raum für Ihre Skizze (Durchführung zu Hause)<br />
19
E303: <strong>Oszilloskop</strong><br />
Hinweis:<br />
Verbinden Sie beide Kanäle des Funktionsgenerators mit den entsprechenden<br />
Eingängen des <strong>Oszilloskop</strong>s. Stellen Sie das <strong>Oszilloskop</strong> auf externe<br />
Die Teilaufgabe g) ist während<br />
der Versuchsvorbereitung<br />
XY-Ablenkung sowie die Signalform des Generators auf ein Sinussignal ein.<br />
Stellen Sie ein Referenzsignal Ihrer Wahl ein. Lassen Sie sich anschließend<br />
(zu Hause) zu lösen!<br />
(für Sie verdeckt) durch Ihren Betreuer ein für Sie unbekanntes, zweites<br />
Signal mit identischer Amplitude und Frequenz, aber anderem Phasenwinkel einstellen.<br />
h) Zeichnen Sie die entstandene Lissajousfigur vom Bildschirm des <strong>Oszilloskop</strong>s ab und bestimmen<br />
Sie das Amplitudenverhältnis, das Fequenzverhältnis und die Phase!<br />
Raum für Ihre Skizze bzw. Antworten<br />
5.5. Umschaltvorgänge<br />
Lernziel:<br />
Für diesen Versuchsteil bentötigen Sie folgende Geräte: <strong>Oszilloskop</strong>, Funktionsgenerator,<br />
beliebiger Widerstand, unbekannte Kapazität, unbekannte<br />
Induktivität, BNC-Kabel.<br />
Verständnis von Umschaltvorgängen<br />
und Bestimmmung von<br />
Bauen Sie eine Hochpassschaltung nach Abb.10 auf und verbinden Sie einen<br />
Bauteilkenngrößen<br />
Kanal des Funktionsgenerators sowohl mit Kanal1 des <strong>Oszilloskop</strong>s als auch<br />
mit dem Schaltungseingang. Wählen Sie ein Rechtecksignal mit einer Amplitude<br />
von U = 1V als Eingangssignal. Schließen Sie weiterhin den Ausgang der Schaltung an<br />
Kanal2 des <strong>Oszilloskop</strong>s an. Stellen Sie einen vollen Umschaltvorgang durch geeignete Wahl der<br />
Frequenz des Eingangssignals auf dem <strong>Oszilloskop</strong>bildschirm dar.<br />
20
E303: <strong>Oszilloskop</strong><br />
C<br />
G<br />
u (t)<br />
q<br />
R<br />
u (t)<br />
c<br />
Abbildung 10: Hochpassschaltung.<br />
i) Zeichnen Sie den angezeigten Spannungsverlauf möglichst genau vom Bildschirm ab, da<br />
jener zur späteren Bestimmung der unbekannten Kapazität C benötigt wird.<br />
Raum für Ihre Skizze<br />
Wiederholen Sie den Versuch mit einer Tiefpassschaltung gemäß Abb.11.<br />
Auch hier dient ein Rechtecksignal mit einer Amplitude von U = 1V zur<br />
Anregung der Schaltung. Das Eingangssignal ist sowohl mit dem Schaltungseingang<br />
als auch mit Kanal1 des <strong>Oszilloskop</strong>s verbunden. Der Ausgang<br />
der Tiefpassschaltung wird mit Kanal2 des <strong>Oszilloskop</strong>s verbunden.<br />
Stellen Sie einen vollen Umschaltvorgang durch geeignete Wahl der Frequenz<br />
des Eingangssignals auf dem <strong>Oszilloskop</strong>bildschirm dar.<br />
G<br />
u (t)<br />
q<br />
L<br />
R<br />
u (t)<br />
L<br />
Hinweis:<br />
Bereiten Sie während der Versuchsvorbereitung<br />
(zu Hause)<br />
vor, in wiefern die Zeitkonstanten<br />
τ = f(R,C) bzw.<br />
τ = f(L,R), welche Sie recht<br />
einfach graphisch während des<br />
Versuchs ermitteln können, von<br />
den verwendeten Bauteilen abhängen!<br />
Abbildung 11: Tiefpassschaltung.<br />
21
E303: <strong>Oszilloskop</strong><br />
j) Zeichnen Sie den angezeigten Spannungsverlauf möglichst genau vom Bildschirm ab, da<br />
jener zur späteren Bestimmung der unbekannten Induktivität L benötigt wird.<br />
Raum für Ihre Skizze<br />
Die Quellen in den Schaltungen nach Abb.10 und Abb.11 liefern eine sprungförmige Spannung<br />
u q (t) = û q<br />
[<br />
−1+2σ(t−t0 ) ] σ(t) (5)<br />
gemäß Abb.12. Die Funktion σ(t) wird Sprungfunktion genannt und ist wie folgt definiert<br />
σ(t) =<br />
⎧<br />
⎪⎨ 1, für t > 0,<br />
1<br />
2<br />
, für t = 0,<br />
⎪⎩<br />
0, für t < 0.<br />
(6)<br />
Abbildung 12: Verlauf der Spannung u q (t).<br />
k) Bestimmen Sie sowohl die unbekannte Kapazität C als auch die unbekannte Induktivität<br />
L. Bitte geben Sie dabei keine „ausschweifenden“ Rechnungen an, sondern verwenden Sie<br />
zur Lösung einen graphischen Ansatz auf der Basis Ihrer vorbereitenden Überlegungen zur<br />
Abhängigkeit von Zeitkonstanten und Bauteilen aus den Aufgabenteilen h) und i).<br />
22
E303: <strong>Oszilloskop</strong><br />
Raum für Ihre Antwort<br />
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Literaturverzeichnis<br />
[1] Engels: <strong>Oszilloskop</strong>-Meßtechnik von A-Z; Franzis-Verlag, München, 1992.<br />
[2] Freyer: Meßtechnik in der Nachrichtenelektronik; Hanser-Verlag, München, 1983.<br />
[3] Meyer: <strong>Oszilloskop</strong>e; 2. überarb. Auflage, Hüthig-Verlag, Heidelberg, 1997.<br />
[4] Schrüfer: Elektrische Meßtechnik; 8. neu bearb. Auflage, Hanser-Verlag, München, 2004.<br />
[5] Hering, Martin, Stoher: Physik für Ingenieure; 9. Auflage, Springer Verlag, Berlin, 2004.<br />
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