Aufgabenbeschreibung Oszilloskop und Schaltkreise
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<strong>Aufgabenbeschreibung</strong> <strong>Oszilloskop</strong> <strong>und</strong> <strong>Schaltkreise</strong><br />
Vorbereitung:<br />
Lesen Sie den ersten Teil der Versuchsbeschreibung ‚Oszillograph’ des<br />
Anfängerpraktikums, in dem die Funktionsweise <strong>und</strong> die wichtigsten<br />
Bedienungselemente eines Oszillographen erläutert werden. Sehr nützlich <strong>und</strong><br />
hilfreich ist die Oszillographensimulation mit der Sie die Funktionen auch zu Hause<br />
mal durchspielen können.<br />
Teil1: Übungen zur Funktion des Oszillographen<br />
1. Schauen sie sich die Nulllinie der beiden Kanäle an (Gro<strong>und</strong>)<br />
• hierzu Trigger auf AUTO stellen<br />
• den Kanal auswählen, den Sie sich anschauen wollen<br />
• drehen Sie den Positionsregler (vertikal) <strong>und</strong> stellen Sie die Nulllinie ein.<br />
• Ändern Sie die Intensität des Strahls. Bitte danach wieder auf kleine Intensität<br />
stellen.<br />
2. Gleichspannung<br />
• Legen Sie eine Gleichspannung an Kanal 1 z.B. über eine Batterie. Auf Polarität<br />
achten, falls die Spannungsquelle einen Erdanschluss hat.<br />
• Passen Sie die vertikale Skala (V/cm) an <strong>und</strong> messen Sie die Spannung am<br />
Oszillographen (direkt ablesen oder Cursor benutzen)<br />
3. Sinusspannungen<br />
• Wählen sie Kanal 1 als Triggerquelle, Triggermode AUTO<br />
• Schalten Sie den Funktionsgenerator an <strong>und</strong> wählen sie eine Frequenz von ca. 500 Hz.<br />
• Regeln Sie die Ausgangsspannung auf etwa 4 V Spitze-Spitze<br />
• Suchen Sie eine geeignete Zeitablenkung um ca. 2 Perioden auf den Schirm zu<br />
bekommen <strong>und</strong> die vertikale Skala so, dass das Bild möglichst groß wird<br />
• Messen Sie die Periodendauer<br />
• Ändern Sie die Frequenz um einen Faktor 10 <strong>und</strong> wiederholen Sie die Messung.<br />
• Überlagern Sie dem Sinussignal jetzt einen DC –Offset. Beobachten sie das Signal am<br />
Oszi mit CH1 im DC- Mode <strong>und</strong> danach im AC – Mode<br />
4. Triggern<br />
• Stellen Sie den Triggermodus auf ‚NORMAL’. Triggerquelle CH1.<br />
• Drehen Sie den Knopf für das Triggerlevel bis Sie ein Signal sehen bzw. dieses<br />
wieder verschwindet. Der Triggerlevel wird als Winkel auf dem Display angezeigt.<br />
Falls Sie dieses nicht sehen ist er aus dem Messbereich rausgerutscht <strong>und</strong> Sie werden<br />
keinen Trigger finden. Also: Suchen Sie diese Anzeige durch Drehen am Level-Knopf!
• Ändern Sie die Auswahl der Triggerflanke: Der Trigger wird ausgelöst, wenn die<br />
angelegte Spannung das Triggerlevel erreicht. Das kann sein, wenn die Spannung<br />
ansteigt (ansteigende Signalflanke) oder wenn sie abfällt (abfallende Flanke). Sie<br />
können wählen, für welchen Fall der Trigger ausgelöst werden soll.<br />
5. Zweistrahlbetrieb<br />
• Wählen Sie DUAL mode aus um beide Kanäle gleichzeitig darzustellen. Hier gibt es<br />
die Wahl zwischen CHOP <strong>und</strong> ALTERNATE. Bei CHOP werden beide Bilder in<br />
kleine Zeitintervalle zerhackt <strong>und</strong> bei einem Sweep gleichzeitig dargestellt wobei der<br />
Strahl immer zwischen den beiden Bildern hin <strong>und</strong> her hüpft. Bei ALTERNATE folgt<br />
auf einen sweep von CH1 einer auf CH2. I.a. ist CHOP die bessere Wahl.<br />
• Legen Sie die Spannung des Generators an einen Kreis mit Kapazität <strong>und</strong> Widerstand<br />
in Serie (Schaltbrett liegt bei). Legen Sie die Ausgangsspannung des Generators an<br />
CH1, die Spannung am Kondensator an CH2. Sie sollten jetzt beide Signale<br />
gleichzeitig sehen.<br />
• Ein RC-Kreis hat eine Zeitkonstante τ = RC. Beim Aufladen gilt:<br />
U(t)=U 0 *(1- exp[t/RC] )<br />
Berechnen Sie RC. 1/RC ist die Frequenz, bei der Sie Änderungen der Phase erwarten!<br />
• Ändern Sie die Frequenz am Generator kontinuierlich <strong>und</strong> beobachten Sie beide<br />
Signale. Wie ändern sich beide Spannungen in Amplitude <strong>und</strong> Phase relativ<br />
zueinander?<br />
• Messen Sie die Phasenverschiebung bei einer Frequenz von ca. 1/RC.<br />
6. X-Y- Betrieb<br />
• Wählen Sie X-Y Betrieb aus: Sie sehen jetzt eine Ellipse. Was bedeutet die?<br />
• Ändern sie wieder die Frequenz <strong>und</strong> beobachten sie, wie die Form <strong>und</strong> Lage der<br />
Ellipse sich ändert. Woraus können sie die relative Phase der beiden Signale<br />
bestimmen? Speichern sie das Bild (USB-stick).<br />
7. Digitalscope: kleine Wiederholfrequenzen <strong>und</strong> single shot<br />
Bei kleinen Wiederholfrequenzen flackert das Analogscope. Da ist es wesentlich<br />
bequemer im Digitalmodus zu arbeiten.<br />
• Schalten Sie auf Digitalmodus um <strong>und</strong> gehen Sie wieder auf y-t Betrieb<br />
• Wählen Sie eine Frequenz von 10 Hz <strong>und</strong> beobachten Sie das Signal am Generator<br />
<strong>und</strong> Kondensator im Zweistrahlbetrieb.<br />
• Schalten Sie den Frequenzgenerator auf Rechteckpulse <strong>und</strong> beobachten Sie die beiden<br />
Spannungen. Erklären Sie den Spannungsverlauf am Kondensator.<br />
• Wählen Sie geeignete Zeit <strong>und</strong> Spannungsskalen <strong>und</strong> messen Sie die Abfallzeit der<br />
Spannung am Kondensator.
• Einschaltvorgang im RC- Kreis. Hier soll ein einmaliger Vorgang aufgezeichnet<br />
werden (single shot). Legen sie dazu an den Schaltkreis über einen Taster die<br />
Spannung einer Batterie an (9V) an. Sobald der Taster betätigt wird sollte das Signal<br />
angezeigt werden (allerdings sollte dazu der Kondensator entladen sein!)<br />
Speichern sie das Bild auf dem USB stick.<br />
Damit Sie ein Signal sehen, müssen Sie Trigger level , Spannungs- <strong>und</strong> Zeitskala<br />
vernünftig einstellen – das sollten Sie sich vorher überlegen. Außerdem muss das<br />
Zeichen für das Triggerlevel auf dem Bildschirm sichtbar sein!<br />
• Schalten Sie den Triggermode auf SINGLE <strong>und</strong> drücken Sie den RUN/STOP Knopf,<br />
der jetzt blinken sollte.<br />
• Legen Sie die Spannung mit dem Schalter an. Der Trigger sollte jetzt ausgelöst<br />
werden- Sie sehen die Ladespannung als Funktion der Zeit. Notfalls Zeit- <strong>und</strong><br />
Spannunkskala optimieren <strong>und</strong> den Triggervorgang wiederholen.<br />
Teil 2: Übungen zum richtigen Aufbau von elektrischen <strong>Schaltkreise</strong>n mit<br />
Strom- <strong>und</strong> Spannungsmessungen<br />
Der sichere Aufbau von <strong>Schaltkreise</strong>n muss geübt werden, dafür bringen die wenigsten<br />
Studenten Erfahrung mit. Dazu gehört auch das übersichtliche Zeichnen von <strong>Schaltkreise</strong>n<br />
mit den allgemein üblichen Symbolen.<br />
Abb. 1:<br />
Schaltkreissymbole<br />
≈<br />
Wechselspannungsquelle<br />
Messinstrument für Strom<br />
oder Spannung<br />
t<br />
Oszillograph<br />
CH1
2.1 Erstellung von Schaltplänen<br />
Übung 1:<br />
Im Praktikum hat ein Student von einem ‚fliegenden Aufbau’ folgende Skizze gemacht:<br />
Oszillograph<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Erstellen Sie hiervon einen übersichtlichen Schaltplan.<br />
Um was für eine Schaltung handelt es sich?<br />
Es sollen zusätzlich mit dem Oszillographen die Generatorspannung <strong>und</strong> die<br />
Spannung zwischen den Punkten A <strong>und</strong> B gemessen werden. Zeichnen Sie die dafür<br />
benötigte Schaltung in den Schaltplan ein.<br />
Stecken Sie als nächstes die Geräte nach Schaltplan zusammen (Batterie <strong>und</strong><br />
steckbare Widerstände sind verfügbar) <strong>und</strong> führen Sie die Messung beider<br />
Spannungen nacheinander auf CH1 durch, wobei Sie bei Messung der Spannung<br />
zwischen A <strong>und</strong> B den variablen Widerstand Rx so lange verändern bis die Spannung<br />
zwischen A <strong>und</strong> B Null wird.<br />
Wie groß ist dann der variable Widerstand R x ?<br />
Was passiert, wenn Sie die beiden Spannungen gleichzeitig an CH1 <strong>und</strong> CH2 messen?<br />
Erklären Sie Ihre Beobachtung!
Übung 2:<br />
Mit verfügbaren Bauteilen soll folgender Schaltkreis aufgebaut werden. Sie sollen in ihm a)<br />
den Strom I messen, der der Spannungsquelle entnommen wird.<br />
≈<br />
b) zusätzlich die Spannungen am Generator <strong>und</strong> am Widerstand.<br />
<br />
Ergänzen Sie die Schaltkreiszeichnung durch die Schaltungen der benötigten<br />
Messinstrumente.<br />
Achtung:<br />
Amperemeter werden seriell in den Stromkreis geschaltet.<br />
Voltmeter werden parallel geschaltet.<br />
<br />
Stecken Sie den Schaltkreis zusammen. Dabei ist es eine gute Idee im ersten Schritt<br />
nur die Bauelemente zu verbinden <strong>und</strong> dann im 2. Schritt die Messinstrumente dazu zu<br />
schalten.<br />
Während des Aufbaus der Schaltung sollten Spannungsquellen nie angeschaltet sein!!<br />
<br />
<br />
Schalten Sie den Generator ein, <strong>und</strong> wählen sie als Ausgangsspannung eine<br />
Sinusspannung mit einer Amplitude von ca. 2 V.<br />
Schauen Sie sich die beiden Spannungen auf dem Oszillographen im<br />
Zweistrahlverfahren an <strong>und</strong> drehen Sie dabei die Frequenz des Oszillators von 100 Hz<br />
an langsam hoch—das ist keine systematische Messung sondern soll einfach <strong>und</strong><br />
schnell zeigen wie sich die Spannung am Widerstand U R als Funktion der Frequenz<br />
verhält.<br />
Notieren Sie die wichtigsten Beobachtungen! Bei welcher Frequenz wird U R fast Null<br />
<strong>und</strong> warum?