Ergebnisse Versuche Oszilloskop 1-6

BNT Trier Modul 5 Messtechnik J. Mangerich
Raum 2_02 Meßpraktikum Oszilloskop � Praktikum V1-6
Versuch 1: Gleichstrommessung
Meßziel: Wie kann mit einem Oszilloskop, das direkt nur die Anzeige von
Spannungsverläufen ermöglicht, Gleichströme gemessen werden?
Meßaufbau:
Versuchsdurchführung:
In der Schalterstellung S0 wird bei auf Masse liegendem Eingangskanal und den Einstellungen
XY-Betrieb und Y-Kanal: DC die Lichtpunkt genau in die Mitte der Koordinatenachsen
eingestellt. Zur Vermeidung des Schirmeinbrennens muß eine zu große Strahl-Intensität durch
entsprechende Einstellung vermieden werden.
1. In der Schalterstellung 1 kann der Strom durch R1 aus der Spannung über dem bekannten R3
U
R3
mit I R1
= berechnet werden. Diesen Spannungabfall erhält man aus dem Produkt der
R3
Verschiebung des Leuchtfleckes und der Bereichswahlschalterstellung
{ } { }
U R3 = y − Verschiebung( in DIV ) ⋅ Schalterstellung( inVOLTS / DIV ) .
2. In der Schalterstellung 2 kann der Strom durch R2 auf die gleiche Weise bestimmt werden.
Übungsaufgabe: Wählen Sie bei zwei fest vorgegebenen Versorgungsspannungen UB zwei
beliebige unterschiedliche Widerstandskombinationen R1, R2 und R3 . Bestimmen
Sie dann den Gleichstrom durch R1 bzw. R2.
UB
in
Volt
R1
in Ω
R2
in Ω
R3
in Ω
y-Schirmablenkung
in DIV
(Kästchen)
S1 S2
Bereichswahlschalter
V/DIV
S1 S2
UMeß1
in V
UMeß2
in V
Schalter S1
U Meß1
I R1
=
R
3
Schalter S2
U Meß2
I R2
=
R
5 1000 2200 2000 3 1,1 1 2 3 2,2 1,5 mA 1,1 mA
5 2200 15000 4700 3,4 1,2 1 1 3,4 1,2 723,4 €A 255,32 €A
9 1000 2200 2000 1,2 0,8 5 5 6 4 3 mA 2 mA
9 2200 15000 4700 1,2 1 5 2 6 2 1,276 mA 425,5 €A
Erkenntnis:
Mit dem Oszilloskop können direkt nur __Spannungen ____ gemessen werden! Jede
Strommessung läßt sich aber auf eine Spannungsmessung über einen bekannten
__Widerstand___zurückführen!
Verständnisaufgaben zur indirekten Strommessung mit dem Oszilloskop:
3

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1. Ermitteln Sie nur mit Hilfe eines Oszilloskopes den Strom durch den bekannten
Widerstand R3. Geben Sie sich dazu beliebige Werte zwischen 100Ω und 100 kΩ für
die Widerstände R1 bis R6 selbst vor. Überprüfen Sie nach der Strombestimmung mit
dem Oszilloskop Ihr Ergebnis mit einem DC-Amperemeter.
Wichtig: Denken Sie an die Masse-Problematik beim Oszilloskop, d.h. Masseanschluß
des BNC-Kabels ist durchverbunden und mit Schutzerde verbunden.
R1 R2 R3 R4 R5 R6 U1 U2 ∆U I
1 k 1 k 2,2 k 15 k 10 k 4,7 k 9,5 V 9 V 0,5 V 227,27 €A

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Versuch 2: Spitze-Spitze-Wert und Tastverhältnis einer Rechteckspannung
Meßziel: Mit welchen Größenangaben kann man eine Rechteckspannung eindeutig beschreiben?
Meßaufbau:
Informationen:
Das Verhältnis von Impulsdauer ti zu Impulspause tP bezeichnet
man als Tastverhältnis (siehe rechts). Man spricht von einem
symmetrischen Rechtecksignal, wenn das Tastverhältnis, d.h.
Verhältnis von Einschalt- (von ansteigender bis abfallender
Flanke) zu Ausschaltdauer (abfallende bis ansteigende Flanke)
gleich groß (1:1 bzw. 50%) ist. Die Differenz zwischen dem
Spannungswert während der Einschaltdauer und dem
Spannungswert während der Ausschaltdauer nennt man Spitze-
Spitze-Wert der Rechteckspannung.
Versuchsdurchführung:
1. Rechteckgenerator auf eine Ausgangsspannung von etwa 1 V, eine
Wiederholungsfrequenz von etwa 1 kHz und ein Tastverhältnis von 1: 1 einstellen.
2. X-Kanal des Oszilloskops auf "Y-t" schalten, Y-Verstärkung und Zeitmaßstab so
einstellen, daß ein Rechteckimpuls sichtbar wird; Oszillogramm studieren.
3. X-Kanal auf "X-Y" schalten, Helligkeit sowie X- und Y-Verschiebung so einstellen, daß
ein gerade wahrnehmbares Oszillogramm gemäß obigem Bild entsteht.
4. Abstand zwischen beiden Leuchtflecken messen und Resultat mittels der Bereichswahlschalterstellung
in eine entsprechende Spannungsdifferenz umwandeln (siehe
Versuch 1).
5. Rechteckspannung asymmetrisch machen (anderes Tastverhältnis einstellen) und
Punkte 2, 3 und 4 wiederholen; Helligkeitsunterschied zwischen beiden Leuchtflecken
beachten!
Erkenntnis:
Eine Rechteckspannung ist eine Gleichspannung, die abwechselnd einen _niedrigeren_ und
einen höheren Wert annimmt. Häufig interessiert lediglich die Differenz zwischen den beiden
Spannungsniveaus und nicht der Absolutwert der Spannungsamplituden. Man spricht dann vom
_____Spitze - Spitze - Wert_____ der Rechteckspannung. Ist die Zeitspanne, in der das eine
Spannungsniveau auftritt, ebensolang wie die Dauer des zweiten, nennt man die Rechteckspannung
_symmetrisch_______. Sind diese Zeiten ungleich, spricht man von einer _unsymmetrischen___
Rechteckspannung. Die Leuchtflecke haben dann ___unterschiedliche___ Helligkeit (Punkt 5),
weil der Leuchtschirm beim Auftreten des einen Spannungsniveaus weniger lange Gelegenheit zum
Aufleuchten erhält als während des anderen Niveaus. Die Helligkeitsdifferenz der beiden
Leuchtflecke ist also um so größer, je __größer____ das Tastverhältnis (Verhältnis Impulsdauer zu
Impulspause) wird. Der Abstand der Leuchtflecke hängt bei einer bestimmten Einstellung des Y-
Verstärkers ausschließlich von dem __Spitze - Spitze - Wert______ der Rechteckspannung
ab (Punkt 4).
ti tP

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Versuch 3: Mittelwert einer Rechteckspannung
Meßziel: Wie kann ich mit dem Oszilloskop meßtechnisch den „mittleren“ arithmetischen Wert
bzw. den Durchschnittswert einer Rechteckspannung bestimmen ?
Meßaufbau :
Information:
Der „arithmetische Mittelwert“ einer Rechteckspannung entspricht seinem Gleichspannungsanteil.
Ist die Impulsdauer ti länger als die Impulspause tp, so überwiegt zeitlich die positive Amplitude und
der Mittelwert ist insgesamt positiv. Da in der Stellung AC der Gleichspannungsanteil abgetrennt
wird, kann man ihn durch eine Differenzmessung zwischen den Schalterstellungen AC und DC
bestimmen.
Versuchsdurchführung:
1. Mit einem Rechteckgenerator wird eine Ausgangsspannung zwischen 5V und 0V bei
einer Frequenz von 1kHz und einem Tastverhältnis von 1:1 eingestellt.
Bei auf Masse liegendem Eingangskanal und den Einstellungen XY-Betrieb und Y-Kanal:
DC der Lichtpunkt genau in die Mitte der Koordinatenachsen eingestellt. Durch die
Masseschalterstellung hat man nun eine Eichung auf den Gleichspannungsanteil 0
durchgeführt.
2. Bei geeigneter Wahl der Y-Verstärkung (bei zu großer Verstärkung verläßt der
Leuchtpunkt die Schirmfäche) wird der Gleichspannungsanteil als Spannungsdifferenz
zwischen den Einstellungen Y-Kanal: DC und Y-Kanal: AC bestimmt. Dieser
Gleichspannungsanteil (im Beispiel 2,5V) entspricht dem arithmetischen „Mittelwert“ der
Rechteckspannung.
Übungsaufgabe:
ti = tp
UMittel =
Vervollständigen Sie folgende Meßtabelle:
ti > tp
UMittel UMittel >
ti < tp
UMittel <
0 DC ⇔ AC 0 DC ⇔ AC 0 DC ⇔ AC
Uhöher Uniedrig UMittelwert beim UMittelwert beim UMittelwert beim
er Tastverhältnis 1:1 Tastverhältnis 1:2 Tastverhältnis 2:1
+5V -5V 0 V --- 0 V -1,6 V --- -1,66 V 1,6 V --- 1,66 V
+5V +2V 3,6 V --- 3,5 V 3 V --- 3 V 4 V --- 4 V
0V -5V -2,4 V --- -2,5 V -3,2 V --- -3,33 V -1,6 V --- -1,66 V
-2V -5V -3,4 V --- -3,5 V -4 V --- -4 V -2,8 V --- -3 V
==>> Der erste Wert in der Tabelle ist gemessen und der zweite Wert ist berechnet

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Tip: Vergleichen Sie die Problemstellung mit der Berechnung einer Durchschnittsnote.
Bedenken Sie, daß auch die Anzahl bzw. die Häufigkeit einer Note mit in die
Durchschnittsnote eingeht.
Erkenntnis:
Enthält eine Rechteckspannung einen Gleichspannungsanteil, so mißt man in der Stellung Y-
Kanal: DC __die Gleichspannungs_____ komponente mit. Dadurch liegen die beiden
Leuchtpunkte nicht _gleichweit___ vom Nullniveau weg. In der Einstellung Y-Kanal: AC wird
die Gleichspannung durch den Koppelkondensator _abgetrennt_ (Leuchtpunkte liegen
__gleichweit_______ zum Nullniveau).
Wird das Tastverhältnis geändert, so ist entweder die Zeitdauer des höheren oder des niederen
Spannungswertes größer, wodurch dieser Leuchtfleck __heller__ erscheint. Für den
Mittelwert der Rechteckspannung gilt die Berechnungsformel:
Uh her * (1. Zahl Tastverh€ltnis) + Uniedriger * (2. Zahl Tastverh€ltnis)
U = -----------------------------------------------------------------------------------------------
(1. Zahl Tastverh€ltnis) + (2. Zahl Tastverh€ltnis)
Meßtechnisch bestimmt man den Mittelwert einer Rechteckspannung, indem man durch eine
Differenzspannungsmessung den __Gleichspannungsanteil_________ der Rechteckspannung
bestimmt. Dazu wird mit dem Kopplungswahlschalter _zwischen AC_ und__DC__ hin- und
hergeschaltet.

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Versuch 4: Spitze-Spitze-Wert einer Sinusspannung
Meßziel:
Wie kann man mit dem Oszi den Spitze-Spitze-Wert einer Sinusspannung ermitteln und was
bedeutet OFFSET?
Meßaufbau:
Informationen:
Unter OFFSET versteht man einen Gleichspannungsanteil, der zu einer Signalform
addiert werden kann. Bei einem positiven Offset wird die gleichbleibende Signalform im
Oszillogramm in y-Richtung einfach nach oben verschoben. Entsprechend führt ein
negativer Offset zu einer Signalverschiebung nach unten. Die Spannungsdifferenz
zwischen Maximalwert und Nullage bei der Sinusspannung nennt man Scheitelwert bzw.
Amplitude. Sich wiederholende Signalformen nennt man periodisch und bezeichnet die
Zeitspanne bis zur 1. Wiederholung als Periodendauer T. Aus dem Reziprokwert der
Periodendauer ( 1/T) ermittelt man die Frequenz des Signals.
Versuchsdurchführung:
1. Ausgangsspannung des Sinus-Generators auf etwa 1 V, Frequenz auf etwa 1 kHz
einstellen. Offset ausschalten.
2. X-Kanal des Oszilloskops auf "Y-t" schalten, Y-Verstärkung und Zeitmaßstab so
einstellen, daß eine Sinusschwingung sichtbar wird; Oszillogramm studieren; Y-Kanal
abwechselnd auf " = " bzw. "DC" und " �" bzw. "AC" schalten und beachten, daß sich
das Bild nicht verschiebt.
3. Offset am Generator einschalten und mit Drehschalter während der Wiederholung von
Aufgabenteil 2 variieren. Dabei die Veränderungen im Oszillogramm feststellen und
beachten, daß sich beim Umschalten jetzt die Bilder verschieben.
4. X-Kanal auf "X-Y" schalten, Helligkeit sowie X- und Y-Verschiebung so einstellen, daß
ein gerade wahrnehmbares Oszillogramm gemäß obigem Bild entsteht
5. Länge der vertikalen Linie bei ein- und ausgeschaltetem Offset messen und Resultat in
eine entsprechende Spannungsdifferenz als Spitze-Spitze-Wert umwandeln. Man
beachte, daß die Helligkeit in der Linienmitte am geringsten ist!

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Erkenntnis:
Der NF-Generator liefert bei ausgeschaltetem OFFSET eine Sinusspannung, deren
Mittelwert _0__ V beträgt. Dieses wird unter Punkt 2 geprüft. Die Spannung wird
also abwechselnd positiv und negativ. Jedoch geschieht dies nicht sprungartig,
sondern in einem allmählichen Übergang vom einen zum anderen Maximum
(_Spitze - Spitze_). Den Maximalwert nennt man _ Scheitelwert_. Die
Zahl der vollständigen Kurvenzüge (Perioden) je Sekunde heißt _Frequenz_. Die
Zeit, in der ein einziger vollständiger Kurvenzug auftritt, heißt
_Periodendauer ________. Die Spannung ändert ihren Wert am schnellsten an
denjenigen Zeitpunkten, in denen sie am kleinsten ist (d. h. während der
__Nulldurchgänge_________). In den Zeitpunkten, in denen die Spannung
annähernd maximal ist, ändert sie ihren Wert nur _gering_______. Dies sind
die typischen Merkmale einer Sinusspannung. Im oberen und unteren Teil des
Oszillogramms hält sich der Elektronenstrahl also _länger___ auf als in der
Schirmmitte. Aus diesem Grund ist die Helligkeit in der Linienmitte am
__geringsten __________ (Punkt 4). Die Länge der Linie entspricht dem
__Spitze - Spitze - Wert_____Wert der Wechselspannung; dies ist der doppelte
Scheitelwert.

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Versuch 5: Effektivwert einer Sinusspannung
Was bedeutet Effektivwert und wie kann man die Zusammenhänge zwischen Scheitelwert und
Effektivwert meßtechnisch mit dem Oszilloskop einfach ermitteln?
Meßaufbau:
Informationen:
Unter dem Effektivwert einer
Wechselspannug versteht man den
Gleichspannungswert, der dieselbe
Leistung an dem Verbraucher
erzeugt.
Versuchsdurchführung:
1. Beide Spannungsquellen auf 0 Volt einstellen und bei den Einstellungen
XY � Betrieb und Y � Kanal: DC
der Lichtpunkt genau in die Mitte der Koordinatenachsen eingestellten.
2. In der Stellung 1 die Gleichspannung langsam erhöhen bis Lampe La1 gerade leuchtet.
3. Verschiebung des Leuchtpunktes messen und in einen Spannungswert umformen.
4. In Schalterstellung 2 die Spannung des Generators (Sinus, 1kHz) erhöhen bis La2
ebenso hell leuchte wie Lampe La1.
5. Erneut Verschiebung des Leuchtpunktes messen und in einen Spannungswert
umwandeln.
Übungsaufgabe:
Führe den Versuch mit den vorgegebenen Lampen durch.
~ 5 V 6 V 1,2
Erklärung:
Durch den Stromfluß in der Glühbirne kommt es zur Wärmeentwicklung und damit
zur Lichtaussendung. Brennen beide Lampen __gleich hell_____________, so
ist die vom Gleichstrom in der Lampe La1 entwickelte Wärme gleich der mittleren
Wärme, die bei der Lampe La2 vom__Wechselstrom______entwickelt wird. Zur
Erzielung gleicher Wärmeentwicklung muß die nur periodisch ihren Maximalwert
annehmende Wechselspannung __höher________________ als die
Gleichspannung sein. Man sagt: Das Quadrat der Gleichspannung entfaltet die
gleiche Wirkung wie das halbe Quadrat der Wechselspannung, bzw. der
Scheitelwert der Wechselspannung ist um den Faktor _Wurzel(2)_ größer als die
Gleichspannung (Effektivwert).
Ueff $u $u
U eff

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Versuch 6: Mittelwert einer Sinushalbwelle
Manchmal wünscht man, den Mittelwert des positiven oder negativen Teils einer
Wechselspannung zu kennen, d. h. die "Gleichstromkomponente einer Halbwelle. An R
liegt während der halben Periodendauer die Spannung einer Halbwelle. Man kontrolliert
dieses unter Punkt 2 der Versuchsdurchführung.
Meßaufbau:
Versuchsdurchführung:
1. Generator auf $u �10V Sinus, Frequenz beispielsweise auf 1 kHz einstellen. Als Diode D ist ein
Typ zu wählen, deren Durchlaßspannung im Vergleich zu 10 V vernachlässigbar gering ist; maximaler
Diodenstrom 15 mA.
2. X-Kanal des Oszilloskops auf „Y-t“, Y-Kanal auf „�„ bzw. „AC“ schalten; Y-Verstärkung und
Zeitmaßstab so einstellen, daß einige Sinus-Halbwellen sichtbar sind.
3. X-Kanal auf "X-Y" schalten; X- und Y-Verschiebung so einstellen, daß die vertikale Linie in
Schirmmitte liegt; Länge der Linie messen.
4. Y-Kanal auf " = " bzw. "DC" schalten und die entsprechende Bildverschiebung messen; aus
diesem und dem vorigen Resultat den Mittelwert der Y-Spannung
(Einweggleichrichterspannung) bestimmen
5. Punkt 3 und 4 bei einigen anderen Frequenzen wiederholen.
Ergebnisse:
f in Hz Bildverschiebung
AC � DC
Erklärung:
Mittelwert der
Einweggleichrichter-
spannung
1 kHz 3,2 DIV bei 2 V/DIV 6,4 V
500 Hz 3,2 DIV bei 2 V/DIV 6,4 V
5 kHz 3,2 DIV bei 2 V/DIV 6,4 V

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Angesichts der gekrümmten Form einer Halbwelle kann man von vornherein sagen,
daß der Mittelwert von nur einer Halbwelle größer als ihr halber Scheitelwert,
jedoch kleiner als ihr ganzer Scheitelwert sein muß. Die Gleichspannungs-
komponente einer einzelnen Sinus-Halbwelle muß also zwischen dem
_Nullpunkt_und dem _halben _________ Scheitelwert liegen.
Genauer: Der Mittelwert einer einzelnen Sinus-Halbwelle ist gleich dem doppelten
Scheitelwert geteilt durch � p i
d.h. UAV Sinushalbwelle = _2*U(dach)/pi_.
In unserer Schaltung (Einweggleichrichtung) ist jedoch während der Hälfte der
Periodendauer keine Spannung an R vorhanden.
Die Gleichspannungskomponente der Y-Spannung beträgt also nur die Hälfte
derjenigen einer reinen Halbwelle. Wird der Y-Kanal von "AC" auf "DC" geschaltet
(Punkt 4), kann die (in der erstgenannten Schaltstellung gesperrte) Gleichspannungs-
komponente an die Ablenkplatten gelangen. Das Bild verschiebt sich dann genau
um eine Strecke, die der Gleichspannungskomponente (arithmetischer Mittelwert)
der Einweggleichrichterspannung entspricht. Es gilt UAV Einweggleichrichter =
U(dach)/pi ________. Der Mittelwert hängt _nicht_____ von der Frequenz ab (Punkt 5).