NT3 - Oszilloskop - labor PDF

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Fachbereich

Ingenieurwissenschaften Energie und Information

Laborübung: NT3 – Oszilloskop

Studienfach:

Einführung in die Elektrotechnik

Studiengänge:

Computer Engineering, Informations- und Kommunikationstechnik, Mikrosystemtechnik, Gesundheitselektronik (Bachelor)

Laborsemester: 2

Stand: 01.10.2020

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Fachbereich

Ingenieurwissenschaften Energie und Information 1.

Versuchsziel

Kennenlernen des Verhaltens vermaschter und unvermaschter Gleichstromkreise und ihrer charakteristischen Betriebszustände. 2.

Literaturhinweise:

[1]

Prof. J. Ranneberg, Skript „Grundlagen der Elektrotechnik I“ W. Weißgerber, Elektrotechnik für Ingenieure (1 & 2), Springer-Verlag, 2015

[2]

Beachten Sie ebenfalls die Literaturhinweise im unter [1] genannten Skript. 3

Versuchsvorbereitung:

3.1 Allgemeine Fragen 3.1.1 Was versteht man unter dualen und äquivalenten Schaltungen in der Elektrotechnik? 3.1.2 Was sind Hochpass- und Tiefpass-Schaltungen und wofür werden sie eingesetzt? 3.1.3 Wie lautet die Formel für Resonanzfrequenz fres eines Schwingkreises? Wie groß ist der Phasenunterschied bei Resonanz? 3.1.4 Was versteht man unter einer 45°-(Grenz-)Frequenz f45? Wie viele davon gibt es bei einem Schwingkreis? 3.1.5 Wie lautet die Formel zur Berechnung des Phasenunterschieds Δφ 12 aus der Zeitverschiebung Δt der Nulldurchgänge zweier gleichfrequenter Sinussignale Δφ12 = f(Δt, TPeriode) ? 3.2 Funktionsgenerator 3.2.1 Welche Signalformen lassen sich mit einem Funktionsgenerator erzeugen? 3.2.2 Welche Signalparameter lassen sich am Funktionsgenerator einstellen und wie wirken sie sich auf den Signalverlauf aus? 3.2.3 Was ist das Tastverhältnis („Duty Cycle“) eines Rechteck-Signals? 3.3 Oszilloskop 3.3.1 Was bedeuten die Betriebsarten Y / t und X / Y beim Oszilloskop und wann werden sie eingesetzt? 3.3.2 Was bedeuten die Signal-Einkopplungsmöglichkeiten (AC / DC / GND) bei einem Oszilloskop und wofür werden diese eingesetzt? 2 / 10

Fachbereich

Ingenieurwissenschaften Energie und Information

3.3.3 Informieren Sie sich über die Möglichkeiten der Amplituden- und Zeitmessung mit dem Oszilloskop. 3.3.4 Welche zwei Möglichkeiten der Phasenmessung gibt es mit einem Mehrkanal-Oszilloskop? 3.3.5 Wozu dient die Triggerung des Oszilloskops? 4 4.1

Versuchsdurchführung: Kennenlernen von Oszilloskop und Funktionsgenerator Verbinden Sie das Oszilloskop und den Funktionsgenerator mit einem BNCKabel miteinander. Nehmen Sie am Funktionsgenerator die folgenden Einstellungen vor und überprüfen Sie die Einstellungen mit dem Oszilloskop.

4.1.1 Stellen Sie sinus-, rechteck- und dreieckförmige Spannungsverläufe dar. 4.1.2 Variieren Sie die Frequenz und die Amplitude des Ausgangssignals. 4.1.3 Variieren Sie die Höhe des Gleichspannungsoffsets (DC Offset) und messen Sie mit dem Oszilloskop im DC- und AC-Modus. Beobachten Sie die Unterdrückung der Gleichspannungskomponente bei der Anzeige im AC-Modus. 4.1.4 Ermitteln Sie die Spitze-Spitze-Spannung und die Periodendauer eines Spannungsverlaufs mit Hilfe der Cursorfunktion. 4.1.5 Variieren Sie die Symmetrie des Signals (Duty Cycle), falls der vorhandene Funktionsgenerator diese Funktion unterstützt. Stellen Sie anschließend die Symmetrie wieder auf den Standardwert 50% zurück. 4.2

Spannungsmessung mit dem Oszilloskop Der Effektivwert (Ueff = U) und der Spitze-Spitze-Wert (UPP) bei ausgewählten Signalen sind je nach Signalform durch folgende Beziehungen miteinander verknüpft: û û PP  U PP  û   U PP  U U eff ,Sinus  U U eff , Re chteck eff , Dreieck 2 2 2 2 2 3 3 û

û

UPP -û

û

UPP -û

Sinussignal

UPP -û

Rechtecksignal 3 / 10

Dreiecksignal

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Ingenieurwissenschaften Energie und Information

4.2.1 Spannungsmessung mit dem Oszilloskop Stellen Sie am Funktionsgenerator eine sinusförmige Spannung von f = 200 Hz und UPP = 4 VPP ein. Überprüfen Sie dabei die Spannung mit dem Oszilloskop. Berechnen Sie den Effektivwert und tragen Sie diesen in die Tabelle 1 der Anlage ein. Messen Sie den Effektivwert zusätzlich mit dem Tischmultimeter und mit dem Oszilloskop und tragen Sie beide Messwerte ebenfalls in die Tabelle 1 ein. Wiederholen Sie diesen Versuch bei Frequenzen von 20 kHz und 2 MHz. Vergewissern Sie sich vorher, dass am Oszilloskop die Einstellung der SignalEinkopplung AC gewählt wurde und der Offset genullt ist! 4.2.2 Wiederholen Sie diesen Versuch mit einer rechteckförmigen Spannung der gleichen Höhe bei den selben drei Frequenzen. Vergewissern Sie sich vorher, dass am Funktionsgenerator ein Tastverhältnis von 50% eingestellt ist! 4.2.3 Wiederholen Sie diesen Versuch mit einer dreieckförmigen Spannung der gleichen Höhe bei den selben drei Frequenzen. 4.2.4 Überprüfen Sie den festgestellten Zusammenhang zwischen Spitzenwertmessung und Effektivwertmessung. Gibt es Abweichungen zwischen Berechnung und Messung und was könnten die Ursachen dafür sein? 4.2.5 Welches der drei Signale liefert bei gleicher Amplitude den größten und welches den kleinsten Effektivwert? Versuchen Sie die Unterschiede zu erklären. 4.3 Äquivalente Hochpassschaltungen 4.3.1 Bauen Sie die Schaltung nach Bild 1 auf. Ermitteln „Dachabfall“ Sie mithilfe des Oszilloskops den Widerstand R2 (1-Ωund 10-Ω-Widerstandsdekaden in Reihe), der bei der RL-Hochpassschaltung bei einem 6-kHzRechtecksignal den gleichen Dachabfall erzeugt, wie das RC-Glied! Dabei werden beide Kurven im gleichen Maßstab (V/Skt.) und bei gleicher Nulllage (Null-Marken) übereinandergeschrieben, bis sie nahezu deckungsgleich sind. 4.3.2 Überprüfen Sie den ermittelten Wert von R2 rechnerisch.

 RC  R1 * C und  RL 

L R2

damit wird

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 RC   RL

bei

R1 * C 

L R2

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Ingenieurwissenschaften Energie und Information 4.4 Frequenzmessung durch Kurvenvergleich und mittels Lissajousfiguren 4.4.1 Verbinden Sie den Funktionsgenerator I mit dem Eingang von Kanal 1 des Oszilloskops, verbinden Sie den Funktionsgenerator II mit dem Eingang von Kanal 2 (Bild 2). Verwenden Sie in beiden Generatoren sinusförmige Spannungsverläufe. Geben Sie eine Referenzfrequenz f1 im Bereich von 100 - 2000 Hz vor und stellen Sie ein Frequenzverhältniss f1 : f2 = 1 : 1 in der Y/t-Betriebsart (2-Kanal-Zeitdarstellung) des Oszilloskops dar. 4.4.2 Führen Sie die Untersuchungen ein zweites Mal in der X/Y-Betriebsart des Oszilloskops durch. Es zeigt sich eine sog. Lissajousfigur. Dokumentieren Sie ihre Ergebnisse durch Skizzen oder/und Fotos des Oszillogramms! 4.4.3 Führen Sie die Untersuchungen gemäß 4.4.1 und Frequenzverhältnissen f1 : f2 = 1 : 2, 1 : 3, 1 : 5 und 2 : 5 durch. 4.5

4.4.2

mit

Phasenmessung mit dem Oszilloskop Nehmen Sie Phasenverlauf Δφ12 = f(Frequenz f) des Reihenschwingkreises (Bild 3) auf. Messen Sie dazu die Phasendifferenz zwischen dem Eingangssignal (Spannung am Generator) und dem Ausgangssignal (Spannung über R) in der Zweikanaldarstellung des Y/t-Betriebs.

4.5.1 Beginnen Sie bei der Resonanzfrequenz fres (Amplitude am Ausgang des Reihenschwingkreises hat ein Maximum!) und messen Sie bis zu einer Phasenverschiebung Δφ12 von ca. +75° und -75° (Tabelle 2 - siehe Anlage). Verwenden Sie dazu die Einstellungen unter „MESSUNG“ des Oszilloskops (Phasen- und Frequenzmessung). Zeichnen Sie anhand der Tabelle das Diagramm des Phasenverlaufs Δφ12 = f(Frequenz f). Zeichnen Sie zusätzlich die beiden ermittelten 45°-Grenzfrequenzen f±45° und die Resonanzfrequenz fres ein. 4.5.2 Stellen Sie zusätzlich im Y/X-Betrieb (Lissajousfiguren) die beiden 45° - Frequenzen f±45° und die Resonanzfrequenz fres dar und übernehmen die zugehörigen Oszillogramme als Skizzen oder Fotos ins Protokoll. 4.5.3 Ermitteln Sie rechnerisch die beiden 45° - Frequenzen f±45° und die Resonanzfrequenz fres unter Zugrundelegung der Bauelementewerte im Labor. Dazu müssen die einzelnen Bauelemente auf der Messbrücke bestimmt werden! 4.5.4 Vergleichen Sie die Ergebnisse der Berechnung mit den Messergebnissen der oszilloskopischen Phasenmessung!

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5.

Schaltungen und Messtabellen

Hochpass RL - Glied

Hochpass RC - Glied

C Funktionsgenerator

Oszilloskop CH1

UE

GND

UE f UA1 UA2 C R1 R2 L

R2

CH2 R1

UA1

L

UA2

: Eingangsspannung 4 V : Frequenz 6 kHz : Ausgangsspannung am Hochpassfilter (RC-Glied) : Ausgangsspannung am Hochpassfilter (RL-Glied) : Kondensator 220 nF : Ohmscher Widerstand 3,3 k : Dekadenwiderstände (2x) in Reihe 10 x 1 , 10 x 10  : Spule 13 mH Bild 1: Aquivalente Hochpassschaltung

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GND

Fachbereich

Ingenieurwissenschaften Energie und Information

Oszilloskop CH1 Funktionsgenerator I

CH2

UE1

GND

GND

Funktionsgenerator II

UE2

GND

UE1 UE2

: Eingangsspannung, sinusförmig 4 VPP : Eingangsspannung, sinusförmig 4 VPP

f1 f2

Bild 2: Signalvergleich mit zwei Funktionsgeneratoren

C

L

Oszilloskop Funktionsgenerator

R

UE

GND

UE UA C L R

UA

CH1 CH2 GND

: Eingangsspannung, sinusförmig 4 Vpp : Ausgangsspannung über R : Kondensator 220 nF : Spule 13 mH : Ohmscher Widerstand 47 

Bild 3: Reihenschwingkreis zur Erzeugung einer Phasendifferenz

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Fachbereich

Ingenieurwissenschaften Energie und Information

Tabelle 1: Aufgabe 4.2 Frequenz Signalform

Effektivwert [V]

UPP

f

berechnet

200 Hz

Sinus

UPP = 4 V

20 kHz

Sinus

UPP = 4 V

2 MHz

Sinus

UPP = 4 V

200 Hz

Rechteck

UPP = 4 V

20 kHz

Rechteck

UPP = 4 V

2 MHz

Rechteck

UPP = 4 V

200 Hz

Dreieck

UPP = 4 V

20 kHz

Dreieck

UPP = 4 V

2 MHz

Dreieck

UPP = 4 V

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Multimeter

Oszilloskop

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Tabelle 2: Aufgabe 4.5.1 Frequenz f in kHz (X-Achse)

Phasenunterschied Δφ12 in Grad (Y-Achse) - 75 - 60 - 45 - 30 - 15 0 15 30 45 60 75

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