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Einstellung von Horizontalablenkung, Trigger und Vertikalablenkung zur Erzeugung eines stehenden und gut ablesbares Bild. Amplitudenmessung, Phasenmessung, Messung von Zeitkonstanten...

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Praktikum Elektrotechnik

Oszilloskop Fischer, Mahnke, Menczigar

Name: Studiengang/Gruppe: Datum:

Lernziele Einstellung von Horizontalablenkung, Trigger und Vertikalablenkung zur Erzeugung eines stehenden und gut ablesbaren Bildes; Amplitudenmessung, Phasenmessung, Messung von Zeitkonstanten; Zweikanalbetrieb, Differenzbetrieb; induktiver Widerstand, Phasenverschiebung eines RL-Gliedes, Schaltvorgänge an RL-Gliedern Literatur Oszilloskop: Fachkunde Elektrotechnik, Europa-Lehrmittel Nr. 30138 Induktiver Widerstand: Albach, Elektrotechnik, Kap. 8.1.2, Pearson. Tipler, Mosca, Physik, Kap. 28.2, Spektrum. Schaltvorgänge an RL-Gliedern: Albach, Elektrotechnik, Kap. 10.3, Pearson. Tipler, Mosca, Physik, Kap. 26.8, Spectrum. Phasenverschiebung an RL-Gliedern ergibt sich aus komplexer Schreibweise. Albach, Elektrotechnik, Kapitel 8, Pearson. Horowitz, Hill, The Art of Electronics, App. B & Chs. 1.18-1.20, Cambridge University Press. _______________________________________ 1 HINWEISE ZUR VORBEREITUNG Die Versuchsdurchführung erfordert eine ordentliche Vorbereitung Ihrerseits. a) Arbeiten Sie die den Lernzielen entsprechenden Kursinhalte selbständig durch! b) Drucken Sie jeder einzeln diese Versuchsanleitung aus! c) Arbeiten Sie diese Versuchsanleitung sorgfältig durch! Wenn Sie zum Versuch erscheinen, sollten Sie bereits wissen, worum es geht und was zu tun ist. Notieren Sie sich offene Fragen! d) Bearbeiten Sie alle in dieser Anleitung als VORBEREITUNG gekennzeichneten Aufgaben! e) Bringen Sie diese Anleitung, die Folien, die Formelsammlung und einen Taschenrechner mit! Erscheinen Sie unvollständig vorbereitet zum Versuch, haben Sie also nicht ALLE obigen Punkte a) bis e) beherzigt, dann können Sie vom Versuch ausgeschlossen werden, ohne Anspruch auf einen Ersatztermin zu haben. Eine ordentliche Vorbereitung ist in IHREM Interesse! 2 Erläuterungen zu dieser Anleitung Ihre Versuchsanleitung enthält zahlreiche umrandete Felder, die wie folgt von Ihnen zu füllen sind: Tragen Sie hier Formeln ein:

(Soweit möglich in der VORBEREITUNG!)

Setzen Sie hier Werte und Einheiten in Formeln ein:

Notieren Sie hier Ergebnisse als Werte mit Einheiten: Erreichen Sie im Verlauf eines Versuchs eine mit markierte Stelle in der Anleitung, dann wenden Sie sich an Ihren Betreuer und lassen Sie Ihre Ergebnisse kontrollieren. Bevor Sie am Ende des Versuchs den Raum verlassen, lassen Sie sich unbedingt Ihren aktuellen Stand per Unterschrift bestätigen! Sie müssen jede Seite, auf der Sie eigene Eintragungen vorgenommen haben, unterschreiben lassen. Ohne diese Unterschriften können Sie beim nächsten Termin von der Fortführung des Praktikums ausgeschlossen werden. 24.08.2016

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3 Funktionsweise eines Digitaloszilloskops 3.1 Was ist ein (digitales) Oszilloskop? Wir haben in unseren Laboren vorwiegend digitale Speicheroszilloskope des Herstellers Tektronix, das Modell TDS1001B (monochrom) im Raum D203 und das Modell TBS1102 (Farbbildschirm) im Raum D211, im Einsatz. VORBEREITUNG Besorgen Sie sich das Handbuch zur Tektronix TDS1000B-Serie und/oder zur Tektronix TBS1000BSerie in elektronischer Form (nicht drucken!), entweder von der Internetseite des Herstellers (www.tektronix.com, Registrierung erforderlich) oder aus der Materialsammlung Ihres Betreuers oder Dozenten (persönliche Downloadseite im Intranet, Moodle-Kurs, …). Diese Handbücher dienen Ihnen als Referenz, wenn Sie bestimmte Funktionen und Bedienelemente eines konkreten Gerätetyps verstehen möchten. Auch technische Daten (Specifications) schlagen Sie hier nach. Besorgen Sie sich den Tektronix „Pocket Guide to Oscilloscopes“ entweder von der Internetseite des Herstellers oder von Ihrem Betreuer (s. oben). Drucken Sie den Guide am besten doppelseitig aus und bringen Sie ihn zum Praktikum mit. Besorgen Sie sich ebenfalls das Tektronix Dokument „ABC der Oszilloskope“ bzw. die englische Version „XYZs of Oscilloscopes“ aus den genannten Quellen in elektronischer Form (nicht drucken!). Die Textstellenverweise in dieser Anleitung beziehen sich auf die deutsche Version. VORBEREITUNG Beantworten Sie mit Hilfe des Tektronix Dokuments „ABC der Oszilloskope“ die folgenden 5 Fragen! Um welche Art Messgerät handelt es sich beim Oszilloskop? (Charakterisieren Sie das Messgerät mit eigenen Worten. Welche elektrische Größe wird primär gemessen und in welcher Form wird diese Größe dargestellt? Welche Parameter lassen sich an dieser Darstellung ablesen? Lesen Sie dazu den Abschnitt „Das Oszilloskop“ ab Seite 7, insbesondere die Seiten 7 und 11.)

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Erklären Sie den Begriff „Bandbreite“ (Bandwidth) in Bezug auf das Oszilloskop? (Welche Bedeutung hat der Parameter und in welcher Einheit wird er angegeben? Sie finden diese Informationen im Abschnitt „Oszilloskop-Terminologie und –Auswahlkriterien“ ab Seite 36.)

Erläutern Sie die wesentlichen Aspekte der Funktionsweise und der Signalverarbeitung eines digitalen Speicheroszilloskops (Digital Storage Oscilloscope)? (Lesen Sie dazu unter der Überschrift „Oszilloskop-Arten“ auf den Seiten 13 und 14 nach.)

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Erklären Sie die Begriffe „Abtastrate“ (Sample Rate) und „Abtastintervall“ (Sampling Intervall“) in Bezug auf das Oszilloskop? (Welche Bedeutung haben die Parameter und in welcher Einheit werden sie angegeben? Wie hängen die zwei Parameter zusammen? Sie finden die wesentlichen Informationen im Abschnitt „Oszilloskop-Terminologie und –Auswahlkriterien“ auf Seite 38. Den Begriff „Abtastintervall“ finden Sie auf Seite 21. Die Umrechnung von Rate in Intervall überlegen Sie sich selbst! Der Abtastvorgang wird zudem auf den Seiten 23 und 24 noch einmal eingehender erläutert.)

Erklären Sie den Unterschied zwischen DC- und AC-Signaleinspeisung (DC-/AC-Coupling)! (Sie finden die nötigen Informationen im Abschnitt „Die Systeme und Bedienelemente eines Oszilloskops“ auf Seite 20.)

3.2 Welches Gerät verwenden Sie am Laborarbeitsplatz? Notieren Sie zu Versuchsbeginn die Typbezeichnung sowie wesentliche Eigenschaften des Oszilloskops an Ihrem Arbeitsplatz. Die Daten finden Sie oberhalb des Bildschirms bzw. im Handbuch: Gerätetyp ........................................................................................................................... Bandbreite ................................................................................................................ f3dB = Maximale Abtastrate .............................................................................................. fs, max = Minimales Abtastintervall ........................................................................................... tmin =

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3.3 Der Trigger – oder „Wie bekomme ich ein stehendes Bild“? VORBEREITUNG Machen Sie sich mit dem Triggermechanismus vertraut! Lesen Sie dazu diesen Abschnitt und ggf. im „ABC der Oszilloskope“ den Abschnitt „Triggersystem und Bedienelemente“ ab Seite 28. In der Abbildung unten sehen Sie rechts das Oszillogramm eines sinusförmigen Signals. Sie erkennen, dass das Signal am rechten Rand einen anderen Wert hat als linken Rand. In den meisten Fällen möchte man den Signalverlauf kontinuierlich oszillographieren. Das Oszilloskop würde ohne den sogenannten Triggermechanismus das Signal nach dem Erreichen des rechten Bildschirmrandes am linken Rand beginnend fortschreiben. Da die Werte am rechten und am linken Rand im Beispiel unten jedoch verschieden sind, würde sich ein Bild wie auf der linken Seite der Abbildung gezeigt einstellen. Diese Darstellung ist in der Regel wenig aussagekräftig. Stattdessen sollte sich jede neue Aufzeichnung desselben Signals mit der vorhergehenden decken. Das Resultat wäre trotz wiederholter Aufzeichnung und Darstellung des Signals ein sogenanntes „stehendes“ Bild wie im rechten Teil der Abbildung.

Der Triggermechanismus sorgt dafür, dass jede erneute Darstellung des Signals nicht unmittelbar mit Erreichen des rechten Bildschirmrandes beginnt, sondern erst mit einem definierten Ereignis (Event). Dazu analysiert das Gerät jeden Kurvenzug dahingehend, zu welchem Zeitpunkt er eine bestimmte Bedingung erfüllt (Triggerzeitpunkt). Dieser Zeitpunkt erscheint bei der Darstellung immer an der gleichen Position (z.B. Bildschirmmitte). Wie kompliziert eine Bedingung sein darf, hängt vom Gerät ab. Mindestens kann man angeben, dass das Signal einen bestimmten Wert (Trigger Level) haben soll und ob dieser Wert mit der steigenden Flanke (Positive Slope) oder der fallenden Flanke (Negative Slope) durchlaufen werden soll. Weitere Details entnehmen Sie bei Bedarf dem Handbuch. Ein Oszilloskop kann mehrere Signale gleichzeitig aufnehmen, so viele, wie Eingangsbuchsen (Kanäle, Channels) vorhanden sind. Gleichzeitig aufgenommene Kurven behalten auf dem Bildschirm ihre zeitliche Lage zueinander. Die Triggereinheit schaut sich daher immer nur eine der Kurven an. Welche das ist, kann der Bediener festlegen ("Triggerquelle", "trigger source)". Triggerquelle kann auch die Netzspannung („Netz“, "AC line") oder ein von extern eingespeistes Signal sein ("Ext"). 3.4 Messungen am Signal Der Bildschirm zeigt ein Koordinatengitter mit Grob- und Feinteilung. Links unterhalb des Graphen wird die Skalierung der Kästchen (Grobteilung) in Y-Richtung angegeben. Die Angabe CH1 500mV bedeutet z.B., dass für Kanal 1 ein Kästchen (Division) 500mV entspricht. Achtung: In Y-Richtung wird die Abschwächung des Tastkopfs (Messkabel mit Prüfspitze, Probe) mit eingerechnet. Bei Messungen ohne Tastkopf muss dieser Faktor auf 1 gesetzt werden! Der Default-Wert ist 10. Prüfen Sie die Einstellung deshalb stets für beide Kanäle. Die Skalierung in X-Richtung wird unter dem Graphen in Sekunden pro Kästchen angezeigt. Verändern können Sie diese Werte mit den Horizontal- und Vertikalreglern. Für präzise Messungen können Cursor eingeblendet werden. Es gibt zwei Cursor-Typen. Horizontale Cursor (bei unseren Geräten Amplituden-Cursor) dienen dem Ablesen von Spannungen und Spannungsdifferenzen. Vertikale Cursor (bei unseren Geräten Time-Cursor) zeigen zu welchem Zeitpunkt die Kurve welchen Wert annimmt. Auch Zeitdifferenzen können ermittelt werden. 24.08.2016

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Schließlich gibt es Messfunktionen wie Minimalwert, Maximalwert, Mittelwert, Effektivwert und Frequenz (Menü MEASURE). Auch Rechenoperationen mit verschiedenen Kanälen (z.B. Differenz CH2CH1) sind möglich (Menü MATH). Details entnehmen Sie bei Bedarf dem Handbuch. 3.5 Geräteanschlüsse, Abschirmung/Erdung, Eingangsimpedanz Die zu messenden Signale – bei unseren Zweikanal-Oszilloskopen sind das maximal 2 gleichzeitig – werden an die Buchsen CH1 und CH2 angelegt. Diese Buchsen sind als sogenannte Koaxialbuchsen (Typ BNC) ausgeführt. Bei Koaxialbuchsen und den anzuschließenden Koaxialkabeln befindet sich ein Innenleiter im Zentrum eines zylindrischen Außenleiters. Zwecks durchgehender elektrischer Abschirmung ist der Außenleiter mit dem Gerätegehäuse und dieses wiederum über den Schutzkontaktgerätestecker mit der Hausnetzerde (Masse) verbunden. Das wird bei allen BNC-Buchsen, gleichgültig an welchem Gerät die Buchsen angebracht sind, so gehandhabt. Die Konsequenz ist, dass alle BNCAußenleiter auf Masse liegen und folglich miteinander niederohmig verbunden sind. Einzige Ausnahme sind Buchsen, die explizit als potentialfrei (floating) oder ähnlich gekennzeichnet sind. MESSAUFGABE 1 Verifizieren Sie die niederohmige Verbindung (Kurzschluss) zwischen den Außenleitern zweier beliebiger BNC-Buchsen im Labor. Messen Sie dazu mit einem Multimeter den Widerstand von Außenleiter zu Außenleiter (Buchse zu Buchse) zwischen zwei Buchsen unterschiedlicher Geräte. Beide Geräte müssen am Stromnetz angeschlossen aber nicht zwingend eingeschaltet sein. Sie könnten für diese Messung prinzipiell zwei Kabel mit Bananensteckern verwenden, deren eines Ende Sie jeweils ans Multimeter anschließen, während Sie das andere Ende jeweils außen an eine BNC-Buchse halten. Häufig treten hierbei leider signifikante Kontaktwiderstände auf, die die Messung verfälschen. Besser ist es, sich zwei Koaxialmessleitungen mit jeweils einem BNC-Anschluss am einen Ende und zwei Bananensteckern am anderen Ende zu besorgen. Diese Kabel können Sie auf die BNCGerätebuchsen ordentlich aufschrauben und so die Kontaktwiderstände gering halten. Am anderen Ende müssen Sie jeweils den Außenleiterstecker am Multimeter einstecken. Die Innenleiterstecker beider Kabel benötigen Sie hier nicht, da Sie nur von Außenleiter zu Außenleiter messen. Welche Farbe haben die Außenleiterstecker der Koaxialmesskabel? Stellen Sie nach genauer Betrachtung des Kabels eine Vermutung an. Verifizieren Sie Ihre Vermutung, indem Sie mit einem Multimeter auf Durchgang oder Widerstand prüfen. ....................................................................................... Außenleiter hat die Steckerfarbe ......................................................................................... Innenleiter hat die Steckerfarbe Führen Sie jetzt die Messung durch!

......................................................... Gemessener Widerstand (Einheit nicht vergessen): Die Erdung der Außenleiter hat zwei für Sie wichtige Konsequenzen: 

Das Oszilloskop kann nur Signale relativ zur Masse messen. Wir werden später sehen, wie man diese Einschränkung teilweise umgehen kann.



Verbinden Sie die Außenleiter zweier Koaxialmessleitungen mit zwei unterschiedlichen Knoten in Ihrer Schaltung, dann werden diese Knoten über die Erde (Masse) kurzgeschlossen. 24.08.2016

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VORBEREITUNG Sie wissen bereits, dass Voltmeter und Amperemeter Innenwiderstände aufweisen, deren Einfluss auf das Messergebnis beachtet und bewertet werden muss. Beim Oszilloskop sind die Verhältnisse ähnlich. Da wir hier jedoch in der Regel Wechselgrößen betrachten, ist neben dem ohmschen Eingangswiderstand auch die Eingangskapazität von Interesse. Beide Größen gemeinsam bilden die Eingangsimpedanz (Input Impedance). Suchen Sie die Daten zur Eingangsimpedanz im Handbuch des Oszilloskops (Anhang „Spezifikationen“)! Beachten Sie, dass die Daten des Oszilloskops und nicht diejenigen eines optionalen Tastkopfes (Probe) gesucht sind. ..................................................................................................................................... Ri = ..................................................................................................................................... Ci = Passen diese Daten eher zu einem Spannungsmesser oder zu einem Strommesser? Begründen Sie Ihre Antwort! Spannungsmesser [ ]

Strommesser [ ]

Der Formulierung im Handbuch können Sie entnehmen, auf welche Weise Ri und Ci am Messeingang zwischen Innen- und Außenleiter geschaltet sind. Ergänzen Sie nachfolgend das Ersatzschaltbild eines solchen Messeingangs. Aus der Zeichnung sollte hervorgehen, wie Ri und Ci angeordnet sind. Zeichnen Sie auch das Symbol für die Erdung des Außenleiters ein.

Innenleiter

Außenleiter

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4 Messen mit dem Oszilloskop Bringen Sie das Oszilloskop mit der Taste DEFAULT SETUP in einen definierten Anfangszustand. 4.1 Gleichspannungsmessungen An jedem Praktikumsplatz steht ein Einschubrahmen, der ein Netzteilmodul (Triple Power Supply) und ein Funktionsgeneratormodul (Function Generator) enthält. Die Module arbeiten unabhängig voneinander. Was Sie an einem Modul einstellen, hat keinen Einfluss auf das andere Modul. Lediglich die Stromversorgung ist für beide Module gemeinsam im Rahmen integriert. Beide Module werden deshalb gleichzeitig mit dem roten Knopf zwischen den Modulen eingeschaltet. Für die Gleichspannungsmessungen dieses Abschnitts benötigen Sie nur das aus dem Grundlagenversuch bekannte Netzteil. MESSAUFGABE 2 Es soll die Ausgangsspannung der Festspannungsquelle mit dem Oszilloskop und zum Vergleich mit dem Multimeter gemessen werden. Nehmen Sie ein Multimeter und stellen Sie es auf denjenigen Messbereich ein, in dem sich eine Spannung von 5V am besten ablesen lässt. Verbinden Sie den 5V-Ausgang des Netzteilmoduls mit Kanal 1 des Oszilloskops und mit dem Multimeter (Quer- oder Axiallöcher in den Bananensteckern nutzen). Falls das Multimeter keine Spannung anzeigt, überprüfen Sie die Taste OUTPUT ON am Netzteil. Multimeterablesung (auf Stellenzahl achten!): ................................................................... Drücken Sie am Oszilloskop AUTOSET. Informieren Sie sich in der Bedienungsanleitung, wie auf dem Bildschirm der Nullpunkt der y-Achse gekennzeichnet ist. Bestimmen Sie dann den Spannungswert durch Ablesung am Gitternetz. Gitternetzablesung (auf Stellenzahl achten!)...................................................................... Stimmen Multimeter- und Oszilloskopablesung überein?

ja [ ]

nein [ ]

Drücken Sie CH1-MENU, um das Menü zu Kanal 1 aufzurufen. Suchen Sie die Einstellung der Tastkopfskalierung (Probe) und setzen Sie den Wert von „10X, Voltage“ auf "1X, Voltage". Lesen Sie die Spannung erneut ab. Gitternetzablesung (auf Stellenzahl achten!) ...................................................................... Stimmen Multimeter und Oszilloskop jetzt überein?

ja [ ]

nein [ ]

Erklären Sie auf Nachfrage dem Betreuer, was es mit der Einstellung "Probe" auf sich hat. Gute Erläuterungen zum Thema Tastkopf (Probe) finden Sie im Abschnitt „Das vollständige Messsystem“ im „ABC der Oszilloskope“ ab Seite 33. Im Buch von Manfred Albach (s. Seite 1 dieser Anleitung) finden Sie im Abschnitt 8.4 Erläuterungen zum frequenzkompensierten Spannungsteiler, die das Zusammenwirken von Tastkopf und Oszilloskop beschreiben.

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MESSAUFGABE 3 Stellen Sie im Menü zu Kanal 1 (CH1-MENU) die Kopplung (Coupling) auf AC und lesen Sie die Spannung erneut ab. Ablesung auf Gitternetz: ..................................................................................................... Stimmen Multimeter und Oszilloskop überein?

ja [ ]

nein [ ]

Erklären Sie auf Nachfrage dem Betreuer, was es mit der Kopplung (Coupling) auf sich hat. Diese Einstellung ist neben der Tastkopfskalierung Spitzenreiter bei den Bedienungsfehlern. Sie sollten die Hintergründe unbedingt verstehen, um in den Versuchen dieses Praktikums für jede Messung die richtige Kopplungsart einstellen und Fehleinstellungen erkennen zu können. Fazit: AUTOSET garantiert keine korrekte Messung. Stellen Sie die Parameter in den Menüs zu den Kanälen 1 und 2 (CH1 MENU und CH2 MENU) stets richtig ein bevor Sie AUTOSET drücken! Insbesondere müssen Sie hier im Praktikum, wo ohne Tastkopf gemessen wird, nach dem Drücken von DEFAULT SETUP die Tastkopfskalierung für jeden Kanal individuell auf 1X zurücksetzen. MESSAUFGABE 4 Das Oszilloskop stellt verschiedene Messfunktionen zur automatischen Auswertung der Signalverläufe zur Verfügung. Sie erreichen diese Funktionen durch Drücken der Taste MEASURE. Verwenden Sie eine dieser Funktionen, um sich den gewünschten Gleichspannungswert als Zahlenwert ausgeben zu lassen. Zuvor müssen Sie CH1 MENU wieder richtig einstellen. Welche Funktion haben Sie gewählt? Welchen Wert lesen Sie ab? Funktion: Stimmen Multimeter und Oszilloskop überein?

Wert: ......................................................... ja [ ]

nein [ ]

Erläutern Sie dem Betreuer auf Nachfrage, was diese Funktion genau macht, welche anderen Funktionen vielleicht noch in Frage kämen (siehe Handbuch) und warum Sie gerade diese gewählt haben!

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4.2 Messung zeitlich veränderlicher Spannungen In diesem Abschnitt sollen Sie auf unterschiedlichen Wegen mit Hilfe von Spannungsmessungen an einer RL-Serienschaltung die Induktivität der eingesetzten Spule bestimmen. Folg...