Messen mit dem Soundkartenoszilloskop (Scope V1.40 C. Zeitnitz)

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1 Messen mit dem Soundkartenoszilloskop (Scope V1.40 C. Zeitnitz) Fortbildungsveranstaltung am / KGS Pattensen, 10 bis 13 Uhr Spannungswerte Aufgrund der verschiedenen Einstellungsmöglichkeiten der Lautstärke in Windows lässt sich die absolute Spannung nicht direkt bestimmen! Die dargestellten Werte sind daher in willkürlichen Einheiten zu verstehen. Die Einstellung der Amplitude bezieht sich sowohl auf das Oszillographenfenster als auch auf den x-y Graphen. Zeiteinstellung Die Einstellung der Zeit bezieht sich auf den gesamten dargestellten Bereich und NICHT wie bei einem normalen Oszillographen auf den Wert pro Einheit! Der Bereich geht von ms. Je größer der dargestellte Bereich ist umso geringer ist die verwendete Abtastrate, die verwendet wird. Dies ist aus Gründen der Rechnerauslastung nicht zu vermeiden. Trigger In der Triggereinstellung finden sich die Modi Aus, Auto, Normal und Single. Diese entsprechen den üblichen Modi von Oszillographen. Die Triggerschwelle kann hierbei sowohl über das Eingabefenster in der Triggerauswahl, als auch per Maus durch verschieben des gelben Kreuzes im Oszillographenfenster erfolgen. Der Triggerzeitpunkt kann ausschließlich per Maus durch verschieben des gelben Kreuzes verstellt werden. Messen Unterhalb des Oszillographenfensters befindet sich ein Auswahlfeld für die Vermessung verschiedener Eigenschaften der Signale. Einmal kann über die Auswahl Hz und Volt die automatische Analyse der Frequenz, der Signalamplitude und Streuung aktiviert werden. Die Messergebnisse werden am oberen Rand des Schirms eingeblendet. Zu Spannungsmessung siehe oben. X-Y Graph Hier werden die beiden Kanäle gegeneinander aufgetragen. Hierdurch können z.b. Lissajous sche Figuren erzeugt werden. Hierzu können im Signalgenerator die Frequenzen und Phasenlagen entsprechend gewählt werden.

2 Eingangsspannungsteiler für die Soundkarte Schaltung (1): Die zu messende wird über R1, dem Line-In-Eingang, zugeführt. R1 bildet mit R2 einen Spannungsteiler mit einem Teilverhältnis von etwa 7:1. Die eigentliche Schutzschaltung besteht aus den antiparallel geschalteten LED-Dioden 1 und 2. Sobald die Eingangsspannung dem für die Soundkarte kritischen Wert nah kommt, fließt Strom durch die LED-Dioden, der dann in Verbindung mit R1 zu einer Spannungsreduktion am Eingang der Soundkarte führt. So können auch Spannungen bis 100 V an der Soundkarte keinen Schaden anrichten. Sauber messen können Sie damit Spannungen bis etwa 7 V am Eingang. Für den Schutz des Mikrofoneingangs der Soundkarte ist die Schaltung (2) zuständig. Sie hat den gleichen prinzipiellen Aufbau. Als Schutzdioden werden Si-Dioden verwendet, sodass bereits bei etwa 0,6 V die Spannungsbegrenzung beginnt. Die unterschiedliche Eingangsimpedanz der Soundkarte führt zu einem Teilverhältnis von etwa 10:1. Sie können mit dieser Konfiguration Spannung zwischen 0 und 3 V messen. Eingangsspannungen bis 50 V können der Soundkarte nichts anhaben.

3 Die Dioden begrenzen die Spannung an der Soundkarte auf ±0,6V. Die Widerstände wirken mit dem Innenwiederstand der Soundkarte als Spannungsteiler, welcher mit dem DIL-Schalter eingestellt werden kann. Die Widerstände sind so dimensioniert, dass sich grob eine Verdopplung bzw. Halbierung der Spannung ergibt (immer nur ein Schalter geschlossen). Da die Widerstände (in etwa) dual gewichtet sind, kann bei Verwendung mehrere Schalter in ca 22kΩ-Schritten der Vorwiderstand bis 730kΩ gesteigert werden.

4 Eine potenzialfreie Wechselspannung von 6 V wird über einen Widerstand R1 an das Messobjekt (DUT) herangeführt. Der dabei fließende Strom wird, als Spannungsabfall über R5, dem Y-Kanal zugeleitet. Die Spannung über dem Messobjekt wiederum gelangt zum X-Kanal. Die Spannung am Messobjekt wird periodisch im Takt der Wechselspannung auf- und abgebaut. Auf dem Bildschirm ergibt sich zwangsläufig ein stehendes Bild für den Zusammenhang zwischen angelegter Spannung (Null bis Maximalwert der Wechselspannung) über dem Messobjekt und dem resultierenden Stromfluss durch das Messobjekt. Die Messspannungen für das PC-Oszilloskop werden durch Spannungsteiler jeweils im Verhältnis etwa 10:1 reduziert, um die Gefahr der Überlastung des Soundkarteneingangs zu vermeiden.

5 PC-Signalgenerator Für ernsthafte Anwendungen lohnt sich der Selbstbau eines geeigneten Interface für den PC-Signalgenerator. Damit kann die Ausgangsspannung geeicht und mittels Potenziometer und Spannungsteiler kontinuierlich in folgenden Bereichen eingestellt werden: 0 bis 1 V 0 bis 100 mv 0 bis 10mV Nebenstehend eine entsprechende Schaltung. Der Elektrolytkondensator C1 hält schädliche Gleichspannungen vom Ausgang der Soundkarte fern. Mit dem Potenziometer P1 kann die Ausgangsspannung zwischen Null und jeweiligem Maximalwert eingestellt werden. Der Spannungsteiler, gebildet von R1 bis R3, erlaubt es, die maximale Ausgangsspannung auf 1 V, 100 mv oder 10 mv zu begrenzen. Die Schaltung wird am besten in ein kleines Metallgehäuse eingebaut. So werden eventuell mögliche Störspannungen zuverlässig ferngehalten. Für die Anschlussleitungen werden abgeschirmte Kabel verwendet.

6 Bestimmung der Resonanzfrequenz eines Lautsprecherchassis Am NF-Generator wird ein Ausgangspegel von 1 V eingestellt. Das PC-Oszilloskop wird mit hoher Empfindlichkeit betrieben. Drehen Sie jetzt am PC-NF-Generator langsam die Frequenz bei 20 Hz beginnend nach oben. Die am Oszilloskop angezeigte Amplitude wird irgendwann beginnen zu steigen. Nach dem Erreichen des Maximums fällt die Amplitude bei weiter zunehmender Frequenz wieder langsam ab. Stellen Sie die Frequenz ein, bei der das Amplitudenmaximum erreicht wird. Dann können Sie direkt die Resonanzfrequenz des Lautsprecherchassis ablesen. Am Lautsprecher dürfen selbstverständlich keinerlei weitere Bauteile angeschlossen sein (Dämpfungswiderstände, Übertrager oder Induktivitäten bzw.kondensatoren).

7 Lissajous-Figuren auf einem Oszilloskop Bei der Arbeit mit dem Oszilloskop erhält man Lissajous-Figuren, wenn man bei abgeschalteter Zeitablenkung sowohl an den Eingang für die y- als auch für die x-ablenkung eine harmonische Wechselspannung anlegt. Die Form der Figuren erlaubt genaue Rückschlüsse auf Frequenz und Phasenlage der beiden Spannungen. Bei gleichen Frequenzen (Bsp: v = 1:1) kann man an der elliptischen Figur die Phasendifferenz ablesen. Bei zwei fast gleichen Frequenzen (oder einem Frequenzverhältnis, das sehr nahe an einem der einfachen rationalen Verhältnisse liegt) zeigt der Schirm des Oszilloskops eine zwar geschlossene, aber sich zeitlich verändernde Figur. So kann man mit hoher Empfindlichkeit kleine Frequenzunterschiede messen. Aufgabenstellungen: a) Verwende den internen Signalgenerator und stelle bei beiden Kanälen eine Frequenz von 440 Hz ein bei gleicher Amplitude (Default). Betrachte das Signal im Oszilloskop. Schalte dann auf den X-Y-Graphen um. Es müsste nun eine um 45 Grad geneigte Linie zu sehen sein (siehe unten, Bild 1). b) Lasse die Amplitude unverändert und verändere die Frequenz einer der beiden Kanäle um 1/10 Hz (z.b ). Beobachtung? c) Was verändert sich, wenn die Frequenzdifferenz größer wird? d) Stelle unterschiedliche Frequenzverhältnisse ein bei unterschiedlichen Phasenlagen von Kanal 1 und 2 (Signalgenerator unten rechts) und überprüfe den X-Y-Graphen Lissajous-Figuren (siehe unten). (weitere Lissajous-Figuren siehe z.b.

8 Abbildungen für Frequenzverhältnis 1:n und n:1 (Amplituden-Verhältnis 1:1) Die Phasendifferenz Δφ bezieht sich in den folgenden Abbildungen immer auf die größere Frequenz. Δφ 1:1 1:2 1:3 2:1 0 o Frequenzverhältnis 45 o Phasendifferenz

9 90 o 135 o 180 o

10 225 o 270 o 315 o 360 o siehe Δφ = 0 o aus:

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