Oszilloskop - Messtechnik

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1 Technische Universiä Dresden Fachrichng Physik P. Ecksein / R. Schwierz Okober 2007 Versch: Grndprakikm Physik OM 1. Ziel nd Afgabensellng Oszilloskop - Messechnik Das Oszilloskop is das niverselle Insrmen der elekrischen bzw. elekronischen Messechnik. Es dien der Visalisierng von Spannngen im Ech-Zeibereich nd ermöglich dami beim Einsaz ensprechender Wandler die Darsellng nd das Vermessen der Zeiverläfe physikalischer Größen. Gegenwärig verlieren die in ihrer Fnkionsweise sehr anschalichen Elekronensrahloszilloskope gegenüber den Digial Speicher - Oszilloskopen (DSO) rasan an Bedeng. Lezere, mi zwei nd mehr Kanälen asgesae nd von einem Mikrokonroller geseer, erlaben neben den direken Messngen von Ampliden nd Zeidifferenzen die Besimmng von Freqenz nd Phasenverschiebng ebenso wie eine Transformaion von Zeifnkionen in den Freqenzbereich (Forieranalyse). Das Oszilloskop gehör zm Handwerkzeg eines Experimenalphysikers, ob beim Afba von Experimenen oder als permanener Besandeil von Messanordnngen. Folgerichig komm es ach in Verschen des Grndpraikms nd des Forgeschrienenprakikms zm Einsaz. Im Versch sollen Kennnisse über die prinzipielle Fnkionsweise von Digial Speicher - Oszilloskopen erworben nd mi einem Tekronix TDS 2012 B die Bedienng nd die grndlegende Messechnik so geüb werden, dass fnkionell gleiche Oszilloskope in den folgenden Prakika problemlos angewand werden können. Daz sind: bekanne, von einem Fnkionsgeneraor (HM ) erzege, Signale bei nerschiedlichen Erfassngs- nd Triggermodi af dem Oszilloskop darzsellen nd z vermessen, im Zweikanal-Berieb die Pasenverschiebng zwischen zwei harmonischen Signalen nd zwei Implsfolgen z besimmen, anhand nerschiedlicher Impedanzen von Signalqellen nd Ansiegszeien von Implsen die Wirkng des passiven Taskopfes z sdieren, nbekanne Signale nd Signalkombinaionen z erfassen nd z idenifizieren. 2. Grndlagen 2.1. Signale nd Begriffe Periodische Signale In den Abbildngen sind sinsförmige Wechselspannngen im Zeibereich bzw. im Phasenbereich nd ihre mahemaische Beschreibng einschließlich der verwendeen physikalischen Größen dargesell. EC 1

2 U m ( ) = Um sin( ω ϕ) : Momenanwer der Spannng U m : Amplide, Spizenspannng U SS : Spannng Spize Spize τ T -U m T : Periodendaer f : Freqenz f = 1/T ω : Kreisfreqenz ω = 2πf = 2π / T ϕ : Phase bzgl. = 0 τ : zeiliche Verschiebng Abb Sinsförmige Wechselspannng im Zeibereich nd ihre mahemaische Beschreibng U m U Off : Offsespannng -U m U Off Abb Sinsförmige Wechselspannng mi Offse Die Asymmerie einer Wechselspannng bzgl. Der Bezgsspannng (Masse) wird als Offse bezeichne (Abb. 2.2.). Der gleiche Sachverhal kann ach als Überlagerng der Gleichspannng mi einer Wechselspannng bezeichne werden, insbesondere dann, wenn die Gleichspannng der Informaionsräger nd die Wechselspannng eine Sör- oder Brmmspannng is. Wie lae die mahemaische Formlierng der Zeifnkion () in Abb. 2.2.? Die zeiliche Verschiebng zweier harmonischer Signale gleicher Freqenz oder zweier harmonischer Signale, deren Freqenzen sich m ein ganzzahliges Vielfaches nerscheidenden, wird als Phasenverschiebng bezeichne nd in Grad oder Bogenmaß angegeben. In Abb sind zwei m Δϕ gegeneinander verschobene sinsförmige Wechselspannngen gleicher Freqenz dargesell. U 1 U 2 ω Δϕ : Phasenverschiebng (Phasendifferenz) ϕ 1 Δϕ ϕ 2 Abb Verschiebng zweier Wechselspannngen im Phasenbereich Wie hängen Phasenverschiebng nd zeiliche Verschiebng zsammen? EC 2

3 In Abb sind zwei harmonische Spannngen nerschiedlicher Freqenz af nerschiedliche Ar überlager. Im Beispiel links is die Amplide des hochfreqenen Signals drch das niederfreqene Signal modlier. Es handel sich m Amplidenmodlaion (AM), wie sie zr drahlosen Überragng von Informaionen miels Mielwellensendern angewand wird. Im rechs dargesellen Fall is enweder das hochfreqene Signal vom niederfreqenen Signal überlager. Dann sprich man von einer Brmmsörng. Is dagegen das niederfreqene Signal das Nzsignal, dann sprich man von einem verraschem Signal. T 1 T 2 T 1 T 2 Abb Überlagerng zweier harmonischer Signale nerschiedlicher Freqenz Wie laen für die beiden Fälle in Abb die Zeifnkionen ()? Die in Abb dargesellen recheckförmigen Implsfolgen mi konsanen Implsampliden nd gleicher Folgefreqenz f = 1/T nerscheiden sich drch Implsdaer I nd dami drch ihr Tasverhälnis: TV = I : T. Dieses beräg bei der linken Darsellng TV = 1 : 2, bei der rechen TV = 1: 4. Gelegenlich wird das Tasverhälnis ach als Verhälnis von Pls z Pase definier. 0 I T 0 I T Abb Recheck-Implsfolgen mi nerschiedlichem Tasverhälnis Die in Abb gezeigen dreieck- nd sägezahnförmigen Implsfolgen sind.a. geeigne Kennlinien von Zweipolen mi Hilfe eines im X-Y - Mods beriebenen Oszilloskops darzsellen. Wie könne eine derarige Messschalng assehen? EC 3

4 0 T 0 T Abb Dreieck- nd Sägezahn-Implsfolgen Einzelimplse, nichperiodische Implse Besimme Sensoren oder Signalgeber, wie z.b. Srahlngsdeekoren geben im Gegensaz z periodischen Signalgebern zeilich nich vorhersagbare Signale ab. Häfig können diese ach noch in Form nd Amplide variieren. Neben Implsen mi exponeniell anseigenden nd abfallenden Flanken (so genanne semigaßförmige Implse) sind dies die in Abb. 2.7 dargesellen Sfen- nd Recheckimplse. Erserer ensprich einer ideal geschaleen Spannng d.h. einem prellfreien Schaler. 1 I Abb Sfenimpls, Recheckimpls Eine Implsfolge wie sie z.b. bei der seriellen Daenüberragng afreen kann zeig Abb Krze, nkorrelier afreende Sörimplse sind of die Ursache schwer z findender Fehler bei Daenüberragng bzw. verarbeing. Abb Random-Implsfolge mi krzem Sörimpls EC 4

5 Variable Erfassngs- bzw. Abasmodi nd flexible Triggerregime moderner DSO erleichern die Sche nach Sörimplsen, die sich in ihrer Amplide nd / oder in ihrer zeilichen Srkr von den Sandardimplsen nerscheiden. Mi dem Triggern (s. Abschni ) af derarige Sörngen werden naürlich die Vor- nd Nachriggerdaen erfass, sodass die Aswirkng der Sörng analysier werden kann. Mi welchen Einsellngen des DSO kann der dargeselle Sörimpls sichbar gemach werden? Die in den Abbildngen: 2.5., 2.7. nd 2.8. dargesellen Recheckimplse sind idealisier. Reale Asgangsimplse beliebiger Signalgeber weisen endliche Ansiegs- nd Abfallzeien nd mehr oder weniger sark abgerndee Ecken af. Drch die verarbeiende Elekronik werden diese Implse of miels RC-Glieder geziel weier geform. Bei der Überragng drch Kabel nd drch parasiäre Kapaziäen nd Indkiviäen erleiden sie weiere Verformngen d.h. Verzerrngen. Eine ypische Implsform eines realen Recheckimplses mi endlicher Flankenseilhei nd mi Überschwingen is einschließlich der Definiionsgrößen in Abb dargesell. U ü 90% 50% 10% I Uo : Implsamplide U ü : Amplide des Überschwingens I : Implsbreie r : Ansiegszei (rise ime) f : Abfallzei (fall ime) r f Abb Realer Recheckimpls mi Verzerrngen nd Definiionsgrößen EC 5

6 2.2. Digial-Speicher-Oszilloskop (DSO) Fnkionsprinzip Abb Blockschalbild der Oszilloskopfnkionen 1) Wie dem fnkionellen Blockschalbild (Abb ) z ennehmen is, wird die darzsellende Spannng am Eingang eines jeden Kanals des Oszilloskops zr Anpassng an die verikale Aflösng des Bildschirmes versärk (Verikalversärker). In einem DSO wird das versärke Eingangssignal in einem besimmen zeilichen Absand koninierlich abgease (Abb ) nd gespeicher, d.h. als Analogwer krzzeiig gespeicher nd miels Analog-Digial- Konverer in ein ensprechendes binär kodieres Signal gewandel. Dieses wird in einen zyklisch beschreibbaren Speicher geschrieben. Drch den Trigger, ein Signal, das den zeilichen Bezgspnk fixier wird ensprechend der gewählen Zeibereiche (Darsellng vor nd nach dem Triggerzeipnk) die Übergabe an den Bildspeicher nd die Darsellng af einem LCD-Display asgelös. Das Triggersignal wird inern vom Einganssignal eines der verfügbaren Kanäle abgeleie. Der Kanal nd die Triggerbedingngen sind wählbar. Abb Abasprinzip 1) EC 6

7 Grndlagen der Bedienng des DSO Das Bedienfeld des TDS 2012B zeig Abb In benzerfrendliche Fnkionsbereiche nereil ermöglich es leichen Zgriff af die Bedienelemene nd die Fnkionsmenüs. EIN/AUS-Taser Mehrfnkions-Drehknopf Taser Fnkions- Menü Taser Display-Menü BNC-Eingänge Verikal/Horizonal Skalieren nd Posiionieren Trigger-Menü Abb Fronansich des 2-Kanal-DSO TDS 2012B 2) Im LCD-Display werden neben den Signalverläfen (Inhal des Bildspeichers) ach Informaionen über die Signale selbs nd Osilloskopeinsellngen angezeig. Die wichigsen Anzeigen nd Deails sind Abb z ennehmen. Für die Bedienng des Oszilloskops müssen folgende Fnkionen beherrsch werden: Einsellng des DSO / Verwendng von Ao-Sep Signalerfassng Triggerng Skalierng (Versärkng) nd Posiionierng von Signalen Drchführng von Messngen EC 7

8 ERFASSUNGSMODUS Normale Abasng Spizenwer Mielwer TRIGGERSTATUS Armed. Ready Trig d. Sop. Acq. Complee Ao Scan. Horizonale Triggerposiion Triggerpegel Bezgspoenzial (Erdpoenzial) Skalenfakor Kanal inverier Zeibasis Triggerkanal Triggerpegel Triggerar: Seigende Flanke Fallende Flanke Videorigger Zeile Videorigger Halbbild Implsbreienrigger pos. Implsbreienrigger neg. Abb Signal- nd Parameerdarsellngen im Display Wichig: Die Bedienngsgrndlagen nd das nowendige Grndwissen sind im Benzerhandbch des Digial-Speicher-Oszilloskops af den Seien 11 bis 60 asführlich dargesell, im Kapiel Referenz, Seie 99 bis 144 werden alle Deails erläer. Im Anhang des Benzerhandbchs sind die echnischen Parameer z finden. EC 8

9 3. Messechnik Als Signalqellen sehen ein Fnkionsgeneraor HM (HAMEG) sowie ein spezieller Signal Generaor (Eigenenwicklng) af der Basis eines Training-Kis (Tekronix) zr Verfügng (Abb. 3.1.). Der HM 8030 generier Sins-, Recheck-, Dreiecksignale im Freqenzbereich: 0,05 Hz bis 5 MHz mi variabler Amplide nd zschalbarem Gleichspannngsoffse. Der Signal-Generaor sell eine Sins- nd eine Recheckspannng sowie wählbare Signale zr Idenifikaion zr Verfügng. Die Signale können sowohl von den BNC-Asgängen direk über 50 Ω - Koaxialkabel zm Oszilloskop-Eingang geführ werden als ach mi einem passiven Taskopf, der über eine 1:1 - oder 10:1-Teilng verfüg, abgegriffen werden. Die Schalng eines solchen Taskopfes in Verbindng mi der Eingangs-Ersazschalng des DSO is in Abb dargesell. Freqenzanzeige Signalamplide BNC-Asgänge Signal-Wahlschaler Freqenzeinsellng Signalform BNC-Asgang Taskopf-Anschlüsse BNC-Asgang Abb Fronansich der Signalqellen EIN/AUS Oszilloskop-Eingang Tasspize 1:1/10:1 AC/DC ~30p 9M/5p 1M/20p Erdngsclip Abb Taskopf-Oszilloskop-Schalng Freqenz- nd Phasenverschiebngsmessng miels Lissajos-Figren: Das DSO verfüg über eine Vielzahl von Messmöglichkeien, die.a. ach direke Messngen im Zeibereich (X-Achse) nd daras abgeleie Freqenz- nd Phasenmessngen ermöglichen. EC 9

10 Die Genaigkei dieser af 8-bi Wandlern basierenden Messngen kann überroffen werden, wenn ein Freqenzgeneraor mi höherer Anzeigegenaigkei als Vergleichsgeneraor zr Verfügng seh nd dessen Signal im XY-Mods des DSO sa der Zeibasis eingespeis wird. Die so ensehenden Lissajos-Figren (Abb. 3.3.) erlaben einen exaken Freqenzvergleich. Abb Lissajos-Figren 3) 4. Afgabensellng Uner 1. is das Afgabenspekrm mrissen. Die konkreen Afgaben sind den Plazanleingen für: a) das Physikalische Einführngsprakikm LA-Bachaelor b) Grndprakikm II z ennehmen. 5. Qellenangabe 1) 2) 3) as Serie TDS1000B nd TDS2000B (Rev. A) Digialspeicher-Oszilloskop Benzerhandbch hp:// af der Grndlage von Serie TDS1000B nd TDS2000B (Rev. A) Digialspeicher-Oszilloskop Benzerhandbch as Das XYZ der Analog- nd Digialoszilloskope, hp:// EC 10

11 6. Links, Lierar Serie TDS1000B nd TDS2000B Digialspeicher-Oszilloskop Benzerhandbch hp:// Engels,H. Eichler, Kronfeld, Sahm, Oszilloskop-Messechnik von A-Z, Franzis` Das Nee Physikalische Grndprakikm EC 11