Oszilloskop. Dr. Angela Fösel & Dipl. Phys. Tom Michler. Revision:

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1 Dr. Angela Fösel & Dipl. Phys. Tom Michler Revision: Ein ist ein Messgerät zur optischen Darstellung von einer oder mehrerer Spannungen sowie deren zeitlichen Verläufe in einem zweidimensionalen Koordinatensystem, wobei üblicherweise die x Achse als die Zeitachse verwendet wird und die anzuzeigenden Spannungen auf der y Achse abgebildet werden. Das so entstehende Bild wird als Oszillogramm bezeichnet. Beim klassischen wird ausschließlich eine Kathodenstrahlröhre zur Anzeige benutzt. In diesem Versuch sollen Sie sich mit dem Aufbau, der Funktionsweise und der Bedienung eines s vertraut machen. 1

2 1 Vorbereitungen Zur Einarbeitung in diesen Versuch sollten Sie neben den allgemeinen Kenntnissen der klassischen Mechanik, Elektrostatik und -Dynamik vor allem folgende Punkte vertiefen: ˆ Erläuterung und Einsatzzweck eines s ˆ Erklärung verschiedener Methoden zur Erzeugung von Elektronenstrahlen ˆ Beschreibung und Darstellung der Bewegung geladener Teilchen in elektrischen Feldern (insbesondere Kräfte und Bewegungsgleichungen) ˆ Herleitung der kinetischen Energie geladener Teilchen, die eine Potenzialdifferenz U durchlaufen haben ˆ Beschreibung und Darstellung der Bewegung geladener Teilchen in magnetischen Feldern (insbesondere Kräfte und Bewegungsgleichungen) ˆ Erläuterung von Aufbau und Funktionsprinzip der Braun schen Röhre (insbesondere die einzelnen Bauelemente und deren Funktion) ˆ Erklärung und Darstellung des Ablenksystems einer Braun schen Röhre, Funktionsweise der zeitlichen Ablenkung (insbesondere Triggerung von Signalen) ˆ Erläuterung des Verhaltens eines Ohm schen Widerstands, eines Kondensators und einer Spule in einem Wechselstromkreis (insbesondere Phasenverschiebungen und deren Ursache) ˆ Erläuterung der Grundeigenschaften udn Aufbau von Halbleitern ˆ Beschreibung von Aufbau und Funktionsweise einer Hableiterdiode und einer Zenerdiode, sowie deren Einsatzzweck In der schriftlichen Vorbereitung gehen Sie neben der allg. Beschreibung des Versuchs insbesondere auch auf die o.g. Begriffe ein. Achten Sie darauf, dass bestimmte Teilaufgaben in der Vorbereitung, also vor dem Versuchstag, durchzuführen sind. 2 Das Im vorliegendem Versuch wird ein Kathodenstrahloszilloskop zur bildlichen Darstellung und Messung zeitlich veränderlicher Spannungen und Ströme benutzt. Beim Kathodenstrahloszilloskop wird die elektrische Ablenkung eines Elektronenstrahls proportional zur messenden Größe verwendet. Das wichtigste Bauelement des s ist die Kathodenstrahlröhre (Braun sche Röhre). Ihre wesentlichen Bestandteile sind auf der Titel-Abbildung dargestellt. 2

3 2.1 Das Ablenksystem Ohne anliegende Spannung an den Ablenkplatten beobachtet man in der Mitte des Schirms einen hellen Punkt. Legt man an die Platten für die vertikale Ablenkung (y Achse) eine Gleichspannung - die untere Platte soll negativ, die obere positiv geladen sein -, so wandert der Leuchtfleck nach oben; seine Auslenkung ist der angelegten Spannung proportional. Polt man die Spannung um, so wird der Fleck nach unten abgelenkt. Legt man eine Wechselspannung an die vertikale Ablenkung, so erhält man einen vertikalen Strich; der Punkt bewegt sich im Rhythmus der Wechselspannung nach oben und nach unten. Die Länge des Strichs ist proportional der angelegten Wechselspannung. Legt man an die horizontalen Platten entsprechende Spannungen, so beobachtet man entsprechende Auslenkungen des Strahls in horizontaler Richtung (x Achse). 2.2 Die Zeitablenkung Im Allgemeinen will man die zeitliche Abhängigkeit einer Spannung darstellen. In der Regel wählt man die x Achse als Zeitachse, auf ihr wird die Zeit linear abgebildet. Der Leuchtfleck muss also mit konstanter Geschwindigkeit von links nach rechts wandern. Hat er das Ende des Bildschirms erreicht, springt er zum Ausgangspunkt zurück, um erneut mit konstanter Geschwindigkeit nach rechts zu wandern. Dazu muss man an den horizontalen Ablenkplatten eine Spannung anlegen, die linear anwächst und sehr rasch wieder abfällt. Man strebt an, dass die Rücklaufgeschwindigkeit sehr viel größer ist als die Schreibgeschwindigkeit bzw. die Rücklaufzeit t R sehr viel kleiner als die Schreibzeit t S. Um dies zu realisieren ist in allen en ein sog. Kippgerät eingebaut, um eine solche Sägezahnspannung für die Zeitablenkung zu erzeugen. Will man den Maßstab der Zeitachse verändern, so muss man die Schreibgeschwindigkeit t S ändern. Abbildung 1: Schematische Darstellung einer Sägezahnspannung 2.3 Triggerung Eine im eingebaute Auslösevorrichtung (der sog. Trigger) bewirkt, dass der Strahl in x Richtung erst beim Eintreffen des zu messenden Signals losläuft, anschlie- 3

4 ßend wieder in die Ausgangposition zurückkehrt und dort verharrt; es läuft also nur eine Sägezahnperiode ab. Der Strahl bleibt dann bis zum nächsten auslösenden Signal in der Ausgangsstellung. Dadurch erreicht man sowohl für periodisch wiederkehrende Signale (siehe Abbildung 2 linke Seite) als auch für Signale in statistischer Folge (siehe Abbildung 2 rechte Seite) stehende Bilder auf dem Leuchtschirm, wenn nur die Signale untereinander die gleiche Form haben. Das Bild zeigt den zeitlichen Verlauf eines Signals. Die Laufzeit t S des Strahls kann der Signaldauer jeweils angepasst werden. Erst der Beginn des nächsten Signals verursacht wieder ein Loslaufen des Kippgeräts. Dabei kann der sogenannte Triggerimpuls, der das Kippgerät anstößt, vom Messsignal selbst abgeleitet werden (interne Triggerung). Das Messsignal muss dazu einen bestimmten Spannungswert, den Triggerpegel überschreiten. Bei externer Triggerung wird dem von außen ein Triggerimpuls zugeführt, der gleichzeitig mit dem Messsignal auftritt oder in einer festen Zeitbeziehung zu ihm steht. Abbildung 2: Triggerung von Signalen - links in periodischer Folge - rechts in statistischer Folge. 2.4 Messmöglichkeiten Mit einem kann der zeitliche Verlauf einer Spannung U = f(t) bestimmt werden, man kann sich aber auch nur für U oder t interessieren, dann verwendet man das als Spannungsmessgerät oder als Uhr. Mit dem können auch Ströme gemessen werden, indem man die Spannung über einen bekannten Ohmschen Widerstand misst und daraus den Strom berechnet. Häufig reicht die zur Messung vorhandene Spannung nicht aus, den Kathodenstrahl genügend abzulenken. Deshalb wird die Messspannung zuerst in einem Breitbandverstärker verstärkt, bei dem der Verstärkungsfaktor in einem großen Frequenzbereich konstant ist. 4

5 Das im vorliegenden Versuch verwendete ist ein Zweikanaloszilloskop. Es kann zwei, in Zeit und Amplitude verschiedene Vorgänge nacheinander (alternating mode) oder durch vielfaches schnelles Umschalten der Kanäle innerhalb einer Ablenkperiode (chopping mode) aufzeichnen. 3 Aufgabe 1. Zeichnen Sie das Blockschaltbild eines einfachen s (in der Vorbereitung!) 2. Gegeben ist eine Kathodenstrahlröhre folgender Geometrie (siehe folgende Abbildung). Für eine bestimmte Anodenspannung U a berechne man die Ablenkung y auf dem Schirm, wenn man an die Ablenkplatte die Spannung U y anlegt. Geben Sie einen allgemeinen Ausdruck y = y(u y ) an. Wie groß ist die Ablenkempfindlichkeit c y = Y/U y? (In der Vorbereitung!) 3. Man suche die folgenden Bedienungselemente am und mache sich mit ihrer Handhabung vertraut (dazu steht auch die beiliegende Bedienungsanleitung zum HM 412 zur Verfügung): a) Y-Eingänge I, II: ˆ direkte (Gleichspannungs-) Kopplung DC ˆ Kapazitive Kopplung AC ˆ Empfindlichkeit der Y-Ablenkung (Amplitude I bzw. II) ˆ Y-Position I bzw. II b) X-Eingang: ˆ externe Steuerung über Y-Eingänge II (Hor. Ext.) 5

6 ˆ X-Position ˆ Empfindlichkeit der X-Ablenkung (X-Magn., 1-5fach; bei Messung immer auf 1 ) ˆ Schreibgeschwindigkeit (Timebase) c) Triggerung: ˆ Wahlschalter: intern / extern DC / extern AC ˆ Triggerpegel (Level, automatische Triggerung AT) ˆ Line (dient der Stabilisierung der Signale mit Netzfrequenz) ˆ Eingang für externe Triggerung d) Allgemein Einstellungen: ˆ Intensität ˆ Focus ˆ Taste Invert I ˆ Taste Mono / Dual ˆ Taste Alt / Chop (siehe Versuchsbeschreibung) Für alle folgenden Teilaufgaben sind die dazugehörigen Schaltskizzen ins Protokollheft einzutragen. 4. Aus einem Transformator gebe man 6 V Wechselspannung auf den Y-Eingang I. Durch passende Wahl von Schreibgeschwindigkeit, Triggerung (Line) und Amplitude bringe man das Bild zum Stehen. a) Wie groß ist die abgelesene Spannung? Erklären Sie die Differenz zwischen angelegter und abgelesener Spannung! b) Bestimmen Sie die Frequenz ν und Kreisfrequenz ω der Wechselspannung. 5. Mit Hilfe der zwei Kanäle des s bestimme man die Phasenbeziehung zwischen Wechselstrom und Wechselspannung eines Ohmschen Widerstands R (siehe folgende Abbildung links), eine Kondensators C (siehe folgende Abbildung Mitte) und einer Spule L (siehe folgende Abbildung rechts). Den Strom durch diese Bauelemente messe man indirekt über den jeweiligen Widerstand R I. Am sind die Tasten Dual, Chop und Invert I zu drücken. 6

7 Man skizziere die beobachteten Strom- und Spannungskurven und berechne aus den jeweils an YI und YII gemessenen Spannungen U I und U II den Widerstand R, die Kapazität C und die Induktivität L. Führen Sie eine Fehlerbetrachtung durch. Skizzieren Sie für die Meßanordnung a) bis c) das bild auch für den Fall, dass zusätzlich die Taste Hor. Ext. gedrückt ist und geben Sie jeweils eine kurze Erklärung zu den beobachteten Bildern. 6. Die Kennlinie I = f(u) einer Diode und einer Zenerdiode ist dynamisch mit dem aufzunehmen und auf Millimeterpapier zu übertragen (Messschaltung siehe folgende Abbildung). Abbildung 3: Schaltung zur Aufnahme einer Diodenkennlinie mit einem 7