Elektrische Mess- und Prüftechnik Laborpraktikum. Abgabe der Auswertung dieses Versuchs ist Voraussetzung für die Zulassung zum folgenden Termin

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1 Fachbereich Elektrotechnik / Informationstechnik Elektrische Mess- und Prüftechnik Laborpraktikum Abgabe der Auswertung dieses Versuchs ist Voraussetzung für die Zulassung zum folgenden Termin Versuch 2015-C ET(BA) WS 2015/2016 Oszilloskop Set:... Studienrichtung:... Teilnehmer: Testat:... Verantwortlicher: Herr Möschwitzer... Datum: Unterschrift 1 Aufgabenstellung Ziel dieses Versuches ist die Diskussion der physikalischen und technischen Grenzen welche eine Vergrößerung der Bandbreite von Oszilloskopen erschweren bzw. verhindern. Die Notwendigkeit der Frequenzkompensation in Tastköpfen wird betrachtet und Maßnahmen zur Verringerung der kapazitiven Belastung des Messobjektes untersucht. Weiterhin lernen Sie die Möglichkeit kennen, mit dem bereitgestellten Signalgenerator verschiedene Arten der Modulation eines Trägersignals zu erzeugen und messtechnisch zu nutzen. Als Möglichkeit der Darstellung der Kurvenform von Signalen mit einer Frequenz weit oberhalb der Bandbreite des Oszilloskops wird die Anwendung des Sampling-Prinzips untersucht. Mittels der Frequenzmodulation im Betriebsmodus VCG (Voltage Controlled Generator) wird untersucht wie Gleichspannungen in Frequenzen umgesetzt werden um weiter durch eine zeitlich veränderbare Steuerspannung die Frequenzmodulation einer kontinuierlichen Trägerschwingungen zu erreichen. Ein praktischer Anwendungsfall ist die Darstellung von Übertragungsfunktionen von elektronischen Schaltungen mittels "Wobbeln". Vers-C.docx Prof. A. Richter Seite 1

2 2 Versuchsvorbereitung 2.1 Aus welchen Baugruppen besteht ein Oszilloskop (Blockschaltbild)? 2.2 Was ist die Bandbreite eines Oszilloskops und welche Testsignale sind für die Ermittlung der Bandbreite des Oszilloskops geeignet? 2.3 Was verstehen Sie unter Triggern? 2.4 Warum werden bei bestimmten Messungen mit dem Oszilloskop Tastteiler verwendet? 2.5 Erläutern Sie den Begriff der Frequenzkompensation? Wie wird diese im 10:1 Tastteiler eines Oszilloskops realisiert? 2.6 Welche ohmschen und kapazitiven Belastungen des Messobjektes treten beim Messen mit dem Oszilloskop auf, wie wirken diese und wie kann man sie verringern? 2.7 Erläutern bzw. erklären Sie den Begriff: Sampling"! Worin liegen die Vorteile der Sampling-Messtechnik? Wie funktioniert das Prinzip der Frequenztransformation und welche Unterschiede bestehen zwischen real-time-sampling, equivalent-sampling und random-sampling? 2.8 Welche Forderungen ergeben sich aus dem Abtasttheorem von Shannon, damit die abgetasteten Signale wieder rekonstruiert werden können? 2.9 Leiten sie die Formel für die Ausgangsfunktion u = u(t) her, wenn sie eine Trägerschwingung (t) û sin( t) mit einer niederfrequenten Sinusschwingung (t) u û sin( t) in der u1 1 1 u2 2,0 2 2 Amplitude modulieren (Amplitudenmodulation). Dabei soll gelten: , (U 2,0 : Offsetspannung). 3 Versuchsdurchführung 3.1 Frequenzkompensation des Eingangsteilers a) Ermitteln Sie durch Reverse Engineering die Schaltung der wirksamen Bauelemente des vorgegeben, aufgeschnittenen Tastteilers und bestimmen Sie deren Parameter. b) Führen Sie die Frequenzkompensation der vorgegebenen neuen Tastteiler praktisch durch! Benutzen Sie dazu die im Oszilloskop vorhandene Kalibrierquelle. c) Verlängern Sie nach erfolgter Frequenzkompensation das Koaxialkabel zwischen Tastkopf und Oszilloskop um etwa 50 cm. Ist eine erneute Kompensation erforderlich? Wenn ja ist sie möglich? Begründen Sie Ihre Antwort! 3.2 Bestimmung der Bandbreite des eingesetzten Oszilloskops. a) Ermitteln Sie aus der Sprungantwort die obere Grenzfrequenz des Oszilloskops (Tastkopf + Eingang des Oszilloskops). Hinweis: Verwenden Sie statt der Zeitkonstante (die bei der mathematischen Behandlung der Sprungantwort eingeführt wurde) die Anstiegszeit T Anstieg. Es gilt: 0,35 T Anstieg f Grenz Leiten Sie sich diese Formel her. Vers-C.docx Prof. A. Richter Seite 2

3 Vers-C.docx Prof. A. Richter Seite 3

4 b) Ermitteln Sie bei Wechselspannungskopplung ( AC ohne 10:1 Tastkopf ) die untere Grenzfrequenz des Oszilloskops aus der Dachschräge einer auf dem Oszilloskopschirm dargestellten Rechteckspannung! Überlegen Sie, bei welcher Einstellung des Oszilloskops eine untere Grenzfrequenz f g,u >0Hz nachzuweisen ist. Hinweis: Die Dachschräge D ist definiert als Amplitudenabfall während der Impulsdauer. Es gilt: f u f D 1 e wobei Die Herleitung dieser Formel erhalten Sie als Aufgabe in den Übungen zur Elektrischen Messtechnik. D U U max 3.3 Simulation eines Sampling-Oszilloskops a) Simulieren Sie die Wirkungsweise eines Sampling-Oszilloskops, indem Sie mit dem Signalgenerator zunächst Rechteck - Pulse mit einem möglichst kleinem Tastverhältnis erzeugen und diese auf dem Oszilloskop darstellen. b) Überprüfen Sie experimentell das Theorem von Shannon, indem Sie eine Sinus-Schwingung von 1kHz mit Hilfe der unter a) erzeugten Rechteckpulse abtasten. Anmerkung: Der Signalgenerator besitzt die Möglichkeit die Amplitude des erzeugten Ausgangssignals durch ein internes Sinussignal von ca. 1 khz zu modulieren. Dadurch wird die abgetastete 1kHz-Sinus- Schwingung praktisch punktweise dargestellt. c) Stellen Sie die Schirmbilder für die Tastfrequenzen von 500 Hz, 1 khz, 2 khz und 10 khz nacheinander auf dem Oszilloskop dar und Skizzieren Sie auch diese Oszillogramme im Versuchsprotokoll! Diskutieren Sie die Ergebnisse im Hinblick auf das Shannon-Theorem und die Anwendbarkeit dieser Methode bei Sampling-Oszilloskopen. 3.4 Amplitudenmodulierte Schwingung a) Bilden Sie auf dem Oszilloskop eine unmodulierte Trägerschwingung u(t) û sin( t) ab. Beobachten Sie auf dem Oszilloskop den Einfluss einer dem Generator extern (Rückseite des Gerätes) zugeführten Gleichspannung von 5V<U<+5V auf die dargestellte Trägerschwingung. Überlegen Sie, welchem externen Eingang des Signalgenerators Sie die Gleichspannung zuführen müssen. Skizzieren sie vor der Messung das Blockschaltbild für diese Aufgabe! b) Bilden Sie eine mit 1 khz amplitudenmodulierte Trägerschwingung u(t) û sin( t) ab. Benutzen Sie dazu die interne 1kHz-Sinusquelle des Signalgenerators. Was muss am Generator eingeschaltet werden? Beobachten Sie auf dem Oszilloskop den Einfluss der Amplitude der 1kHz-Schwingung auf die Amplitude der Trägerschwingung! Skizzieren Sie das Bild im Protokoll! c) Diskutieren Sie Ihre Beobachtungen aus a) und b) im Protokoll. 3.5 Frequenzmodulierte Schwingungen Bilden Sie auf dem Oszilloskop eine unmodulierte Trägerschwingung u(t) û sin( t) ab. Beobachten Sie auf dem Oszilloskop den Einfluss einer dem Signalgenerator extern (Rückseite des Gerätes) zugeführten Gleichspannung von -10V< U = <+10V auf die dargestellte Trägerschwingung. Überlegen Sie, welchem externen Eingang des Signalgenerators die die Gleichspannung zuführen müssen. Skizzieren Sie vor der Messung das Blockschaltbild für diese Aufgabe. Nehmen Sie den Verlauf der Frequenz f der Ausgangsspannung des Generators als Funktion der dem Generator zugeführten Gleichspannung U =, f = f (U = ) auf! Stellen Sie hierzu bei U = =0V eine geeignete Frequenz f im khz-bereich am Generator ein. Verändern Sie die Gleichspannung U = im Bereich von -10 V<U = <+10V und skizzieren Sie Ihre Ergebnisse in einem Diagramm. Welcher Gleichspannungsbereich ist für die Frequenzmodulation ausnutzbar? Vers-C.docx Prof. A. Richter Seite 4

5 3.6 Wobbeln als Methode zur einfachen messtechnischen Darstellung des frequenzabhängigen Übertragungsverhaltens von elektronischen Bauteilen und Baugruppen a) Überlegen und notieren Sie nach der Durchführung von Aufgabe 3.5 welche Auswirkungen das Anlegen einer zeitabhängigen Sägezahnspannung am externen Eingang des Signalgenerators hätte! Beim Wobbelverfahren wird die Frequenz der Ausgangsspannung des Signalgenerators zeitlich periodisch in vorgegebenen Grenzen automatisch (und meist linear mit der Zeit) geändert. Mit Hilfe eines Oszilloskops wird dann die Ausgangsspannung eines Bauteils oder einer Baugruppe nach Anregung durch das Signal des Generators dargestellt. Überlegen und notieren Sie, wie Sie das Oszilloskop beschalten müssen und in welchem Modus (Zeit-Ablenkung) es zu betreiben ist, um eine Information über das Amplitudenverhalten der zu untersuchenden Spannung als Funktion der (Anregungs-) Frequenz zu erhalten! Machen Sie vor dem Versuch eine Schaltskizze und bezeichnen die Eingänge des Oszilloskops. Benutzen Sie an Stelle einer modulierenden Sägezahn-Zeitfunktion (Rampenfunktion) am VCG - Eingang die interne Sweep -Funktion des Signalgenerators zur Erzeugung des für das Wobbeln notwendigen zeitlich periodischen Frequenzhubes. b) Nehmen Sie nach dem Wobbelverfahren die Amplituden-Frequenz-Kennlinie von verschiedenen Versuchsbauteilen (Kondensator, Widerstand) auf und dokumentieren Sie diese im Protokoll! c) Bauen Sie einen variablen Hochpass 1. Ordnung (RC-Glied) auf. Nehmen Sie die Amplituden- Frequenz-Kennlinie mit Hilfe des Wobbelverfahrens auf und dokumentieren sie diese bei einer Einstellung des Kondensators im Protokoll. Dokumentieren Sie auch die Schaltung incl. Oszilloskop und Signalgenerator. Bestimmen Sie näherungsweise den Bereich, in dem Sie die Grenzfrequenz der Schaltung mit Hilfe des Dreh-Kondensators verstellen können. d) Bauen Sie einen variablen Tiefpass 1. Ordnung (RC-Glied) auf. Nehmen Sie die Amplituden-Frequenz- Kennlinie mit Hilfe des Wobbelverfahrens auf und dokumentieren sie diese bei einer Einstellung des Kondensators im Protokoll. Dokumentieren Sie auch die Schaltung incl. Oszilloskop und Signalgenerator. Bestimmen Sie näherungsweise den Bereich, in dem Sie die Grenzfrequenz der Schaltung mit Hilfe des Dreh-Kondensators verstellen können. e) Bauen Sie einen Schwingkreis mit Hilfe der zur Verfügung gestellten Bauteile auf. Nehmen Sie die Amplituden-Frequenz-Kennlinie mit Hilfe des Wobbelverfahrens auf und dokumentieren sie diese bei einer Einstellung des Kondensators im Protokoll. Dokumentieren Sie auch die Schaltung incl. Oszilloskop und Signalgenerator. Bestimmen Sie näherungsweise den Bereich, in dem Sie die Resonanzfrequenz der Schaltung mit Hilfe des Dreh-Kondensators verstellen können. Wie können Sie die Güte des Schwingkreises verändern? f) Entnehmen Sie in einem letzten Schritt den Kondensator aus der Schaltung des Schwingkreises und interpretieren Sie das Oszillogramm. Vers-C.docx Prof. A. Richter Seite 5

6 4. Literaturhinweise: Richter Grundlagen der elektrischen Messtechnik Verlag Technik Berlin 1988 Käs; Pauli Mikrowellentechnik Franzis-Verlag München 1991 Meyer, G. Oszilloskope; Hüthig-Verlag, Heidelberg 1989 Tränkner, H.-R. Taschenbuch der Messtechnik; Oldenbourg, München. Wien 1990 Schmusch, Wolfgang Elektronische Messtechnik ; Vogel Buchverlag; 5. Auflage 2001 ISBN Hoffmann, Jörg Taschenbuch der Messtechnik ; 3. Auflage Fachbuchverlag Leipzig; 2002 ISBN Vers-C.docx Prof. A. Richter Seite 6

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