Vorbereitung und Protokoll zum Praktikum Elektronische Messtechnik

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1 Technische Universität Chemnitz Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Professur für Mess- und Sensortechnik Vorbereitung und Protokoll zum Praktikum Elektronische Messtechnik Versuch: Digitalspeicheroszilloskop (DSO) Versuchstag: Laborgruppe: Ruggaber, Andreas Trommer, Henry Trommer, Thomas Zschiegner, Norman Betreuer: Dr. Rößler Signum/Bemerkung:... Thomas Trommer & Norman Zschiegner 1

2 Aufgaben zur Versuchsvorbereitung 1. Ein DSO stellt technisch die Erweiterung eines Standart-ESO mit speziellen Baugruppen dar die, die digitale Signalverarbeitung realisieren. Welche Funktionseinheiten werden gleichermaßen für die analoge wie für die digitale Signalverarbeitung genutzt? Gemeinsamkeiten: - Messverstärker - Triggerverstärker - X,Y Ablenkung - Elektronenstrahlröhre Die Signalverstärkung erfolgt durch den Messverstärker, danach wird bei einen ESO das abgetastete Signal sofort mittels X,Y - Ablenkung auf der Elektronenstrahlröhre ausgegeben, und beim DSO werden die analogen Werte zuerst in digitale Werte umgewandelt um sie zwischenzuspeichern und danach wieder umgewandelt um sie schließlich ebenfalls auf der Elektronenstrahlröhre darstellen zu können (Y- Ablenkung). Das nötige Taktsignal dazu liefert der Triggerverstärker (Zeitablenkgenerator), der die X-Ablenkung in beiden Fällen steuert. 2. Um bei der Messung eines periodischen Signals ein stehendes Bild zu erreichen, muss eine definierte Beziehung zwischen Messspannung und Zeitbasis hergestellt werden. Mit welcher Einrichtung wird dies ermöglicht? Erklären Sie die Funktionsweise. Triggereinheit (Zeitablenkgenerator): Es muss immer der selbe Signalausschnitt erfasst werden. Um dies zu erreichen, wird die Größe und die Steigung der an den y-platten liegenden Spannung durch die im Steuerteil enthaltene Triggereinheit überwacht. Bei einem ausgewählten Wertepaar liefert die Triggereinheit einen Impuls, der den Sägezahngenerator und damit die Zeitablenkung startet. Während des Laufs des Sägezahngenerators bleiben neue Triggerimpulse ohne Wirkung. Beim nächsten Triggerimpuls wird das zweite Bild genau über das erste geschrieben, geht das schnell genug entsteht der Eindruck eines stehenden Bildes. Thomas Trommer & Norman Zschiegner 2

3 3. Skizzieren Sie die Schirmabbildung eines aperiodischen Impulssignals, dessen Impulsdauer T nicht konstant ist und im Bereich +1/2T statistisch schwankt. 4. Erklären Sie die Begriffe Triggerquelle, Triggermode und Triggerkopplung! Nennen Sie Beispiele und erklären Sie die Wirkungsweise! Triggerquelle : Herkunft der Spannung zur Triggerung Triggermode: drei Arten (automatische- und normale Triggerung bzw. einmalige Zeitablenkung) automatische Triggerung: fast immer stabile Darstellung ur möglich, wenn Messsignal bestimmten Triggerpegel erreicht und seine Frequenz größer als die vom Hersteller angegebene untere Grenzfrequenz ist normale Triggerung: Triggersignal muss vorhanden sein Vorgänge, deren Frequenz kleiner ist als die untere Grenzfrequenz der automatischen Triggerung, sind triggerbar triggern von Impulsfolgen mit kleinem Tastverhältnis Triggerung von Mehrkanaldarstellungen Einmalige Zeitablenkung: Benutzt für nichtperiodische Vorgänge oder Signale mit veränderlicher Amplitude Triggerkopplung : Art des Anschlusses der Triggerquelle (Gleich- bzw. Wechselspannung) Gleichspannung: alle Komponenten vom Gleichanteil bis zur Grenzfrequenz werden zur Triggerung genutzt Thomas Trommer & Norman Zschiegner 3

4 Wechselspannung: entweder breitbandige Übertragung oder Kopplung mit Hoch- und Tiefpässen zur Unterdrückung nieder- und hochfrequenter Signale zur Triggerung 5. Ein entscheidender Qualitätsparameter eines Oszi ist die Bandbreite des Messverstärkers. Erklären Sie die wichtigsten Kennwerte des Messverstärkers. - geringe Strom- bzw. Leistungsaufnahme aus dem Messkreis (hoher Eingangswiederstand) - ausreichend Ausgangsleistung - geringe Abweichungen im Frequenzgang - geringes thermisches Rauschen - Unempfindlichkeit gegen Störspannungen und Betriebsspannungsschwankungen 6. Das Messsignal gelangt von der Eingangsbuchse (BNC) über einen Umschalter zum Messverstärker. Dieser Umschalter hat drei Stellungen GND, AC und DC. Was bedeuten die Bezeichnungen? Erklären Sie Zusammenhänge und Wirkungsweise! GND: engl. Ground => Masse AC: Wechselspannung DC: Gleichspannung Das Eingangssignal kann direkt, also gleichspannungsmäßig angekoppelt werden (DC-Kopplung). Dabei werden die Gleich- und Wechselspannungsanteile des Signals übertragen. Bei der Wechselspannungsankopplung oder AC-Kopplung werden die Gleichspannungsanteile mit einem zwischengeschalteten Kondensator (oder seltener mit einem Überträger) von der Signalverarbeitung abgetrennt. Die von dem kapazitiven Widerstand verursachte untere Grenzfrequenz ist bei der Messung von Niederfrequenzsignalen und langsamen Änderungen zu berücksichtigen. Beim Oszilloskop gibt es meist einen zusätzlichen GND Eingang. Dort wird für absolute Messungen das Null- oder Massepotential als Referenzwert gebraucht. Der Eingang des Vorverstärkers wird von der Eingangsbuchse abgetrennt und intern auf das Massepotential gelegt. Auf dem Bildschirm wird dann die Nulllinie dargestellt. Thomas Trommer & Norman Zschiegner 4

5 7. Wie groß muss die Bandbreite des Messverstärkers mindestens sein, wenn ein Rechtecksignal noch annähernd formgetreu abgebildet werden soll? Wie groß muß sie sein für eine genaue Messung der Impulsanstiegs- bzw. Abfallszeit? mindest Bandbreite: Bandgrenze muss kleiner als die halbe Abtastfrequenz sein für genaue Messung: Bandbreite =1/50 der Abtastfrequenz 8. Im Messverstärker ist eine Signalverzögerungseinrichtung eingebaut, die im allgemeinen als Verzögerungsleitung ausgebildet ist. Was wird damit erreicht? Die Verzögerungseinrichtung überbrückt die Zeit die, die Triggereinheit zum Erkennen des Signals und zum Starten des Ablenkvorganges benötigt, um z.b.: steile Signalflanken darstellen zu können. 9. Die Abbildung steiler Signalflanken zeigen oft Überschwingerscheinungen, die nicht dem wahren Signalverlauf entsprechen. Nennen Sie einige mögliche Ursachen dafür. Das Überspringen spiegelt den Einschwingvorgang nach einem Sprungvorgang wieder. Meist verursachen Resonanzerscheinungen im Übertragungssystem diese gedämpften Schwingungen nach Anstieg und/oder Absinken an den Impulsflanken. Die Überhöhung der Amplitude klingt nach einer Beruhigungszeit ab und erreicht einen Stationären Zustand. 10. Wie groß ist der Eingangswiderstand eines Standardoszilloskopes? Standarteingangswiderstand: 1 Megaohm 11. Als Zubehör zu einem Oszilloskop gibt es verschiedene Tastteiler. Wozu dienen diese? Erklären Sie die Wirkungsweise. Welchen Einfluss nehmen sie auf das gesamte Meßsystem? Dienen zur Verringerung der Rückwirkung des Messgerätes auf die zu messende Größe. Sie führen nur einen Bruchteil der Messspannung an das Oszilloskop. Thomas Trommer & Norman Zschiegner 5

6 12. Die Arbeitsbereiche der Zeitbasis sind ebenso wie der Einstellbereich des Eingangsabschwächers des Messverstärkers kalibriert. Nennen Sie die üblichen Standardbereiche und unter welcher Voraussetzung sind sie gültig? Zeitbasis: - X-MAGN 32 - X-MAGN 16 - X-MAGN 8 - X-MAGN 4 - X-MAGN 2 - X-MAGN Zur Erhöhung der Zeitauflösung ist i.a. eine Dehnung um den Faktor 5 oder 10 möglich bzw. bei DSO sind die Dehnungsfaktoren vielfach Potenzen von 2, z.b. 2, 4, 8, 16, 32. Erklären Sie das Wirkprinzip für die Analogtechnik und für die Digitaltechnik! Bei DSO s wird der Zeitbereich durch Anordnung mehrerer Punkte pro Zeitabschnitt erreicht. Die Potenzen entstehen durch das Binärsystem des Speichers. 14. Die Bestimmung der Frequenz eines Messsignals ist prinzipiell mit der einstellbaren Zeitbasis des Oszi möglich. Eine wesentlich höhere Genauigkeit wird jedoch mit Hilfe eines genauer ablesbaren Vergleichsgenerators erreicht, indem die Frequenzbestimmung durch die Abbildung Lissajousscher Figuren erfolgt. Welche technische Voraussetzung am Oszi ist für diese Meßmethode erforderlich? Skizzieren Sie eine Lissajoussche Figur bei der das Frequenzverhältnis x:y = 3:2 ist. Auf dem Bildschirm bewegt sich diese Figur. Was ist die Ursache dafür? An das Oszilloskop werden im X-Betrieb an die beiden Eingänge die Spannungen u x und u y gelegt. Haben deren Frequenzen ein bestimmtes ganzzahliges Verhältnis zueinander, entstehen als Oszillosgramm charakteristische Schwingungsbilder, sogenannte Lissajous-Figuren. Die Spannung u y mit der Frequenz f y lenkt in vertikaler Richtung ab und führt zu den oberen bzw. unteren Kuppen der Figur. Gleichzeitig lenkt die Spannung u x mit der Frequenz f x in horizontaler Richtung ab und erzeugt die seitlichen Kuppen des Oszillogramms. Zur Auswertung zählt man die horizontalen und vertikalen Kuppen: Thomas Trommer & Norman Zschiegner 6

7 Lissajous Figur x:y=3:2 (bewegt) 15. Auch zur Phasenmessung wird die gleiche Methode genutzt, indem eine grafische Ermittlung der Amplituden in x-und y-richtung aus der Lissajousfigur erfolgt und über die bekannte trigonometrische Beziehung der Phasenwinkel berechnet werden kann. Der Phasenwinkel ist jedoch vorzeichenbehaftet. Wie ist es möglich das Vorzeichen zu bestimmen? a b a ϕ = arcsin b 16. Was ist mit dem Begriff "Z-Modulation" im Rahmen der Oszi- Messtechnik gemeint? Wozu dient sie? Wie ist das Wirkprinzip? Die Z-Modulation dient zur externen Helligkeitssteuerung. Über einen speziellen (Z-)Eingang kann die Spannung am Wheneltzylinder der Elektrodenstrahlröhre geändert und damit die Helligkeit des Leuchtflecks moduliert werden. Vielfach werden damit Zeitmarken durch Aufhellung oder Verdunklung in das Oszillogramm eingeblendet. Thomas Trommer & Norman Zschiegner 7

8 17. Unter der Bezeichnung Oszilloskop wird im allgemeinen ein Universaloszilloskop verstanden, wie es für fast alle Aufgaben in der Messtechnik verwendet wird. Jedoch eine Vielzahl von Spezialmessgeräten basieren auf diesem Wirkprinzip. Für Messprobleme der NF- und HF-Technik wurde speziell das Wobbelmessverfahren entwickelt. Erklären Sie das Grundprinzip. Messverfahren zur unmittelbaren Darstellung des Frequenzgangs eines Vierpols mit dem Oszilloskop. Beim Wobbelmessverfahren wird mittels Frequenzmodulation eines Generators eine periodische wiederkehrende Frequenzänderung einer Messspannung an das Messobjekt (Vierpol) gegeben. Diese Frequenzänderung wird von der Sägezahnspannung (Kippspannung) des Oszilloskops gesteuert. Der dabei entstehende Amplitudenverlauf wird am Oszilloskop als Kurve dargestellt. 18. Was ist unter der Angabe "60 MHz Echtzeit-Oszilloskop" zu verstehen? Obergrenze der Bandbreite = 60 MHz 19. Moderne Oszilloskope sind mit wenigstens zwei Messkanälen ausgerüstet. Erklären Sie die Wirkungsweise solcher Geräte für den analogen Betriebsfall und für den Digitalbetrieb! analog: - Abtasten und Ausgeben der Signalwerte nacheinander digital: - gleichzeitige Messung der Signale - von Speichertiefe begrenzt - Darstellung aus dem Speicher 20. Für das Wirkprinzip eines DSO ist das Abtasttheorem (Shannonsches Abtasttheorem oder auch Nyquist-Bedingung) von grundsätzlicher Bedeutung. Erklären Sie das Theorem und stellen Sie den Zusammenhang mit der Signalabtastung in einem DSO dar. Das Abtasttheorem besagt, dass die Abtastfrequenz mehr als doppelt so groß wie der höchste im Signal enthaltene Frequenzanteil sein muss, damit das im Signal rekonstruierbar ist. Thomas Trommer & Norman Zschiegner 8

9 Ab ca. 50 Abtastungen je Periode unterscheidet sich das rekonstruierte Signal kaum noch vom Original. 21. Bei Verletzung des Abtasttheorems entstehen durch Überschneidung der Frequenzspektren (Messsignalspektrum und abgetastetes Messsignalspektrum) sehr störende Verzerrungen. Durch welche schaltungstechnischen Maßnahmen kann dies verhindert werden. Durch Anti-Aliasing-Filter (sehr steile Tiefpässe mit > 40db/Dekade) wird die Bandbegrenzung gesichert. 22. Ein DSO mit den Kennwerten 60MHz Bandbreite und einer Abtastrate von 40MS/s ist gegeben. Welche Impulsanstiegszeit kann noch fehlerfrei im analogen Betrieb und im Digitalbetrieb gemessen werden? Analog: t r >=8*T a t r >=8*1/60 MHz t r >= 133 ns Digital: t r >=8*T a t r >=8*1/40 MS/s t r >= 200 ns Versuchsdurchführung 1. Machen Sie sich mit der allgemeinen Handhabung und Bedienung des Ozilloskopes vertraut. 2. Spannungsmessung Einstellungen am DSO: - Digital Memory Einstellungen. am FG: - Funktion: SIN CONT FRQ= MHz LEV=1.-00V DSO: - AUTOSET - LOCK - X-MAGN auf 32 schalten (entspricht TB=313ns/DIV) Thomas Trommer & Norman Zschiegner 9

10 Was sehen Sie auf dem Bildschirm? Wie kommt diese Abbildung zustande? Auf dem Bildschirm ist eine sinusförmige Schwingung abgebildet, diese ist, deutlich erkennbar, aus einzelnen Punkten aufgebaut die durch das Dot-Join Verfahren miteinander verbunden sind. f=1mhz DSO: - Schalten Sie auf Analogbetrieb um. - TB = 0,2 µs/div Welchen Unterschied erkennen Sie? Im Analogbetrieb sind keine Abtastpunkte mehr erkennbar. DSO: FG: - Digital Memory - Lock auf Abtasten schalten - 2 MHz Schalten Sie die Frequenz in 1 MHz Schritten bis 10 MHz durch, halten Sie die Abtastung mit Lock jeweils an und beurteilen Sie die Abbildungen. Skizzieren Sie gegebenenfalls eine der Abbildungen und erklären Sie den Zusammenhang mit dem Abtasttheorem von Nyquist. Wie viel Abtastungen pro Signalperiode halten Sie für erforderlich, um die Signalform noch eindeutig darstellen zu können? Thomas Trommer & Norman Zschiegner 10

11 f=2mhz f=5mhz f=7mhz Bei 2 MHz ist das abgetastete Signal gerade noch erkennbar. Bei Frequenzen die darüber liegen ist kein klarer Signalverlauf mehr erkennbar. Wir erachten daher 10 Abtastwerte pro Periode als unterste Grenze. Thomas Trommer & Norman Zschiegner 11

12 3. Cursormessung Einstellungen am FG: - SIN CONT FRQ= LEV=1.00V DSO: - AUTOSET - TB=40 µs, A=0,2V/DIV - Lock Messen Sie mit der Cursor-Funktion des abgebildeten Signals! Was stellen Sie fest? Diskutieren Sie die Zusammenhänge! Die Cursormessung ergibt eine Frequenz von 10 khz, entspricht: 20 MHz 10 khz = 19,99 MHz. Bei der Cursormessung kommt das Äquivalenzzeit Abtastverfahren zum Einsatz. Dabei werden die Datenpunkte aus mehreren aufeinanderfolgenden Perioden bestimmt. Durch dieses Verfahren können also viel höhere Frequenzen analysiert werden als beim Echtzeit Abtastverfahren. Thomas Trommer & Norman Zschiegner 12