Laborübung, Funktionsgenerator und Oszilloskop

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1 22. Februar 2016 Elektronik 1 Martin Weisenhorn Laborübung, Funktionsgenerator und Oszilloskop 1 Funktionsgenerator In dieser Aufgabe sollen Sie die Bedienung des Funktionsgenerators kennlernen und die Spannung mit einem Kopfhörer in hörbaren Schall wandeln. R i u q (t) u a (t) R L Funktionsgenerator Abbildung 1: Ersatzschaltbild des belasteten Funktionsgenerators. a) Die Ausgangsspannung des Funktionsgenerators hängt von dem Lastwiderstand R L ab, mit dem er belastet wird, siehe Abb. 1. Die Spannungsanzeige des FG kann diese Abhängigkeit berücksichtigen, vorausgesetzt, man teilt dem FG mit wie gross R L ist. Im Menü Utility ist eine entsprechende Einstellung möglich. Der Einfachheit wegen, verzichten wir auf diese Funktion. Anstattdessen lassen wir uns die Spitze-Spitze Spannung û der Quellspannung u(t) anzeigen. Zu diesem Zweck muss unter Utility der Widerstand auf den Wert R L = bzw. high Z eingestellt werden. b) Stellen Sie nun den FG so ein, dass er den in Abb. 2 dargestellten Spannungsverlauf erzeugt, wenn kein Lastwiderstand angeschlossen ist. Achten Sie auf den korrekten Spitze-Spitze Wert und die Periodendauer von 2 s.

2 Laborübung, Funktionsgenerator und Oszilloskop, Elektronik 1 2 u q (t) [V] 0.1 t [s] Abbildung 2: Rechteck förmige Spannung. c) Überprüfen Sie den Spannungsverlauf mit einem Voltmeter. d) Wenn Sie sichergestellt haben, dass der Spitze-Spitze Wert der Ausgangsspannung bei û = 0.2 V liegt und der Gleichanteil bei ū = 0 V liegt, können Sie den Kopfhörer mit dem Ausgang des Funktionsgenerator verbinden. Beobachten Sie was Sie hören. Erhöhen Sie die Frequenz langsam bis auf 10 khz. e) Ändern sie nun die Signalform von Rechteck auf cosinus-förmig und auf dreieck-förmig. Wie klingt ein rechteck-förmiges Signal im Unterschied zu einem cosinuss-förmigen Signal? 2 Oszilloskop In dieser Übung sollen Sie das Oszilloskop kennenlernen und es für die Messung von Spannungswerten und Signalfrequenzen einsetzen können. Ausserdem können Sie den angezeigten Kurvenverlauf mit dem entsprechenen akustischen Signal vergleichen. Bitte stellen Sie in diesem Versuch den Spitze-Spitze Wert der Spannung auf höchstens 1 V ein, um Ihr Gehör zu und den Kopfhörer zu schonen. Ein zu hohe Spannungen schädigt Ihr Gehör! a) Verbinden Sie den Ausgang des FGs mit dem Kanal 1 des Oszilloskops und betätigen Sie die Taste Auto Set. Dadurch werden die Einstellungen am Oszilloskop automatisch so gewählt, dass ein Signal sichtbar ist.

3 Laborübung, Funktionsgenerator und Oszilloskop, Elektronik 1 3 b) Stellen Sie nun die Frequenz am FG langsam so hoch, bis Sie das Signal gerade noch hören können. Beobachten Sie dabei den Signalverlauf am Oszilloskop. Wenn sie den Spitze- Spitze Wert der Spannung bis auf bis zu 1 V erhöhen, können Sie das Signal vielleicht noch bis zu einer höheren Frequenz hören. c) Lesen sie die Periodendauer vom Oszilloskop ab. Stimmt diese mit der am FG angezeigten Frequenz überein? Hinweis: Das Oszilloskop zeigt am unteren Rand zwei Werte an, eine Spannung und eine Zeit. Sie gelten für die Höhe, bzw. für die Breite eines Kästchens bzw. einer Division. 3 Messung am belasteten Funktionsgenerator In dieser Übung nutzen Sie Eigenschaften der Ersatzspannungsquelle um das Verhalten des Funktionsgenerators vorherzusagen. Nun soll der FG mit einem Widerstand von R L = 47 Ω belastet werden, siehe Abb. 1. Der Innenwiderstand des FG ist wie erwähnt gleich 50 Ω. a) Welche Spannung erwarten Sie am Ausgang der Schaltung? Rechnen Sie diese aus! b) Messen Sie nun die Ausgangsspannung mit dem Oszilloskop nach. Schliessen Sie nun den Widerstand entsprechend dem Schaltbild und mit Hilfe des Protoboards an. Dessen elektrische Verbindungen sind in Abb. 3 dargestellt. c) Die Spannung bricht also bei Belastung ein, so wie es die Spannungsteilerformel voraussagt. Was denken Sie, gilt derselbe Zusammenhang, wenn Sie am FG einen Gleichanteil von z.b. 2 V einstellen? Probieren Sie es aus! 4 AC- und DC- Kopplung In dieser Übung lernen Sie, die AC- und DC- Kopplung des Oszilloskops gezielt einzusetzen. Gegen Ende der Übung können sie damit den Gleichanteil einer Mischspannung am Oszilloskop darstellen. a) Entfernen Sie bitte den Kopfhörer vom FG, denn wir arbeiten nun mit einem Gleichanteil der den Kopfhörer zerstören könnte. Stellen Sie bitte am FG einen cos-förmigen Spannungverlauf mit 1000 Hz, ū = 2 V und û = 2 V ein. Verbinden sie den Ausgang des FG mit Kanal 1 Des Oszilloskops. b) Betätigen Sie die Taste Auto Set. Setzten Sie nun die Kopplung auf DC. Hinweis: Für die DC Kopplung drücken Sie Taste 1 und im Kontextmenü die Taste coupling bis die Einstellung DC erscheint.

4 Laborübung, Funktionsgenerator und Oszilloskop, Elektronik 1 4 Lesen Sie die Spitze-Spitze Spannung ab. Bestimmen Sie nun den Gleichanteil bzw. den Mittelwert der Spannung. Die Werte sollten mit denen übereinstimmen die Sie am FG eingestellt haben. c) Welchen Gleichanteil erwarten Sie, wenn Sie die AC-Kopplung verwenden anstatt der DC- Kopplung? Probieren Sie ob ihre Erwartung zutrifft! Verbinden Sie dazu die Spannung des FG auch noch mit dem Kanal 2 des Oszilloskops. Stellen Sie für Kanal 2 die Kopplung auf AC. Damit die beiden Signale von Kanal 1 (gelb) und Kanal 2 (blau) übersichtlich übereinander dargestellt werden, können Sie die Höhe der beiden Signale reduzieren, indem Sie an den grossen Rädern (Scale) unter den Tasten 1 und 2 drehen. Sie verändern dadurch die Sensitivität, bzw. den Messbereich der Kanäle, diese Funktion entspricht einem vertikalen Zoom. Die vertikale Lage der Signalverläufe lässt sich durch die kleinen Räder oberhalb der Tasten 1 und 2 (Position) einstellen. Bestimmen Sie nun den Gleichanteil aus dem Signalverlauf von Kanal zwei. Stimmt das Ergebnis mit Ihrer Erwartung überein? Bei verwendeter AC-Kopplung wird nur der Wechselanteil gemessen, während der Gleichanteil unterdrückt wird. d) Nun soll der Gleichanteil nicht mehr durch Überlegung bestimmt sondern indirekt mit Hilfe der Mathematik-Funktion CH1-CH2 gemessen werden. Überlegenen Sie sich einen Messaufbau. Wenn Sie nicht weiterkommen können Sie hier weiterlesen. Lösung: Messen Sie dazu wie bisher mit Kanal 1 die Mischspannung u(t) indem Sie die DC Kopplung wählen und mit Kanal 2 den AC-Anteil von u(t) als nur den Wechselanteil u w (t). Nachdem die Signale richtig auf dem Bildschirm dargestellt sind, Drücken Sie die MATH- Taste und wählen Sie im Kontextmenü Operation CH1-CH2 aus. Die rot dargestellte Kurve sollte nun u(t) u w (t) = ū(t) sein und damit den Gleichanteil darstellen. Verändern Sie den Gleichanteil am Funktionsgenerator und überprüfen Sie ob der am Oszilloskop angezeigte Wert korrekt ist. 5 Trigger: Messung nicht periodischer Vorgänge Das Schliessen eines Schalters oder das Herstellen einer elektrischen Verbindung ist ein simpler Vorgang. Dennoch lässt sich noch etwas darüber lernen, wenn man ein Oszilloskop zur Verfügung hat. Weil es sich nicht um einen periodischen sondern um einen einmaligen Vorgang handelt, muss das Oszilloskopbild gespeichert werden. Ausserdem muss dem Oszilloskop mitgeteilt werden wann es mit der Aufzeichnung beginnen soll. Dies geschiet über die Trigger Einstellungen die in der folgenden Anleitung Schritt für Schritt beschrieben werden.

5 Laborübung, Funktionsgenerator und Oszilloskop, Elektronik 1 5 Signalquelle einrichten. Stellen Sie am Labornetzgerät eine Spannung von 5 V ein und verbinden Sie es über einen Schalter mit dem Kanal 1 des Oszilloskops. Schalten Sie ein und stellen Sie die Spannung am Oszilloskopschirm dar, indem Sie die vertikale Position und die Sensitivität (Scale) geeinget wählen. Trigger einstellen. Stellen Sie den Trigger-Eingang des Oszilloskops auf Kanal 1, indem Sie im Triggermenü durch Wahl der Taste Trig Menu das Kontextmenu aktivieren. Wählen Sie source CH1 d.h. Kanal 1 als Triggerquelle, slop positive d.h. auf die positive Flanke und mode normal d.h. Triggerung nur auf ein Triggerereignis. Wählen Sie den Trigger Level mit dem Rad Trigger Level zwischen 0 und 5 V. Trigger Scharf machen. Stellen Sie nun den Trigger mit der Taste Run/Stop auf Running. Nun ist der Trigger scharf. Jedesmal wenn die Spannung an Kanal 1 den Trigger Level mit positiver Flanke durchwandert, wird das Signal von Kanal 1 und von Kanal 2 aufgezeichnet und angezeigt. Experiment. Öffnen und schliessen Sie also den Schalter und experimentieren Sie. Wählen Sie mit dem Grossen Rad Scale im Feld Horizontal die Zeitbasis (Zoom in horizontaler Richtung) und wiederholen Sie den Schaltvorgang erneut. Es sollte ein Einschaltvorgang sichtbar sein, bei dem die Spannung erst ansteigt dann abfällt und später wieder ansteigt... D.h. sie beobachten das Prellen des Schalters.

6 Laborübung, Funktionsgenerator und Oszilloskop, Elektronik 1 6 Abbildung 3: Elektrische Verbindungen am Protoboard.