Labor Mess- und Elektrotechnik

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1 Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften Fakultät Elektrotechnik Labor Mess- und Elektrotechnik Laborleiter: Prof. Dr. Laborbetreuer: Versuch 2: Messen mit Analog- und Speicher-Oszilloskopen 1. Teilnehmer: Matrikelnr.: 2. Teilnehmer: Matrikelnr.: Datum Durchführung Gruppen- Kennzeichen Tln. Vorbereitung Durchführung Bericht Gesamtnote 1 2 Der Laborbericht soll auch bzgl. formaler Mängel durchgesehen und bewertet werden: ja nein Lernziele: Sichere Anwendung eines analogen Oszilloskops im Zweikanalbetrieb. Anwendung der Grundfunktionen eines Speicher-Oszilloskops. Messung periodischer Spannungen und Ströme mit einem Oszilloskop. Verständnis der Bedeutung und der praktischen Messung des Klirrfaktors. Der Umfang des Laborberichtes für die Teilversuche 1 und 2 darf auf keinen Fall 10 Seiten überschreiten. Die Durchführung der Teilversuche 1 und 2 soll höchstens 2 Stunden dauern. 1 Darstellung periodischer Zeitfunktionen mit einem analogen Zweikanal-Oszilloskop V 1.1: Arbeiten Sie [1] durch und beantworten Sie die folgenden Fragen. Die Fragen beziehen sich konkret auf das im Labor verwendete Analog-Oszilloskop Hameg HM [2]. Geben Sie bei jeder Antwort Ihre Informationsquelle an. Es reicht nicht aus, wenn Sie Informationen aus einer Quelle wörtlich zitieren. Die Antworten müssen den Einfluss der Bedienelemente auf die Funktionsweise des Oszilloskops klar machen. a) Welche Funktion haben die Drucktasten AC/DC und GD? b) Welche Funktion hat der Schiebeschalter TRIG. MODE (nur Stellungen AC und DC)? c) Welche Funktion hat die Drucktaste SLOPE? d) Welche Funktion hat der Drehknopf LEVEL und wann ist er nur wirksam? V 1.2: In Bild 1.1 ist eine Einweg-Gleichrichterschaltung mit Sinusspannungsquelle und Lastwiderstand dargestellt. Es gelte U q = 25 V. a) Dimensionieren Sie den Widerstand R so, dass bei Vernachlässigung des Stromes durch den Lastwiderstand der Strom durch die Diode zu keinem Zeitpunkt i e (t) R D größer als 200 ma werden kann. (Sie können für eine grobe Abschätzung davon ausgehen, dass der Kondensator zunächst ungeladen ist und wie ein u q (t) u e (t) C Last u a (t) R Last Kurzschluss wirkt und dass die Diode ideal ist.) Bild 1.1 Einweg-Gleichrichterschaltung b) Welchen Wert wählen Sie für R, wenn nur Werte der Reihe E12 verfügbar sind? c) Welche Farbcodierung hat ein solcher Widerstand bei 1% Toleranz und 5 Farbringen? Geben Sie Ihre Informationsquelle an. Version vom Seite 1 von 5

2 V 1.3: Entwerfen Sie zwei Messschaltungen, mit denen man unter alleiniger Verwendung der in Bild 1.1 eingezeichneten Bauelemente gleichzeitig und vorzeichenrichtig a) die Eingangsspannung u () t und die Ausgangsspannung u () t e a b) die Eingangsspannung u () t und der Eingangsstrom i () t e e der Gleichrichterschaltung in Bild 1.1 mit dem HM gemessen werden können. Beachten Sie, dass die beiden Kanäle des Oszilloskops den gleichen Masseanschluss haben und nur ein Kanal invertiert dargestellt werden kann! V 1.4: Machen Sie sich anhand von [3] mit der Bedienung des Funktionsgenerators Hameg HM vertraut. Zum Anschluss normaler Laborkabel an die BNC-Buchsen des Generators werden Adapter verwendet. Der Masseanschluss erfolgt über einen unisolierten BNC- Adapter (meist am nicht verwendeten Triggerausgang, der in [3] mit (9) bezeichnet ist). D 1.1: Schalten Sie das Analog-Oszilloskop 35-XX ein. Der Funktionsgenerator 33-XX wird bei diesem und allen folgenden Versuchen des Labors MET über den Stell-Trenn- Transformator 27-XX [4] mit Netzspannung versorgt, um Probleme mit dem Massepotenzial zu vermeiden. Die Einstellung des Stell-Trenn-Transformator erfolgt vor Versuchsbeginn durch das Laborpersonal. Falls Sie den Funktionsgenerator während des Versuchs ausschalten wollen, tun Sie dies unbedingt mit dem Netzschalter am Funktionsgenerator. Stellen Sie am Funktionsgenerator ein: 400 Hz, Signalform Sinus, keine Signaldämpfung, Offsetspannung 0 V, Offsetfunktion ausgeschaltet, minimale Signalamplitude. Bringen Sie das Oszilloskop in Grundeinstellung (siehe Versuch 1 des Labors MET). Stellen Sie danach ein: Darstellung nur von Kanal I bei 1 V/DIV und DC-Ankopplung, automatische Triggerung mit DC-Triggerankopplung und Triggerung auf der steigenden Flanke. Stellen Sie den Strahl mit Y-POS I so ein, dass er in der Mitte des Bildschirmrasters liegt. Verbinden Sie danach den Ausgang des Funktionsgenerators zweipolig mit Kanal I des Oszilloskops und aktivieren Sie Kanal I. Schalten Sie die GD-Taste aus. Stellen Sie mittels des Oszilloskops am Funktionsgenerator eine Signalamplitude von 3 V ein. Wählen Sie bei D 1.1 bis D 1.3 die Zeitablenkung des Oszilloskops so, dass etwa zwei Signalperioden dargestellt werden. a) Zeichnen Sie das Schirmbild (dokumentenecht!) ab und markieren Sie die Nulllinie. Notieren Sie die verwendeten Werte des Y-Ablenkkoeffizienten und des Zeitkoeffizienten. b) Schalten Sie nun auf Normaltriggerung um und erzeugen Sie mittels des Triggerpegel- Knopfes ein stehendes Bild. Drehen Sie danach diesen Knopf langsam vom linken zum rechten Anschlag und notieren Sie die Auswirkung auf das Schirmbild des Oszilloskops. c) Schalten Sie zurück auf automatische Triggerung und wiederholen Sie den Versuch gemäß b). Notieren Sie die Auswirkung auf das Schirmbild des Oszilloskops. D 1.2: a) Erzeugen Sie bei Normaltriggerung wieder ein stehendes Bild auf dem Bildschirm. Schalten Sie nun am Funktionsgenerator die Offsetfunktion ein und drehen Sie den Einstellknopf für die Offsetspannung in beide Richtungen. Notieren Sie Ihre Beobachtungen. b) Schalten Sie Kanal I des Oszilloskops auf AC-Ankopplung. Drehen Sie den Einstellknopf für die Offsetspannung langsam in beide Richtungen. Notieren Sie ihre Beobachtungen. D 1.3: Bauen Sie nacheinander die beiden unter V 1.3 entworfenen Messschaltungen 1 auf. Verwenden Sie den AC-Ausgang des Netzteils 29-XX [5] ( Smoothing ausschalten, Buchsen AC-Output verwenden) als 25 V-Sinusspannungsquelle. Die restlichen Bauteile (Diode 1N4007, C Last = 100 µf, R Last = 1 kω und R gemäß V 1.2) finden Sie auf dem Bauteilträger 99-XX [13]. Sie können zum Schaltungsaufbau das Klemmbrett 52-XX [12] verwenden. Skizzieren Sie die Schirmbilder (dokumentenecht). Notieren Sie alle für die spätere quantitative Auswertung erforderlichen Informationen für beide Kanäle sowie die genaue Art der Triggerung und die verwendete Betriebsart (Dual oder Chopped). Schalten Sie nach Abschluss der Messungen das Netzteil 29-XX aus. Lassen Sie die Schaltung für Teilversuch 2 aufgebaut. 1 Falls die Funktion der Schaltung Sie interessiert, können Sie ihr Verhalten vorab mit PSPICE simulieren. Version vom Seite 2 von 5

3 A 1.1: Erklären Sie Ihre Beobachtungen aus D 1.1. A 1.2: Erklären Sie Ihre Beobachtungen aus D 1.2. A 1.3: Bestimmen Sie anhand Ihrer Aufzeichnungen aus D 1.3 die Minimal- und Maximalwerte von i e () t und u () t. a 2 Messen mit einem Speicher-Oszilloskop V 2.1: Machen Sie sich mittels [6] gründlich mit der Bedienung des Analog/Digital-Speicher- Oszilloskops Hameg HM 507 vertraut. Unter [7] finden Sie eine ausfuhrlichere Dokumentation. Das Oszilloskop wird in mehreren nachfolgenden Versuchen des Labors MET verwendet. Können bei diesem Oszilloskop beide Kanäle invertiert dargestellt werden? Falls ja, wie? Beachten Sie unbedingt die in [6] rot gedruckten Hinweise zu Bedienelementen, die Sie bei der Durchführung der Versuche auf keinen Fall betätigen dürfen, da damit das Oszilloskop in Betriebsmodi versetzt werden kann, die für den Laborbetrieb nicht benötigt werden und die evtl. dazu führen, dass das Oszilloskop nur mit sehr großem Aufwand wieder in die Grundeinstellung gebracht werden kann oder eine Folgegruppe scheinbar unerklärliche, falsche Messergebnisse erhält. Ein Verstoß gegen diese Vorschriften führt zum Ausschluss von diesem Laborversuch. Das Oszilloskop wird in diesem Versuch stets im Speicherbetrieb verwendet. Dieser wird, sofern er noch nicht aktiviert ist, durch langes Drücken der Taste HOLD (40) ausgewählt. Im Speicherbetrieb leuchtet in der rechten unteren Ecke des Bildschirms eine Kombination aus 3 Buchstaben auf. Mittels der Taste STOR. MODE (42) wählen Sie, sofern noch nicht aktiviert, den Refresh-Betrieb aus (Anzeige rfr in der rechten unteren Ecke). V 2.2: Machen Sie sich mit der Bedienung des Programms SP107e 2 [8] vertraut, insbesondere dem Vorgehen zum Abspeichern von Messergebnissen als Datei und ihrer späteren Einbindung in Laborberichte. Erstellen Sie eine Checkliste der wichtigsten erforderlichen Schritte mit dem Programm. D 2.1: Wiederholen Sie die unter D 1.3 durchgeführten Messungen mit dem Speicher-Oszilloskop 38-XX anstelle des Analog-Oszilloskops. Notieren Sie wiederum die unter D 1.3 angegebenen Einstellungen des Oszilloskops. Speichern Sie die beiden Schirmbilder mittels des auf jedem Laborplatzrechner installierten Programms SP107e auf einem mitgebrachten USB- Stick. Sie starten das Programm am Laborplatz-PC über das Icon auf dem Desktop. D 2.2: Falls Sie den Zusatz-Teilversuch 3 nicht durchführen, demonstrieren Sie unaufgefordert dem Laborpersonal das Speicher-Oszilloskop 38-XX in der Grundeinstellung im Modus Speicherbetrieb mit Refresh. Schalten Sie erst danach das Oszilloskop ab. A 2.1: Übernehmen Sie die Schirmbilder aus D 2.1 in Ihren Laborbericht und ergänzen Sie alle Informationen, die eine eindeutige Ablesung der gesuchten Spannungs- und Stromverläufe ermöglichen. Die Ablesung von i e (t) soll auch direkt (ohne zusätzliche Umrechnung der abgelesenen Werte) aus dem Schirmbild möglich sein! 3 Klirrfaktormessungen (Freiwilliger Zusatzversuch, kann die Note nur verbessern) V 3.1: Machen Sie sich mit dem Begriff des Klirrfaktors vertraut. a) Für welche Art von Signalen ist der Klirrfaktor nur definiert? b) Welchen Wertebereich kann der Klirrfaktor annehmen? c) Welchen Klirrfaktor hat ein ideales Sinussignal? d) Welche Eigenschaft muss ein Signal mit dem Klirrfaktor 100% haben? 2 Bitte beachten Sie, dass SP107e unter Windows 7 nur im Kompatibilitätsmodus für Windows XP läuft. Um die Hilfefunktion des Programms unter Windows 7 nutzen zu können, muss das Programm WinHlp32.exe, mit dem Dateien vom Typ *.hlp angezeigt werden können, nachinstalliert werden. (Am einfachsten kopieren Sie das Programm von einer Windows XP-Installation und öffnen damit die Datei HS1507_D.HLP im Installationsverzeichnis des Programms SP107e.) Version vom Seite 3 von 5

4 e) Welche Kurvenform des Eingangssignals ist ausschließlich zur Messung des Klirrfaktors eines Übertragungsgliedes wie z. B. eines Verstärkers sinnvoll und warum? f) Wie groß soll der Klirrfaktor eines Audio-Verstärkers normalerweise sein? g) Ist die Aussage, ein Signal mit einem großen Klirrfaktor sei schlecht, richtig, sofern der Klirrfaktor nicht als Kenngröße eines Übertragungsgliedes, sondern als eine Signal-Kenngröße aufgefasst wird? V 3.2: Arbeiten Sie sich anhand von [9] und ggf. zusätzlich von [10] 3 S gründlich in die Bedienung des Klirrfaktor-Messgerätes Hameg HM 8027 ein. Notieren Sie stichwortartig die einzelnen Schritte zum Bestimmen des Klirrfaktors eines am HM 8027 anliegenden Signals. V 3.3: Falls Sie ein Gerät (z. B. MP3-Player) zum Labor mitbringen können und wollen, das 1.) über eine eingebaute Spannungsversorgung verfügt und 2.) Audiodateien im Wave-Format (Dateiendung wav ) abspielen kann und 3.) eine 3,5 mm Buchse für das Ausgangssignal hat (es gibt im Labor nur 3,5 mm Stereo- Stecker zum Anschluss der Geräte!) und 4.) das bei voller Lautstärke eine Ausgangsamplitude von mindestens 1,5 V liefert 4, so übertragen Sie bitte die auf der Homepage des Labors MET (URL siehe Anmerkung im Quellenverzeichnis ganz oben) verlinkten 3 Audiodateien auf das Gerät. Die Dateien enthalten die folgenden Stereo-Messsignale von jeweils 25 Sekunden Dauer: 1. Sinussignal mit 441 Hz, Vollaussteuerung 2. Sinussignal mit 1102,5 Hz, Vollaussteuerung 3. Symmetrisches Rechtecksignal mit 5512,5 Hz Grundfrequenz, halbe Vollaussteuerung Sehen Sie sich die Kurvenformen der 3 Signale mit einem Audiosignal-Editor, z. B. dem kostenlosen, sehr intuitiv bedienbaren Open Source-Programm Audacity [11], an. a) Inwieweit entsprechen die Kurvenformen der Signale exakt der obigen Beschreibung? b) Welchen Klirrfaktor erwarten Sie beim 3. Signal ungefähr? Begründung? Bitte beachten Sie, dass Sie die Messungen an dem mitgebrachten Audioabspielgerät auf eigene Gefahr durchführen und die Hochschule für Schäden, die z. B. durch fehlerhaft aufgebaute Schaltungen am Messobjekt entstehen können, nicht haftet. D 3.1: Falls Sie ein Audioabspielgerät zum Versuch mitbringen, stellen Sie die Ausgangssignale des Abspielgerätes bei Wiedergabe der 3 Messsignale (bei Einstellung maximaler Lautstärke) mit dem Speicher-Oszilloskop 38-XX dar und speichern Sie die Bilder als Datei ab. Sie finden einen Adapter von 3,5 mm Stereo-Klinkenstecker auf Laborbuchsen auf dem Bauteilträger 99-XX. Bitte bestimmen Sie mittels eines Oszilloskops selbstständig, zwischen welchen Laborbuchsen das Ausgangssignal des Abspielgerätes anliegt. Bestimmen Sie mit dem Klirrfaktor-Messgerät 34-XX nacheinander die Klirrfaktoren der Ausgangssignale Ihres Audioabspielgerätes beim Abspielen der 3 Messsignale. (Falls das Ausgangssignal Ihres Abspielgerätes so schwach sein sollte, dass Sie das Klirrfaktor-Messgerät nicht auf 100% kalibrieren können, notieren Sie die erreichte Prozentzahl beim Kalibrieren und beziehen Sie den angezeigten Klirrfaktor auf diesen Wert.) Falls Sie kein Audioabspielgerät zum Versuch mitbringen oder es sich als ungeeignet für die Messungen erweisen sollte, messen Sie mit dem Klirrfaktor-Messgerät 34-XX nacheinander die Klirrfaktoren der folgenden 6, mit dem Funktionsgenerator 33-XX erzeugten und mit dem Speicher-Oszilloskop 38-XX kontrollierten Signale (die Sie nicht abzuspeichern brauchen): 1. Sinus mit f = 50 Hz, u ˆ = 1V sowie f = 1000 Hz, u ˆ = 5V 2. Dreieck mit Grundfrequenz f = 100 Hz, u ˆ = 1V sowie f = 2000 Hz, u ˆ = 5V 3 Leider enthält [10] sehr viele orthografische und insbesondere im Abschnitt Allgemeines auch schwerwiegende fachliche Fehler, durch die Sie sich nicht irritieren lassen dürfen. 4 Sie können dies in der Sprechstunde des Laboringenieurs vorab überprüfen. Version vom Seite 4 von 5

5 3. Rechteck mit Grundfrequenz f = 200 Hz, u ˆ = 1V sowie f = 5000 Hz, u ˆ = 5V Bitte beachten Sie, dass Funktionsgenerator und Klirrfaktor-Messgerät in einem gemeinsamen Gehäuse eingebaut sind und gemeinsames Massepotenzial haben. D 3.2: Demonstrieren Sie unaufgefordert dem Laborpersonal das Speicher-Oszilloskop 38-XX in der Grundeinstellung im Modus Speicherbetrieb mit Refresh. Schalten Sie erst danach das Oszilloskop ab. A 3.1: Falls Sie an einem Audioabspielgerät gemessen haben, übernehmen Sie die Schirmbilder der Signale aus D 3.1 in Ihren Laborbericht. A 3.2: Entsprechen die bei D 3.1 gemessenen Klirrfaktoren Ihren Erwartungen? Wie lassen sich ggf. Abweichungen von den erwarteten Werten erklären? 4 Rückmeldung zum Inhalt des Laborversuchs A 4.1: Was hat Ihnen an diesem Versuch besonders gut gefallen? A 4.2: Welche konkreten Verbesserungsvorschläge haben Sie für diesen Versuch? Quellenverzeichnis Die nachfolgend angegebenen Quellem werden bei Bedarf überarbeitet. Falls die unten angegebene Version nicht mehr verfügbar sein sollte, ist jeweils die aktuellste Version eines Dokuments zu verwenden. Die Dokumente [1] bis [10] und [12] sind von der Homepage des Labors MET aus einfach zu erreichen. [1] HOPPE, A. ; STUWE, P. ; HARRIEHAUSEN, T.: Grundlagen zu analogen und digitalen Oszilloskopen. [2] HAMEG INSTRUMENTS: Oszilloskop HM Handbuch Deutsch. Datei HM303-6_dt.pdf, abrufbar von URL [3] N. N.: Gerätebeschreibung Funktionsgenerator 33-XX. [4] STEIGER, U.: Beschreibung EA-STT 2000 B Trenn-/Stelltrenntransformator 27-XX. [5] STEIGER, U.: Beschreibung EA B Universalnetzgerät 29-XX. [6] N. N.: Gerätekurzbeschreibung Speicher-Oszilloskop 38-XX. [7] HAMEG INSTRUMENTS: Oszilloskop HM 507 Handbuch Deutsch. Datei HM507_deutsch.pdf, abrufbar von URL [8] HAMEG INSTRUMENTS: Oszilloskop Software SP107E v Datei SP107E_v302.zip, abrufbar von URL [9] N. N.: Gerätebeschreibung Klirrfaktor-Messgerät 34-XX. [10] HAMEG INSTRUMENTS: Distortion Meter HM 8027 Handbuch. Datei HM8027_deutsch.pdf, abrufbar von URL [11] Homepage des Projektes Audacity Audioeditor. URL [12] STEIGER, U.: Beschreibung Klemmbrett 52-XX. [13] HARRIEHAUSEN, T.: Beschreibung Klemmbrett 99-XX. Version vom Seite 5 von 5