Elektronikpraktikum - SS 2014 H. Merkel, D. Becker, S. Bleser, M. Steinen Gebäude (Anfängerpraktikum) 1. Stock, Raum 430

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1 Elektronikpraktikum - SS 2014 H. Merkel, D. Becker, S. Bleser, M. Steinen Gebäude (Anfängerpraktikum) 1. Stock, Raum Serie: Einführung in die Messtechnik Vorbemerkung zum Ablauf des Praktikums Sie erhalten die Praktikumsaufgaben in Zukunft einige Tage vor dem Praktikumstermin. Bitte lesen Sie sich die Aufgabenstellungen der Versuche vor dem Praktikum durch. Am Anfang des Praktikums wird ein kurzer Test (Multiple Choice) am Computer durchgeführt, bei dem ihre Vorbereitung überprüft wird. Dazu sollten Sie sich über die Themen, die als Stichworte unter Vorkenntnisse aufgeführt sind, informiert haben. In der Regel ist dieser Stoff in der Vorlesung behandelt. Die Versuche werden in Zweiergruppen durchgeführt, d.h. suchen Sie sich einen Partner/in mit dem sie zusammenarbeiten. Der Versuchsaufbau, die Versuchsparameter, die Messwerte und die Auswertung der Messwerte müssen in einem Protokoll festgehalten werden. Sie können dazu ein Protokollbuch führen oder, alternativ, die Aufzeichnungen in diesem Dokument speichern. Der Ausdruck kann im Praktikum erfolgen. Die Auswertung der Messergebnisse wird am auf die Abgabe folgenden Praktikumstermin diskutiert. I. Ziel der Versuche der ersten Serie. Umgang mit folgenden Geräten: Oszillograph, Labornetzgerät, Vielfachmessinstrument, Signalgenerator, USB-Datenaufnahme. Messen von Strom und Spannungen in einem Netzwerk, Gleichstromanalyse, Datendarstellung. II. Vorkenntnisse Ohmsches Gesetz, Spannungs- und Stromteilerregel, einfache Maschen- und Knotenanalyse, Ideale und reale Spannungs- und Stromquellen, Theorem von Thévenin, Funktionsweise eines Oszillographen. III. Geräte Es stehen folgende Geräte zur Verfügung: digitales Oszilloskop (200 MHz, 2 GS/s) Signalgenerator (25 MHz) Digitales Vielfachmessinstrument USB-Datenerfassung Steckbretter zur Aufnahme von Bauelementen Laptop, Drucker

2 1. Versuch: Strom und Spannungsquellen Die Ausgänge 1 und 2 des Labornetzgeräte können als Spannungs- oder Stromquelle betrieben werden. Die Voreinstellungen des Labornetzgerätes werden angezeigt, sobald der Knopf Output on/off auf rot steht. In diesem Fall sind die Ausgänge nicht angeschlossen. Schließen Sie den veränderlichen Drahtwiderstand an eine der Ausgänge des Labornetzgerätes gemäß dem nachfolgenden Schaltbild an. 1.1 Wählen sie die Einstellungen so, dass eine konstante Spannung an dem Widerstand anliegt. Verändern Sie den Widerstand und messen Sie die Spannung über dem Widerstand mit dem Multimeter. Stimmt die am Labornetzgerät angezeigte Spannung mit den Werten des Multimeters überein? 1.2 Betreiben Sie das Labornetzgerät als Stromquelle. Das Multimeter soll nun in Reihe zum Widerstand geschaltet werden. Beachten Sie, dass für Ströme bis 10 A die entsprechende Buchse des Multimeters zu verwenden ist. Variieren Sie den Widerstand und messen Sie den Strom. 1.3 Verschalten Sie zwei Ausgänge der Netzgeräte so, dass Sie eine symmetrische Spannungsquelle mit ± 15 V erhalten, die zu einer gemeinsamen Masse definiert sind. Überprüfen Sie ihre Schaltung mit dem Multimeter. 2. Versuch: Messen von Spannungen und Strömen mit dem USB Datenaufnahmemodul Um mehrere Spannungen gleichzeitig zu vermessen steht ihnen ein 8-fach 12bit USB Datenerfassungsmodul zur Verfügung. Der Eingangswiderstand der 8 Kanäle beträgt 10 MΏ.

3 Die maximale Eingangsspannung darf 4V nicht überschreiten. Das Gerät ist so eingestellt, dass die 12 bit (4096 Kanäle) gerade 4096 mv entsprechen, also 1 Kanal = 1mV. Die Eingänge können mit Spannungsteilern (1 bis 4) oder Operationsverstärkern (5 8) beschaltet werden, um die Messbereiche zu erweitern. Gemäß des Schaltplans kann die Verdrahtung durch Umsetzung von Jumpern geändert werden. Die Datenaufnahme wird mit dem Programm USB-ADC.exe gestartet, eine Verknüpfung dazu ist auf dem Desktop. Die vier Kanäle werden mit einer analogen und einer digitalen Anzeige dargestellt. Die Umrechnung von Kanälen in Volt kann durch den Parameter Skal geändert werden. Die Daten können als ASCII File (Typ csv) gespeichert werden, um sie für spätere Analysen zur Verfügung zu stellen. 2.1 Die ersten drei Eingänge sollen als Voltmeter betrieben werden mit einem maximalen Spannungsbereich von 10V. Legen Sie dazu eine Gleichspannung, an den Eingang und verwenden Sie den eingebauten Potentiometer (P1, P2, P3) als Spannungsteiler um den gewünschten Bereich einzustellen. Mit dem Skalierungsfaktor Skal wird die Anzeige an den tatsächlich am Eingang anliegenden Wert angepasst. 2.2 Den vierten Eingang können Sie als Amperemeter schalten. Dazu ist es notwendig einen Shunt-Widerstand vom Eingang zur Erde zu schalten. Wählen Sie diesen Widerstand so, dass Sie noch maximal 100 ma messen können. Diesen Widerstand können Sie auf einen der bereitliegenden DIL - Sockel löten und an der entsprechenden Stelle (S4) einstecken. Testen Sie ihre Anordnung mit einem entsprechen Strom des als Konstantstromquelle betriebenen Labornetzgerätes. Wie viel Leistung wird im Widerstand umgesetzt? 2.3 Bauen Sie die nachfolgende Schaltung auf das Steckbrett auf. Der Shunt-Widerstand RS dient zum Messen des Stromes I. Der Signalgenerator (Tektronix AFG3021B) soll eine sägezahnförmige Spannung mit einer Wiederholfrequenz von 0.1 Hz und einer Amplitude von 2V erzeugen. Die Spannungen U1 und U2 werden mit den Eingängen 1 und 2 des USB-Moduls gemessen. Das Programm USB-ADC.exe zeigt ihnen auch die Differenzspannung ΔURS = U1 - U2 an. Daraus ergibt sich der Strom zu I = ΔURS / RS. Stellen Sie den Skalierungsfaktor Skal so ein, dass die Angabe auf ma geeicht ist. 2.4 Nehmen Sie die Spannungen für einige Perioden in der Wertetabelle auf. Die Aufzeichnungsrate kann im Konfigurationsmenü (kleiner Schraubenzieher oben rechts) geändert werden. Exportieren Sie die Tabellenwerte (rechte Maustaste im Tabellenbereich) in einen Textdatensatz und speichern Sie diesen ab. 2.5 Hausaufgabe: Tragen Sie die Werte so auf, dass Sie die Kennlinie des Widerstandes R erhalten. 3. Versuch: Umgang mit dem Oszillographen 3.1 Erzeugen Sie mit dem Signalgenerator ein Sinussignal mit 1V Amplitude und 1 khz Frequenz. Stellen Sie dieses mit dem Oszillographen (Kanal 1) dar. Überprüfen Sie die Frequenz anhand der Zeitskala des Oszillographen. Triggern Sie den Oszillographen extern mit dem Triggerausgang des Signalgenerators. Machen Sie sich mit der Bedienung des Oszillographen vertraut. Dazu gehört auch der Umgang mit dem Tastkopf.

4 3.2 Ein Tastkopf dient dazu, das Messobjekt möglichst wenig zu belasten. Diese Forderung wird durch einen möglichst hohen Eingangswiderstand und eine geringe Eingangskapazität des Tastkopfes erfüllt. Das dazu notwendige Netzwerk, das sich in der Spitze und in dem Anschlusskasten des Tastkopfs verbirgt, muss an die Eingangsimpedanz des Oszillographen angeglichen werden, um die Signalverzerrungen möglichst gering zu halten. Verbinden Sie den Tastkopf mit dem Testausgang des Oszillographen. Dieser liefert ein rechteckförmiges Signale. Gleichen Sie den Tastkopf mit einem Schraubenzieher ab, indem Sie die Stellschraube an der Spitze des Tastkopfes verdrehen bis das Signal möglichst rechteckig erscheint. 3.3 Messen Sie die Wechselspannung mit Hilfe des Multimeters und des Oszillographen bei den in der Tabelle dargestellten Frequenzen. Frequenz 5 Hz 10 Hz 50 Hz 100 Hz 1 khz 10 khz 100 khz UMultimeter [V] UOszi. [V] Hausaufgabe: Erklären Sie die Unterschiede in den Messwerten. 3.4 Bauen Sie folgende Hochpassschaltung auf dem Steckbrett auf. 3.5 Testen Sie die Schaltung mit rechteckförmigen Signalen. Variieren Sie hierbei die Frequenz. Was fällt Ihnen bei den Rechtecksignalen auf? Hausaufgabe: Erklären Sie die Beobachtung. 3.6 Messen Sie gleichzeitig das Ein- und Ausgangssignal bei sinusförmiger Erregung im Frequenzbereich von 100 Hz bis 10 khz (ca. 15 Messpunkte) mit Hilfe von zwei Kanälen des Oszillographen. Protokollieren Sie gleichzeitig die Phasenverschiebung φ zwischen Ein- und Ausgangssignal. f [khz] Ue [V] Ua [V] φ [ ]

5 3.7 Hausaufgabe: Stellen Sie den Frequenzgang (Verhältnis von Ein- und Ausgangssignal als Funktion der Frequenz) in einem doppelt logarithmischen Graphen dar (Bode-Plot). Der Phasengang (Phase als Funktion der Frequenz) soll in einem halblogarithmischen Graphen gezeichnet werden. Bestimmen Sie aus beiden Diagrammen die Grenzfrequenz des Hochpassfilters. Diese ist definiert am Punkt des 3 db Abfalls im Frequenzgang bzw. bei der Phasendrehung von 45 im Phasengang. 3.8 Modifizieren Sie den Hochpassfilter zu einen Tiefpassfilter, indem Sie Widerstand und Kondensator vertauschen. Wählen Sie R = 10 Ω und C = 1 nf (Folienkondensator). Diese Schaltung kann dazu dienen hochfrequente Störungen, die z.b. durch Rauschen verursacht werden zu unterdrücken. Allerdings wird dadurch auch das Signal modifiziert. Ein Qualitätsmaß des Filters (Verstärkers, Vierpols etc.) ist dann die sogenannte Rauschzahl (Noise figure), die das Verhältnis von Signal zu Rauschen (Signal to Noise, S/N) vor und nach dem Filter angibt. Der Funktionsgenerator kann zum normalen Signal einen Rauschbeitrag hinzu addieren (Sinus Output Menu Noise Noise add Noise Level). Die Aufgabe besteht darin, die Rauschzahl bei verschiedenen Filterzeitkonstanten des RCGliedes (C = 1 nf, C = 100 pf, ohne C) zu messen. Beachten Sie, das auch schon ein Koaxialkabel eine Kapazität (ca. 100 pf/m) hat. Den Rauschbeitrag können Sie qualitativ am Oszillographen ablesen indem Sie für die Zeitablenkung eine sehr kurze Zeit wählen. Benutzen Sie die Cursor-Funktion zur Abschätzung der mittleren Rauschamplitude. C [nf] Signal Signal Noise Noise S/N S/N Rauschzahl Eingang Ausgang Eingang Ausgang Eingang Ausgang 3.9 Bauen Sie den nachfolgenden Resonanzkreis auf messen Sie das Verhältnis von Eingangsspannung Ue und Ausgangsspannung Ua als Funktion der anregenden Frequenz (100 Hz bis 100 khz). In der Nähe der Resonanzfrequenz sollte die Messwertdichte erhöht werden. Protokollieren sie auch gleichzeitig die Phasenverschiebung zwischen Ein- und Ausgangssignal. Hausaufgabe: Die Messwerte sind in einer Tabelle aufzunehmen und graphisch darzustellen. Wählen sie dazu für die Spannungs-Frequenzdarstellung eine lineare Skala und eine doppelt logarithmischen Skala. Die Phase können Sie in einem halblogarithmischen Diagramm darstellen. Bestimmen Sie aus dem Frequenzgang die Resonanzfrequenz und die Halbwertsbreite der Resonanz. Passen Sie an den Phasengang ein Arcus-Tangens Funktion an und bestimmen sie daraus ebenfalls die Resonanzfrequenz.

6 Anregungsfrequenz Ue Ua Phasenverschiebung Ua / Ue