4 Oszilloskop - Erweiterung

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1 4-1 4 Lernziele - Auswirkungen des AC-DC-Modus - Messen von Einzelsignalen - Auswirkungen der Abtastung - Automatische Messungen mit dem Oszilloskop - Messung von Signallauf-, Anstiegs- und Abfallszeiten - X-Y-Betrieb für Phasenverschiebungsmessung und Diodenkennlinie - Funktion des Schutzleiters bei Messungen 4.1 AC- oder DC-Modus Stellen Sie am Funktionsgenerator eine Sinusspannung von einer Ausgangsamplitude von U ss = 1 V ein. Betrachten Sie dasselbe Signal mit einem Kanal im DC- und mit den anderen im AC-Modus und messen Sie die Amplitude U ss als Funktion der Frequenz f. a.) Beginnen Sie mit einer Frequenz f = 100 Hz und gehen Sie bis zu 10 mhz. Zeichnen Sie den Frequenzgang U ss = f(f) in das untenstehende Diagramm. Frequenz f in Hz m 10 m Ampiltude U ss in V U ss /V m 100 m 20 m 10 m f/hz 10 m 20 m 100 m 200 m b.) Ab welcher Frequenz ist ein eindeutiger Unterschied auszumachen? Was schliessen Sie daraus?

2 Messung von Einzelsignalen (single shot) Prellen eines Schalters Das Prellen (engl. Bouncing) ist ein mechanischer Störeffekt der bei elektromechanischen Tastern, Schaltern, Relais oder Schützen entsteht. Anstelle eines sofortigen elektrischen Kontakts ruft die Betätigung des mechanischen Kontakts kurzzeitig ein mehrfaches Schliessen und Öffnen hervor. Ursache ist das elastische Zurückprallen und Federung des Kontakts. Häufig passiert das Prellen beim Schliessen des Kontaks, seltener kommt beim Öffnen nach der ersten Unterbrechung ein erneuter Kontakt vor. Dieser Effekt des mehrfachen Schliessens und Öffnens führt bei schnellen elektronischen Schaltungen zu unerwünschten Mehrfachereignissen. Ein solches Verhalten zeigt das Bild 4-1. Eine Messschaltung zum Erfassen des Schalterprellens ist in Bild 4-2 dargestellt. Bild 4-1 Prellen eines Schalters bei Öffnen eines Kontakts U 1 = 5 V R = 1 kω u 2 (t) Bild 4-2 Schaltung zum Messen des Schalterprellens a.) Messen Sie an der Schaltung das Prellen des Schalters in dem Sie die Spannung u 2 (t) zweckmässig mit dem Oszilloskop aufzeichnen. Verwenden Sie hierzu die Triggerfunktion single shot und zeichnen Sie das Signal so auf, dass jeweils das Öffnen und Schliessen des mechanischen Kontakts sichtbar wird.

3 4-3 b.) Exportieren Sie die Messdaten des Schliessvorgangs auf einen Memory-Stick und stellen Sie die Messdaten als JPG-Bild dar. Bereiten Sie die Daten in Excel gemäss Bild 4-3 auf. Hinweis: Zum Formatieren der Messdaten können Sie die Excel-Funktionen Daten Text in Spalten und anschliessend Einfügen Diagramm Punkt verwenden u 2 (t) E E E E E E E-03 t in s Bild 4-3 Beispiel des Schalterprellens beim Schliessen Ansprech- Rückfallverzögerung eines Relais Wird die Betriebsspannung U 1 über den Schalter S an ein Relais R angelegt, so tritt bis zum Schalten des Relais-Kontakts eine Verzögerung auf. Im Stromverlauf durch die Relais-Wicklung i(t) kann die mechanische Kontaktbewegung beobachtet werden. Aus dem Stromverlauf lässt sich das Schliessen des magnetischen Kreises identifizieren. Beim Ausschalten der Versorgungsspannung U 1 öffnet der mechanische Kontakt nach einer Rückfallverzögerung. S U 1 = 12 V D R i(t) R 1 = 100 Ω u 2 (t) R 2 = 1 kω u 3 (t) Bild 4-4 Messaufbau zum Messen der Ansprech-Rückfallverzögerung a.) Messen Sie an der Schaltung nach Bild 4-4 beim Schalten die Spannung u 3 (t) und den Strom i(t) zweckmässig. Verwenden Sie hierzu die Triggerfunktion single shot und zeichnen Sie das Signal so auf, dass das Schliessen des mechanischen Kontakts sichtbar wird.

4 4-4 b.) Exportieren Sie die Messdaten des Schliessvorgangs auf einen Memory-Stick und stellen Sie die Messdaten in Matlab gemäss Bild 4-3 dar. Hinweis: Zum Darstellen der Daten verwenden Sie die Matlab-Funktionen read_tektronix_csv.m und sample.m. Ändern Sie die Datei sample.m so ab, dass die Darstellung dem Bild 4-5 entspricht. 20 Aufgabe Ansprech- Rückfallverzögerung magnetischer Kreis geschlossen Bild 4-5 Prellen des Schaltkontakts und des Relaisstroms 4.3 Unterabtastung eines Sinus-Signals Aufgabe 4-1: Unterabtastung eines 1 MHz-Signals Stellen Sie am Funktionsgenerator eine Sinusspannung von einer Ausgangsamplitude von U ss = 1 V bei einer Frequenz f = 1 MHz ein. a.) Messen Sie die Signalamplitude U ss und die Signalfrequenz f bei einer Einstellung der Zeitbasis von 50 ms/dev am Oszilloskop? b.) Erläutern Sie das Ergebnis.

5 Amplituden- und Zeit-Messung Amplitude- und Zeit-Messung eines Rauschsignals Stellen Sie am Funktionsgenerator ein Rauschsignal Noise mit einer Gleichspannung (Offset) von U DC = 1 V mit einer Rauschamplitude (Amplitude) u r = 0.5 Vpp ein. a.) Messen Sie mit der automatischen Messung des Oszilloskops die nachfolgenden Signalgrössen aus: Messgrösse Messwert Bemerkungen arithmetischen Mittelwert U m absolute Differenz zwischen den höchsten und niedrigsten Scheitelwerten U ss echter Effektivwert des ersten vollständigen Signals U zeff echter Effektivwert für alle Abtastwerte eines Frames von Signaldaten U eff echter Effektivwert der Signaldaten vom ausgewählten Startpunkt bis zum Endpunkt U ceff Mindestwert U min Höchstwert U max b.) Stellen Sie jetzt die Erfassung des Oszilloskop auf Mittelwert über 16 Mittelwerte um und wiederholen Sie die Messung: Messgrösse Messwert Bemerkungen arithmetischen Mittelwert U m absolute Differenz zwischen den höchsten und niedrigsten Scheitelwerten U ss echter Effektivwert des ersten vollständigen Signals U zeff echter Effektivwert für alle Abtastwerte eines Frames von Signaldaten U eff echter Effektivwert der Signaldaten vom ausgewählten Startpunkt bis zum Endpunkt U ceff Mindestwert U min Höchstwert U max

6 4-6 Amplitude- und Zeit-Messung eines Sinussignals Stellen Sie am Funktionsgenerator ein Sinussignal Sine mit einer Gleichspannung (Offset) von U DC = 1 V mit einer Amplitude (Amplitude) u s = 0.5 Vpp ein und einer Frequenz von f = 1 khz ein. Addieren Sie zum Sinussignal ein Rauschsignal mit der Funktion NseAd mit den Parameter NseLvl = 10% und WfmLvl = 50%. Bauen Sie die Schaltung nach Bild 4-6 auf und legen Sie die erzeugte Signalform als Eingangssignal U 1 an das RC-Glied. Bild 4-6 RC-Glied Messen Sie mit der automatischen Messung des Oszilloskops die nachfolgenden Signalgrössen aus: Messgrösse Messwert U 1 Messwert U 2 Bemerkungen Frequenz des Signals f Periodendauer des Signals T arithmetischen Mittelwert U m absolute Differenz zwischen den höchsten und niedrigsten Scheitelwerten U ss echter Effektivwert des ersten vollständigen Signals U zeff echter Effektivwert für alle Abtastwerte eines Frames von Signaldaten U eff echter Effektivwert der Signaldaten vom ausgewählten Startpunkt bis zum Endpunkt U ceff Mindestwert U min Höchstwert U max

7 4-7 Messung des RC-Glied-Verhaltens Stellen Sie am Funktionsgenerator ein Sinussignal Sine mit einer Amplitude (Amplitude) u s = 5.0 Vpp ein. Bauen Sie die Schaltung nach Bild 4-7 auf und legen Sie die erzeugte Signalform als Eingangssignal U 1 an das RC-Glied. Bild 4-7 RC-Glied Messen Sie mit der automatischen Messung des Oszilloskops bei unterschiedlichen Signalfrequenzen die nachfolgenden Signalgrössen aus: Messgrösse Signalfrequenz f in Hz Messwert U 1 Messwert U 2 Phase zwischen U 1 und U 2 U 1ss f 1 T 1 U 2ss f 2 T 2

8 4-8 RC-Schaltung mit Rechtecksignal Stellen Sie jetzt am Funktionsgenerator eine Rechteckspannung ohne Offset mit einem Spitzen-Spitzen- Wert U ss = 1 V bei einer Frequenz von f 1 = 1 khz ein. Bauen Sie die Schaltung nach Bild 4-8 auf und legen Sie die erzeugte Signalform als Eingangssignal U 1 an das RC-Glied. Bild 4-8 RC-Glied Messen Sie mit der automatischen Messung des Oszilloskops die nachfolgenden Signalgrössen aus: Maximal Wert u max : Minimal Wert u min : Spitzen-Spitzen-Wert u ss : Impulsdauer t i : Pausendauer t p : Anstiegszeit t r : Abfallszeit t f : Periodendauer T = t i + t p : Aufgabe 4-2: Messen von Signallauf-, Anstiegs- und Abfallzeiten Stellen Sie am Funktionsgenerator eine Rechteckspannung ohne Offset mit einem Spitzen-Spitzen-Wert U 1ss = 3.3 V mit einem Offset von U o = 1.65 V bei einer Frequenz von f 1 = 1 khz ein. Verbinden Sie den Ausgang Sync Out des Funktionsgenerators mit dem Kanal 1 des Oszilloskops und den Ausgang Main Out des Funktionsgenerators mit dem Kanal 2 des Oszilloskops. Messen Sie die Anstiegs- und Abfallzeit der beiden Kanäle bei jeweils 10% und 90% des Signalpegels: Anstiegszeit t r1 : Anstiegszeit t r2 : Abfallszeit t f1 : Abfallszeit t f2 : Messen Sie bei Pegelmitte jeweils die Signalverzögerungszeiten zwischen den beiden Kanälen: Verzögerungszeit t PLH 1-2 : Verzögerungszeit t PHL 1-2 :

9 X-Y-Betrieb X-Y-Betrieb bei einer linearen Schaltung In der bisherigen Verwendung des Oszilloskops stellte die X-Achse die Zeit dar. Im X-Y-Betrieb wird ein Eingangskanal des Oszilloskops für die X-Ablenkung verwendet, der andere für die Y-Ablenkung. Stellen Sie am Funktionsgenerator eine Sinusspannung mit einem Spitzen-Spitzen-Wert U 1ss = 1 V bei einer Frequenz von f 1 = 1 khz ein. Bauen Sie die Schaltung nach Bild 4-8 auf und legen Sie die erzeugte Signalform als Eingangssignal U 1 an das RC-Glied. Bild 4-9 RC-Glied im X-Y-Betrieb a.) Messen Sie die Spannung U 1 und U 2 mit dem Oszilloskop im X-Y-Betrieb und speichern Sie die Messdaten ab. b.) Vergleichen Sie die Ausgangs- u 2 (t) mit der Eingangsspannung u 1 (t) eines RC-Gliedes in Funktion der Frequenz f (10 Hz bis 10 khz) bei sinusförmiger Eingangsspannung. Beobachten Sie insbesondere das Amplitudenverhältnis und die Phasenverschiebung zwischen Eingang- u 1 und Ausgangssignal u 2. c.) Wie verändert sich die Lissajous-Figur, wenn die Frequenz verändert wird? Stellen Sie dabei die Verstärkungsfaktoren der Signale so ein, dass die Figur den Bildschirm mehr oder weniger ausfüllt (verwenden Sie die Fine-Einstellung).

10 Messtechnik 4-10 Hinweis: Bei Lissajous-Figuren ist der Betrag der Phasenwinkeldifferenz ϕ zwischen den beiden Signalen der Arcsin des Verhältnis Y 0 /Y oder X 0 /X (Bild 4-10 ). Formal gilt: Y0 X 0 ϕ = arcsin = arcsin (4-1) Y X Y, X Y Y 0 X X 0 a ϕ ϕ Bild 4-10 Gleichfrequente Sinus-Schwingungen Y X X 0 M X Y 0 Y Bild 4-11 Lissajous-Figurder gleichfrequenten Sinus-Schwingungen

11 4-11 X-Y-Betrieb zur Aufzeichnung einer Diodenkennlinie In dieser Übung sollen die typischen Eigenschaften von Dioden als nichtlineare Bauelemente kennengelernt und gemessen werden. Mit der in Bild 4-8 dargestellten Messanordnung soll die Kennlinie einer Diode aufgenommen werden. Für den Messvorgang ist zu beachten, dass das Oszilloskop im X-Y- Modus betrieben werden muss. R V u D (t) U G ~ i(t) D R m U R Bild 4-12 Messschaltung für die Dioden-Kennlinie Bauen Sie die Schaltung aus Bild 4-8 auf (R V = Ω, R m = 10 Ω, U G = 5 Vpp, f = 50 Hz). Die zu verwendende Diode (1N4148, 1N4007, LED rot, LED gelb, LED grün) wird Ihnen zugewiesen. Schliessen Sie das Oszilloskop an. Überlegen Sie wo der X- und wo der Y-Kanal angeschlossen werden soll. Die Kennlinie soll so aufgenommen werden, dass auf der X-Achse die Diodenspannung u D (t), auf der Y-Achse der Diodenstrom i(t) aufgetragen ist. a.) Zeichnen Sie in das obige Bild die Messkanäle 1 und 2 ein. b.) Wie kann man mit dem Oszilloskop einen Strom messen und welcher systematischer Fehler tritt in der obigen Messschaltung auf? c.) Steuern Sie die Schaltung mit einem Dreiecksignal 5 Vpp und einer Frequenz von 50 Hz an. Nehmen Sie die Kennlinie i D = f(u D ) auf. Speichern Sie die Messung als Bild- und Messdaten ab.

12 Schutzleiter und Oszilloskop-Ground Bauen Sie die nachfolgende Schaltung nach Bild 4-8 auf. Stellen Sie am Funktionsgenerator ein Sinussignal Sine mit einer Amplitude (Amplitude) u s = 1.0 Vpp bei einer Frequenz von f = 100 Hz ein und legen Sie die erzeugte Signalform als Eingangssignal U 1 an. R= 1 kω U R U 1 C = 1 uf U C Bild 4-13 RC-Glied mit Mittelpunkt-Ground a.) Messen Sie die beiden Spannungen U R bzw. U C und geben deren Spitzen-Spitzen-Wert an. b.) Erläutern Sie die gemessenen Spannungspegel.

13 Differenz zweier Spannungen Stellen Sie am Funktionsgenerator ein Sinussignal Sine mit einer Amplitude (Amplitude) u s = 1.0 Vpp und einer Frequenz von f = 1 khz ein. Bild 4-14 RC-Glied a.) Messen Sie mit dem Oszilloskop-Kanal 1 die Gesamtspannung, mit dem Kanal 2 die Spannung am Kondensator. b.) Nutzen Sie das MATH-Menu, um zusätzlich die Spannung am Widerstand anzuzeigen. c.) Kontrollieren Sie visuell, ob zu jedem Zeitpunkt die Summe der Spannungen am Kondensator und am Widerstand die Gesamtspannung ergeben. Ergebnis und Kommentar: d.) Schalten Sie am Funktionsgenerator von Sinus auf Rechteck um und beobachten Sie den Verlauf der drei Spannungen. Ergebnis und Kommentar:

14 Strommessung mit Strommessshunt Stellen Sie am Funktionsgenerator ein Sinussignal Sine mit einer Amplitude (Amplitude) u s = 10 Vpp und einer Frequenz von f = 1 khz ein. Schliessen Sie einen 1 µf Kondensator an. Messen Sie am Kanal 1 die Spannung mit dem Tastkopf. Stellen Sie am Oszilloskop den Tastkopf für den Kanal 1 richtig ein. Für die Strommessung kann dasselbe Prinzip verwendet werden, wie bei der Strommessung mit einem Digital-Multimeter, wo der Spannungsabfall an einem Strommesshunt gemessen wird. Der Widerstandswert für den Strommessshunt soll so gewählt werden, dass möglichst wenig Spannungsabfall entsteht und trotzdem eine genügend hohe Spannung für die Anzeige am Oszilloskop zur Verfügung steht => Grössenordnung 100mV. a.) Schalten Sie einen 1 Ohm Widerstand in Serie zum Kondensator. Auf welcher Seite des Kondensators muss dieser Strommessshunt angeschlossen werden? Warum geht die andere Seite nicht? b.) Messen Sie mit dem Kanal 2 den Spannungsabfall am Strommessshunt. c.) Stellen Sie am Oszilloskop den Tastkopf für den Kanal 2 auf Strommessung und die Teilung passend für den 1 Ohm Widerstand ein. d.) Messen Sie Spannung und Strom sowie die zeitliche Phasenverschiebung. Spannung: Strom: Phasenverschiebung:

15 Strommessung mit der Stromzange Stellen Sie am Funktionsgenerator ein Sinussignal Sine mit einer Amplitude (Amplitude) u s = 10 Vpp und einer Frequenz von f = 1 khz ein. Schliessen Sie einen 1 µf Kondensator an. Messen Sie am Kanal 1 die Spannung mit dem Tastkopf. Stellen Sie am Oszilloskop den Tastkopf für den Kanal 1 richtig ein. Für die Strommessung kann eine Stromzange verwendet werden. Der Vorteil ist, dass dabei der Spannungsabfall am Strommessshunt entfällt und nicht in den Stromkreis eingegriffen werden muss. Nachteilig ist, dass die Stromzange weniger empfindlich ist und kleine Ströme so nicht gemessen werden können. a.) Schliessen Sie nun am Kanal 2 die Strommesszange an und umschliessen Sie damit den "oberen" Anschlussdraht zum Kondensator. b.) Stellen Sie am Oszilloskop den Tastkopf für den Kanal 2 richtig ein. c.) Messen Sie Spannung, Strom und Phasenverschiebung im oberen Anschlussdraht zum Kondensator. Spannung: Strom: Phasenverschiebung: d.) Messen Sie Spannung, Strom und Phasenverschiebung im unteren Anschlussdraht zum Kondensator. Spannung: Strom: Phasenverschiebung: e.) Vergleichen Sie die Strommessung im "oberen" Anschlussdraht zum Kondensator mit jener am "unteren". Woher stammt die Abweichung?

16 Ground-Problematik bei Verwendung einer Stromzange Mit der Stromzange kann der Strom in verschiedenen Leitern gemessen werden ohne dass die Schaltung selbst verändert wird. Stellen sie am Funktionsgenerator 1kHz Sinus und maximalen Ausgangspegel ein. Schliessen sie einen 10Ω-Widerstand an. a.) Messen sie an den grün bezeichneten Stellen mit der Stromzange den Strom. Strom an der Stelle 1: an der Stelle 2: an der Stelle 3: Strom an der Stelle 4: an der Stelle 5: Strom an der Stelle 6: an der Stelle 7: an der Stelle 8: b.) Erklären Sie die Messresultate und überlegen Sie, wie Sie Fehlmessungen verursacht durch Masseschlaufen verhindern können.

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