Das Mehrkanal-Analogoszilloskop und mögliche Anwendungen in der Messtechnik

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1 Didaktik der Physik Das Demonstrationsexpermiment Das Mehrkanal-Analogoszilloskop und mögliche Anwendungen in der Messtechnik Daniel Sandler Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 1 2 Prinzipieller Aufbau und Kenndaten eines Oszilloskops Aufbau AC/DC-Schalter Intensität/Schärfe des Leuchtpunktes, x/y-verschiebung Eingangswiderstand y-ablenkung x-ablenkung Triggerung Anstiegzeit Bandbreite des Oszilloskop Ausführungsformen/Mehrkanaloszilloskop Zweistrahloszilloskop Zwei-/Mehrkanaloszilloskop Tastköpfe Einsatzmöglichkeiten (im Unterricht) Phasenbestimmung Frequenzbestimmung über Lissajous-Figuren Aufnahme einer Kennlinie Einführung Zunächst soll auf den Unterschied zwischen den beiden häug parallel und synonym verwendeten Begrien des Oszilloskops und des Oszillographen eingegangen werden. Das Wort oscillare steckt in beiden Bezeichnungen und bedeutet schwingen/pendeln. Im Oszillographen versteckt sich 1

2 1 EINFÜHRUNG 2 schlieÿlich noch der Begri grafein, was mit schreiben übersetzt werden kann. Die wenigsten Geräte besitzen jedoch eine Registriereinrichtung, mit der die erzeugten Bilder auch aufgezeichnet werden. Somit ist es in den meisten Fällen nicht korrekt, von einem Oszillographen zu reden, da die meisten Geräte lediglich Oszilloskope sind. Scopein ist ebenfalls wie graphein griechisch und bedeutet sehen/betrachten. Somit führt eine genaue Kenntnis der Bedeutung beider Begrie auch zu einer einfachen Unterscheidung: Oszillograph: Schwingungsschreiber Oszilloskop: Schwingungssichtgerät Elektrische Messgeräte wie beispielsweise Multimeter oder gewöhnliche Voltmeter sind nur einsetzbar, falls eine über längere Zeiträume konstante elektrische Gröÿe gemessen werden soll bzw. falls man sich eine zeitlich gemittelte Gröÿe betrachten möchte, im Endeekt also am Eektivwert einer Gröÿe interessiert ist. Derartige Messergebnisse sind jedoch bei einer Vielzahl von Anwendungen (Wechselstrom, Elektronik) absolut unzureichend, da beispielsweise bei Wechselstrom Kenntnisse über bsp. Kurvenform, Periodendauer/Frequenz, Maximalwert unverzichtbar sind. Desweiteren kann die Kurvenformen derart vielfältig und komplex sein, dass man sie (ohne allzu viel Aufwand) lediglich durch ein Bild beschreiben kann. Auch die etablierten Spannungsbeschreibungen wie sinusförmig, Rechtecksspannung, Sägezahnspannung sind auf Bildbeschreibungen zurückzuführen. Ein Oszilloskop ermöglicht es also, den zeitlichen Verlauf eine elektrischen Spannung zu messen bzw. sichtbar zu messen. U = f(t) Gröÿen wie die Stromstärke I sind mit einem Oszilloskop nicht direkt messbar. Natürlich lässt diese sich aber über einen Widerstand R, über den eine Spannung I R abfällt indirekt messen, zumal diese Spannung auch den gleichen zeitliche Verlauf wie die Stromstärke besitzt. Auch andere Gröÿen werden meist über die Spannung gemessen. Somit ersetzt ein Oszilloskop eine Vielzahl anderer Messgeräte. Zusammenfassung Unterschied: Oszillograph: Darstellung und Aufzeichnung von Spannungen Oszilloskop: Darstellung von Spannungen. Oszilloskope im Gegensatz zu meisten anderen Geräten in der Lage, direkt Informationen über Kurvenform, Frequenz und Maximalwert von Spannungen zu geben Alle anderen elektischen Gröÿen können indirekt über Spannung bestimmt werden.

3 2 PRINZIPIELLER AUFBAU UND KENNDATEN EINES OSZILLOSKOPS 3 2 Prinzipieller Aufbau und Kenndaten eines Oszilloskops 2.1 Aufbau Quelle: Die Elektronenkanone (Glühkathode emittiert freie Elektronen, die von einer postiv geladenen Anode beschleunigt werden und durch ein Loch austreten) erzeugt einen annähernd trägheitslosen (unsichtbaren) Elektronenstrahl, welcher beschleunigt wird und, falls keine Ablenkspannungen vorhanden sind, auf geradlinigem Weg auf den Leuchtschirm trit. Dort entsteht ein Lichtpunkt. Der Leuchtschirm besteht aus Materialen, die über Elektronenbeschuss zur Phosphoreszenz angeregt werden (z.b. Zinksuld- oder Zinksilikat-Phosphor. Die übliche Nachleuchtdauer liegt zwischen 1 und 100 Millisekunden. Im Glaskolben realisieren nun zwei Plattenpaare die erwähnten Ablenkplatten, die eine proportional zur Auadung der Platten horizontale und vertikale Ablenkung des Elektronenstrahls bewirken (auch x- bzw. y-plattenpaar genannt). Der Betrag der Verschiebung ist zudem abhängig von Beschleunigungsspannung und dem inneren Aufbau.

4 2 PRINZIPIELLER AUFBAU UND KENNDATEN EINES OSZILLOSKOPS 4 Vereinfachtes Schaltbild eines Oszilloskops: Quelle: Klaus Beuth, Grundschaltungen, Würzburg AC/DC-Schalter Der AC/DC-Schalter lässt bei AC Stellung das Eingangssignal über einen Kondensator ieÿen. Somit kommt bei Gleichstromeinstellung sowohl Gleich- wie auch Wechselstromanteile durch, wohingegen die Wechselstromeinstellung Gleichstromanteile ltert. 2.3 Intensität/Schärfe des Leuchtpunktes, x/y-verschiebung Mit den entsprechenden Einstellmöglichkeiten am Gerät wird jeweils eine konstante Spannung verändert, die den Strahl in Leuchtkraft und Schärfe ändert bzw. eine beliebige manuelle Verschiebung des Punktes auf dem Schirm erlaubt. 2.4 Eingangswiderstand Die Eingangsimpedanz eines Oszilloskops gibt an, wie groÿ der komplexe Widerstand eines Kanals ist. Je kleiner der Widerstand ist, desto mehr wird die zu messende Signalquelle belastet, was die Messung verfälschen würde. Die Angabe erfolgt in Ohm und Farad, z.b. 1M Ω 20pF. Hieran sieht man, dass dem Eingang noch ein Kondensator parallel liegt, die Eingangsimpedanz also frequenzabhängig ist. Demnach sinkt sie bei hohen Frequenzen deutlich ab. 2.5 y-ablenkung Moderne Oszilloskope sind kalibriert, d.h. sie sind geeicht und die Angaben der Einstellungen gelten. Die Verstärkung/Abschwächung der y-ablenkung lässt sich über eine Schalter variieren. Dort ist auch der Ablenkkoezient angegeben. Die Einheit beträgt Volt/Skalenteile, so daÿ sich über das Ablesen der Skalenteile auf dem Schirm bequem die Spannung bestimmen lässt. Hier ist allerdings zu beachten, dass der stetige Frequenzeinsteller sich auf Nullstellung bendet, da sonst der Wert verfälscht ist.

5 2 PRINZIPIELLER AUFBAU UND KENNDATEN EINES OSZILLOSKOPS x-ablenkung Um eine zeitliche Darstellung des Spannungssignals zu erreichen wird eine Zeitablenkung benötigt. Diese wird über eine Sägezahngenerator realisiert, welcher die Spannung an den x-platten solange erhöht, bis der Punkt das Ende des Schirms erreicht hat, instantan auf 0 abfällt und schlieÿlich wieder ansteigt. Die Steigung der Sägezahnspannung ist ein Maÿ für die Dauer eines Durchgangs des Punktes von links nach rechts. Die Dimension der Zeitablenkung ist Zeit/Skalenteil. Die Darstellung einer sinusförmigen Wechselspannung ist somit möglich. Allerdings erhält man nur ein stehendes Bild, falls die Periodendauer des x-signals ein ganzes Vielfaches der Periodendauer des y-signal ist. Sonst startet ein neuer Durchgang ständig bei einer anderen Wert des y-signals und der Eindruck eines sich bewegenden Sinus entsteht. Man kann natürlich versuchen, die Frequenz der Sägezahnspannung manuell einzustellen, was sich allerdings als mühsam erweist. Dieses Problem führt zur Triggerung. 2.7 Triggerung Triggern bedeutet auslösen. Der Sägezahngenerator wird also solange angehalten, d.h. erst wieder ausgelöst, wenn ein entsprechendes Signal kommt. Diese Auslösung kann einmalig oder periodisch sein oder von auÿen kommen: Intern positiv/negativ: Auösung, wenn bestimmter Wert der ansteigenden/abfallenden Flanke des y-signals überschritten wird. Automatisch positiv/negativ: wie intern, läuft aber auch ohne Eingangssignal einmalig: wie intern, jedoch nicht periodisch Extern: ein externes Signal löst das Triggersignal aus 2.8 Anstiegzeit Die Anstiegzeit ist die Zeit, die ein abgebildetes Spannungssprung braucht, um von 10% auf 90% seines Maximalwertes zu steigen, wenn der Eingangssprung unendlich steil ist und beträgt nach Beuth: T An = 1 3 f go f go : obere Grenzfrequenz Quelle: Klaus Beuth, Grundschaltungen, Würzburg Bandbreite des Oszilloskop Die Bandbreite ist die Dierenz aus oberer und unterer Grenzfrequenz. Die obere ist sehr geräteabhängig. Die untere Grenzfrequenz ist die Frequenz einer Wechselspannung die gerade noch bei

6 2 PRINZIPIELLER AUFBAU UND KENNDATEN EINES OSZILLOSKOPS 6 Wechselspannungsbetrieb registriert wird. Erreicht man die Grenzfrequenzen, wird die Anzeige um 3dB verfälscht. Bandbreite = f go f gu 2.10 Ausführungsformen/Mehrkanaloszilloskop Oszilloskope, mit denen Eingangssignale angezeigt werden können, sind auf zwei Arten realisiert: Zweistrahloszilloskop Dieses Gerät besitzt zwei getrennte Strahlsysteme, was sich jedoch im Preis äuÿert, da diese Systeme sehr teuer sind. Der Vorteil liegt darin, dass selbst Signale hoher Frequenzen zeitgleich sichtbar gemacht werden können. Solche Geräte werden jedoch nur für spezielle Messzwecke eingesetzt Zwei-/Mehrkanaloszilloskop In diesem Gerät bendet sich nach wie vor nur ein Strahlsystem. Allerdings existiert ein zweites y-ablenksystem (Kanal). Zwischen beiden Spannungen wird in schneller Folge durch einen elektronischen Schalter hin und her geschaltet, so dass der Eindruck zweier gleichzeitiger Bilder entsteht. Um beide Spannungen anzuzeigen muss ein entsprechender Schalter auf Dual-Betrieb gestellt werden. Dieser Dual-Betrieb kann auf zwei unterschiedliche Arten verwirklicht werden: 1.Alternierender Betrieb (abwechselnd) 2. Chopper-Betrieb (zerhackt) Beim alternierenden Betrieb wird pro Horizontaldurchlauf der eine Kanal betrieben, anschlieÿend der andere. Das bedeutet, man sieht eigentlich immer nur einen Strahl, was jedoch durch die Trägheit des Auges und dem Nachleuchten der Schirms nicht wahrnehmbar ist. Der alternierende Betrieb ist bei hohen Frequenzen zu wählen. Bei niedrigen Frequenzen hätte man im alternierenden Betrieb keine Vergleichmöglichkeit, da die beiden Kanäle nacheinander angezeigt würden, weshalb der Chopper-Betrieb gewählt wird. Hier schaltet ein Schalter mit hoher Frequenz (ca. 1 MHz) zwischen beiden Kanälen hin und her (ca. alle 0, 5µs).

7 3 EINSATZMÖGLICHKEITEN (IM UNTERRICHT) 7 Hohe Frequenz mit Chopper: Stellt man zwei Spannungen gleichzeitig dar erhält man jedoch nur stehende Bilder, falls das Verhältnis der Frequenzen ganzzahlig ist, da man nur auf eine Frequenz triggern kann Tastköpfe Ein Tastkopf besteht aus einer Greifklemme oder einer Spitze, mit der man bequem jeden Punkt der Schaltung abtasten kann und einem (abgeschirmten) Koaxialkabel. Die Abschirmung ist notwendig, um induktive bzw. kapazitative Kopplungen zwischen mehreren Kabeln zu vermeiden. Es existieren verschiedene Ausführungsformen von Tastköpfen: 1. 1:1 Tastkopf: Die Eingangsspannung wird vom Meÿpunkt zum Eingang des Oszilloskop ohne Spannungsteilung übertragen. 2.10:1 Tastkopf: Im Tastkopf bendet sich ein Spannungsteiler, der die Amplitude des Eingangssinals im Verhältnis 10:1 herabsetzt. Mit Hilfe eines solchen Tastkopfes kann ein sehr hoher Eingangswiderstand erzielt werden, so dass auch hohe Spannungen mit dem Oszilloskop gemessen werden können, da nur noch (im diesem Fall) ein zehntel des eigentlichen Spannungssignal das Oszilloskop erreicht. 3. Tastkopf mit Gleichrichter: Hf-Eingangssignale werden gleichgerichtet. Die gewonnene Nf-Spannung wird an den Eingang des Oszilloskops geführt. Generell sollte immer die mit dem Gerät gelieferten Tastköpfe verwendet werden, da sie diesem angepasst wurden, also nicht geeicht werden müssen. 3 Einsatzmöglichkeiten (im Unterricht) 3.1 Phasenbestimmung Mit f = 1 kann man aus zwei Wechselspannungssignalen mit gleicher Frequenz über Perdiodendauern diese natürlich bestimmen. Zum anderen lässt sich auch die Phasenverschiebung ermitteln, T indem man den zeitlichen Abstand t zweier Punkte identischer Amplitude abliest: ϕ t = 360 T ϕ = 360 t T 3.2 Frequenzbestimmung über Lissajous-Figuren Die x-ablenkung wird hierbei durch eine fremdeingespeiste Spannung ersetzt. Für 2 Sinusspannungen ergeben sich bei identischen Frequenzen folgende Bilder:

8 LITERATUR 8 Die einzelnen Figuren zeigen von links nach rechts ( ) Phasendierenzen ( von ϕ ) = 0, 30, 90, 150, 180 x A Also erhält man den aktuellen Punkt über = 1 sin(wt) y A 2 sin(wt + ϕ) Ist eine Frequenz unbekannt, so lässt sich diese ermitteln, indem man die 2. Frequenz so lange variiert, bis man eine der obigen Figuren erhält. 3.3 Aufnahme einer Kennlinie Eine Kennlinie eines Bauelements gibt den Zusammenhang zwischen angelegter Spannung und dem dabei ieÿenden Strom wieder, bei einem ohmschen Widerstand also eine lineare Kennlinie. Solche Kennlinien lassen sich mit dem Oszilloskop direkt betrachten, so dass keine Messung der einzelnen Punkte auf der Kennlinie notwendig ist. Hierfür wird das Oszilloskop in x-y-betrieb verwendet. Auf der y-achse wird eine der Stromstärke proportionale Spannung angezeigt, während die x-achse die angelegte Spannung zeigt. Schaltbild für Aufnahme einer Kennlinie: Quelle: Um ein stehendes Bild zu erhalten braucht man natürlich eine periodische Spannung. Aus dem Schaltplan ist ersichtlich, dass die Spannung, welche über dem Widerstand abfällt als Maÿ für die Stromstärke dient. Bezogen auf den gemeinsamen Massepunkt ist die über dem Widerstand abfallende Spannung negativ, falls die Diodenspannung postiv ist, so dass erstere am Oszilloskop invertiert werden muss, um die gewohnte Darstellung der Kennlinie zu erhalten. Literatur [1] Klaus Beuth, Grundschaltungen, Würzburg 1994