Versuch 25 Oszilloskop

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1 Physikalisches Grundprakikum der Universiä Heidelberg - Prakikum I Versuch 5 Oszilloskop III Moivaion Ziel dieses Versuchs is nich die Unersuchung eines physikalischen Gesezes oder die Besimmung einer Naurkonsanen, sondern das Kennenlernen und richige Anwenden eines in Wissenschaf und Technik wei verbreieeen Insrumens. Am häufigsen wird das Oszilloskop zur Darsellung der zeilichen Veränderung eines elekrischen Signals in Echzei benuz. Nahezu alle physikalischen Größen, die sich mi geeigneen Sensoren in korrespondierende elekrische Signale umwandeln lassen, können mi einem Oszilloskop dargesell werden. Das Anwendungsfeld reich von einfachen Ampliudenmessungen einer Sinusspannung, bis hin zur Darsellung von Herz- bzw. Gehirnsrömen im medizinischen Bereich. Dabei überdeck die Zeiauflösung einen Bereich von einigen ns bei schnellen Oszilloskopen, bis zu mehreren Minuen bei digialen Speicheroszilloskopen. Abbildung : Versuchsaufbau Oszilloskop. IV Vorbereiung I II Messaufbau Oszilloskop Goldsar OS-900A Funkionsgeneraor Signalgeneraor Phasenschieber Sinusgeneraor und Nezeil für zwei Aufbauen zusammen Lieraur Erns Beckmann e al., Einführung in die Elekronik, vgs Verlagsgesellschaf Köln. Ein sehr empfehlensweres Buch zur Vorbereiung. Das Buch kann bei der Prakikumsverwalung eingesehen werden. W. Walcher, Prakikum der Physik, B.G.Teubner Sugar. Homepage des Prakikums (hp:// Informieren Sie sich mi Hilfe zusäzlicher Lieraur über das Funkionsprinzip eines Oszilloskops. Weierführende Lieraur kann bei der Prakikumsverwalung enliehen werden. Bereien Sie sich außerdem auf folgende Themen vor: Bewegung von Elekronen in elekrischen Feldern, Kenngrößen von Wechselspannungen: Frequenz, Periode, Phase, Spize-Spize-Spannung U SS bzw. U PP, Effekivspannung. Senkreche Überlagerung von Schwingungen: Lissajous- Figuren. V Aufgaben Durch gezieles Versellen der Bedienelemene des Oszilloskops und Beobachung der dami verbundenen Auswirkungen auf den Elekronensrahl, soll die Bedienung des Oszilloskops geüb werden. Unersuchung der Synchronisaion und der Triggerung des Elekronensrahls zur Darsellung sehender Bilder. Messung der Periodendauer und Ampliude von verschiedenen Signalformen. Für ein periodisch exponeniell abfallendes und aufseigendes Signal is die Halbwerszei zu besimmen. c Dr. J.Wagner - Physikalisches Anfängerprakikum - V. 0.8 Sand 08/00

2 Physikalisches Grundprakikum der Universiä Heidelberg - Prakikum I Messungen im Zweikanalberieb: Unersuchung der Phasenverschiebung zweier Sinussignale gleicher Frequenz, sowohl im y- als auch im xy- Berieb. Qualiaive Beobachung von Lissajous- Figuren uner Beachung der Frequenzverhälnisse. Glühkahode mi Wehnelzylinder Fokussierelekrode Anode y-ablenkung x-ablenkung y VI Grundlagen Aufbau eines Elekronensrahl- Oszilloskops In Abbildung is der schemaische Aufbau einer Elekronensrahl- Röhre dargesell. Am schlanken Ende einer evakuieren Glasröhre befinde sich eine beheizbare Kahode (Glühkahode), aus der durch hermische Emission Elekronen herausreen. Diese Elekronen werden durch eine hohe elekrische Spannung U B in Richung Anode beschleunig, durchlaufen anschließend die x- und y-ablenkeinheien und reffen schließlich auf die Floureszenzschich des Leuchschirms, an dessen Aufreffpunk sie einen Leuchfleck erzeugen. Die Helligkei des Leuchflecks kann zum einen durch die Beschleunigungsspannung, als auch mi Hilfe des Wehnel- Zylinders eingesell werden. Befinde sich der Wehnel- Zylinder auf einem Poenial U W, das negaiver is als das Poenial an der Kahode, so bewirk dieses absoßende Poenial, dass ein Teil der Elekronen zur Kahode zurückgedräng werden und somi weniger Elekronen den Leuchschirm erreichen. Ab einem gewissen Sperrpoenial können keine Elekronen den Wehnel-Zylinder passieren. Dadurch is ein sehr schnelles Ausschalen (Dunkelasung) und auch wieder Einschalen des Elekronensrahls möglich. Wir werden späer noch darauf zurückkommen. Zur Fokussierung des Elekronensrahls befinde sich zwischen dem Wehnel- Zylinder und der Anode eine zusäzliche zylinderförmige Fokussierelekrode. Lieg diese auf einem posiiven Poenial U F, das kleiner is als das Poenial an der Anode, so wirk die Fokussierelekrode zusammen mi der Anode wie eine elekrische Sammellinse, die die Glühkahode auf den Schirm abbilde. Durch Variierung des Poenials an der Fokussierelekrode mi dem Einsellregler FOCUS kann so ein scharfer Leuchfleck erzeug werden. Mi der bisher geschilderen Elekrodenanordnung läss sich nur ein sarrer Leuchfleck erzeugen. Zwar kann die Helligkei und die Schärfe des Leuchflecks eingesell werden, der Leuchpunk verharr aber ses im Mielpunk des Schirms. Dami der Leuchpunk in der gesamen Bildschirmebene beweg werden kann, benöigen wir zusäzlich die x- und y-ablenkeinheien. Diese Ablenkeinheien besehen jeweils aus zwei Meallplaen, die senkrech zu- U W U F U B Beschleunigungsspannung Abbildung : Schemaischer Aufbau eines Elekronensrahl- Oszilloskops. einander angeordne sind (Plaenkondensaor). Berachen wir zunächs die y-ablenkeinhei: Leg man an diese eine Spannung so wirk auf ein Elekron beim Durchqueren eine elekrische Kraf, die proporional zur Spannung is und in y-richung wirk. Befinde sich beispielsweise die obere Ablenkplae auf einem posiiven Poenial, so wird der Elekronensrahl und somi der Leuchpunk oberhalb der Schirmmie abgelenk. Bei umgekehrer Polung wird der Leuchfleck ensprechend nach unen abgelenk. Durch eine Seuerspannung an den y-ablenkplaen is also eine verikale Verschiebung des Leuchpunks möglich. Der gleiche Effek kann mi Hilfe der x-ablenkeinhei und einer Seuerspannung auch in horizonaler Richung erziel werden. Somi kann durch eine ensprechende Einsellung von und jeder Punk auf dem Leuchschirm erreich werden. Das Oszilloskop im y-berieb Bisher haben wir nur diskuier, wie man einen einzelnen Punk auf dem Leuchschirm anseuern kann. Im Allgemeinen wird aber ein Oszilloskop dazu benuz, um ein Spannungssignal als Funkion der Zei darzusellen. Man bezeichne diesen Beriebsmodus auch als y- Berieb. Die y-richung des Bildschirms ensprich dabei der Spannungsachse und die x-achse der Zei. Das Grundprinzip is in Abbildung skizzier. Hier soll beispielsweise ein Sinussignal als Funkion der Zei auf dem Oszilloskop dargesell x c Dr. J.Wagner - Physikalisches Anfängerprakikum - V. 0.8 Sand 08/00

3 Physikalisches Grundprakikum der Universiä Heidelberg - Prakikum I werden. Hierfür wird das darzusellende Signal auf die y-ablenkplaen geleg. Aufgrund der sinusförmigen sich ändernden Spannung beweg sich der Leuchpunk zunächs nur immer auf und ab (Abbildung a). Auf dem Oszilloskop erschein eine senkreche Linie mi der man naürlich noch nich allzuviel anfangen kann. Um nun eine sinnvolle Zeiinformaion zu erhalen muss der Leuchpunk gleichzeiig zur y-ablenkung auch proporional zur Zei in horizonaler Richung abgelenk werden. Dami dies zeilich linear geschieh, besiz ein Oszilloskop eine eingebaue Elekronik, die eine sogenanne Sägezahnspannung an der x-ablenkeinhei generier (Abbildung b). U max U min Vorlauf Rücklauf Oszillokopbild Rücklauf a) U y b) c) Abbildung : Links: Eine Periode der Sägezahnspannung die die Zeiablenkung des Elekronensrahls für den Vor- und Rücklauf besimm. Rechs: Ohne Dunkelasung würde der Elekronensrahl beim Rücklauf eine sörende Linie (in der rechen Abbildung gepunke dargesell) auf das Bild schreiben. Abbildung : Wirkungsweise der x- und y-ablenkeinheien: a) Das darzusellende Spannungssignal (hier ein Sinussignal) wird an die y-ablenkeinhei angeschlossen. b) Gleichzeiig erzeug das Oszilloskop inern eine Sägezahnspannung, an der x-ablenkeihei die den Elekronensrahl proporional zur Zei horizonal verschieb. c) Das resulierende Oszilloskopbild bei dem gleichzeiig die Signalablenkung in y-richung, sowie die Sägezahnspannung in x-richung anlieg, liefer den Spannungsverlauf () als Funkion der Zei. Diese Spannung seig zunächs zeilich linear an, so dass sich der Elekronensrahl proporional zur Zei in horizonaler Richung mi konsaner Ge- schwindigkei beweg. Erreich der Leuchpunk den rechen Bildschirmrand, so soll der Schreibvorgang wieder am linken Rand des Leuchschirms beginnen. Dies wird erreich indem die x-ablenkspannung sehr schnell auf das negaive Maximum umgepol wird. Da dieses Umpolen naürlich auch eine gewisse Zei benöig, erinner die Form des Signalverlaufs, der Zahnung eines Sägeblas. Die x-ablenkspannung wird daher als Sägezahnspannung bezeichne. Die langsame linear anseigende Ansiegsflanke beding dabei den Vorlauf des Elekronensrahls und die seil abfallende Flanke den Rücklauf. Gleichzeiig zum Sägezahnsignal folg der Elekronensrahl auch der Signalspannung, die an der y-ablenkeinhei anlieg. Aufgrund der opische Träghei unserer Augen und dem Nachleuchen des Schirmes enseh so ein Bild, dass den Spannungsverlauf () darsell (Abbildung c). Übrigens läss sich die Nachleuchdauer durch eine geeignee Wahl der Flouressenzschich von ewa einer ms bei schnellen Oszilloskopen, bis mehreren Sekunden, wie es zum Beispiel bei analogen Radarschirmen erforderlich is, einsellen. Beim Rücklauf des Elekronensrahls erzeug dieser eine sörende Leuchspur auf dem Schirm (Abbildung ). Um dies zu vermeiden wird für die Zeidauer der Rücklaufzei ein Impuls auf den Wehnelzylinder gegeben, der den Elekronensrahl ausschale (Dunkelasung). Auf dem Oszilloskop is dann nur das Bild, das beim Signalvorlauf erzeug wird, zu sehen. Der Elekronensrahl is vergleichbar mi einem mechanischen Linienschreiber (y-schreiber), der den Spannungsverlauf auf ein Bla Papier (Endlospapier) c Dr. J.Wagner - Physikalisches Anfängerprakikum - V. 0.8 Sand 08/00

4 Physikalisches Grundprakikum der Universiä Heidelberg - Prakikum I als Funkion der Zei aufzeichne. Dabei beweg sich das Papier mi konsaner Geschwindigkei uner einem Schreibsif. Gleichzeiig folg der Sif aber auch dem zu messenden Spannungssignal in der zur Papiervorschubrichung senkrechen Richung. Es enseh so eine lange Papierbahn, die den Spannungsverlauf koninuierlich mi der Zei bzw. mi der Papierlänge wiedergib. Im Gegensaz zum mechanischen Linienschreiber seh beim Oszilloskop nur eine begrenze Bildschirmbreie zur Verfügung. Da aber das Oszilloskopbild regenerier wird, sobald der Srahl aussez und die Nachleuchdauer des Bildschirms abgeklungen is, verblass das zuvor aufgezeichnee Bild und es kann erneu ein Spannungssignal im Bildschirmbereich aufgezeichne werden. a). Bild. Bild b). Bild. Bild Triggerung Im Allgemeinen möche man mi einem Oszilloskop periodische Signale darsellen. Leg man beispielsweise an den y-eingang ein koninuierliches Sinussignal, so soll auf dem Schirmbild ses ein zeilich konsaner Ausschni dieses Signals angezeig werden. Dami man auf dem Leuchschirm ein sillsehendes Bild erhäl, muss die Periodendauer der Sägezahnspannung gleich oder ein ganzzahliges Vielfaches von der Periodendauer des darzusellenden Sinussignals beragen. Andere asynchrone Einsellungen der Perioden führen zu einem flackernden, unregelmäßigen Bild, da bei jedem Srahlvorlauf immer ein anderer Signalbereich dargesell wird (Abbildung 5).. Periode. Periode Oszilloskop. Periode. Periode Oszilloskop. Bild. Bild Um ses ein sehendes Bild zu erhalen und unabhängig von den jeweiligen Periodendauern zu sein, muss das zu messende Signal () gerigger werden (Abbildung 6). Im Triggerberieb arbeie das Oszilloskop nich mi sändig ablaufenden Zeiablenksignalen. Die Sägezahnspannung wird ers dann generier, wenn die Eingangsspannung einen besimmen Wer (Triggerschwelle) überschreie. Ers dann sare das Sägezahnsignal und der Srahl wird horizonal abgelenk. Nachdem eine Periode des Sägezahnsignals vollsändig abgelaufen, d.h. die Sägezahnspannung wieder auf ihr Minimum zurückgesprungen is, vergleich die im Oszilloskop eingebaue Triggerelekronik ob die darzusellende Eingangsspannung genauso groß is wie die Triggerschwelle. Is dies nich der Fall, so wird der Elekronensrahl mi Hilfe des Wehnelzylinders schlagarig ausgeschale. Ers wenn die Eingangsspannung die Triggerschwelle wieder erreich, wird der Elekronensrahl eingeschale und der Sägezahngeneraor erneu gesare, so dass ein neues Bild auf den Oszilloskopschirm geschrieben wird. Die Bilddarsellung beginn demnach immer an der gleichen Selle bzw. bei der gleichen Phasenlage des Eingangssignals. Bei einem koninuier- Abbildung 5: a) Das darzusellende Sinussignal ha die gleiche Periodendauer wie die Sägezahnspannung. Dadurch wird bei jedem Srahlvorlauf der gleiche Signalbereich auf dem Oszillokopschirm dargesell und es enseh ein sehendes Bild. b) Die Periode des Sinussignals simm nich mi der Periodendauer des Sägezahns überein. Dies ha zur Folge, dass bei jedem Srahlvorlauf ein anderer Bereich des Sinussignals auf dem Schirm erfass wird und so kein sehendes Oszilloskopbild möglich is. c Dr. J.Wagner - Physikalisches Anfängerprakikum - V. 0.8 Sand 08/00

5 Physikalisches Grundprakikum der Universiä Heidelberg - Prakikum I. Bild. Bild Triggerschwelle. Periode. Periode Oszilloskop lich periodischen Eingangssignal is somi immer der gleiche Signalauschni als sehendes Bild auf dem Oszilloskop zu sehen. Wenn im Folgenden von riggern gesprochen wird, is dami das Saren des Sägezahngeneraors und somi das Aufzeichnen eines einzelnen Oszilloskopbilds gemein. Das Einsezen der Triggerung kann an den Einsellreglern des Oszilloskops beeinfluss werden. So kann beispielsweise der Triggerlevel sufenlos eingesell werden. Desweieren kann auch die Triggerung zwischen seigender und fallender Flanke umgeschale werden. Wird die Einsellung seigende Flanke gewähl, so erfolg die Triggerung nur dann, wenn das darzusellende Eingangssignal beim Erreichen der Triggerschwelle anseig. Wird auf die fallende Flanke gerigger, so erfolg die Triggerung wenn das Eingangssignal die Triggerschwelle von oben kommend durchläuf. In Abbildung 6 erfolg die Triggerung beispielsweise auf der seigenden Flanke der Eingangsspannung. Auf die genaue Einsellung der Triggerparameer wird an späerer Selle noch deaillier eingegangen. Bedienung des Oszilloskops Dunkelasung Abbildung 6: Prinzip der Triggerung: Der Sägezahngeneraor wird ers dann gesare wenn das darzusellende Eingangssignal die Triggerschwelle erreich. Nach Ablauf einer Sägezahnperiode wird der Elekronensrahl dunkelgease. Ers wenn das Eingangssignal wieder die Triggerschwelle erreich, wird die nächse Sägezahnperiode gesare. Durch den Triggerberieb erhäl man ses ein sehendes Oszilloskopbild. Der Leuchschirm des Oszilloskops besiz ein Koordinaensysem mi dem Sie die Signale leich vermessen können. Zusäzlich befinde sich auf dem Bildschirm noch ein quadraisches Giernez besehend aus ach mal zehn Käschen. Die Breie und Höhe eines Käschens wird im folgenden als DIV bezeichne (DIV is die englische Abkürzung für division und bedeue hier die Unereilung des Koordinaensysems des Bildschirms). Die horizonale und verikale Achse des Koordinaenkreuzes besizen zusäzlich noch eine Feineineilung von 0, DIV. Die Fronplae des Oszilloskops is in vier Bereiche geglieder: Horizonalablenkung Die Laufzei des Elekronensrahls über die horizonale Bildschirmrichungund dami die Dauer der Vorlaufzei der Sägezahnspannung- kann mi dem Schaler TIME/DIV eingesell werden. Der Schaler besiz insgesam 9 fes kalibriere Schalposionen. Die daneben sehenden Einheien beziehen sich ses auf die Breie eines horizonalen Käschens des Bildschirms. Die Einsellung 50 µs/div bedeue z.b., dass der Elekronensrahl 50 µs benöig um ein Käschen des Bildschirms in horizonaler Richung zu durchlaufen. Mi dem hier im Prakikum eingesezen Oszilloskop kann die horizonale Ablenkzei c Dr. J.Wagner - Physikalisches Anfängerprakikum - V. 0.8 Sand 08/00 5

6 Physikalisches Grundprakikum der Universiä Heidelberg - Prakikum I aufgebau (Abbildung 8). Die Bedienelemene der linken Seie sind für den Kanal ausgeleg, die der rechen Seie für den Kanal. Abbildung 7: Bedienfeld der Horizonalablenkung. im Bereich von 00 ns/div bis 00 ms/div eingesell werden. Das sind immerhin sechs Größenordnungen! Beachen Sie bei Zeimessungen, dass die Angaben am Regler nur dann geeich sind, wenn der daneben liegende Einsellknopf auf der Posiion CAL seh (CAL=kalibrier). Diesen Einsellknopf sollen Sie nur dann verwenden, wenn keine Zeimessungen durchzuführen sind und Sie das Oszilloskopbild in horizonaler Richung sauchen oder srecken möchen. Der Zeiwahlschaler besiz am rechen Anschlag eine Posiion mi der Bezeichnung X-Y. In dieser Sellung arbeie das Oszilloskop nich wie bisher besprochen im y-berieb sondern im xy-modus. Dieser Beriebsmodus wird weier unen noch ausführlich diskuier. Ganz rechs im Bedienfeld befinde sich zusäzlich noch ein Einsellregler mi dem Sie das Oszilloskopbild in horizonaler Richung verschieben können ( ). In Abbildung 7 sind die Bedienelemene für die Zeiablenkung dargesell. Verikalablenkung Alle Oszilloskope im Prakikum sind für den Zweikanalberieb ausgeleg, d.h. sie können gleichzeiig zwei verschiedene Eingangssignale auf dem Leuchschirm darsellen. Die Fronplae der Verikalablenkung is symmerisch Abbildung 8: Bedienfeld der Verikalablenkung. Die Eingangssignale werden über BNC- Buchsen an das Oszilloskop angeschlossen. Die Beschrifung neben den Buchsen gib den Eingangswidersand, die Eingangskapaziä und die maximal erlaube Eingangsspannung an. Ganz links, bzw. rechs für den zweien Kanal, befinden sich die Schaler für die Eingangskopplung. Seh der Schaler auf GND (GND=Ground, Erde), so wird die y-ablenkung auf Erde geleg. Der Srahl erfähr dann keine y-ablenkung. Die GND-Einsellung dien zur Eichung der Nulllinie. Mi dem Posiionsregler können Sie bei dieser Kopplung die Nulllinie so verschieben, dass diese im Ursprung des Koordinaenkreuzes lieg. Dies is dann wichig, wenn Gleichspannungen gemessen werden sollen, da in diesem Fall eine exake Ausrichung des Nullpunks erforderlich is. Möchen Sie beispielsweise wie in Abbildung 9 dargesell, eine Sinusspannung messen, die einen Gleichspannungsaneil besiz, so is dies nur bei der direken Kopplung DC möglich. Bei der DC-Kopplung wird das Eingangssignal direk, ohne weiere Beeinflussung, wie z.b. Filerung, an die y-ablenkung geleg. Möchen Sie bei dieser Kopplung quaniaive Messungen durchführen, müssen Sie aber zuvor den Nullpunk mi Hilfe der Kopplung GND einsellen. In den meisen Fällen is man aber nur an den Änderungen eines Signals ineressier, d.h. am Wechselspannungsaneil. Um nur diesen Aneil darzusellen muss der Schaler auf die Posiion AC geleg werden. Bei dieser Kopplung wird zusäzlich ein Hochpassfiler zugeschale, der ewaige Gleich- AC: alernaing curren (Wechselssrom), DC: direc curren (Gleichsrom), ACDC: geniale Rockband. c Dr. J.Wagner - Physikalisches Anfängerprakikum - V. 0.8 Sand 08/00 6

7 Physikalisches Grundprakikum der Universiä Heidelberg - Prakikum I spannungsaneile ausfiler. Bei der AC-Kopplung wird auf dem Oszilloskopschirm dann nur das Sinussignal ohne den Gleichspannungsaneil dargesell (Abbildung 9 Mie). Kopplung: DC Gleichspannungsaneil Kopplung: AC Kopplung: Gnd Posiion Abbildung 9: Auswirkungen der verschiedenen Eingangskopplungen. Bei der DC-Kopplung wird sowohl der Gleichspannungs- als auch der Wechselspannungsaneil auf dem Schirm angezeig, während bei der AC-Kopplung nur der Wechselspannungsaneil des Eingangssignals dargesell wird. In der GND- Einsellung wird die y-ablenkung geerde. Mi dem Posiionsregler kann zur Feslegung des Nullpunks die Nulllinie verikal verschoben werden. Mi dem Oszilloskop sollen Spannungspegel über mehrere Dekaden gemessen werden können. Da zur maximalen Srahlablenkung in y-richung aber immer die gleiche Maximalspannung an den y-ablenkplaen anliegen muss, kann die zu messende Eingangsspannung nich direk an die y-ablenkplaen geleg werden. Sollen sehr kleine Spannungen dargesell werden, so müssen diese versärk werden, dami der Spannungsverlauf möglichs den gesamen Bildschirm in y-richung ausfüll. Bei der Darsellung von sehr hohen Spannungen müssen diese ensprechend abgeschwäch werden. Zu diesem Zweck is zwischen der Eingangsbuchse und den y-ablenkplaen eine inerne Elekronik zwischengeschale, mi dessen Vorwahlschaler der y-ablenkkoeffizien eingesell werden kann. Dieser Vorwahlschaler befinde sich auf der Fronplae rechs neben dem Schaler für die Eingangskopplung. Bei dem hier verwendeen Oszilloskop kann der Ablenkkoeffizen im Bereich von 5 mv/div bis 5 V/DIV in zehn Sufen eingesell werden. Die Einhei am Schaler bezieh sich, wie bei der Zeiablenkung, auf ein Käschen des Oszilloskopschirms; diesmal aber in verikaler Richung. 50 mv/div bedeue beispielsweise, dass der Elekronensrahl eine Signaländerung von 50 mv benöig, um ein Käschen in verikaler Richung zu durchlaufen. Im Zenrum des y-vorwahlschalers is ein weierer Regler eingebau, mi dem Sie den y-ablenkkoeffizien seig, aber ungeeich verändern können. Überprüfen Sie bei quaniaiven Messungen, dass dieser zweie Regler ses auf der Posiion CAL seh. Nur dann sind die Zahlenangaben am Vorwahlschaler geeich. In der Mie der Fronplae der Verikalablenkung, befinde sich ein weierer Schaler der Bezeichnung MODE, mi dem Sie die Darsellung der beiden Signalspannungen auf dem Oszilloskop einsellen können. Die möglichen Einsellungen sind CH, CH bei den jeweils nur der ensprechende Kanal auf dem Schirm dargesell wird (Einkanalberieb). In der Sellung DUAL werden beide Kanäle gleichzeiig angezeig und in der Sellung ADD erschein die algebraische Summe der beiden Eingangssignale. Display Der Bedienbereich der Fronplae für den Bildschirm enhäl den Nezschaler sowie die Einsellregler FOCUS und INTEN, mi denen die Schärfe und Inensiä des Bildes eingesell werden können. Zusäzlich is auch noch ein Kalibrierungsanschluss PROBE ADJUST für Tasköpfe vorhanden. An diesem Anschluss lieg ein Rechecksignal mi einer Frequenz von khz an. Triggerung Mi dem Poeniomeer Level kann die Triggerschwelle sufenlos eingesell werden. Zusäzlich besiz das Poeniomeer einen eingebauen Schaler mi dem Sie die Triggerflanke wählen können. Bei herausgezogenem Drehknopf wird auf die fallende Flanke gerigger, bei gedrückem Knopf auf die seigende. Rechs daneben befinde sich der Schaler MODE für den Triggermodus. Bei der Sellung NORM kann die Triggerung der Zeiablenkung an jeder Selle der Signalflanke durch Variierung der Triggerschwelle erfolgen (Abbildung 6). Is der Triggerlevel zu hoch oder zu ief eingesell, so dass das Eingangssignal diesen Wer nich erreichen kann, enseh im Allgemeinen kein sehendes Bild. Die auomaische Triggerung (Schalersellung AUTO) ha bei dem hier verwendeen Oszilloskop im Wesenlichen die gleiche Funkion wie die normale Triggerung NORM. Der einzige Unerschied bei dem hier verwendeen Oszilloskop lieg darin, dass der Elekronensrahl nich dunkelgease wird, wenn das Signal außerhalb der Triggerschwelle lieg oder kein Signal angeschlossen is. Bei besseren Oszilloskopen bewirk die auomaische Triggerung zusäzlich, dass c Dr. J.Wagner - Physikalisches Anfängerprakikum - V. 0.8 Sand 08/00 7

8 Physikalisches Grundprakikum der Universiä Heidelberg - Prakikum I die Triggerschwelle auomaisch eingesell wird. Der Level- Einsellregler wird dann nich mehr benöig. Diese beiden inernen Triggermehoden werden am häufigsen verwende. Zusäzlich besiz das Oszilloskop noch die Triggerungen: TV-H und TV-V. Bei diesen Schalersellungen sind Triggerungen miels Bild- oder Zeilensynchronimpulsen von Monioren bzw. Fernsehgeräen möglich. Im Prakikum werden diese Einsellungen nich benöig. Abbildung 0: Bedienfeld der Triggerung. Der Schaler SOURCE seh auf der Posiion EXT und der Schaler MODE auf TV-H. Mi dem Schaler ganz rechs am Trigger- Bedienfeld können Sie die Triggerquelle auswählen (SOURCE). Prinzipiell unerscheide man zwischen inerner und exerner Triggerung. Die inerne Triggerung, bei dem direk auf das y-eingangssignal gerigger wird, wurde bereis oben diskuier. Im Zweikanalberieb können Sie am Schaler auswählen, ob auf Kanal (CH) oder Kanal (CH) gerigger werden soll. Im Einkanalberieb müssen Sie den Schaler auf den Kanal einsellen, an dem das Eingangssignal angeschlossen is. Zusäzlich sind noch zwei weiere Triggerquellen möglich. In der Schalersellung (LINE) wird auf die Frequenz des Sromnezes (in Deuschland 50 Hz) gerigger. Dies wird aber nur selen benöig und soll hier nich weier diskuier werden. Weiaus wichiger is die exerne Triggerung. In diesem Modus (Schalersellung EXT) wird der Trigger nich selbs durch das Eingangssignal ausgelös, sondern durch ein exernes Signal, das an die uner dem Schaler liegende BNC- Buchse angeschlossen wird, ausgelös. Das Oszilloskop im xy-berieb Es is nich unbeding nowendig, dass die x-achse immer die Zeiachse darsell. Im xy-modus (Posiion X-Y des Zeiwahlschalers in Abbildung 7) wird ein Spannungssignal als Funkion eines anderen Signals dargesell. Auf dem Schirm erschein dann die Leuchspur des Signals ( ). Im xy- Modus wird der Sägezahngeneraor, der im y-berieb für die Zeiablenkung veranworlich is, inern ausgeschale und sadessen das -Signal an die x-ablenkeinhei geleg. In y-richung folg der Srahl der Spannung (Anschluss an die BNC-Buchse CH) und in x-richung dem Signal (Buchse CH). Der Leuchschirm sell somi die senkreche Überlagerung der beiden Eingangsspannungen dar. Der xy-berieb is besonders zur Darsellung der Phasenverschiebung zweier Signale geeigne. Bei der senkrechen Überlagerung zweier Sinussignale der gleichen Frequenz enseh im xy-modus eine Ellipse. In Abbildung is das Zusandekommen dieser sogenannen Lissajous- Figur skizzier. Sind die Ampliuden gleich groß, so häng die Form der Lissajous- Figur von der Phasenverschiebung ab. In der Abbildung sind unen links die Lissajous- Figuren für Phasenverschiebungen zwischen 0 und 80 skizzier. Bei verschieden großen Ampliuden erhäl man sa eines Kreises eine Ellipse. Sind die Frequenzen nich gleich groß, so ensehen komplexere Formen, die ebenfalls von der Phase abhängen. Außerdem erhäl man nur dann ein sehendes Bild, wenn die Frequenzen in einem raionalen Verhälnis sehen. In Abbildung sind die Lissajousfiguren für die Frequenzverhälnisse :, : und : eingezeichne. Das Frequenzverhälnis kann aus den Lissajousfiguren unmielbar abgelesen werden. Denk man sich die Figur in ein enganliegendes Recheck eingebee, so gib die Anzahl der Berührpunke der Lissajous- Figur mi einer horizonalen bzw. einer verikalen Seie des Rechecks, das Frequenzverhälnis wieder. Die Berührungspunke sind in Abbildung unen rechs durch Pfeile angedeue. Eine Gerade und ein Kreis sind Spezialfälle einer Ellipse bei denen enweder eine Haupachse Null is oder beide Haupachsen gleich groß sind. c Dr. J.Wagner - Physikalisches Anfängerprakikum - V. 0.8 Sand 08/00 8

9 Physikalisches Grundprakikum der Universiä Heidelberg - Prakikum I f : f =:, =5 f : f =:, =90 rau. Schalen Sie das Gerä, ohne Eingangssignal ein und unersuchen Sie die Auswirkungen der Einsellregler FOCUS und INTEN sowie der Posiionsregler für die x- und y-richung. Beachen Sie, dass ohne ein Eingangssignal die Nulllinie nur dann auf dem Schirm erschein, wenn der Trigger MODE Schaler auf AUTO seh. Schalen Sie zum Vergleich auf die Sellung Norm und verändern Sie die Triggerschwelle mi dem Einsellregler LEVEL. Es wird keine Linie auf dem Schirm angezeig.. Prinzip der Triggerung f : f =:, =5 f : f =:, = 0 Abbildung : Durch die senkreche Überlagerung zweier Sinussignale ensehen im xy-berieb Lissajous- Figuren. In der linken Bildhälfe sind die Frequenzen der Sinussignale gleich groß. Die Form der Lissajous- Figur häng dann nur von der Phase und der Ampliude der beiden Signale ab. Bei unerschiedlichen Frequenzen (reche Bildhälfe) ensehen komplexere Formen und nur dann ein sehendes Bild, wenn die Frequenzen in einem raionalen Verhälnis zueinander sehen. Das Frequenzverhälnis kann dann aus der Anzahl der Knoen in verikaler und horizonaler Richung abgelesen werden. Im Beispiel rechs unen sind die Knoen durch Pfeile angedeue. Das Frequenzverhälnis beräg hier demnach :. VII Durchführung des Versuchs Wichige Vorbemerkung: Bie sellen Sie die Inensiä des Elekronensrahls über einen längeren Zeiraum nich zu sark ein, da sons der Leuchschirm beschädig werden kann. Die Helligkei is so zu wählen, dass das Bild gerade gu zu erkennen is. Dies gil vor allem im xy-berieb, wenn keine Signalquelle angeschlossen is.. Bedienung des Oszilloskops Machen Sie sich zunächs mi den Bedienelemenen des Oszilloskops ver- Schließen Sie den Funkionsgeneraor an einen der beiden y-eingänge an. Als Signalform wählen Sie am Funkionsgeneraor die Sellung Sinus mi einer Frequenz von ca. 00 Hz. Wenn Sie nun den Trigger richig eingesell haben, sollen Sie ein sehendes Bild der Sinusspannung erkennen. Unersuchen Sie die Auswirkungen der Schaler für den verikalen und horizonalen Ablenkkoeffizienen, VOLTS/DIV und TIME/DIV, sowie der Posiionsregler für die x- und y-richung. Schalen Sie nun die Triggerung ab, in dem Sie z.b. den Schaler Trigger- SOURCE auf den Kanal einsellen an dem keine Eingangsspannung anlieg. Für die Zeiablenkung am Oszilloskop wählen Sie ms/div und für den Trigger- MODE AUTO. Sie werden bei dieser Einsellung in der Regel kein sehendes Bild erkennen. Nur für den Fall, bei dem die Periode des Eingangssignal genau so groß oder ein Vielfaches der Periode der Sägezahnspannung is, lieg eine Synchronisaion vor und das Bild seh sill (Abbildung 5). Überprüfen Sie dies, indem Sie die Frequenz am Funkionsgeneraor langsam versellen bis das Bild nich mehr wander und eindeuig angezeig wird. Noieren Sie den gefundenen Wer und vergleichen Sie diesen mi der Frequenz der Sägezahnspannung. Warum sind die beiden Were nich idenisch? Überzeugen Sie sich auch, dass die nächse vernünfige Synchronisaion ers bei der doppelen Frequenz des Eingangssignals erfolg. Ohne Triggerung erhalen Sie also nur dann ein sehendes Bild, wenn die x-ablenkung synchron mi der Eingangsspannung erfolg. Im Triggerberieb erhäl man aber in der Regel immer ein vernünfiges Bild. Schalen Sie nun den Trigger wieder ein, indem Sie jez die richige Triggerquelle wählen. Überzeugen Sie sich, dass auch dann ein sehendes Bild erschein, wenn keine Synchronisaion vorlieg. Dazu versellen Sie wieder die Frequenz am Funkionsgeneraor. Es solle ses ein sehendes Bild erscheinen. Unersuchen Sie nun die Auswirkungen des Einsellreglers LEVEL und des Schalers für die c Dr. J.Wagner - Physikalisches Anfängerprakikum - V. 0.8 Sand 08/00 9

10 Physikalisches Grundprakikum der Universiä Heidelberg - Prakikum I Triggerflanke. Dokumenieren Sie Ihre Ergebnisse dieses Abschnis in Ihr Prookollhef.. Ampliuden- und Zeimessung Verbinden Sie den Ausgang des Signalgeneraors mi dem Oszilloskop und die Versorgungsspannungsbuchse mi dem Nezeil. Der Signalgeneraor erzeug mehrere Signale mi unerschiedlicher Frequenz und Ampliude. Mi dem Drehschaler können die einzelnen Signale ausgewähl werden. Achen Sie darauf, dass der zusäzliche Umschaler auf der oberen Posiion ( ) seh. Nur in der Schalersellung 5 is der Umschaler nach unen zu kippen. Messen Sie für jede Schalersellung die folgenden Größen: Sellen Sie am Funkionsgeneraor ein Sinussignal mi einer Frequenz von ca. 0 khz und einer Ampliude von ungefähr V SS ein. Die Ampliude sollen Sie mi dem Oszilloskop nachmessen. Schließen Sie nun an den Eingang des Phasenschiebers den Funkionsgeneraor an. Die Versorgungsspannungsbuchse is mi dem Nezeil zu verbinden. Der Phasenschieber liefer an den beiden Ausgangsbuchsen zwei sinusförmige Wechselspannungen mi der gleichen Frequenz wie die Eingangsspannung vom Funkionsgeneraor, aber mi einer einsellbaren Phasenverschiebung zwischen 0 und 80.Zusäzlich kann für jedes Sinussignal auch noch die Ampliude variier werden. Schließen Sie die Ausgänge des Phasenschiebers an die beiden y-eingänge des Oszilloskops an und sellen Sie den Darsellungsmodus so ein, dass beide Signale gleichzeiig zu sehen sind. Beobachen Sie zunächs qualiaiv was passier, wenn Sie die Phasenlage sowie die Ampliuden der beiden Signale versellen. Schalen Sie nun auf den xy-berieb (Posiion X-Y des Zeiwahlschalers in Abbildung 7) und sellen Sie die Ausgangsspannung am Funkionsgeneraor so ein, dass die Ellipse möglich den gesamen Bildschirm ausfüll. Unersuchen Sie nun wieder qualiaiv die Auswirkungen der Einsellregler auf das Oszilloskopbild. Skizzieren Sie Ihre Beobachungen in das Prookollhef. a) Periodendauer bzw. Frequenz. b) Spize-Spize Spannung U SS sowie falls vorhanden den Gleichspannungsaneil. c) In der lezen Schalersellung wird ein Signal erzeug, dass periodisch exponeniell abfäll und danach wieder exponeniell anseig. Schalen Sie dazu den Umschaler auf die unere Posiion. Messen Sie enweder für die abfallende oder anseigende Flanke, die Zei die das Signal benöig bis die halbe Spannung U SS erreich wird (Halbwerszei). a b x y U f Benuzen Sie bei diesen Messungen die unerschiedlichen Eingangskopplungen sowie die x- und y-posiionsregler. Um den Ablesefehler möglichs klein zu halen,müssen die verikalen und horizonalen Ablenkkoeffizienen, VOLTS/DIV und TIME/DIV, so eingesell werden, dass das Signal auf dem Oszilloskop möglichs den gesamen Bildschirm ausfüll. Überzeugen Sie sich, bevor Sie messen davon, dass alle relevanen Regler auf CAL sehen. Der bereuende Assisen wird Ihnen bei den Einsellungen behilflich sein.. Zweikanalberieb sin a b Abbildung : Messung der Phasenverschiebung im xy-berieb und y-modus. Im xy-berieb können Sie die Phase aus den Absänden a und b besimmen. Im y-modus erfolg die Phasenbesimmung beispielsweise durch Messung des Zeiabsands der Nulldurchgänge. Messen Sie nun für zwei verschiedene Einsellungen des Poeniomeers für die Phaseneinsellung, die Phasenverschiebung der beiden Signale sowohl im xyals auch im y-berieb. Die Besimmung des Phasenwinkels is in Abbildung erläuer. Beobachen Sie anschließend die Lissajousfiguren von zwei Sinussignalen unerschiedlicher Frequenz. Benuzen Sie dazu den Funkionsgeneraor zusammen mi den zusäzlichen Sinusgeneraor (vergessen Sie nich den Nezschaler auf der Rückseie des Sinusgeneraors einzuschalen). Wann erhalen Sie sec Dr. J.Wagner - Physikalisches Anfängerprakikum - V. 0.8 Sand 08/00 0

11 Physikalisches Grundprakikum der Universiä Heidelberg - Prakikum I hende Figuren auf dem Oszilloskop? Skizzieren Sie diese für zwei verschiedene Frequenzwere in Ihr Prookollhef und noieren Sie die Frequenzwere. Schließen Sie den Sinusgeneraor an einen Kanal des Oszilloskops an. Der Funkionsgeneraor verbleib am anderen Kanal. Besimmen Sie die Frequenz des Sinusgeneraors, in dem Sie mi Hilfe des Funkionsgeneraors, geeignee Lissajousfiguren auf dem Oszilloskop einsellen (siehe dazu Abbildung rechs unen). Zur Überprüfung messen Sie die Frequenz im y- Berieb nach. VIII Auswerung zu Aufgabe : Fassen Sie Ihre Beobachungen bezüglich der Synchronisaion und der Triggerung zusammen und gehen Sie dabei auf die im Aufgabeneil gesellen Fragen ein. zu Aufgabe : Ferigen Sie eine Tabelle an, die folgende Spalen besiz: Skizze der Signalform der Eingangsspannung, Periode, Frequenz, U SS, Maximalspannung, Minimalspannung, Gleichspannungsaneil sowie für die exponeniell abfallende Spannung noch die Halbwerszei. Tragen Sie für jede Signalform ihre Messwere und die dazugehörigen Messfehler in die Tabelle ein und berechnen Sie die reslichen Größen. zu Aufgabe : Berechnen Sie die Phasenverschiebung uner Berücksichigung der Messfehler für die Messung im xy-berieb und y-modus. Welche Messmehode is genauer? Welche Voreile besiz die andere Messmehode? Erläuern Sie Ihr Vorgehen bei der Messung der Frequenz des Sinusgeneraors mi Hilfe von Lissajousfiguren. Wie groß is die Frequenz, die Sie im xy-berieb (mi Fehlerangabe) und y-modus besimm haben. Wovon häng der Messfehler der Frequenzbesimmung im xy-berieb ab? c Dr. J.Wagner - Physikalisches Anfängerprakikum - V. 0.8 Sand 08/00

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