Aufgabenbeschreibung Oszilloskop und Schaltkreise

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1 Aufgabenbeschreibung Oszilloskop und Schaltkreise Vorbereitung: Lesen Sie den ersten Teil der Versuchsbeschreibung Oszillograph des Anfängerpraktikums, in dem die Funktionsweise und die wichtigsten Bedienungselemente eines Oszillographen erläutert werden. Sehr nützlich und hilfreich ist die Oszillographensimulation mit der Sie die Funktionen auch zu Hause mal durchspielen können. Teil1: Übungen zur Funktion des Oszillographen 1. Schauen sie sich die Nulllinie der beiden Kanäle an (Ground) hierzu Trigger auf AUTO stellen den Kanal auswählen, den Sie sich anschauen wollen drehen Sie den Positionsregler (vertikal) und stellen Sie die Nulllinie ein. Ändern Sie die Intensität des Strahls. Bitte danach wieder auf kleine Intensität stellen. 2. Gleichspannung Legen Sie eine Gleichspannung an Kanal 1 z.b. über eine Batterie. Auf Polarität achten, falls die Spannungsquelle einen Erdanschluss hat. Passen Sie die vertikale Skala (V/cm) an und messen Sie die Spannung am Oszillographen (direkt ablesen oder Cursor benutzen) 3. Sinusspannungen Wählen sie Kanal 1 als Triggerquelle, Triggermode AUTO Schalten Sie den Funktionsgenerator an und wählen sie eine Frequenz von ca. 500 Hz. Regeln Sie die Ausgangsspannung auf etwa 4 V Spitze-Spitze Suchen Sie eine geeignete Zeitablenkung um ca. 2 Perioden auf den Schirm zu bekommen und die vertikale Skala so, dass das Bild möglichst groß wird Messen Sie die Periodendauer Ändern Sie die Frequenz um einen Faktor 10 und wiederholen Sie die Messung. Überlagern Sie dem Sinussignal jetzt einen DC Offset. Beobachten sie das Signal am Oszi mit CH1 im DC- Mode und danach im AC Mode 4. Triggern Stellen Sie den Triggermodus auf NORMAL. Triggerquelle CH1. Drehen Sie den Knopf für das Triggerlevel bis Sie ein Signal sehen bzw. dieses wieder verschwindet. Der Triggerlevel wird als Winkel auf dem Display angezeigt. Falls Sie dieses nicht sehen ist er aus dem Messbereich rausgerutscht und Sie werden keinen Trigger finden. Also: Suchen Sie diese Anzeige durch Drehen am Level-Knopf!

2 Ändern Sie die Auswahl der Triggerflanke: Der Trigger wird ausgelöst, wenn die angelegte Spannung das Triggerlevel erreicht. Das kann sein, wenn die Spannung ansteigt (ansteigende Signalflanke) oder wenn sie abfällt (abfallende Flanke). Sie können wählen, für welchen Fall der Trigger ausgelöst werden soll. 5. Zweistrahlbetrieb Wählen Sie DUAL mode aus um beide Kanäle gleichzeitig darzustellen. Hier gibt es die Wahl zwischen CHOP und ALTERNATE. Bei CHOP werden beide Bilder in kleine Zeitintervalle zerhackt und bei einem Sweep gleichzeitig dargestellt wobei der Strahl immer zwischen den beiden Bildern hin und her hüpft. Bei ALTERNATE folgt auf einen sweep von CH1 einer auf CH2. I.a. ist CHOP die bessere Wahl. Legen Sie die Spannung des Generators an einen Kreis mit Kapazität und Widerstand in Serie (Schaltbrett liegt bei). Legen Sie die Ausgangsspannung des Generators an CH1, die Spannung am Kondensator an CH2. Sie sollten jetzt beide Signale gleichzeitig sehen. Ein RC-Kreis hat eine Zeitkonstante τ = RC. Beim Aufladen gilt: U(t)=U 0 *(1- exp[t/rc] ) Berechnen Sie RC. 1/RC ist die Frequenz, bei der Sie Änderungen der Phase erwarten! Ändern Sie die Frequenz am Generator kontinuierlich und beobachten Sie beide Signale. Wie ändern sich beide Spannungen in Amplitude und Phase relativ zueinander? Messen Sie die Phasenverschiebung bei einer Frequenz von ca. 1/RC. 6. X-Y- Betrieb Wählen Sie X-Y Betrieb aus: Sie sehen jetzt eine Ellipse. Was bedeutet die? Ändern sie wieder die Frequenz und beobachten sie, wie die Form und Lage der Ellipse sich ändert. Woraus können sie die relative Phase der beiden Signale bestimmen? Speichern sie das Bild (USB-stick). 7. Digitalscope: kleine Wiederholfrequenzen und single shot Bei kleinen Wiederholfrequenzen flackert das Analogscope. Da ist es wesentlich bequemer im Digitalmodus zu arbeiten. Schalten Sie auf Digitalmodus um und gehen Sie wieder auf y-t Betrieb Wählen Sie eine Frequenz von 10 Hz und beobachten Sie das Signal am Generator und Kondensator im Zweistrahlbetrieb. Schalten Sie den Frequenzgenerator auf Rechteckpulse und beobachten Sie die beiden Spannungen. Erklären Sie den Spannungsverlauf am Kondensator. Wählen Sie geeignete Zeit und Spannungsskalen und messen Sie die Abfallzeit der Spannung am Kondensator.

3 Einschaltvorgang im RC- Kreis. Hier soll ein einmaliger Vorgang aufgezeichnet werden (single shot). Legen sie dazu an den Schaltkreis über einen Taster die Spannung einer Batterie an (9V) an. Sobald der Taster betätigt wird sollte das Signal angezeigt werden (allerdings sollte dazu der Kondensator entladen sein!) Speichern sie das Bild auf dem USB stick. Damit Sie ein Signal sehen, müssen Sie Trigger level, Spannungs- und Zeitskala vernünftig einstellen das sollten Sie sich vorher überlegen. Außerdem muss das Zeichen für das Triggerlevel auf dem Bildschirm sichtbar sein! Schalten Sie den Triggermode auf SINGLE und drücken Sie den RUN/STOP Knopf, der jetzt blinken sollte. Legen Sie die Spannung mit dem Schalter an. Der Trigger sollte jetzt ausgelöst werden- Sie sehen die Ladespannung als Funktion der Zeit. Notfalls Zeit- und Spannunkskala optimieren und den Triggervorgang wiederholen. Teil 2: Übungen zum richtigen Aufbau von elektrischen Schaltkreisen mit Strom- und Spannungsmessungen Der sichere Aufbau von Schaltkreisen muss geübt werden, dafür bringen die wenigsten Studenten Erfahrung mit. Dazu gehört auch das übersichtliche Zeichnen von Schaltkreisen mit den allgemein üblichen Symbolen. Abb. 1: Schaltkreissymbole Wechselspannungsquelle Messinstrument für Strom oder Spannung t Oszillograph CH1

4 2.1 Erstellung von Schaltplänen Übung 1: Im Praktikum hat ein Student von einem fliegenden Aufbau folgende Skizze gemacht: Oszillograph Erstellen Sie hiervon einen übersichtlichen Schaltplan. Um was für eine Schaltung handelt es sich? Es sollen zusätzlich mit dem Oszillographen die Generatorspannung und die Spannung zwischen den Punkten A und B gemessen werden. Zeichnen Sie die dafür benötigte Schaltung in den Schaltplan ein. Stecken Sie als nächstes die Geräte nach Schaltplan zusammen (Batterie und steckbare Widerstände sind verfügbar) und führen Sie die Messung beider Spannungen nacheinander auf CH1 durch, wobei Sie bei Messung der Spannung zwischen A und B den variablen Widerstand Rx so lange verändern bis die Spannung zwischen A und B Null wird. Wie groß ist dann der variable Widerstand R x? Was passiert, wenn Sie die beiden Spannungen gleichzeitig an CH1 und CH2 messen? Erklären Sie Ihre Beobachtung!

5 Übung 2: Mit verfügbaren Bauteilen soll folgender Schaltkreis aufgebaut werden. Sie sollen in ihm a) den Strom I messen, der der Spannungsquelle entnommen wird. b) zusätzlich die Spannungen am Generator und am Widerstand. Ergänzen Sie die Schaltkreiszeichnung durch die Schaltungen der benötigten Messinstrumente. Achtung: Amperemeter werden seriell in den Stromkreis geschaltet. Voltmeter werden parallel geschaltet. Stecken Sie den Schaltkreis zusammen. Dabei ist es eine gute Idee im ersten Schritt nur die Bauelemente zu verbinden und dann im 2. Schritt die Messinstrumente dazu zu schalten. Während des Aufbaus der Schaltung sollten Spannungsquellen nie angeschaltet sein!! Schalten Sie den Generator ein, und wählen sie als Ausgangsspannung eine Sinusspannung mit einer Amplitude von ca. 2 V. Schauen Sie sich die beiden Spannungen auf dem Oszillographen im Zweistrahlverfahren an und drehen Sie dabei die Frequenz des Oszillators von 100 Hz an langsam hoch das ist keine systematische Messung sondern soll einfach und schnell zeigen wie sich die Spannung am Widerstand U R als Funktion der Frequenz verhält. Notieren Sie die wichtigsten Beobachtungen! Bei welcher Frequenz wird U R fast Null und warum?

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