1.Serie: Einführung in die Messtechnik Vorbemerkung zum Ablauf des Praktikums: vor I. Ziel der Versuche der ersten Serie. II. Vorkenntnisse.

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1 Vorbemerkung zum Ablauf des Praktikums: Sie erhalten das Aufgabenblatt zum Praktikum einige Tage vor dem Praktikumstermin. Bitte lesen Sie sich die Aufgabenstellungen der Versuche vor Praktikumsbeginn durch. Am Anfang des Praktikums wird in einem kurzen Gespräch mit den Assistenten ihre Vorbereitung überprüft. 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/der Sie zusammenarbeiten. Der Versuchsaufbau, die Versuchsparameter, die Messwerte und die Auswertung der Messwerte müssen in einem Protokoll festgehalten werden. Ein USB-Stick zum Speichern der aufgenommenen Daten sollte mitgebracht werden. Die Auswertung der Messergebnisse wird am nächsten Praktikumstermin mit den Assistenten in Gruppengesprächen 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 Thevenin, Funktionsweise eines Oszillographen, Leitungseigenschaften wie Wellenwiderstand, Laufzeit und Dämpfung, Reflexionsfaktor und Impedanzanpassung. III. Geräte: Elektronikpraktikum SS Serie: Einführung in die Messtechnik U. Schäfer, A. Brogna, Q. Weitzel und Assistenten Ausgabe: , Durchführung: Di :00-16:00 Uhr Ort: Gebäude (Anfängerpraktikum) 1. Stock, Raum 430 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 aus steht. In diesem Fall sind die Ausgänge nicht angeschlossen. Schließen Sie den veränderlichen Drahtwiderstand an einen der Ausgänge des Labornetzgerätes gemäß dem nachfolgenden Schaltbild an. Beginnen Sie mit dem maximalen Wert des Widerstands (Schieber gegenüber des roten Anschlusses). 1.1 Wählen Sie die Einstellungen so, dass eine konstante Spannung am 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 messen, steht Ihnen ein 8-fach 12bit USB Datenerfassungsmodul zur Verfügung. Der Eingangswiderstand der 8 Kanäle beträgt 10 MΏ. 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 dem Schaltplan kann die Verdrahtung durch Umsetzung von Drahtbrücken (Jumpern) geändert werden. Die Datenaufnahme wird mit dem Programm USB-ADC_Basic.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.

3 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 an und verwenden Sie die 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 sollen Sie als Amperemeter betreiben. Dazu ist es notwendig einen Parallel-Widerstand vom Eingang zur Erde zu schalten. Wählen Sie diesen Widerstand so, dass Sie noch 100 ma messen können. Dieser Widerstand ist bereits auf einen DIL - Sockel gelötet und wird an der Stelle (S4) eingesteckt. Testen Sie Ihre Anordnung mit einem entsprechenden 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 R S 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 U 1, und U 2 werden mit den Eingängen 1 und 2 des USB-Moduls gemessen. Das Programm USB- ADC_Basic.exe zeigt Ihnen auch die Differenzspannung ΔU RS =U 1 -U 2 an. Daraus ergibt sich der Strom zu I = ΔU RS /R S. Stellen Sie den Skalierungsfaktor Skal so ein, dass die Angabe auf ma geeicht ist. 2.4 Nehmen Sie die Spannungen für einige Perioden in einer 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.

4 3 Umgang mit dem Oszillographen 3.1 Erzeugen Sie mit dem Signalgenerator ein Sinus förmiges Signal mit 1V Amplitude und 1kHz 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. 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 im 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 U Multimeter [V] U Oszi. [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 f zwischen Ein- und Ausgangssignal.

5 f [khz] U e [V] U a [V] f [ ] 3.7 Hausaufgabe: Stellen Sie den Frequenzgang (Verhältnis von Ein- und Ausgangssignal als Funktion der Frequenz) in einem doppelt logarithmischen Graphen dar (Bode-Diagramm). Der Phasengang (Phase als Funktion der Frequenz) soll in einem halblogarithmischen Graphen gezeichnet werden Bestimmen Sie aus beiden Diagrammen die Grenzfrequenz des Hochpassfilters. Die Grenzfrequenz ist am Punkt des 3 db Abfalls im Frequenzgang bzw. bei der Phasendrehung von 45 im Phasengang definiert. 4 Signale auf Leitungen Um das Verhalten von Signalen auf Leitungen zu untersuchen werden weitere Bauteile benötigt (siehe Bilder). Es soll der Unterschied zwischen terminierten (mit einem Widerstand abgeschlossenen) und offenen Leitungen Untersucht werden. 4.1 Machen Sie sich zunächst mit den zur Verfügung stehenden Geräten vertraut: 1. Verbinden Sie den Signalgenerator (Rechtecksignal, 10 MHz, 100mV) direkt per Koaxialkabel mit dem Oszilloskop. Messen Sie die Signalamplitude. 2. Schließen Sie das Koaxialkabel mit seinem Wellenwiderstand (50 Ohm) ab, messen Sie erneut. 3. Interpretieren Sie das Messergebnis. 4. Schließen Sie am Eingang des Oszilloskops ein BNC T-Stück (Verzweigung) an und verlängern Sie dort die Messleitung. Beobachten Sie das Signalverhalten an den Flanken, passen Sie zu diesem Zwecke die Zeitablenkung des Oszilloskops an. 5. Terminieren Sie das Kabel an seinem Ende und messen Sie erneut. Schließen Sie das Kabelende kurz und wiederholen Sie die Messung. 4.2 Verbinden Sie den Oszillographen über USB mit dem Laptop und lesen Sie mit dem Programm Scope_Readout.exe die Signale aus. Bei der Speicherung werden sowohl die Daten als auch die Bilder als Bitmap (bmp) abgespeichert. 4.3 Nehmen Sie Bilder auf für das lange RG 58 C/U Kabel und die Fälle: I. das Kabel ist mit dem Wellenwiderstand abgeschlossen, II. das Kabelende ist offen und III. das Kabelende ist kurzgeschlossen. 4.4 Hausaufgabe: Erklären Sie die gewonnen Ergebnisse mit Hilfe der Reflexionsfaktoren.