Laborübung: Oszilloskop

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1 Laborübung: Oszilloskop Die folgenden Laborübungen sind für Studenten gedacht, welche wenig Erfahrung im Umgang mit dem Oszilloskop haben. Für diese Laborübung wurde eine Schaltung entwickelt, die verschiedene Signale zur Verfügung stellt. Auf dem Print sind 2 Generatoren (WAVEFORM GENERATOR, ECL GENERATOR) mit folgenden Eigenschaften zu finden: WAVEFORM GENERATOR 16 verschiedene Signale, können mit dem Drehschalter WAVEFORM selektiert werden Zwischen 2 Frequenzbereichen (1Hz - 100Hz und 100Hz - 10kHz) kann mit dem Schalter RANGE umgeschaltet werden. Die Frequenz wird mit dem Poti FREQUENCY ADJUSTMENT eingestellt. Ausgang STANDARD: Das Signal wird ungefiltert ausgegeben. Ausgang FILTER: Das Signal passiert ein RC-Tiefpassfilter. Die Grenzfrequenz des Filters (50, 500 und 5000Hz) kann mit dem Schalter CUT OFF FREQ gewählt werden. Ausgang -40dB: Das Signal wird um 40dB(100:1) gedämpft. Wenn der Schalter INT. / EXT. auf EXTERN geschaltet ist, kann ein externes Signal an den Ausgang geschaltet werden. Schneller ECL PULS-GENERATOR Ausgangssignal in der ECL Technologie (ECL: Emiter gekoppelte Logik) Mit dem Schalter MODE kann zwischen einem Rechteck-Signal und einem Einzel- Impuls gewählt werden. Mit dem Schalter TRIGGER kann ein Impuls ausgelöst werden. Mit dem Poti DUTY CYCLE kann das Tastverhältnis des Rechtecksignals verändert werden. +12V -12V GND by P. Hersberger Seite 1

2 Kartenlayout 17. CUT OFF FREQ 5 khz 500 Hz 50 Hz 7. RANGE 1 Hz Hz 0.1 khz - 10 khz 8. INT/EXT internes Signal externes Signal 6. Frequenzregelung 10. EXTERN 11. GND 5. EPROM 12. FILTER 16. DUTY CYCLE 13. STANDARD 4. WAVEFORM V V db 15. ECL OUTPUT 1. GND 18. TRIGGER 17. MODE Rechtecksignal Einzelimpuls by P. Hersberger Seite 2

3 Elemente der Karte 1. GND: Massenanschluss V: -12 V Anschluss V: +12V Anschluss WAVEFORM-Generator 4. WAVEFORM: Drehschalter zur Wahl eines der 16 erzeugten Signale. 5. EPROM: Speicher, indem die 16 vom Generator erzeugten Signal abgespeichert sind. 6. FREQUENCY ADJUSMENT: Frequenzregelung des Ausgangssignal 7. RANGE: Wahl des Frequenzbereich (1-100 Hz; 1-10 khz) 8. INT/EXT : Wahl zwischen einem internen Signal (im EPROM gespeichert) und einem externen Signal (am Eingang EXTERN angelegt) 9. CUT OFF FREQ: Wahl der Grenzfrequenz (50 Hz; 500 Hz; 5000 Hz) 10. EXTERN : Eingang zum anlegen von externen Signalen 11. GND : Massenausgang für KO-Messungen 12. FILTER : Das Ausgangssignal nach einem Tiefpassfilter (Grenzfrequenz einstellbar durch den Schalter CUT OFF FREQ) 13. STANDARD : unverändertes Ausgangssignal db : Um 40 db gedämpftes Ausgangssignal ECL-Generator 15. ECL OUTPUT: Digitales Ausgangssignal erzeugt durch eine ECL-Logik 16. DUTY CYCLE: Regelung des Freilaufkreises des ECL-Signals 17. MODE: Wahl zwischen einem Rechteck- und einem Einzelimpulsgenerator (TRIGGER) TRIGGER: Taster der zur Erzeugung eines Einzelimpulses führt. by P. Hersberger Seite 3

4 Kartenbeschrieb Diese Schaltung wurde entwickelt, um das Arbeiten mit einem KO zu trainieren. Sie setzt sich aus 2 verschiedenen Signalgeneratoren zusammen, die nachfolgend erklärt werden. WAVEFORM-Generator Der WAVEFORM-Generator erzeugt maximal 16 verschiedene Signale. Diese Signale liegen an den Ausgängen STANDARD (ohne Verzerrung), -40 db (Dämpfung von 40 db) und FILTER (Signal nach einem RC-Tiefpass) an. Blockschema des WAVEFORM-Generators: Oszillator Externes Signal Counter EPROM D/A Dämpfung -40dB Tiefpass- Filter Ausgang STANDARD Ausgang - 40 db Ausgang FILTER Waveform Select Die Signale, die der Generator erzeugen kann, sind in einem EPROM durch 512 Punkte pro Periode gespeichert. Mit Hilfe eines Oszillators und eines Zählers kann man daraus ein periodisches Signal generieren. Der Drehschalter Waveform Select dient zur Wahl des Ausgangssignal. Durch den D/A-Wandler wird das digitale Signal des EPROMs in ein analoges Signal umgewandelt. Die Karte erzeugt 3 verschiedene Ausgangssignale: 1. Das unveränderte Signal am Ausgang STANDARD 2. Das um 40 db gedämpfte Signal am Ausgang -40 db 3. Das Signal nach einem Tiefpassfilter am Ausgang FILTER Falls man keines der gespeicherten Signale verwenden will, hat man auch die Möglichkeit, ein externes Signal anzulegen. by P. Hersberger Seite 4

5 ECL-Signalgenerator Dieser Generator erzeugt am Ausgang dank der ECL Technologie ein Signal mit sehr steilen Flanken. Blockschema des ECL-Signalgenerators: Oszillator TTL/ECL Wandler Monostable Ausgang ECL Taster TRIGGER Aus dem Blockschema kann man ersehen, dass das Ausgangssignal einerseits ein Rechtecksignal (erzeugt durch den Oszillator), andererseits ein Einzelimpuls (erzeugt durch den Taster TRIGGER) sein kann. Beide Signale werden durch eine Schaltung von der TTL Logik in eine ECL Logik umgewandelt. Das ECL-Signal gelangt über eine monostabile Kippstufe zum Ausgang. Mit dieser Kippstufe kann man den duty cycle (Freilaufkreis) regeln. Für die Laborübung notwendiges Material 1 Messschaltung 1 Oszilloskop Hameg HM MHz 2 KO-Sonden Hameg HZ54 1 Speisegerät OLTRONIX POWER SUPPLY B103T oder 2 Speisegeräte A+D DC POWER SUPPLY MODEL LC 30-1 by P. Hersberger Seite 5

6 Übung 1 Ziel dieser Übung : Einfache Messungen mit dem Oszilloskop, um sich mit den Funktionen des KO s vertraut zu machen. 1. Abstimmen der KO-Sonden mit den Testsignalen des Oszilloskops Messen Sie die Frequenz und die Amplituden der beiden Testsignale. Beschreiben Sie wie Sie die KO- Sonden kalibrieren. Kann man die Sonden abgleichen, wenn sie in der Position x1 sind? Schalten Sie die Eingangskopplung auf AC um. Was passiert? 2. Stellen Sie mit dem Schalter WAVEFORM ein Dreiecksignal ein. Messen Sie mit dem Kanal 1 die Amplituden am Ausgang STANDARD und mit dem Kanal 2 am Ausgang -40dB. Verwenden Sie dazu die beiden Kanäle des Oszilloskops. Wie gross ist das Verhältnis der beiden Signale? 3. Stellen Sie auf dem Print ein Rechteck-Signal mit einer Frequenz von 5kHz ein. Messen Sie die Amplitude am Ausgang STANDARD Messen Sie die Amplitude und Frequenz des Signals am Ausgang FILTER bei allen 3 Grenzfrequenzen des RC-Filters und vergleichen Sie die Messungen mit dem Signal am Ausgang STANDARD. Warum stimmen die Signale nicht überein. 4. Gleiche Messung wie unter Punkt 3, aber mit einem Sinussignal Warum ändert sich die Kurvenform nicht, wie bei der Messung 3? Es gibt dennoch Unterschiede. Welche? 5. Gleiche Einstellungen wie bei Messung 4. Schalten Sie nun den Schalter RANGE um. Wie gross ist die Frequenz des Signals? Damit das Signal besser dargestellt wird, benutzen Sie die Option CHOP am Oszilloskop. Was ist der Unterschied zwischen dem NORMAL- (Alternate) und dem CHOP-Mode? Wann benötigt man den NORMAL- und wann den CHOP-Mode? Welchen Modus wählt man zur Messung einer Phasenverschiebung? by P. Hersberger Seite 6

7 Übung 2 Ziel dieser Übung: Nach dieser Übung sollten Sie die wichtigsten Funktionen des Oszilloskops im Schlaf bedienen können! 1. Stellen Sie die Frequenz des Generators auf etwa 5kHz ein Messen Sie die Amplitude der 16 Signale des Generators am Ausgang STANDARD. Vergleichen Sie die Frequenz der einzelnen Signale. 2. Messen Sie die Logic Levels und die Frequenz des ECL Generators Stellen Sie den duty cycle des Generators auf 60 % ein Duty Cycle = t on /T = % t fwhm =ton fwhm= full with at half max t fwhm T 90% 10% t rise t fall Messen Sie t on, t off sowie die t rise und t fall mit der 10 :1 Abschwächung der Sonde. Skizzieren sie den Spannungsverlauf. Stimmen die gemessenen Werte mit den Werten aus dem Datenbuch überein? Wenn nicht, warum nicht? Messen Sie den duty cycle des Triggerimpulses. (Bemerkung: Währenddem Sie die Triggertaste (Print) mehrmals nacheinander betätigen, drehen Sie am KO das Trigger-Level Potentiometer, bis der Triggerimpuls auf dem Bildschirm erscheint. Messen Sie nun die Impulsdauer). by P. Hersberger Seite 7

8 Übung 3 Ziel dieser Übung: Ausmessen eines Filters 1.Ordnung. Folgende Daten sollen gemessen werden: Übertragungskennlinie (Amplitude, Phase) Grenzfrequenz des Filters Theorie: Ein RC-Netzwerk (Schema 1) ist ein Filter 1. Ordnung, da im Netzwerk ein einziger Energiespeicher (Kondensator) vorhanden ist. Das abgebildete Filter ist ein Tiefpassfilter. Bei einem Tiefpassfilter werden tiefe Frequenzen durchgelassen. Frequenzen, welche höher als die Grenzfrequenz f G sind, werden abgeschwächt. Bei der Grenzfrequenz f G wird das Signal um 3 db gedämpft. In der linearen Skala entsprechen 3 db einem Faktor von 1/ 2. U s 1 = 2 U e [V] Diese Formel gilt, wenn das Eingangssignal sinusförmig ist. Ue R C Us Schema 1 Auf unserem Print kann die Grenzfrequenz f G mit dem Schalter CUT OFF FREQ verstellt werden. Je nach Schalterstellung wird ein anderer Widerstand gewählt. Die Grenzfrequenz f G beträgt 50, 500 oder 5000Hz. 1. Stellen Sie am Generator ein Sinussignal mit einer Frequenz von 5kHz ein. Messen Sie für jede Schalterstellung (CUT OFF FREQ) des Filters, die Amplitude und die Phasenverschiebung am Ausgang FILTER. Vergleichen Sie die Messung mit dem Signal am Ausgang STANDARD. Berechnen Sie für jede Messung die Dämpfung in db. Dämpfung [ db] U = 20 log U Benutzen Sie beide Kanäle des Oszilloskops. s e 2. Wiederholen Sie die Messung bei einer Grenzfrequenz von 50Hz. Messen Sie die Amplitude und die Phaseverschiebung bei verschiedenen Frequenzen (10Hz bis 10kHz). by P. Hersberger Seite 8

9 Stellen Sie die Messwerte, Ua/Ue und Frequenz, im logarithmischen Massstab dar und in einem zweiten Diagramm (gleiche Frequenz untereinander) die Phasenverschiebung (linear) und die Frequenz (logarithmisch). Bestimmen Sie aus der Grafik die Grenzfrequenz f G. Wie gross ist die Phasenverschiebung bei der Grenzfrequenz? 3. Analysieren und Beschreiben sie im XY-Mode die Lissajousfiguren für verschiedene Frequenzen. Was geschieht, wenn sie sich der Grenzfrequenz nähert? by P. Hersberger Seite 9

10 Übung 4 Ziel dieser Übung: Durch verschiedene Messungen sollen prinzipielle Eigenschaften des Oszilloskops herausgefunden werden: Grenzfrequenz des Oszilloskops Einfluss der AC-Kopplung auf die Messungen Grenzfrequenz des x-verstärkers Grenzfrequenz des Oszilloskops Theorie: Wie alle Messgeräte hat auch das Oszilloskop bestimmte Grenzen. Eine dieser Grenzen ist die obere Grenzfrequenz f G. Im Bereich der oberen Grenzfrequenz und darüber wird die Amplitude nicht mehr richtig gemessen. Bei der oberen Grenzfrequenz f G gibt es keinen scharfen Übergang zwischen gut und schlecht. Die obere Grenzfrequenz eines Oszilloskops kann aber einfach gemessen werden, indem man die Flankensteilheit bei einem Rechtecksignal misst (Kurs Seite 9). Mit diesem Wert kann man die Bandbreite des Oszilloskops bestimmen. 1. Um die Grenzfrequenz f G des Oszilloskops zu bestimmen, können Sie die Flankensteilheit eines Rechteck-Signals messen. Messen Sie die Flankensteilheit des Signals (10%-90%) Berechnen Sie daraus die obere Grenzfrequenz f G (siehe Manual KO Hameg Seite M5) Stimmt Ihre Berechnung mit den Angaben des Herstellers überein? AC-Kopplung t a = t 2 ges 2 osz Theorie: Der Eingang eines Kanals bei einem Oszilloskop sieht wie folgt aus: t t 2 t ta: Anstiegszeit der Flanke (Logiktechnologie) tges: Gesammtanstiegszeit tosz: Anstiegszeit des Kos tt: Anstiegszeit der Sonden (ca. 2ns) DC AC Ue C R Ua GND Schema 2 by P. Hersberger Seite 10

11 Im AC-Mode sieht der Eingang wie ein Hochpassfilter 1.Ordnung aus (Ein Hochpass ist das Umgekehrte eines Tiefpasses): C Ue R Us Schema 3 Ist die Grenzfrequenz erreicht, ergibt sich zwischen dem Eingangssignal Ue und dem Ausgangssignal Us eine Phasenverschiebung von 45. Das Ausgangssignal ist gegenüber dem Eingangssignal bei der Grenzfrequenz um 3dB bzw. 1/ 2 abgeschwächt. 1. Bestimmen Sie die untere Grenzfrequenz des Oszilloskops (AC-Kopplung) mit Hilfe der Lissajous-Figuren (Kurs Seite 7-3). Kanal 1: auf AC Kanal 2: auf DC 2. Bestimmen Sie die untere Grenzfrequenz des Oszilloskops (AC-Kopplung) mit Hilfe der Phasenverschiebung zwischen Kanal 1 und Kanal 2. Grenzfrequenz des Verstärkers x Theorie: Der Verstärker für die y-achse hat eine viel höhere Grenzfrequenz als der Verstärker der x-achse. Diese Grenzfrequenz ist daher wichtig. 1. Suchen Sie eine Methode um die Grenzfrequenz des Verstärkers für die x-achse zu messen. Doppelzeitbasis Bereiche a.) und b.) bei Signal 1 (Anhang S. 15) mit Hilfe der Doppelzeitbasis vergrössert darstellen und skizzieren. by P. Hersberger Seite 11

12 Anhang 1 MC10198 by P. Hersberger Seite 12

13 by P. Hersberger Seite 13

14 Bemerkung: Falls Sie genauere Informationen benötigen, sehen Sie im Datenbuch MECL Device Data von Motorola nach. by P. Hersberger Seite 14

15 Anhang 2 Die im EPROM gespeicherten Signale Die folgenden Signale sind im EPROM gespeichert. Sie können für die Laborübung verwendet werden ohne dass ein externes Signal angelegt werden muss. Um ein bestimmtes Signal auszuwählen muss man den Drehschalter WAVEFORM verwenden. Signal 0: Signal 1: a) b) by P. Hersberger Seite 15

16 Signal 2: Signal 3: Signal 4: by P. Hersberger Seite 16

17 Signal 5: Signal 6: Signal 7: by P. Hersberger Seite 17

18 Signal 8: Signal 9: Signal A: by P. Hersberger Seite 18

19 Signal B: Signal C: Signal D: by P. Hersberger Seite 19

20 Signal E: Signal F: by P. Hersberger Seite 20

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