Versuchsanleitung: Digitaloszilloskop

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1 Laborversuch Grundlagen der physikalischen Messtechnik: Digitaloszilloskop 1 Versuchsanleitung: Digitaloszilloskop Für die im Versuch benutzten Gerätschaften geltenden im allgemeinen folgende Konventionen für die elektrischen Anschlüsse: Rot: Spannungsversorgung, meist +5 (+12) Volt Schwarz: Masse (Ground, GND) Gelb: Messsignale blau, grün: Sonstiges Digitaloszilloskope sind äußerst universell einsetzbare Messgeräte. Sie bestehen im wesentlichen aus einem (klassischen) analogen Oszilloskop, das durch einen digitalen Speicher ergänzt wird. Oft lassen sich teure Messgeräte wie Transientenrecorder, Datenlogger, X-Y Schreiber oder Y-T Schreiber auch durch Digitaloszilloskope ersetzen. Insbesondere dann, wenn die Geräte mit einer PC- geeigneten Schnittstelle versehen sind, wo die gespeicherten Daten in (Kurven) übertragen und bearbeitet werden können. 1. Aufgabe: Analoge Bedienung eines digitalen Oszilloskopes. Ziel: Einfache Bedienelemente des Oszilloskops sollen erprobt werden, verschiedene Spannungen/Signale sollen gemessen werden Bedienung der Oszilloskopröhre: Fußangel: Trigger muss auf Kanal 1 (CH I) & Auto (Level = AT) stehen, Channel 1 muss aktiviert sein, Speicherung aus. Da kein Signal anliegt, zeigt das Oszilloskop die Nulllinie, d.h. die Kurve der Spannung 0 Volt. Erproben sie die Funktion folgender Bedienelemente. Notieren sie Ihre Beobachtung und Folgerung im Messprotokoll. Prüfung des Bedienelements Helligkeit, Ergebnis: Messprotokoll. Prüfung des Bedienelements Fokus, Ergebnis: Messprotokoll. Verschieben der Nulllinie des Strahls mit Y-Pos (Offset), Ergebnis: Messprotokoll. Schildern sie das Problem bei max. positiven/negativem Offset Y-Pos. 1.2 Messung einer Gleichspannung (DC) Fußangel: die Empfindlichkeit des Kanal 1 (CH I) sollte auf 1Volt/DIV eingestellt sein, die Kurve (Linie) des Oszilloskopes sollte etwa in der Mitte des Bildschirms stehen und der Y- Signal Mode DC/AC/GND (Ground) muss auf DC stehen. Schließen sie die Batterien als DC-Quelle an das Oszilloskop an.weshalb muss außer der Signalleitung (CH I) auch die Masseleitung (Ground) des Oszilloskops an die Batterie gehen? Wenn sich die Kurve (Linie) des Oszilloskops nach Anschluss vertikal verschiebt und noch im sichtbaren Bildschirmbereich verbleibt sind die Easycake: Messung U-Batterie

2 Laborversuch Grundlagen der physikalischen Messtechnik: Digitaloszilloskop 2 Einstellungen korrekt. Erproben sie den Schalter DC/AC/GND: Beobachtung ins Messprotokoll Erproben sie in Stellung DC den Schalter Empfindlichkeit Volt/Div: Beobachtung ins Messprotokoll Messen sie jetzt die Batteriespannung und notieren sie die Ergebnisse ins Protokoll: a) mit Empfindlichkeit 1V/DIV b) mit möglichst kleinem Fehler. c) mit dem Digitalvoltmeter (Multimeter) zum Vergleich. d) Polen sie bei 1V/DIV die Batterie um. Fortgeschrittenes: Dieser Übungsteil wird zunächst übersprungen. Nach Abarbeitung der letzten Aufgabe werden die fortgeschrittenen Übungen ausgeführt. Wiederholen sie die Messungen der Gleichspannung (DC) mit dem Labornetzteil als Quelle. Stellen sie mit dem Labornetzteil eine Spannung von ca. 3 Volt dann 7 Volt usw. ein. Was passiert beim Ändern/Umpolen der Spannung? 1.3 Messung einer Wechselspannung (AC). Fußangel: wie 1.2, Zeitbasis auf 5ms/DIV Schließen sie den Trafo als AC- Quelle (auf Anschluss des Netzkabels achten, erst Gerät stecken, dann in die Steckdose) im Bereich 2 Volt an. Wenn auf dem Bildschirm nach dem Anschluss eine ungefähr sinusförmige Kurve erscheint, sind die Einstellungen korrekt. Erproben sie den Schalter DC/AC/GND: Beobachtung ins Protokoll Erproben sie den Schalter Empfindlichkeit Volt/DIV: Beobachtung ins Protokoll. Erproben sie den Schalter Zeitbasis Sek./DIV: Beobachtung ins Protokoll. 2 Trafos & Anschluss mit Sinus Messen sie jetzt die Trafo Spannung: stellen sie dabei einen möglichst großen "Sinus" auf dem Bildschirm dar. Führen sie folgende Messungen aus: Messung der Periodendauer T : Ergebnis ins Protokoll Berechnung der Frequenz f: Ergebnis ins Protokoll Messung max. Amplitude - minimale Amplitude = Spannung Spitze Spitze = U SS : Ergebnis ins Protokoll Berechnung: U sp, U eff, U mittel (siehe Protokoll) Messung der Spannung mit dem Digitalvoltmeter als Vergleich: Ergebnis ins Protokoll Polen sie die Spannung um und vergleichen sie: Ergebnis ins Protokoll Als nächstes wird eine reine Wechselspannung (AC) mit einer Gleichspannung (DC, Batterie) kombiniert. Schließen sie dazu die DC-Quelle in Serie mit dem Trafo an das Oszilloskop an. Wiederholen sie die Beobachtung bei Betätigung des Schalters AC/DC/GND. Beobachtungen ins Protokoll.

3 Laborversuch Grundlagen der physikalischen Messtechnik: Digitaloszilloskop 3 Fortgeschrittenes (nach Beendigung der letzten Aufgabe): Wiederholen sie die Messung mit den Funktionsgenerator (Sinus) als AC-Quelle, wählen sie zum Beispiel als Frequenz 1kHz...10 khz mit angepasster Zeitbasis Sek./DIV. 1.4 Variationen des Trigger Zeitpunkts Fußangel: der Trigger selbst ist eine, Trigger Quelle: Kanal 1 (CH I), Trigger Kopplung: DC Lassen sie den Trafo als AC-Quelle von Teilaufgabe 1.3 angeschlossen und betrachten sie den Anfangspunkt der Sinuskurve (DC-Quelle kann entfernt werden). Variieren sie die Einstellung des Trigger Levels: Beobachtung ins Protokoll Variieren sie die Einstellung des Trigger Slopes: Beobachtung ins Protokoll An Kanal 2 (CH II) liegt kein Signal an. Wenn die Trigger Funktion auf Kanal 2 (CH II) eingestellt wird, verliert Kanal 1 daher seinen Triggerzeitpunkt. Beobachtung ins Protokoll. Fortgeschrittenes (nach Beendigung der letzten Aufgabe): Experimentieren sie mit dem 2. Kanal (CH II) in dem sie im Dual (Knopf) Modus beide Kanäle aktivieren. Schalten sie die AC-Generator-Quelle auf CH I, AC-Trafo-Quelle auf CH II, erproben sie die Trigger Funktion nochmals CH I/CH II. Beobachtung ins Protokoll. 2. Aufgabe: Qualitätskontrolle durch digitale Speicherfähigkeit Anwendung des Oszilloskops und Einführung in die digitalen Speicherfähigkeiten. Ziel: In dieser Aufgabe soll die Drehzahl eines Getriebes mit dem Oszilloskop erfasst werden. Mit Hilfe der Speicherfähigkeit soll eine Qualitätsprüfung im Betrieb erfolgen. Dazu wenden sie Ihr Expertenwissen aus dem 1. Versuch an. Bei Antrieben mit kleiner Drehzahl (< 30 UPM) führt die Erfassung lediglich einer vollen Umdrehung zu einer schleppend langsamen Anzeige der Drehzahl (warum?). Viel genauer ist daher die Messung einer höherfrequenten Quelle, zum Beispiel die Drehzahl einer schnell drehenden Stufe im Getriebe. In der Praxis lassen sich etwaige Kosten der Drehzahlerfassung begrenzen, in dem die Zahnfrequenz eines Zahnrads mittels Sensoren erfasst wird. Entsprechend der Zähnezahl ist die Zahnfrequenz höher als dessen Drehzahl und die Messung daher genauer. Das Getriebe wird im Laborversuch durch einen Getriebe- Gleichstrommotor simuliert, an dessen Welle ein Modul 1.0 =40 mm Zahnrad montiert ist. Welche Zahnfrequenz in Herz ist bei 60 Umdrehungen pro Minute (UpM) zu erwarten? Ergebnis ins Protokoll. Die Zähne des Stahlzahnrads werden durch einen Hallsensor gemessen und können auf dem Oszilloskop betrachtet werden. Schließen sie den Gleichstrommotor Aufbau: Getriebemotor mit Zahnrad & Hallsensor

4 Laborversuch Grundlagen der physikalischen Messtechnik: Digitaloszilloskop 4 mit den grünen Buchsen an ein auf 0 Volt eingestelltes Labornetzteil an. Probefahrt: Erhöhen sie die Spannung in Schritten (maximal 6V) und reduzieren sie die Spannung wieder auf 0V. NIEMALS die Kabel bei laufendem Motor vom Netzteil abziehen (Induktionsimpuls!), immer vorher auf 0V herunterfahren. Durch Umpolen der Kabel kann die Drehrichtung geändert werden. Inbetriebnahme Sensor: Schieben sie den Hallsensor nach oben, so dass ein ca. 5 mm großer Abstand zum Zahnrad verbleibt. Stellen sie den Strahl (Linie) des Oszilloskops in die untere Hälfte des Bildschirms mit Empfindlichkeit 1 Volt/DIV und Y-Mode DC für CH I (Trigger CH I, Auto=AT). Schließen sie ein zweites, Digitallabornetzteil mit 5.0V Spannung an den Hall- Sensor an (Rot= +5.0V, schwarz = Masse). Fahren sie den Motoren dabei mit ca. 60 UpM. Schließen sie das Oszilloskop an den Hallsensor an (Gelb= Signal (CH I) und Schwarz = Masse) und beobachten sie das Signal auf dem Oszilloskopbildschirm bei einer Zeitablenkung von ca. 5msek/DIV. 2.1 Messung Mode DC: Schieben sie den Hall- Sensor bei laufendem Zahnrad allmählich nach unten bis zum Anschlag (minimaler Abstand) und beobachten sie das Signal am Oszilloskop. Beobachtung ins Protokoll. 2.2 Messung Mode AC: Schieben sie den Hall- Sensor wieder ca. 5 mm nach oben. Schalten sie den CH I des Oszilloskops in den Mode AC. Beobachtung ins Protokoll. Vergrößern sie die Empfindlichkeit Volt/DIV auf 0,5 -> 0,2 -> 0,1... V/DIV. Schieben sie den Hall- Sensor bei laufendem Zahnrad allmählich nach unten bis zum Anschlag (minimaler Abstand) und beobachten sie erneut das Signal am Oszilloskop. Beobachtung ins Protokoll. 2.3 Drehzahlmessung: Oszis u.:dc o.:ac Mode Messen sie für 2,5, 3, 4, 5, 6 Volt am Motor die Zahnfrequenz und errechnen sie die Drehzahl. Verwenden sie die nach ihrer Erfahrung besten Oszilloskop Einstellungen und dokumentieren sie im Protokoll. 2.4 Qualitätssicherung mit dem digitalen Speicher. Aufgabe: Im Rahmen der Qualitätssicherung ist das montierte Zahnrad (Getriebe) auf Schäden, Rundlauf usw. zu prüfen. Untersuchen sie das Zahnrad auf beschädigte Zähne und auf Rundlauf (Spiel, Exzentrität). Unter Einsatz eines digitalen Oszilloskops mit Hall- Sensor kann diese Prüfung in eingebautem Zustand bei laufendem Betrieb erfolgen. Die digitalen Speicherfunktionen sind sehr vielfältig. Die Komplexität und die Vielfalt der Funktionen nehmen zu, je moderner und teurer die Geräte sind. Hier erfolgt lediglich eine Einführung.

5 Laborversuch Grundlagen der physikalischen Messtechnik: Digitaloszilloskop 5 Fußangel: Stellen sie sicher, dass die Speicherfunktionen in hold, single (SGL), Roll (ROL) DEAKTIVIERT sind. Fahren sie den Motor mit ca. 60 UpM. Beobachten sie die (noch) analoge Anzeige im Mode AC (CH I) so, dass sie ein deutliches Bild des Signals erhalten. Verlangsamen sie die Zeitablenkung Sek/DIV in Stufen bis auf 0,1 Sek/DIV. Beobachtungen ins Protokoll. Schalten sie den Digitalspeicher des Oszilloskops hinzu (Taste Storage = Stor.). Die Speicherung sollte im Refresh (RFR) Mode erfolgen, d.h. das Bild wird immer neu gezeichnet. Experimentieren sie nochmals mit der Zeitablenkung Sek/DIV im Bereich 5msek/DIV bis 0,2Sek/DIV. Beobachtung ins Protokoll. Zur Inspektion des Zahnrads muss eine volle Umdrehung auf dem Bildschirm sichtbar sein. Die Zeitablenkung muss bei Drehzahl ca. 60 UpM daher 0,1 oder 0,2Sek./DIV sein. Der Bildschirm wird mindestens alle 2sek neu gezeichnet. Diese Zeit ist zu kurz für eine genauere Betrachtung. Aktivieren sie die Single Taste (SGL) und beobachten sie Ihre Wirkung (Beobachtung ins Protokoll). Betrachten sie das Signal einer vollen Umdrehung auf dem Bildschirm, das sind 40 Zähne. Was fällt auf? Beobachtung ins Protokoll. Marodes Zahnrad auf Bildschirm Prüfen sie als nächstes die einzelnen Zähne des Zahnrads. Dazu ist das Speicherbild am Bildschirm zu ungenau. Mit dem Knopf X-Magnitude (X-Magn x10) kann das Bild in X-Richtung um den Faktor 10 gestreckt (Zoom) werden. Der Zoomausschnitt kann mit dem Knopf X- Position (X-Pos) über das ganze Speicherbild verschoben werden. Experimentieren sie damit und notieren sie ihre Beobachtung ins Protokoll. Im gedehnten Bild betrachten sie 40 aufeinander folgende Zähne. Unregelmäßigkeiten des Signals deuten auf fehlerhafte Zähne (Produktionsfehler, Verschleiß usw.) hin. Notieren sie Ihre Beobachtung im Protokoll. 3. Aufgabe Zur Übung und Vertiefung führen sie nun die Fortgeschrittenen Experimente aus den vorherigen Aufgaben aus. 4. Fertig! Die Ausarbeitung erfolgt zu Hause und ist spätestens in 2 Wochen d.h. in der Regel zum nächsten Labortermin abzugeben.