GRUNDLAGENLABOR CLASSIC OSZILLOSKOP UND SIGNALGENERATOR

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1 GRUNDLAGENLABOR CLASSIC OSZILLOSKOP UND SIGNALGENERATOR Inhalt: 1. Einleitung und Zielsetzung Theoretische Aufgaben - Vorbereitung Praktische Messaufgaben...3 Anhang: Theorie Oszilloskop und Sonde...5 Filename: Version: Author: KO_Signalgenerator_1_0.doc 1.0 S. Wicki Created: Last modified: Page: :50 1 / 10

2 1. EINLEITUNG UND ZIELSETZUNG Das Oszilloskop ist aus der Elektrotechnik nicht wegzudenken. Ob Printplattenentwicklung, Leistungselektronik, High Speed Schaltungen und Kommunikationsprotokolle: für die Analyse der Signale im Zeitbereich wird das Oszilloskop verwendet. Das Oszilloskop ist eines der grundlegendsten und weit verbreitesten Messgeräte überhaupt. Früher bekannt mit dem grün leuchtenden Bildschirm (Kathodenstrahloszilloskope: KO), sind es heute komplette Windowsrechner mit Touchscreen und farbigen Kurvenformen (Digitale Signal Oszilloskop: DSO). Das Pendant zum Oszilloskop ist der Signalgenerator. Dieser Versuch hat folgende Zielsetzungen: Theorie und Anwendung vom KO Abgleich der KO-Sonden Kopplung und Triggerung beim KO anwenden Kennenlernen vom Signalgenerator Anwendung vom KO und dem Signalgenerator 2. THEORETISCHE AUFGABEN - VORBEREITUNG 2.1 Theoretische Grundlagen Studieren Sie die Theoretischen Grundlagen im Anhang und lösen Sie Aufgaben dazu (Kap.2.2). 2.2 Aufgaben a) Sie möchten von einer DC Spannung von 15V die Rippelspannung messen. In welchem Bereich ist so eine Rippelspannung zu erwarten? Mit welcher Kopplungsart messen Sie die Rippelspannung? b) Was können Sie mit AC-Kopplung nicht messen? c) Was kann der Nachteil einer AC-Kopplung sein? d) Wieso verwendet man Messsonden? e) Was ist der Nachteil einer Messonde? Version 1.0 Seite 2 / 10

3 3. PRAKTISCHE MESSAUFGABEN 3.1 Abgleich der KO Sonde Gleichen Sie alle Ihre verwendeten KO Sonden anhand der Theorie im Anhang ab. 3.2 Signalkopplung: Rechtecksignal u E Stellen Sie am Signalgenerator folgendes Signal ein. Verwenden Sie eine Frequenz von 1kHz. Einen Offset von 2.5V. Die Amplitude beträgt 5V Peak-Peak. Das Tastverhältnis (Duty- Cycle) beträgt 50%. 5V 0 T 1 t Fig. 3-1 Rechtecksignal mit 50% Duty-Cycle Verwenden Sie als Frequenz zuerst 1kHz, danach 10Hz. a) Messen Sie mit dem KO die Signalform, die Frequenz, die Amplitude und den Offset mit: DC-Kopplung. b) Messen Sie mit dem KO die Signalform, die Frequenz und die Amplitude mit: AC-Kopplung. Wiederholen Sie die Messungen a) und b) für 10Hz. 3.3 Signalkopplung: Sinussignal u E Stellen Sie am Signalgenerator folgendes Signal ein. Verwenden Sie eine Frequenz von 1kHz. Einen Offset von 0V. Die Amplitude beträgt 5V Peak. 5V 0 T 1 t Verwenden Sie als Frequenz zuerst 1kHz, danach 10Hz. Fig. 3-2 Rechtecksignal mit 50% Duty-Cycle a) Messen Sie mit dem KO die Signalform, die Frequenz, die Amplitude und den Offset mit: DC-Kopplung. b) Messen Sie mit dem KO die Signalform, die Frequenz und die Amplitude mit: AC-Kopplung. Wiederholen Sie die Messungen a) und b) für 10Hz. Version 1.0 Seite 3 / 10

4 3.4 Triggerung Stellen Sie am Signalgenerator folgendes Signal ein. Verwenden Sie eine Frequenz von 100Hz. Die Amplitude beträgt 1V Peak-Peak. Das Tastverhältnis (Duty-Cycle) beträgt 25%. Die untere Linie des Signal berührt die Nulllinie. 1V u E 0 T 1 Fig. 3-3 Rechtecksignal mit 25% Duty-Cycle t a) Verifizieren Sie die korrekte Einstellung des Signals. b) Messen Sie möglichst genau die Anstiegszeit des Signals (auch risetime t r genannt) c) Messen Sie möglichst genau die Abfallzeit des Signals (auch falltime t f genannt) Definiert sind sie folgendermassen: t r : 10% 90% von u max, t f : 90% 10% von u max. d) Verändern Sie den Trigger-Level und die Delay-Zeit. Was hat das für Auswirkungen auf die Darstellung des Signals? 3.5 Lissajous-Figur Eine Lissajous-Figur entsteht, indem man zwei harmonische Signale z.b. auf einen KO im X-Y Betrieb einspeist. Das eine Signal hat eine ganzzahlige vielfache Frequenz vom anderen. Die Lissajous-Figur kann bewegt werden, indem man die Phase vom einen zum anderen Signal ändert. Die Amplituden beider Signale sind gleich. Mathematisch ausgedrückt: x( t) = sin( ω t) y( t) = sin( n ω t + ϕ) 1 1 x(t): x-komponente des Zeitsignals [-] y(t): y-komponente des Zeitsignals [-] ω 1 = 2πf: Kreisfrequenz [s -1 ] t: Zeit [s] n: natürliche Zahl [1, 2, 3,...] Fig. 3-4 Lissajous-Figur ϕ: Phasenverschiebung vom x- zum y-signal [rad] Stellen Sie eine Lissajous Figur mit dem KO dar. Version 1.0 Seite 4 / 10

5 ANHANG: THEORIE OSZILLOSKOP UND SONDE 1 Oszilloskop Ein Oszilloskop ist ein elektronisches Messgerät zur optischen Darstellung einer oder mehrerer Spannungen und deren zeitlichen Verlauf in einem zweidimensionalen Koordinatensystem. Das Oszilloskop stellt einen Verlaufsgraphen auf einem Bildschirm dar, wobei üblicherweise die (horizontale) X-Achse (Abszisse) die Zeitachse ist und die anzuzeigenden Spannungen auf der (vertikalen) Y-Achse (Ordinate) abgebildet werden. Das so entstehende Bild wird als Oszillogramm bezeichnet. Es gibt analoge und digitale Oszilloskope, wobei analoge Geräte ausschließlich eine Kathodenstrahlröhre zur Anzeige benutzen (Kathodenstrahloszilloskop). Analoge Oszilloskope Analoge Oszilloskope haben heute aus technischen Gründen, neben praktischen Nachteilen wie der Größe der Kathodenstrahlröhre und wirtschaftliche Faktoren wie der preisgünstigen Verfügbarkeit von DSO, im praktischen Laboreinsatz nur noch eine untergeordnete Bedeutung. Einzelne Anwendungsbereiche von einfachen analogen Oszilloskopen liegen im Ausbildungsbereich in technischen Schulen. Figur A-1: Bild von einem analogen KO Figur A-2: Funktionsweise von einem analogen KO 1 Quellen (Stand 30. Jul. 2009): (Suchbegriffe: Oszilloskop / Tastkopf: Deutsch) Version 1.0 Seite 5 / 10

6 Digitale Oszilloskope Heute werden vermehrt digitale Oszilloskope verwendet. Sie führen eine Analog-Digital-Wandlung durch und sind prinzipiell Speicheroszilloskope (DSO). Sie können Daten auch nach der Messung zur Verfügung stellen, auf einem Speichermedium ablegen oder auf einen PC übertragen. Figur A-3: Bild von einem DSO (digitaler KO) Figur A-4: abgespeicherte Signalform eines DSO Generelle Beschreibung Mit einem Oszilloskop kann man nicht nur die Größe einer Gleich- oder Wechselspannung bestimmen, sondern vor allem ihren zeitlichen Verlauf (die Form der Spannung) betrachten. Meistens werden die zu messenden Spannungen über BNC-Buchsen auf der Frontseite unter Verwendung eines Tastkopfes (auch Sonden genannt) angeschlossen. Die meisten Oszilloskope besitzen einen Eingang für die X-Ablenkung, wodurch nicht nur zeitabhängige Funktionen dargestellt werden können (t-y-darstellung), sondern auch X-Y- Darstellungen (wie etwa Lissajous-Figuren oder Kennlinien). Viele weitere elektrische Größen können mit einem Oszilloskop angezeigt werden, so zum Beispiel: elektrischer Strom, indirekt über den Spannungsabfall an einem Widerstand, (siehe Ohmsches Gesetz) oder mittels einer Stromzange; Frequenz eines Signals; Phasenverschiebungen eines Signals Impulsdiagramme an digitalen Schaltungen und Mikroprozessoren. Allgemein kann jeder Vorgang, der sich als zeitlicher Verlauf einer elektrischen Spannung abbilden lässt, mit dem Oszilloskop dargestellt werden. Version 1.0 Seite 6 / 10

7 Horizontale Auflösung: Zeitbasis Als Zeitbasis bezeichnet man die Baugruppe in einem Oszilloskop, die die Signaldarstellung (bzw. Abtastung) in X-Richtung vorgibt, bei einem analogen Oszilloskop also den Kippschwingungsgenerator. Um Signalzusammenhänge darzustellen, bei denen das Triggerereignis weit vor dem eigentlich interessanten Signalverlauf auftritt, gibt es Oszilloskope mit zwei Zeitbasen: Die erste legt den Abstand zwischen Trigger-Ereignis und Signaldarstellung fest ( Main ), die andere die Zeitachse im angezeigten Oszillogramm ( Delayed ). Bei digitalen Oszilloskopen gibt es dann meist noch einen Rolling Modus, bei dem das Signal nicht von links nach rechts geschrieben wird, sondern nach Art eines Messschreibers: das bisher angezeigte Signal wird nach links verschoben und die neue gemessene Spannung am rechten Rand ergänzt. Diese Darstellung nutzt man, um längere Signalabschnitte kontinuierlich darzustellen. Vertikale Auflösung: Verstärkung / Abschwächung In Richtung der Y-Achse wird der Augenblickswert der Signalfunktion angezeigt. Das Bild und die Signalgröße können mit dem Verstärkungsschalter passend eingestellt werden. Die Schalter haben mehrere Zwischenstufen pro Dekade ( ). Bei der Auswertung des Bildes muss dies berücksichtigt werden. Wegen der Gefahr von Ablesefehlern bei der Betrachtung der Kurve, wenn sie zu klein dargestellt ist, sollte die Verstärkung genügend hoch eingestellt sein. Die Null-Linie Signalkopplung (AC/DC Kopplung) Die Null-Linie des Anzeigebildes ist auf dem Schirm mit einem Drehknopf (Y-POSITION) beliebig einstellbar, denn das beobachtete Signal kann positiv, negativ oder bipolar sein. Vom Benutzer kann die Null-Linie leicht an den oberen Rand, unteren Rand oder in die Mitte des Schirms verschoben werden. Für diese Einstellung sollte der Eingangswahlschalter auf Massepotential (GND) gestellt sein. Stellt man den Eingangswahlschalter auf DC, so besteht eine Gleichspannungskopplung zum Verstärker des Oszilloskops. Damit wird sowohl der Gleichspannungsanteil wie auch der Wechselspannungsanteil des Signals auf dem Schirm korrekt angezeigt. Will man hingegen nur den veränderlichen Anteil, z.b. die Rippelspannung einer Gleichspannung, darstellen und den Gleichanteil unterdrücken, kann mit der Schalterstellung AC eine Wechselspannungskopplung des Eingangs bewirkt werden. Die neue Null-Linie des Schirmbildes entsteht beim (linearen) Mittelwert der Kurvenform der Signalspannung, ein eventuell vorhandener Gleichspannungsanteil wird unterdrückt (siehe Figur A-5). Bei sehr langsamen Vorgängen können in der Stellung AC Verzerrungen der Kurvenform ( Dachschrägen ) auftreten. Figur A-5: Effekt der Kopplung Version 1.0 Seite 7 / 10

8 Triggerung Mit der Triggerschaltung kann ausgewählt werden, an welcher Stelle der Signalform das Zeichnen des Bildes auf dem Schirm beginnen soll. Mit dem Trigger-Level-Einstellknopf kann der Schwellwert (oben-mitte-unten) gewählt werden. Weiter kann gewählt werden, ob die Auslösung bei der steigenden Flanke (+/- slope) oder fallenden Flanke erfolgen soll. Wechseln man diese Einstellung, verschiebt sich das Bild meistens um eine halbe Periodenlänge. Für die Wahl der Triggerschwelle kann unabhängig von der gewählten Kopplungs-Einstellung für das Signal am Eingang das Triggersignal als Gleichspannung (Trigger DC) oder Wechselspannungskopplung (AC) gewählt werden. Bei verschiedenen Oszilloskopen gibt es weitere Auswahlmöglichkeiten für Filter (HF/LF/TV- Line/TV-frame), die mögliche störende Anteile aus dem Triggersignal entfernen können. In der Position 'Line' wird signalunabhängig auf die Netzspannung (50 Hz) getriggert. Ist die Wahl der Auslöseschwelle nicht eindeutig bezüglich der Wiederholperiode des Signals, kommt es zu Flackern oder einem durchlaufenden Schirmbild. Begriffe Viele Begriffe der Oszilloskop-Messtechnik sind heute englische Begriffe, für die es teilweise keine deutsche Entsprechung gibt, weil der Weltmarkt dieser Geräte von US-amerikanischen Herstellern wie Hewlett-Packard oder Tektronix dominiert wird. Die grün markierten Begriffe wurden für (analoge) Kathodenstrahloszilloskope verwendet. Begriffe: Division DC AC GND HF Line Intensity Alternate Chop Video, TV Frame Übersetzung / Erklärung: Teilung oder Abschnitt des Bildschirmgitters; früher oft als Zentimeter ( 10mV/cm ) bezeichnet engl. Direct Current = Gleichspannung/Gleichstrom engl. Alternating Current = Wechselspannung / Wechselstrom engl. Ground = Massepotential, Nullpotential engl. High Frequency = Hochfrequenz engl. Begriff für Stromnetz-Bezug, aktuelle Netzfrequenz (50 Hz) engl. für Intensität, hier die Leuchtstärke des Elektronenstrahls, einstellbar; bei zu hoher Einstellung u.u. Gefahr der Beschädigung des Bildschirms engl. für abwechselnd; die Zeitverläufe für den 1. und 2. Kanal werden vollständig und nacheinander auf den Bildschirm geschrieben, günstig bei der Anzeige schneller oder hochfrequenter Signale engl. für zerhackt; zwischen den Zeitverläufen des 1. und 2. Kanals wird sehr schnell während eines Durchlaufs umgeschaltet, so dass scheinbar 2 Strahlen auf den Scirm gezeichnet werden; günstig bei langsamen Vorgängen. Aktivieren eines Filters im Triggerverstärker, das aus einem Videosignal das Zeilenwechselsignal als Trigger herausfiltert Aktivieren eines Filters im Triggerverstärker, das aus einem Videosignal das Bildwechselsignal als Trigger herausfiltert Version 1.0 Seite 8 / 10

9 Begriffe: Slope Delay Trigger Übersetzung / Erklärung: eng. für Flanke, der steigende oder fallende Abschnitt einer periodischen Funktion, der das Triggersignal auslöst engl. für Verzögerung, die zeitliche Verzögerung zwischen Triggerzeitpunkt und Beginn der Bilddarstellung, die ermöglicht, das Ereignis zu zeigen, das den Trigger ausgelöst hat Auslösesignal, das das Zeichnen des Schirmbildes veranlasst Sonde / Tastkopf Der Tastkopf, auch Tastteiler, ist ein Messmittel in der Elektronik, hauptsächlich bei Messungen mit dem Oszilloskop. Mit dem Tastkopf wird die zu messende Leiterstelle berührt und so das Signal an das eigentliche Messgerät geführt. Anforderungen und Aufbau An den Tastkopf werden verschiedene Anforderungen gestellt: Der Tastkopf soll das zu messende Signal nicht verändern, also eine möglichst hohe Eingangsimpedanz haben. Daher sollte insbesondere seine Eingangskapazität gering und sein Eingangswiderstand möglichst groß sein. Reflexionen auf der Messleitung sollen möglichst nicht auftreten. Diese Forderungen können nicht miteinander vereint werden: entweder ist die Eingangsimpedanz gering und entspricht dem Wellenwiderstand des Kabels (Koaxialkabel, 50 Ohm) oder es werden Kompromisse hinsichtlich der oberen Grenzfrequenz bzw. Impulstreue hingenommen. Um die Signalquelle möglichst wenig zu belasten, also eine möglichst geringe Eingangskapazität zu haben, besitzen solche Tastköpfe meist ein Spannungsteilerverhältnis von 10:1. Zur Messung höherer Spannungen als etwa 500 Volt gibt es kompensierte Tastköpfe auch mit Teilerverhältnissen von 100:1 und 1000:1. Zur Messung des Pegels sehr hoher Frequenzen gibt es Hochfrequenz-Tastköpfe. Sie besitzen hinter der Spitze eine Diode und liefern den Gleichrichtwert der hochfrequenten Spannung. Figur A-6: Tastkopf passiv 1:10 Figur A-7: Erkennung Figur A-8: Tastkopf Zubehör Version 1.0 Seite 9 / 10

10 Passive/Aktive Tastköpfe Es werden passive und aktive Tastköpfe unterschieden. Die passiven bestehen im Wesentlichen aus einer Metallspitze, dem oben beschriebenen Spannungsteiler und der Zuleitung zum Messgerät. Bei aktiven Tastköpfen wird das Signal bereits im Tastkopf verstärkt, was eine besonders kleine Eingangskapazität ermöglicht. Allerdings benötigt ein aktiver Tastkopf eine externe Stromversorgung und kann nur Signale innerhalb des Arbeitsbereichs des Verstärkers messen. Aktive Tastköpfe sind oft proprietär, das heißt sie passen nur zu den Oszilloskopen der Herstellers. Der abgebildete Tektronix-Tastkopf ist passiv, er ist jedoch durch Kontaktstifte in der Lage, dem Oszilloskop mitzuteilen, dass eine 10:1-Teilung angeschlossen ist. Dieses besitzt am BNC- Eingang einen Metallring, welcher durch den Kontaktstift berührt wird. In Folge wird die horizontale Skale korrekt eingestellt. Nicht alle Geräte sind jedoch in der Lage diese Kodierung zu erkennen und sich selbst darauf einzustellen. Abgleich der Sonden Tastköpfe werden deshalb oft so ausgeführt, dass sie mit dem Eingang des Oszilloskops einen kompensierten Spannungsteiler bilden, der die Kabeleigenschaften mit einbezieht. Hierzu befinden sich vorn im Tastkopf ein Widerstand und ein dazu parallel geschalteter Kondensator, deren Verhältnis demjenigen der Eingangsimpedanz des Oszilloskop gleichen muss. Dazu ist im Anschlussstecker des Tastkopfes ein verstellbarer zweiter Kondensator untergebracht, mit dessen Justage sich der Tastkopf an die Eingangskapazität des Oszilloskops anpassen lässt. Figur A-9: Aufbau des Abgleichs einer KO Sonde Zum Abgleichen der Tastköpfe geben Oszilloskope in der Regel ein Rechtecksignal aus, mit dessen Hilfe man den Tastkopf so abgleichen kann, dass auch ein solches dargestellt wird (vgl. Figur A- 10). Figur A-10: Abgleich einer KO Sonde mit Rechtecksignal (an jedem KO vorhanden) Sonde überkompensiert (Hochpass) Sonde richtig eingestellt (Allpass) Sonde unterkompensiert (Tiefpass) Die Kabellänge bestimmt die Signallaufzeit, bei Messungen im Nanosekundenbereich müssen deshalb bei der Verwendung mehrerer Kanäle des Oszilloskops identische Tastköpfe oder zumindest gleiche Kabellängen verwendet werden. Version 1.0 Seite 10 / 10