Posten C: Wie untersucht man Schwingungen mit einem Kathodenstrahl-Oszilloskop (KO)?

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1 Physikpraktikum zu Schwingungen und Wellen Posten C: Wie untersucht man Schwingungen mit einem Kathodenstrahl-Oszilloskop (KO)? Themen: Schalldruckdiagramm, Kathodenstrahloszilloskop, Trigger 1 Material Kathodenstrahloszilloskop (KO) Frequenzgenerator Kleine Lautsprecheranlage CD-Player mit 2 CDs (Chopin, Black Box) diverse BNC- und andere Kabel 2 Einleitung Es gibt Messgeräte, mit welchen sich Schwingungen sichtbar machen lassen. Ein solches Messgerät ist das Kathodenstrahl-Oszilloskop, kurz KO: Kathodenstrahl: Innerhalb des KOs wird mit einer Art Plattenkondensator (Elektronenkanone) ein Strahl von Elektronen erzeugt, welcher durch weitere Plattenkondensatoren horizontal und vertikal abgelenkt werden kann. Da die Elektronen von einer Kathode, also von der negativ geladenen Seite der Elektronenkanone losfliegen, spricht man von einem Kathodenstrahl. Trifft dieser Strahl auf den Leuchtschirm, so entsteht dort das Licht, welches wir sehen können. Oszilloskop: Dieser Begriff bezeichnet ein Gerät, mit welchem sich Schwingungen, eben Oszillationen, untersuchen lassen. Das Eingangssignal wird im KO verstärkt und steuert die vertikale Ablenkung des Kathodenstrahls. An diesem Posten sollen Sie lernen, wie man mit einem KO umgeht und so diverse Informationen über eingehende Signale erhalten kann. 1

2 3 Versuchsanleitung 3.1 Inbetriebnahme des FUNKTIONSGENERATORS GFG-8015G Der Funktionsgenerator ist das kleinere der beiden Geräte auf dem Tisch. Wie der Name schon sagt, erzeugt es Signale, welche im Ablauf der Zeit bestimmten mathematischen Funktionen f(t) folgen. Das vorliegende Gerät bietet drei Funktionstypen an: Sinusfunktionen, Dreiecksfunktionen und Rechtecksfunktionen. Die Frontseite sieht folgendermassen aus: Inbetriebnahme: 1. Einschalten mit dem grünem Powerknopf (1). 2. Verwenden Sie zur Signalausgabe den 50Ω-Ausgang (11) und hängen Sie zum Austesten als Erstes gerade einmal den Lautsprecher an. 3. Die Grössenordnung (RANGE) der erzeugten Frequenz lässt sich mit der Knopfreihe (3) links oben steuern, von 1MHz bis hinunter zu 1Hz. 4. Mit dem Drehregler (5) links gibt man den Faktor an, mit welchem der eingestellte Range multipliziert wird. Z.B. erzeugt der 10k-Knopf zusammen mit der Reglereinstellung.4 eine Frequenz von 4000Hz. 5. Der kleinere Drehregler (9) steuert die Signalstärke (AMPL). 6. Die drei Wahlknöpfe (4) geben die Funktionsart des ausgehenden Signals vor. Probieren Sie verschiedene Einstellungen der Knöpfe und Regler aus und hören Sie, wie sich der Ton des Lautsprechers verändert. So erfahren Sie, welcher Regler für welche Qualität des gehörten Tons zuständig ist. Notieren Sie, welche Toneigenschaft durch welche Regler gesteuert wird: Tonhöhe: Klangfarbe: Lautstärke: 2

3 3.2 Erste Schritte mit dem KATHODENSTRAHLOSZILLOSKOP (KO) Das KO dürfte wohl eines der komplizierteren Geräte sein, mit denen Sie es schon einmal zu tun hatten. Man hat allerdings relativ bald den Dreh raus, was wie und wo einzustellen ist. Rechts des Bildschirms finden Sie das folgende Bedienungsfeld: Das Bedienungsfeld ist in fünf funktionelle Teilfelder eingeteilt: VERTICAL CH1 (unten links): Regelung des ersten Eingangskanals. VERTICAL CH2 (unten rechts): Regelung des zweiten Eingangskanals. HORIZONTAL (oben links, untere Hälfte): Steuerung der Zeitachse. TRIGGER (oben rechts): Steuerung des Triggers. GENERATOR (oben links, obere Hälfte): Eingebauter Funktionsgenerator. (Der Ausgang dieses Funktionsgenerators liegt im TRIGGER-Feld.) Inbetriebnahme: 1. Bringen Sie am OUTPUT des Funktionsgenerators (also am anderen Gerät!) eine Verzweigung des BNC-Kabels an, so dass das ausgehende Signal sowohl auf den Lautsprecher, wie auch auf das KO gegeben werden kann. Am KO führen Sie dieses Kabel zum Eingang des VERTICAL CH1 links unten. 2. Zur Erzeugung des ersten Bildes auf dem KO ist es günstig eine Sinusfunktion bei einer Frequenz von etwa 10 khz zu verwenden. Nehmen Sie die entsprechenden Einstellungen am Funktionsgenerator vor. 3. Schalten Sie das KO ganz links unten mit dem Powerknopf ein. (Vielleicht sehen Sie nun bereits einen Funktionsgraphen auf dem Schirm.) 3

4 4. Stellen Sie sicher, dass die folgenden Einstellungen am KO erfüllt sind: Im TRIGGER-Bedienungsfeld rechts oben ist der TRIG ALT-Knopf nicht gedrückt und die Hebel MODE und SOURCE stehen auf der obersten Position. Zudem ist der LEVEL-Regler in die mittlere Position gedreht. Der Hebel MODE (unten Mitte) steht auf CH1. Im CH1-Bedienungsfeld (unten links) steht der mittlere Hebel auf AC. 5. Mit Hilfe folgender Regler müsste es nun möglich sein, ein stehendes Bild des im Funktionsgenerator erzeugten Sinussignals auf den Schirm zu bringen: Im VERTICAL CH1-Feld: POSITION und VOLTS/DIV. Im HORIZONTAL-Feld: POSITION und TIME/DIV. 3.3 Frequenz- und Amplitudenermittlung mit dem KO Eichung des vertikalen Ausschlags Zur Ausmessung des Bildes muss die vertikale Auslenkung des KOs geeicht, also ihr Nullpunkt festgelegt werden. Stellen Sie dazu im CH1-Bedienfeld den mittleren Hebel auf Ground (GND). Dadurch wird das Eingangssignal ausgeblendet und im Bildschirm erscheint das Nullniveau. Bringen Sie dieses Nullniveau mit dem POSITION-Regler auf die vertikale Mitte des Schirms. Wechseln Sie anschliessend wieder auf die AC-Einstellung, in welcher das Eingangssignal auf den Schirm gegeben wird. Die Bedeutungen von VOLTS/DIV und TIME/DIV Entscheidend ist das Kürzel DIV für das englische Wort division. Dieses bedeutet Einheit oder Einteilung und bezieht sich beim KO ganz konkret auf die Häuschen auf dem Bildschirm: VOLTS/DIV ist demnach zu lesen als Volt pro (vertikale) Häuschenlänge. Beispiel: Der Regler VOLTS/DIV sei auf.2 V = 0.2V eingestellt. Auf dem Schirm sei eine Schwingung mit einer Amplitude A von 3.5 Häuschen sichtbar. Dann folgt für das Eingangssignal: A = 0.7V, denn V = 0.7V. Damit wird klar, dass sich das Bild vertikal dehnen muss, wenn man am Regler VOLTS/DIV zu kleineren Werten geht: Die Höhe eines einzelnen Häuschens wird dadurch nämlich verkleinert. TIME/DIV bezieht sich auf die horizontale Richtung und ist zu lesen als Zeitspanne pro (horizontale) Häuschenlänge. Beispiel: Der Regler TIME/DIV sei auf.5 ms eingestellt. In dieser Einstellung messe die Periode T einer Schwingung auf em Schirm 6.2 Häuschen. Daraus folgt für das Eingangssignal: T = 3.1ms, denn ms = 3.1ms. Für die Frequenz des Eingangssignals ergibt sich: f = 1 T = s = 323Hz. Dieser Wert muss sich mit dem am Funktionsgenerator eingestellten Wert decken! (Vom Lautsprecher müsste ein nicht allzu hoher Pfeifton hörbar sein!) Damit verstehen Sie, warum sich das Signalbild horizontal dehnt, wenn man am Regler TIME/DIV zu niedrigeren Werten geht: Die zeitliche Länge eines Häuschens wird dadurch verkleinert! 4

5 Aufgaben zur Signalausmessung 1. Lassen Sie vom FUNKTIONSGENERATOR eine Sinusschwingung mit beliebiger Frequenz und Amplitude erzeugen und ermitteln Sie aus dem KO-Bild eben diese Frequenz f (in Hertz Hz) und die Signalamplitude A (in Volt V). Überprüfen Sie, ob sich die aus dem KO-Bildschirm errechnete Frequenz mit der Einstellung am Funktionsgenerator deckt! 2. Schliessen Sie den Ausgang des CD-Players ans KO an. Legen Sie die Black Box- CD ein und versuchen Sie das Signal zu sehen, welches auf Track 1 dieser CD enthalten ist. Machen Sie Frequenz- und Amplitudenangaben dazu. Wenn Sie möchten, können Sie dasselbe mit Track 2 machen. 3.4 Das Geheimnis des KOs: der Trigger Drehen Sie den LEVEL-Regler im TRIGGER-Bedienungsfeld rechts oben am KO an einen seiner Anschläge! Das laufende Bild ohne Trigger Erinnern wir uns daran, was im Innern des KOs passiert: Ein Elektronenstrahl wird von einer Elektronenkanone abgeschossen und anschliessend durch zwei Plattenkondensatoren (x und y) sowohl horizontal, als auch vertikal abgelenkt. Dort, wo der Elektronenstrahl auf den Leuchtschirm trifft, entsteht der Leuchtpunkt. Wird der Strahl rasch über den Schirm geführt, entsteht eine Leuchtspur. Das am CH1 eingehende Signal steuert die vertikale Auslenkung des Elektronenstrahls, indem es fortlaufend bestimmt, wie stark der y-plattenkondensator aufgeladen ist. Die Einstellungen im VERTICAL-Bedienfeld werden hierbei miteinbezogen, indem sie dieses Signal verstärken oder abschwächen. Horizontal läuft der Strahl immer wieder von links nach rechts über den Schirm. D.h., die Veränderung der Ladungen auf den Platten des x-kondensators wird durch das KO selber festgelegt, genauer durch die Einstellung am TIME/DIV-Regler. Dieser legt die horizontale Geschwindigkeit des Elektronenstrahls fest. Ohne weiteren Mechanismus, d.h. ohne Trigger startet der Strahl sofort wieder von links, sobald er rechts angekommen ist. Auf diese Weise ist allerdings nicht sicher gestellt, dass der Strahl bei seiner zweiten Passage über den Schirm wieder exakt dieselbe Spur wie beim ersten Mal abfährt: Wenn der Strahl rechts ankommt, beginnt er ja sofort wieder links, und zwar auf der vertikalen Höhe y, mit der er rechts angekommen ist. Es wäre wirklich überraschend, wenn dies ausgerechnet dieselbe y-höhe wäre, mit welcher der Strahl den ersten Durchgang begonnen hat. Ohne Trigger sieht das KO-Bild eines Sinussignals in der Regel so aus, wie es oben auf der nächsten Seite gezeigt wird. Der Strahl startet am linken Bildrand stets auf einer anderen Höhe. Damit ergibt sich jedesmal eine neue Leuchtspur. Begründung: Bei einer TIME/DIV-Einstellung von z.b. 0.5 ms flitzt der Elektronenstrahl pro Sekunde knapp 200-mal von links nach rechts über den Schirm. Unser Sehsinn kann aber nur etwa 20 Bilder pro Sekunde zeitlich auflösen. Deshalb sehen wir bei dieser Einstellung immer etwa 10 Leuchtspuren gleichzeitig. 5

6 Dabei ist alles in ständiger Bewegung. Man erkennt relativ deutlich eine Sinusfunktion, aber es ist kaum möglich, hier die Periode abzulesen. Dafür braucht man ein stehendes Bild, wie Sie es bereits gesehen haben! Wie der Trigger ein stehendes Bild erzeugt Mit einem eleganten technischen Trick, dem sogenannten Trigger, lässt es sich einrichten, dass das Muster bei jedem Durchgang des Strahls von links nach rechts wieder an die genau gleichen Stellen zu liegen kommt. So entsteht für uns ein stehendes Bild. Erst durch den Trigger wird das KO zu einem genialen Messinstrument! Sobald der Elektronenstrahl auf der rechten Seite angekommen ist und wieder zur linken Seite gesprungen ist, stoppt der Trigger die horizontale Bewegung. Erst, wenn er das Okay zum Loslaufen gibt, startet die Strahlbewegung wieder von links nach rechts. Und wann gibt der Trigger dieses Okay? Immer genau dann, wenn das Eingangssignal einen bestimmten Wert auf der y-achse durchquert. Dieser Wert, das sogenannte Triggerlevel wird durch den LEVEL-Regler im TRIGGER-Bedienungsfeld festgelegt. Dabei wird mit dem SLOPE-Knopf zusätzlich festgelegt, in welche Richtung das Triggerlevel durchqueren muss, wenn getriggert, also ausgelöst werden soll. 1 Diese Einstellungen legen innerhalb einer Sinusschwingung einen ganz bestimmten Zeitpunkt fest, bei welchem das Signal die horizontale Strahlbewegung triggert, sie also von links loslaufen lässt: Probieren Sie es aus! Spielen Sie mit dem Triggerlevel und beobachten Sie dabei das Sinusbild. Achten Sie insbesondere auf den linken Bildschirmrand, wenn Sie den LEVEL- Regler verstellen oder die SLOPE-Einstellung wechseln. Für diese Beobachtung ist es nützlich, das ganze KO-Bild etwas nach rechts zu verschieben, so dass Sie den Ort zu sehen bekommen, von welchem der Elektronenstrahl links jeweils startet. Diese Rechtsverschiebung erreichen Sie mit dem POSITION-Drehregler im HORIZONTAL-Bedienungsfeld. 1 Nebenbei: trigger ist das englische Wort für Auslöser oder Abzug, z.b. auch bei Schusswaffen: to pull the trigger. 6

7 4 Weitere Fragestellungen 4.1 Musik im KO sichtbar machen Verbinden Sie z.b. den Ausgangskanal des CD-Players mit dem Eingang des KOs. Legen Sie anschliessend die Chopin-CD ein und betrachten Sie die Musik auf dem KO. Das Bild zeigt die ständig variierende Spannung U(t), welche auf einen Lautsprecher gegeben werden kann. Diese Funktion enthält die Musik und entspricht dem Schalldruckdiagramm p(t), das Sie bereits kennen. Warum ergeben sich hier trotz Trigger keine oder allenfalls nur ganz kurzzeitige und sehr unpräzise stehenden Signalbilder? 4.2 Lissajous-Figuren Wenn Sie Zeit und Lust haben, können Sie zum Schluss einige Lissajous-Figuren erzeugen. Anstelle des gleichmässig von links nach rechts laufenden Elektronenstrahls wird zur horizontalen Strahlsteuerung ein zweiter Funktionsgenerator verwendet. Sowohl die Bewegung in x-, als auch in y-richtung sollen also durch generierte Funktionen gesteuert werden. Stehen die beiden Frequenzen in schönen Zahlenverhältnissen zueinander, so ergeben sich hierbei die Lissajous-Figuren: Unser KO verfügt über einen eigenen Funktionsgenerator. Die Bedienelemente dazu finden Sie im zugehörigen Bereich GENERATOR. Sie sind denen des externen Generators sehr ähnlich. Sie sollten damit keine Mühe haben. Verbinden Sie den Ausgang des integrierten Generators mit dem Eingang von CH2 und legen Sie an CH1 wieder den externen Generator. Schalten Sie dann unter TIME/DIV auf die Einstellung X Y ganz links. Nun können Sie das neue Setting ausprobieren. Tipp: Bei niedrigen Frequenzen geht s besser! 7