Elektronisch Messen? Das ist ein Job für BitScope & RasPi! Von Dipl.-Inf. Karl-Ludwig Butte Ein Oszilloskop ist nur etwas für Profis und sehr teuer!? Wenn Sie glauben, dass dieser Satz wahr ist, lesen Sie weiter. Bitscope Micro von dem Australischen Hersteller BitScope Designs ist ein kleines Add-on-Board, welches speziell für den Raspberry Pi angepasst wurde. Damit kann der Raspberry Pi in ein Oszilloskop, einen Logik Analyzer, Spektrum Analyzer und einen Funktionsgenerator verwandelt werden. In diesem mehrteiligen Artikel werde ich die Installation der Hard- und Software dieses Dynamischen Duos zeigen und wie man mit den dann zur Verfügung stehenden Funktionalitäten die Arbeitsweise elektronischer Schaltungen untersuchen kann. Außerdem wird uns BitScope Micro bei der Fehlersuche gute Dienste leisten, wenn unsere Schaltung nicht so will, wie wir wollen. Aber eins nach dem anderen: Was ist ein Oszilloskop überhaupt? Ein Oszilloskop ist ein elektronisches Messgerät, mit dem man elektrische Größen, wie z.b. Spannungen, Frequenzen, etc., messen kann. Mit einem Digital-Multimeter sind wir in der Lage, eine elektrische Spannung zu messen und den numerischen Wert in der Anzeige abzulesen. Mit einem Oszilloskop bekommen wir eine graphische Anzeige der Spannung über die Zeit. Dazu misst das Oszilloskop die Spannung viele Male und trägt die Werte als Linie in ein Kartesisches Koordinatensystem ein. In diesem ersten Teil der Artikelserie werden wir die Hard- und Software installieren und eine erste Messung vornehmen. Unter der Annahme, dass Ihr Raspberry Pi betriebsbereit ist, sollten Sie zunächst sicherstellen, dass Ihre Raspbian Betriebssystem-Installation auf dem neuesten Stand ist. Führen Sie bitte dazu die beiden nachfolgenden Kommandos in einem LXDE-Terminalfenster aus: sudo apt-get update sudo apt-get upgrade y Installieren Sie als nächstes die BitScope DSO Software: 1) Laden Sie das BitScope DSO 2.7 Paket von der BitScope-Download-Seite http://bitscope.com/pi/ herunter und speichern Sie es im Directory /home/pi auf Ihrem RasPi. 2) Wenn der Download abgeschlossen ist, starten Sie den Dateimanager und navigieren Sie zu der gerade heruntergeladenen Datei im Directory /home/pi. Mit einem Rechts-Klick auf den Dateinamen öffnen Sie das Kontextmenü und wählen dort Öffnen mit aus. Seite 1 von 7
3) In dem sich nun öffnenden Fenster wählen Sie den Reiter Kommandozeile und geben sudo dpkg -i in das Eingabefeld ein. Ein Klick auf OK startet den Installationsvorgang. 4) Wenn die Installationsprozedur abgeschlossen ist, schließen Sie das BitScope Micro Add-on-Board an einen freien USB-Port des Raspberry Pi an, wie in Abb. 1 gezeigt. Wahrscheinlich werden Sie dazu einen aktiven USB-Hub benötigen, da die beiden USB-Ports auf der Raspberry-Platine schon für Tastatur und Maus benötigt werden. Abb. 1 zeigt den Beispiel-Aufbau des Autors. Abb. 1: Anschluss des BitScope Micro an den Raspberry Pi via einen USB-Hub 5) Als letzten Schritt sollten Sie die BitScope DSO Software vom Hauptmenü der grafischen Oberfläche LXDE starten. Diese meldet sich mit Ihrem Start-Bildschirm auf Ihrem Monitor. Klicken Sie jetzt auf die mit Power beschriftete Schaltfläche am rechten Rand des Start-Bildschirms, um Ihr digitales Speicheroszilloskop in Betrieb zu nehmen. Nachdem nun alle Vorbereitungen abgeschlossen sind, bleibt uns nur noch, uns mit dem Benutz- Interface der Software vertraut zu machen, welches in Abb. 2 zu sehen ist: Seite 2 von 7
Abb. 2: Bestandteile der Hauptansicht der BitScope DSO Software (Foto mit freundlicher Genehmigung von BitScope Designs) Im Ausgabebereich (1) werden die Ergebnisse der Messungen in grafischer Form angezeigt. Die Art der Ausgabe ist abhängig davon, welche Schaltflächen im Bereich (2) gewählt wurden. Zu welchem Zeitpunkt Messungen durchgeführt werden, ist sehr wichtig, wenn man mit einem Oszilloskop arbeitet. Elektroniker reden in diesem Zusammenhang von Triggerung. Der Bereich (3) wird daher Trigger Control genannt. Die Einstellungen hier lassen wir jedoch zunächst unverändert. Zu einem späteren Zeitpunkt jedoch, werden wir das Triggerverhalten mit den Trigger-Kontrollen (4) untersuchen. Für exakte Messungen stellt BitScope Micro die sogenannten Cursor-Messungen (5) bereit. Mit den Zeitbasis-Kontrollen (6) sind wir in der Lage, in einen Graph hinein bzw. heraus zu zoomen, um so mehr oder weniger Details zu sehen. Die Eingangskanal-Kontrollen (7) lassen uns die Eingangs-Quelle, den Bereich, die vertikale Position und die Skalierung einstellen. Last but not least erlauben die Erfassungs-Kontrollen (8) eine Einstellung der Sample-Rate, der Dauer, der Frame-Rate und der Anzeige-Modi. Machen Sie sich keine Sorgen über die vielen unbekannten technischen Ausdrücke alles, was wir in diesem Einsteigerkurs benötigen wird rechtzeitig erklärt. Eine erste Messung Um zu sehen, ob Ihre Installation korrekt und einsatzbereit ist, schließen Sie jetzt eine der Messleitungen, die mit Ihrem BitScope Micro geliefert wurden, an den mit Eingangskanal A (bezeichnet mit CHA in Abb. 3) an: Seite 3 von 7
Abb. 3: Anschlußbelegung des BitScope Micro (Foto mit freundlicher Genehmigung von BitScope Designs) Als nächstes stellen Sie die Zeitbasis (6) auf 5msec/Div ein, indem Sie auf den nach links zeigenden Pfeil solange klicken, bis 5msec/Div angezeigt wird. 5msec/Div bedeutet 5 Milli-Sekunden je Teil. Jedes Kästchen auf der X-Achse des Ausgabebereichs (1) repräsentiert 5 Milli-Sekunden. Selektieren Sie auf die gleiche Weise, wie eben, für den Eingangs-Kanal A 1V/Div. Damit bedeutet jedes Kästchen auf der Y-Achse des Ausgabebereichs (1) eine Spannung von 1 Volt. Abb. 4: Berühren Sie die Messspitze mit einem Finger Seite 4 von 7
Drücken Sie nun die obere Seite der Messspitze nach unten, so dass der kleine Metallgreifer an der unteren Seite aus der Plastikhülse hervorkommt und berühren Sie diesen mit einem Finger der anderen Hand (siehe Abb. 4). Keine Angst er beißt nicht, es sei denn, Sie lassen die obere Seite der Messspitze los. Wenn Sie jetzt auf den Ausgabebereich (1) sehen, entdecken Sie dort eine mehr oder weniger perfekte Sinuskurve, wie in Abb. 4 gezeigt. Wo kommt diese Sinuskurve so plötzlich her? Nehmen Sie Ihren Finger von der Messspitze und sie verschwindet genauso schnell, wie sie gekommen ist. Legen Sie Ihren Finger wieder auf die Messspitze und sie ist wieder auf dem Bildschirm zu sehen. Kein Zweifel, Sie sind die Quelle dieser mysteriösen Sinuswelle! Sicherlich werden Sie sich fragen, wie dieser Effekt zustande kommt. Das ist schnell erklärt: Wie Sie mit Sicherheit wissen, haben wir in Deutschland eine Stromversorgung mit 230 Volt Wechselstrom, der die Form einer Sinuswelle und eine Frequenz von 50 Hertz (Hz) hat. D.h., sie wechselt 50 Mal pro Sekunde. Und ein Draht, der von einem Wechselstrom durchflossen wird, verhält sich ähnlich wie ein Radiosender. Ihr Körper wiederum verhält sich wie ein Radioempfänger und injiziert die empfangene Sinuswelle in das BitScope Micro, wenn Sie die Messspitze mit dem Finger berühren. Aber hat die Sinuswelle, die wir auf dem Bildschirm sehen, wirklich 50 Hz? Sehen Sie sich dazu Abb. 5 an: Abb. 5: Bestimmung der Frequenz eines Signals Wir haben 5 Milli-Sekunden je Teil eingestellt(blau eingezeichnete Strecke in Abb. 5). Eine Periode des Signals ist 4 Teile lang (rot eingezeichnete Strecke in Abb. 5). 5 Milli-Sekunden je Teil * 4 Teile = 20 Milli-Sekunden (oder 0,02 Sekunden). Mit einem Oszilloskop kann man die Frequenz nicht direkt Seite 5 von 7
messen, sondern nur die Periodendauer. Diese ist aber der Kehrwert der Frequenz. Wir brauchen also nur den Kehrwert von 0,02 Sekunden zu bilden und erhalten 50 Hertz. In diesem Artikel haben wir grundlegendes über das Oszilloskop erfahren, die Hard- und Software des BitScope Micro Zusatzboards auf dem Raspberry Pi installiert und den Aufbau durch Injektion einer 50 Hz Sinuswelle mittels unserem Finger auf Funktionsfähigkeit getestet. Begleiten Sie mich im nächsten Teil der Artikelserie, wenn wir tiefer in die faszinierende Arbeit des elektronischen Messens mit dem Oszilloskop eintauchen. Falls Sie noch kein BitScope Micro haben, Sie erhalten es gleich hier bei uns im Shop. 4.4.12.-1 by BUTTE-Verlag, Staufenweg 9/5, 71131 Jettingen Inhalt, Design und Struktur der Website www.butte-verlag.de sind urheberrechtlich geschützt. Die Betreiberin der Seite, Ling Butte, Doctor of Engineering / Tokyo Institute of Technology, Japan, Staufenweg 9/5, 71131 Jettingen, behält sich alle Rechte an den eigenen redaktionellen Texten, eigenen Bildern, eigenen Grafiken sowie an dem gesamten Design inklusive Layout-, Schrift- und Farbgestaltung der Website www.butte-verlag.de vor. Die Vervielfältigung, Verbreitung, Veröffentlichung, Veränderung, Bereitstellung für Dritte und jede sonstige Verwendung der Inhalte und Strukturelemente der Website www.butte-verlag.de bedarf der vorherigen schriftlichen Zustimmung von Ling Butte, Doctor of Engineering / Tokyo Institute of Technology, Japan, sofern und soweit diese Inhalte und Strukturelemente nach deutschem Recht, insbesondere deutschem Urheberrecht, schutzfähig sind. Zuwiderhandlungen werden rechtlich verfolgt. Seite 6 von 7
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