Das Oszilloskop 1. Aufbau und Wirkungsweise der Elektronenstrahlröhre In einer Vakuumröhre wird ein Elektronenstrahl erzeugt und so abgelenkt, dass auf einem Leuchtschirm der Verlauf des darzustellenden Signals zu sehen ist. 1.1 Stahlerzeugung Mithilfe der Heizwendel wird die Glühkathode erhitzt. Aus der Kathode treten Elektronen aus. Die emittierten Elektronen können nur durch die Öffnung des Wehneltzylinders austreten. Wieviel Elektronen den Wehneltzylinder verlassen können wird über die negative Spg. zwischen Kathode und Wehneltzylinder gesteuert Intensität 1.2 Beschleunigung und Bündelung Die Anaoden A1,2,3 beschleunigen die Elektronen. A1 und A3 bilden zusammen mit G eine elektrische Linse: Die Schärfe des Strahls wird eingestellt. 1.3 Strahlablenkung und Nachbeschleunigung Die Ablenkung erfolgt durch elektrische Felder und ist nahezu Lstgslos. Die Größe der Ablenkung hängt von der Ablenkspg., der Strahlgeschwindigkeit und der Länge der Ablenkplatten ab. Die Helligkeit des Signals ist von der Auftreffgeschwindigkeit der Elektronen auf den Schirm abhängig. Die Spg. an der Nachbeschleunigungselektrode beschleunigt den Strahl au z.b. 94000 km/s. Die Strahlbündelung und -richtung darf hierbei nicht verändert werden. Die Elektrode wird als Graphitwendel auf der Innenseide des Glaskolbens aufgebracht rotationssymmetrisches, elektrisches Feld. Problem: Sollte die Periodendauer des Signals genauso groß sein wie die Zeit, die die
Elektronen benötigen um durch die Ablenkplatten zu fliegen so würde am Schirm keine Änderung des Signals angezeigt (~500 Mhz). 1.4 Leuchtschirm Metallisierte Leuchtschicht Beim Auftreffen von Elektronen sendet sie Leuchtblitze aus (Fluoreszenz). Die Leuchtschicht kann einen Teil der Aufprallenergie speichern und allmählich als Licht abgeben. Der Schirm leuchtet nach = Phosphoreszenz Die metallisierte Schicht leitet die Elektronen zum Hochspgsnetzteil ab, ansonsten würde sich der Schirm negativ aufladen. 1.5 Baugruppen Blockschaltbild
1. Vertikal-Ablenkung (Y Kanal) Blockschaltbild Über den Schalter 1 wird das Messsignal eingekoppelt. DC: Direkte Einkopplung, das Signal wird nicht verändert. AC: Der Kondensator bildet zusammen mit den nachfolgenden Widerständen einen Hochpass. Grenzfrequenz: fgn=1...10hz Bsp. Bei einem Mischspgssignal wird der Gleichanteil unterdrückt und nur die Wechselspg angezeigt GND: Der Y-Kanal ist vom Eingang getrennt, die Nulllinie kann eingestellt werden. Abschwächer (Spgsteiler) Hiermit passt man die Signalamplitude an die Schirmgröße an. Mit dem Schalter 2 verändert man den Ablenkkoeffizient in den Schritten 1 2 5, z.b. 5 V/Div., 2V/Div., 1V/Div.. Die Widerstände des Eingangsspgsteilers besitzen kapazitive Eigenschaften. Diese bewirken, das die Spgsteilung nicht mehr frequenzunabhängig ist. Aus diesem Grund schaltet man Kondensatoren jeweils parallel und reduziert damit den Einfluss der Eigenkapazitäten. Ersatzschaltung: Vertikal- und Y-Ablenkverstärker Sie bestimmen die max. darstellbare Frequenz (fgu/fgo) des Signals. Bei einer Signalfrequenz von z.b. 20 MHz wird das Signal von den Verstäkern so weit gedämpft das hier nur noch 70,7 % der Signalamplitude dargestellt werden. Mit P3 wird eine Gleichspg. eingefügt (Offset) um den Strahl in Y Richtung zu verstellen.
Von der max. Frequenz hängt auch die Darstellung eines Impulses ab Idealer Impuls am Eingang Bildschirmdarstellung Verzögerung (Anstiegszeit eines Oszis bei der oberen Grenzfrequenz) t ao= Anstiegszeit 0,35 f go Oszi obere Grenzqreqenz Bsp. Ein Hersteller gibt für sein Oszi eine obere Grenzfrequenz von 100 MHz an. Wie groß ist die Anstiegszeit des Oszi? t ao= 0,35 =3,5 ns 100MHz Wenn man einen realen Impuls misst, so hat auch er selbst eine Anstiegszeit (tas). Sie ergibt mit der Anstiegszeit des Oszi die Anstiegszeit der Bildschirmdarstellung (ta) t a= t 2ao t 2as Bsp. tao = 17,5ns 2. Bsp. ta = 23ns t as = t 2ao t 2as= 23ns 2 17,5 ns 2=15ns Mit einem Oszi (tao = 20 ns) soll eine Pulsspg. (tas = 50 ns) dargestellt werden. 1. Welche Anstiegszeit wird man auswerten? 2. Wie klein muss die Anstiegszeit des Oszi sein, damit der Fehler 1% beträgt? t a= 20ns 2 50ns 2=53,8 ns t ao2 = t as 1,01 2 t 2as= 50ns 1,01 2 50ns 2=7,1 ns
2. Horizontal Triggerung/Ablenkung Der X-Ablenkverstärker wird entweder vom internen Zeitablenksystem oder direkt über den X-Eingang (=Y2 bei X-Y Betrieb) angesteuert. Zeitablenkung (Y-t Betrieb) Darstellung zeitabhängiger Größen Die X-Ablenkspg. muss eine lineare Funktion der Zeit sein. Die Zeitablenkung erfolgt durch eine Sägezahnspg. Von der linear ansteigenden Flanke wird der Strahl in der Zeit tx mit konstanter Geschwindigkeit vom linken zum rechten Bildrand abgelenkt. Sobald er diesen erreicht springt er in der Zeit tr zum linken Bildrand zurück. Mit dem Timebase Schalter stellt man die Ablenkgeschwindigkeit ein (12). Der Ablenkkoeffizient, d.h. die Steilheit des Sägezahn ist wählbar zwischen z.b. 0,2µs/Div und 1s/Div Teilung 1-2-5. Ein scheinbar stehendes Bild enthält man nur wenn der gleiche Ausschnitt eines periodischen Signals in schneller Folge immer wieder gezeigt wird. Das Auge kann die Einzelbilder nicht mehr unterscheiden. Mithilfe der Triggerschaltung wird der Beginn des Signalausschnitts festgestellt und die Sägezahnspg. gestartet. Als Kriterium für den Start dient der gewählte Momentanwert (Triggerschwelle) des am Eingang der Triggerschaltung liegenden Signals. Für dieses Signal gibt es drei unterschiedliche Quellen: Intern: abgeleitetes Y Signal Extern: über Triggereingang eingespeistes Signal Netz: Von der 50 Hz Netzspg abgeleitetes Signal
Triggermodus: Automatische Triggerung: Auch ohne angelegte Y Spg. oder externe Triggerspg. wird die Zeitablenkung periodisch ausgelöst. Liegt eine Triggerspg. an so bestimmt diese den Sägezahnstart. Eine Leveleinstellung ist nicht möglich Normaltriggerung: Der Sägezahnstart erfolgt abh. von der Triggerspg.. Mit der entsprechenden Leveleinstellung kann die Triggerung an jeder Stelle einer Signalflanke erfolgen Single Sweep Die Sägezahnspg. wird nur einmal gestartet Von der Triggerspg. können verschiedene Frequenzbereiche ausgekoppelt werden AC: Triggerbereich z.b. > 10 Hz... 10 Mhz DC: 0...10 Mhz Das am Eingang des Triggerfilters anliegende Signal wird ungefiltert verwendet. LF: 0Hz...1 khz Ist häufig für tieffrequente Signale besser geeignet als DC weil das Rauschen in der Triggerspg. unterdrückt wird. HF: 1,5 khz...10 Mhz Gleichspgsschwankungen des Triggersignals werden unterdrückt Bsp für durchlaufendes Bild. Durch die sog. Hold off Schaltung können unerwünschte Triggerimpulse übersprungen werden.
Verzögerte Zeigbasis: Der Komparator vergleicht die Sägezahnspg. mit der eingestellten Gleichspg. Bei Übereinstimmung wird die zweite Zeitbasis gestartet. Mithilfe der Steuerlogik kann man den gewünschten Bereich aufhellen. Messltg. mit Tastkopf Die abgeschirmte Coaxltg. verhindert kapazitive und induktive Kopplungen zwischen zwei Messltgen und Fremdspgseinfluss Bei einer Messung wird der Einfluss auf das zu messende System verringert Es können höhere Spgen gemessen werden Messaufgabe: Messung einer Generatorleerlaufspg.: Der Generator (Ri = 600 Ω) soll über eine abgeschirmte Ltg. (BNC) an das Oszi angeschlossen werden. Leitungswerte: Der Ohmsche Widerstand und die Induktivität werden vernachlässigt. CL'=100pf/m ; l= 1m CL'=100pf Leitungsbelag
Wie groß ist die gemessene Spg. Ue im Verhältnis zu U0, wenn Fg = 2 Mhz U e U0 2 Für eine Ideale Messung müssten die Beträge von Ue und U0 gleich sein. Die parallel geschalteten Kapazitäten führen zu einer erheblichen Belastung und damit zu einer großen Abweichung. Die Verfälschung lässt sich verringern, wenn der Lastwiderstand für die Messspgsquelle erhöht wird. Lösung: Tastkopf, der den Widerstand um den Faktor 10 erhöht Damit der Spgsteiler Frequenzunabhängig ist, muss gelten: 1 RT X CT 2 f CT 2 f C L C e C L C e = = = = Re X CL X CE 1 2 f C T CT 2 f C L C e C L C e C T = 9
Der Abgleich erfolgt mit einem Rechtecksignal. Da diese Signale sehr breitbandig sind, ist nach dem Abgleich eine weitgehende Frequenzunabhängigkeit des Teilers gewährleistet. Nur bei Gleichspg beträgt der Gesamteingangswiderstand der Messanordnung 10 MΩ. Bei hohen Freq. wird er kleiner, ist aber immer noch größer als der des Oszi alleine 2 Kanal Oszilloskop Zum Vergleich zweier zeitabhängiger Verläufe Hierzu wird mit Hilfe eines Umschalters das Y1 und Y2 Signal abwechselnd an die Y-Platten gebracht. 1. Chopperbetrieb Während eines Schirmdurchlaufes erfolgt periodisch die Umschaltung zw. beiden Kanälen. Die Signale werden in viele kleine Teilstücke zerhackt (chopped). Während des Umschaltvorgangs wird der Strahl dunkelgetastet. 2. Alternierender Betrieb Die Umschaltung erfolgt jeweils am Ende eines Bildschirmdurchlaufs