[Einstiegs-Tutorial] Oszilloskop

[tm40-129]

Dieses Tutorial richtet sich an diejenigen die Neulinge im Gebiet Oszi sind.
Das Tutorial ist eigentlich eine schriftliche Arbeit zum Thema Oszi und ich habe es vor äh...ja langer Zeit für die Schule gemacht.

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Oszilloskop (Allgemeines)

Das Oszilloskop ist ein elektronisches Messgerät, welches einen zeitlichen
Spannungsverlauf optisch darstellen kann.
Das entstehende Bild, bei dem die Spannung in der Vertikalen (y-Achse)
und die Zeit in der Horizontalen (x-Achse) abgetragen werden, nennt man
Oszillogramm. Es gibt analoge und digitale Oszilloskope.

Mit dem Oszilloskop kann man ausschließlich Spannungen messen, jedoch
ist es durch indirekte Messungen (mit Rechnungen) als universelles
Labormessgerät vielfältig einsetzbar.
Der Vorteil eines Oszilloskopes zu einem Multimeter (oder anderen
Spannungsmessgeräten) besteht darin, dass man den zeitlichen Verlauf
und die Form der Spannung betrachten kann.

Beispiele für den vielfältigen Einsatz als Messgerät:
Spannungsmessung (direkt möglich)
­
Strommessung (indirekt über Spannungsabfall an einem Widerstand --> Ohm’sches Gesetz)

Frequenz einer Wechselspannung (durch Ablesen der Zeit f=1/t)
­
Bestimmung der Kapazität von Kondensatoren
­
Bestimmung der Induktivität von Spulen
­
Phasenverschiebung eines Signals (durch sog. Lissajours Figuren)
­
Komponententester ( Darstellung von Kennlinien elektrischer
­
Bauteile)
Viele weitere Einsatzmöglichkeiten
­
Da das Praktikum mit einem analogen Ozilloskop durchgeführt wurde, wird
das Digitale in seinen Funktionen und Besonderheiten nicht weiter
erwähnt. Für viele Messungen bieten sich digitale Oszilloskope jedoch an,
da sie über eine Speicherfunktion verfügen, mit der es möglich ist, auch
Impulse zu erfassen. Analoge Oszilloskope können ebenfalls als
Speicheroszilloskope ausgeführt sein.

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Aufbau

Das analoge Oszilloskop ist im Prinzip eine Braunsche Röhre. Auf den
Leuchtschirm wird ein Elektronenstrahl projiziert, der durch Ablenkplatten
in y- und x-Richtung abgelenkt wird.
Durch eine Sägenzahnförmige Spannung an den x-Ablenkplatten wird der
Strahl von Links nach Rechts abgelenkt. Die Zeit der Ablenkung lässt sich
am Oszilloskop einstellen. Durch die Sägezahnförmige Spannung bewegt
sich der Leuchtpunkt zunächst gleichförmig nach Rechts und ist sofort am
Ausgangspunkt zurück wenn die Sägezahnspannung abfällt. Beim
Zurücklaufen des Strahls wird dieser verdunkelt, sodass man ihn nicht
sieht. An den y-Ablenkplatten wird das vorher verstärkte Eingangssignal
angelegt. Der Grad der Verstärkung kann manuell eingestellt werden.

Im Gegensatz zu gewöhnlichen Elektronenstrahlröhren (wie im Fernseher),
wird hier der Elektronenstrahl nicht durch Spulen abgelenkt, sondern
durch die elektrischen Felder der Platten. Das ermöglicht das
unkomplizierte Darstellen eines großen Frequenzbereiches.
Der Leuchtschirm ist mit einem zweiachsigen Koordinatensystem
versehen. Ein Raster (Div.) ist in jeweils 5 weitere Teilraster unterteilt.
Häufig haben Oszilloskope nicht nur einen, sondern zwei Signaleingänge.
Dies erfordert dafür zwei Ablenkeinheiten und ist heutzutage technisch
veraltet, denn man kann dies durch die Betriebsarten Chopper bzw.
Alternated umgehen. (Bei Bedienung mehr dazu).


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Triggerung

Aufgabe der Triggerung ist es, zwischen dem angelegten Vertikalsignal
oder einem externen Triggersignal und der im Oszilloskop erzeugten
horizontalen Ablenk-Sägezahnspannung einen Zeit- und Phasenbezug zu
schaffen.
Diese Aufgabe ist für den Anwender des Oszilloskops von höchster
Bedeutung, da bei allen Anwendungsmöglichkeiten unterschiedliche
Bedingungen bezüglich Signalfrequenz, -amplitude und –form vorliegen
und diese Signale als stabile Oszillogramme dargestellt werden sollen.
Ist das Signal getriggert, so steht es still und ist klar zu erkennen.

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Bedienung

Ebenso umfangreich wie die Funktionen, sind auch die Bedienelemente.
Schritt für Schritt werden wir im Verlauf des Berichtes jeden
Funktionsknopf erklären. Die Bedienelemente sind nach ihren
Funktionsbereichen gruppiert.

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So befindet sich in Bereich 1 der Ein- bzw. Ausschaltknopf, eine Schraube
mit der Bezeichnung TR, der sog. Intensitäts- und Focus-Drehknopf.
Mit dem Intens. Knopf lässt sich die Intensität des Elektronenstrahls
einstellen. Es empfiehlt sich, den Strahl nicht zu stark einzustellen, da er
sich sonst in die Leuchtschicht einbrennen kann.
Mit dem Focus Knopf kann man die Schärfe des Strahls regeln.
Hinter TR verbirgt sich „trace rotation“. Mit dieser
Kalibrierungsmöglichkeit, kann man den Strahl waagrecht postitionieren.

Im Bereich 2 sind alle Elemente betreffend die Zeit untergebracht.
Bei gedrücktem XY-Schalter wird die horizontale Ablenkung (X) des
Elektronenstrahls, der den Kurvenzug zeichnet, nicht vom
Sägezahngenerator des Oszilloskops gesteuert, sondern von dem Signal,
das am Eingang des Kanals 2 anliegt. Die vertikale Ablenkung (Y) wird von
dem Signal bestimmt, das am Eingang des Kanals 1 anliegt.
Der X-Pos. Drehknopf wird zur Verschiebung des Strahls in X-Richtung
verwendet.
Mit dem Slope +/- Schalter kann festgelegt werden, ob ein Signal bei
steigender (+) Flanke oder fallender (-) Flanke getriggert wird. Ist der
Schalter ausgeschaltet, wird bei steigender Flanke getriggert, ansonsten
bei fallender. Diese Einstellung ist unabhängig davon, ob der Triggerpegel
automatisch oder manuell eingestellt wird
Mit dem Trigger Selector können unterschiedliche Triggerkopplungen
gewählt werden.
In der Stellung AC (Wechselspannungskopplung) wird der
Gleichspannungsanteil unterdrückt.
In der Stellung DC werden alle Signale der Frequenz 0 Hz getriggert (0 Hz
da Gleichspannung).
In der Hf Stellung (High Frequency = Hochfrequenz) wird der
niederfrequente Anteil des Signals gefiltert.
In der LF Stellung (Low Frequency = Niederfrequenz) wird der
hochfrequente Anteil des Signals gefiltert.
In der letzen Stellung Line wird durch die Netzfrequenz getriggert.
Mit dem Time/Div. Regler wird eingestellt, wie lange der
Elektronenstrahl, der das Bild zeichnet, für die Bewegung vom linken bis
zum rechten Rand einer Division benötigt. Zusätzlich gib es eine

Feineinstellung, diese ist jedoch nur in Pfeilrichtung (hier: waagrecht-links)
geeicht. Der Regler regelt den Zeitmaßstab. Eine Division (Div.) ist ein
Kästchen auf dem Bildschirm des Oszilloskops. Möchte man die Zeit
wissen, so muss man die Raster zählen und mit dem eingestellten
Time/Div. Wert multiplizieren.
Der Schalter AT/Norm. wählt aus, ob automatisch (At.) oder normal
(Norm.), das heißt manuell getriggert werden soll.
Mit dem Level Drehknopf kann der Triggerschwellwert bei manueller
Triggerung eingestellt werden.
Mit dem Ext. Knopf kann man ein externes Triggersignal auswählen, das
durch die danebenliegende BNC-Buchse eingespeist wird.
Der Bereich 3 fasst alle, die y-Ablenkung betreffenden Elemente
zusammen. Bei Zweikanal-Oszilloskopen, (siehe Bild) sind die
Bedienelemente doppelt vorhanden.
Mit dem Y-Pos. Knopf kann man die Position des Strahls nach oben oder
unten verschieben.
Mit den DC/AC/GD Schalter kann die Eingangskopplung eines Kanals
gewählt werden.
Die Funktionen DC und AC sind zu vergleichen mit dem Trigger Selector. In
der Stellung GD (Ground) wird das Eingangssignal kurzgeschlossen.
Die Volts/Div. Regler verstärken ein Eingangssignal oder schwächen es
ab, so dass je Division das eingestellte Pegelmaß gilt (wie bei Time/Div.).
Auch hier muss man die Position der Feineinstellung beachten wegen der
Eichung. Möchte man die Spannung wissen, so müssen die Raster gezählt
und mit dem eingestellten Volts/Div. Wert multipliziert werden.
Das Eingangssignal wird über BNC-Buchsen eingespeist.

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Der Knopf Inv. (1) kehrt die Polung des Signals (auf Kanal 1) um
(Invertierung).
Der Ch I/II (auch mit Trig I/II) beschriftete Schalter ist ein
Kanalwahlschalter. Ch steht für das englische Channel = Kanal. Im Ein-
Kanal-Betrieb legt er fest, welches der beiden Eingangssignale auf dem
Bildschirm dargestellt wird. Bei nicht gedrücktem Schalter wird das Signal
an Kanal 1 dargestellt, bei gedrücktem Schalter das Signal an Kanal 2.
Durch das Drücken des Dual-Knopfes werden beide Kanäle abwechselnd
nacheinander dargestellt. Diese Betriebsform heißt auch Alternated (aus
dem englischen alternate, zu Deutsch abwechseln).

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Ist der Add-Schalter (aus dem englischen add, zu Deutsch addieren)
betätigt, werden die Signale beider Kanäle summiert, bevor sie auf dem
Bildschirm dargestellt werden.
In der Chopped-Betriebsart (aus dem englischen chop, zu Deutsch
zerhacken) wird je horizontalem Durchlauf des Elektronenstrahls
abwechselnd entweder das Signal des ersten oder das des zweiten Kanals
gezeichnet.

In der Chop Betriebsart wird also nicht während eines horizontalen
Durchlaufs zwischen den Kanälen umgeschaltet, sondern während des
(unsichtbaren) Strahlrücklaufs. Die Chop-Betriebsart ist aktiviert, wenn
gleichzeitig mit dem Dual-Schalter auch der Add-Schalter eingeschaltet
ist.

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Im Bereich 5 findet sich der Komponententester. Mit ihm lassen sich
Kennlinien von elektrischen Bauelementen darstellen.
Der Bereich 6 umfasst die X-Mag. Funktion und den Tastkopf-Kalibrator.
Betätigt man den X-Mag.-Schalter (aus dem englischen magnification,
zu Deutsch Vergrößerung), so wird das Signal in X-Richtung um den Faktor
10 gestreckt. Dadruch kann man das Signal genauer betrachten.
Wichtig ist, dass man die abgelesene Zeit durch die Streckung teilen
muss, da sie sonst nicht korrekt ist.
An den Ausgängen des Kalibrators, erhält man ein Rechtecksignal, mit
dem man die Genauigkeit eines Tastkopfes einstellen kann.

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Tastkopf

Ein Tastkopf ist ein sog. Tastteiler. Man kann mit entsprechenden
Tastköpfen auch Frequenzen darstellen, die jenseits des Frequenzbereichs
des Oszilloskops liegen. Auch können Tastköpfe mit Spannungsteilern
ausgestattet sein, um Spannungen überhalb des Messbereichs des
Oszilloskops zu messen.
Tastköpfe verfügen über koaxiale Kabel. Diese sind unempfindlich
gegenüber elektromagnetischen Störeinflüssen. Zum Anschließen
verwendet man BNC Stecker.

Wer nicht weiß wie so was aussieht dem sei google ans Herz gelegt!

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Versuch 1 – Kapazitätsbestimmung

Grundlagen:
Innerhalb jeder Zeitkonstante τ (tau) lädt oder entlädt sich ein
Kondensator um 63% der angelegten bzw. geladenen Spannung.
Nach nur 0,69 τ hat ein Kondensator 50% seiner endgültigen bzw.
ursprünglichen Spannung erreicht.
Nach 5 Zeitkonstanten ist ein Kondensator fast aufgeladen bzw. fast
entladen.
Die Lade- bzw. Entladezeit beträgt 5 τ (tau) bzw. 5-mal Widerstand mal
Kapazität.

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Möchte man die Höhe der Spannung des Kondensators zu einem
bestimmten Lade- bzw. Entladezeitpunktes wissen, dann errechnet man
aus der Ladespannung Ugesamt den Prozentwert der Zeitkonstante.
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Der Kondensator wird mir einer pulsierenden Gleichspannung
(rechteckförmig) über einen Widerstand geladen.
Die Spannung wird so gewählt, dass sie in der Vertikalenauslenkung 4 Div.
beträgt. Diese Auslenkung wird deshalb benötigt, da man nun an der
Stelle an der die Auslenkung 2,5 Div. beträgt ungefähr 63% der
Ladespannung hat (2,5Div. von 4Div.  ca. 63%).
Nach den obenstehenden Grundlagen ergibt sich so die Gleichung:

C = τ /R

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Versuch 2 – Induktivitätsbestimmung

Ebenso wie bei der Ladung bzw. der Entladung eines Kondensators, so
verhält sich auch der Strom beim Laden bzw. Entladen einer Spule.
Bei dem Versuch wird zu einer Spule in Reihe ein Widerstand geschaltet.
Versorgt wird das ganze durch einen Funktionsgenerator, der wie bei
Versuch 1 rechteckförmige Gleichspannung ausgibt. An Kanal 1 des
Oszilloskopes wird die Spannung über der Spule und dem Widerstand
gemessen. An Kanal 2 (y2) wird die Spannung über dem Widerstand
gemessen.

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Bei dem Versuch könnte auf dem Bildschirm des Oszilloskopes ein wie Bild
entstehen, welches wie das Untenstehende aussieht. Dabei. Die rote
Rechteckspannung zeigt das Ausgangssignal des Funktionsgenerators
(=Eingangssignal der Schaltung). Der blaue Kurvenzug zeigt den zeitlichen
Verlauf der Spannung am Widerstand R. Da der Wert des Widerstands
bekannt ist, lässt sich somit der Strom durch den Widerstand für jeden auf
dem Schirm angezeigten Zeitpunk nach dem Ohmschen Gesetz berechnen.
Es ergibt sich, dass der Strom proportional zu der
Spannung ist.
Also beschreibt der blaue Kurvenzug genauso den Stromverlauf durch den
Widerstand wie dessen zeitlichen Spannungsverlauf.
Nach den Gesetzen der Reihenschaltung ist der Strom durch die Spule zu
jedem Zeitpunkt genau so groß wie der Strom durch den Widerstand.
Damit entspricht die blaue Linie also auch dem zeitlichen Stromverlauf
durch die Spule.
Der Reihenwiderstand ermöglicht es auf diese Weise einen Strom indirekt
zu messen, obwohl das Oszilloskop direkt nur Spannungen messen kann.
Schaltet man an einer Spule die Spannung ein, so steigt die Stromstärke
von 0A zunächst rasch an. Je größer die Stromstärke durch die Spule
bereits ist, desto langsamer wird der weitere Stromanstieg, bis schließlich
der Sättigungsstrom erreicht ist und die Stromstärke konstant bleibt.

Als bekannte Größen hat man zunächst die Spannung der Quelle, diese
kann man am Funktionsgenerator einstellen. Des Weiteren kann man an
ihm auch die Frequenz an ihm einstellen. Die Größe des
Reihenwiderstandes ist auch bekannt.

In der Reihenschaltung muss die Summe der Einzelspannungen gleich der
Gesamtspannung sein.
Also gilt im Sättigungsfall (volle Spannung erreicht): USpule = UGenerator -
UWiderstand
In der Reihenschaltung ist das Widerstandsverhältnis genau so groß wie
das Spannungsverhältnis. Durch Berechnung dieses Verhältnisses kann
man den Spulenwiderstand bestimmen.
Natürlich könnte man der Einfachheit halber auch ein
Widerstandsmessgerät verwenden, in unserem Fall waren die
Widerstandswerte der Spulen auf ihnen selbst vermerkt.
Für die Frequenz gilt f = 1/T.
Aus der Dauer bis zum Erreichen des Sättigungsstromes, kann die
Zeitkonstante für diese Schaltung bestimmen.
Die Zeitkonstante ist wie im Versuch 1 auch hier wieder τ. Die
Sättigungsdauer beträgt auch hier 5 τ.
Es gilt: τ(tau) = Sättigungsdauer / 5
Will man nun die Induktivität berechnen benötigt man folgende Formel:
τ=L/R
Daraus folgt die endgültige Formel zur Berechnung: L = τ ∙ R
Abtragen kann man dies wie im Versuch 1 beschrieben. Man könnte auch
versuchen genau die Sättigungsdauer zu treffen, dies ist aber kaum
möglich. Deshalb wählt man besser die erste Methode. Dazu wird bei 63%
des Sättigungsstroms τ bestimmt. (Auch hier wieder 2,5Div von 4 Div. -->
ca. 63%)

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[Marvin32]

schön das du wieder da bist

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Dankeschön...so ne kleine Pause schadet im Prinzip ja nicht

BTT: Hoffe das Tut ist in Ordnung so

Grüße

[Marvin32]

ich finds gut, da ich jetzt seid ein paar tagen ein iszi geliehen hab und jetzt mal weiß was amn damit alles so anstellen kann

[Graf Zünd]

Welch vertraute Bilder,

Das Oszi ham wir auch in der Schule...

Klasse Tut, hätte ich Das nicht neulich im Unterricht gehabt, wüsste ich nun was man mit einem Oszi machen kann, oder wie es funktioniert.

[tm40-129]

Dankeschön...weiterhin viel Erfolg für alle Oszi-Einsteiger

EDIT: JAAA endlich kann ich wieder ins Forum posten!