|
Thesenpapier zum Kurzreferat:
Das Oszilloskop. Typen, Aufbau und Funktionsweise
Im Fach Physik
Klasse 12TB
XX.XX.2003
I. Geschichtliches zum Oszilloskop:
1. Gesucht war ein Messgerät, das Spannungen in Abhängigkeit mit der Zeit darstellen kann.
2. Erste Geräte als Mechanische Schreiber ausgeführt. Nachteil: Träge.
3. 1897 Entwicklung der „Braun’schen Röhre“, welche als Grundlage der Röhrenoszillographen dient.
4. 1932 Die Entwicklung erster Röhren-Oszillographen.
5. Oszillograph: Griechisch => Schwingungsschreiber.
6. November 1973: Einführung dt. Wort ‚Oszilloskop’.
7. Oszilloscope: Englisch => Schwingungsseher.
8. 1973 Erstes RechnergestĂĽtztes Oszilloskop.
9. 1978 Breitband-Oszilloskop fĂĽr Frequenzen bis 1GHz.
10. 2001 Frequenzbänder jenseits der 2GHz-Grenze
II. Oszilloskoparten und Prinzipien:
1. Das Analoge Röhrenoszilloskop
1.1Angewandt wird die Möglichkeit zur Ablenkung el. geladener Teilchen im el. Feld.
1.2Das abzulenkende Medium wird in Form eines Elektronenstrahls generiert.
1.3Hier kann man von einer Massenträgheitslosigkeit des Strahles sprechen.
1.4In verschiedenen Etappen wird der Elektronenstrahl generiert und gelenkt.
1.4.1 Die Kathode mit Heizfaden, die die Elektronen emittiert (absondert).
1.4.2 Der Wehnelt-Zylinder. Umgibt die Kathode und beschleunigt die freien Elektronen.
1.4.3 Der Wehnelt-Zylinder bĂĽndelt zudem die Elektronen zu einem Strahl mit einstellbarer
Intensität.
1.4.4 Eine nachfolgende Gruppe von sog. Elektronischen Linsen sorgen fĂĽr eine
Nachbeschleunigung und einer einstellbarer Fokussierung. (mittels el. Felder).
1.4.5 Darauf folgt die aus horizontalen und vertikalen Plattenpaaren bestehende Ablenkungseinheit.
1.4.6 Die Strahlablenkung ist proportional zur Spannung an den Ablenkungsplatten.
1.4.7 Ist die Spannung an einem Plattenpaar = 0 so wird der Elektronenstrahl nicht abgelenkt.
1.4.8 Der Schirm, auf den schliesslich die Elektronen auftreffen, wird Bildschirm oder auch
Leuchtschirm genannt.
1.4.9 Dieser Leuchtschirm besteht aus einer mit einem speziell nachleuchtendem Material
beschichteten Glasoberfläche.
1.4.10 Das nachleuchtende Material absorbiert die Elektronen und ‚erzeugt’ an der Auftreffstelle
einen (grĂĽn) leuchtenden Punkt.
1.4.11 Diese ganze Konstruktion befindet sich in einem evakuierten Glasgehäuse und wird Bildröhre
genannt.
1.5Eine elektronische Steuerung ist für die Ansteuerung der Ablenkungsplatten zuständig.
1.5.1 Die y-Ablenkung wird mit dem (verstärktem) zu messendem Signal angesteuert.
1.5.2 Die x-Ablenkung wird vorzugsweise mit einer (getriggerten) Sägezahnspannung angesteuert,
da so ein genauer Zeitlicher Zusammenhang ersichtlich wird.
1.5.3 Mittels einigen an der Gerätevorderseite angebrachten Reglern können auf einem
handelsüblichem Oszilloskop sehr viele Faktoren geändert werden.
1.6Bei einer Darstellung von zwei Signalen verwendet man Zweistrahloszilloskope, die in der
Bildröhre zwei komplette Elektronenstrahlgeneratoren und Ablenkeinheiten besitzen.
1.7Alternativ dazu kann man bei einem Einstrahloszilloskop die Signale multiplexen, d.h. in sehr
schneller Folge wechselnd umschalten oder Bildweise nacheinander darstellen. So sind auch mehr als
zwei Signale darstellbar.
2. Das Digitale Oszilloskop
2.1Hier wird das Eingangssignal, wie beim analogen Oszilloskop auch, vorbereitet, d.h. verstärkt oder
abgeschwächt und teilweise gefiltert.
2.2Das vorbereitete Signal wird dann mittels Analog-Digitalwandler in binäre Daten konvertiert.
2.3Diese Daten werden dann der Computereinheit im Oszilloskop zugefĂĽhrt.
2.4Hier werden sie meist direkt in eine Speichereinheit (RAM) geschoben, von der aus die Daten weiter
verarbeitet werden können.
2.5Die Computereinheit analysiert gegebenenfalls das Signal auf Triggerschwellen, lokalen
Tief/Hochpunkte und andere Eigenschaften.
2.6Weiterhin kann diese CPU-Einheit die Eingangsverstärker/filter ansteuern.
2.7Das nun digitale Signal wird mittels einer Bildwandlereinheit auf einem Display dargestellt.
2.8Es können zusätzliche Informationen zu dem Signal angezeigt werden.
2.9Durch die jeweilige Software (Betriebssystem) des Oszilloskopes sind beliebig viele Funktionen und
Variationen realisierbar.
2.10 Die simultane Darstellung mehrerer Signale wird durch mehrere AD-Wandler realisiert.
2.11 Alternativ kann auch ein PC oder ein anderes Rechenfähiges System als Computereinheit genutzt
werden, wobei hier dann die Wandlereinheit als Steckkarte oder externes Gerät ausgeführt ist.
2.12 Das Bedienungsfeld dient als Benutzereingabeeinheit fĂĽr das Rechensystem.
3. Es existieren auch Mischformen, die beide Funktionen beinhalten
3.1Als Mischform wäre zum Beispiel ein Digitales Oszilloskop mit Bildröhre zu nennen.
3.2Dies kann rein digitalisierte Signale mit den zugehörigen Informationen darstellen.
3.3Kann aber auch das Analoge Signal darstellen, und nach jedem Strahldurchlauf die zugehörigen
Informationen Digital einbringen
3.4Mischformen gehören der Digitalen Gruppe an
III.Vor- und Nachteile verschiedener OszilloskopausfĂĽhrungen:
1. Das Analoge Röhrenoszilloskop
1.1Vorteile:
1.1.1 Relativ einfacher Aufbau.
1.1.2 Herstellung billig.
1.1.3 Hohe Frequenzen messbar (im GHz-Bereich).
1.2Nachteile:
1.2.1 Bauform unhandlich.
1.2.2 Gewisse Ungenauigkeiten des Systems.
1.2.3 Empfindlich gegen mechanische Einwirkungen.
1.2.4 Nur einfarbige Darstellung möglich (monochrom).
1.2.5 Durch starke Magnetfelder beeinflussbar.
2. Das Digitale Oszilloskop
2.1Vorteile
2.1.1 Baugröße kann sehr klein gewählt werden, da LCD-Display’s angewandt werden können.
2.1.2 Größere Genauigkeiten erzielbar.
2.1.3 Anzeige/Messwerte beliebig bearbeitbar, speicherbar und reproduzierbar (Drucker).
2.1.4 Mechanisch robuster als Röhrengeräte.
2.1.5 Farbdisplays verbessern die optische Zuordbarkeit der Signale.
2.1.6 Autosetup und Autokalibrierungs-Funktionen verfĂĽgbar.
2.2Nachteile
2.2.1 Bandbereich niedriger als bei Röhrengeräten.
2.2.2 vergleichsweise sehr Teuer.
2.2.3 empfindlich gegen Energiereiche elektrostatische Entladungen etc.
3. Mischformoszilloskope
3.1Vorteile
3.1.1 Wahlweise Analog- bzw. Digitalmodus wählbar.
3.1.2 Erlaubt Weiterverarbeitung der Daten.
3.2Nachteile
3.2.1 Teurer als analoge Röhrentypen.
3.2.2 Herstellung aufwendig.
3.2.3 Unhandlich.
IV. Das Verwenden eines (Standard-)Oszilloskopes anhand einer einfachen Messung am Eingang 1
1. Die Grundeinstellung fĂĽr Messung am CH1
1.1Gerät An, Intensität auf gute Helligkeit, Schärfe auf das schärfste.
1.2Trigger auf Auto und CH1.
1.3Messbereich auf den Grössten (20V/Div).
1.4Zeit auf 20ms/Div.
1.5Mittels Positionsreglern die Linie auf die gewĂĽnschte Position.
1.6CH1 – Eingangsschalter auf DC.
1.7 ALLE Kalibrations-Regler auf Ausgangsposition (Nullstellung).
2. Das Messen an CH1
2.1Signal an CH1-Buchse anlegen (Maximalspannung beachten!).
2.2Spannungswahlschalter einstellen, bis optimale Signalhöhe erreicht.
2.3Timebase-Wahlschalter einstellen, bis optimaler Spannungsverlauf sichtbar.
2.4Triggerschwelle so justieren, dass Signal optimale Position einnimmt.
2.5 ggf. Positionsregler nachstellen.
3. Das Ablesen und Rechnen
3.1Es gelten beim Ablesen folgende Bedingungen:
3.1.1 Die horizontale Auflösung wird durch die Einstellung des Timebase-Wahlschalters festgelegt.
3.1.2 Der Wert bezieht sich auf eine horizontale Abschnittseinheit. (Kästchen)
3.1.3 Die vertikale Auflösung wird durch die Einstellung des Spannungswahlschalters festgelegt.
3.1.4 Der Wert bezieht sich ebenfalls auf eine vertikale Abschnittseinheit. (Kästchen)
3.1.5 Um genaue Werte zu erhalten, muss der abgelesene Abstandswert in horizontaler oder
vertikaler Richtung mit dessen Wahlschaltereinstellung multipliziert werden.
3.1.6 Bei Wechselspannungen ist Spannungsformbedingt ein Umrechnungsfaktor zu berĂĽcksichtigen.
3.1.7 Um besser und genauer ablesen zu können, wäre es sinnvoll, mit den Positionsreglern die
Anzeige gezielt zu verschieben.
3.1.8 Die Frequenz des Signal errechnet sich mit: f=1/Periodendauer.
V. Oszilloskopzubehör:
1. Der Tastkopf zur Messbereichserweiterung
1.1Die Aufgabe eines Tastkopfes ist es, das Signal ĂĽber eine gewisse Entfernung von der Quelle zum
Oszilloskop zu ĂĽbertragen, Ladungserscheinungen zu reduzieren und die Struktur der Information zu
erhalten.
1.2Passive Tastköpfe
1.1.1 Bestehen aus passiven Bauelementen (RC).
1.1.2 Besitzen Teilerfaktoren, die die Empfindlichkeit des Oszilloskopes reduzieren.
1.3Aktive Tastköpfe
1.2.1 Enthalten aktive Bauelemente (z.B. FET’s)
1.2.2 Können eine Galvanische Trennung beinhalten.
1.2.3. Verringern Ladungserscheinungen
1.2.4 Verändern die Auslenkempfindlichkeit des Oszilloskopes nicht.
1.4Differenzialtastköpfe, die die Spannung zwischen zwei verschiedenen Punkten messen.
1.5Stromzangen für die Umwandlung von größeren Strömen in Spannungen mittels Messung des
Magnetfeldes um den belasteten Leiter.
2. Trenntrafo fĂĽr Laborbereiche, in denen Erdfrei gemessen werden muss.
VI.Anwendungsgebiete des Oszilloskopes:
1. Ein Oszilloskop wird hauptsächlich zur Darstellung zeitlich veränderter Spannungen verwendet.
2. Anwendungsgebiete liegen in allen Bereichen der Elektronik, in denen Zeitlich veränderte Spannungen und Ströme
auftreten.
3. Angewandt wird das Oszilloskop auch im Medizinischem Bereich.
4. Das Oszilloskop kann des weiteren zur Darstellung von Graphen und Kennlinien herangezogen werden.
5. Anwendungsgebiete liegen hier als Kennlinienaufnehmern von elektronischen Bauteilen.
6. Für Synchronitätsmessungen ist ein direkter Vergleich zweier Sinus-Schwingungen mit Hilfe des
Kreisprinzipes möglich.
VII Sekundärliteratur:
1. „Kleine Oszilloskoplehre“ von Harley Carter, Hüthing-Verlag
2. „Das Oszilloskop“ von Dipl.-Ing. Paul E. Klein, Franzis-Verlag
3. „Oszilloskope für den Hobby-Elektroniker“ von Dieter Nührmann, Franzis-Verlag
4. „Das Oszilloskop – Funktion und Anwendung“ von Klaus Lipinski, VDE-Verlag
5. Datenblätter der Fa. Gould-Nicolet
6. Homepage der Fernuniversität Kaiserslautern http://physik.uni-kl.de
|
