Oszilloskop (KO)

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Inhalt

Aufbau und Funktionsweise eines KO.
Der Trigger sorgt für ein stehendes Bild.
Unser KO im Praktikum.
Die Anwendung im Versuch 1.

Benützung der Beschreibung

Je nach Kenntnissen und Vorliebe können Sie die Beschreibung der Reihe nach von Oszilloskop allgemein, über unseren KO im Praktikum bis zur Anwendung im Versuch 1 studieren oder irgendwo beginnen. Dabei werden Sie Links immer wieder in die vorausgehenden Beschreibungen führen wenn Sie weitere Auskunft zu unklaren Dingen brauchen.

Oszilloskop

Das Oszilloskop wird allgemein als KO bezeichnet. Dies ist die Abkürzung für die klassische Ausführung als Kathodenstrahl-Oszilloskop. Darin zeichnet ein von der Kathode der Bildröhre emittierter Elektronenstrahl das Bild in Echtzeit auf den Bildschirm.

In der normalen YT Betriebsart wird in horizontaler Richtung (X-Achse) die Zeit dargestellt, in vertikaler Richtung (Y-Achse) das Signale, - praktisch jeder KO verfügt über zwei (manchmal auch 4) Kanäle, sodass 2 (oder 4) Signale gleichzeitig zeitrichtig dargestellt werden können.
In der seltener gebrauchten XY Betriebsart wird in X und Y Richtung je ein externes Signal dargestellt. Damit können z.B. Kennlinien gezeichnet werden.
Der Trigger synchronisiert im YT Betrieb die Zeitachse auf das Signal. Dadurch ergibt sich mit periodischen Signalen ein stehendes Bild. Mit einem KO ohne Speicher (nur bei Digital-KOs vorhanden) können fast nur periodische Signale dargestellt werden.

Seit gut 5 Jahren setzen sich immer mehr Digital-Oszilloskope durch. Darin werden die Eingangssignale digitalisiert, gespeichert und anschliessend auf einem LCD-Bildschirm dargestellt. Auch sie werden (ungenau) als KO (Digital KO, Digital Speicher KO) bezeichnet. Die richtigere englische Bezeichnung ist Digital Storage Oscilloscope(DSO).

Aufbau und Funktionsweise

Ein KO setzt sich aus mehreren Funktionsblöcken zusammen. Die wichtigsten sind in dem folgenden Bild dargestellt:

In der Bildröhre (Kathodenstrahl Hochvakuum Röhre) wird der von der Kathode emittierte Elektronenstrahl durch zwei rechtwinklig zueinander stehende Elektrodenpaare (Ablenkplatten) horizontal (X) und vertikal (Y) abgelenkt. Der Phosphor beschichtete Bildschirm leuchtet beim mit hoher Geschwindigkeit erfolgenden Aufprall der Elektronen auf. (Im Gegensatz zur Fernseh Bildröhre erfolgt die Ablenkung durch eine elektrisches Feld und nicht durch ein Magnetfeld).
Die Bildschirm Einstellungen umfassen Regler für die Helligkeit (intensity) evt. je Kanal und evt. für eine eingeblendete Alphanumerische Anzeige, die Schärfe (Focus) und die Skalenbeleuchtung (Scale Illumination).
Achtung: Die Helligkeit nie unnötig gross einstellen. Die Lebensdauer der Röhre leidet darunter, auf dem Phosphor kann sogar das Bild einbrennen.

Vertikalteil

Der Vertikalverstärker besorgt die vertikale Ablenkung. Er hat für jeden Kanal (typisch 2, seltener 4) Einstellmöglichkeiten für Empfindlichkeit (z.B. 10mV bis 10V), des Offset, der Position der Nullinie (OV) auf dem Bildschirm) und AC- oder DC Kopplung. Der Vertikalverstärker bestimmt die Bandbreite des KOs (maximale Frequenz des Eingangssignals die der KO noch verarbeiten kann, je nach KO etwa 20MHz bis weit über 1GHz). Neben der Ansteuerung der vertikalen Ablenkplatten liefert er ein Signal an den Trigger im Horizontalteil und erhält von der Zeitbasis ein Signal (CS) zur alternierenden Kanalumschaltung.

Die Signale in den verschiedenen Kanälen (2 oder 4) werden periodisch nacheinander auf dem Bildschirm dargestellt mit den Umschaltarten alternierend (nach jedem Rücklauf, sinnvoll bei schnellen Signalen) oder chopped (ununterbrochen, sinnvoll bei langsamen Signalen).
Im XY Betrieb erhält der Horizontalverstärker das Signal X vom Vertikalverstärker (von einem dafür vorgesehenen Kanal).

Horizontalteil

Der Horizontalteil besorgt die horizontale Ablenkung. Im (normalen) YT Betrieb erfolgt die horizontale Ablenkung periodisch durch eine linear mit der Zeit ansteigende Rampe (Sägezahn). Diese wird in der Zeitbasis erzeugt. Die Zeitdauer (Steilheit) der Rampe kann in einem grossen Bereich eingestellt werden (z.B von 10s bis 100ns). Sobald der Strahl den rechten Rand des Bildschirms erreicht hat, wird er rasch und abgedunkelt wieder an den Anfang (linken Rand) zurückgeführt. Danach kann die nächste Ablenkperiode beginnen.
Damit ein stehendes Bild entsteht, muss die Zeitbasis auf das (periodische) Vertikalsignal synchronisiert werden. Diese Aufgabe erfüllt der Trigger. Die Funktionsweise wird anhand des folgenden Bildes erklärt.

Am Y-Eingang liegt ein dreieckförmiges Signal uY(t) an.
Der Trigger-Level wird so eingetellt, dass das Eingangssignal das Triggerniveau durchkreuzt.

Jedesmal wenn uY(t) das Triggerniveau aufsteigend durchkreuzt, generiert der Trigger einen Triggerimpuls. Die Wahl der Triggerflanke mit aufsteigendem (rising slope) oder abfallendem (falling slope) Signal ist eine standard Einstellmöglichkeit.
Durch einen Triggerimpuls startet die Zeitbasis eine Rampe. Der Elektronenstrahl wird linear mit der Zeit horizontal von links nach rechts über den Bildschirm abgelenkt. Die Geschwindigkeit der Ablenkung (Masstab der X-Achse) wird an der Zeitbasis eingestellt.

Sobalder der rechte Bildschirmrand erreicht ist, wird die Rampe abgebrochen und der Strahl (abgedunkelt) wieder an den linken Rand zurückgeführt (Rücklauf). Danach wird mit dem nächsten Triggerimpuls die Rampe wieder neu gestartet.

Während einer laufender Ablenkung (uY(t) > 0V) eintreffende Triggerimpulse werden ignoriert. Eine zusätzliche Totzeit nach dem Strahlrücklauf kann oft als Holdoff eingestellt werden.
Auf diese Art wird periodisch der gewünschte Signalausschnitt auf den Bildschirm gezeichnet wie zuoberst im Bild dargestellt.

Im Triggermode Normal wird die X-Rampe nur gestartet wenn ein Triggerimpuls eintrifft. Dies hat den Nachteil, dass der Bildschirm bei fehlendem Eingangssignal oder beim Anlegen einer Gleichspannung dunkel bleibt. Im Triggermode Auto werden in diesem Fall automatisch Triggerimpulse generiert, sodass auf dem Bildschirm wenigstens eine horizontale Linie erscheint.

Zusatzfunktionen

Je nach Modell kann ein KO noch eine Reihe von Zusatzfunktionen haben:

Eine Verzögerungsleitung für das Vertikalsignal macht es möglich, das Signal bereits etwas vor dem Triggerzeitpunkt anzuzeigen.
Eine Doppelzeitbasis erm/ouml;glicht einen Signalausschnitt in vergrösserem Zeitmasstab darzustellen.
Ein variabler Holdoff erleichtert die Darstellung komplexer signale.
Messcursor für Zeit oder Spannung erleichtern die genaue Messung von Zeit- und Spannungsdifferenzen.

Unser KO im Praktikum

Im Praktikum haben wir klassische KOs Tektronix 2245A mit 100MHz Bandbreite. Er verfügt über 4 Kanäle, wovon 2 voll ausgerüstet sind und zwei nur rudimentär. Die nachfolgende Graphik zeigt die Zuordnung der Bedienungselemente zu den verschiedenen Funktionsblöcken.

Ein besonderes Bedienungselement ist die Zaubertaste Auto-Setup. Beim drücken versucht der KO automatisch sich so einzustellen, dass die angeschlossenen Signale auf dem Bildschirm brauchbar dargestellt werden. Dies ist selten die beste oder gewünschte Darstellung, aber doch fast immer eine brauchbare. Von den weiteren Zusatzfunktionen werden wir nur wir Messcursor brauchen.

Vertikalteil

Das nebenstehende bild zeigt die Bedienungselemente des Vertikalteils für die voll ausgebauten Kanäle 1 (CH1 links)und 2 (CH2 rechts). Beide sind identisch.

Mit dem Drehknopf POSITION kann die vertikale Lage des Signals eingestellt werden, ähnlich der Offset Einstellung beim Funktionsgenerator. Damit wird auch die Nullinie (0V Referenz) plaziert.
Mit der Drucktastenzeile MODE werden die darzustellenden Kanäle und der Umschaltmodus (CHOP = chopped oder ALT = alternaierend) ausgewählt. Zusätzlich lassen sich die Kanäle 1 und 2 addiert darstellen.
Am grossen Drehknopf VOLTS/DIV in der Mitte wird die Empfindlichkeit in Stufen 1 - 2 - 5 (Masstab) eingestellt. Der aktuelle Wert wird am unteren Rand des Bildschirms angezeigt. Der Wert bezieht sich immer auf einen vertikalen Skalenteil (Division, ca 1cm). Der Knopf im Knopf VAR erlaubt eine stufenlose Einstellung (mit Vorsicht verwenden, zur Warnung leuchtet UNCAL auf).

Mit der darunter liegenden Taste SCOPE BW kann die Bandbreite von 100MHz auf 20MHz reduziert werden (zur Unterdrückung hochfrequenter Störungen). Mit CH2 INVERT wird das Signal im Kanal 2 invertiert (dann wird aus der wählbaren Addition von Kanal 1 und 2 effektiv eine Subtraktion, was sehr nützlich sein kann).
Mit den Drucktasten COUPLING oberhalb der Eingangsbuchsen wird AC- oder DC- Kopplung gewählt. Ist keine der beiden Tasten gedrückt, so wird intern der Eingang mit Masse (GND, 0V) verbunden. Damit kann sehr bequem die Lage der Nullinie auf dem Bildschirm eingestellt werden. Die folgende Figur zeigt den Einfluss von AC- und DC- Kopplung auf die Darstellung eines Signals mit einem Gleichspannungsanteil: bei AC-Kopplung wird der Gleichspannungsanteil nicht dargestellt.

Achtung: Die Lage der Nullinie muss der Anwender selbst auf dem Bildschirm geeignet einstellen! (wenn positive und negative Signalwerte erwartet werden in die Mitte, für nur positive Werte auf die unterste oder zweitunterste Skalenlinie, für nur negative Werte auf die oberste oder zweitoberste).

Horizontalteil

Der Horizontalteil umfasst die Zeitbasis und den Trigger.

Zeitbasis

Der KO hat eine Doppelzeitbasis (zwei voneinander unabhängige Zeitbasen A und B). Am grossen Drehknopf unten rechts SEC/DIV wird der Masstab der Zeitachse (X) in Stufen 1 - 2 - 5 eingestellt. Der eingestellte Wert wird am unteren Bildschirmrand rechts dargestellt und bezieht sich immer auf einen horizontalen Skalenteil (Division, ca 1cm). Der kleine Knopf im Knopf VAR erlaubt eine stufenlose Einstellung (mit Vorsicht verwenden, als Warnung leuchtet UNCAL).
Mit den Drucktasten MODE wird der Horizontalmodus zwischen "Zeitbasis A, B, alternierend A und B, XY-Betrieb" gewechselt. Mit den beiden Tasten wird der Modus gewächselt. Die aktuelle Wahl wird in den Feldern darüber angezeigt. (Wir verwenden nur A im YT-Betrieb oder X-Y für den XY- Betrieb).
Die Taste X10 MAG (X 10-fach Vergrösserung) wird die Zeitachse zehnfach gedehnt (mit Vorsicht verwenden).
Am Drehknopf oben rechts POSITION
Bei der Zeitbasis sind oben links auch die AUTO SETUP Zaubertaste und darunter zwei Drehknöpfe zur Positionierung der Messcursor (falls diese eingeschaltet sind) untergebracht.

Trigger

Vielfältige Triggermöglichkeiten sind das Merkmal jedes guten KOs.

Mit dem Drehknopf LEVEL oben rechts wird das Triggerniveau eingestellt.
Mit dem Drehknopf HOLDOFF oben links kann die Totzeit des Triggers eingestellt werden (brauchen wir nicht, auf MIN stellen).
Die Drucktaste SLOPE wählt ein aufsteigendes oder abfallendes Signal als aktive Triggerflanke aus.
Mit der Drucktaste A/B SELECT wird die zu triggernde Zeitbasis ausgewählt (wir brauchen nur A).
Mit den 3 Drucktastenpaaren ganz unten werden verschiedene Betriebsarten ausgewält. Die jeweils obere schaltet in der Liste darüber um eins nach oben, die untere nach unten.

Mit MODE wird der Triggermode gewählt, besonders zwischen Normal und Auto umgeschaltet. (Wir brauchen nur AUTO LEVEL).

Mit SOURCE wählt man die Quelle des Signals fü die Triggerung aus, das Triggersignal.

Mit den Tasten CPLG wird schliesslich die Art der Kopplung des Triggersignals an die Triggerschaltung ausgewählt. DC- und AC- haben die bereits für die Eingangssignale beschriebene Wirkung, die restlichen vier ermöglichen die Unterdrückung verschiedener typischer Strörungen. (Wir verwenden die DC-Kopplung).

Bildschirmteil

Der Bildschirmteil umfasst Einstellungen für den Bildschirm und den Netzschalter.

INTENSITY A und B sind die getrennten Einstellungen der Helligkeit für die Zeitbasis A und B. Achtung: Die Helligkeit nie unnötig gross einstellen. Die Lebensdauer der Röhre leidet darunter, auf dem Phosphor kann sogar das Bild einbrennen.
Mit FOCUS wird die Schärfe des Bildes eingestellt.
READOUT regelt die Helligkeit der Datenanzeige. Auch hier gilt: nicht heller als nötig.
Mit SCALE ILLUM wird die Beleuchtung des Rasters eingestellt.

Spezialitäten

Von den Spezialitäten oder Zusatzfunktionen die unser KO bietet werden wir nur 2 brauchen: Die Zaubertaste und die Messcursor.

Die Messcursor Betriebsart wird mit der Drucktastenreihe oben in der Mitte des KOs eingestellt:

Mit der links abgesetzten Taste CLEAR MEAS'MT werden die Cursor ausgeschaltet.
Mit den drei im Feld MEASUREMENTS angeordneten Tasten wird festgelegt, was mit den Cursorn gemessen werden soll:
- Mit der ersten Taste VOLTS wird die Spannungsmessung eingeschaltet. Die Cursor werden mit zwei horizontal über den Bildschirm laufenden Linien dargestellt.
- Mit der rechten Taste TIME wird die Zeitmessung eingeschaltet. Die Cursor werden mit zwei vertikal über den Bildschirm laufenden Linien dargestellt. Die Anzeige des Messwertes (der zeitliche Abstand der beiden Cursor) erfolgt als Zeit.
- Die mittlere Taste 1/TIME wählt Zeitmessusng mit Anzeige des invertierten Wertes, also als Frequenz (wenn genau eine Periode gemessen wird, ist dies die Signalfrequenz).

Die Messcursor Position wird mit den zwei Drehknöpfen im Feld CURSORS/TIME POSITION oberhalb der Zeitbasis eingestellt:

Der linke Drehknopf (OR DELAY) verschiebt parallel beide Cursor miteinander. Damit wird die Position des ersten absolut festgelegt.
Der rechte Drehknopf verschiebt den zweiten Cursor relativ zum ersten. Damit wird der Abstand zwischen den Cursorn (die zu messende Distanz auf dem Bildschirm) eingestellt.

Funktionsweise der Drehknöpfe

Achtung: Über die Drehknöpfe wird nur die Information an den Mikroprozessor im KO gegeben ob und in welcher Richtung daran gedreht wird. Dieser reagiert meistens nur bei einer deutlichen Drehung. Deshalb, wenn nichts passiert, am Drehknopf kurz und kräftig nach rechts und links drehen, danach kann eingestellt werden.

Anwendung im Versuch 1

Einstellungen des Funktionsgenerators nach Multimeter kontrollieren

Wenn Sie den Funktionsgenerator für den Versuch 1 bereits mit dem Multimeter eingestellt haben, so können Sie diese Einstellung jetzt noch mit dem KO kontrollieren.

Der Funktionsgenerator soll eine Dreieckspannung von ca 2kHz zwischen 0V und +5V gemäss nebenstehendem Bild erzeugen. Gehen Sie wie folgt vor:

Ausgang des Funktionsgenerators mit Eingang Kanal 1 des KO verbinden.
Die Zaubertaste drücken damit Sie das Signal zuerst einmal sehen.
Die Empfindlichkeit des Kanals 1 auf 1V/Div einstellen.
Die Zeitbasis A auf 50us/Div einstellen.
Die Nullinie (0V Referenz) einstellen:
- KO-Eingang intern mit 0V(GND) verbinden (keine COUPLING Taste gedrückt), jetzt wird OV, die Nullinie auf dem Bildschirm gezeichnet.
- Die Nullinie mit dem Positionsregler auf die zweitunterste Bildschirm Rasterlinie stellen.
- DC-Kopplung am Signaleingang einschalten.
Achtung: Jetzt darf die Position für Kanal 1 nicht mehr verändert werden!
Die Triggerung so einstellen, dass der gewünschte Signalausschnitt gemäss der Figur auf dem Bildschirm erscheint:
- Falls nicht schon so eingestellt, Trigger Kopplung (CPLG) auf DC, SOURCE auf CH 1, MODE auf AUTO.
- Mit LEVEL das Triggerniveau so einstellen, dass das Dreieck in der Mitte (mit 2.5V) beginnt.
Kontrollieren ob die untere Spitze des Dreiecks auf 0V (der Nullinie, vorher auf die zweitunterste Rasterlinie eingestellt), die obere auf +5V (5 Rasterlinien höher, da der Abstand der Rasterlinien auf 1V eingestellt wurde) liegt.
Falls notwendig die Einstellung am Funktionsgenerator mit Amplitude- und Offset- Regler korrigieren (um damit aber den Doktor zu machen ist es noch viel zu früh, auf 2-3 100mV ist genau genug!). Den Spitze- zu Spitze- Wert können Sie auch noch mit den Messcursorn bestimmen.
Kontrollieren ob die Frequenz des Dreiecksignals 2kHz beträgt. Eine Periode müsste genau 10 vertikale Rasterlinien des Bildschirms (effektiv die ganze Breite) umfassen da der Abstand der Rasterlinien 50us entspricht (Zeitbasis Einstellung 50us/Div).
Falls notwendig die Einstellung am Funktionsgenerator mit dem Frequenzregler nachstellen. Die frequenz können Sie (zum Spass) auch mit den Messcursorn bestimmen.

Funktionsgenerator direkt mit dem KO einstellen

Vorgehen analog zur vorstehend beschriebenen Kontrolle, mit entsprechenddem Hauptgewicht auf der Einstellung.

Einstellung zur Darstellung der Inverter Transferkennlinien

Die Transferkennlinien der Inverter werden im XY-Betrieb auf dem Bildschirm dargestellt. Auf der X-Achse wird das Eingagnssignal eines Inverters (Dreieck 0 bis +5V aus dem Funktionsgenerator) dargestellt. Dieses muss am Kanal 1 angeschlossen sein mit DC-Kopplung und Empfindlichkeit 1V/Div. Auf der Y-Achse wird das Signal am Inverter Ausgang dargestellt. Dieses muss am Kanal 2 angeschlossen sein, mit DC-Kopplung und Empfindlichkeit 1V/Div. Bitte auch folgendes beachten:

Im XY-Betrieb wird die X-Position (horizontale Position) nicht mit (horizontal) POSITION der Zeitbasis sondern mit (vertikal) POSITION am Kanal 1 eingestellt.
Als vertikal MODE soll nur Kanal 2 gewählt werden. Wird auch Kanal 1 gewählt, so wird das X-Signal auch als (zweites) Y-Signal dargestellt, es erscheint zusätzlich eine 45 Grad Gerade auf dem Bildschirm (dies kann zur Interpretation der XY-Darstellung daurchaus nützlich, jedoch auch sehr verwirrend sein!)

Einstellung für die Messungen am Ringoszillator

Für die Messungen am Ringoszillator wird im YT-Betrieb über den Kanal 1 das Ausgangssignal des Ringoszillators (über 10:1 KO-Sonde anschliessen!) und über den Kanal 2 die Betriebsspannung dargestellt. Beide Kanäle auf DC-Kopplung einstellen, Signal mit der Zaubertaste auf den Bildschirm bringen und mit manueller einstellung von Zeitbasis, Empfindlichkeit und Position optimal darstellen.

Achtung: Im Kanal 2 muss die Nullinie zur Messung der Speisespannung des Ringoszillators auf die zweitunterste Y-Rasterlinie des Bildschirms positioniert werden. Nachher darf die Position des Kanals 2 nicht mehr verändert werden!