Elektronikpraktikum SS 2012 1.Serie: Einführung in die Messtechnik ...

Elektronikpraktikum
SS 2012 1.Serie: Einführung in die Messtechnik 03.05.2012
J. Pochodzalla, W. Lauth, A. Sanchez Lorente, M. Steinen
Do. 03.05.12 13:15-17:00 Uhr,
Ort: Gebäude 02-413 (Anfängerpraktikum) 1. Stock, Raum 430
Vorbemerkung zum Ablauf des Praktikums:
Sie erhalten die Praktikumsaufgaben in Zukunft einige Tage vor dem Praktikumstermin. Bitte lesen
sich die Aufgabenstellungen der Versuche vor dem Praktikum durch. Am Anfang des Praktikums
wird ein kurzer Test (Multiple Choice) am Computer durchgeführt, bei dem ihre Vorbereitung
überprüft wird. Dazu sollten sie sich über die Themen, die als Stichworte unter „Vorkenntnisse“
aufgeführt sind, informiert haben. In der Regel ist dieser Stoff in der Vorlesung behandelt. Die
Versuche werden in Zweiergruppen durchgeführt, d.h. suchen Sie sich einen Partner/in mit dem sie
zusammenarbeiten.
Der Versuchsaufbau, die Versuchsparameter, die Messwerte und die Auswertung der Messwerte
müssen in einem Protokoll festgehalten werden. Sie können dazu ein Protokollbuch führen oder,
alternativ, die Aufzeichnungen in diesem Dokument speichern. Der Ausdruck kann im Praktikum
erfolgen.
Die Auswertung der Messergebnisse wird am nächsten Praktikumstermin mit den Assistenten in
Gruppengesprächen diskutiert.
I. Ziel der Versuche der ersten Serie.
Umgang mit folgenden Geräten:
Oszillograph, Labornetzgerät, Vielfachmessinstrument, Signalgenerator, USB-Datenaufnahme.
Messen von Strom und Spannungen in einem Netzwerk, Gleichstromanalyse, Datendarstellung.
II. Vorkenntnisse.
Ohmsches Gesetz, Spannungs- und Stromleiterregel, einfache Maschen- und Knotenanalyse,
Ideale und reale Spannungs- und Stromquellen, Theorem von Thevenin, Funktionsweise eines
Oszillographen.
III. Geräte:
Es stehen folgende Geräte zur Verfügung: Digitales Oszilloskop (200 MHz, 2 Gs/s),
Signalgenerator (25 MHz), Digitales Vielfachmessinstrument, USB- Datenerfassung, Steckbretter

zur Aufnahme von Bauelementen, Laptop, Drucker.
1 Versuch: Strom und Spannungsquellen
Die Ausgänge 1 und 2 des Labornetzgeräte können als Spannungs- oder Stromquelle
betrieben werden. Die Voreinstellungen des Labornetzgerätes werden angezeigt, sobald der
Knopf „Output on/off“ auf rot steht. In diesem Fall sind die Ausgänge nicht angeschlossen.
Schließen Sie den veränderlichen Drahtwiderstand an eine der Ausgänge des
Labornetzgerätes gemäß dem nachfolgenden Schaltbild an.
1.1 Wählen sie die Einstellungen so, dass eine konstante Spannung an dem Widerstand
anliegt. Verändern Sie den Widerstand und messen Sie die Spannung über dem
Widerstand mit dem Multimeter. Stimmt die am Labornetzgerät angezeigte Spannung
mit den Werten des Multimeters überein?
1.2 Betreiben Sie das Labornetzgerät als Stromquelle. Das Multimeter soll nun in Reihe
zum Widerstand geschaltet werden. Beachten Sie, dass für Ströme bis 10 A die
entsprechende Buchse des Multimeters zu verwenden ist. Variieren Sie den
Widerstand und messen Sie den Strom.
1.3 Verschalten Sie zwei Ausgänge der Netzgeräte so, dass Sie eine symmetrische
Spannungsquelle mit ± 15 V erhalten, die zu einer gemeinsamen Masse definiert sind.
Überprüfen Sie ihre Schaltung mit dem Multimeter.
2 Versuch: Messen von Spannungen und Strömen mit dem USB Datenaufnahmemodul
Um mehrere Spannungen gleichzeitig zu vermessen steht ihnen ein 8-fach 12bit USB
Datenerfassungsmodul zur Verfügung. Der Eingangswiderstand der 8 Kanäle beträgt 10 MΏ.

Die maximale Eingangsspannung darf 4V nicht überschreiten. Das Gerät ist so eingestellt,
dass die 12 bit (4096 Kanäle) gerade 4096 mV entsprechen, also 1 Kanal = 1mV. Die
Eingänge können mit Spannungsteilern (1 bis 4) oder Operationsverstärkern (5 – 8) beschaltet
werden, um die Messbereiche zu erweitern. Gemäß dem Schaltplan kann die Verdrahtung
durch Umsetzung von Jumpern geändert werden.
Die Datenaufnahme wird mit dem Programm „USB-ADC.exe“ gestartet, eine Verknüpfung
dazu ist auf dem Desktop. Die vier Kanäle werden mit einer analogen und einer digitalen
Anzeige dargestellt. Die Umrechnung von Kanälen in Volt kann durch den Parameter „Skal“
geändert werden. Die Daten können als ASCII File (Typ csv) gespeichert werden, um sie für
spätere Analyse zur Verfügung zu stellen.
2.1 Die ersten drei Eingänge sollen als Voltmeter betrieben werden mit einem maximalen
Spannungsbereich von 10V. Legen Sie dazu eine Gleichspannung, an den Eingang
und verwenden Sie den eingebauten Potentiometer (P1,P2,P3) als Spannungsteiler um
den gewünschten Bereich einzustellen. Mit dem Skalierungsfaktor „Skal“ wird die
Anzeige an den tatsächlich am Eingang anliegenden Wert angepasst.
2.2 Den vierten Eingang können Sie als Amperemeter schalten. Dazu ist es notwendig
einen „Shunt-Widerstand vom Eingang zur Erde zu schalten. Wählen Sie diesen
Widerstand so, dass Sie noch 100 mA messen können. Diesen Widerstand können Sie
auf einen der bereitliegenden „DIL“- Sockel löten und an der entsprechenden Stelle
(S4) einstecken. Testen Sie ihre Anordnung mit einem entsprechen Strom des als
Konstantstromquelle betriebenen Labornetzgerätes. Wie viel Leistung wird im
Widerstand umgesetzt?
2.3 Bauen Sie die nachfolgende Schaltung auf das Steckbrett auf. Der Shunt-Widerstand
R S dient zum Messen des Stromes I. Der
Signalgenerator (Tektronix AFG3021B)
soll eine sägezahnförmige Spannung mit
einer Wiederholfrequenz von 0.1 Hz und
einer Amplitude von 2V erzeugen. Die
Spannungen U 1 , und U 2 werden mit den
Eingängen 1, 2 des USB-Moduls
gemessen. Das Programm USB-ADC.exe
zeigt ihnen auch die Differenzspannung
ΔU RS =U 1 -U 2 an. Daraus ergibt sich der Strom zu I = ΔU RS /R S . Stellen Sie den
Skalierungsfaktor „Skal“ so ein, dass die Angabe auf mA geeicht ist.
2.4 Nehmen Sie die Spannungen für einige Perioden in der Wertetabelle auf. Die
Aufzeichnungsrate kann im Konfigurationsmenü (kleiner Schraubenzieher oben
rechts) geändert werden. Exportieren Sie die Tabellenwerte (rechte Maustaste im
Tabellenbereich) in einen Textdatensatz und speichern Sie diesen ab.
2.5 Hausaufgabe: Tragen Sie die Werte so auf, dass Sie die „Kennlinie“ des
Widerstandes R erhalten.
3 Umgang mit dem Oszillographen
3.1 Erzeugen Sie mit dem Signalgenerator ein Sinussignal mit 1V Amplitude und 1kHz
Frequenz. Stellen Sie dieses mit dem Oszillographen (Kanal 1) dar. Überprüfen Sie
die Frequenz anhand der Zeitskala des Oszillographen. Triggern Sie den
Oszillographen extern mit dem Triggerausgang des Signalgenerators. Machen Sie
sich mit der Bedienung des Oszillographen vertraut. Dazu gehört auch der Umgang
mit dem Tastkopf.
3.2 Ein Tastkopf dient dazu, das Messobjekt möglichst wenig zu belasten. Diese
Forderung wird durch einen möglichst hohen Eingangswiderstand und eine geringe
Eingangskapazität des Tastkopfes erfüllt. Das dazu notwendige Netzwerk, das sich in

der Spitze und in dem Anschlusskasten des Tastkopfs verbirgt, muss an die
Eingangsimpedanz des Oszillographen angeglichen werden, um die
Signalverzerrungen möglichst gering zu halten.
Verbinden Sie den Tastkopf mit dem Testausgang des Oszillographen. Dieser liefert
ein rechteckförmiges Signale. Gleichen Sie den Tastkopf mit einem Schraubenzieher
ab, indem Sie die Stellschraube an der Spitze des Tastkopfes verdrehen bis das Signal
möglichst rechteckig erscheint.
3.3 Messen Sie die Wechselspannung mit Hilfe des Multimeters und des Oszillographen
bei den in der Tabelle dargestellten Frequenzen.
Frequenz 5 Hz 10 Hz 50 Hz 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz
U Multimeter [V]
U Oszi. [V]
Hausaufgabe: Erklären Sie die Unterschiede in den Messwerten.
3.4 Bauen Sie folgende Hochpassschaltung auf dem Steckbrett auf.
3.5 Testen Sie die Schaltung mit rechteckförmigen Signalen. Variieren Sie hierbei die
Frequenz. Was fällt Ihnen bei den Rechtecksignalen auf?
Hausaufgabe: Erklären Sie die Beobachtung.
3.6 Messen Sie gleichzeitig das Ein- und Ausgangssignal bei sinusförmiger Erregung im
Frequenzbereich von 100 Hz bis 10 kHz (ca. 15 Messpunkte) mit Hilfe von zwei
Kanälen des Oszillographen. Protokollieren Sie gleichzeitig die Phasenverschiebung
φ zwischen Ein- und Ausgangssignal.
f [kHz]
U e [V]
U a [V]
φ [°]
3.7 Hausaufgabe: Stellen Sie den Frequenzgang (Verhältnis von Ein- und
Ausgangssignal als Funktion der Frequenz) in einem doppelt logarithmischen
Graphen dar (Bode-Plot). Der Phasengang (Phase als Funktion der Frequenz) soll in
einem halblogarithmischen Graphen gezeichnet werden
Bestimmen Sie aus beiden Diagrammen die Grenzfrequenz des Hochpassfilters.

C [nF]
Diese ist definiert am Punkt des 3 dB Abfalls im Frequenzgang bzw. bei der
Phasendrehung von 45° im Phasengang.
3.8 Modifizieren Sie den Hochpassfilter in einen Tiefpassfilter, indem Sie Widerstand
und Kondensator vertauschen. Wählen Sie R = 10 Ω und C = 1 nF
(Folienkondensator). Diese Schaltung kann dazu dienen hochfrequente Störungen, die
z.B. durch Rauschen verursacht werden zu unterdrücken. Allerdings wird dadurch
auch das Signal modifiziert. Ein Qualitätsmaß des Filters (Verstärkers, Vierpols etc.)
ist dann die sogenannte Rauschzahl (Noise figure), die das Verhältnis von Signal zu
Rauschen (Signal to Noise, S/N) vor und nach dem Filter angibt.
Der Funktionsgenerator kann zum normalen Signal einen Rauschbeitrag hinzu
addieren (Sinus → Output Menu → Noise → Noise add → Noise Level).
Die Aufgabe besteht darin, die Rauschzahl bei verschiedenen Filterzeitkonstanten des
RC-Gliedes (C= 1 nF, C= 100 pF, ohne C) zu messen. Beachten Sie, das auch schon
ein Koaxialkabel eine Kapazität (ca. 100 pF/m) hat. Den Rauschbeitrag können Sie
qualitativ am Oszillographen ablesen indem Sie für die Zeitablenkung eine sehr kurze
Zeit wählen. Benutzen Sie die Cursor-Funktion zur Abschätzung der mittleren
Rauschamplitude.
Signal
Eingang
Signal
Ausgang
Noise
Eingang
Noise
Ausgang
S/N
Eingang
S/N
Ausgang
Rauschzahl
3.9 Bauen Sie den nachfolgenden Resonanzkreis auf messen Sie das Verhältnis von
Eingangsspannung U e und Ausgangsspannung U a als Funktion der anregenden
Frequenz (100 Hz bis 100 kHz) . In der Nähe der Resonanzfrequenz sollte die
Messwertdichte erhöht werden. Protokollieren sie auch gleichzeitig die
Phasenverschiebung zwischen Ein- und Ausgangssignal.
Hausaufgabe: Die Messwerte sind in einer Tabelle aufzunehmen und graphisch
darzustellen. Wählen sie dazu für die Spannungs-Frequenzdarstellung eine lineare
Skala und eine doppelt logarithmischen Skala. Die Phase können Sie in einem
halblogarithmischen Diagramm darstellen. Bestimmen Sie aus dem Frequenzgang die
Resonanzfrequenz und die Halbwertsbreite der Resonanz.
Passen Sie an den Phasengang ein Arcus-Tangens Funktion an und bestimmen sie
daraus ebenfalls die Resonanzfrequenz

Anregungsfrequenz
U e U a Phasenverschiebung
U a /U e