Inhaltsübersicht und Prüfungsthemen

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孙祁
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2 Versuch 1 Periodische Schwingungen 1. Grundlagen In diesem Versuch soll der Umgang mit einem Oszilloskop für Messungen von elektronischen Signalen geübt werden, also zeitabhängige Spannungsverläufe. Gemessen werden neben den Spannungen oder Amplituden auch Zeiten sowie die vorliegende Signalform. In diesem Versuch sollen nur Signale untersucht werden, die sich nach einer Zeit T in ihrer Form wiederholen. Diese nennt man periodische Signale. Das Zeitintervall T heißt Periodendauer. Die Anzahl der Perioden, die in einer Sekunde auftreten, ergibt die Grundfrequenz f 0 der Schwingung. Sie wird in Hertz angegeben. Die mathematische Formel dazu lautet Frequenz: f 1 in Hertz T Der einfachste Fall liegt vor, wenn das Signal sinusförmig ist. Ein solches Signal kann folgendermaßen aussehen: u(t) u max u U 0 u ss u min T 0 0 T T+T t Mathematisch kann das Signal beschrieben werden mit der Formel: u( t) U uˆ sin(2 ft ) U0 uˆ sin( t 0 ) 2

3 实验 1 周期振荡 1. 基础知识本次实验我们将练习使用示波器来测量电子信号 ( 随时间变化的电压波形 ) 本实验除了测量电压 ( 振幅 ) 之外还需测量时间以及信号形状在这个实验中我们只研究在时间 T 内完成一次全振动的信号这种信号叫做周期信号时间间隔 T 为周期单位时间内完成的全振动的次数, 叫做振动的基频 f 0, 其单位为赫兹频率一般用 f 来表示, 下面为其数学表达式频率 : f 1 单位 : 赫兹 T 正弦形式的周期信号是其中最简单的下图为正弦周期信号 u(t) u max u U 0 u ss u min T 0 0 T T+T t 下面为正弦周期信号的数学表达式 : u( t) U ˆ sin(2 ) ˆ 0 u ft U0 u sin( t ) 3

4 Ein solches Signal kann mit einem Oszilloskop so dargestellt werden, dass man die Signalform erkennen und alle Amplituden und Zeiten am Oszilloskop-Schirm grafisch ablesen kann. Statt der allgemeinen mathematischen Funktionsdarstellung sieht das dann z.b. so aus: y-ablenkung x-ablenkung Das Signal wird mit einem Elektronenstrahl auf den Schirm geschrieben. Durch vertikale und horizontale Ablenkung dieses Elektronenstrahls ergibt sich die zweidimensionale Grafik. Dabei ist die vertikale Ablenkung y proportional zur Signalamplitude. Die horizontale Ablenkung x ist proportional der Zeit und wird ständig von links nach rechts wiederholt. Die meisten Oszilloskope haben zwei Eingänge für zwei Signale. Jeder Eingang kann in seiner Empfindlichkeit einzeln eingestellt werden. An dem Oszilloskop geschieht das mit einem Drehknopf mit vielen Rasterstufen. Dabei wird der einfache Bezug zum Bildschirm angegeben, z.b. 0,2Volt pro Einheit (oder pro Kästchen bzw. pro cm), englisch allgemein kurz 0,2Volts/div (div = Division, englisch für Einheit). 4

这种信号可在示波器上读出, 从图中我们可以看出它是正弦波, 并读出它的振幅和时间代替一般的数学表达公式我们可以看到以下图案 : y- 偏转 x- 偏转信号通过电子束射在屏幕上形成通过电子束在垂直方向和水平方向的偏转能产生二维图象, 其中 y 轴的垂直偏转与信号的振幅成比例,x

5 这种信号可在示波器上读出, 从图中我们可以看出它是正弦波, 并读出它的振幅和时间代替一般的数学表达公式我们可以看到以下图案 : y- 偏转 x- 偏转信号通过电子束射在屏幕上形成通过电子束在垂直方向和水平方向的偏转能产生二维图象, 其中 y 轴的垂直偏转与信号的振幅成比例,x 轴的水平偏转与时间成比例并同时从左向右重复移动大部分示波器为两个信号准备了两个输入端我们可以在它们各自的灵敏度调节, 示波器上的带有很多档的旋钮即是它们的调节钮 ( 请对照下图 ) 我们只要调节相对屏幕的参数, 例如 :0,2 伏 / 单位 ( 或每一格 / 每一厘米 ), 英语的缩写 0,2Volts/div (div = division, 英语 : 单元格 ) 5

6 vertikale Signalverschiebung Einstellung der Empfindlichkeit eines Eingangs vom Oszilloskop, z.b. 0,2 Volt pro Einheit hier:.2 VOLT/DIV Zusätzlich kann die Darstellung auf dem Schirm mit dem Positionsregler vertikal verschoben werden. An jedem Eingang ist weiterhin noch die Auswahl AC, GND oder DC gegeben. AC GND DC von englisch Alternate Current = Wechselstrom es wird nur der Wechselanteil des Signals dargestellt, ein möglicher Gleichwert wird unterdrückt Es wird nicht das Eingangssignal dargestellt, sondern als Referenzwert die Spannung 0 Volt (Masse, englisch Ground, kurz GND). Auf dem Oszilloskopschirm wird nur noch eine horizontale Linie dargestellt. von englisch Direct Current = Gleichstrom Das Signal wird mit einem möglichen Gleichwert dargestellt 6

7 垂直方向移动信号示波器其中一个信号输入端的灵敏性设置, 例如 :0,2 伏 / 单位图中 :.2 VOLT/DIV 我们也可以用定位调节器来垂直移动屏幕上的信号每个输入端都会有 AC, GND 或 DC 的选择 AC GND DC 来自英语 Alternate Current = 交流电流 AC 只描绘出信号的交流部分, 直流部分将被抑制 GND 显示的不是输入信号, 而是 0 伏的参数电压 ( 即接地电压, 英语 Ground, 简称 GND), 在示波器上显示的只是一条水平直线来自英语 : Direct Current = 直流电流这里的信号只显示直流部分 7

8 Die zweite wichtige Größe ist die Einstellung der horizontalen Ablenkung, die zeitproportional erfolgen muss. Man nennt dies die Zeitbasis. Auch hier wird direkt eine Zeit pro Einheit (Division) eingestellt, z.b. 10ms/DIV. Damit ist eine einfache Zeitmessung möglich. Einstellung der Zeitbasis des Oszilloskopes, also der horizontalen Ablenkgeschwindigkeit z.b. 10ms pro Einheit hier: 10 ms/div 8

9 其次水平偏转的设置也很重要, 它必须是与时间成比例的, 称之为时间基线或时间坐标这里我们也将直接设置单位格时间 ( 如 10ms/DIV), 以方便时间的测量示波器时间基线的调整 ( 水平方向上的偏转速度 ) 例如 :10 毫秒 / 单位图中 : 10 ms/div 9

10 Die dritte ganz wichtige Einstellung an jedem Oszilloskop ist der sogenannte Trigger. Damit sorgt man für eine Synchronisation des periodischen Signals mit der ebenfalls periodischen horizontalen Ablenkung. Der Trigger ist eine einstellbare Schwellenspannung, mit der das anliegende Signal verglichen wird. Erst wenn das Signal diese Schwellenspannung erreicht, startet die horizontale Ablenkung. Damit wird erreicht, dass das Signal immer mit der gleichen Anfangsphase dargestellt wird und sich ein stehendes Bild ergibt. Sinussignal ohne Trigger: Sinussignal mit Trigger: (hier Trigger bei 0 Volt) Meistens kann am Oszilloskop der Trigger auf Automatik (AUTO) eingestellt werden, so dass für die meisten Anwendungen keine besondere Triggerspannung an das Signal angepasst werden muss. 10

11 第三步非常重要的调节是对示波器上触发信号 (Trigger) 的调节, 其目的是使周期信号与周期水平偏转同步触发信号是一个可调节的门槛电压, 它将与邻近的信号进行比较当信号达到门槛电压时水平偏转才会开始移动这样信号就一直有相同的初相位并能产生竖立的图象没有触发信号的正弦信号 : 有触发器的正弦信号 : ( 这里触发器设置为 0 伏 ) 示波器的触发器一般都调到自动 (AUTO), 因为大部分时候都不需要特殊的触发电压跟信号配套使用 11

12 2. Versuchsaufbau Der Versuch besteht aus einem Signalgenerator und einem Oszilloskop. Der Signalgenerator liefert verschiedene periodische Signale, die in Sinus-, Rechteck- und Dreieckform verfügbar sind. Es sind zwei Versionen von Signalgeneratoren vorhanden, die etwas unterschiedliche Einstellmöglichkeiten aufweisen. Generator 1 Version A: Einstellung von Amplitude und Frequenz möglich Sinus, Dreieck und Rechteck (symmetrisch) verfügbar Anschlüsse Versorgungsspannung -15 V 0 V +15 V Sinus oder Dreieck (Steckbrücke) Ausgang für Rechtecksignal Amplitudeneinstellung Ausgang für Sinus- oder Dreiecksignal Frequenzbereich (Steckbrücke) Frequenzeinstellung Version B: Sinus oder Dreieck (Steckbrücke) Ausgänge für Rechtecksignal (symmetrisch und unsymm.) Amplitudeneinstellung Ausgang für Sinus- oder Dreiecksignal Frequenzeinstellung Frequenzbereich (Steckbrücke) 12

13 2. 实验装置实验由两个器件组成 : 信号发生器和示波器信号发生器能产生正弦 -, 矩形 -, 和三角形等不同形状的周期信号这里有两个版本的信号发生器, 振荡器 1 版本 A: 能调节振幅和频率可实现正弦 -, 三角形 - 和矩形 ( 对称 ) 电源电压端口 -15 V 0 V +15 V 正弦和三角形 ( 连接桥 ) 矩形信号输出端振幅调节正弦信号和三角形信号的输出端振幅范围 ( 连接桥 ) 频率调节版本 B: 正弦和三角形 ( 连接桥 ) 矩形信号输出端 ( 对称和不对称 ) 振幅调节正弦信号和三角形信号的输出端频率调节振幅范围 ( 连接桥 ) 13

14 Generator 2 Feste Amplitude und Frequenz mehrere Signale parallel verfügbar: Sinus: 1kHz, 3kHz (normal und invertiert), 5kHz Dreieck: 1kHz Rechteck unsymmetrisch: 2kHz, 6kHz, 10kHz Anschlüsse Versorgungsspannung -15 V 0 V +15 V Ausgangs 1kHz 3kHz 5kHz 1kHz 10kHz 6kHz 2kHz Sinus Sinus Sinus Dreieck Rechteck Rechteck Rechteck Ausgangssignale Aufbau der Platine von Generator 2 14

15 发生器 2 固定振幅和固定频率多个信号并列传输 : 正弦 : 三角形 : 不对称矩形 : 1kHz, 3kHz ( 正常和倒置情况 ), 5kHz 1kHz 2kHz, 6kHz, 10kHz 电源电压端口 -15 V 0 V +15 V 1kHz 3kHz 5kHz 1kHz 10kHz 6kHz 2kHz 正弦正弦正弦三角形矩形矩形矩形 Ausgangs 输出端发生器 2 电路板的构造 15

16 3. Versuchsdurchführung Verbinden Sie die Generatorplatine mit dem Netzteil. Wenn +15V und -15V sowie die Masse (0 Volt) richtig angeschlossen sind, leuchten die beiden Kontroll-LEDs. Schließen Sie einen Tastkopf am Oszilloskop an Kanal 1 an. Messen Sie die Ausgangssignale des Generators 1 bzw. 2 (je nach Studentengruppe unterschiedlich). Messungen mit Generator 1 Messen Sie das Signal am Ausgang Sinus/Dreieck. Steckbrücke auf Sinus stellen. Kanal 1 vom Oszilloskop auf GND stellen und die dargestellte Linie mit dem POSITION Regler vertikal auf Bildschirmmitte einstellen. Danach von GND auf DC umschalten. Stellen Sie eine Frequenz von 1kHz mit einer Amplitude von 1V ss am Generator ein, indem Sie am Oszilloskop die Periodendauer der Schwingung messen. Stellen Sie die horizontale Ablenkung so ein, dass ca. 2 Schwingungen dargestellt werden. Die vertikale Ablenkung sollte so gewählt werden, dass die Schwingung möglichst groß erscheint, aber oben und unten noch nicht abgeschnitten wird. Ändern Sie die Steckbrücke von Sinus auf Dreieck und messen Sie jetzt die Amplitude u ss des Signals. Kontrollieren Sie die Periodendauer. Skizzieren Sie beide Schirmbilder in die unten stehenden Diagramme: Kanal 1: Kanal 1: Kanal 2: Kanal 2: Oszillogramm Sinus Oszillogramm Dreieck 16

17 3. 实验步骤连接发生器电路板与电源部分如果 +15V, -15V 和接地电压 (0 Volt) 都连接正确了, 两盏控制发光二极管则会发亮连接示波器的其中一个测头到频道 1 上, 分别测量发生器 1 和发生器 2 的输出信号 ( 根据每个组的要求先后测量 ) 发生器 1 的测量 : 测量输出端的正弦 / 三角形信号连接桥打到正弦的位置示波器的频道 1 首先设为 GND, 通过调节器 POSITION 把形成的直线垂直调节到屏幕的中心然后换到 DC 设置将发生器的周期调节到 1 khz, 振幅调节到 1V ss, 然后用示波器测出振荡的周期设置水平偏转, 使屏幕能大约显示 2 个振荡设置垂直偏转, 使振荡尽可能大的显示, 且振荡的上下端没有被显示屏边缘遮住将连接桥打到三角形, 然后测量振幅 u ss 校验周期分别在下面两图框中描绘出屏幕上显示的曲线 : 信道 1: 信道 1: 信道 2: 信道 2: 正弦波形图三角形波形图 17

18 Messungen mit Generator 1 Schließen Sie am Oszilloskop einen zweiten Tastkopf auf Kanal 2 an. Die vertikale Ablenkung (Empfindlichkeit) so wählen, dass beide Signale übereinander dargestellt werden, ohne sich zu überlappen und ohne dass es zu Abschneidungen kommt (vertikale Verschiebung mit POSITION Regler). Messen Sie nun gleichzeitig auf Kanal 1 das Dreiecksignal und auf Kanal 2 das Rechtecksignal mit der bisherigen Frequenz von 1kHz. Ändern Sie danach die Frequenz auf 2kHz. Skizzieren Sie beide Ergebnisse in die untenstehenden Diagramme und geben Sie die Amplituden an. Kanal 1: Kanal 1: Kanal 2: Kanal 2: 1kHz Dreieck und Rechteck 2kHz Dreieck und Rechteck Dreieck 1kHz: Dreieck 2kHz: Rechteck 1kHz: Rechteck 2kHz: 18

19 发生器 1 的测量 : 把示波器的第二只测头与频道 2 相连. 调节垂直偏转 ( 灵敏度 ), 使两个信号不重叠也不会被显示屏边缘遮住 ( 垂直方向用 POSITION 调节器调节 ) 同时测量频率为 1 khz 时频道 1 上的三角形信号和频道 2 上的矩形信号把频率改为 2 khz 再如上测量在下面图框中描绘出这两种曲线图并标注振幅 : 信道 1: 信道 1: 信道 2: 信道 2: 1kHz 时的三角形与矩形曲线 2kHz 时的三角形与矩形曲线三角形 1kHz: 三角形 2kHz: 矩形 1kHz: 矩形 2kHz: 19

20 Messungen mit Generator 1 Für die Messung mit Generator 1 Version A wird die negative Versorgungsspannung -15V entfernt. Messen Sie das Signal am Ausgang Rechteck. Für die Messung mit Generator 1 Version B wird der Ausgang Rechteck unsym. benutzt. Kanal 1 vom Oszilloskop auf GND stellen und die dargestellte Linie mit dem POSITION Regler vertikal auf Bildschirmmitte einstellen. Danach von GND auf DC umschalten. Stellen Sie eine Frequenz von 1kHz am Generator ein, indem Sie am Oszilloskop die Periodendauer der Schwingung messen. Stellen Sie die horizontale Ablenkung so ein, dass ca. 2 Schwingungen dargestellt werden. Die vertikale Ablenkung sollte so gewählt werden, dass die Schwingung möglichst groß erscheint, aber oben und unten noch nicht abgeschnitten wird. Stellen Sie nun am Eingang des Oszilloskops den Schalter von DC auf AC. Skizzieren Sie beide Schirmbilder in die unten stehenden Diagramme: Kanal 1: Kanal 1: Kanal 2: Kanal 2: Oszillogramm Rechteck mit DC Einstellung Oszillogramm Rechteck mit AC-Einstellung 20

21 发生器 1 的测量 : 发生器 1 方式 A 的测量使得负的电源电压 -15V 离开测量输出端的矩形信号发生器 1 方式 B 的测量将使用不对称的矩形输出端首先将示波器的频道 1 打到 GND, 所形成的直线由调节器 POSITION 垂直调节到屏幕的中心然后换 DC 设置. 将发生器的周期调节到 1 khz, 然后用示波器测出荡周期设置水平偏转, 使屏幕大约能显示 2 个振荡设置垂直偏转, 使振荡尽可能大的显示, 只要振荡的上下端没有被显示屏边缘遮住现在只改变示波器的输入端, 从 DC 换到 AC 分别在下面两图框中描绘出屏幕上的曲线 : 信道 1: 信道 1: 信道 2: 信道 2: 直流矩形波形图交流矩形波形图 21

22 Messungen mit Generator 2 Messen Sie das Signal am Ausgang 1kHz Sinus. Kanal 1 vom Oszilloskop auf GND stellen und die dargestellte Linie mit dem POSITION Regler vertikal auf Bildschirmmitte einstellen. Danach von GND auf DC umschalten. Stellen Sie die horizontale Ablenkung so ein, dass ca. 2 Schwingungen dargestellt werden. Die vertikale Ablenkung sollte so gewählt werden, dass die Schwingung möglichst groß erscheint, aber oben und unten noch nicht abgeschnitten wird. Messen Sie die Periodendauer T und die Amplitude u ss des Signals. Messen Sie jetzt bei gleicher Einstellung am Oszilloskop das Signal 1kHz Dreieck und bestimmen Sie auch hierfür die Periodendauer T und die Amplitude u ss Skizzieren Sie beide Schirmbilder in die unten stehenden Diagramme: Kanal 1: Kanal 1: Kanal 2: Kanal 2: Oszillogramm Sinus Oszillogramm Dreieck T ms = T = ms 22

23 发生器 2 的测量 : 测量输出端的 1kHz 正弦波设置频道 1 到 GND, 用调节器 POSITION 将直线调到中央, 换到 DC 设置设置水平偏转, 使屏幕能大约显示 2 个振荡设置垂直偏转, 使振荡尽可能大的显示, 只要振荡的上下端没有被显示屏边缘遮住测量信号的周期 T 和振幅 u ss 不改变示波器的设置测量频率为 1kHz 的三角形波并确定它的周期 T 和振幅 u ss 分别在下面两图框中描绘出屏幕上的曲线 : 信道 1: 信道 1: 信道 2: 信道 2: 正弦波形图三角形波形图 T ms = T = ms 23

24 Messungen mit Generator 2 Schließen Sie am Oszilloskop einen zweiten Tastkopf auf Kanal 2 an. Kanal 2 zunächst auf GND stellen und die Linie am Bildschirm auf die unterste Rasterlinie verschieben (POSITION Regler.) Danach von GND auf DC wechseln. Die vertikale Ablenkung (Empfindlichkeit) so wählen, dass beide Signale übereinander dargestellt werden, ohne sich zu überlappen und ohne dass es zu Abschneidungen kommt. Messen Sie nun gleichzeitig auf Kanal 1 das 1kHz Dreiecksignal und auf Kanal 2 das 2kHz Rechtecksignal. Skizzieren Sie das Ergebnis in dem untenstehenden Diagramm und geben Sie die Amplituden und die jeweilige Periodendauer an. Kanal 1: Kanal 2: 1kHz Dreieck und 2kHz Rechteck Dreieck 1kHz: T ms = Rechteck 2kHz: T = ms 24

25 发生器 2 的测量 : 把示波器的第二只测头与频道 2 相连. 首先将频道 2 设置到 GND, 将直线调到 ( 调节器 POSITION) 最下面一条光栅线, 换到 DC 档调节垂直偏转 ( 灵敏度 ), 使两个信号不重叠也不会被显示屏边缘遮住同时测量频道 1 上频率为 1 khz 的三角形信号和频道 2 上频率为 2kHz 的矩形信号把结果描绘在下面图框中并标注振幅和周期 : 信道 1: 信道 2: 1kHz 三角形波和 2kHz 矩形波三角形波 1kHz: T ms = 矩形波 2kHz: T = ms 25

26 Messungen mit Generator 2 Messen Sie das Signal am Ausgang 2kHz Rechteck. Kanal 1 vom Oszilloskop auf GND stellen und die dargestellte Linie mit dem POSITION Regler vertikal auf Bildschirmmitte einstellen. Danach von GND auf DC umschalten. Stellen Sie die horizontale Ablenkung so ein, dass ca. 2 Schwingungen dargestellt werden. Die vertikale Ablenkung sollte so gewählt werden, dass die Schwingung möglichst groß erscheint, aber oben und unten noch nicht abgeschnitten wird. Stellen Sie nun am Eingang des Oszilloskops den Schalter von DC auf AC. Skizzieren Sie beide Schirmbilder in die unten stehenden Diagramme: Kanal 1: Kanal 1: Kanal 2: Kanal 2: Oszillogramm Rechteck mit DC Einstellung Oszillogramm Rechteck mit AC-Einstellung 26

27 发生器 2 的测量 : 测量输出端的 2kHz 矩形波将频道 1 设置到 GND, 用调节器 POSITION 将直线调到中央, 换到 DC 设置调节水平偏转, 使屏幕能大约显示 2 个振荡调节垂直偏转, 使振荡尽可能大的显示, 只要振荡的上下端没有被显示屏边缘遮住现在只改变示波器的输入端, 从 DC 换到 AC 分别在下面两图框中描绘出屏幕上的曲线 : 信道 1: 信道 1: 信道 2: 信道 2: 直流矩形波形图交流矩形波形图 27

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Inhaltsübersicht und Prüfungsthemen

Inhaltsübersicht und Prüfungsthemen 1. Grundlagen Versuch 2 Synthese von harmonischen Schwingungen Addiert man zu einem sinusförmigen Signal der Frequenz f weitere sinusförmige Signale hinzu, deren Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches von