G03 Oszilloskop

🏃 Motivation

Das Oszilloskop zählt zu den wichtigsten Werkzeugen zur Visualisierung veränderlicher, elektrischer Signale. Als angehende Physiker:innen sollten Sie in der Lage sein mit dem Oszilloskop als Laborgerät zur Darstellung von Signalen sicher umzugehen.

Ein analoges Oszilloskop besteht aus einer Kathodenstrahlröhre mit zwei senkrecht zueinander positionierten Paaren von Kondensatorplatten, zur elektrischen Ablenkung eines erzeugten Elektronenstrahls. Dieser hinterlässt auf einem phosphoreszierenden Bildschirm ein sichtbares Signal. Heutzutage werden Oszilloskope bis auf wenige Nischenanwendungen digital betrieben. Die Grundeigenschaften eines Oszilloskops sind jedoch immer und überall gleich. Dieser Grundversuch führt Sie darüber hinaus in einige wichtige Grundschaltungen zur Verwendung des Oszilloskops als Labor- und Messgerät ein.

🏁 Lernziele

Wir listen im Folgenden auf, was wir von Ihnen erwarten, nachdem Sie diesen Versuch erfolgreich absolviert haben:

Lernziele

Sie kennen die wichtigsten Spezifikationen eines Digitaloszilloskops.
Sie können das PeakTech 1255 Oszilloskop sicher im Ein- und Zweikanalbetrieb, sowie im XY-Modus bedienen.
Sie können eine Lade-/Entladekurve eines einfachen passiven elektrischen Bauelements auf dem Oszilloskop darstellen.
Sie wissen was die Kennlinie eines elektrischen Bauelements ist und können diese sicher auf dem Oszilloskop darstellen.
Sie können Einmalvorgänge mit dem Oszilloskop aufzeichnen.

🚀 Weiterführendes Angebot

Bei diesem Versuch steht das Oszilloskop und dessen Verwendung im Vordergrund. Die physikalischen Effekte dienen eher als Medium zum Einsatz des Oszilloskops. Dennoch gibt es, für diejenigen unter Ihnen, die hinreichende Kapazitäten und Interesse haben, die Möglichkeit sich mit den zugrundeliegenden physikalischen Effekten und weiterführenden Aspekten des Versuchs weiter vertraut zu machen.

Weiterführende Angebote

🧮 Das Digitaloszilloskop ist ein gutes Beispiel für eine konkrete, technische Realisierung dessen, was Sie im Grundversuch G01 Datenverarbeitung über die Digitalisierung von Signalen gelernt haben.
🔃 Im Laufe dieses Versuchs lernen Sie einige einfache Grundschaltungen mit Massenpotentialen kennen. Massenpotentiale kommen bei so gut wie jeder ernsthaften elektronischen Schaltung vor. Solche Schaltkreise müssen sorgfältiger Durchdacht werden, als Sie dies von naiven Schaltungen aus Schule und Grundvorlesungen gewohnt sind.
🔎 Eine der Aufgaben beinhaltet die Darstellung der Kennlinie einer Zener-Diode. Wir verweisen an dieser Stelle auf den P2-Versuch H16 Eigenschaften elektrischer Bauelemente, bei dessen Durchführung die Hauptfachphysiker:innen unter Ihnen dieses und ähnliche Bauelemente in der Praxis näher untersuchen und kennenlernen können. Die Dokumente zur Vorbereitung auf diesen Versuch stellen auch eine kompakte Einführung in die Physik dieser Bauelemente bereit. Dieses Wissen wird für den Versuch Oszilloskop jedoch nicht vorausgesetzt.

🔬 Versuchsaufbau

Ein typischer Aufbau für den Versuch Oszilloskop ist in Abb. 1 gezeigt:

Hinweis

Der Versuch besteht aus drei unabhängigen Aufgabenteilen, die jeweils von einer Studierendengruppe an einer Station durchgeführt werden. Nach der Bearbeitung der Aufgaben wechseln die Studierendengruppen die Station, so dass jede Gruppe jede Aufgabe bearbeiten kann.

Für die einzelnen Aufbauten stehen Ihnen das PeakTech 1255 Oszilloskop, mehrere Funktionsgeneratoren, ein kleines Breadboard (als Träger für zwei Leuchtmittel), eine Schaltplatine mit mehreren eingelöteten elektrischen Bauteilen, ein (je nach Versuchsaufbau) \(120,\ 140\ \mathrm{cm}\) langes gläsernes Fallrohr, mit sechs aufgebrachten Induktionsspulen, und ein Aluminiumrohr zur Verfügung.

Im Rahmen von Aufgabe 1 stellen Sie die Signale zweier alter Funktionsgeneratoren in verschiedenen Betriebsmodi stabil auf dem Oszilloskop dar. Sie haben dabei Gelegenheit sich mit den verschiedenen Funktionen des Oszilloskops vertraut zu machen. Im Rahmen von Aufgabe 2 führen wir Sie in einige wichtige Grundschaltungen ein, mit denen Sie Signale in elektrischen Schaltkreisen mit dem Oszilloskop darstellen und messen können. Im Rahmen von Aufgabe 3 führen Sie einfache Fallexperimente mit dem Fallrohr durch. Sie nutzen das Oszilloskop an dieser Stelle, um ein nicht-periodisches Signal aufzuzeichnen, aus dem Sie die Erdbeschleunigung \(g\pm\Delta g\) bestimmen können. Hierzu nutzen Sie den Effekt der Induktion einer Spannung \(U_{i}\) durch ein veränderliches Magnetfeld.

Eine Auflistung des Versuchsinventars, einschließlich ggf. für Ihre Auswertung wichtiger technischer Daten, entnehmen Sie dem Datenblatt zum Versuch.

📓 Was diesen Versuch ausmacht

Jede:r Physiker:in, ganz gleich ob in der theoretischen oder experimentellen Physik, sollte mit einem Oszilloskop als Laborgerät zur Darstellung von Signalen sicher umgehen können.

Mit diesem Versuch führen wir Sie in das PeakTech 1255 Oszilloskop ein, dass im P1/P2-Praktikum überwiegend zum Einsatz kommt. Sie können sich mit den Grundfunktionen, die jedem Oszilloskop eigen sind, vertraut machen und lernen einige ebenso einfache wie wichtige Schaltungen zur Bestimmung von Lade-/Entladevorgängen, Kennlinien und Einmalvorgängen kennen. Auf diese Weise bekommen Sie ein Gefühl für den vielfältigen und flexiblen Einsatz des Oszilloskops zur Darstellung und teilweise auch einfachen und schnellen Messung von Signalen. Im späteren Laboralltag werden Ihnen andere Oszilloskope begegnen, die jedoch alle die gleichen Grundfunktionen bereitstellen. Der Umgang mit diesen Geräten sollte für Sie dann keine Herausforderung mehr darstellen. Dies sollte ihr Anspruch für die Durchführung und Auswertung dieses Versuchs sein.

Achtung

Ein Oszilloskop ist ein komplexes Laborgerät mit eigenem Massenpotential. Einige der vorgestellten Schaltungen sind nicht trivial. Gerade wenn Sie bisher noch nicht sehr oft mit elektrischen Schaltungen und Bauteilen in Kontakt waren sollten Sie sich die Zeit nehmen die Schaltungen, einschließlich der Reihenfolge der eingesetzten Bauelemente, vorsichtig und bewusst zu entwickeln, zu verstehen und in Ihrer Versuchsauswertung entsprechend zu dokumentieren und zu diskutieren.

🚨 Wichtige Hinweise

Achtung

Bei diesem Versuch gehen Sie mit elektrischen Schaltkreisen um. Auch wenn Sie hierbei nicht mit gefährlichen Hochspannungen in Berührung kommen, besteht bei unsachgemäßem Umgang die Gefahr, empfindliche Bauteile zu zerstören. Gehen Sie also achtsam mit dem Ihnen anvertrauten Inventar des Versuchs um.
Stecken Sie alle Schaltungen ohne Spannungsquelle und lassen Sie die gesteckten Schaltungen von Ihrer:m Betreuer:in abnehmen, bevor Sie sie in Betrieb nehmen.
Sie sollten Spannungen an Spannungsgeräten grundsätzlich, nach Möglichkeit auf Null oder kleine Werte regeln, bevor Sie die Spannungsquelle ein-/ausschalten, um Spannungsspitzen bei Ein- und Ausschaltgängen zu vermeiden.