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Wir messen mit einem einfachen Oszilloskop am Timer 555


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Einfaches Oszilloskop am Timer 555

Wir messen an der Schaltung aus Weitere Oszillogramme vom Blinklicht:

Timer-555-astabil.png
Bild 1: Eine Schaltung mit dem Timer 555

Der Kondensator wurde durch einen mit 10nF ersetzt.

Messungen

Attention >

Das DSO 150 ist nicht besonders stabil

  • Nach jedem Einschalten, von Zeit zu Zeit und wenn Mess- oder Zeitbereiche geändert wurden:
  • Eingangswahlschalter auf GND stellen und Null-V-Line durch 3 Sekunden V/DIV eichen.
  • Zeitbereich durch 3 Sekunden SEC/DIV eichen.
  • Wenn das Signal durchläuft, durch 3 Sekunden TRIGGER Triggerpegel einstellen.

Messung am Ausgang Q

Wir beginnen mit dem Signal am Ausgang Q des LMC555.

DSO150-555-Q.png
Oszillogramm DSO 1: Signal am Ausgang Q

Dafür müssen wir das Oszilloskop DSO150 einstellen.

Attention pin

DS0 150

Das DSO 150 hat nur einen Kanal.

DSO150-Bedienung.png
  • Mit V/DIV, SEC/DIV oder TRIGGER auswählen
  • und mit ADJ einstellen.
  • Mit OK zwischen HOLD und Running umschalten

Wir stellen das DSO150 für die Messung des Signals an Q ein.

1.
Eventuell OK betätigen, um von HOLD auf Running zu schalten.
2.
Den Messbereich auf 1V über V/SEC
3.
Die Null-V-Linie auf die untere horizontale Linie über V/SEC beim Dreieck links
4.
Die Skalierung der Zeit auf 0,5ms (500µs) über SEC/DIV
5.
Möglicherweise den angezeigten Zeitbereich zentrieren über SEC/DIV drei Sekunden halten
6.
Möglicherweise die Triggerung auf AUTO über TRIGGER
7.
Möglicherweise die Triggerung auf
8.
Trigger-Level über TRIGGER drei Sekunden halten

Wir messen:

  • Die Spannung an Q schaltet zwischen 0V und 5V.
  • Die Periode ist 4,2*0,5ms=2,1ms, d.h. 476Hz.

Das stimmt mit unseren Messungen im Oszillogramm 6 in Weitere Oszillogramme vom Blinklicht überein.

Die Skalierung der Zeit auf 0,2ms (200µs) bereitet Probleme.

  • Wird auf 0.2ms eingestellt, wird nur der Anteil mit 5V des Signals ganz angezeigt.
  • Wir können aber den angezeigten Zeitbereich verschieben, damit eine ganze Periode dargestellt wird.
  • Mit SEC/DIV den oberen Balken auswählen und mit ADJ verschieben.
DSO150-555-Q-2.png
Oszillogramm DSO 2: Signal am Ausgang Q mit 0,2ms/DIV

Messung am Eingang TR

DSO150-555-TR.png
Oszillogramm DSO 3: Signal am Eingang TR

Die Einstellung der vorherigen Messing mit 0,5ms/DIV kann übernommen werden.

  • Das Signal wird allerdings meistens durchlaufen, weil die Triggerung nicht passt.
  • Wir korrigieren indem wir TRIGGER für drei Sekunden halten.

Die Messungen ergeben:

  • Die Spannung an TR verläuft zwischen 1,6V und 3,3V.
  • Die Periode ist 4,8*0,5ms=2,4ms und die Frequenz 416Hz
Attention pin

Messfehler

Die Messung der Frequenz an Q und TR weichen voneinander ab: 476Hz anstelle 416Hz.

Die Abweichung von etwa 10% ist nicht mit der Ungenauigkeit des DSO150 zu erklären.

Es ist vielmehr der Einfluss des DSO150 auf die gemessene Schaltung.

Das DSO150 hat einen Eingangswiderstand von 1MΩ. Diese ist im Vergleich zu den Widerständen R1 und R2 nicht zu vernachlässigen.

Eine Lösung wäre ein Tastkopf mit 10MΩ.

Messung am Ausgang DIS

DSO150-555-DIS.png
Oszillogramm DSO 4: Signal am Ausgang DIS

Die Messungen ergeben:

  • Die Spannung an DIS verläuft zwischen 3,3V und 4,0V.
  • Die Periode ist 4,6*0,5ms=2,3ms und die Frequenz 436Hz
  • Wieder macht sich der Eingangswiderstand des DSO150 bemerkbar.

Werte anzeigen

Die Werte werden angezeigt, wenn OK drei Sekunden betätigt wird.

DSO150-555-DIS-2.png
Oszillogramm DSO 5: Signal am Ausgang DIS und Werte
Attention pin

Angezeigte Werte

Freq : Frequenz
Cycl : Periode
PW : Dauer
Duty : Tastverhältnis
Vmax : maximale Spannung
Vmin : minimale Spannung
Vavr : mittlere Spannung
Vpp : Sitze zu Spitze-Wert der Spannung
Vrms : effektive Spannung

Die Werte können wir an allen untersuchten Anschlüssen anzeigen.

Einige Werte:

Anschluss Frequenz Minimale Spannung Maximale Spannung
Q 488Hz -0,04V 5,11V
TR 412Hz 1,70V 3,36V
DIS 440Hz -0,04V 4,01V
Uv 0Hz 5,11V 5,11V
0V -- -0,04V 0,1V
  • Die maximale Spannung am Anschluss Q und der Versorgungsspannung zeigt, dass das DSO150 uns eine hohe Genauigkeit durch die Anzeige der Spannungen mit zwei Nachkommastellen vorgaukelt, allerdings nur ungenaue Werte liefert.
  • Die Versorgungsspannung ist genau 5V und nicht 5,11V.
  • 0V sind nicht -0,04V oder 0,1V.
  • Ein Oszilloskop ist kein Digitalvoltmeter und das DSO150 erst recht nicht.

Wechselspannung

Im Praktikum Spannungen an einer blinkenden LED haben wir Gleich- und Wechselspannungen unterschieden. Mischspannungen setzen sich aus einem Gleichspannungs- und Wechselspannungsanteil zusammen.

Betrachten wir beispielsweise die Spannung am Eingang TR des LMC555 im Oszillogramm DSO 3. Die dargestellte Spannung ist offensichtlich eine Mischspannung.

Mit einem Oszilloskop kann der Wechselspannungsanteil getrennt dargestellt werden. Wir brauchen nur den Schalter AC-DC-GND auf AC zu stellen. Dann wird nur der Wechselspannungsanteil dargestellt.

Eine Wechselspannung wechselt zwischen einem positiven und negativen Teil. Damit das dargestellt werden kann, müssen wir die 0V-Linie in die Mitte des Oszillogramms legen. Weil die Spannungen kleiner sind, können wir auch den Messbereich anpassen.

DSO150-555-TR-AC.png
Oszillogramm DSO 6: Wechselspannungsanteil am Eingang TR

Der Gleichspannungsanteil lässt sich nicht unmittelbar einem Oszillogramm entnehmen, er muss berechnet werden.

Wir müssen uns natürlich auf das Oszillogramm DSO 3 beziehen. Wenn wir die Werte (drei Sekunden OK) anzeigen lassen, wird der Gleichspannungsanteil berechnet. Es ist die mittlere Spannung Vavr. Sie beträgt an TR im Oszillogramm DSO 3 Vavr=2,6V.

Weil die Frequenz des Wechselspannungsanteils hoch genug ist, können wir den mittleren Wert der Spannung auch mit einem Voltmeter messen. Es liefert 2,57V.

Triggerung

Bisher haben wir beim Triggern immer die Stellung AUTO, die fallende Flanke und den Triggerpegel automatisch eingestellt, indem wir TRIGGER drei Sekunden gedrückt haben.

Die Wirkung der Triggerung können wir am besten sehen, wenn wir den Eingang TR des LMC555 messen.

Wir wählen eine andere Triggerflanke: Wir betätigen TRIGGER bis am unteren Rand das Symbol für die Flanke blau umrahmt wird. Mit ADJ kann jetzt die Flanke ausgewählt werden.

Das Signal hüpft dabei hin und her.

Wir betrachten das Signal an der mittleren Zeitlinie, der Null-s-Linie, der Zeit in der Mitte der Anzeige.

Die Spannung bei der Null-s-Linie entspricht dem Triggerpegel, der durch das Dreieck an der rechten Seite markiert wird.

  • Wenn die Triggerflanke steigend ist, liegt bei der Null-s-Linie die steigende Flanke des Signals auf diesem Pegel.
  • Bei der fallender Triggerflanke liegt die fallende Flanke des Signals auf diesem Pegel.

Durch Betätigen von TRIGGER kann das Dreieck an der rechten Seite ausgewählt werden. Es wird dann blau umrandet. Mit ADJ kann die Höhe diese Dreiecks verschoben werden. Falls die Einstellung zu fein ist, kann sie durch kurzes Drücken von ADJ auf grob und fein umgeschaltet werden.

Das Verschieben des Triggerpegels hat eine Verschiebung des Triggerpunktes und damit des Signals zur Folge.

Wenn der Triggerpegel ober- oder unterhalb des Signals liegt, kann keine Triggerung erfolgen. In der Anzeige oben rechts erscheint ein blinkendes Waiting und das Signal läuft durch.

Das Durchlaufen ist eine Folge der automatischen Triggerung.

Wenn wir durch Betätigen von TRIGGER AUTO am unteren Rand der Anzeige aktivieren, es blau umrandet ist, können wir mit ADJ auf NORM oder SING umschalten. Wir wählen NORM. Fall oben links HOLD angezeigt wird, betätigen wir kurz OK.

Wenn im Modus NORM der Triggerpegel ober- unterhalb des Signals liegt, wird oben rechts ständig Waiting angezeigt. Das Oszilloskop wartet auf einen Trigger und die Anzeige wird nicht aktualisiert.

Verschieben wir den Triggerpegel in den Bereich des Signal, wird oben rechts Trigged angezeigt.

In den meisten Fällen kommen wir mit der automatischen Triggerung aus und der Triggerpegel wird am besten auf einen Wert in der Mitte eingestellt. Das wird durch drei Sekunden Drücken von TRIGGER bewirkt.

Attention work

Triggermodus SING

  • Kann auch übersprungen werden.

Der Triggermodus SING, Single, ist zur Erfassung einmaliger Vorgänge geeignet.

Das Oszilloskop wartet, bis die Triggerbedingungen also Flanke und Pegel zutreffen und zeichnet den Spannungsverlauf einmalig auf. Die Anzeige ist abschließend oben links HOLD und oben rechts Trigged.

Die Aufzeichnung eines einzelnen Signals wird im Modus SING durch den Knopf OK gestartet.

Wenn lange Zeiten eingestellt ist, z.B. 0.2s, erscheint oben rechts für einige Zeit Holdoff, links steht Running. Dann wird auf Waiting umgeschaltet. Wenn die Triggerbedingung eingetroffen ist, bleibt einige Zeit Running bis dann HOLD erscheint.

Wir können dieses Verhalten einfach nachvollziehen.

Wir lassen die rote Eingangsklemme offen.

Wir stellen das DSO150 auf 1V, 0,2s, SING, fallende Flanke und den Triggerpegel unter 5V.

1.
OK betätigen: Running und Holdoff
2.
Nach ein paar Sekunden wird Waiting angezeigt.
3.
Wir schließen die rote Eingangsklemme an 5V und Trigged erscheint.
4.
Erst nach ein paar Sekunden wird von Running auf HOLD umgeschaltet.
5.
Der Sprung der Spannung von 0V auf 5V wird angezeigt.
  • Vor 2. sammelt das Oszilloskop die Werte der Eingangsspannung.
  • Nach 2. wird weiter gesammelt und auf das Eintreffen der Triggerbedingung gewartet.
  • Bei 3. Tritt die Triggerbedingung ein. Es wird weiter gesammelt.
  • Wenn genügend Daten nach dem Triggerpunkt gesammelt wurden, wird bei 4. auf HOLD geschaltet und 5. der Signalverlauf angezeigt.

Die Zeiten während Holdoff und vor HOLD und der Anzeige können ziemlich lang sein. Es werden nämlich nicht nur die angezeigten Daten vor und nach dem Triggerpunkt gesammelt, sondern etwa viermal so viel. Das sind die Daten, die wir durch Verschieben des Anzeigebereichs anzeigen können:

SEC/DIV betätigen, bis das Rechteck oben in der Mitte blau erscheint. Das Rechteck, der Anzeigebereich, kann mir ADJ vor oder nach dem Triggerpunkt verschoben werden.

Fazit

  • Das DSO150 ist mit seinem Preis von etwa 40€ natürlich nicht mit einem semiprofessionellen Oszilloskop vergleichbar.
  • aber es kann für Anfänger durchaus gute Dienste leisten.
  • Mit dem DSO150 können einfache Signale hinreichend angezeigt werden.
  • Wie Signale voneinander abhängen, kann nicht angezeigt werden, weil das DSO150 nur einen Kanal hat.
  • Es bietet für ein Oszilloskop notwendigen Einstellungen:
  • Eingangsspannungsbereich
  • Null-V-Linie
  • Zeitbasis
  • Verschiebung des Zeitbereichs
  • Trigger-Modus und
  • Triggerpegel
  • Halten der Anzeige
  • Und das alles ist hübsch anzusehen
  • Messwerte können angezeigt werden.
  • Spannungswerte werden mit hoher Genauigkeit vorgegaukelt, die den tatsächlichen Werten oft nicht entsprechen.
  • Daraus berechnete Werte sind korrekt.
  • Aufgrund der geringen Bandbreite von 200kHz ist es für viele moderne Anwendungen nicht geeignet.
  • Der Eingangswiderstand von 1MΩ ist für moderne Messungen zu gering.
  • Die Eingangsimpedanz (soll 1MΩ // 10pF) wird nicht immer eingehalten,
  • so dass Standard-Tastköpfe nicht verwendet werden können.
  • Die Anzeige ist instabil und
  • muss oft und bei Umstellung von Bereichen nachjustiert werden.
  • Die Verwendung von Steckernetzteilen ist nicht zu empfehlen.
  • Das DSO150 ist eigentlich für den mobilen Einsatz unter Verwendung einer 9V Batterie gut geeignet.
  • Leider fehlt eine Anzeige für zu geringe Versorgungsspannung,
  • vor allem, weil das DSO150 dann zu fehlerhafter Anzeige neigt.
  • Das DSO150 ist ein Gerät für Anfänger, um sich in das Arbeiten mit dem Oszilloskop einzuarbeiten.
  • Für viele Praktika im Rahmen der Praktischen Elektronik ist es geeignet.
  • Das DSO150 ist ein typisches Gerät, das im wesentlichen auf Software beruht.
  • Per Software werden hübsche Features realisiert,
  • die dafür notwendige Hardware ist dafür allerdings unzureichend.