Oszilloskope und Analysatoren

Herbert Bernstein

Oszilloskope

und Analysatoren

Grundlagen und Messaufbauten ^{mit Multisim}

Elektor Verlag ^GmbH

Inhalt

1 Analoges Oszilloskop ⁹

1.1 Funktionsbeschreibung ¹⁰

1.1.1 Analoges ^und digitales Oszilloskop ¹²

1.1.2 Aufbau einesanalogen Oszilloskops ¹⁶

1.1.3 Horizontale Zeitablenkung und X-Verstärker ²²

1.1.4 Triggerung ²⁵

1.1.5 Y-Eingangskanal^mitVerstärker ²⁸

1.1.6 Oszilloskopeinstellungen ³⁰

1.2 Grundversuche ^{. 34}

1.2.1 Untersuchung des Y-Kanals ³⁴

1.2.2 Messung von Gleichstrom ³⁵

1.2.3 Messung von Wechselspannung ³⁶

1.2.4 X- und Y-Ablenkung ^mitSinusspannung ³⁸

1.2.5 Strom-Spannungs-Kennlinieeines Widerstands 38

1.2.6 Strom-Spannungs-Kennlinie einer Diode 39

1.2.7Strom-Spannungs-Kennlinie einer Z-Diode 44

1.2.8 Strom-Spannungs-Kennlinie^{eines DIAC 46}

1.3 Tastkopf ⁴⁸

1.3.1 Frequenzkompensierter

Spannungsteiler

1.3.2 Kapazitätsarmer Tastkopf ⁵²

1.3.3 Inbetriebnahme desOszilloskops ⁵⁴

1.3.4 Zweikanaloszilloskop ⁵⁸

1.4 Praktische Handhabung ^einesOszilloskops ⁶⁰

1.4.1 Einstellen der Empfindlichkeit ⁶¹

1.4.2 Anschluss eines Oszilloskops aneine Messschaltung ⁶⁵

1.4.3 Triggerverhalten^{an einer}Messschaltung ⁷⁰

1.5 Messungen ^mitOszilloskop ⁷⁵

1.5.1 Messung ^einerDreieckspannung ⁷⁶

1.5.2 Messung ^einer Rechteckspannung ⁷⁷

1.5.3 Messung einerAM-Spannungsquelle ⁷⁹

1.5.4 Messung ^einer FM-Spannungsquelle ⁸¹

2 Messpraktikum füranaloge^{Zwei- und}Vierkanal-Oszilloskope ⁸⁵

2.1 Messungen ^von unsymmetrischen Spannungen ⁸⁶

2.1.1 Addition von Spannungen verschiedenerFrequenzen ⁸⁷ 2.1.2 Add.von Spannungen verschiedener Frequenz und Phasenversch 87 2.1.3 Addition dreier Spannungen verschiedener Frequenz ⁸⁸

2.1.4 Messung einerSchwebung ⁸⁹

2.1.5 Lissajous-Figuren ^zur Frequenzmessung ⁹⁰

2.1.6 Lissajous-Figur^zur Phasenmessung ⁹³

2.1.7 Phasenmessung ^mit Lissajous-Figur ⁹⁵

2.2 Messungen ^an Reihenschaltungen ⁹⁶

2.2.1 Messungen ^{an einem RC-Glied 96}

2.2.2 Messungen ^{aneinem RL-Glied 97}

2.2.3 Messungen ^{aneinem RCL-Glied 99}

2.2.4 Messung ^der kapazitiven Blindleistung ¹⁰¹

2.2.5 Messung der induktiven Blindleistung ¹⁰²

3 Arbeiten und Messen mit demdigitalen Speicheroszilloskop ¹⁰³

3.1 Merkmale eines digitalen Oszilloskops ¹⁰³

3.1.1 Interne Funktionseinheiten ¹⁰³

3.1.2 Analog-Digital-Wandler ¹⁰⁵

3.1.3 Zeitbasis und horizontale Auflösung ¹⁰⁶

3.1.4 Möglichkeiten des Abtastbetriebs 110

3.1.5 Speicherung ^von Signalinformationen ¹¹⁴

3.2 Funktionenund Bedienelemente 117

3.2.1 Parametereinstellungen ¹¹⁷

3.2.2 Triggerfunktionen ¹¹⁹

3.2.3 Spezielle Triggerfunktionen ¹²³

3.2.4 Triggermethoden ^für Störimpulse ¹²⁶

3.2.5 Auswertung ^von

Messsignalen

3.2.6 Digitale Filterung ¹³¹

3.2.7 Verarbeitung^von

Messsignalen

3.2.8 Spezialfunktionen^einesdigitalen Speicheroszilloskops ¹³⁶ 3.2.9 Automatische Messung ^mitderCursorsteuerung ¹³⁹

3.2.10 Arbeiten mit dem Messcursor 142

3.3 Analysemethoden ¹⁴⁶

3.3.1

Analysiermethoden

3.3.2 Simulation undAnalyse ¹⁴⁹

3.3.3 AC-Frequenzanalyse ¹⁴⁹

3.3.4Zeitbereichs-Transientenanalyse ¹⁵²

3.3.5 Fourier-Analyse ¹⁵⁴

3.3.6 Rausch- undRauschzahlanalyse ¹⁵⁹

3.3.7 Verzerrungsanalyse ¹⁶⁴

3.3.8

Empfindlichkeitsanalyse

3.3.9 Monte-Carlo-Analyse ¹⁷⁰

3.3.10 Worst-Case-Analyse (ungünstige Bedingungen) ¹⁷²

3.4 Messung ^von Bitfehlern ¹⁷⁴

3.4.1 Definition der Bitfehlerrate (BER) ¹⁷⁵

3.4.2 Messtechnische Erfassung der Bitfehlerrate 176

3.4.3 BER-Messung auf digitaler^{Basis 178}

3.4.4 BER-Messungauf analoger^Basis

(Augendiagramm)

3.4.5 Bitfehlerdarstellung ^imSignalzustandsdiagramm ¹⁸¹

3.5 Oszilloskop mit LCD-Flachbildschirm ¹⁸²

3.5.1 Technologieder LCD-Flachbildschirme 183

3.5.2 Prinzipderverschiedenen Panels 184

3.5.3 Optimierungen ^der LCD-Technologie ¹⁸⁸

3.5.4 Bildauflösung ¹⁸⁹

3.5.5 Oszilloskop mit LCD-Bildschirm 190

4 Logikanalysator ¹⁹⁹

4.1 Hardwareentwicklung ^mit Logikanalysator ¹⁹⁹

4.1.1 Anschluss eines Logikanalysators ²⁰¹

4.1.2 Speicherdes Logikanalysators ²⁰⁴

4.1.3 Referenzspeicher^eines Logikanalysators ²⁰⁸

4.2 Anwendungen des simulierten Logikanalysators ²⁰⁹

4.2.1 Logikanalysator^und Bitmustergenerator ²¹⁰

4.2.2 Simulierter Bitmustergenerator ²¹²

4.2.3 Simulierter Logikanalysator ²¹³

4.2.4 Untersuchung ^des Dezimalzählers 74290 ²¹⁵

4.2.5 Untersuchung ^desSchieberegisters 74164 ²¹⁷

4.2.6 Elektronische Weiche 218

4.2.7 BCD-zu-Dezimal-Decoder/Anzeigentreiber ^{74145 218}

4.2.8 CMOS-Zähler 4024

(7-stufiger

4.2.9 CMOS-Zähler 4510

(programmierbarer

4.2.10 Integriertes

Monoflop

4.2.11 Integriertes retriggerbares Monoflop ^{74123 224}

4.2.12 Verzögerungen ^von Impulsflanken ^{durch ein} Monoflop ²²⁵

4.2.13 Untersuchung^eines8-Bit-DA-Wandlers 227

4.2.14 Untersuchung ^eines 8-Bit-AD-Wandlers 230

5 Bode-Plotter 233

5.1 Arbeiten mit dem Bode-Plotter 234

5.2 Präzisions-Funktionsgenerator ^{MAX038 237}

5.2.1 Blockschaltung des Funktionsgenerators^{MAX038 237}

5.2.2 Funktionsgeneratormit dem MAX038 240

5.2.3 Wobbier mit dem MAX038 243

5.3

Anwendungsbeispiele

5.3.1 Verhalten eines passiven RC-Hochpassfilters 246

5.3.2 Verhalten eines Reihenschwingkreises 247

5.3.3 Verhalten einesParallelschwingkreises 249

5.3.4 Untersuchung eines LC-Filters 252

5.3.5 Untersuchung ^{eines T-} und n-Filters 253

5.3.6 Untersuchung eines Tiefpass-Doppelsiebgliedes 255

5.3.7 Untersuchung ^eines LC-Bandpasses ²⁵⁷

5.3.8 Untersuchung ^einer LC-Bandsperre ²⁵⁸

5.4 Aktive Filterschaltungen ²⁵⁹

5.4.1 AktiverTiefpass ^1. Ordnung ²⁶¹

5.4.2 AktiverHochpass 1.Ordnung ²⁶⁴

5.4.3 Aktive Tiefpassfilter 2.Ordnung ^mit Zweifachgegenkopplung ²⁶⁵ 5.4.4 AktiveTiefpassfilter^2. Ordnung ^mit Einfachmitkopplung ²⁶⁸

5.4.5 Aktives

Hochpassfilter 2.Ordnung

5.4.6 Umwandlung von Tiefpass- ⁱⁿ Hochpassfilter ²⁷¹

5.5 Aktive Bandpass- und

Bandsperrfilter

5.5.1 Selektiver VerstärkermitSchwingkreis ²⁷³

5.5.2 Selektives Filter2.OrdnungⁱⁿGegenkopplung 274 5.5.3 Selektives Filter2.Ordnungin Mitkopplung 275

5.5.4 Aktive Bandsperre mit T-Filter 276

6Spektrumanalysator ²⁷⁹

6.1 Grundlagen eines Spektrumanalysators 279

6.1.1 Aufbau eines Spektrumanalysators 281

6.1.2 Eigenschaften^von Spektrumanalysatoren 283

6.1.3 FormfaktorderZwischenfrequenzfilter 285

6.1.4 Einseitenband-Phasenrauschen 286

6.1.5 Amplituden- ^und Frequenzmodulation 287

6.2 Arbeiten mit Dezibel 289

6.2.1 Logarithmische Bezugsgröße ²⁹¹

6.2.2 Dämpfung ^undVerstärkung ²⁹⁴

6.2.3 Messungvon

Rauschsignalen

6.2.4 Addition von Spannungen ³⁰⁰

6.2.5 Spitzenspannung ³⁰²

6.3 Anwendungen derdB-Messungen ³⁰²

6.3.1 S/N-Signal-Rauschabstand ³⁰²

6.3.2 Frequenzverhältnis und Amplituden 305

6.3.3 Verzerrungen ^und Klirrfaktor 308

6.3.4 Rauschen 310

6.3.5 Mittelwertbildung ^von Rauschsignalen ³¹²

6.3.6 Rauschzahl und Rauschmaß 312

6.3.7 Phasenrauschen 312

6.3.8 S-Parameter 314

6.3.9 VSWR-Wert und Reflexionsfaktor 314

6.3.10 Feldstärke 315

6.3.11 Antennengewinn 316

6.3.12 Crestfaktor. . 316

6.3.13 Kanal- und Nachbarkanalleistung 317

6.3.14 Dynamikumfang ^von AD- und DA-Wandlern 318

6.3.15 Skalenendwert dB (FS) 320

6.3.16 Schalldruckpegel ³²⁰

7 Netzwerkanalysator ³²³

7.1 Aufbau eines Netzwerkanalysators 328

7.1.1 Systematische ^{Fehler des} Netzwerkanalysators 330

7.1.2 Kalibrierung und Systemfehlerkorrektur 332

7.2 Smith-Diagramm und Ortskurven 335

7.2.1 Maßstab und Normierung^im Smith-Kreisdiagramm 338

7.2.2 KomplexeWiderstände 339

7.2.3 Grafische Methode für die Umwandlung ^von komplexen

Widerständen 342

7.2.4 Grafische Methode für die Umwandlung ^einerRC-Reihenschaltung

in eineRC-Parallelschaltung ³⁴⁴

7.2.5 Grafische Methode für die Umwandlung ^einerRC-Parallelschaltung

in eineRC-Reihenschaltung ³⁴⁵

7.2.6 Grafische Transformation (Smith-Kreisdiagramm)^einer

RL-Parallelschaltung ^{in eine} RL-Reihenschaltung ³⁴⁶ 7.2.7 Grafische Transformation (Smith-Kreisdiagramm)^einer

RL-Reihenschaltung^{in eine} RL-Parallelschaltung ³⁴⁷ 7.2.8 Grafische Transformation einer RC-Parallelschaltung ^{in eine}

RC-Reihenschaltung

7.2.9 Grafische Transformation einerRC-Reihenschaltung ^{in eine}

RC-Parallelschaltung

7.2.10 Grafische Darstellung derParallelschaltungmit Blindwiderstand

bei veränderbaren Frequenzen 350

7.2.11 GrafischeDarstellung derRL-Parallelschaltung mitveränderbarem

Wirkwiderstand bei konstanterFrequenz 352

7.2.12 GrafischeDarstellung derReihenschaltungmit Blindwiderstand

und veränderbarer Frequenz 353

7.2.13 GrafischeDarstellung derReihenschaltungeines Blindwiderstands

mit veränderbarem Wirkwiderstand bei konstanterFrequenz 354

7.3 Analyseverfahren mit dem Netzwerkanalysator 354

7.3.1 S-Parameter 354

7.3.2 T-Parameter 358

7.3.3 M-Parameter ³⁵⁸

7.3.4 X-Parameter und S-Funktion 358

7.3.5 Reflexionsfaktor ³⁵⁹

7.3.6 Rückflussdämpfung ³⁵⁹

7.3.7 Leitungstheorie ³⁶⁰

7.3.8 Stehwellenverhältnis 360

7.3.9 Impedanz ³⁶³

7.3.10 Dämpfung ³⁶⁶

7.3.11 Gruppenlaufzeit ³⁶⁷

7.4 Anpassschaltung für HF-Transistoren 369

7.4.1 Anpasselemente ^{ausn-Gliedern 370}

7.4.2 Anpassschaltung ^für Kopplung ^von zwei Transistoren 376

Stichwortverzeichnis 379