Ein Bode-Diagramm ist ein Diagramm, das beschreibt, wie eine Schaltung auf verschiedene Frequenzen reagiert. Dies sagt uns zum Beispiel, dass ein Verstärker eine schlechte Basswiedergabe (Niederfrequenz) hat. Ingenieure verwenden diese Diagramme, um ihre eigenen Designs besser zu verstehen, Komponenten für ein neues Design auszuwählen oder zu bestimmen, ob eine Schaltung instabil werden kann, wenn die falschen Frequenzen angelegt werden.
Schritte
Teil 1 von 8: Erweiterte Definition
Wie bereits erwähnt, ist ein Bode-Plot ein Diagramm, das beschreibt, wie eine Schaltung auf verschiedene Frequenzen reagiert. Ein Bode-Plot zeigt speziell die Verstärkung einer Schaltung in Bezug auf die Frequenz. Es besteht eigentlich aus zwei Graphen: einem Betragsgang und einem Phasengang. Um dies zu veranschaulichen, wird unten ein Beispiel-Bode-Diagramm gezeigt:
Die Spannungsverstärkung in Dezibel ist definiert als:
G_dB=20*〖log〗_10 (Vout/Vin).
Positiver Gain bedeutet Verstärkung und negativer Gain bedeutet Abschwächung. Wenn eine Schaltung also eine Vout von 1 Volt und eine Vin von √2 Volt (ein Spannungsabfall) hätte, wäre ihre Verstärkung:
G_dB=20〖*log〗_10 (1/√2)=-3 dB.
Diese -3 dB-Marke ist wichtig, da sie anzeigt, wo die Ausgangsleistung der Schaltung (nicht die Spannung!) genau die Hälfte ihrer Eingangsleistung beträgt.
Das Phasendiagramm beschreibt, wie unterschiedliche Frequenzen relativ kürzere oder längere Zeit benötigen, um durch die Schaltung zu wandern. Jede Frequenz mit einem Phasenwert von -180º oder -π Radiant ist bei dieser Frequenz instabil.
Um ein Bode-Diagramm aus einer vorhandenen Schaltung zu erstellen, testen Sie die Schaltung mit einem Bereich von Frequenzen. Dieser Bereich hängt von der jeweiligen Anwendung ab, wie z. B. Audio- oder Datenübertragung. Stimulieren Sie den Eingang der Schaltung mit einer einfachen Sinuswelle bei den interessierenden Frequenzen. Messen Sie den Eingang und den Ausgang mit einem Oszilloskop und vergleichen Sie die Differenz zwischen den beiden. Notieren Sie diese Unterschiede in einer Tabelle und zeichnen Sie sie dann grafisch auf, um das endgültige Bode-Diagramm zu sehen. Die Daten können stattdessen, falls gewünscht, tabellarisch und von Hand gezeichnet werden.
[Ed. Hinweis: Einige der Abbildungen fehlen in diesem Tutorial. Wenn Sie wissen, was Sie hinzufügen müssen, verwenden Sie das Image-Adder-Tool, um die entsprechenden Abbildungen hochzuladen.]
Teil 2 von 8: Geräte anschließen
Schritt 1. Vergewissern Sie sich, dass der Funktionsgenerator und das Oszilloskop an die nächstgelegene Netzsteckdose angeschlossen sind
Schritt 2. Schließen Sie die erste Sonde an den Anschluss „50 Ω OUTPUT“in der vorderen unteren rechten Ecke des Funktionsgenerators an
- A. Verbinden Sie das rote Pluskabel mit dem Eingangsanschluss Ihres Stromkreises.
- B. Verbinden Sie das schwarze Minuskabel mit dem Masseanschluss Ihres Stromkreises.
Schritt 3. Schließen Sie den zweiten Tastkopf an den Anschluss „CH 1“an der Vorderseite des Oszilloskops an
- A. Verbinden Sie das rote Pluskabel mit dem Eingangsanschluss Ihres Stromkreises.
- B. Verbinden Sie das schwarze Minuskabel mit dem Masseanschluss Ihres Stromkreises.
Schritt 4. Schließen Sie den dritten Tastkopf an den Anschluss „CH 2“an der Vorderseite des Oszilloskops an
- A. Verbinden Sie das rote Pluskabel mit dem Ausgangsanschluss Ihres Stromkreises.
- B. Verbinden Sie das schwarze Minuskabel mit dem Masseanschluss Ihres Stromkreises (sofern vom Labor-TA nicht anders angewiesen).
Schritt 5. Stellen Sie sicher, dass die Kabel nicht über den Rand der Arbeitsfläche hängen
Schritt 6. Überprüfen Sie die Verbindungen
Sie sollten wie in Abbildung 1 dargestellt sein.
Abbildung 1 – Ihre Geräteanschlüsse
Teil 3 von 8: Gerät einschalten
Schritt 1. Drücken Sie den Netzschalter (mit „O/I“gekennzeichnet) auf der Oberseite des Oszilloskops
Schritt 2. Drücken Sie die „POWER“-Taste in der vorderen oberen rechten Ecke des Funktionsgenerators
Schritt 3. Nachdem das Gerät seinen Selbsttest durchgeführt hat, sollte es ähnlich wie in Abbildung 2 (in diesem Schritt gezeigt) aussehen
Teil 4 von 8: Frequenz und Amplitude des Funktionsgenerators einstellen
Schritt 1. Drücken Sie die Taste unter „FREQ
“auf dem Funktionsgenerator. Das Licht über der Taste geht an. Ihr Bildschirm sollte der in diesem Schritt gezeigten Abbildung ähneln.
Schritt 2. Stellen Sie die Frequenz auf die niedrigste Frequenz ein, die Sie testen möchten, Ihre Startfrequenz
Dies kann mit dem großen Drehknopf am Funktionsgenerator oder mit den vier Softkeys unterhalb des Displays erfolgen. Die mit „-val +“gekennzeichneten Tasten ändern die Ziffer unter dem Cursor, und die Tasten „“bewegen den Cursor.
Schritt 3. Drücken Sie die Taste unter „AMPL
“auf dem Funktionsgenerator. Das Licht über der Taste geht an. Ihr Bildschirm sollte jetzt ähnlich wie in Abbildung 5 aussehen.
Schritt 4. Stellen Sie die Amplitude mit dem gleichen Drehrad oder den gleichen Softkeys auf die im Laborverfahren für den zu testenden Schaltkreis angegebene Spannung ein
Beachten Sie, dass dies Vpp ist, die Spitze-Spitze-Spannung. Die maximale (positive) und minimale (negative) Spannung der Welle beträgt die Hälfte der Spitze-Spitze-Spannung.
Schritt 5. Drücken Sie die Taste „OUTPUT“am Funktionsgenerator
Das Licht links neben der Taste geht an.
Teil 5 von 8: Oszilloskopfenster einstellen
Schritt 1. Drücken Sie die Taste „DEFAULT SETUP“in der oberen rechten Ecke des Oszilloskops
Die Anzeige sollte ähnlich wie in Abbildung 6 aussehen. Die Welle kann auf dem Display erscheinen oder nur Rauschen anzeigen. Die nächsten Schritte werden es in den Fokus rücken.
Schritt 2. Drücken Sie die Taste „AUTOSET“in der oberen rechten Ecke des Oszilloskops
Die Anzeige sollte ähnlich wie in Abbildung 7 aussehen und die Wellen sollten im Fokus erscheinen.
Schritt 3. Drücken Sie den zweiten Softkey von oben
Dies weist das Oszilloskop an, eine einzelne Periode der Welle anzuzeigen. Ihre Anzeige sollte wie in Abbildung 7 aussehen.
Die Softkeys des Oszilloskops befinden sich rechts neben dem Display
Schritt 4. Drücken Sie die Taste „MEASURE“oben in der Mitte des Oszilloskops
Der Standard-Messbildschirm wird angezeigt, wie in Abbildung 8.
Schritt 5. Drücken Sie den oberen Softkey des Oszilloskops, um die erste Messung auszuwählen
Drücken Sie den oberen Softkey mit der Bezeichnung „Source“, bis „CH1“aufgelistet ist. Drücken Sie den zweiten Softkey von oben mit der Bezeichnung „Type“, bis „Freq“angezeigt wird. Ihre Anzeige sollte wie in Abbildung 9 aussehen. Drücken Sie den unteren Softkey, um zurückzugehen.
Schritt 6. Drücken Sie den zweiten Softkey von oben, um die zweite Messung auszuwählen
Drücken Sie den oberen Softkey mit der Bezeichnung „Source“, bis „CH1“aufgelistet ist. Drücken Sie den zweiten Softkey von oben mit der Bezeichnung „Type“, bis „Pk-Pk“angezeigt wird. Ihre Anzeige sollte wie in Abbildung 10 aussehen. Drücken Sie den unteren Softkey, um zurückzugehen.
Schritt 7. Drücken Sie den dritten Softkey von oben, um die dritte Messung auszuwählen
Drücken Sie den oberen Softkey mit der Bezeichnung „Source“, bis „CH2“aufgelistet ist. Drücken Sie den zweiten Softkey von oben mit der Bezeichnung „Type“, bis „Freq“angezeigt wird. Ihr Display sollte wie in Abbildung 11 aussehen. Drücken Sie den letzten Softkey (fünfte von oben), um zurückzugehen.
Schritt 8. Drücken Sie den vierten Softkey von oben, um die vierte Messung auszuwählen
Drücken Sie den oberen Softkey mit der Bezeichnung „Source“, bis „CH2“aufgelistet ist. Drücken Sie den zweiten Softkey von oben mit der Bezeichnung „Type“, bis „Pk-Pk“angezeigt wird. Ihre Anzeige sollte wie in Abbildung 12 aussehen. Drücken Sie den unteren Softkey, um zurückzugehen.
Schritt 9. Drehen Sie den „HORIZONTAL SEC/DIV“-Knopf ein wenig gegen den Uhrzeigersinn, bis er einmal klickt
Ihre Anzeige sollte jetzt mehr als eine Periode anzeigen, wie die Anzeige in Abbildung 13. Die Frequenzmessungen von CH1 und CH2 sollten sich von „?“ändern. zur wahren Lektüre.
Schritt 10. Drücken Sie die „CURSOR“-Taste oben in der Mitte des Oszilloskops
Der Standardbildschirm sollte wie in Abbildung 14 aussehen.
Schritt 11. Drücken Sie den oberen Softkey neben „Typ“, bis „Zeit“aufgelistet ist
Die Mitte der rechten Spalte des Bildschirms zeigt uns die Messwerte, die uns interessieren: t und ΔV. Darunter werden die Messwerte für Cursor 1 und Cursor 2 angezeigt.
Teil 6 von 8: Erstellen des Arbeitsblatts zum Aufzeichnen Ihrer Daten
Schritt 1. Öffnen Sie auf Ihrem Laborcomputer Excel und starten Sie eine neue Tabelle
Beschriften Sie die Spalten „Frequency“, „Vin“, „dV“, „Vout“, „Delay“, „Phase“und „Gain“.
Schritt 2. Geben Sie unter „Frequenz“jede Frequenz ein, die Sie testen möchten (siehe Laborverfahren)
Schritt 3. Geben Sie unter "Vout" in Zelle D2 diese Formel ein:
=B2+C2
Schritt 4. Drücken Sie die Eingabetaste
Das „=B2+C2“wird zu einer Null, da wir nichts in B2 oder C2 eingegeben haben.
Schritt 5. Drücken Sie Strg+D und kehren Sie dann zurück
Die Formel wird von D2 in D3 kopiert, wobei Excel seine Formel automatisch in „=B3+C3“ändert. Halten Sie Strg+D gedrückt und kehren Sie dann zurück, bis Sie die Spalte für jede Ihrer Frequenzen ausgefüllt haben.
Schritt 6. Geben Sie unter "Phase" in Zelle F2 diese Formel ein:
=2*pi()*A2*E2
Schritt 7. Drücken Sie die Eingabetaste
Drücken Sie Strg+D und kehren Sie dann wie zuvor zurück, um die Spalte zu füllen.
Schritt 8. Geben Sie unter "Gain" in Zelle G2 diese Formel ein:
=20*log10(D2/B2)
Schritt 9. Drücken Sie die Eingabetaste
Drücken Sie Strg+D und kehren Sie dann wie zuvor zurück, um die Spalte zu füllen. Ignorieren Sie die Fehler vorerst.
Schritt 10. Speichern Sie dieses Arbeitsblatt, um es als Vorlage zu verwenden
Sie können es verwenden, wenn Sie das nächste Mal ein Bode-Diagramm erstellen müssen, sodass Sie Teil 6 überspringen können.
Teil 7 von 8: Abrufen der Daten für den Bode-Plot
Schritt 1. Ihr Oszilloskop sollte sich vom Ende von Teil 5 noch immer auf der Cursoranzeige befinden
Ist dies nicht der Fall, drücken Sie die „CURSOR“-Taste oben in der Mitte des Oszilloskops.
Schritt 2. Drehen Sie den „HORIZONTAL SEC/DIV“-Knopf, um die Welle zu vergrößern, sodass eine einzelne Periode angezeigt wird
Schritt 3. Drücken Sie den vierten Softkey von oben, um Cursor 1 auszuwählen
Schritt 4. Drehen Sie den „Multifunktions“-Knopf oben in der Mitte des Oszilloskops, um den Cursor zu bewegen
Der Drehknopf ist unbeschriftet und befindet sich direkt über dem „PRINT“-Knopf.
Schritt 5. Positionieren Sie den Cursor so, dass er ganz oben auf der Welle CH1 (oben, orange) ausgerichtet ist
Schritt 6. Drücken Sie den letzten Softkey (fünfter von oben), um Cursor 2 auszuwählen
Schritt 7. Drehen Sie den „Multifunktions“-Knopf oben in der Mitte des Oszilloskops, um den Cursor zu bewegen
Positionieren Sie den Cursor so, dass er ganz oben auf der CH2-Welle (unten, blau) ausgerichtet ist.
Schritt 8. Notieren Sie Ihre Daten in Ihrer Tabelle:
- A. Vin – der Spannungswert unter Cursor 1 (820 mV im obigen Beispiel; notieren Sie dies als 0,820 in Ihrer Tabelle)
- B. dV – der Messwert neben ΔV (20,0 mV im obigen Beispiel; notieren Sie dies als 0,020 in Ihrer Tabelle)
- C. Verzögerung – der Messwert neben Δt (160,0 µs im obigen Beispiel; notieren Sie dies als 0,000160 in Ihrer Tabelle).
Teil 8 von 8: Erstellen des Bode-Plots
Schritt 1. Für das Gain-Plot:
Geben Sie hier einen Schritt ein und klicken Sie dann auf 1. Wählen Sie die Spalten Frequency und Gain.
Schritt 2. Klicken Sie auf „Einfügen“und suchen Sie nach der Option „Scatter Chart“
Schritt 3. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die vertikale Achse und wählen Sie „Achse formatieren…“
Schritt 4. Klicken Sie auf „Logarithmische Skala“
Schritt 5. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die horizontale Achse und wählen Sie „Achse formatieren…“
Schritt 6. Klicken Sie auf „Logarithmische Skala“
Schritt 7. Für das Phasendiagramm:
Wählen Sie die Spalten Frequenz und Verstärkung aus.
Schritt 8. Geben Sie hier einen Schritt ein und klicken Sie dann auf „Einfügen“und suchen Sie nach der Option „Scatter Chart“
Schritt 9. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die horizontale Achse und wählen Sie „Achse formatieren…“
Schritt 10. Klicken Sie auf „Logarithmische Skala“
Tipps
-
Wenn das Display immer noch verrauscht oder unregelmäßig aussieht, überprüfen Sie Folgendes:
- a. Überprüfen Sie, ob der Ausgang des Funktionsgenerators eingeschaltet ist (Teil 3, Schritt 5).
- b. Überprüfen Sie, ob sich Kabel oder Verbindungen gelöst haben (Teil 1, Schritte 1-4).
- c. Kalibrieren Sie Ihre Sonden (fragen Sie den TA nach Anweisungen dazu).
- d. Versuchen Sie ein anderes Kabel (Teil 1, Schritte 1-4), da das Kabel beschädigt werden könnte.
- Beachten Sie, dass diese Cursor-Messwerte beide für den unter „Quelle“aufgeführten Kanal gelten. Beachten Sie auch, dass sich das Ändern des Quellkanals gleichzeitig auf beide Cursor auswirkt. Das Oszilloskop erlaubt es uns nicht, jedem Kanal einen eigenen Cursor zuzuweisen. Notieren Sie in Ihren Labordaten nicht versehentlich Cursor 1 als CH1 und Cursor 2 als CH2!
