Ein Oszilloskop für die Schule
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Delta Phi B
2020
Ein Oszilloskop für die Schule
Robert, Schlager
robischlager@gmail.com
Zusammenfassung
Technologie ist heutzutage im alltäglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Deshalb ge-
winnt der Technologieeinsatz auch in Schulen immer mehr an Bedeutung. Der Fokus des
modernen Unterrichts geht immer mehr in Richtung „Neue Medien“. Vor allem im Phy-
sikunterricht spielen das Programmieren sowie der Umgang mit elektrischen Schaltun-
gen eine große Rolle.
In diesem Artikel wird eine Möglichkeit eines funktionstüchtigen Oszilloskops mit Hilfe
von Raspberry Pi und Arduino vorgestellt. Dies sollte in erster Linie für die Schule die-
nen. Dabei sind geringe Vorkenntnisse im Umgang mit Programmierung hilfreich und
das Oszilloskop sollte auch einen Einblick ins Arbeiten mit einem Raspberry Pi geben
und im besten Fall als Motivation für weitere Projekte dienen. Das Oszilloskop wird
Werte von elektrischen Schaltungen ermitteln und auswerten können. Auch eine Dar-
stellung von Diagrammen auf einen Screen steht im Zentrum.
1 Einleitung einfach einbauen. Auch ein fächerübergreifender
Unterricht zur Informatik, Mathematik oder Mu-
Zu Beginn möchte ich einen kleinen Einblick ge-
sik sind möglich. Als Beispiel benötigt man Pro-
ben, was ein Raspberry Pi ist und wie man es ver-
grammierung, um ein Oszilloskop zu steuern, mit
wendet. Auch die Frage weshalb ein Arduino für
Ton und Klang können verschiedenste Kurven
das Projekt „Oszilloskop für die Schule“ wesent-
erzeugt und anschließend mit Berechnungen
lich ist und Verwendung findet, wird beschrie-
analysiert werden. Man sieht, dass alle drei Un-
ben.
terrichtsfächer auf seine eigene Art und Weise
eine wichtige Rolle spielen. Die Didaktischen An-
Grundsätzlich stützt sich die Arbeit auf ein online
sätze der Visualisierung und Veranschaulichung
Tutorial von MagPi (https://magpi.raspber-
können genauso wie der Entdeckende/Problem-
rypi.org/) verfasst von Mike Cook. In dieser on-
orientierte Unterricht Anwendung finden. Es
line Veröffentlichung wird der Bau eines Oszil-
gibt bei genauerer Betrachtung also viele Gründe
loskops kurz und präzise mit einem Code be-
für das Projekt Oszilloskop für die Schule mit
schrieben. Die Nachteile sind zum einen die eng-
dem Raspberry Pi.
lische Sprache zum anderen, dass sehr wohl von
einigen Vorkenntnissen ausgegangen wird.
Diese Stütze von Mike Cook wird verwendet und 2 Raspberry Pi
für den Schulgebrauch angepasst und verbes- Ein Smartphone gehört heutzutage zu den wich-
sert. Im Internet findet man zusätzliche Informa- tigsten Bestandteilen unseres Lebens. Der Vor-
tionen auf der offiziellen Raspberry Pi Webseite teil dieses Gerätes ist die Kombination aus Kom-
unter anderem in einem Blog-Eintrag von Rob munikations- und Internetfähigkeit, verpackt in
Zwetsloot, welcher durch folgender URL einem kleinen Gehäuse, das auch in der Hosenta-
https://www.raspberrypi.org/blog/build-oscil- sche Platz findet. Diese Kompaktheit kann man
loscope-raspberry-pi-arduino/ zu finden ist. mit Tablets, Laptops oder PCs nicht erreichen. Je-
doch gibt es einen Minicomputer der die Größe
Man könnte sich fragen, wieso man nicht einfach eines Smartphones und die Funktionen eines
ein Oszilloskop verwendet und sich die Mühe des Laptops besitzt. Dieser Minicomputer wird
selbstgebauten Oszilloskops macht. Einer der Raspberry Pi genannt und kann unter Umstän-
Hauptgründe kann zum einen der finanzielle As- den den Desktop-PC ersetzen. (vgl. Kofler,
pekt sein. Die Gesamtkosten des Oszilloskops Kühnast & Scherbeck, 2018, S. 15)
mit dem Raspberry Pi begrenzen sich auf circa
200 Euro. Ein weiterer Grund bezieht sich auf die Es gibt verschiedene Varianten des Raspberry Pi
Didaktik in der Schule. Meiner Meinung nach ge- jedoch wurde für dieses Projekt der Raspberry Pi
hören experimentierendes und selbstständiges 3+ verwendet. Der erste Minicomputer wurde
Lernen zu den effizientesten Methoden des Un- 2012 ausgeliefert und übertraf damals alle Er-
terrichts. Dies lässt sich mit diesem Projekt sehr
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Ein Oszilloskop für die Schule SCHLAGER
wartungen. Haute 8 Jahre später wird der kos- (ATmega328P) basiert. Der größte Unterschied
tengünstige und sehr vielseitig einsetzbare zum RasPi ist, dass Arduino kein Betriebssystem
Raspberry Pi bereits an Universitäten eingesetzt, besitzt, es kann also unter Windows, Linux usw.
um in die Welt des Embedded Computing einzu- betrieben werden. In diesem Projekt wird das
führen. Aufgrund vieler Anschlüsse und einer Raspberry Pi mit dem Arduino über ein USB-Ka-
sehr kleinen Steckerleiste mit Ein- und Aus- bel (Universial Serial Bus) verbunden. Das heißt
gangsfunktion existieren viele Anwendungsbe- der Arduino wird mit Linux bzw. Raspian betrie-
reiche. Um die Bestandteile genauer kennen zu ben. Das Board ist ebenfalls preisgünstig und in
lernen empfiehlt sich das Dokument „The Official vielen Elektrogeschäften erhältlich. Das Ardu-
Raspberry Pi Beginner’s Guide“, verfasst von Ga- ino-Uno ist die Standardversion des Arduinos
reth Halfacree auf den Seiten 8 bis 19. (vgl. Kofler und hat circa die Größe des Raspberry Pi's. Auch
et. al., 2018, S. 15) hier existieren verschiedene Modelle wie zum
Beispiel das Arduino-Nano. Dieses Modell wird
Auf dem Raspberry Pi, abgekürzt oft auch RasPi, für den Bau des Ozsilloskops verwendet, da es
läuft normalerweise ein Linux-Betriebssystem. sehr klein ist und sich deshalb anbietet. Der
Dies hat die Vorteile, dass es open-source ist und Hauptgrund für die Verwendung eines Arduino-
dasselbe Betriebssystem auch auf allen Android- Boards ist die Tatsache, dass eine analoge Mes-
Smartphones verwendet wird. In den meisten sung in Echtzeit, also ohne Verzögerung, möglich
Fällen spricht man vom Betriebssystem ist.
Raspbian. Dies ist ein Debian-Linux-basiertes
System, welches sehr klein aber trotzdem mit al- 4 Vorinstallationen
lem ausgestattet ist, was für die Software-Ent-
Bevor man Projekte mit Raspberry Pi oder Ardu-
wicklung notwendig ist. Als Programmierspra-
ino in Angriff nimmt, sind ein paar anfängliche
che wird Python verwendet. Python ist im Ver-
Installationsschritte, die in vielen Büchern und
gleich zu anderen Sprachen einfacher und ist
Videos für Einsteiger sehr gut erklärt werden,
auch frei - ohne Gebühren verwendbar. Wir spre-
von Nöten. Folgend werden die Wichtigsten ganz
chen also von einem programmierbaren Mini-
kurz zusammengefasst.
computer mit einem Betriebssystem, der alles
kann, was auch ein größerer und leistungsstar-
ker Computer kann, wenn auch nicht unbedingt 4.1 Raspberry Pi
so schnell. (vgl. Kofler et. al., 2018, S. 15f.) Zu Beginn des Projektes muss der Raspberry Pi
erstmals aktiviert werden. Wie bereits in Punkt
Ein großer Nachteil im Vergleich zu anderen der- 4.2 beschrieben handelt es sich beim Raspberry
artigen Entwicklungen ist, dass man bei einem Pi um einen Minicomputer mit Betriebssystem.
Raspberry Pi keine Analogen Eingänge festlegen Ganz genau müsste man sagen, dass es ein Mini-
kann. Es sind also nur Digitale Messungen mög- computer ist, bei dem man ein Betriebssystem
lich. Das heißt im Klartext zum Beispiel: Man aktivieren kann. Das heißt man muss das Be-
kann messen, ob eine Spannung anliegt, aber triebssystem vorab auf eine Speicherkarte geben
nicht wie viel Spannung anliegt. Durch Analog- und anschließend am Rasperry Pi „installieren“.
Digital-Wandler gibt es verschiedene Möglich- Dazu wird ein externer PC oder Notebook mit ei-
keiten, analoge Messung am RasPi durchzufüh- ner Maus, Tastatur und Monitor verwendet. Ge-
ren. Der meist verwendete ist der MCP3008, mit eignet sind Maus, Tastatur und Bildschirm mit
dem man 8 analoge Eingänge bei richtiger Ver- einem USB-Anschluss, denn diese werden auch
drahtung und Programmierung messen kann. später für den Raspberry Pi benötigt.
Das Problem dabei ist jedoch, dass sich eine
leichte Zeitverzögerung in den Messungen zeigt, Beim Kauf der Speicherkarte ist zu beachten,
was für ein Oszilloskop natürlich sehr schlecht dass es sich um eine Micro-SD-Karte handeln
ist. (vgl. Kofler et. al., 2018, S. 433) Aufgrund die- muss. Meist ist ein zusätzlicher Adapter für den
ser Tatsache wird für den Bau des Oszilloskops PC bzw. Notebook nötig. Für eine große Schreib-
ein zusätzlicher Arduino Nano herangezogen geschwindigkeit der Karte eignen sich solche der
und eingebaut. Class 10 mit einem Mindestspeicherplatz von
16GByte. (vgl. Kofler et. al., 2018, S. 30)
3 Arduino
Wichtig ist, dass die Speicherkarte vorab forma-
Arduino ist wie Raspberry Pi eine Open-Source-
tiert wird. Dabei ist allerdings zu beachten, dass
Plattform, die auf einem 8-Bits Microkontroller
danach alle Inhalte verschwunden sind und
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Ein Oszilloskop für die Schule SCHLAGER
wichtige Dateien daher vorab an einem anderen NOOBS-Fenster auszuwählen. Die Installation
Ort gesichert werden müssen. Im Folgenden dauert eine Weile und ist mit der Meldung „In-
werden die Arbeitsschritte für Windows be- stalled Successfully“ oder Ähnlichem erfolgreich
schrieben. Falls ein anderes Betriebssystem ver- beendet. Der Raspberry Pi wird nun neu gestar-
wendet werden sollte, bietet sich das Buch tet und ist anschließend einsatzbereit. (vgl. Kof-
„Raspberry Pi; Das umfassende Handbuch“ von ler et. al., 2018, S. 39f.) Standartmäßig ist die
Kofler et. al. (2018) für eine Beschreibung an. Im Sprache Englisch eingestellt, doch das lässt sich
Windows Explorer mit einem Rechtsklick auf bei Bedarf einfach ändern.
den Datenträger findet man die Formatierung.
Für Raspberry Pi Einsteiger eignet sich eine 4.2 Arduino
Image-Datei, auch NOOBS genannt. NOOBS steht
Für den Bau des Oszilloskops mit Raspberry Pi
für „New out of Box Software“. Diese NOOBS ist
und Arduino benötigt man ein Programm am
eine Sammlung von Installationsdateien die in
Raspberry Pi, um Arduino Codes auslesen zu
einer ZIP-Datei verpackt sind. Diese ZIP-Datei
können. Dieses Programm heißt Arduino IDE.
kann unter https://www.raspber-
Für eine Installation gibt es sehr viele verschie-
rypi.org/downloads heruntergeladen werden,
dene Varianten, die man in vielen Büchern und
die Inhalte der Datei speichert man auf die
Videos recherchieren kann. Ein sehr empfeh-
Micro-SD-Karte. Wichtig ist, nicht die ZIP-Datei,
lenswertes Video findet man unter der URL
sondern deren Inhalte zu verwenden. Nach dem
https://www.y-
Entfernen der Speicherkarte am PC oder Note-
outube.com/watch?v=ZbWzC5lmv3A veröffent-
book sind alle Arbeitsschritte am externen PC
licht 2016 von Andr.oid.Eric. Folgt man allen Er-
beendet. (vgl. Kofler et. al., 2018, S. 38f.)
klärungen, kommt man bestens ans Ziel und des-
halb wird hier auf eine genaue Beschreibung ver-
Bevor man nun den Raspberry Pi einschaltet ver-
zichtet.
bindet man alle nötigen Kabel. Zum einen kann
ein Touchscreen verwendet werden und mit
dem Raspberry Pi, durch ein USB-Kabel für die 5 Ein Oszilloskop für die Schule
Stromversorgung und ein HDMI-Kabel für den Je nach didaktischer Zielsetzung können ver-
Screen, verbunden werden. Falls ein Display von schiedenste Varianten der Hardware – je nach
Raspberry Pi verwendet wird, kann der Raspi auf Einsatz in der Schule - erstellt werden: Will man
der Rückseite mit kleinen Schrauben in den erreichen, dass die Schülerinnen und Schüler das
Bohrlöchern befestigt werden. Dies hat den Vor- Oszilloskop selbstständig erbauen können oder
teil, dass alles kompakt und platzsparend ver- will man lediglich eine Auswertung der Mess-
baut ist. Alternativ dazu kann auch ein standart- werte zur Weiterverarbeitung im Unterricht ha-
mäßiger Bildschirm mit HDMI-Anschluss oder ben. Für Letzteres kann eine Schülerinnen- und
auch ein Beamer, wie oft in der Schule vorhan- Schüler gerechte Aufbaumöglichkeit des Oszil-
den, verwendet werden. Die Micro-SD-Speicher- loskops, oder eine kompakte und bediener-
karte wird nun in die vorgesehene Einbuchtung, freundliche Variante herangezogen werden.
den Slot, eingebracht. Des Weiteren bietet es sich Diese kompakte Version dient eher als fertig ge-
an, eine kabellose USB-Tastatur- und Mauskom- bautes Oszilloskop für Lehrpersonen mit dem
bination zu verwenden, um nur einen USB-Ein- man Analysen verschiedenster Art durchführen
gang am Raspberry Pi zu besetzen. Zu guter Letzt kann. Für den selbstständigen Bau durch die
wird ein Mini-USB-Kabel für die Stromversor- Schülerinnen und Schüler bietet es sich an,
gung mit der Steckdose verbunden. Für die Ver- Steckbretter für die Hardware zu verwenden. Im
besserung des Systems sollte ein Kabel mit inte- Gegensatz dazu wird in der kompakten Form das
griertem Kippschalter verwendet werden, da Meiste auf Lötplatinen verlötet und platzsparend
sich der Raspberry Pi sofort einschaltet, wenn angebracht.
Strom anliegt. Das heißt, der Raspi besitzt keinen
eigenen Ein- und Ausschalter. 5.1 Hardware
Die Hardware für das Oszilloskop besteht grund-
Wird der Raspberry Pi nun zum ersten Mal ein-
sätzlich aus drei Hauptbestandteilen. Das Zent-
geschalten, dauert es eine kurze Zeit bis schließ-
rum im Aufbau nimmt das Arduino Nano ein.
lich die Auswahl der Tastatursprache und an-
Dieser wird über ein USB-Kabel mit dem Rasp-
schließend ein Fenster zur Auswahl des Be-
berry Pi verbunden, welcher der zweite Bestand-
triebssystems erscheinen. In den meisten Litera-
teil ist. Für den dritten ist ein wenig Geschick und
turen wird für Beginner empfohlen, Raspian im
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Ein Oszilloskop für die Schule SCHLAGER
Vorerfahrung in der Elektrizitätslehre von Nö- 47μF Kondensatoren, einen 1μF Kondensator, 4
ten. (vgl. Cook, 2014) Dieses Vorwissen be- Stück 100kΩ Widerstände und einen 1kΩ Wider-
schränkt sich aber auf Schulniveau. Das heißt, stand. (vgl. Cook, 2018)
diese Dinge sind Teil des Lehrplans und werden Der Nachteil der Elektrolytkondensatoren (El-
deshalb in der Schule behandelt und durchge- kos) bei der Wechselspannung ist die Polung,
macht. weshalb ich an dieser Stelle Folien- oder Kera-
mikkondensatoren empfehlen würde. Diese Bau-
Für die Steuerung des Oszilloskops benötigt man teile können ebenfalls in jedem Elektronikge-
drei Potentiometer. Mit den drei Potentiometern schäft gekauft werden.
wird die Zeit, die Spannung und der Trigger ein- Die Abbildung 1 zeigt den Schaltplan der Zusam-
gestellt. Unter dem Trigger versteht man auf menstellung der Bauteile. (vgl. Cook, 2018) Diese
Deutsch den Auslöser. Für das Oszilloskop wer- Vorsicherung kann von den Jugendlichen selbst-
den Potentiometer mit 10kΩ verwendet. (vgl. ständig auf Steckbrettern zusammengestellt, o-
Cook, 2018) der in kompakter Form auf einer Lochplatte ver-
lötet werden. Für den Spannungseingang dient
Diese können in jedem Elektronikgeschäft oder ein BNC-Kabel. Dieses wird auch in die Loch-
im Internet sehr preisgünstig erworben werden. platte gelötet und man kann mit Hilfe eines Ver-
Des Weiteren braucht man für das Oszilloskop bindungskabels entweder direkt auf einen Funk-
einen Spannungseingang der mit Hilfe von Kon- tionsgenerator schließen oder mit einem Adap-
densatoren und Widerständen vorgesichert ter eine Verbindung zum Steckbrett herstellen.
wird. Für diese Sicherung benötigt man 2 Stück
Abbildung 1: Schaltplan
5.1.1 Oszilloskop auf dem Steckbrett zum anderen, dass man den Aufbau mit eigenen
Augen leicht nachvollziehen kann. In dieser Be-
Steht der eigenständige Bau des Oszilloskops
schreibung wurde, wie in Abbildung 2 zu sehen,
durch Schülerinnen und Schülern im Zentrum
ein klassisches Steckbrett verwendet. Die meis-
der Zielsetzung, bietet sich ein Bau der Hard-
ten Steckbretter habe eine Beschriftung mit der
ware auf einem Steckbrett an. Die großen Vor-
eine Beschreibung der Bauanleitung durch Ver-
teile liegen zum einen darin, dass man hapti-
weise auf die Steckplätze möglich ist. Wichtig ist
sches Arbeiten in den Unterricht einbaut und
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Ein Oszilloskop für die Schule SCHLAGER
immer darauf zu achten, dass die positiven und abgreifen und die Schaltung erden zu können. Ei-
negativen senkrechten Verbindungen vorhan- nige Steckbretter haben das bereits eingebaut.
den sind, um an mehreren Stellen die Spannung
Abbildung 2: Das Oszilloskop auf dem Steckbrett
Das Projekt wird nach dem Schaltplan in Abbil-
dung 1 (S. 4) aufgebaut. Falls der Aufbau nach
dem Schaltplan nicht gelingt, folgt eine Schritt
für Schritt Anleitung: Zu Beginn wird der Ardu-
ino Nano mit den in der Lieferung inbegriffenen
Steckleisten verlötet und auf das Steckbrett in
die Kontakte H46-60 sowie D46-60 gegeben. Der
Arduino dient als Stromquelle für das gesamte
Streckbrett. Deshalb benötigt man eine Verbin-
dung des 5V-Ausganges am Arduino mit der po-
sitiven Hauptachse des Steckbrettes (siehe Ab- Abbildung 3: Zwischenblick im Aufbau
bildung 3). Dazu bringt man ein Verbindungska-
bel (gelb) vom Kontakt A49 in die Hauptachse Nun muss noch die Vorsicherung (Spannungstei-
an. Die negative Verbindung (grün) geht von A47 ler) erbaut werden. Dazu werden die Wider-
in die negative Hauptachse. Anschließend wird stände und Kondensatoren wie folgt an dem
das erste Potentiometer in die Kontakte E37, E39 Steckbrett angebracht. Beginnt man mit dem
und E41, das Zweite in E29, E31 und E33 und das Aufbau nach dem Schaltplan am Arduino, so be-
letzte in E21, E23 und E25 gesteckt. Für die Ver- nötigt man ein Verbindungskabel (schwarz) vom
kabelung benötigt man 9 Kabeln in ver- Arduinoausgang A0 zum Kontakt E7. Anschlie-
schiedensten Längen. Die positiven Kontakte der ßend wird der 1μF-Kondensator mit der positi-
Potentiometer werden mit der positiven Haupt- ven Seite in D7 zum negativen D4 gesteckt. Der
achse des Steckbrettes verbunden. Dazu kom- 1kΩ-Widerstand kommt mit seinen Enden in B4
men je ein Verbindungskabel (gelb) von A21, und B1. Ein 10kΩ-Widerstand geht von C7 in die
A29 und A37 in die senkrechte Achse. Analog positive Hauptachse und ein zweiter Widerstand
dazu werden die negativen Kontakte der Potenti- von A7 in die negative Hauptachse. Ein dritter
ometer mit der negativen Hauptachse des Steck- Widerstand verbindet die positive Hauptachse
brettes verbunden. Dazu kommen je ein Verbin- mit A10. Von dieser Reihe aus also B10 und C10
dungskabel (grün) von A25, A33 und A41 in die gehen die zwei 47μF-Kondensatoren weg. Ein
senkrechte Achse. Die dritten Anschlüsse der Po- Kondensator mit der negativen Seite von B10 in
tentiometer werden mit den analogen Eingängen die positive Hauptachse. Der zweite Kondensa-
des Nanos verbunden. Ausgang A2 wird mit ei- tor mit dem positiven Ende von C10 ausgehend
nem Kabel (weiß) mit dem Kontakt B39 verbun- nach C14. Das letzte Bauteil, ein 10kΩ-Wider-
den, Ausgang A3 mit B31 (rot) und Ausgang A4 stand, geht von A14 in die negative Hauptachse.
mit B23 (orange). Nun sollte der Aufbau in etwa Somit ist die Vorsicherung laut Schaltplan fertig
so aussehen wie auf Abbildung 3 zu sehen ist. erstellt.
5Ein Oszilloskop für die Schule SCHLAGER
Die Kontakte E1 und E14 dienen nun als Ein- 5.2 Software
gänge einer zu untersuchenden Schaltung. E1 Die verwendete Software wurde aus dem Tuto-
wird dabei als positiver Eingang und E14 als ne- rial MagPi vom Autor Mike Cook nahezu über-
gativer Eingang verwendet. Wird eine Span- nommen. Sie besteht aus einem Arduino- und ei-
nungsquelle von einem klassischen Funktionsge- nem Raspberry Pi bzw. Python Code. Diese
nerator verwendet, ist es notwendig ein BNC-Ka- Codes können auf der Website
bel abzutrennen, da man sonst keine Verbindung https://github.com/Grumpy-Mike/Mikes-Pi-Ba-
in das Steckbrett herstellen kann. Dies ist ein kery/tree/master/Arduino\_Scope gratis her-
kleiner Nachteil an dieser Baumöglichkeit. Ver- untergeladen werden. (vgl. Cook, 2018)
bindet man den Arduino Nano über ein USB-Ka-
bel mit dem Raspberry Pi, so kann mit der Ana- Ein großer Nachteil in dieser Software ist, dass
lyse verschiedenster Schaltungen begonnen die gemessenen Werte nicht gespeichert werden
werden. In Abbildung 4 ist nun der fertiggestellte können. Deshalb wurde eine Möglichkeit der Da-
Aufbau am Steckbrett zu sehen. tenspeicherung in die Software eingebaut. Eine
Speicherung der Daten hat hinsichtlich der Re-
produzierbarkeit mehrere Vorteile: Die Ausgabe
kann zu späteren Zeitpunkten wieder geöffnet
werden oder in optisch schöneren Diagrammen
dargestellt werden. Auch ein Vergleich von ver-
schiedenen Messungen ist dann möglich. Außer-
dem können die gemessenen Werte einer Entla-
dung oder Ladung eines Kondensators gespei-
chert und anschließend in einem Tabellenkalku-
Abbildung 4: Das fertige Oszilloskop lationsprogramm, wie. z.B. Microsoft Excel oder
OpenDocument, weiterverarbeiten und grafisch
dargestellt werden. Auch das logarithmieren der
5.1.2 Oszilloskop mit 3D-Druck Messwerte ist möglich, womit die Zeitkonstante
Dieser Punkt ist eine optionale Erweiterung des bestimmen werden kann (Kap.6.1). Dies gelingt
vorgestellten Projektes. Nicht nur in der Technik, ohne Speicherung der Daten nicht.
sondern auch in Schulen gewinnt der 3D-Druck
immer mehr an Bedeutung. Daher kann man 5.3 Ausgabefenster
auch ein Gehäuse für das Oszilloskop erstellen, Wurde die Hardware nach einer der beschriebe-
um eine kompakte Form zu erhalten. Beim Er- nen Variante aufgebaut und die Software erfolg-
stellen muss darauf geachtet werden, dass das reich gestartet, so sollte ein neues Fenster er-
Gehäuse eine Öffnung für das Verbindungskabel scheinen. Dieses Fenster dient als Ausgabefens-
zwischen Raspberry Pi und Arduino sowie Öff- ter des Oszilloskops. Mit Hilfe der Potentiometer
nungen für die Potentiometer und dem BNC-An- können unterschiedlichste Analysen durchge-
schluss hat. Optimal ist es, wenn sich das Ge- führt werden. Diese Analysen ersetzen ein klas-
häuse öffnen lässt und man das „Innenleben“ be- sisches Oszilloskop. (vgl. Cook, 2018)
trachten kann. Die Bauteile sollten alle laut
Schaltplan auf eine Lötplatte verlöten werden. Auch eine Digitalisierung der Messdaten ist nun
Abbildung 5 zeigt ein mögliches Gehäuse des Os- möglich. Unter dem neu programmierten Button
zilloskops. „Save Date“ werden die Messdaten in einer .csv-
Datei mit Datum und Uhrzeit als Namen gespei-
chert. Dies verhindert eine Überschreibung der
Messdaten. Diese .csv Datei lässt sich anschlie-
ßend mit bestimmten Programmen wie zum Bei-
spiel das Tabellenkalkulationsprogramm Excel
oder die grafische Benutzeroberfläche RStudio
aufrufen.
Abbildung 5: Mögliches Gehäuse des Oszil-
loskops
6Ein Oszilloskop für die Schule SCHLAGER
6 Erweiterungsmöglichkeiten Es wird ein kompletter Lade- und Entladevor-
gang des Kondensators gemessen und gespei-
Dieses Paper beschreibt nur wenige Möglichkei- chert. Mittels zwei Ausgleichsgeraden für die
ten, wie man ein Oszilloskop bauen und pro- Lade- und Entladekurve wird die typische Zeit-
grammieren kann. Natürlicherweise gibt es wie konstante τ ermittelt. Zum Bestimmen der Zeit-
immer Verbesserungsvorschläge, die mit viel Ar- konstante mit Hilfe der Ausgleichsgerade der
beit verbunden sind. Einige Gedanken sind auf- Entladung wird der Logarithmus der gemesse-
getaucht, die hier festgehalten werden und als nen Spannungen mit der Zeit gegenübergestellt.
Anregung dienen sollten. Es werden nur die Werte der Spannung berück-
sichtigt, die der Entladung entsprechen. Man
Der größte Punkt ist mit Sicherheit ein Oszil- sieht eine Annäherung einer Gerade, an der eine
loskop zu erschaffen, das ausschließlich mit RGP und FVERT Analyse durchgeführt wird.
Raspberry Pi Software funktioniert. Dies verhin-
dert das Vorkommen von zwei verschiedenen 7 Literatur
Programmiersprachen, was in der Schule oft für Cook M. (2018) Build an oscilloscope. Make your own os-
Verwirrung sorgen kann. Wichtig dabei ist zu cilloscope using a Raspberry Pi and an Arduino. The
achten, dass man die Zeitverzögerung der Mes- MagPi, 71, 44-51, online verfügbar unter:
https://magpi.raspberrypi.org/issues/71 (11.03.2020)
sung mit den Bauteilen des Raspberry Pi's ver-
hindert. Eine Möglichkeit die man sich vorstellen Kofler M., Kühnast C., Scherbeck C. (2018) Raspberry Pi;
könnte, ist mit Mico-Python zu arbeiten. Das umfassende Handbuch, Bonn: Rheinwerk Verlag
Ein weiterer Punkt wäre der Bau eines Zweika-
nal-Oszilloskops. Dabei liegt die Herausforde-
rung sicherlich im Gestalten der Software. Beim
Übertragen der gemessenen Werte muss ein
Weg gefunden werden, sodass der Raspberry Pi
erkennt, von welchem Eingang die Daten sind.
Auch die Koordination der Potentiometer ist zu
beachten und könnte Probleme machen. Die
Hardware wäre möglicherweise nicht das große
Problem, da man versuchen könnte, eine zweite
Vorsicherung für einen weiteren analogen Input
des Arduino Nano zu bauen.
Eine diskussionswürdige Erweiterung wäre,
dass man den Raspberry Pi zur Stromversorgung
einer Schaltung verwendet. Der Vorteil liegt da-
bei in der Kompaktheit. Ein Nachteil ist, dass ein
gewöhnliches Oszilloskop auch nicht als Span-
nungsquelle dient und daher Verwirrung und
Unsicherheiten bei den Schülerinnen und Schü-
lern aufkommen könnte.
6.1 Ladung-Endladung eines Kondensators
Eine weitere Erweiterungsmöglichkeit könnte
die Bestimmung der Genauigkeit des Oszil-
loskops sein. Dazu wird der Verlauf eines Kon-
densators genauer analysiert. Die Lade- und Ent-
ladekurve wird aufgenommen und die Daten mit
der neu entwickelten Speicherfunktion gespei-
chert. Die Messdaten werden mit einem Tabel-
lenkalkulationsprogramm, wie z.B. Excel, geöff-
net.
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