Die Soundkarte als Messeingang für physikalische Experimente

von Christoph Deußen, Ratingen


Der Landesbildungsserver Baden-Württemberg freut sich Ihnen diesen Artikel eines Kollegen aus NRW vorstellen zu können. Christoph Deußen zeigt darin auf, wie vielfältig die Soundkarte eines Computers zur Messwerterfassung eingesetzt werden kann. Ein alternativer Schaltungsvorschlag zur Messung von Gleichspannungen gegenüber dem Vorschlag von Grüninger wird vorgestellt. Christoph Deußen präsentiert auch einen Experimentaufbau zur Interferenzmessung, der mit kleinem Materialaufwand realisiert werden kann. Weitere Experimente runden das Angebot ab.


1. Einleitung

Es wird ein System vorgestellt, mit dessen Hilfe es möglich ist, alle elektrisch und optisch erfassbaren physikalischen Messgrößen über die Soundkarte aufzunehmen und auszuwerten. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn hohes Datenaufkommen eine sinnvolle Auswertung per Hand im angemessenen Zeitrahmen verhindert. Es werden zwei elektronische Bausteine beschrieben, mit deren Hilfe es möglich ist, die Soundkarte als Spannungs- bzw. Lichtintensitätsmesseingang zu verwenden. Die dazu notwendige Investition beläuft sich auf wenige Euro, der Aufbau der Module ist mit geringem Aufwand möglich. Zur Auswertung der Messgrößen wird die Software DASYLAB verwendet, mit deren Hilfe auf intuitive Weise der modulare Aufbau vieler Messaufbauten ermöglicht wird, sodass viele denkbare Experimente aus dem Physikunterricht der SI und SII auch im Schülerexperiment ermöglicht werden. Wer die Investition in dieses Programm scheut, hat darüber hinaus die Möglichkeit, mithilfe der gängigen Programmiersprachen die Soundkarte abzufragen. Weitere Informationen zum System findet man z.B. in [4].


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2. Die Wandlerbausteine

Zum Einsatz kommt zum einen der Intensitäts-Frequenz-Wandler TSL 230 zur Messung von Lichtintensitäten, zum anderen der Spannungs-Frequenz-Wandler LM131 zur Messung von Gleichspannungen. Beide Bausteine wandeln das anliegende Signal in eine zur jeweiligen Messgröße proportionale Frequenz um, die mit der Soundkarte aufgezeichnet und mit der entsprechenden Software weiterverarbeitet werden kann, vgl. Abbildung 1.

geringe Intensität hohe Intensität
Abbildung 1: Ausgangssignal des TSL 230 bei geringer (a) und hoher (b) Lichtintensität. Die Einheit der y-Achse ist willkürlich gewählt (vgl. [4]).

2.1 Der Spannungs-Frequenz-Wandler (VCO) LM131

Zentrales Element dieses Moduls ist der VCO LM131. Die Schaltung des Messgerätes entspricht im Wesentlichen dem Testaufbau, wie er im Datenblatt des Bausteins beschrieben ist. Weitere Einzelheiten kann man dort nachlesen. Abbildung 2 zeigt den Schaltplan der Gesamtschaltung, Abbildung 3 die dazugehörige Platine. Die Stromversorgung erfolgt mithilfe eines externen Steckernetzteils (12 bis 15V), das an die Anschlüsse Masse und +15V angeschlossen wird. Der Eingang -15V kann auch mit Masse verbunden werden. Zu beachten ist, dass das Gerät in der vorgestellten Form nicht gegen Verpolung geschützt ist. Der Ausgang F_OUT wird gemeinsam mit Masse über den Line-In-Eingang mit der Soundkarte verbunden. Ein erster Funktionstest verläuft erfolgreich, wenn die Soundkarte Töne abstrahlt, deren Frequenz deutlich mit der an V_IN und Masse anliegenden Spannung variiert.

Schaltbild des VCO
Abbildung 2: Schaltbild des VCO
R1, R7: Spindeltrimmpotenziometer 5 kOhm
R2: 6,8 kOhm
R3: 12 kOhm
R4: 47 Ohm
R_IN, R_L: 100 kOhm
R6: 10 kOhm
R9: 22 kOhm
C_L: 1 µF
C_T: 0,01 µF
C_IN: 0,1 µF
IC1: LM 131
Tabelle 1: Stückliste VCO

 

VCO Lötseite VCO Bestückungsseite
Abbildung 3: Leiterbahn- und Bestückungsseite

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2.2 Der Intensitäts-Frequenz-Wandler TSL 230

Das zentrale Element dieses Bausteins ist wieder ein VCO, dessen Signaleingang mit einem Fotoelement beschaltet ist,
vgl. Abbildung 4.

Blockschaltbild TSL 230
Abbildung 4: Blockschaltbild des TSL 230, vgl. [4]

Über die Anschlüsse 1 und 2 wird die Empfindlichkeit des Bausteins eingestellt. Belegung und Einsatzbeispiele sind in Tabelle 2 dargestellt.

Pin 1 Pin 2 Empfindlichkeit Einsatz
0 0 aus  
0 1 einfach z:B. zur direkten Beobachtung der Sonne
1 0 zehnfach Beobachtung bei Lampen- und Tageslicht
1 1 hundertfach

Tabelle 2: Einstellung der Empfindlichkeit, vgl. [4].

Die Anschlüsse 7 und 8 werden fest auf 1 gelegt. Hierdurch wird erreicht, dass die Ausgangsfrequenz im hörbaren Bereich liegt und somit für die Soundkarte auswertbar ist. Abbildung 5 zeigt die Leiterbahn- und Bestückungsseite der Platine des Moduls. Der Schalter dient der Einstellung der Empfindlichkeit des Bausteins.

Lötseite Bestückungsseite

Stückliste:

IC1: TSL 230
C1: 0,1 µF
S1: DIL Schalter
Abbildung 5: Leiterbahn- und Bestückungsseite, vgl. [4] Tabelle 3: Stückliste des Lichtintensitäts-Frequenz-Wandlers

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Auch hier erfolgt die Versorgungsspannung mithilfe eines Steckernetzteiles von 5V über GND und +5V. Beachten Sie bitte auch bei diesem Gerät, dass es nicht gegen Verpolung geschützt ist. Die Verbindung des Gerätes mit der Soundkarte erfolgt wieder über den Line-In-Eingang. Das Gerät funktioniert, wenn die Soundkarte Töne in Abhängigkeit der Lichtintensität abstrahlt.


3. Die Auswertung des Signals mit einer geeigneten Software (vgl. [4])

Zur Signalauswertung benötigt man für beide Bausteine ein Modul, das die über die Soundkarte eingespeiste Frequenz in die Messgröße umwandelt. In beiden Fällen ist dies mit einem Schaltbild möglich, das mit dem Programm DASYLAB erzeugt wird, vgl. Abbildung 6, vgl. [1] und [4].

Blockschaltbild DASYLAB Belichtungsmesser
Abbildung 6: Schaltbild für einen Belichtungsmesser

Die Signalverarbeitung erfolgt von links nach rechts: Das erste Modul dient der Abfrage der Soundkarte, an der das Messsignal in Form eines Rechecksignals anliegt (vgl. Abb. 1). Dieses Signal wird dem Zähler zugeführt, das z.B. die steigenden Flanken im Rechtecksignal in einer vorgegebenen Zeiteinheit, und damit die Frequenz misst. Das Modul "Skalierung" rechnet die so gemessene Frequenz in die Messgröße um. Die hier vorgenommenen Einstellungen sind also abhängig von dem verwendeten Eingangsbaustein. Das Ergebnis dieser Umwandlung wird den Anzeigegeräten zugeführt und einerseits als Wert dargestellt, andererseits in ein Y-t-Diagramm geschrieben. Weitere Module zur Signalauswertung, z.B. der Abspeicherung der Daten zur Weiterverarbeitung in einer Tabellenkalkulation sind denkbar.

Weitere Informationen können beim Autor angefragt werden.


4. Experimente

Die beschriebenen Experimente sollen einen Eindruck vermitteln, welche Möglichkeiten das System bietet. Auf Grund des jeweils geringen experimentellen Aufwandes sind alle Experimente auch als Schülerexperimente denkbar.

4.1 Messung der Abkühlkurve von Wasser

Mithilfe des in Abbildung 7 dargestellten Versuchsaufbaus wird die Temperatur von Wasser in Abhängigkeit von der Zeit gemessen. Als Spannungsmessverstärker kann zum Beispiel ein einfacher Operationsverstärker zum Einsatz kommen. Zur Eichung des Gerätes müssen zwei Spannungswerte mit den zugehörigen Temperaturen verglichen und über eine Eichgerade in Beziehung gesetzt werden.
Insbesondere die lange Messdauer mit der damit verbundenen großen Datenfülle rechtfertigt hier den Einsatz des Computers.
Zur Weiterverarbeitung der Daten in einer Tabellenkalkulation wird das DASYLab-Schaltbild aus Abbildung 6 erweitert um ein Modul zur Abspeicherung der Daten in eine Tabelle.

Blockschaltbild Messung der Abkühlkurve von Wasser
Abbildung 7: Blockschaltbild zur Messung der Abkühlkurve von Wasser

Das Ergebnis der Messung zeigt Abbildung 8. Gut sichtbar ist der exponentielle Abfall der Kurve. Je nach Jahrgangsstufe kann das Experiment quantitativ ausgewertet und so induktiv eine Gesetzmäßigkeit hergeleitet werden.

Abkühlkurve von Wasser
Abbildung 8: Abkühlkurve von Wasser

4.2 Aufnahme der Helligkeitskurve hinter einem Doppelspalt

Ein Doppelspalt mit Spaltabstand g = 0,6 mm wird mit rotem Laserlicht bestrahlt. Das Interferenzbild mit dem TSL 230, der auf dem Gleiter einer Luftkissenfahrbahn montiert wurde, im Abstand von 2,5 m zum Doppelspalt abgefahren und mit dem oben beschriebenen Programm ausgewertet. Der Computereinsatz ist gerechtfertigt, da auf diese Weise allen Schülern ein unmittelbares Messergebnis zur Versuchsdokumentation vorgelegt werden kann. Die Messung ergab den Verlauf wie in Abbildung 9. Deutlich ist hier das 0. Hauptmaximum zu erkennen. Für den Abstand der beiden Maxima zweiter Ordnung erhält man a22=1 cm. Hieraus lässt sich die Wellenlänge des verwendeten Lichtes zu l = 600 nm in guter Übereinstimmung mit dem zu erwartenden Wert bestimmen.

Interferenzaufnahme Doppelspalt
Abbildung 9: Intensitätsverlauf hinter einem Doppelspalt

4.3 Messung der Randverdunklung der Sonne, vgl. [4]

Wie in Abbildung 10 schon optisch zu sehen, nimmt die Helligkeit der Sonne zum Rand hin ab. Dies lässt sich damit erklären, dass man bedingt durch die Kugelgestalt der Sonne im Zentrum weiter in die heißeren Schichten hineinschaut, während man am Rand der scheinbaren Fläche auch nur die vergleichsweise kühlen Rand der Sonne beobachtet (vgl. [3], S.119ff). Gefahrlos kann man dies mithilfe des Versuchsaufbaus nach Abbildung 11 bereits visuell beobachten. Bei der Versuchsdurchführung ist zu beachten, dass die direkte Beobachtung der Sonne mithilfe des Teleskops unmittelbar zur Erblindung führt. Auch bei der Ausrichtung des Aufbaus betrachtet man nicht die Sonne direkt, sondern richtet das Teleskop so aus, dass sein Schattenwurf im Sonnenlicht minimal ist. Dann ist der Aufbau optimal ausgerichtet und das Bild der Sonne erscheint auf dem Projektionsschirm. Für die Aufnahme der Helligkeitskurve verändert man den Versuchsaufbau nicht mehr. Man bringt nun den TSL 230 so auf dem Projektionsschirm an, dass die Sonne auf Grund der Erdrotation über diesen hinwegwandert. Der bei einem solchen Experiment aufgezeichnete Intensitätsverlauf ist in Abbildung 12 zu sehen.
Die blauen Messpunkte geben den nach Formelzu erwartenden theoretischen Helligkeitsverlauf an, wobei I(x) die Intensität des Lichtes im Abstand x zum Scheibenmittelpunkt und I0 = I(0) darstellt (vgl. [3], S.119ff).

Fotografie einer Sonnenprojektion Aufbau zur Beobachtung
Abbildung 10:
Fotografie einer Sonnenprojektion, vgl. [4]
Abbildung 11:
Sonnenbeobachtung mithilfe einer Projektion.
Bei diesem Aufbau darf auf keinen Fall die Sonne direkt
durch das Teleskop betrachtet werden (vgl. [4])!
Experiment
Abbildung 12: Intensitätsverlauf der beobachtbaren Sonnenscheibe. Die theoretisch nach (5) berechneten Werte sind blau dargestellt. Auf der y-Achse ist die Intensität in willkürlichen Einheiten, auf der x-Achse die Versuchsdauer in Sekunden abgetragen.

5. Zusammenfassung

Es wurden zwei Systeme vorgestellt, mit deren Hilfe es möglich ist, auf kostengünstige Weise den Computer in ein universell einsetzbares Messsystem zu verwandeln, mit dem es möglich ist, gerade dann zu experimentieren, wenn viele Daten anfallen oder der Computereinsatz die einfache Dokumentation des Versuchsergebnisses ermöglicht. Auf diese Weise werden Versuchsvarianten möglich, die bislang nicht oder nur unter erheblichen Geräteaufwand im Schulunterricht verwirklicht wurden. Durch den einfachen Messaufbau sind viele der möglichen Versuche auch als Schülerexperiment denkbar.
Für weitere Fragen oder Gedankenaustausch steht der Autor gerne zur Verfügung.


Literatur

[1] Handbuch DASYLab, S-Version, Mönchengladbach 1999
[2] P. Kriesel, Lichtkurve eines Bedeckungsveränderlichen, in: Astronomie und Raumfahrt, Heft 5/2001, S. 19f, Friedrich Verlag, Seelze
[3] O. Zimmermann, Astronomisches Praktikum I, Verlag Sterne und Weltraum, München 1995
[4] Ch. Deußen, Der Computer als Messgerät bei der Durchführung optischer Versuche, in: Praxis der Naturwissenschaften, Physik, Heft 8/52, S.15ff

Das Programm DASYLab kann über die DATALOG GmbH & Co, KG in Mönchengladbach bezogen werden. Nähere Infos zur Software erhält man unter http://www.dasylab.com/

Der VCO LM131 ist im Elektronikhandel zu beziehen, z.B. über die Fa. Conrad-Electronic. Dort kann man auch das Datenblatt herunterladen.

Der Chip TSL 230 kann bezogen werden von der Fa. Eurocomp Elektronik GmbH in Bad Nauheim. Nähere Infos erhält man unter http://www.eurocomp.de/


Autor : Christoph Deussen, Ratingen
Bearbeitung: Klaus-Dieter Grüninger, Landesbildungsserver