FH Münster FB 11 Praktikum Analog- und Digitaltechnik

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1 FH Münster FB 11 Praktikum Analog- und Digitaltechnik Name: Vorname: Matrikelnummer: Studienrichtung: BMT [ ] LT [ ] TO [ ] W-Ing [ ] Durchgeführt im: SS[ ] WS[ ] JAHR: Gruppe: Versuch Datum Abtestat Unterschrift A1 A2 A3 D1 D2 D3 Die / der Studierende hat das Praktikum erfolgreich absolviert und ist zur Klausur A/D-Technik zugelassen. Steinfurt, den Prof. Dr. Thomas Rose Info: Bringen Sie zum Unterschreiben dieses Original und eine Kopie mit. Das Original ist für Sie, die Kopie für mich. Prof. Dr. Rose FH Münster Stegerwaldstr Steinfurt Tel: 02551/ / -621 Fax: 02551/ ROSE@FH-MUENSTER.DE

2 Praktikum Analog- und Digitaltechnik Einleitung 1 Allgemeine Informationen zum Praktikum In diesem Praktikum sollen Sie beispielhaft einige der Schaltungen aus der Vorlesung aufbauen, analysieren und beschreiben, die nach folgenden Kriterien ausgesucht wurden: Sie sollen grundlegende elektronische Vorgehensweisen veranschaulichen. Sie sollen relevant sein für Anwendungen in Bereichen wie Messtechnik, Steuer- und Regeltechnik, der industriellen, medizinischen oder miniaturisierten Sensortechnik. Sie können im begrenzten Zeitrahmen des Praktikums sinnvoll durchgeführt werden. Die Versuchsanleitungen sind nicht absolut bindend, sondern als Leitfaden zu verstehen. Eigene Fragestellungen oder bestimmte Versuchsteile tiefer zu bearbeiten als vorgesehen ist in Absprache mit den Betreuern möglich. Die Praktikumsversuche sind, gerade durch die studentischen Evaluationen der Lehrveranstaltung AD-Technik, in den letzten Jahre immer wieder modifiziert worden. Anregungen für Änderungen oder Weiterentwicklungen sind aber auch jetzt noch immer willkommen. 2 Ablauf und Anforderungen des Praktikum Insgesamt finden 6 Praktikumsversuche statt, je 3 in der Analogtechnik und Digitaltechnik: Analogtechnik A1 Elektrische Messgeräte, Pulsmessung A2 Transistorschaltungen A3 Verstärkerschaltungen, EKG Digitaltechnik D1 Gatter und Flipflops D2 Zähler und Ampelschaltung D3 Busse, Speicher und Parallel-Seriell-Wandlung Jeder Termin dauert max. 4 Zeitstunden. Pro Termin wird eine Gruppe gebildet, die üblicherweise aus 6 Teams mit jeweils 2 Personen besteht. Die genaue Gruppen- und Zeiteinteilung erfolgt spätestens in der 2. Vorlesungswoche. Zu Beginn eines jeden Termins findet ein kurzer schriftlicher Test statt, der für die Teilnahme am Praktikum bestanden werden muss. In dem Test wird das Grundlagenwissen abgefragt, das üblicherweise durch das sorgfältige Lesen und Bearbeiten der Praktikumsunterlagen erlangt werden kann. Das Praktikum kann also nur sinnvoll mit einer entsprechenden Vorbereitung durchgeführt werden. Die Lehrenden tragen dazu u. a. durch das Behandeln der wesentlichen Inhalte in der Vorlesung bei. Von Seiten der Studierenden gehört dazu, dass Sie: Prof. Dr. Rose FH Münster Stegerwaldstr Steinfurt Tel: 02551/ Fax: 02551/ ROSE@FH-MUENSTER.DE

3 A/D-Technik Praktikum Vorwort die Praktikumsunterlagen vollständig gelesen und verstanden haben. Informationen zu den jeweils unter Inhalt genannten Schlagwörtern mit Hilfe der Anleitung und bei Bedarf anderer Quellen (Vorlesungsskript, Bücher, etc.) erarbeitet haben. die jeweils unter Vorarbeiten genannten Aufgaben zu Hause selbstständig erledigt und in das eigene Protokollbuch eingetragen haben. Bei ungenügender Vorbereitung ist der Praktikumserfolg nicht sichergestellt, eine Versuchsdurchführung sinnlos und daher ein Verweis aus dem Praktikum die Folge. Einen Nachholtermin müssen Sie dann mit dem Betreuer absprechen. Ein zweiter Verweis führt zum Ausschluss für das ganze Semester. Eine Wiederholung ist dann erst im nächsten Jahr wieder möglich! 3 Das Protokollbuch Jede Person führt ein eigenes Protokollbuch und arbeitet selbstständig daran. Ein Protokollbuch zu führen ist eine verbreitete Methode für Aufzeichnungen bei wissenschaftlichen Versuchen, dessen Vorteile die Universität Wien in ihren Unterlagen passend zusammenfasst. Es stellt nämlich eine Gute, wichtige Übung für spätere Laborübungen und Forschungsaufgaben im Rahmen des Studiums dar und soll ermöglichen, ein Experiment auch nach Jahren in derselben Weise zu wiederholen, ohne Anfangsfehler zu begehen (Versuchsaufbau, Durchführung und Hinweise). Allgemein gehören in ein Protokollbuch folgende Punkte: - Verfasser, Datum, Uhrzeit, Ort - Experimenteller Aufbau mit Prinzipskizze (und wichtigen Maßen) - Liste und Beschreibung der verwendeten Geräte, Typenbezeichnung und Seriennummer, falls bei gleichen Geräten systematische unterschiede in den Ergebnisseen auftreten - Messergebnisse (Ablesungen) Achtung: Die Angabe einer physikalischen Größe als Maßzahl ohne Einheit ist nicht sinnvoll - Beschreibung der Methode mit der aus den gemessenen Werten das Endergebnis ermittel wurde - Bei funktionalen Zusammenhängen (Tabelle) empfiehlt sich auch eine graphische Darstellung des Ergebnisses (Diagramme) - Überlegungen zur Fehlerbestimmung (Ursache, Größe) - Bemerkungen über das Experiment / die Proberahme - Überlegungen über eventuelle Mängel der Meßmethode (aus: Vorbereitungsvorlesung-WS_2008.pdf; vom ) Eine sehr gute, englischsprachige Darstellung finden Sie darüber hinaus unter Vorwort2015_ doc vom :50:00 Seite 2

4 A/D-Technik Praktikum Vorwort 3.1 Aufbau des Protokollbuchs und der Versuchsprotokolle Sie beschaffen sich zunächst ein DIN A4-Notizbuch (eine Kladde) und Millimeterpapier für die Versuchsprotokollierung. Allgemein gilt für den Aufbau des Protokollbuchs: Alle Seiten werden durchnummeriert. Die erste Seite des Protokollbuchs enthält Name und Anschrift des Verfassers. Die nächste Seite wird für ein Inhaltsverzeichnis freigehalten. Eine weitere Seite ist für das Abkürzungsverzeichnis reserviert. Jeder Praktikumsversuch beginnt mit einer neuen Seite. Man lässt keine Seiten frei. Geschrieben und gezeichnet wird mit einem nicht löschbaren Stift, NICHT mit Bleistift! Aufbauten werden mit Texten beschrieben und in Skizzen dargestellt, nicht in Fotos. Es wird nicht von anderen Personen abgeschrieben, da hierdurch auch schnell Fehler übertragen werden. Anleitungen werden nicht in das Protokollbuch eingeklebt, höchstens die Vorbereitungsaufgaben. Im Speziellen soll für alle Versuche das folgende Vorgehen berücksichtigt werden: Eintragungen zur Vorbereitung eines jeden Versuchs: Titel des Versuchs Datum der Praktikumsdurchführung Aufgabe und Ziel des Versuchs, kurz und knapp Vorbereitungsaufgaben, die in der Anleitung gefordert werden Liste der anstehenden Messungen / Aufgaben (aus der Anleitung übernehmen) Während der Durchführung der Versuche werden: die benutzten Geräte notiert, zu jedem Versuchsteil die Messaufgabe kurz beschrieben, die Messwerte in einer ordentlichen Tabelle aufgenommen, wenn möglich/sinnvoll, die Ergebnisse grafisch (von Hand) dargestellt; evtl. auf Millimeterpapier, das dann in das Protokollbuch eingeklebt wird. jedes eingeklebte Blatt ebenfalls mit Name, Datum, Titel und Seite beschriftet, die in der Anleitung geforderten Berechnungen und Darstellungen während des Praktikums ins Protokollbuch geschrieben, Daten sofort aufgeschrieben, und zwar die abgelesenen Originaldaten, erst dann werden eventuelle Umrechnungen durchgeführt! Vorwort2015_ doc vom :50:00 Seite 3

5 A/D-Technik Praktikum Vorwort Am Ende des Praktikums (Auswertung) werden: die restlichen geforderten Berechnungen und Darstellungen geschrieben, evtl. eine Betrachtung der Genauigkeit von Messungen und Ergebnissen durchgeführt, eine kurze Schlussfolgerung eingetragen. Liegt am Ende des Versuchs die Auswertung korrekt vor und haben Sie Ihre eigene Auswertung verstanden (was überprüft wird), erhalten Sie das Endtestat. Einige weitere Punkte, die überprüft werden: - Ist ein Abkürzungsverzeichnis vorhanden? - Wurden alle Abbildungen und Skizzen beschriftet? - Sind die Diagramme auf Millimeterpapier eingeklebt oder eingetackert? - Ist der Inhalt korrekt und wurden die gesetzten Ziele erreicht? - Wurde die Dokumentation sauber und leserlich erstellt? 4 Fragen Bei Fragen wenden Sie sich vertrauensvoll an die Betreuer. Vorwort2015_ doc vom :50:00 Seite 4

6 Praktikum Analog- und Digitaltechnik Versuch A1 Elektrische Messgeräte, Pulsmessung Inhalt dieses Versuches: Inbetriebnahme der in Punkt "Geräteliste" genannten elektrischen Geräte und anschließender Entwicklung eines Pulsmessers. Geräteliste: Oszilloskop, Funktionsgenerator, Spannungsnetzteil Vorkenntnisse: Arbeitsweise eines Oszilloskops und eines Multimeters, Hochpassfilter, Funktionsweise eines Fotowiderstandes Prof. Dr. Rose FH Münster Stegerwaldstr Steinfurt Tel: 02551/ / -166 Fax: 02551/ ROSE@FH-MUENSTER.DE

7 A/D-Technik Praktikum A1 Pulsmessung 1 Einleitung Im ersten Teil des Versuches sollen Sie sich mit den Geräten vertraut machen, die Sie im weiteren Praktikum benutzen werden. Diese sind: Oszilloskop: Ein Messgerät zur Darstellung des zeitlichen Verlaufes von Spannungen und Frequenzen. Mit diesem Gerät lassen sich Effektivspannungen, Spitze-Spitze-Spannungen, Perioden sowie Frequenzen messen. Funktionsgenerator: Er erzeugt verschiedene Spannungsverläufe, z.b. Sinus-, rechteck- und dreieckförmige Spannungen. Deren Frequenz sowie Amplitude ist einstellbar. Bei vielen Funktionsgeneratoren kann dieser Wechselspannung noch eine Gleichspannung überlagert werden. Spannungsversorgung: Sie erzeugt verschiedene Gleichspannungen, die teilweise geregelt werden können. Des Weiteren enthält sie einen Transformator mit mehreren Sekundärwicklungen. Dieser erzeugt sinusförmige Wechselspannungen mit 50 Hz. Multimeter: Ein Vielfachmessinstrument für Gleich- und Wechselströme sowie spannungen und für Widerstandsmessungen. Im weiteren Verlauf des Praktikums sollen Sie, als eine praktische Anwendung dieser Geräte,mit Hilfe eines Fotowiderstandes ihren Puls messen und auswerten. 2 Praktikumsgrundlagen zu den elektrischen Messgeräten 2.1 Oszilloskop Mit einem Oszilloskop kann man den zeitlichen Verlauf einer Spannung anzeigen. Die Abbildung 1 zeigt ein Zweikanal-Oszilloskop, mit dem zwei Spannungen gleichzeitig betrachtet werden können. F E B C Abbildung 1: Oszilloskop Tektonix TDS 220 A D A1_V7.doc vom :21:00 Seite 2

8 A/D-Technik Praktikum A1 Pulsmessung A: Eingangsanschlüsse für die Signalanzeige. CH 1: Kanal 1 CH 2: Kanal 2 Beachten Sie, dass die äußeren Anschlüsse der beiden Kanäle miteinander verbunden sind. Somit kann die Gerätemasse für beide Kanäle mit nur einem Kabel angeschlossen werden. Das Oszilloskop lässt sich zwischen Gleichspannungskopplung (DC), Wechselspannungskopplung (AC) und Masse (GND) umschalten. Bei der DC-Kopplung werden alle Anteile des Eingangssignals dargestellt. Bei der AC-Kopplung wird ein Kondensator mit (in unserem Fall) 20 nf in die Eingangsleitung geschaltet, wodurch (wie die Leute aus der Elektrotechnik so sagen) der Gleichspannungsanteil des Signals unterdrückt wird. Dies ist von Vorteil, wenn nur die Wechselspannungskomponenten von Interesse sind. Tatsächlich liegt dieser Kondensator in Reihe mit dem Eingangswiderstand des Oszilloskop (1 MOhm) und stellt zusammen mit diesem einen Hochpass dar. Dadurch wird also nicht nur die Gleichspannung unterdrückt, sondern auch niederfrequente Wechselspannungen. Laut Datenblatt beträgt die Grenzfrequenz 10 Hz. Kleinere Frequenzen werden also in der AC-Einstellung immer stärker abgeschwächt dargestellt. Sie werden sehen, dass dies in dem Versuchsteil mit der Herzfrequenzmessung, die ja eher im 1Hz-Bereich liegt, eine Rolle spielt. B: Anzeigebereiche Spannungsachse Zeitachse 1. Nullpunkt 0 ms 2. Horizontale Triggerposition. (siehe E) 3. Vertikale Triggerposition. (siehe E) 4. Signale der Kanäle 1 und 2 5. Nullpunkt 0 V 6. Triggerwert 7. Triggerflanke (positiv, negativ) 8. Triggerkanal 9. Skalierungswert für die Zeitachse 10. Skalierungswert für die Spannungsachse Abbildung 2: Elemente in der Anzeige des Oszilloskops A1_V7.doc vom :21:00 Seite 3

9 A/D-Technik Praktikum A1 Pulsmessung C: Signale skalieren und positionieren in vertikaler Richtung Sie können die Anzeige der Signale ändern, indem Sie deren Skala und Position einstellen. Mit dem Positionsregler verschieben Sie das Signal auf der Spannungsachse. Dabei wird lediglich der Nullpunkt verschoben, d.h. es findet keine Änderung der Spannungswerte statt. Mit der MENÜ -Taste können Sie das Signal ein- oder ausblenden. Die Skalierung auf der Spannungsachse können Sie mit dem VOLT/DIV-Regler einstellen. D: Horizontales skalieren und positionieren; Vortriggerung Für eine horizontale Positionierung benutzen Sie den Positionsregler und für die Skalierung der Zeitachse den SEC/DIV-Regler. Damit ändern Sie die horizontale Skala ALLER Signale. Dies ist zum Beispiel dann sinnvoll, wenn Sie nur einen Zyklus des Signals anzeigen möchten, um einen Überschwinger an der ansteigenden Flanke zu messen. E: Triggerung Der Trigger legt fest, wo das Oszilloskop beginnt, ein Signal anzuzeigen. Mit der MENÜ -Taste können Sie den Kanal, den Sie triggern möchten, auswählen. Das Menü erscheint am rechten Bildschirmrand. Um den Triggerwert zu ändern, benutzen Sie den Pegelregler. Der Triggerwert muss kleiner als die Amplitude sein, sonst lässt sich kein sauberes Signal darstellen. Mit dem Knopf Pegel auf 50% lässt sich der Triggerwert auf die Hälfte der Spitze-Spitze-Spannung einstellen (bei einem Sinussignal entspräche das dem Nulldurchgang). Zudem kann eingestellt werden, ob bei einer positiven oder negativen Flanke getriggert werden soll. Triggerwertbereich A1_V7.doc vom :21:00 Seite 4

10 A/D-Technik Praktikum A1 Pulsmessung F: Messungen vornehmen Das Oszilloskop zeigt Diagramme der Spannung im Bezug zur Zeit an und unterstützt Sie bei der Messung des angezeigten Signals. Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Durchführung von Messungen. Sie können die Rastermessung, Cursormessung oder eine automatische Messung vornehmen. Rastermessung. Mit dieser Methode können Sie eine schnelle, visuelle Schätzung vornehmen. Zählen Sie dazu die entsprechenden kleinen und großen Skalenteile des Rasters und multiplizieren diese mit dem Skalierungswert (B.9, B.10). Wenn Sie zum Beispiel zwischen dem kleinsten und dem größten Wert des Signals fünf große, vertikale Skalenteile des Rasters gezählt haben und der Skalenfaktor 100 mv/div beträgt, können Sie die Spitze-Spitze-Spannung auf folgende Weise einfach berechnen: 5 Skalenteile x 100 mv/div = 500 mv. Cursormessung. Mit dieser Methode können Sie Messungen vornehmen, indem Sie die stets als Paar auftretenden Cursor bewegen und deren numerische Werte (Position oder Abstand zueinander) von der Anzeige ablesen. Sie können zwischen Spannungs- und Zeitcursor wählen. Automatische Messung. Bei dieser Methode führt das Oszilloskop alle Berechnungen für Sie durch. Diese Messungen sind präziser als die Raster- oder Cursormessungen. Es lassen sich Frequenz, Spitze-Spitze-Spannung, Effektivwert und Mittelwert am rechten Bildschirmrand anzeigen. A B C 2.2 Der Funktionsgenerator A: Ein Funktionsgenerator erzeugt zeitabhängige Spannungen. In unserem Fall kann die Frequenz der Signale von weniger als einem Hz bis zu etwa 220kHz eingestellt werden. Die Signalform kann ebenfalls mit folgenden Formen ausgewählt werden: Sinus, Dreieck, Rechteck und Rechteck mit einstellbarem Tastverhältnis. Die Signalamplitude kann bis zu maximal 10V eingestellt werden. Damit ist die Spitze- Spitze-Spannung also höchstens 20V. B: Das Signal wird an den Anschlüssen OUT und 0V ausgegeben. Die Spannung zwischen -20dB und 0V ist ein Zehntel davon, die zwischen -40dB und 0V ein Hundertstel. So lassen sich auch Spannungen im Millivolt-Bereich gut erzeugen. C: Zusätzlich hat unser Funktionsgenerator noch einen Ausgang für TTL-Signale. Das sind Rechteckspannungen, die zwischen 0V und 5V wechseln. Ihre Amplitude kann also nicht eingestellt werden, nur ihre Frequenz. A1_V7.doc vom :21:00 Seite 5

11 A/D-Technik Praktikum A1 Pulsmessung B A C 2.3 Die Spannungsversorgung Die Spannungsversorgungseinheit (das Netzteil) enthält mehrere Quellen für Gleich- und sinusförmige Wechselspannungen. Die Netzfrequenz beträgt 50 Hz Gleichspannungen A: Das Gerät enthält eine Gleichspannungsquelle mit einer festen Gleichspannung von 5V. B: Es enthält außerdem eine regelbare Doppelspannungsquelle mit einer Ausgangsspannung zwischen 0V und maximal 30V. Der obere Anschluss ist immer positiv gegenüber dem mittleren Anschluss, der untere ist immer negativ gegenüber dem Mittleren Wechselspannungen C: Das Gerät enthält einen Transformator mit mehreren Abgriffen. Zwischen dem unteren Anschluss des Transformators und den 3 oberen Anschlüssen liegen Wechselspannungen mit 6V, 12V bzw. 24 Volt Effektivspannung an. A1_V7.doc vom :21:00 Seite 6

12 A/D-Technik Praktikum A1 Pulsmessung 2.4 Das Multimeter Dies ist ein elektronisches Multifunktionsmessgerät, welches wahlweise die Spannung (Voltmeter), den Strom (Amperemeter) oder den Widerstand (Ohmmeter) bestimmen kann. Mit dem Wahlschalter können die gewünschte Messgröße und der gewünschte Messbereich eingestellt werden. Anzeige EIN / AUS Gleichspannung Widerstandmessung Wahlschalter / Messgröße Testsignal Gleichstrommessung Wechselspannungsmessung Wechselstrommessung Messeingang Strom bis 2A Messeingang Strom bis 200mA Nullpunkt Messeingang V,Ω 3 Grundlagen zur Pulsmessung mit Fotowiderstand und Lampe Bekanntlich wird das Blut vom Herzen durch die Adern gepumpt. So schwankt der momentane Blutdruck immer zwischen einem maximalen (systolischen) und einem minimalen (diastolischen) Wert. Daher befindet sich z.b. im Ohrläppchen oder in der Fingerspitze während der systolischen Phase etwas mehr Blut als in der diastolischen Phase. Da Blut einen Teil des Lichts absorbiert, sollte in ersterer Phase also auch etwas mehr Licht absorbiert werden als in letzterer. Mit bloßem Auge ist der Unterschied nicht zu erkennen, mit der richtigen Messtechnik hingegen schon. Die besteht in unserem Fall aus einer 12V-Lampe und einem Fotowiderstand (LDR). Das ist ein Halbleiterbauteil, dessen Widerstand umso kleiner wird, je mehr Licht auftrifft. In der systolischen Phase wird das Licht etwas stärker absorbiert, also fällt etwas weniger Licht auf und der Widerstand wird etwas größer. Mit einem zweiten Widerstand zu einem Spannungsteiler zusammengeschaltet sollte die Spannung am LDR in der systolischen Phase größer werden. Wenn die Spannung am LDR geschickt gemessen wird (das lernen Sie hoffentlich in diesem Versuch) sollte sich in etwa folgendes Bild ergeben: A1_V7.doc vom :21:00 Seite 7

13 A/D-Technik Praktikum A1 Pulsmessung 4 Vorarbeiten 4.1 Arbeiten Sie die ganze Anleitung durch und definieren Sie die Praktikumsziele des Versuches in Ihrem Laborbuch. 4.2 Ermitteln Sie aus dem Oszilloskop Bild die unten in der Tabelle genannte Werte. Spitze-Spitze-Spannung Effektivspannung Periode Triggerspannung Triggerzeitpunkt Frequenz Amplitude Erläutern Sie kurz, wozu man die AC- und DC-Kopplung im Oszilloskop nutzt. Dimensionieren sie den unbekannten Widerstand im Spannungsteiler. +12V 330 kohm R2 +4V GND GND A1_V7.doc vom :21:00 Seite 8

14 A/D-Technik Praktikum A1 Pulsmessung Versuchsdurchführung Stellen Sie sich folgendes Szenario vor: Sie arbeiten in einem Unternehmen, das gerade verschiedene elektrische Messgeräte gekauft hat. Sie sind dort als Ingenieur eingestellt und der/die Verantwortliche für den technischen Bereich. Aufgaben:!!! Ihre Übung (Multimeter bedienen) Bauen Sie eine Schaltung auf dem Experimentierboard. Die Schaltung soll eine 12V Glühlampe zum Leuchten bringen. Dabei sollen Sie die Spannung und den Strom gleichzeitig messen. Übung (Multimeter bedienen) Bauen Sie den zu Hause vorbereiteten Spannungsteiler parallel zu der Glühlampe auf dem Experimentierboard auf. Überprüfen Sie Ihren berechneten Widerstandswert. Laborbuch (Anleitung schreiben) Das an Ihrem Arbeitsplatz befindliche digitale Oszilloskop soll in Betrieb genommen werden. Die Aufgabe besteht darin, ein Sinussignal im mv-bereich qualitativ (messbar) darzustellen und eine Anleitung in ihrem Laborbuch zu verfassen. Dokumentieren Sie die Vorgehensweise stichpunktartig und beschreiben Sie zusätzlich, wie man die Messwerte ablesen kann. Die Anleitung werden Sie bei weiteren Praktika benötigen.!! Übung (Oszilloskop bedienen) Der an Ihrem Arbeitsplatz befindliche Funktionsgenerator soll in Betrieb genommen werden. Definieren Sie den minimalen und den maximalen Frequenzbereich des Funktionsgenerators. Stellen Sie die beiden Frequenzen am Oszilloskop dar. Laborbuch / Wissenschaftliche Ausarbeitung (Pulsmesser entwickeln) Notieren Sie alle Schritte und Beobachtungen in Ihrem Laborbuch, als Grundlage für Ihre schriftliche Ausarbeitung. Vergessen Sie nicht, nach jedem Versuch immer das Oszilloskobild aufzunehmen. Wenn man eine Taschenlampe in einem dunklen Raum unter einen Daumen hält, kann man ein pulsierendes Signal beobachten. Das Prinzip soll im Labor nachgebaut werden und zu einem Pulsmesser entwickelt werden. Dazu wird eine Schaltung mit Glühlampe und Fotowiderstand notwendig sein, die wie in Abbildung 3 aussehen kann. A1_V7.doc vom :21:00 Seite 9

15 A/D-Technik Praktikum A1 Pulsmessung Abbildung 3: Schaltbild zur Pulsmessung; Kondensator optional; das Oszilloskop ist hier durch seinen Innenwiderstand dargestellt. Bauteile dimensionieren Vor dem Aufbau der Schaltung müssen das Verhalten und die Werte des Fotowiderstandes bekannt sein (und protokolliert werden), um einen geeigneten Vorwiderstand für den Spannungsteiler auswählen zu können. Notwendig sind dabei mindestens zwei Widerstandswerte: im von der Lampe beleuchteten und mit dem Daumen abgedunkelten Fall. Grenzfrequenz bestimmen (Hochpassfilter) Wenn der Vorwiderstand richtig dimensioniert ist, soll das Pulssignal mit dem Oszilloskop aufgenommen werden. Dazu müssen noch die Oszilloskopachsen richtig eingestellt werden. Die Grenzfrequenz der AC-Kopplung des Oszilloskops beträgt 10Hz. Somit werden kleinere Frequenzen als 10Hz stärker abgeschwächt. Überprüfen Sie, ob die Grenzfrequenz des Oszilloskops für eine Pulsmessung ausreichend ist. Schauen Sie sich auch die DC-Kopplung an. Danach entwickeln Sie eine eigene AC-Kopplung. Dazu muss das Oszilloskop auf DC Kopplung gestellt werden und ein entsprechender Kondensator gewählt und vorgeschaltet werden. Notieren Sie Ihre Beobachtungen und nehmen Sie Oszilloskopbilder auf. Eigene Pulsmessung Bestimmen Sie mit dem funktionierenden Aufbau schließlich Ihre eigene Pulsfrequenz im Ruhezustand und nach kurzer Belastung (z.b Kniebeugen oder Treppensteigen). Nehmen Sie die Signalverläufe jeweils auf. Messen Sie den Puls beide Male zum Vergleich auch von Hand (Handgelenk, Hals o.ä.). A1_V7.doc vom :21:00 Seite 10

16 Versuch: D1 Gatter und Flipflops Vorbemerkung Es ist nicht beabsichtigt, daß Sie einfach eine vorgegebene Versuchsanordnung abarbeiten. Sie sollen die hier angewendeten Zusammenhänge erkennen und verstehen. Dazu kann es sinnvoll sein, den vorgeschlagenen Aufbau oder einzelne Parameter zu ändern und die resultierenden Ergebnisse zu betrachten. Scheuen Sie sich also nicht, herumzuspielen. Allerdings ist reines Probieren blind, Sie müssen versuchen, die Effekte auch theoretisch, durch Nachdenken und Nachrechnen, zu verstehen. Ziel dieses Versuches: Kennenlernen des Experimentiersystems WWT-Aufnahme einfacher Logikgatter Aufbau einiger zusammengesetzter Schaltkreise Vorkenntnisse: Wahrheitswerttabellen von einfachen Gattern, das Verhalten von diversen Flipflops kennenlernen.. Inhalte: Logische Gatter, einfache logische Schaltungen, RS-FF, getaktete RS-FF, JK-FF, benötigte Hilfsmittel Protokollbuch (DIN A4-Kladde, kariert), Millimeterpapier Prof. Dr. Rose FH Münster Stegerwaldstr Steinfurt Tel: 02551/ Fax: 02551/

17 A/D-Technik Praktikum D1 Gatter und Flipflops 1 Vorarbeiten (vor dem Versuch zu Hause): Lesen Sie diese Anleitung sorgfältig durch. Schreiben Sie zusätzlich zu den üblichen Angaben in ihr Protokollbuch: die WWT für UND, ODER, NAND, NOR, XOR zeichnen Sie Halb- und Volladdierer mit ihren WWT, welche Bausteine müssen in den Schaltbildern auf Seite 4 eingefügt werden? erläutern (mit WWT) und zeichenen Sie den Multiplexer aus dem letzten Kapitel. zeichnen Sie die beiden RS-FF-Typen und schreiben Sie deren Zustandstabelle, beschreiben Sie, wieviel Zustände getestet werden müssen, um die Funktion des RS-FF zu überprüfen zeichnen Sie einen JK-FF aus getakteten RS-FFs und schreiben Sie die Zustandstabelle, Welcher Zustand heißt Toggle-Zustand Diese Vorarbeiten werden überprüft, bevor Sie die Versuche beginnen dürfen. Bemerkung: In den Anleitungen werden Sie oft den Ausdruck lesen: Testen Sie die Schaltung. Damit ist bei digitalen Schaltungen gemeint: überlegen Sie sich, wie viel unterschiedliche Zustände die Schaltung haben kann, notieren Sie die dazugehörige (theoretische) WWT, überprüfen Sie (experimentell), welche Zustände die Schaltung tatsächlich einnimmt Vergleichen Sie die experimentellen und die erwarteten (theoretischen) Werte Stellen Sie fest, ob beide übereinstimmen. D1_V2.doc vom :48:00 Seite 2

18 A/D-Technik Praktikum D1 Gatter und Flipflops 2 Einführung Alle logischen Verknüpfungen, die Sie in der Vorlesung kennengelernt haben, können auch durch elektronische Schaltungen realisiert werden. Im einfachsten Fall kann dies durch elektrische Schalter geschehen. Ein UND-Verknüpfung ist dann die Reihenschaltung, eine ODER-Verknüpfung die Parallelschaltung von zwei Schaltern. Die moderne Realisierung geschieht natürlich durch integrierte Schaltungen. Diese IC s werden Sie im Laufe der Vorlesung noch kennenlernen. Für die Durchführung diese Praktikums wird jedoch von der konkreten Form der Schaltungen abgesehen. Nur die logische Funktion wird betrachtet werden. Die elektrischen Eigenschaften der Gatter dürfen aber beim Aufbau einer Schaltung nicht außer Acht gelassen werden. Bei den im Praktikum verwendeten TTL-Bausteinen sind insbesondere folgende Größen wichtig: typische TTL-Größen Eingang Ausgang Betriebsspannung + 5V +- 5% Low-Level 0...0,8V, I<-1,6mA 0...0,4V, I<-16mA High-Level 2,0...5,0V, I< 40µA 2,4...5,0V, I<400µA Treiberfähigkeit 10 Signallaufzeiten > 10 ns Leistungsaufnahme > 10mW/Gatter 3 Das Experimentiersystem Es wird ein System mit Steckgehäusen benutzt. In jedem Gehäuse befindet sich eine Schaltung mit einem oder mehreren IC's. Die Spannungsversorgung wird über die rückwärtigen Stecker und das Steckbrett sichergestellt. Auf der Vorderseite der Gehäuse befinden sich die Ein- und Ausgänge sowie die Schaltsymbole der Gatter. Die Betriebsspannung wird über eine Adapter/Clock erzeugt. In diesem Gehäuse befinden sich ein Taster, mit dem manuell einzelne logische Impulse erzeugt werden, und eine Clock, die Rechteckpulse von 50/50Hz = 1Hz, 50/2Hz = 25Hz und 50/60Hz erzeugt. Die Bausteine sind mit ihren englischen Bezeichnungen beschriftet. AND = UND, OR = ODER, NOT = Negation, NAND = negiertes UND, NOR = negiertes ODER, XOR = Exklusives ODER. Logische Signale werden mit speziellen Schaltern eingegeben. Zur Anzeige logischer Zustände dienen LED' s, die am Ausgang des ersten Gatters in jedem Gehäuse angeschlossen sind. 3.1 Versuche zu den grundlegenden Gattern A Nehmen Sie für drei Bausteine ihrer Wahl die WWT auf. A Natürlich kann man auch Verbindungen hintereinander schalten. Bauen Sie die Schaltungen auf für -a*-b und für - (a+b). Zeichnen Sie die Schaltbilder und nehmen Sie die WWT' s auf. Welches Ergebnis erhalten Sie für die beiden Verknüpfungen? A Berechnen Sie die WWT s und vergleichen Sie. D1_V2.doc vom :48:00 Seite 3

19 A/D-Technik Praktikum D1 Gatter und Flipflops 4 Elektrische Eigenschaften Laufzeit (wird demonstriert) Von den elektrischen Eigenschaften soll die Laufzeit untersucht werden. Da diese im Bereich 10ns liegen, können Sie mit unserem Equipment am besten untersucht werden, wenn mehrere Gatter in Reihe geschaltet werden und sich ihre Laufzeiten addieren. Aber auch dann muß noch eine schnelles Oszilloskop verwendet werden. Benutzen Sie als Signalquelle einen QUARTZ-OSCILLATOR Baustein. Er liefert sehr stabile Rechteckpulse von bis zu 2048 Hz. Bei der Laufzeitmessung ist die Frequenz unbedeutend, wichtig ist, daß die logischen Rechtecksignale gut definierte Flanken haben. A Wie groß ist die Anstiegszeit der Signalflanken (gemessen von 10% bis 90% des Maximums)? A Schalten Sie 4 Inverter in Reihe, legen Sie ein TTL-Signal an und bestimmen Sie die Verzögerungszeit eines Inverters. A Wiederholen Sie die Messung mit 4 in Reihe geschalteten UND s, deren Eingänge parallel geschaltet sind. A Vergleichen Sie die Laufzeiten von Inverter und UND. 5 Addierschaltungen Natürlich kann man mit logischen Gattern auch rechnen. Dazu werden die beiden Zustände "Spannung hoch = 1 und " Spannung niedrig " = 0 nicht als Wahrheitswerte, sondern als Repräsentationen der Dualzahlen O und 1 aufgefaßt. Zur Veranschaulichung der grundlegenden Arbeitsweise wird ein Halbaddierer aufgebaut. Mit einem Halbaddierer wird die Surnme von zwei (einstelligen) Dualzahlen gebildet. Diese Summe kann zweistellig sein. Jede der beiden Summenstellen wird als eigene Verknüpfung aufgefaßt, sie werden mit Sumrne ( s ) und Übertrag ( ü ) bezeichnet. Das prinzipielle Schaltbild sieht also wie folgt aus. A Übertragen Sie die Tabelle für die Addition in eine WWT. A Bauen Sie die Schaltung mit den richtigen logischen Gattern für ü und s auf. Zeichnen Sie das Schaltbild und nehmen Sie die WWT auf. a b? ü Abb. 1: Halbaddierer? s In einem Volladdierer werden drei Binärzahlen addiert. Man benutzt dazu zwei Halbaddierer und ein weiteres logisches Gatter. A Welches Gatter bauen Sie ein? A Bauen sie die Schaltung auf und nehmen Sie die WWT auf. 6 Multiplexer Bauen Sie eine Schaltung auf, die, von einem Steuereingang s gesteuert, einen von 2 Eingängen x und y auf den Ausgang z schaltet. D.h. also: wenn s=0 ist, soll z=x sein, wenn s=1 ist, soll z=y sein. Zeigen und protokollieren Sie, ob sie richtig funktioniert. a b c HA Abb. 2 Volladdierer s1 ü1 HA ü2? s ü D1_V2.doc vom :48:00 Seite 4

20 A/D-Technik Praktikum D1 Gatter und Flipflops 7 RS Flip Flops Alle bisherigen Schaltnetze waren linear aufgebaut, es gab keine Verbindungen zwischen Ausgang eines Bausteins und dem Eingang diese Bausteins. A Bauen Sie eine rückgekoppelte Schaltung mit NAND-Gliedern (Abb.1) auf. A Protokollieren Sie, wie die Ausgangszustände von den Eingangszuständen abhängen. Von welchem Startzustand müssen Sie ausgehen, damit die Ausgänge eindeutig definiert sind. Versuchen Sie, alle Abb. 1 RS Flipflop möglichen Folgen von Systemzuständen zu erfassen. Wie können Sie dieses Verhalten in eine möglichst kurze Tabelle bringen? A Beantworten sie die gleichen Fragen für eine RS-Flipflop aus NOR s. Warum ist die eingezeichnete Bezeichungsweise für die Eingänge sinnvoll? A Überprüfen Sie, welche Zustandstabelle die vorhandenen integrierten RS-FF haben. 8 JK-Flip Flop und 7-Segmentanzeige Aus getakteten RS Flip Flops kann man einen Master Slave FF aufbauen, der aber immer noch einen dieser unerwünschten Signalzustände aufweist. Dies kann man verhindern, wenn man die Ausgänge noch einmal auf die Eingänge R S zurückführt. So erhält man einen JK-Flipflop. Er hat unter anderem den Toggle-Zustand, wenn J=K=1 ist. Dabei ändert sich bei jedem Takt der Ausgang. Damit arbeitet der JK-Flipflop als Takthalbierer. Das kann ausgenutzt werden, um einen Zähler aufzubauen. A Bauen Sie aus 2 JK-Flipflop einen mod4 Zähler und testen Sie ihn. Der Ausgangszustand wird hier binär angezeigt. Mit einer 7.Segment-Anzeige kann dies schöner angezeigt werden. Im Experimentierset befindet sich das sog. LED-Display. Dies ist eine 7-Segment Anzeige mit einer internen Logikschaltung. Damit wird ein 4 Bit Datum, das an die linken Eingangsanschlüsse angelegt wird, als Hex-Zahl (0,1 8,9,A,B F)angezeigt. A Testen Sie die 7-Segmentanzeige, so dass Sie wissen, wie sie beschaltet werden muss. A Verbinden Sie den mod-4 Zähler mit der 7-Segmentanzeige. (Achtung: der Zähler erzeugt ein 2 Bit Datum, die Anzeige benötigt 4 Bit. Wie müssen die restlichen Eingänge der Anzeige beschaltet werden? Mit 1 oder mit 0? Oder ganz anders? Testen Sie die Schaltung. A Verändern Sie den Zähler jetzt so, dass er nur bis 2 einschließlich zählt ( mod3 Zähler). Testen Sie die Schaltung. D1_V2.doc vom :48:00 Seite 5

21 Praktikum Analog- und Digitaltechnik Versuch A2 Transistorschaltung Inhalt dieses Versuches: Verständnis von bipolar Transistoren als Schalter oder Verstärker Aufbau eines Brückengleichrichters Aufbau einer Spannungskonstanthaltung mit Transistor Entwicklung eines Netzteils, um z.b ein Smartphone aufzuladen Inhalte:. Transistor, Transistorschalter, Funktionsgenerator (TTL-Signal) Vorkenntnisse: Funktionsweise eines einfachen Transistormodells Prof. Dr. Rose FH Münster Stegerwaldstr Steinfurt Tel: 02551/ / -166 Fax: 02551/ ROSE@FH-MUENSTER.DE

22 A/D-Technik Praktikum A2 Transistorschaltungen 1 Einleitung Das Praktikum besteht aus zwei Teilen. Im ersten Teil des Versuches sollen Sie üben Schaltungen mit Transistoren aufzubauen. Diese Schaltungen werden wir verwenden, um auf unterschiedliche Weise eine Glühlampe zu schalten. Dabei müssen Sie die Messgeräte die Sie im ersten Praktikum schon kennengelernt haben, verwenden. Die erste Schaltung, die Sie im Praktikum aufbauen werden, wird mit einem TTL-Signal (Rechtecksignal) gesteuert. Das hier verwendete Steuersignal wird durch einen Funktionsgenerator erzeugt und hat bei dem Praktikum nur einen didaktischen Hintergrund. In der Praxis wird so ein TTL-Signal durch digitale Computersignale realisiert. Durch die Übungen sollen die grundlegenden Anwendungen des Transistors und Kondensators erlernt werden. Im weiteren Verlauf des Praktikums müssen Sie eine Schaltung dimensionieren, um ein Smartphone laden zu können. Dabei liegt der Schwerpunkt der Aufgabe das Verständnis zu erlangen, welche Rolle die einzelnen Bauteile in der Schaltung haben. 2 Grundlagen 2.1 Transistor als Schalter Ein Transistor kann als Schalter verwendet werden. Möchte man eine 3W Glühlampe mit einem Transistor an- und ausmachen, müssen zwei Stromkreise vorhanden sein. - Verbraucherstromkreis. Hier wird eine Glühlampe eingebaut, die mit einer Spannungsversorgung von z. B. 12V betrieben wird. - Steuerstromkreis. Der Stromkreis wird benötigt, um den Transistor anzusteuern. In Allgemeinen kann man sagen, dass in dem Praktikum die Glühlampe mit einem TTL-Signal geschaltet wird, welches 0 und 5V liefert. Im Praktikum erhalten Sie das TTL-Signal am Funktionsgenerator. A B Abbildung 1: Einfacher Transistorschalter in zwei Varianten A & B. Bei der Variante B wird das Steuersignal durch die Spannungsversorgung des Verbraucherstromkreises sichergestellt. Eine Spannung über den Basiswiderstand R, z.b. bei 5 Volt des TTL-High-Pegels, führt abhängig von dessen Widerstandswert zu einem Stromfluss zwischen Basis und Emitter des Transistors. Das wiederum ermöglicht einen größeren Stromfluss zwischen Kollektor und Emitter. Das Verhältnis zwischen ICE und IBE ist die Stromverstärkung B, die im Datenblatt des Transistors zu finden ist. Version vom :20:00 Seite 2

23 A/D-Technik Praktikum A2 Transistorschaltungen 2.2 Netzteil mit Brückengleichrichter und Spannungskonstanthaltung Wechselspannung muss für den Betrieb von vielen elektrischen Geräten zunächst in Gleichspannung umgewandelt werden. Diese sollte möglichst konstant sein, da Schwankungen zu Fehlern und unerwartetem Verhalten führen. Zwei einfache Schaltungen erlauben, dieses Ziel zu erreichen: Ein Brückengleichrichter kombiniert mit einem Spannungskonstanthalter. Abbildung 2: Ein Brückengleichrichter mit Siebkondensator Der Brückengleichrichter sollte prinzipiell bekannt sein und wird aus vier Dioden aufgebaut. Zur Glättung der Ausgangsspannung wird ein Siebkondensator C1 benutzt. Die Ausgangsspannung wird dann von der folgenden Schaltung konstant gehalten (siehe Abb. 3). Diese wird als Spannungskonstanthalter bezeichnet. Der Spannungskonstanthalter wird beispielsweise in Netzgeräten eingesetzt, um bei Schwankungen der Netzspannung oder des Gerätestromes eine konstante Versorgungsspannung zu liefern. Die Funktionsweise haben wir in der Vorlesung behandelt. Uin wird vom Ausgang der Gleichrichterschaltung geliefert und ist um den Faktor Wurzel 2 größer als die Wechselspannung am Eingang. Der Spannungsfolger ist ein Emitterfolger. Die Basis liegt auf einem Potential UB, das durch die beiden Zenerdioden vorgegeben ist. An der Basis-Emitter-Strecke fallen typisch 0,7 V ab, falls der Transistor leitet. Damit ist das Emitterpotential UE bestimmt. Aus dem maximal erwarteten Ausgangsstrom und der Stromverstärkung erhält man den Basisstrom. Daraus kann R1 dimensioniert werden. Abbildung 3: Spannungskonstanthalter mit dazugehörigen Bauteilen Version vom :20:00 Seite 3

24 A/D-Technik Praktikum A2 Transistorschaltungen 3 Vorarbeiten 2.1 Arbeiten Sie die ganze Anleitung durch und definieren Sie die Praktikumsziele des Versuches in Ihrem Laborbuch. 2.2 Beschreiben Sie mit eigenen Worten, wie ein Transistor prinzipiell arbeitet. Die genauen inneren, physikalischen Vorgänge interessieren weniger. Zeichnen Sie das Schaltzeichen des npn Transistors mit Beschriftung der Anschlüsse. 2.3 Dimensionieren sie den Transistorschalter aus Abb. 1-A. Die folgende Tabelle und das Datenblatt im Anhang können als Orientierungshilfe dienen. Wichtige Entwurfsparameter: Daraus ergeben sich: Betriebsspannung (Verbraucherstromkreis) Maximale Eingangsspannung (Steuerstromkreis) Leistung am Verbraucher Strom durch Verbraucher Basisstrom Spannungsabfall am Basiswiderstand Größe des Basiswiderstandes Max. Verlustleistung am Basiswiderstand 2.4 Wozu dient ein Brückengleichrichter? Zeichnen Sie qualitativ den Spannungsverlauf der Eingangsspannung, der Ausgangsspannung und der Ausgangsspannung mit einem Siebkondensator. 2.5 In der letzten Aufgabe soll ein Netzteil für Ihr Smartphone aufgebaut werden. Wir nehmen an Ihr Smartphone benötigt 5V und 500 ma. Wie groß muss R1 und Rz (Rz1+Rz2) aus Abb. 3 sein, wenn der Spannungskonstanthalter nach dem Brückengleichrichter aus der Abb. 2 angeschlossen ist? Version vom :20:00 Seite 4

25 A/D-Technik Praktikum A2 Transistorschaltungen 4 Versuchsdurchführung Stellen Sie sich folgendes Szenario vor: Sie arbeiten in einem Unternehmen der Automobilindustrie. Dort gestalten und prüfen Sie als Ingenieur Schaltungen für die Fahrzeuge. In den Fahrzeugen soll die Glühlampe der Innenbeleuchtung beim öffnen der Tür durch einen Schließkontakt im Scharnier automatisch eingeschaltet werden. Dazu soll ein Transistorschalter benutzt werden, der die Glühlampe über ein 5 V-Steuersignal schaltet. Ein häufig geäußerter Kundenwunsch ist, dass die Beleuchtung nach dem Schließen der Tür nicht sofort ausgeht, sondern wenigstens noch ein paar Sekunden an bleibt. Somit soll die bestehende Schaltung so angepasst werden, dass dieser Wunsch erfüllt wird.! Übung (Schaltung mit einem npn Transistor aufbauen) Ihre Aufgabe ist es, die aufzubauende Schaltung (siehe Abb. 1 A) zu verstehen. Dazu sollen Sie, verschiedene Basiswiderstände ausprobieren. Hier soll die Frage beantwortet werden: Was bewirken unterschiedliche Basiswiderstände? Um das rauszufinden, benutzen Sie die vorhandenen Messgeräte wie das Multimeter und das Oszilloskop. Am Ende der Übung sollen Sie Ihre Erkenntnisse dem Betreuer einmal erklären.! Übung (Verzögerungsschalter aufbauen) Ihre Aufgabe ist es, die Schaltung aus Abb. 1 B aufzubauen. Überlegen Sie, wo in der Schaltung ein Kondensator eingebaut werden soll, damit die Glühlampe 1 bis 3s nachleuchtet. Die Zeit können Sie selbst bestimmen. Zweite Frage: Wie muss der Kondensator und der Widerstand dimensioniert werden? Nutzen Sie dabei Ihr Wissen aus der ersten Übung. Stellen Sie den Spannungsverlauf auf dem Oszilloskop dar und zeigen Sie das Ergebnis Ihrem Betreuer.! Laborbuch / wissenschaftliche Ausarbeitung (Netzteil entwickeln) Während einiger Arbeiten in der Elektronikwerkstatt beschwert sich Ihr Smartphone über den niedrigen Akkuladestand. Da Sie noch einen wichtigen Anruf erwarten, sollte es zügig geladen werden. Ein Ladegerät hat aber niemand zur Hand, und beim einzig auffindbaren MicroUSB-zu- USB-Kabel wurde der USB-Stecker abgeschnitten. Bauen Sie daher aus vorhandenen Bauteilen ein provisorisches Ladegerät, das stabile 5V und maximal 500 ma am Ausgang liefert. Erzeugen Sie also mit dem Brückengleichrichter eine geglättete Gleichspannung für einen Spannungskonstanthalter. Testen und prüfen Sie die Schaltung am Ausgang auf Tauglichkeit. Versuchen Sie sich zu erklären, welche Rolle die einzelnen Bauteile in der Schaltung haben? Version vom :20:00 Seite 5

26 A/D-Technik Praktikum A2 Transistorschaltungen 5 Anhang Version vom :20:00 Seite 6

27 Versuch: D2 Zähler und Ampelschaltung Ziel dieses Versuches: asynchrone und synchrone Zähler entwerfen, aufbauen und untersuchen, damit eine Ampelschaltung betreiben Inhalte: asynchroner 4 Bit-Zähler, asynchroner Dezimalzähler, synchroner 3 Bit Zähler, synchroner mod 3 Zähler,Ampelschaltung Vorkenntnisse: JK-FF, T-FF, Entwurf asynchroner und synchroner Schaltungen Vorarbeiten (zu Hause vor dem Versuch): Entwurf eines asynchronen 4 Bit-Zählers und eines synchronen mod-3 Zählers mit D- FF (0,1,2,0...), Entwurf der Ampelschaltung benötigte Hilfsmittel Protokollbuch (DIN A 5-, besser DIN A4-Kladde, kariert) Prof. Dr. Rose FH Münster Stegerwaldstr Steinfurt Tel: 02551/ Fax: 02551/ ROSE@FH-MUENSTER.DE

28 1 Vorarbeiten: Erläutern und zeichnen Sie den asynchronen 4 Bit-Zähler Erläuterung Schaltbild A/D-Technik Praktikum D2 Zähler und Ampelschaltung Erläutern (mit Zustandsdiagramm) und zeichnen Sie den synchronen mod-3 Zähler mit flankengetriggerten D-FF Erläuterung Schaltbild Entwerfen Sie die Ampelschaltungen aus Kapitel 3 D2_V2.doc vom :49:00 Seite 2

29 2 Einleitung A/D-Technik Praktikum D2 Zähler und Ampelschaltung Zähler sind typische, in vielen Anwendungen eingesetzte Bausteine der Digitaltechnik. Darüberhinaus kann man an ihnen auch die typischen Entwurfsmethoden für sequentielle Schaltungen studieren. Sie sind aus flankengesteuerten Flipflops aufgebaut, wobei meist T-FF oder D-FF verwendet werden. Abb. 1 Untersuchungen an Zählern, der innere Aufbau der Zählschaltungen wir in den einzelnen Versuchsteilen entwickelt. Bei asynchronen Zählern können Takt- und Datenleitungen miteinander verbunden werden, sie sind daher meist recht einfach aufgebaut. Allerdings addieren sich in diesen Schaltungen die Laufzeiten der hintereinandergeschalteten Flipflops. Zusätzlich werden die Flipflops zu unterschiedlichen Zeiten getaktet. Dadurch werden die Zeitbereiche, in denen alle Flipflops das richtige Zählergebnis anzeigen, immer kleiner. Eine verläßliche Datenausgabe wird schon bei mittleren Zählraten unmöglich. Bei synchronen Zählers werden Takt und Datenleitungen rigoros getrennt gehalten. Alle Flipflops werden vom gleichen Taktsignal gesteuert. Derartige Schaltungen können auch bei hohen Frequnzen sicher betrieben werden, wobei die maximal zulässige Taktfrequenz aus dem Schaltbild und den typischen Bauelementezeiten berechnet werden kann. D2_V2.doc vom :49:00 Seite 3

30 3 Eine Ampelschaltung D2_V2.doc vom :49:00 Seite 4 A/D-Technik Praktikum D2 Zähler und Ampelschaltung In diesem Versuch können Sie eine typische Zeitsteuerung kennenlernen. Das Ausgangsmuster eines Zählers dient als Eingabe für eine logische Schaltung. Entsprechend der Taktrate des Zählers werden dann die gewünschten Zustände durchgeschaltet. Beispiele sind Ablaufsteuerungen für Wasch- und Spülmaschinen oder, wie in diesem Versuch, Verkehrsampeln. Heutzutage wird in der Praxis allerdings meist die unflexible Ablaufsteuerung durch eine flexible, sensorisch ausgerüstete Regelung mit Mikroprozessoren ersetzt. So wird in Haushaltsgeräten der Verschmutzungsgrad des Waschwassers, die aktuelle Temperatur, der Härtegrad des Wassers oder der Beladungszustand gemessen und der Reinigungsvorgang entsprechend geregelt. Damit sind komfortable, ressourcenschonende und kostensparende Prozesse möglich. Auch wird es einfacher, die zeitliche Abfolge zu ändern. Nichtsdestoweniger gibt es immer noch viele Anwendungen für solche Schaltungen. Als erstes muss man die unterschiedlichen Zustände und ihren zeitlichen Ablauf festlegen. Wir wollen eine Ampel im Sekundentakt ansteuern und einen kompletten Zyklus in 16 Sekunden durchlaufen lassen. Der Einfachheit halber betrachten wir für die Haupt- und Nebenstraße nur jeweils eine Ampel, also keine zusätzliche Fußgänger- oder Abbieger Ampel. Eine besonders einfache Logik erhält man bei dem Ablauf in folgender Tabelle, der dummerweise aber nicht verkehrssicher ist. Stellen Sie die WWT für diese einfache Ampelschaltung auf. Für 16 Takte werden 4 Bit benötigt. Sie benötigen also einen 4 Bit-Zähler, z.b. einen asynchronen Zähler. Dessen Ausgänge sind mit A,B,C,D bezeichnet. Die Ausgänge der Logikschaltung werden mit Rot, Gelb und Grün jeweils für Haupt und Nebenstraße bezeichnet. Dabei heißt 1 - Lampe leuchtet, 0 Lampe leuchtet nicht. Takt D C B A Hauptstraße Nebenstraße Rot H Ge H Gr H Rot N Ge N Gr N Grün Rot Grün Rot 2 0 Grün Rot 3 0 Grün Rot 4 0 Grün Rot 5 0 Grün Rot 6 0 Grün Rot 7 0 Gelb Rot-Gelb 8 1 Rot Grün 9 1 Rot Grün 10 1 Rot Grün 11 1 Rot Grün 12 1 Rot Grün 13 1 Rot Grün 14 1 Rot Grün 15 1 Gelb-Rot Gelb Jetzt können Sie für die 6 Ausgänge die logische Verknüpfung aufstellen, z.b. über Bildung einer Normalform. Eine große Vereinfachung ergibt sich, wenn man Grün NICHT aus dem Zählerzustand bildet, sondern aus den jeweiligen Rot- und Gelb-Ausgängen. Bei deutschen

31 A/D-Technik Praktikum D2 Zähler und Ampelschaltung Ampeln gibt es nämlich einen eindeutigen Zusammenhang zwischen Rot und Gelb einerseits und Grün. Welchen? Stellen Sie dazu einfach eine WWT auf: Rot Gelb Grün WWT für die Ausgänge 1 1 Rot H 1 0 Ge H 0 1 Gr H 0 0 Rot N Ge N Gr N Jetzt entwerfen Sie eine verkehrssichere Ampel: Takt D C B A Hauptstraße Nebenstraße Rot H Ge H Gr H Rot N Ge N Gr N D2_V2.doc vom :49:00 Seite 5

32 A/D-Technik Praktikum D2 Zähler und Ampelschaltung Schaltbild der einfachen Ampel Schaltbild der besseren Ampel D2_V2.doc vom :49:00 Seite 6

33 4 Aufbau eines asynchronen 4 Bit Zählers A/D-Technik Praktikum D2 Zähler und Ampelschaltung A Bauen Sie aus 4 in Reihe geschalteten JK-FF einen 4 Bit Zähler. Überprüfen Sie mit der Adapter/Clock, ob er richtig funktioniert. 5 Aufbau der Ampellogik A Bauen Sie die verkehrssichere Schaltung auf und überprüfen Sie ihre Funktionsweise. Protokollieren Sie die Funktionsweise der Schaltung. Arbeitet Sie wie gewünscht? 6 asynchrone Zähler A Bauen Sie einen asynchronen 4 Bit Zähler aus T-Flipflops (Bilden Sie T-FF aus JK-FF). Verbinden Sie die Ausgänge der Flipflops mit einer 7-Segment-Anzeige. (Im Praktikum gibt es 7 Segmentanzeigen mit internem Multiplexer, die ein anliegendes binäres Signal gleich als Dezimal-Ziffer anzeigen können. ) Dabei müssen sie die auf die richtige Reihenfolge achten. Betreiben Sie die Schaltung mit der Adapter/Clock. A Funktioniert sie richtig? A Ergänzen Sie die Schaltung so, dass ein mod-10 Zähler (Dezimalzähler) entsteht. A Funktioniert sie richtig? 7 synchroner Zähler mit D-Flipflop In der Vorarbeit zu diesem Versuch haben Sie einen synchronen mod-3 Zähler mit D-FF entworfen. A Bauen Sie die Schaltung auf. Verbinden Sie die Flipflop-Ausgänge mit der 7 Segment Anzeige. A Funktioniert die Schaltung richtig. Ein Zähler kann auch benutzt werden, um eine Taktfrequenz zu reduzieren. Mit einem mod3- Zähler sollte es möglich sein, die Taktfrequenz durch 3 zu teilen. A An welchem Zählerausgang kann man das durch 3 dividierte Taktsignal messen? D2_V2.doc vom :49:00 Seite 7

34 Versuch: A3 Verstärkerschaltungen für ein EKG Ziel dieses Versuches: Transistoren und OP als Verstärker verstehen. Inhalte: Differenzverstärker aus Transistoren und OPs, Spannungsverstärkung, OP als Komparator, negative Rückkopplung, Verstärker und Pulsformer, positive Rückkopplung, Trigger Vorkenntnisse: Transistorfunktion, Hochpass, Tiefpass, OP, OP-Schaltungen, Vorarbeiten Anleitung durcharbeiten, Fragen in Kap.1 beantworten. benötigte Hilfsmittel Protokollbuch, Millimeterpapier Prof. Dr. Rose FH Münster Stegerwaldstr Steinfurt Tel: 02551/ / -166 Fax: 02551/ ROSE@FH-MUENSTER.DE

35 A/D-Technik Praktikum Versuch: A3 EKG 1 Vorarbeiten: Lesen Sie diese Anleitung. Schreiben Sie die üblichen Angaben ins Protokollbuch. In ihr Protokollbuch: Zeichnen Sie den Differenzverstärker mit Transistoren aus der Vorlesung, schreiben Sie die Verstärkungsformel daneben. Zeichnen Sie den Differenzverstärker mit OP aus der Vorlesung, schreiben Sie die Verstärkungsformel daneben. Zeichen Sie einen Hochpass und einen Tiefpass mit R und C, schreiben Sie die Formel für die jeweilige Grenzfrequenz daneben. A3_v13.doc vom :48:00 Seite 2

36 A/D-Technik Praktikum Versuch: A3 EKG 2 Einleitung 2.1 Allgemeines Mit einem EKG-Gerät können die elektrischen Signale, die das Herz zum Schlagen anregen, gemessen werden (Entschuldigen Sie meine medizinlaienhafte Ausdrucksweise. Bei Wikipedia unter wird das alles etwas ausführlicher dargestellt.).die am Herzen entstehenden Spannungen können an verschiedenen Stellen des Körpers gemessen werden. In diesem Versuch messen wir zwei Spannungen: die Spannung zwischen rechtem Arm und linkem Fuss und die Spannung zwischen linkem Arm und linkem Fuss, veranschaulicht im nächsten Bild. (Ich hab das Bild von einer Webseite [ kopiert, die + und Zeichen im Bild dürfen Sie nicht Ernst nehmen, die verwirren nur, glaub ich.) Wir benötigen also 3 Elektroden. Zwei werden an das Handgelenk geklebt, etwa da wo man auch Puls fühlt, und eine Elektrode an die Innenseite des linken Fusses, unterhalb des Knöchels. Messsignal verfälschen. Die entstehenden Spannungen sind im Bereich einiger Millivolt, müssen also verstärkt werden. Ein Problem ist, dass viele elektromagnetische Störsignale (z.b. vom Stromnetz, von Elektromotoren usw.) aufgefangen werden und das schwache Abhilfe schafft man auf drei Weisen: Man versucht, die Störungen zu minimieren, durch Abschirmung und durch Schaffung von Abständen. Man filtert das Messignal mit Hoch- und Tiefpässen, so dass die typischen Frequenzen des Signals nicht oder wenig geschwächt werden, die Störfrequenzen aber stark geschwächt werden. Und man misst Differenz von 2 Signalen, so dass Störungen, die auf beiden Signalen ähnlich wirken, dadurch unterdrückt werden. Deshalb wird hier die Differenz der Spannungen zwischen linker und rechter Hand gemessen. Ein typisches Signal hat nebenstehende Form. Dabei beträgt die Spannung des Maximums einige Millivolt, das ganze Signal dauert etwa 1 Sekunde. Mit unserem Versuchsaufbau werden wir insbesondere die R-Zacke sehen können. Für die feineren Strukturen muss die Schaltung dann doch aufwendiger werden. A3_v13.doc vom :48:00 Seite 3

37 A/D-Technik Praktikum Versuch: A3 EKG 2.2 Differenzverstärker mit Transistoren Die beiden Signale zwischen den beiden Händen und dem Fuss werden erst einmal mit einer Schaltung verstärkt, in der 2 Transistoren als Differenzverstärker arbeiten. Die grundlegende Schaltung (hier links) wurde in der Vorlesung behandelt. Dabei sind die Ausgangsspannungen Ua1 bzw. Ua2 proportional zur Differenz der beiden Eingangsspannungen. Im Prinzipschaltbild ist im unteren Teil eine Konstantstromquelle eingezeichnet. Sie wird hier durch den 47kOhm Widerstand näherungsweise ersetzt. Klappt man im nebentehenden Bild den rechten Teil um, dann entsteht genau das Schaltbild hier links. Auf diese Weise soll nämlich hinterher auch die konkrete Schaltung auf dem Steckbrett aufgebaut werden. Welche Unterschiede sieht man noch zwischen Prinzipschaltung und realer Schaltung? Im Prinzipbild werden die Eingangsspannungen direkt an die Basen der Transistoren angeschlossen, im realen Bild ist jeweil noch ein RC-Glied eingebaut. Dieses RC-Glied ist hier ein Hochpass. Für niedrige Frequenzen, insbesondere für Gleichspannung, stellt der Kondensator einen großen Widerstand dar, der Spannungsteiler aus R und C gibt also nur eine kleine Spannung an die Transistoren. Bei hohen Frequenzen ist der Widerstand von C klein, (fast) die gesamte Eingangsspannung liegt an der Transistorbasis an. Niedrige Frequenzen und Gleichspannung werden also unterdrückt. Wo ist die Grenzfrequenz dieses Hochpasses? Mit R=470KOhm und C=10µF folgt eine Zeitkonstante R*C von 4,7 Sekunden, also eine Grenzfrequenz von f=1/(2*pi*4,7sec)=0.03hz. Hiermit werden also sehr langsame Änderungen und Gleichspannungen vom Verstärker ferngehalten. Wie werden die 3 Elektroden angeschlossen? Die Fusselektrode wird mit dem Masseanschluss verbunden, eine Handelektrode mit Eingang in1, die andere mit Eingang i2. Die Verstärkung wird durch das Verhältnis der Kollektor- zu den Emitterwiderständen bestimmt, sollte also v=22/0,47 ~40 sein. Aus einigen Millivolt Eingangsspannung könnten also einige 10 mv bis etwa 100 mv resultieren. A3_v13.doc vom :48:00 Seite 4

38 A/D-Technik Praktikum Versuch: A3 EKG Dies muss weiter verstärkt werden. Dazu nehmen wir einen weiteren Differenzverstärker, der mit einem OP aufgebaut wird. 2.3 Differenzverstärker mit OP In der Vorlesung ist diese Schaltung behandelt werden. Sie sieht prinizipiell so aus: Hier ist die Ausgangsspannung auch proportional zur Differenz der beiden Eingangsspannungen, die Verstärkung entspricht dem Verhältnis der Widerstände in Zuleitung und Rückkopplung, ist also hier 1MOhm/10kOhm = 100. Allerdings fügen wir auch in dieser Schaltung noch Kondensatoren ein, um einen weiteren Hochpass und einen Tiefpass zu erzeugen. In einer vereinfachten Analyse kann man sich folgendes überlegen: Schauen wir uns erst die 10nF in der Rückkopplung an. Bei niedrigen Frequenzen ist dessen Wechselstromwiderstand sehr hoch, also wird die Rückkopplung durch den 1MOhm Widerstand bestimmt. Bei hohen Frequenzen nimmt die Impedanz des Kondensators ab, sie wird sogar kleiner als 1 MOhm, die Verstärkung wird jetzt (Parallelschaltung von Widerständen) durch die Impedanz von C bestimmt, die mit zunehmder Frequenz kleiner wird. Also werden hohe Frequenzen immer weniger verstärkt: ein Tiefpass. Seine Grenzfrequenz wird wieder über R und C bestimmt. R*C=1MOhm*10nF=10ms, also Grenzfrequenz f=1/(2*pi*10ms)~16hz. Frequenzen oberhalb von 16 Hz werden also immer schlechter übertragen. Das gilt auch für Störungen, die durch das 50Hz Stromnetz hervorgerufen werden. Was bewirken die 10µF in den Eingangsleitungen? Hier werden niedrige Frequenzen unterdrückt, es entsteht ein Hochpass. Die Zeitkonstante ist R*C=10kOhm*10µF=0,1s, also Grenzfrequenz f=1/(2*pi*0,1sec)= 1,6Hz. Frequenzen oberhalb von 1,6Hz werden also gut verstärkt, Frequenzen unterhalb immer schlechter. Ist das eigentlich sinnvoll, wenn die Herzschlagfrequenz etwa 1 Hz ist? Bei einer Spannungsverstärkung von etwa 100 sollten also jetzt Ausgangsspannungen im Voltbereich entstehen. einen weiteren OP-Verstärker ein. 2.4 Spannungsverstärker mit OP Falls aber die Ausgangsspannung immer noch nicht groß genug ist, bauen wir noch Es ist ein einfacher nichtinvertierender Spannungsverstärker, dessen Vestärkung sich mit einem Potentiometer einstellen lässt. A3_v13.doc vom :48:00 Seite 5

39 A/D-Technik Praktikum Versuch: A3 EKG Überlegen Sie sich zuerst, wie die Ausgangsspannung von der Eingangsspannung abhängt, wobei kein Kondensator C1 eingebaut ist. Überlegen Sie dann, welchen Einfluss C1 hat, wenn die Eingangsspannung eine hohe bzw. niedrige Frequenz hat. 3 Versuche 3.1 Aufbau und Test des Differenzverstärkers mit Transistoren Bauen Sie den Differenzverstärker auf. Messen Sie in einer kurzen Messreihe die Verstärkung als Funktion von f. Legen Sie die Versorgungsspannung an. Testen Sie die Schaltung: Legen Sie mit dem Funktionsgenerator eine Sinusspannung mit einer Frequenz f von einigen Hz und einer Amplitude von einigen mv oder einigen 10mV an den Eingang in1, den Eingang in2 legen Sie auf Masse. Mit dem Oszilloskop untersuchen Sie die Eingangsspannung und die Ausgangsspannungen an out1 bzw. out2. Wie verhalten sich die beiden Ausgangsspannungen? Was ändert sich, wenn das Signal an in2 gelegt wird und in1 auf Masse liegt? Wie groß ist die Verstärkung? Ändert sich die Verstärkung, wenn f geändert wird? A3_v13.doc vom :48:00 Seite 6

40 A/D-Technik Praktikum Versuch: A3 EKG 3.2 Aufbau des Differenzverstärkers mit OP Bauen Sie jetzt neben die erste Stufe den Differenzverstärker mit OP auf. Dabei muss später out1 der ersten Stufe mit in1 der zweiten Stufe verbunden werden, entsprechend out 2 mit in2. Jetzt wird aber diese 2. Stufe erst einmal separat getestet. Legen Sie mit dem Funktionsgenerator eine Sinusspannung mit einer Frequenz f von einigen Hz und einer Amplitude von einigen mv oder einigen 10mV an den Eingang in1, den Eingang in2 legen Sie auf Masse. Mit dem Oszilloskop untersuchen Sie die Eingangsspannung und die Ausgangsspannungen an out1 bzw. out2. Wie verhalten sich die beiden Ausgangsspannungen? Was ändert sich, wenn das Signal an in2 gelegt wird und in1 auf Masse liegt? Wie groß ist die Verstärkung? Ändert sich die Verstärkung, wenn f geändert wird? Messen Sie in einer kurzen Messreihe die Verstärkung als Funktion von f. Jetzt verbinden Sie die erste und die zweite Stufe und testen die gesamte Schaltung noch einmal. 3.3 Aufbau des Spannungsverstärkers mit OP Bauen Sie rechts neben die bisherige Schaltung die letzte Stufe. Stellen Sie das Potentiometer auf einen mittleren Wert. Verbinden Sie den Ausgang out der 2. Stufe mit dem Eingang in der 3 Stufe. Test Sie jetzt noch einmal kurz die gesamte Schaltung. 3.4 Aufnahme der EKG-Signale Jetzt wird der Funktionsgenerator nicht mehr gebraucht. Nehmen Sie ihn aus dem Rahmen heraus. Schieben Sie jetzt das Netzgerät im Rahmen ganz nach links, die Schaltbretter ganz nach rechts. Verbinden Sie Netzgerät und Schaltung über drei Kabel. A3_v13.doc vom :48:00 Seite 7

41 A/D-Technik Praktikum Versuch: A3 EKG Der Grund ist: Das Netzgerät, vermutlich vor allem der Transformator, erzeugt relativ starke Störungen in der Elektronik. Diese werden vermindert, wenn man den Abstand zwischen Netzgerät und Schaltung erhöht. Jede Person im Praktikum erhält jetzt einen eigenen Satz Elektroden. Kleben Sie sich die Elektroden an: Rote Elektrode: rechtes Handgelenk Gelbe Elektrode: linkes Handgelenk Schwarze Elektrode: linker Fuss Verbinden Sie die schwarze Elektrode mit der Masseleitung ihrer Schaltung, die rote mit dem Eingang in1 der 1. Stufe, die gelbe mit Eingang in2 der 1. Stufe. Schalten Sie den Verstärker ein. Messen Sie die Ausgangsspannung der 1. Stufe, z.b. an out1 mit dem Oszilloskop. Stellen Sie das Oszilloskop so ein, dass sie Signale mit Sekundenabständen und etwa 10 mv Pulshöhe sehen können. Wenn die Elektroden frisch sind und sie sich wenig bewegen, sollten auf dem Oszilloskop in einem relativ stark verrauschten Signal kleine Pulse zu sehen sein. Jetzt messen Sie die Ausgangsspannung nach der 2. Stufe. Hier sollten die Signale wesentlich besser sichtbar sein. Messen Sie die Signale nach der 3 Stufe. Protokollieren Sie, was Sie auf dem Oszilloskop sehen. Entweder abzeichnen oder fotografieren und später ins Protokollbuch einkleben. Wie hoch sind nach den einzelnen Stufen jeweils die Signale und das Rauschen? A3_v13.doc vom :48:00 Seite 8

42 Praktikum Analog- und Digitaltechnik Versuch D3 Bluetooth-steuerung mit Arduino Inhalt dieses Versuches: Installation und Konfiguration von Software Arduino IDE Ansteuerung einer LED über Bluetooth Vorarbeiten: Bevor Sie zum Praktikum kommen, müssen Sie allgemeinwissen zur Mikrocontrollern haben. Dafür haben wir eine Begrifliste vorbereitet, die Sie im Internet oder Bücher nachschlagen sollen. Mikrocontroller I/O-Ports SPI I2C asynchrone serielle Schnittstelle Flash-Speicher Arduino IDE Lua Phyton COM-Port Firmware Sketch Library Internet der Dinge 1. Einleitung Ein Arduino ist ein Microcontroller, der in dem Praktikum Digitaltechnik vorgestellt werden soll. Man kann viel zu den Arduino schreiben. In dem Digitaltechnik Praktikum wollen wir uns nur auf das Wesentliche beschränken und lieber ein praktisches Prof. Dr. Rose FH Münster Stegerwaldstr Steinfurt Tel: 02551/ / -166 Fax: 02551/ ROSE@FH-MUENSTER.DE

43 Sensortechnik Praktikum S1 ESP8266 Modul als Sensor nutzen Anwendungsbeispiel zeigen. Zudem gibt es schon viele Internet-Seiten als auch Bücher die sehr viele Infos zu den Arduinos liefern und zum zweiten macht das Lernen einfach mehr Spaß wenn man schnell zu praktischen Ergebnissen kommt. Daher beschränken wir uns hier auf die Schritte und das Wissen, das Ihr benötigt um ein erstes erfolgreiches Projekt umzusetzen. Zuerst einmal ein paar Worte zu den beliebten und am weitesten verbreiteten Arduino Boards (siehe Abb.2). Arduinos richten sich an Mikrocontroller-Einsteiger. Es sind fertig aufgebaute Boards mit zahlreichen Anschlüssen und aufgelöteten Buchsenleisten. Abb. 1 Beispiel eines Arduino Mikrocontroller Der Arduino Uno R3 ist der Standard-Arduino. In der aktuellen Version 3 besitzt der Uno 14 Digitale I/O Pins sowie 6 analoge Eingänge. Er besitzt eine Spannungsregelung und darf mit 12V über einen Hohlstecker versorgt werden, kann aber auch an USB angeschlossen werden und besitzt folgende Speicherkapazitäten: 32K Flash(0,5 werden vom Bootloader verwendet.) 2K SRAM 1K EEPROM 16 MHz (Prozessortakt) Neben dem USB-B Anschluss verfügt der Uno noch über folgende Schnittstellen: SPI I²C ICSP Die Programmierung des Boards ist sehr einfach, aber im Internet existieren einige Tutorials die etwas kompliziert wirken, weil dort gleichzeitig die Programmierung der Module per Arduino IDE, Lua oder per Phyton erklärt werden. Das kann für Einsteiger sehr schwer zu unterscheiden sein. D3_V1.docxx vom :20:00 Seite 2

44 Sensortechnik Praktikum S1 ESP8266 Modul als Sensor nutzen Möglich ist die Board per Lua oder sogar Phyton zu programmieren, aber dazu muss erst eine Firmware mit einem Compiler in die Boards geladen werden. Das kostet sehr viel Speicherplatz, der Platz für eigene Anwendungen wird dadurch erheblich reduziert. Zudem ist die Lua-Programmierung nicht sonderlich einfach. Die Programme die man selber schreibt werden Sketch genannt und können per Arduino IDE (Software) kompiliert und hochgeladen werden (siehe Abb.2). Dabei wird das schon vorhanden Sketch auf dem Board jeweils überschrieben. Das sogennante Flashen (überschreiben) wird durch USB Kabel realisiert. Abb. 2 Oberfläche des Softwares Arduino IDE. 2. Ziel des Praktikums In dem Praktikum sollen Hardware miteinander verbunden werden, um eine LED über Bluethooth zu steuern. Dazu soll ein Mikrocontoller Arduino-Board, Bluethooth Modul und eine Android Anwendung verwendet werden. Das Arduino-Board wird mit dem Bluethooth Modul, Stromversorgung und einer LED verkabelt und konfiguriert. Für die Programmierung wird ein Arduino IDE-Software verwendet. Das Prinzip der Ansteuerung wird in Abbildung 1 dargestellt. Hier arbeitet der HC 05/06 Bluetooth Modul mit serieller Kommunikation. Die Android App sendet serielle Daten per Bluetooth an das Arduino. Das auf dem Arduino hochgeladene Programm überprüft die ganze Zeit, ob das Bluetooth Modul daten versendet hat. Wenn die empfangenen Daten 1 (ON) sind, leuchtet die LED auf. Die LED erlischt, wenn die empfangenen Daten 0 (OFF) sind. D3_V1.docxx vom :20:00 Seite 3

45 Sensortechnik Praktikum S1 ESP8266 Modul als Sensor nutzen Abb. 1 Prinzip der Ansteuerung 2 Versuchsdurchführung In diesem Praktikum werden wir die Konfiguration und installation unter Windows vornehmen. Zudem verwenden wir zur Programmierung ausschließlich C, also die Arduino IDE sprache. 2.1 Die Arduino IDE Software installieren und konfigurieren Die IDE kann man kostenlos über folgende Seite herunterladen: In der Regel sollte man immer die neueste Version verwenden. Man kann die Arduino Software wahlweise als ZIP-Datei herunterladen oder eine installierbare Version wählen. Falls Ihr die ZIP-Datei wählt, dann reicht es wenn man diese in ein beliebiges Unterverzeichnis entpackt. Ihr könnt danach die Arduino IDE Software gleich starten, es muss dann nichts mehr installiert werden. Abb. 3 Board-Typ in Arduino IDE auswählen D3_V1.docxx vom :20:00 Seite 4

46 Sensortechnik Praktikum S1 ESP8266 Modul als Sensor nutzen Die Arduino IDE unterstützt nach der Installation eine ganze Reihe von verschiedenen Arduino-Boards. Da wir aber Arduino Board programmieren möchten, müssen wir keine Boardpakete mehr dazu hinzufügen. Um mit dem Arduino Uno zu komunizieren, muss man zuerst den richtigen Board Typ auswählen. Das könnt Ihr im Menü Werkzeuge den Menüpunkt Board. machen. Hier müsst ich nach Arduino Uno suchen. Jetzt muss man der IDE nur noch mitteilen an welchem COM-Port das Modul angeschlossen ist, denn der USB-Treiber gibt die Daten über einen virtuellen COM- Port an die IDE weiter. Man könnte jetzt im Gerätemanager von Windows nachschauen welche COM-Ports dort bereitgestellt werden. Es kann auch dort je nach Bedarf der COM-Port verändert werden. Gewöhnlich reicht es aber wenn Ihr in der Arduino IDE über Werkzeuge auf den Menüpunkt Port geht. Gewöhnlich wird dort angezeigt welcher COM-Port jetzt bereit steht. Wenn es nur einer ist, dann ist die Auswahl ja sehr einfach. Abb. 4 In Geräten Manager installierte Board mit zugewiessenen COM Port. Hier COM4 4. Erstes Sketch Hochladen Jetzt sind wir soweit und können unser erstes Sketch für den Arduino ausprobieren. Dazu kann das Sketch aus den Beispielen unter Datei aus dem Menüpunkt Beispiele gewählt werden. Wir fangen mal mit einer blinkenden im Sekundentakt LED an. Öffnet den Sketch 01.Basic/Blink (siehe Abb. 5) und übertragt ihn per Klick auf den Pfeil (siehe Abb. 6) auf das Aurduino Board. Nach dem erfolgreichen Hochladen sollte eure Board im Takt von eine Sekunde blinken. D3_V1.docxx vom :20:00 Seite 5

47 Sensortechnik Praktikum S1 ESP8266 Modul als Sensor nutzen Abb. 5 Wahl eines Beiepiel um die Boards-LED blinken zu lassen. Abb. 6 Program (Sketch) compilieren und an das Board hochladen. 5 Anschließen der Arduino Bluetooth Hardware Jetzt muss das Arduino Board mit dem Bluetooth Modul und eine LED verbunden werden. Verbinden Sie die Bauteile nach Abbildung 7. Achten Sie dadrauf, dass eine LED nicht ohne einen Widerstand (220Ω 1KΩ) betrieben werden darf. D3_V1.docxx vom :20:00 Seite 6

48 Sensortechnik Praktikum S1 ESP8266 Modul als Sensor nutzen Abb. 7 Verbindung des Arduino Boards mit einem Bluetooth Modul und eine LED 6 Sketch Hochladen Nun soll ein neues Sketch erstellt und hochgeladen werden. Der Quellcode ist in Abbildung 8 gegeben und kann übernommen werden. Anschließend wird das neue Sketch über die Arduino IDE Software auf den Arduino geladen. D3_V1.docxx vom :20:00 Seite 7

49 Sensortechnik Praktikum S1 ESP8266 Modul als Sensor nutzen Abb. 8 Quellcode für den neuen Sketch 7 App Instalation In diesem Praktikum soll nicht auf die programmierung einer Android App eingegangen werden. Die App gibt es zum Download auf der Laborseite. Nach dem Download und der Installation der App, muss das Smartphone mit dem HC 05/06 Bluetooth Modul synchronisiert werden: 1. Das HC 05/06 Bluetooth einschalten (Stromversogung über den Arduino). 2. Mit dem Smartphone nach neuen Bluetooth Geräten suchen und mit dem HC 05/06 verbinden (Möglicherweise Passwort wie 1234 oder 0000 eingeben). 3. Die LED App auf dem Smartphone installieren und öffnen (siehe Abb. 9). D3_V1.docxx vom :20:00 Seite 8

50 Sensortechnik Praktikum S1 ESP8266 Modul als Sensor nutzen Abb. 9 LED App synchronisieren 4. Die Geräte mit dem Butten paired devices bestätigen. 5. Das Bluetooth Module aus der Liste auswählen (HC-05/06) 6. Nach dem die Geräte erfolgreich verbunden wurden, kann die LED über die Button ON und OFF des Smartphonedisplays bedient werden. (siehe Abb. 10) Abb. 10 Smartphone-Ansicht nach verbinden mit LED Wenn die Schritte 1-6 erfolgreich durchgeführt wurden, ist die Smartphone-Steuerung fertig und kann getestet werden. Natürlich lassen sich mit der verwendeten Technik noch zahlreiche, weit aus komlerxere Versuche realisieren. Dieser Versuch soll jedoch jedeglich einen Einblick in die Möglichkeiten der Mikrokontroller bieten. Welche andere Anwendungen für die D3_V1.docxx vom :20:00 Seite 9