Labor Grundlagen Elektrotechnik

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1 Fakultät für Technik Bereich Informationstechnik Versuch 1 Messgerätetechnik SS 2008 Name: Gruppe: Datum: Version: Alte Versionen sind mit abzugeben! Bei Version 2 ist Version 1 mit abzugeben. Bei Version 3 ist Version 1 und 2 mit abzugeben.

2 2 1 Allgemeines Bei diesem Labortermin werden Sie die Grundlagen elektrischer und elektronischer Messtechnik kennenlernen und konkret an Beispielen üben. Das bei diesem Labortermin erarbeitete Wissen ist für die erfolgreiche Durchführung der weiteren Versuche notwendig. Zu Beginn des Labors werden Ihnen von den Laborbetreuern die verwendeten Geräte vorgestellt. Sie sollten sich aber bei Ihrer Vorbereitung auf den Versuch schon mit entsprechenden Geräten wie Netzteile, Spannungs- und Strommesser, Oszilloskop und Funktionsgenerator vertraut machen (siehe Internetseite des Labors). 2 Theoretische Vorbereitung Zur Vorbereitung des Laborversuchs sollten Sie folgende Fragen bearbeiten und beantworten können. Was ist der Unterschied zwischen einem systematischen Messfehler und einem zufälligen Messfehler und wie können diese Messfehler minimiert bzw. beseitigt werden? Antwort: Wie wird ein Strommessgerät / Spannungsmessgerät in einen Stromkreis gelegt, um den Strom / die Spannung zu messen? Antwort: Welchen Einfluss hat der Innenwiderstand eines Strommessgeräts / Spannungsmessgeräts auf eine Messung? Antwort: Was ist bei gleichzeitiger Messung von Strom und Spannung unter spannungsrichtiger Messung und stromrichtiger Messung zu verstehen? Antwort:

3 3 Was versteht man bei Wechselgrößen unter Periodendauer, Amplitude, Spitze-Spitze- Wert, Effektivwert? Antwort: Wie funktioniert ein Analog-, wie ein Digitaloszilloskop? Antwort: Welche Funktion hat ein Tastkopf? Antwort:

4 4 3 Versuchsdurchführung 3.1 Einführung Jeder Laborplatz besteht aus einem unstabilisierten Steckernetzteil, einem digitalen Speicheroszilloskop, einem Funktionsgenerator, einem Labornetzteil, zwei digitalen Vielfachmessgeräten (Multimeter), einem Übungsboard, Prüfspitzen und Kabel sowie verschiedenen Bauteilen (Widerstände, Kondensatoren usw.) inkl. Steckbrett. Dokumentieren Sie in Tabelle 4.1 (s. Anhang) den Typ und sofern vorhanden die Seriennummern der verwendeten Geräte. 3.2 Innenwiderstand der Spannungsquellen Belasten Sie das unstabilisierte Steckernetzteil und das Labornetzteil mit verschiedenen Lastwiderständen R (Werte siehe Tabelle 4.2). Messen Sie unter Verwendung der Vielfachmessgeräte jeweils den Wert des Lastwiderstands, die Ausgangsspannung U und den Strom I. Berechnen Sie anschließend die Innenwiderstände R i und diskutieren Sie Ihre Ergebnisse. Machen Sie für R i auch eine Fehlerrechnung. Achtung! Stellen Sie sicher, dass die maximale Belastung der verwendeten Widerstände nicht überschritten wird. 3.3 Vergleich verschiedener Spannungsquellen Schließen Sie nacheinander das Steckernetzteil und das Labornetzteil an das Oszilloskop an und stellen Sie deren Ausgangsspannung einmal mit DC- und einmal mit AC-Kopplung dar. Belasten Sie dann den Ausgang der Netzteile mit einem Widerstand (R = 100 Ohm). Verifizieren Sie Ihre Ergebnisse anhand der im Anhang abgedruckten Oszillogramme (Abbildung 4.1 und Abbildung 4.2). Entnehmen Sie den Oszillogrammen auch die Einstellungen für die X- und Y-Ablenkung. Bewerten Sie die beiden Spannungsquellen anhand der aufgenommenen Oszillogramme. Wie erklären Sie sich den Unterschied? Vergleichen Sie das Verhalten mit und ohne Lastwiderstand. 3.4 Funktionsgenerator als Signalquelle Es steht Ihnen ein Funktionsgenerator zur Verfügung, mit dem unterschiedliche Signalformen von Wechselspannungen erzeugt werden können. Schließen Sie einen Eingang des Oszilloskops an den Funktionsgenerator an und überprüfen Sie die verschiedenen Einstellungen für das Ausgangssignal. Erklären Sie die wichtigsten Funktionen. Schauen Sie sich die Ausgangsspannung für verschiedene Dämpfungseinstellungen, für verschiedene Signalsymmetrien und für den Signal-Offset an. Welchen Einfluss haben die verschiedenen Einstellungen auf die Signalform? Testen Sie mit Hilfe des Funktionsgenerators die verschiedenen Trigger-Modi des Oszilloskops. Erläutern Sie die wichtigsten Trigger-Modi.

5 5 3.5 Messungen am Übungsboard Schließen Sie die beiliegende Lichtquelle (LED) an den TTL-Ausgang des Funktionsgenerators an und stellen Sie ein Rechtecksignal von ca. 5 Hz ein. Die Lichtquelle sollte nun mit dieser Frequenz blinken. Schließen Sie das Steckernetzteil entsprechend dem Schaltplan (Schaltplan und Layout finden Sie in Anhang 4.3 und 4.4) an JP1 (+15V) und JP2 (GND) des Übungsboards an. Achtung! Polarität beachten und evtl. zuvor prüfen. Bringen Sie nun die Lichtquelle am Fototransistor (T1) an und stellen Sie P1 so ein, dass D11 und die Lichtquelle im gleichen Takt blinken Überprüfung der Spannungsregelung auf dem Übungsboard Schließen Sie Kanal 1 des Oszilloskops an JP1 und Kanal 2 an JP3 an. Verifizieren Sie das Schirmbild Ihres Oszilloskops anhand Abbildung 4.3. Was beobachten Sie, und wie erklären Sie sich Ihre Ergebnisse? Bestimmen der Schaltschwelle Schließen Sie Kanal 1 des Oszilloskops an JP5 und Kanal 2 an JP6 an. Bestimmen Sie durch Drehen an P1 die Schaltschwelle der Schaltung (siehe Abbildung 4.4). Diskutieren Sie Ihr Ergebnis. Wovon hängt der Pegel an JP5 ab? Bestimmung der Ansprech- und Rückfallzeit des Relais Für diese Messung muss JP11 gesteckt sowie eine Verbindung zwischen JP7 und JP8 hergestellt werden. Schließen Sie Kanal 1 des Oszilloskops an JP6 und Kanal 2 an JP9 an. Bestimmen Sie die Ansprech- und Rückfallzeit des Relais incl. des Prellens, verifizieren Sie Ihre Ergebnisse anhand Abbildung 4.5 und Abbildung 4.6 und diskutieren Sie dieses Verhalten. 3.6 Simulation eines Sinussignals Bei diesem Versuchsteil sollen Sie ein Sinussignal mit einstellbarer Amplitude und Frequenz in Abhängigkeit von der Zeit mit Hilfe eines Tabellenkalkulationsprogramms (z.b. Excel) simulieren. Zur Verifikation der Ergebnisse soll unter Verwendung eines wissenschaftlichen Mathematikprogramms (z. B. Matlab) ebenfalls ein Sinus geplottet werden. Dies geschieht in Matlab mit Hilfe der Funktion sin(x). Achtung: Matlab arbeitet mit der Einheit Radiant! Hilfestellungen zur Simulation in Excel finden Sie in Anhang 4.2.

6 6 4 Anhang 4.1 Messprotokoll Tabelle 4.1: Liste der verwendete Geräte Gerät Hersteller Typ Seriennummer Speicheroszilloskop Funktionsgenerator Labornetzteil Steckernetzteil Multimeter Multimeter Zu 3.2: Innenwiderstand der Spannungsquellen Schaltplan der Versuchsanordnung für Strom- und Spannungsmessung: Herleitung der Formel zur Berechnung des Innenwiderstands R i : Hilfe für die Fehlerrechnung: Annahme: Messfehler = 1% U * 0,99 U *1,01 Ri I *1,01 I * 0,99 Daraus kann R i bestimmt werden.

7 7 Messergebnisse und Berechnung des Innenwiderstands R i : Tabelle 4.2: Messergebnisse und berechnete Innenwiderstände Steckernetzteil R in R in Ohm I in U in R i in I in Ohm gemessen ma V Ohm ma 100 1K 1M R i in Ohm +/- Labornetzteil U in R i in V Ohm R i in Ohm +/- Verwenden Sie für die Berechnung von R i eine Excel-Tabelle. Eine Hilfestellung dazu gibt es im Anhang. Notizen:

8 8 Zu 3.3: Vergleich verschiedener Spannungsquellen Schaltplan der Versuchsanordnung: Oszillogramme der Ausgangsspannung im Leerlauf: Steckernetzteil Labornetzteil AC-Kopplung DC-Kopplung Abbildung 4.1: Ausgangsspannung im Leerlauf

9 9 Notizen: Oszillogramme der Ausgangsspannung mit Lastwiderstand: Steckernetzteil Labornetzteil AC-Kopplung DC-Kopplung Abbildung 4.2: Ausgangsspannung mit Lastwiderstand R = 100 Ohm Notizen:

10 10 Zu 3.4: Funktionsgenerator als Signalquelle Wichtigste Einstellmöglichkeiten des Funktionsgenerators: Einfluss von Dämpfungseinstellungen, Signalsymmetrien und Signal-Offset auf die Signalform: Wichtigste Trigger-Modi des Oszilloskops:

11 11 Zu 3.5: Messungen am Übungsboard Schaltplan der Versuchsanordnung: Zu 3.5.1: Überprüfung der Spannungsregelung auf dem Übungsboard DC-Kopplung AC-Kopplung Abbildung 4.3: Ein- und Ausgangsspannung des Spannungsreglers auf dem Übungsboard Notizen:

12 12 Zu 3.5.2: Bestimmung der Schaltschwelle: Abbildung 4.4: Bestimmung der Schaltschwelle Gemessene Schaltschwelle: Notizen: Zu 3.5.3: Bestimmung der Ansprech- und Rückfallzeit des Relais: Abbildung 4.5: Ein- und Ausgangssignal des Relais

13 13 Ansprechzeit Rückfallzeit Abbildung 4.6: Ansprech- und Rückfallzeit des Relais Gemessene Ansprechzeit: Gemessene Rückfallzeit: Notizen:

14 Hilfestellung zum Einsatz eines Tabellenkalkulationsprogramms am Beispiel von Excel Zu 3.2: Hilfe zum Erstellen der Tabelle und zum Hinzufügen von Formeln 1. Erstellen Sie eine neue Tabelle in Excel, in die Sie die Messwerte eintragen. Tipps: Zum Zeichnen des Rahmens nutzen Sie Rahmenlinien. Abbildung 4.7: Erstellen eines Rahmens 2. Fügen Sie der Tabelle die Formel zum automatischen Berechnen des Innenwiderstands hinzu. Tipps: Formeln beginnen in Excel mit einem = und verweisen auf die benötigten Zellen. Berechnung des Stroms I an einem Widerstand U in V R in kohm I in ma Formel ,2 =(A3/(B3*1000))*1000 Abbildung 4.8: Einfügen einer Formel Eine Formel kann auch mittels Reihe vervollständigen über mehrer Zeilen gezogen werden: - Zelle markieren - Mit der Maus in die untere rechte Ecke klicken - Den Rahmen nach unten ziehen

15 15 Abbildung 4.9: Reihe vervollständigen Zu 3.6: Hilfe zur Simulation eines Sinussignals in Excel Erstellen Sie sich als erstes in Excel eine Tabelle zur Eingabe der Parameter (Abbildung 4.10). Abbildung 4.10:Excelblatt zur Parametereingabe Wenn Sie in das Feld unter Amplitude klicken können sie diesem Feld den Namen Amplitude geben, welcher dann in einer Formel verwendet werden kann (Abbildung 4.11). Abbildung 4.11: Felder umbenennen

16 16 Das Gleiche machen Sie für die Frequenz. Geben Sie dem Feld unter Frequenz den Namen Frequenz. Als nächstes erstellen Sie die Werte für t. T soll von 0 bis 2 in mit einer Schrittweite von 0,02 simuliert werden. Die Funktion Auto vervollständigen ist dabei sehr hilfreich! Tragen Sie dafür in die erste Zeile von t den Wert 0 und in die Zweite den Wert 0,02 ein, markieren diese zwei Felder und ziehen den Rahmen durch Klicken auf die rechte untere Ecke des Rahmens bis zum gewünschten Wert von t nach unten. Für y setzen Sie die Formel Amplitude*SIN(2*PI()*Frequenz*t) ein (Abbildung 4.12). Abbildung 4.12: Eingabe von t und Formel Zum Abschluss soll die Sinusfunktion in Abhängigkeit von t in einem Diagramm dargestellt werden. Markieren sie dafür den gesamten Wertebereich von t und y und klicken auf das Symbol Diagramm-Assistent ( ). Wählen Sie zu Darstellung ein Punktediagramm aus - z.b. mit Messpunkten, Linien etc.. Vergegenwärtigen Sie sich den Unterschied zwischen einem Punktediagramm und einem Liniendiagramm. Dieser wird auch unmittelbar sichtbar, wenn Sie z.b. den Innenwiderstand R i über dem Belastungswiderstand R auftragen. Wenn alles funktioniert sollte ihr Diagramm ungefähr wie Abbildung 4.13 aussehen. Fügen Sie noch die richtige Achsen- und Diagrammbeschriftung hinzu, z.b. während der Ausführung des Diagramm-Assistenten oder nachträglich über das Menü! 2 1 y 0 0 0,5 1 1,5 2 2, Abbildung 4.13: Sinussignal

17 Schaltplan des Übungsboards Abbildung 4.14: Schaltplan des Übungsboards

18 Layout des Übungsboards Abbildung 4.15: Bestückungsplan des Übungsboards