Versuch 1 Schaltungen der Messtechnik

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1 Fachhochschule Merseburg FB Informaik und Angewande Naurwissenschafen Prakikum Messechnik Versuch 1 Schalungen der Messechnik Analog-Digial-Umsezer 1. Aufgaben 1. Sägezahn-Umsezer 1.1. Bauen Sie einen Analog-Digial-Umsezer zur Messung posiiver Gleichspannungen nach dem Single-Slope-Verfahren auf. Machen Sie sich mi der Wirkungsweise der Schalung verrau. Dimensionieren Sie die Schalung so, dass eine ziffernrichige Umsezung der Spannung in die Zwischengröße Zei erfolg Unersuchen Sie die Funkionsweise der Schalung und nehmen Sie eine Eichkurve auf. Besimmen Sie den maximalen Lineariäsfehler. Für die Versuchsdurchführung werden folgende Kennnisse vorausgesez 1. Eigenschafen elekronischer Bauelemene: Widersand, Kondensaor, Diode, Transisor, 2. Grundschalungen der Analogechnik: Spannungsfolger, Komparaor, Komparaor mi Schalhyserese (Schmi-Trigger), Inegraor, Pegelwandler, 3. Grundschalungen der Digialechnik: Inverer (Signallaufzei), AND, NAND, OR, NOR, RS-Flipflop 1. Theoreische Grundlagen (siehe auch S : hps SysemTechnik - Einführung in die Analogechnik S ) Moderne Messverfahren nehmen sehr häufig eine Umsezung analoger Messwere in eine digialisiere Spannung vor. Man sprich von einer indireken Umsezung, wenn die gemessene Größe zunächs in eine Zwischengröße umgeform wird, die sich leich

2 digialisieren läss. Darüber hinaus lassen sich Verfahren zur Analog-Digial-Umsezung in inegrierende und solche mi Momenanwerumsezung eineilen. Bei der inegrierenden Umsezung wird eine Zwischengröße erzeug, die dem Inegral der Messgröße über eine besimme Messzei proporional is. Als Ausgangswer erhäl man einen Mielwer der Messgröße über die Messzei. Bei den Momenanwerverfahren is dagegen der Wer der Zwischengröße dem Momenanwer der Messgröße zum Zeipunk der Abasung proporional. Als Beispiel für einen Momenanwer-Umsezer sollen Sie einen Sägezahn- Umsezer nach dem Single-Slope-Verfahren aufbauen. - + Meßkomparaor Normalfrequenz Tor Zähler - a) U x U in + Nullkomparaor 0 1 Abb.1 Prinzip des Sägezahn- Umsezers nach dem Single-Slope- Verfahren a) Blockschalbild b) zur Erläuerung der Umschalpunke der Komparaoren: zeilicher Verlauf der Sägezahnspannung b) Das Prinzip eines Sägezahn- Umsezers zeig Abb.1. Bei diesem Verfahren wird die Messspannung mi der Ausgangsspannung eines Sägezahngeneraors verglichen. Beim Nulldurchgang ( = 0 ) der Sägezahnspannung liefer der Nullkomparaor den Sarimpuls, der das Tor vor einem Zähler für die Impulse eines Normalfrequenzgeneraors öffne. Erreich die Sägezahnspannung den Wer U x (bei = 1 ), wird der Messvorgang beende. Bezeichne man die Ansiegsgeschwindigkei der Sägezahnspannung mi c u, gil für das Zeiinervall zwischen Sar- und Soppimpuls Ux 1 0 =, cu und für den Zählersand ergib sich fn Z = f c U n( 1 0 ) = x. u Der Zählersand is dami dem Momenanwer U ( ) x 1 proporional; eine der Eingangsspannung zum Zeipunk 1 der Messung überlagere Sörspannung geh voll in das Messergebnis ein. (Die Baugruppen Normalfrequenz, Tor und Zähler sind Besandeile des Zählers HM8021-3, siehe Abb.5).

3 2. Hinweise zu den Aufgaben 2.1. Aufbau der Schalung. Lassen Sie alle Schalungen vor Inberiebnahme vom Bereuer konrollieren! Alle Schalungen werden mi dem hps-analog-experimenierboard aufgebau. Erzeugen Sie sich die zwischen 0 und + 10V veränderbare Eingangsspannung mi dem 1kΩ -Poeniomeer; messen Sie diese zum Vergleich mi einem genauen Digialvolmeer (z.b. mi dem HM siehe Abb.6). Im Schalbild Abb.2 wurden alle Operaionsversärker mi einer Nummer versehen. Verwenden Sie die Versärker mi der gleichen Nummer auf dem hps- Analog-Experimenierboard. Diese Maßnahme erleicher den Schalungsaufbau! Die Schalung des Sägezahnumsezers zeig Abb.2. Gegenüber anderen möglichen Schalungen ha diese den Vorzug, dass die Umsezung periodisch wiederhol wird. Bauen Sie diese Schalung auf und unersuchen Sie deren Funkion. Die den Komparaoren Abb.2: Schalbild eines Sägezahnumsezers nach dem Single-Slope-Verfahren nachgeschaleen Pegelumsezer (auf dem Analogboard als inegriere Schalungen vorhanden) liefern TTL-Ausgangssignale, die dann mi einer digialen Schalung in TTL- Technik zur Torseuerung des Zählers weierverarbeie werden können. Die Ampliude der Sägezahnspannung muss miels R 3 (Feswidersand 10kΩ auf dem Board + Dekadenwidersand) auf >10Vss eingesell werden. Wählen Sie die Ansiegsgeschwindigkei der Sägezahnspannung durch Einsellen von R 1 (Feswidersand 10 kω vom Board + Dekadenwidersand) bei fesem C 2 = 01, μf so, dass eine ziffernrichige Umsezung erfolg. Unersuchen Sie zunächs die Funkionsweise der Schalung, indem Sie die Signale Sar und Sopp auf dem Oszillographen darsellen und die Zeidifferenz messen. Für eine genauere Zeimessung wird der Digialzähler HM verwende. Zur Anseuerung des Zählers müssen die Signale Sar und Sopp zunächs digial weierverarbeie werden. Im ersen Schri werden diese beiden Signale verkürz und so umgeform, dass nur die posiiven Flanken (LH-Flanken) einen Impuls liefern. Eine ensprechende Impulsverkürzer-Schalung zeig Abb.3. In dieser Schalung dien das erse Gaer der Enkopplung des Pegelumsezers von der nachfolgenden Schalung und der Erzeugung von TTL-gerechen Schalflanken. Die dem Inverer nach geschaleen Gaer dienen als

4 Verzögerungsglieder und sorgen für einen hinreichend langen Ausgangsimpuls. Der inverierende Ausgang des Impulsverkürzers liefer einen L-Impuls. Mi diesen Impulsen kann ein RS-Flipflop gesez bzw. rückgesez werden (Abb.4). Dessen Ausgang liefer schließlich einen Impuls, dessen Dauer der Eingangsspannung des AD-Umsezers proporional is und mi dem Digialzähler gemessen werden kann. & & & & & Flankenformer Negaor Verzögerungsglied Abb.3: Impulsverkürzer Sar S J Q Zeiimpuls Sop CP K R Abb.4: Erzeugung des Zeiimpulses miels JK- Flipflop Der Aufbau dieser Schalung wird auf einem hps-digial-experimenierboard vorgenommen. Wichiger Hinweis: Für die richige Funkionsweise der Gesamschalung is es erforderlich, dass die Massen der beiden Experimenierboards mieinander verbunden werden. Die Gehäuse der Dekadenwidersände müssen mi Masse verbunden werden! Überprüfen Sie Ihre Schalung und machen Sie sich mi ihrer Funkionsweise verrau, indem Sie die Sägezahnspannung und den Ausgangsimpuls des RS-Flipflops auf dem Oszilloskop darsellen. Parallel dazu wird die Dauer des Ausgangsimpulses mi dem Zähler MH gemessen (Beriebsar Impulsdauer, posiiv ); schließen Sie dazu einen 10:1 Taseiler an den Eingang A (Abb.5/12/). Benuzen Sie die Eingangseinsellung DC, ohne Teiler Abb.5/9-11) und sellen Sie die Triggerschwelle ein. Wenn Sie eine Messzei von 1s oder größer wählen (Abb.5/3), wird ein Mielwer über mehrere Messungen gebilde. Mi dem Offseregler des OPV2 (Messkomparaor) kann die Schalung bei Ue = 0 abgeglichen werden. 2.2.Aufnahme der Eichkurve Zur Auswerung sellen sie die Eichkurve der Schalung in einer Wereabelle und graphisch dar. Beureilen Sie Messgenauigkei und Lineariäsfehler der Schalung. Abb.5 Fron des Zählers HM Abb.6 Digialvolmeer HM

5 Abb.7 Aufbau des Analogeils der Schalung Abb.8 Aufbau des Digialeils der Schalung