SS Klausur zum Praktikum ETiT III Mess- und Sensortechnik min. Vorname, Name: Matrikelnummer: Studiengang:

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1 SS 2003 Klausur zum Praktikum ETiT III Mess- und Sensortechnik min Vorname, Name:, Matrikelnummer: Studiengang: ETiT / Fb. 18 WiET / Fb. 1 Aufgaben: #1 #2 #3 #4 Kurzfragen Summe Punkte: / 10 / 11 / 10 / 5 / 19 / 55 Note: Bitte notieren Sie auf jedem Blatt Name und Matrikelnummer. Bearbeiten Sie die Aufgaben direkt auf den Aufgabenblättern. Bei Bedarf nutzen Sie die Rückseite von den Blättern mit. Zusätzliche Blätter sind beim Aufsichtspersonal vorhanden. Viel Erfolg! Praktikum ETiT III MuST SS2003/ Seite 1/ 12

2 Aufgabe 1: Messen im Zeitbereich (Anmerkung: Alle Aufgabenteile sind unabhängig voneinander lösbar.) a) Sie haben einen Funktionsgenerator, welcher ein Rechteck-Signal entsprechend oben abgebildeten Diagramm liefert. Ihr Oszilloskopschirm hat 8 DIV vertikal und 10 DIV horizontal. Auf welche Auflösung vertikal und horizontal müssen Sie das Oszilloskop einstellen, damit Sie genau eine Periode des Signals und die exakte Amplitude sehen können? b) Sie geben dieses Signal auf eine unbekannte Schaltung (im unten-stehenden Bild durch die schwarze Box mit dem Fragezeichen gekennzeichnet). Sie wollen mit Hilfe des Oszilloskops sowohl das Eingangs- wie auch das Ausgangssignal darstellen. Wie müssen Sie den Funktionsgenerator und die beiden Eingänge des Oszilloskops mit der Schaltung verschalten? Praktikum ETiT III MuST SS2003/ Seite 2/ 12

3 c) Das Oszilloskop zeigt unten stehendes Ausgangssignal. Welche Art von Schaltung war in der Black-Box (Name der Schaltungsstruktur)? Skizzieren Sie diese in einer denkbaren Ausführungsform ohne Angabe der Werte. d) Zeichnen Sie einen Triggerpegel und die daraus resultierenden Triggerpunkte in der Zeichnung ein. Erklären Sie dann anhand der Zeichnung die Schwierigkeiten beim Triggern eines amplitudenmodulierten, periodischen Signals. Erreichte Punktzahl Aufgabe 1: Praktikum ETiT III MuST SS2003/ Seite 3/ 12

4 Aufgabe 2: Messen im Frequenzbereich (Anmerkung: Alle Aufgabenteile sind unabhängig voneinander lösbar.) a) Skizzieren Sie den typischen Amplitudenfrequenzverlauf eines Tiefpasses 1. Ordnung und eines Hochpasses 1. Ordnung mit jeweils der gleichen 3dB Grenzfrequenz. Zeichnen Sie außerdem einen Bandpass 2. Ordnung mit der Resonanzfrequenz f 0 im Diagramm ein. b) Bei der Messung eines Rechtecksignals per FFT sehen Sie folgendes Bild auf dem Schirm. Welcher Messfehler liegt entsprechend Ihrer Erfahrung diesem Effekt zu Grunde? Wie heißt der Messfehler? Erläutern Sie die Ursache, evtl. auch anhand einer Skizze. Praktikum ETiT III MuST SS2003/ Seite 4/ 12

5 c) Die DFT stellt die Grundlage zum Verständnis der FFT dar. Ergänzen Sie folgendes Diagramm der DFT in Schritt b und Schritt d (Zeitbereich). Erläutern Sie mit kurzen Worten, was in Schritt b bzw. f im Zeit- bzw. im Frequenzbereich passiert. d) Alternativ zu Messungen des Frequenzspektrums mit FFT gibt es analoge Filterverfahren. Benennen Sie zwei Verfahren und erläutern Sie ein Messprinzip. Erreichte Punktzahl Aufgabe 2: Praktikum ETiT III MuST SS2003/ Seite 5/ 12

6 Aufgabe 3: Sensorelektroniken (die Aufgabenteile a) bis d) und e) bis f) sind unabhängig voneinander lösbar) DMS und Kraftmessung In dieser Aufgabe wird die Funktionsweise der Kraftmessung mit Dehnungsmessstreifen und einseitig eingespanntem Biegebalken diskutiert. a) Skizzieren Sie die Anordnung der DMS auf dem unten stehendem Biegebalken und bezeichnen Sie sie mit R 1 bis R 4 : b) Skizzieren Sie das Schaltbild einer Vollbrücke und bezeichnen Sie die Widerstände entsprechend der Bezeichnungen in Aufgabenteil a). Welche Änderung erfahren die Widerstände bei einer Krafteinwirkung entsprechend der Pfeilrichtung? c) Betrachten Sie einen DMS genauer. Geben Sie die Widerstandsänderung unter Berücksichtigung folgender Konstanten an: R=120 Ω, ε=10-4, k=2,1 d) Wie groß ist die Brückenspannung bei einer Wheatstone-Gleichspannungsbrücke mit zwei aktiven Widerständen und zwei Festwiderständen mit R=120 Ω. Versorgung: U= 10V. Übernehmen Sie das ΔR aus Aufgabe c) Praktikum ETiT III MuST SS2003/ Seite 6/ 12

7 SC-Schaltungen e) Skizzieren Sie die Grundschaltung eines invertierenden Verstärkers ohne Switched-Capacitor-Schaltung. f) Geben Sie die Übertragungsfunktion des invertierenden Verstärkers an. g) Ersetzen Sie die Widerstände des beschalteten Operationsverstärkers durch geschaltetet Kapazitäten in Parallel-und Serien-Schaltung. h) Wo würden Sie einen Sensor mit variablem Plattenabstand platzieren und warum? Erreichte Punktzahl Aufgabe 3: Praktikum ETiT III MuST SS2003/ Seite 7/ 12

8 Aufgabe 4: Automatisiertes Messen (die Aufgabenteile sind unabhängig voneinander lösbar) a) Skizzieren Sie die Lastkennlinie eines Gleichstrom- Kommutatormotors. Beschriften Sie die Achsen und bezeichnen und benennen Sie die charakteristischen Punkte. b) Ergänzen Sie die notwendigen Komponenten (wenigstens 3) und verdrahten Sie das folgende Diagramm so, dass der Schleifenzähler so lange quadriert wird und die einzelnen Werte in ein Wave Form Chart angezeigt werden, bis der Zähler >100 ist. Eventuell einzustellende Eigenschaften können Sie auch im Diagramm an den Elementen beschriften. Erreichte Punktzahl Aufgabe 4: Praktikum ETiT III MuST SS2003/ Seite 8/ 12

9 Kurzfragen: Die folgenden Fragen klassifizieren sich in drei Gruppen. Es handelt sich um Multiple- Choice-Fragen, Fragen in denen kurze Antworten gesucht werden oder Fragen, bei denen einzelne Werte eingetragen werden müssen. Zu den Multiple-Choice-Fragen: Jeweils wenigstens eine Antwort ist richtig. Falsch angekreuzte Antworten führen zu Punktabzug. K1 Warum ist es so schwierig, ein stehendes Bild eines amplitudenmodulierten periodischen Signals auf dem Monitor zu erhalten? - Weil innerhalb einer Periode des aufmodulierten Signals mehrere Triggerimpulse durch den Träger erzeugt werden. - Weil innerhalb einer Periode des Trägers mehrere Triggerimpulse durch das aufmodulierte Signal erzeugt werden. - Weil die Triggerbedingung nie eineindeutig erreicht wird. K2 Welche zwei Bedingungen müssen vom Mess-Signal zum Auslösen des Triggers erfüllt werden? - Der Betrag des Signals muss dem Triggerpegel entsprechen - Der Triggerpegel muss vom Siganl unterschritten werden und die Zeitablenkung muss laufen. - Das Signal muss den Triggerpegel erreichen und die Steigung des Signals muss stimmen. K3 Nennen Sie mindestens zwei technische Fehlerquellen für Störungen in der Erzeugung und Übertragung amplitudenmodulierter Signale: K4 Was geschieht beim Umschalten von der AC- auf die DC-Darstellung eines Kanals des Oszilloskops? - Der Wechselspannungsanteil wird der Darstellung des Gleichanteils überlagert - Der Gleichspannungsanteil wird der Darstellung des Wechselsignals überlagert - Ausschließlich der Gleichspannungsanteil wird angezeigt Praktikum ETiT III MuST SS2003/ Seite 9/ 12

10 K5 Bei den Oszilloskopen im Praktikum wurde für die Darstellung des Frequenzganges die FFT verwendet. Worin liegt der oder die signifikante Unterschied(e) zwischen der FFT und analogen Messverfahren des Frequenzspektrums? - Die FFT ist eine rein mathematische Umrechnung basierend auf dem Zeitverlauf des Signals - Analoge Messverfahren sind rein mathematische Umrechnungen basierend auf dem Zeitverlauf des Signals - Die analogen Messverfahren sind in der Frequenzauflösung abhängig von der Güte analoger Filter, die FFT von der Zahl der Messwerte. K6 In einem Satz: Was versteht man unter dem Nyquist-Theorem? K7 Was bedeutet ein negatives, was ein positives Vorzeichen bei einem Wert gemessen in db bzw. dbv? Negativ: Positiv: K8 Was wurde bei der Pulsmessung durch die Subtraktion der beiden Signale von den Handelektroden erreicht? - Störungen, die auf beide Elektroden gleichermaßen wirken wurden eliminiert. - Störungen, die auf die eine Elektrode wirken, aber nicht auf die andere wurden eleminiert. - Durch das gleichzeitige Abgreifen desselben Signals mit zwei Elektroden wurde die Signalqualität bereits durch Redundanz verbessert. K9 Wie viele DMS werden bei einer Voll-, Halb- und Viertelbrücke benötigt? Anzahl DMS Vollbrücke: Anzahl DMS Halbbrücke: Anzahl DMS Viertelbrücke: Praktikum ETiT III MuST SS2003/ Seite 10/ 12

11 K10 Nennen Sie wenigstens zwei Alternativen zu der Verwendung von SC-Verstärkern um kapazitive Sensoren auszuwerten: K11 Mit welcher Frequenz muss ein Switched Capacitor in Parallel- Anordnung schalten, um für C=5pF einen äquivalenten Widerstand von R äq =400kΩ zu erhalten? K12 Welchen Wert gibt die Schnittstellenkarte aus, wenn Sie das Programm während einer Datenausgabe abbrechen? - Der Ausgang wird auf das Bezugspotential zurückgesetzt. - Der letzte ausgegebene Wert bleibt anliegen - Der Ausgang nimmt einen zufälligen Zustand an. K13 Wozu werden Sequences und Sub-VIs unter LabView verwendet? - Treiberbausteine für die Schnittstellenkarte - Spezialfunktion für numerische Mathematik - Steigerung der Übersichtlichkeit K14 Welche der folgenden Komponenten sind Teil des Sensors zur Drehzahlerfassung? - Sende-Diode - Thyristor - Fototransistor Erreichte Punktzahl Kurzfragen: Praktikum ETiT III MuST SS2003/ Seite 11/ 12

12 Praktikum ETiT III MuST SS2003/ Seite 12/ 12