Grundregeln für das Arbeiten im IAE-Labor

Transkript

1 Labor Elektronik/Prozessmesstechnik Hochschule Bremerhaven Unterlagen zum Labor I Grundregeln für das Arbeiten im IAE-Labor Elektronik und Prozessmesstechnik [EPM] Teil : Teil 2: Teil 3: Diodenkennlinie und Gleichrichterschaltungen Transistorverstärker Operationsverstärker Der Großteil der elektronischen chaltungen wird mit ungefährlichen pannungen betrieben, so dass eine Berührung spannungsführender Teile keine Gefahr darstellt. Elektronische Bauelemente bergen jedoch auch bei niedrigen pannungen Gefahren, da Bauelemente beispielsweise bei Verpolung explodieren können (Transistoren, Kondensatoren). Dies gilt jedoch nicht für leistungselektronische chaltungen (Thyristoren, Triacs, IGBTs), von deren Betrieb prinzipbedingt eine höhere Gefahr ausgeht. Die verwendeten Aufbauten und chutzeinrichtungen erlauben einen sicheren Betrieb der Versuchseinrichtungen. Dennoch lassen sich Unfälle niemals vollständig ausschließen. Die folgenden Richtlinien sind zur Minimierung des Unfallrisikos unbedingt einzuhalten. Teil 4: Dreieckgenerator Mit der Benutzung des Labors erkennen alle Benutzer die Richtlinien an. Revision: Teil 5: Teil 6: V.0e Datum: eptember 2006 Prof.Dr.-Ing.KaiMüller/Hanstross Hochschule Bremerhaven Institut für Automatisierungs- und Elektrotechnik An der Karlstadt 8 D Bremerhaven Tel: FAX: E --- Mail: Einführung in Electronic-CAD (ECAD) Digitale chaltungen kmueller@hs --- bremerhaven.de Vor Beginn einer Laborübung ist die Lage der NOTAU-Taster festzustellen. 2 Aufbau, Umbau und Abbau von Versuchsanordnungen dürfen nur im spannungslosen Zustand erfolgen. 3 Das Einschalten der pannung darf nur nach Anweisung des Aufsichtsführenden erfolgen, der zuvor die Messschaltung überprüft. 4 Unter pannung ist eine Änderung des chaltungsaufbaus grundsätzlich unzulässig. Ausnahmen kann nur der Aufsichtsführende bestimmen. 5 Das Berühren möglicherweise unter pannung stehender Betriebsmittel auch außerhalb des Versuchsaufbaus ist durch entsprechendes Verhalten zu vermeiden. Zu allen rotierenden Maschinenteilen ist der erforderliche Abstand zu halten. 6 Während des Versuchs sind stets nur die Einstelländerungen zulässig, welche in der Übung vorgesehen sind oder vom Aufsichtsführenden genannt werden. 7 Das Abschalten eines Versuchsaufbaus darf nur nach den Angaben des Aufsichtsführenden erfolgen. 8 Bei experimentellen Untersuchungen im Rahmen von Diplomarbeiten erfolgt eine einleitende Unterweisung über die Energieversorgung und die sicherheitstechnischen Fragen des Arbeitsplatzes. Der Aufbau von chaltungen und die Durchführung aller Messungen unterliegen danach der Eigenverantwortung der tudenten. 9 Bei experimentellen Diplomarbeiten mit berührungsgefährlichen pannungen müssen mindestens zwei tudenten, bzw. ein Aufsichtsführender im Laborbereich anwesend sein. 0 Mit der Benutzung von Laboreinrichtungen verpflichtet sich der tudent bzw. die tudentin, den Anordnungen der Labormitarbeiter Folge zu leisten. Dies gilt insbesondere für den Gebrauch von Messgeräten und Prüfeinrichtungen.

2 Labor Elektronik/Prozessmesstechnik 2 Labor Elektronik/Prozessmesstechnik 3 Das Essen oder Trinken ist in den Laborräumen nicht gestattet. Leider ist es in der Vergangenheit vorgekommen, dass durch Getränke elektronische Messgeräte zerstört wurden. Auf die Unterlagen zum Labor kann über die Homepage < zugegriffen werden. Die Umdrucke müssen zu den einzelnen Laboren in gedruckter Form vorliegen. Bremerhaven, eptember 2005 Kai Müller <kmueller@hs---bremerhaven.de> Tel: (047)

3 Labor EPM --- Versuch 4 Labor EPM --- Versuch 5 Versuch Versuchsprotokoll weiß 9 Gezeigt ist die übliche 4-Ring-Kodierung. Erst ab der E48-Reihe wird ein fünfter Ring zur Kodierung der dritten telle benötigt. Zusätzlich zu den angegebenen Farbkennzeichungen kann der Tolranzring rot (=2%), braun (=%), gold (=5%) oder silber (0%) ausgeführt sein. Bei fehlendem Toleranzring beträgt die Wertetoleranz 20% vom Nennwert. Teilnehmer: Datum: Name Matrikelnummer Ring:. Ziffer 2. Ring: 2. Ziffer 4. Ring: Toleranz (etwas abgesetzt von den ersten 3 Ringen) 3. Ring: Multiplikator (Anzahl der Nullen) Testat: Diodenkennlinie und Gleichrichterschaltungen Dioden Die Kathode der Dioden ist gewöhnlich durch einen Ring gekennzeichnet. Kondensatoren Kondensatoren sind als gepolte oder ungepolte Versionen erhältlich. Kondensatoren mit Kapazitätswerten > F sind in der Regel gepolt (Elektrolyt- oder Tantal-Kondensatoren). Häufig ist der Plus-Pol gekennzeichnet. Das Verpolen dieser Kondensatoren kann zur Explosion des Kondensators führen!!! Alle für die Versuche benötigten elektronischen Bauteile befinden sich auf Leiterplatten; die zur Messung notwendigen Anschlüsse sind über 4mm-Buchsen ( Bananen-Buchsen ) an den eiten verfügbar. Die Verbindungen lassen sich auf der Rückseite der Leiterplatte leicht verfolgen. Die verwendeten Bauelemente sind: Widerstände Der Widerstandswert ist farbkodiert; den Farben werden folgende Ziffern zugeordnet: schwarz 0 braun rot 2 orange 3 gelb 4 grün 5 blau 6 violett 7 grau 8. Funktionsprüfung mit Multimeter Überprüfen ie die Funktion einer Diode mit einem modernen Multimeter. Notieren ie folgende Kenngrößen: " Flussspannung: " perrwiderstand:.2 Aufnahme der Kennlinie (Durchlassrichtung) der Diode BY25 " Messen ie die Durchlasskennlinie einer Leistungsdiode mit folgender chaltung:

4 Labor EPM --- Versuch 6 Labor EPM --- Versuch 7 pannungsquelle (variabel) A 00 V.3 Gleichrichterschaltung Die folgende chaltung dient zur Erzeugung einer Gleichspannung (DC) aus einer Wechselspannung (AC). Die Gleichspannung ist allerdings nicht perfekt, sondern besitzt eine Welligkeit, die von den Bauelementen und von der Belastung der chaltung durch Verbraucher abhängt. Bild.: chaltung zur Aufnahme der der Kennlinie einer Diode Verändern ie den trom im Bereich von mA. trom I [ma] pannung U [mv] pannungsquelle (AC) ~ 68K Bild.2: Gleichrichterschaltung " Oszillografieren ie die Ausgangsspannung der chaltung. Diskutieren ie den Verlauf. " Erweitern ie die chaltung aus Bild.2 mit folgenden Bauelementen (s. Bild.3). D 220 pannungsquelle (AC) ~ R C R 2 0 F 68K 00K P Board Board 2 Bild.3: Gleichrichterschaltung " Erläutern ie die chaltung. " Zeichnen ie die Durchlasskennlinie I = f(u). " Erklären ie den Verlauf der pannung für a) Geänderte Frequenzen, b) Änderung des Lastwiderstands P. " Vergleichen ie die gemessene Durchlasskennlinie mit den Daten der Diode BY25 (s. Anhang).

5 Labor EPM --- Versuch 8 Labor EPM --- Versuch 2 9 Versuch 2 Versuchsprotokoll Teilnehmer: Datum: Name Matrikelnummer Testat: 2 Transistorverstärker Für die Versuchsdurchführung steht folgende Verstärkerschaltung zur Verfügung. Der Anschluss ist die Masse, d.h. er bildet das Bezugspotential der chaltung. Alle pannungen werden gegenüber diesem Punkt gemessen. Der Masseanschluss des Oszilloskops sowie der Minuspol der pannungs- bzw. tromquellen sind mit diesem Punkt zu verbinden. Der Anschluss kann mit einer konstanten pannung von +5V verbunden werden. Durch ein Amperemeter in der Zuleitung zum Anschluss lässt sich der Kollektorstrom I C messen. ::: Die übrigen Anschlüsse haben folgende Funktion: (U B0 ): pannung zur Einstellung des Basisstroms bzw. des Arbeitspunkts der chaltung. In der Zuleitung kann der Basisstrom I B gemessen werden. (Eingang AC): Eingang für eine Wechselspannungsquelle. Der Kondensator dient zur Entkopplung des Eingangs von der Arbeitspunkteinstellung über. Eine angeschlossene Wechselspannungsquelle (Funktionsgenerator) hat dann keinen Einfluss mehr auf die Einstellung des Arbeitspunkts.

6 Labor EPM --- Versuch 2 0 Labor EPM --- Versuch 2 (Ausgang): An diesem Punkt kann die verstärkte Eingangsspannung gemessen werden. I B [ A] I C [ma] B (tromverstärkung) Die chaltung bezeichnet man als Emitterschaltung mit tromgegenkopplung. Der Emitter ist nicht direkt mit dem Bezugspotential verbunden, sonder über den Widerstand R E. Der Emitterwiderstand R E ist dabei kleiner als der Kollektorwiderstand R C. U B0 +5V I C R B R C 00k 6,8k Eingang (AC) C B 0,47 F BC547 I B U CE Ausgang R E,5k Bild 2.: Gnd Verstärkerschaltung mit NPN-Bipolartransistor Alle zur Messung notwendigen Anschlüsse sind über 4mm-Buchsen ( Bananen-Buchsen ) an den eiten verfügbar. Die Verbindungen lassen sich auf der Rückseite der Leiterplatte verfolgen. 2. Messung der statischen tromverstärkung B " Messen ie statische tromverstärkung B für verschiedene Werte des Basisstroms " Veränderniedentrom I B im Bereich von A (maximal). I B [ A] I C [ma] B (tromverstärkung) " Zeichnen ie die tromverstärkung B als Funktion des Kollektorstroms B =f(i C ). 2.2 Transistorverstärker Die chaltung gemäß Bild 2. soll nun zur pannungsverstärkung eingesetzt werden. tellen ie einen Kollektorstrom von ma ein. " Erklären ie, warum ma ein günstiger Arbeitspunkt ist (Hinweis: pannung am Kollektor) Analyse der chaltung Zuvor soll die Verstärkung berechnet werden. Hierzu ist der Transistor durch ein geeignetes Ersatzschaltbild zu ersetzen. Die Analyse des entstehenden Netzwerks kann mit den bekannten Methoden (Maschen- und Knotengleichungen) erfolgen. Der Transistor wird durch das vereinfachte Ersatzschaltbild mit stromgesteuerter tromquelle ersetzt. Da nur die Abweichungen vom Arbeitspunkt interessieren (Kleinsignalverhalten), dürfen alle Punkte mit konstantem Potenzial zusammengefasst werden (in diesem Fall Masse, U B0 und +5V). Weiterhin sind Kondensatoren für ignale hinreichend hoher Frequenz wirkungslos. Man erhält die chaltung in Bild 2.2.

7 Labor EPM --- Versuch 2 2 Labor EPM --- Versuch 2 3 I B I C I B U ( )R E. (2.4) r BE I BE r CE Die pannung U 2 hängt nur vom Kollektorstrom ab U 2 R C I C R C I B. (2.5) U R B R E U 2 R C etzen wir (2.4) in (2.5) ein, so folgt U 2 R C I C R C U ( )R. (2.6) E Bild 2.2: Verstärkerschaltung mit Transistor-EB Bei dem von uns verwendeten Transistor ist > 00, d.h.. Damit wird die Verstärkung Man erkennt, dass R B keinen Einfluss auf die pannungsverstärkung hat. Der Widerstand R B bestimmt jedoch den Eingangswiderstand der chaltung. A : U 2 R C R C (2.7) U ( )R E R E I B I C im wesentlichen durch das Verhältnis der Widerstände bestimmt. " Wie groß ist die Verstärkung mit den verwendeten Bauelementen? U r BE I E = I B + I C I BE R C R U E 2 " Wie kommt das negative Vorzeichen in (2.7) zustande? " Oszillografieren ie die Ein- Ausgangsspannung der chaltung. Diskutieren ie den Verlauf. Aus Eingangsspannung wählen ie ein inussignal mit einem cheitelwert von ca. V. " Verändern ie Frequenz, iganalform (z.b. Dreieckfunktion) und Amplitude. Erläutern ie die Ergebnisse. Bild 2.3: Verstärkerschaltung mit r CE Raum für Diagramme: Der Emitterstrom ist die umme aus Basis- und Kollektorstrom I E I B I C I B I B ( )I B. (2.) Aus der linken Masche erhält man r BE I B R E ( )I B U 0. (2.2) Auflösen nach I B führt auf U I B. (2.3) r BE ( )R E Der differenzielle Basiswiderstand ist nicht bekannt. Aufgrund der hohen tromverstärkung kann er jedoch gegenüber dem Term (+ )R C vernachlässigt werden :::

8 Labor EPM --- Versuch 2 4 Labor EPM --- Versuch 3 5 Versuch 3 Versuchsprotokoll Teilnehmer: Datum: Name Matrikelnummer Testat: 3 Operationsverstärker Die die in diesem Versuch benötigten chaltungen sind auf einem Experimentalboard aufzubauen. Es stehen also keine fertig verdrahteten chaltungen zur Verfügung, sondern die jeweilige chaltung kann durch Bauelemente auf Trägern und teckbrücken ( Jumper ) auf einem Rasterfeld erzeugt werden. Es stehen 4 Operationsverstärker zur Verfügung, die jedoch schon mit den Versorgungsspannungen (±5V) verbunden sind. Hinweis: Die Werte aller Bauelemente sind beispielhaft angegeben. Berechnen ie jeweils die chaltung mit den von Ihnen gewählten Werten. Die Widerstände müssen im Bereich von 4,7k bis ca. 00k liegen. Werte der Kondensatoren sollten im F-Bereich gewählt werden. 3. Nicht-invertierender Verstärker (Elektrometerverstärker) Die folgende Verstärkerschaltung besitzt einen nahezu unendlichen Eingangswiderstand, belastet also vorhergehende chaltungen nicht (z.b. zur Messung von EEG, EKG oder

9 Labor EPM --- Versuch 3 6 Labor EPM --- Versuch 3 7 ensoren mit geringer trombelastbarkeit). Die Phase wird nicht verändert; allerdings sind nur Verstärkungen zu verwirklichen Tiefpassfilter Das folgende Bild zeigt ein aktives Tiefpassfilter. Ordnung. --- C = 470nF Z 2 R = 5k R = 0k R 2 = 0k --- R 2 = 0k U + U 2 Bild 2.4: Nicht-invertierender Verstärker Bild 2.5: Der Eingang ist mit dem positiven Anschluss des Operationsverstärkers verbunden. Damit arbeitet die chaltung in Bild 2.4 als nicht-invertierender Verstärker. Da der Ausgang auf den negativen Anschluss zurückgeführt wird, spricht man von einem Betrieb in Gegenkopplung. Durch die virtuelle Masse liegt die Eingangsspannung an dem Widerstand R 2. Die Ausgangsspannung liegt an beiden Widerständen. Gleichzeitig bilden R und R 2 einen unbelasteten pannungsteiler R 2 R R 2. (2.8) Damit folgt die pannungsverstärkung A : R R 2 R 2 R R 2. (2.9) Es lassen sich somit nur Verstärkungen verwirklichen, die sind. " Wählen ie zwei Widerstände und berechnen ie zunächst die Verstärkung. Bauen ie die chaltung auf und messen die Verstärkung mit dem Oszilloskop. R = R 2 = A berechnet = A gemessen = Die (komplexe) Verstärkung ist das Verhältnis der Impedanz in der Rückführung durch die Impedanz im Eingangszweig (in diesem Fall nur R ). Man erhält A Z 2 Z Z 2 R R 2 R j R 2 C. (2.0) FürdenBetragderVerstärkunggilt A R 2. (2.) R R2 C 2 Die sogenannte Grenzfrequenz f g 2 R 2 C ist die Frequenz, bei der der Betrag der Verstärkung von auf (2.2) A max R 2 R (2.3) A max 2 abgefallen ist. (2.4)

10 Labor EPM --- Versuch 3 8 Labor EPM --- Versuch 3 9 " Wählen ie Bauelemente aus, berechnen die Verstärkung A max sowie die Grenzfrequenz f g. Vergleichen ie die berechneten Werte mit Messwerten vom Oszilloskop. R = R 2 = C = A max, berechnet = A max, gemessen = f g, berechnet = f g, gemessen = 3.3 Bandpass Ein Bandpass kann mit einem OP gebildet werden, der Kondensatoren sowohl in der Eingangsimpedanz als auch in der Rückführung enthält. Bild 2.6: Z C R U + U 2 Bandpass --- C 2 Z 2 Die Impedanzen Z sowie Z 2 wurden für den Tiefpass bzw. den Hochpass bereits berechnet R 2 Z j R C, Z j C 2. (2.5) j R 2 C 2 Damit erhält man für die komplexe Verstärkung R 2 A Z 2 j R 2 C Z j R C j R2 C 2. (2.6) Der Betrag der Verstärkung ist R A A 2 C. (2.7) R C 2 R2 C 2 2 Für tiefe Frequenzen R C, R 2 C 2 erhält man A NF R 2 C. (2.8) Als Grenzwert für hohe Frequenzen R C, R 2 C 2 entfallendiewurzelnundes ergibt sich A HF R 2 C R C 2 R 2 C 2 R C 2. (2.9) owohl für niedrige als auch für hohe Frequenzen geht die Verstärkung gegen null. Das Maximum der Verstärkung ist für R = R 2 = R bei dem geometrischen Mittel der Grenzfrequenzen für den Hochpass f g, HP 2 RC (2.20) und den Tiefpass f g, TP 2 RC 2 (2.2) Die Frequenz maximaler Verstärkung ist f g,max 2 RC. (2.22) 2 RC 2 2 R C C 2 " Wählen ie Bauelemente aus und überprüfen ie die Funktion des Bandpasses. Verwenden ie Funktionsgenerator und Oszilloskop für Ihre Messungen. R = R 2 = R = C = C 2 = f g, HP = f g, TP = f g, max =

11 Labor EPM --- Versuch 3 20 Labor EPM --- Versuch 4 2 A gemessen (bei f = f g, max )= Raum für Berechnungen: Versuch 4 Versuchsprotokoll Teilnehmer: Datum: Name Matrikelnummer Testat: 4 Dreieckgenerator (Funktionsgenerator) Der Funktionsgenerator besteht aus einem Komparator (mitgekoppelter OP) und einem sogenannten Integrator, der für die teigung der Flanken verantwortlich ist. R 2 = 5k R =8,2k u D R 3 = 0k C = F Komparator (chmitt-trigger) Integrator ::: Bild 2.7: Dreieckgenerator

12 Labor EPM --- Versuch 4 22 Labor EPM --- Versuch 4 23 Der Dreieckgenerator besteht aus zwei chaltungsteilen (Komparator und Integrator), die sich gegenseitig nicht beeinflussen. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber Transistorschaltungen, bei denen eine Belastung der vorangehenden Transistorstufe Auswirkungen auf das Verhalten der gesamten chaltung hat. Der Komparator ist für die Amplitude der chwingung verantwortlich; der Integrator formt aus einer Rechteckspannung die Dreieckfunktion. Die pannungen des Dreieckgenerators haben den prinzipiellen Verlauf gemäß Bild 2.8. U t Der Maschenumlauf (außen) liefert R R 2 i 0. (2.23) Auflösen nach dem trom führt auf i R R 2. (2.24) Die linke Maschengleichung lautet bzw. u D R i 0 (2.25) u D R i. (2.26) Nunkanndertromdurch(2.24)ersetztwerdenundmanerhält Bild 2.8: pannungsverlauf beim Dreieckgenerator u D R R R 2 u R 2 R R 2 R R R 2. (2.27) Zunächst werden die einzelnen chaltungsteile erläutert. 4. Komparator Der Komparator verwendet den positiven Anschluss. Der Ausgang ist ebenfalls auf den positiven Anschluss zurückgekoppelt (= Mitkopplung). Durch die Mitkopplung kann der Ausgang nur jeweils bei der positiven oder der negativen Maximalspannung liegen. Die Umschaltung zwischen beiden pannungen wird durch die Eingangsspannung bewirkt. Da der negative Anschluss mit Masse verbunden ist, erfolgt die Umschaltung immer dann, wenn der positive Anschluss die Polarität wechselt (also von + nach --- oder umgekehrt). Bei angenommenem idealen OPs fließ kein trom in den OP hinein. Damit vereinfacht sich die Bestimmung der pannung u D (pannung am positiven Anschluss des OP, s. Bild 2.7). Damit kann zur Berechnung der pannung u D der OP weggelassen werden. i R =8,2k u D --- R 2 = 5k + Der Nulldurchgang von u D erfolgt bei R R 2. (2.28) Den Zusammenhang zeigt das Bild 2.0. Bild 2.0: 0 R R 2 0 R R Ein- und Ausgangsspannung des Komparators Der Zusammenhang in Bild 2.0 wird Hysterese genannt. Der Umschaltpunkt hängt von der Vorgeschichte ab. Bild 2.9: chaltung zur Berechnung der pannung u D Komparatoren, bei denen unterschiedliche chaltpunkte bestehen, heißen chmitt-trigger.

13 Labor EPM --- Versuch 4 24 Labor EPM --- Versuch Integrator Der Integrator ist in folgender chaltung isoliert gezeichnet. i i R 3 C Gesamte chaltung Der Integrator erzeugt ein rampenförmiges ignal aufgrund der konstanten Eingangsspannung u R. Dabei erhält man bei positiver pannung eine negative teigung der Rampe und bei negativer pannung entsprechend eine positive teigung. Die Ausgangsspannung ist gleichzeitig Eingangsspannung für den Komparator. obald die chaltschwelle des Komparators überschreitet, erfolgt das Umschalten des Komparators und der Integrator läuft in die jeweils andere Richtung. Die Amplitude folgt aus den chaltpunkten des Komparators R R 2 (2.35) Bild 2.: Integrator Die pannung beträgt in unserer chaltung etwa ±3,5V. Der Widerstand R muss unbedingt kleiner als R 2 gewählt werden! Warum? Der Zusammenhang zwischen trom und pannung am Kondensator wird allgemein durch C du dt i (2.29) beschrieben. Aufgrund der virtuellen Masse gilt nach Bild 2. sowohl C d i (2.30) dt also auch i (2.3) R Das Minus-Zeichen entsteht aufgrund der eingezeichneten tromrichtung. Die Gleichungen (2.30) und (2.3) können gleichgesetzt werden C d i dt R. (2.32) Man erhält d dt RC u (2.33) bzw. durch Integration RC t 0 ( )d. (2.34) Der Ausgang ist also das (negative) Integral der Eingangsgröße. Der Faktor RC (Integrations-Zeitkonstante T i ) bestimmt die Geschwindigkeit, mit der die Integration erfolgt. Die Periodendauer T der chwingung hängt von dem Umschaltpunkt des Komparators sowie von der Zeitkonstanten T i R 3 C (2.36) ab. Eine genauere Analyse der chaltung ergibt T 4R 3 C R R 2 (2.37) und damit die Frequenz f T R 2. (2.38) 4R 3 C R " Wählen ie Bauelemente aus und berechnen ie Amplitude und Frequenz. Überprüfen ie Ihre Berechnungen durch Messungen mit dem Oszilloskop. R = R 2 = R 3 = C = Amplitude berechnet = Amplitude gemessen = f berechnet = f gemessen =

14 Labor EPM --- Versuch 4 26 Labor EPM --- Versuch 5 27 Versuch 5 Versuchsprotokoll Teilnehmer: Datum: Name Matrikelnummer Testat ACHTUNG: Abgabe der chaltpläne erforderlich! * " * Tragen ie im Title-Block (s. Text) der chaltung Ihren Namen ein. Die funktionierende chaltung mit Ihrem Namen gilt als Nachweis der erfolgreichen Teilnahme. 5 Einführung in Elektronik-CAD (ECAD) Die Entwicklung elektronischer chaltungen ist ohne ECAD heute undenkbar. Alle chritte von der Idee bis zur fertigen elektronisches Leiterplatte wird mit dem Computer begleitet. In Verbindung mit dem Internet hat der Entwickler Zugriff auf die Daten von ca. 2 Millionen elektronischer Bauteile. ::: Der Einsatz von ECAD-Werkzeugen hat den Entwurf elektronischer chaltungen revolutioniert. owohl Prototypen als auch die Produktion neuer elektronischer Geräte kann durch ECAD nun in sehr kurzer Zeit erfolgen. Bereits in der Entwurfsphase lassen sich Fehler mit Hilfe der imulation finden. DerCAD-ProzessvollziehtsichindenchritteninBild2.2.

15 Labor EPM --- Versuch 5 28 Labor EPM --- Versuch 5 29 Idee bliothek verwendet werden. Fehlende Bauelemente lassen sich über das Internet (während der Übung nicht verfügbar) in die Datenbank einfügen.. 2. chaltplan (schematic diagram) imulation Multisim, aber, OrCad, Cadence 3. Entflechtung (PCB Layout) 4. Prototyp 5. erienfertigung Bild 2.2: Entwurfsprozess Die einzelnen chritte des Entwurfsprozesses werden in der Regel nicht geradlinig durchlaufen. Vielmehr verläuft der Prozess iterativ, wenn in einem chritt ein Fehler auftritt. Dann muss zu einem früheren Entwurfsschritt zurückgekehrt werden. Je mehr tufen man zurückgeht um den Fehler zu korrigieren, desto teurer wird der gesamt Entwurf (abgesehen vom Zeitverlust). Besondere Bedeutung haben deshalb die ersten beiden tufen, die mit der CAD-oftware Multisimt bearbeitet werden. Multisim ist Marktführer in den UA im Bereich ECAD und bietet chnittstellen zu Layout-Programmen, damit die Daten (=Netzliste) in weiteren chritten der Entwurfskette übernommen werden können. 5. ECAD-oftware Multisim Multisim ermöglicht die grafische Eingabe von chaltungen, die imulation und die Erzeugung von Modellen für analoge (pice) und digitale (VHDL) Bauelemente. Die Modellierung der gebräuchlichen Bauelement hat der Hersteller Electronics Workbencht bereits übernommen. Diese Bauelemente können aus der mitgelieferten Bauelemente-Bi- Bild 2.3: Multisim 7 Die Bedienoberfläche von Multisim 7 zeigt Bild 2.3. Da das Aussehen konfigurierbar ist, kann das Aussehen von Multisim variieren. Die prinzipielle Anordnung der Bedienoberfläche bleibt jedoch bei allen Konfigurationen erhalten. Am oberen Rand befinden sich die Menüleiste, über die Multisim gesteuert wird sowie die chaltflächen, die häufig benötigte Befehle leichter zugänglich macht. Darunter bzw. häufig auf der linken eite können auf die Bauelemente aus der Bibliothek zugegriffen werden. Die blauen Felder kennzeichnen virtuelle Bauelemente, die grau unterlegten Felder enthalten physikalisch existierende Bauelemente. Die Daten der virtuellen Bauelemente können frei verändert werden. ie eignen sich also ganz besonders in der ersten

16 Labor EPM --- Versuch 5 30 Labor EPM --- Versuch 5 3 Entwurfsphase, wenn noch nicht feststeht, welche Bauelemente eingesetzt werden. Man wählt süäter dann diejenigen Bauelemente aus, die den virtuelle Bauelementen möglichst gut entsprechen. Am rechten Rand sind Messinstrumente (Multimeter, Oszilloskope, Funktionsgenerator etc.) verfügbar, die für Anzeige der Ergebnisse einer imulation benötigt werden. Mit Multisim lässt sich also ähnlich arbeiten wie mit den aus dem Labor bekannten Messinstrumenten. Die zentrale Fläche dient zum Zeichnen des chaltplans und zum Anschluss der Messinstrumente. Der untere Rand wird gewöhnlich nicht verwendet. Wie in Bild 2.3 gezeigt, kann hier jedoch eine Tabelle der verwendeten Bauelementen eingeblendet werden. 5.2 Entwurf eines Transistorverstärkers mit Multisim Der folgende Transistorverstärker soll mit Multisim eingegeben und simuliert werden. Dabei ist der optimale Widerstand R 4 durch imulation zu ermitteln. 5V DC ~ khz V cheitelwert R 3 = 47k C = 00nF R 4 =? Q R 2 =6.8k R =.5k Programme\Multisim7\Titleblocks Auswählen iae.tb7 --- > ffnen Platzieren ie den Title Block in der unteren rechten Ecke. Mit rechter Maustaste auswählen ---> Modify Title Block Data... auswählen. Tragen ie hinter Title: Transistorverstärker ein. Tragen ie hinter Description: alle Namen der Gruppe ein. Klicken ie auf OK. peichern ie die chaltung unter dem Namen TrVerst ab. Gelegentliches Betätigen der peichern -chaltfläche (Disketten-ymbol) schützt vor Datenverlust. Wählen ie aus der virtuellen Bauelemente-Bibliothek (blaue Kästchen links) alle Bauelemente der chaltung aus und platzieren ie diese auf der Zeichnung. Verbinden ie die Bauelemente. Verbinden (wiring) erfolgt durch Anklicken der zu verbindenden Anschlüsse von Bauelementen. Der Funktionsgenerator (Wechselspannungsquelle) findet sich in der Bauelemente-Bibliothek unter dem Namen AC Voltage ource. Vergessen ie nicht gelegentliches peichern. Platzieren ie aus der rechten Leiste ein Zweikanal-Oszilloskop (Oscilloscope) und verbinden ie die Eingänge mit Eingang ( ) undausgang( ) der chaltung. Eine Masse-Verbindung ist nicht erforderlich (erfolgt automatisch). imulieren (chalter in der oberen chaltfläche) ie de chaltung mit einem beliebigen Wert für R 4. Ändern ie R 4, bis sie ein sauberes Ausgangssignal erhalten. ie können keine Werte ändern, wenn der imulator läuft. chalten ie zuvor den imulator (chalter-ymbol) wieder aus. R 4 =. Bild 2.4: Transistorverstärker Herzlichen Glückwunsch zu Ihrer ersten chaltung! " Durch imulation ist derjenige Widerstand R 4 zu ermitteln, der ein unverzerrtes Ausgangssignal (Anschluss ) erzeugt. Zum Eingeben der chaltung gehen ie wie folgt vor: tarten ie Multisim Place -> Title Block Ermittlung der Grenzfrequenz für ein Tiefpassfilter Für die folgenden Tiefpass 4. Ordnung (Bild 2.5) soll mit Multisim die Grenzfrequenz ermittelt werden (im imulator).

17 Labor EPM --- Versuch 5 32 Labor EPM --- Versuch 6 33 ~ 39k 50k 47n 39k n 56k 00k 00n 56k n Versuch 6 Teilnehmer: Versuchsprotokoll Datum: Name Matrikelnummer Bild 2.5: Tiefpassfilter 4. Ordnung. " Ermitteln ie durch imulation die Grenzfrequenz der Tiefpassschaltung aus Bild 2.5. Gehen ie dabei wie in Abschnitt 5.2 vor. Unterschiede zur Transistorschaltung: peichern ie die chaltung unter dem Namen OpAmp. Füllen ie den Title-Block entsprechend aus. chließen ie zur Analyse der chaltung ein Vierkanal-Oszilloskop (4 Channel Oscilloscope) an den Anschlüssen, und an. Verändern ie die Frequenz der Wechselspannungsquelle, bis ie einen Abfall der Ausgangsamplitude um ---3dB ( 2 ) feststellen Testat ACHTUNG: Erst nach Abnahme der chaltung durch Herrn tross oder mich gilt das Labor als bestanden! f g = Hz Ô = Grad (Phasenwinkel bei der Grenzfrequenz f g ). 6 Digitale chaltungen Der überwiegende Anteil elektronischer chaltungen ist heute digital. Die digitale ignalverarbeitung arbeitet bei beliebiger Komplexität fehlerfrei und lässt sich leicht an unterschiedliche Aufgaben anpassen (Mikrocontroller, FPGAs, etc.). Der Einsatz von Digitaltechnik (auch bei programmierbaren Bauelementen) erfordert Kenntnisse in boolscher Logik. Im Rahmen dieses Labors soll eine Aufgabe mit Gatterschaltungen in minimaler Form (DNF und KNF) gelöst werden. Nach der Minimierung der logischen Funktionen kann die chaltung durch Verbinden von Gattern verwirklicht werden. Hierzu stehen genug Gatterfunktionen (AND, OR, NAND, NOR) und Verbindungsleitungen zur Verfügung. 6. Bargraph ::: Eine Bargraph-Anzeige wird zur quasi-analogen Darstellung digitaler Zahlen eingesetzt. Eine solche Anzeige für 3-Bit-Zahlen soll in minimaler Form (in disjunktiver Normalform

18 Labor EPM --- Versuch 6 34 Labor EPM --- Versuch 6 35 bzw. konjunktiver Normalform) verwirklichtwerden. Die Ausgabe erfolgtmit LEDs (Light Emitting Diode), die unmittelbar von den Ausgängen einiger Gatter angesteuert werden können. Der Zusammenhang zwischen Ansteuerung der LEDs und der dualen Zahl zeigt Bild 2.6. Eingänge x2 x x Anzeige Null y y2 y3 y4 y5 y6 y7 x x 0 x Null = 0 0 x 0 = x = Bild 2.7: Karnaugh-Diagramm für Null Bild 2.6: 0 Bargraph für 3 Bit Jeder leuchtenden LED wird der logische Wert zugeordnet. " Tragen ie die entsprechenden Nullen und Einsen in das Karnaugh-Diagramm ein (jeeindiagrammfürjedeausgangsgröße). " Wählen ie die DNF oder die KNF (wann ist was günstiger?). " Kennzeichnen ie die Gebiete, die ie zu einem Minterm oder Maxterm zusammenfassen. x x 0 x y = 0 0 x 0 = x = " Geben ie die minimale boolsche Gleichung für den jeweiligen Ausgang an. " Wenden ie ggf. das DeMorgansche Theorem an, um möglichst einfache Gleichungen zu erhalten oder vorhandene Gatter möglichst gut auszunutzen. Bild 2.8: Karnaugh-Diagramm für y

19 Labor EPM --- Versuch 6 36 Labor EPM --- Versuch 6 37 x x 0 x x x 0 x x 0 = x = x 0 = x = y 2 = y 4 = Bild 2.9: Karnaugh-Diagramm für y 2 Bild 2.2: Karnaugh-Diagramm für y 4 x x 0 x x x 0 x x 0 = x = x 0 = x = y 3 = y 5 = Bild 2.20: Karnaugh-Diagramm für y 3 Bild 2.22: Karnaugh-Diagramm für y 5

20 Labor EPM --- Versuch 6 38 x x 0 x x 0 = x = y 6 = Bild 2.23: Karnaugh-Diagramm für y 6 x x 0 x x 0 = x = y 7 = Bild 2.24: Karnaugh-Diagramm für y 7 " Bauen ie die chaltung auf und überprüfen ie die Funktion. Die Eingangsgrößen liefern chalter. Es stehen jeweils die ignale x k inversen ignale x k zur Verfügung. Die Ausgänge sind mit LEDs zu verbinden. sowie die Notizen: :::