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 :31:00 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 :31:00 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 :31:00 Seite 4

6 Praktikum Analog- und Digitaltechnik Versuch A1 Elektrische Messgeräte, Pulsmessung Ziel dieses Versuches: mit den Geräten (Funktionsgenerator, Spannungsversorgung, Oszilloskop, Multimeter) vertraut werden Messung des eigenen Pulses (Herzfrequenzmessung) Inhalt: Trigger, TTL-Generator, Transformator, Oszilloskop, Funktionsgenerator Vorkenntnisse: Arbeitsweise eines Oszilloskops, Multimeter, Spannungsteilerschaltung, Fotowiderstand, Transformator 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 Osziloskop 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_Pulsmessung_ (1).doc vom :31:00 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_Pulsmessung_ (1).doc vom :31:00 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_Pulsmessung_ (1).doc vom :31:00 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 gezählthaben 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_Pulsmessung_ (1).doc vom :31:00 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_Pulsmessung_ (1).doc vom :31:00 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_Pulsmessung_ (1).doc vom :31:00 Seite 7

13 A/D-Technik Praktikum A1 Pulsmessung 4 Vorarbeiten Arbeiten Sie die ganze Anleitung durch. Bearbeiten Sie danach die folgenden Aufgaben: Ermitteln Sie aus der oben zu sehenden Darstellung eines Oszilloskops die folgenden Werte. Spitze-Spitze-Spannung Effektivspannung Periode Triggerspannung Triggerzeitpunkt Frequenz Amplitude Erläutern Sie kurz, wozu man die AC- und DC-Kopplung im Oszilloskop nutzt. An einen Hochpass (R = 1 MOhm, C = 0,5 µf) wird eine Sinusschwingung mit Frequenz f und Amplitude Uin = 1 V angelegt. Wie hängt die Amplitude der Ausgangsspannung Uout von f ab? Tragen Sie hier die Formel ein. A1_Pulsmessung_ (1).doc vom :31:00 Seite 8

14 A/D-Technik Praktikum A1 Pulsmessung Zeichnen Sie Uout in Abhängigkeit von f (für f=0,01hz bis 100Hz) in das folgende doppeltlogarithmische Koordinatensystem. A1_Pulsmessung_ (1).doc vom :31:00 Seite 9

15 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.!! Ihr Chef will morgen mit dem neu gekauften Oszilloskop Wechselspannungen im mv-bereich messen. Dazu muss er zunächst wissen, wo bei dem Oszilloskop welche Einstellungen getätigt werden müssen, damit bei der Messung ein sauberes, stehendes Bild entsteht. Außerdem muss er wissen, wie er die Messwerte ablesen und sich die Zahlenwerte anzeigen lassen kann. Ihre Aufgabe ist es, das herauszufinden und die Ergebnisse in einem kurzem Report zusammenzufassen. Kleiner Hinweis: Ihr Chef mag keine langen Sätze, sondern Stichpunkte. Ein alter Funktionsgenerator, der lange Zeit nicht benutzt wurde, soll zur Erzeugung von Sinussignalen wieder in Betrieb genommen werden. Damit später alle Mitarbeiter das Gerät problemlos benutzen können, wird eine kurze Dokumentation benötigt. Ihre Aufgabe ist das Erstellen dieser Dokumentation einschließlich einer Beurteilung der Genauigkeit von Amplitude und Frequenz in den verschiedenen Größenordnungen. Die Dokumentation soll übersichtliche Tabellen mit den Messwerten beinhalten und auch auf Abweichungen/Fehler hinweisen.! In der Dokumentation soll auch aufgezeigt werden, dass der Funktionsgenerator andere Signalformen beherrscht und wie diese sich vom Sinussignal unterscheiden. Erstellen Sie also eine Übersicht der drei Signalformen und zeigen sie die damit verbundenen Unterschiede in den Parametern Spitze-Spitze-Spannung und Effektivwert auf, wenn die Amplitude und die Frequenz am Funktionsgenerator konstant gehalten werden.! Ihr Chef hat versucht, mit dem neuen Oszilloskop auch das Sinussignal von einer bisher tadellosen Spannungsversorgungseinheit zu messen. Die Messwerte, die er am 12V-Ausgang des Trafos gemessen und am Oszilloskop abgelesen hat, lägen jedoch deutlich über 12 Volt. Er schlussfolgert daher, dass die Spannungsversorgung defekt sei. Ihnen wurde aufgetragen, die Messung selber durchzuführen und einen kurzen Report mit der Fehlerursache zu schreiben. Hinweis: Nutzen Sie auch das Digitalmultimeter zur Messung und stellen Sie im Report auch die Signalform mit vollständiger Beschriftung grafisch dar. Frequenz nicht vergessen. A1_Pulsmessung_ (1).doc vom :31:00 Seite 10

16 A/D-Technik Praktikum A1 Pulsmessung! In der Mittagspause erzählt der Chef von einem kürzlich erschienenen Smartphone, das mit Hilfe der Kamera-LED die Pulsfrequenz des Benutzers messen könne. Er wundert sich, wie das funktioniert und fragt Sie nach einer Erklärung. Erstellen Sie eine kurze Beschreibung, welche die Funktionsweise verdeutlicht. Dazu wird eine Schaltung mit Lampe und Fotowiderstand notwendig sein, die wie in Abbildung 3 aussehen kann. Abbildung 3: Schaltbild zur Pulsmessung; Kondensator optional; das Oszilloskop ist hier durch seinen Innenwiderstand dargestellt. Bedenken Sie dabei folgendes: - 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 die Widerstandswerte im von der Lampe beleuchteten und im mit Daumen abgedunkelten Fall. - Es bietet sich an, die Gleichspannungsanteile vom Oszilloskop fernzuhalten und nur die Wechselspannungsanteile darstellen zu lassen. In Kapitel 2.1, Punkt A wurde bereits darauf eingegangen, wie das mit dem Oszilloskop alleine möglich ist und welche Grenzfrequenz dann vorliegt. Alternativ kann ein externer Kondensator eingesetzt werden, der je nach gewählter Größe andere Grenzfrequenzen erlaubt. - In der Beschreibung soll Ihre Wahl für den Vorwiderstand und für die Kopplung und, falls eingebaut, den Kondensator handfest begründet sein. Dazu bietet sich unter anderem ein Vergleich der verschiedenen Kopplungen mit und ohne externen Kondensator an, der auch eine Übersicht über die verschiedenen Grenzfrequenzen liefert. Bestimmen Sie mit dem funktionierenden Aufbau schließlich Ihre eigene Pulsfrequenz in Ruhe und nach kurzer Belastung (z.b Kniebeuge oder Liegenstütze) und skizzieren Sie die Signalverläufe. Messen Sie den Puls beide Male zum Vergleich auch von Hand (Handgelenk, Hals o.ä.). A1_Pulsmessung_ (1).doc vom :31:00 Seite 11

17 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/

18 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_v1_ doc vom :32:00 Seite 2

19 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_v1_ doc vom :32:00 Seite 3

20 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 A Abb. 2 Volladdierer s1 ü1 HA A ü2? s ü D1_v1_ doc vom :32:00 Seite 4

21 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_v1_ doc vom :32:00 Seite 5