Protokollbuch. Friedrich-Schiller-Universität Jena. Physikalisch-Astronomische Fakultät SS Messtechnikpraktikum

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1 Friedrich-Schiller-Universität Jena Physikalisch-Astronomische Fakultät SS 2008 Protokollbuch Messtechnikpraktikum Erstellt von: Christian Vetter (89114) Helena Kämmer (92376) Betreuer: A. Steppke Erstellt am: 19. April 2008 letzte Änderung: 18. Juli 2008

2 2 Lötpraktikum 01. und 08. Juli 2008 Die Berliner Mengenlehreuhr (Helena Kämmer) I. Aufgabenstellung - Aufbau der Berliner Mengenlehreuhr nach Anleitungen und Schaltung - Quarzfrequenz messen - Stromaufnahme für verschiedene Anzahl leuchtender LED's bestimmen Leistung berechnen - Aufzeichnen der Multiplexsignale MUX0 an R 11 MUX1 an R 12 MUX2 an R 13 MUX3 an R 8 - Frage: Was sind die Vor- und Nachteile einer Multiplexansteuerung? II. Aufbauanleitung Reinigen Sie die Leiterplatte gründlich (feines Schmirgelpapier, Spiritus) und bringen Sie einen lötfähigen Schutzlack auf. Lassen Sie die Platine gut trocknen! Überprüfen Sie anhand der Stückliste die Vollständigkeit der Bauelemente. Beginnen Sie mit dem Bestücken der LED's. Achten Sie auf die Polarität (langer Anschluss = Anode; Kurzer Anschluss = Kathode)! Benutzen Sie die Vorrichtung zum exakten Ausrichten der LED's. Bestücken Sie nicht alle LED's gleichzeitig, besser reihenweise. Vergessen Sie nach dem Löten aller LED's nicht die Lötstellen auf der Bestückungsseite. Bestücken Sie alle Widerstände und die beiden Dioden. Bestücken Sie den IC-Sockel (IC 1) und die Taster. Bestücken Sie IC 2 sowie die Transistoren (Lötstellen auf der Bestückungsseite nicht vergessen!). Bestücken Sie abschlieÿend den Quarz und löten Sie den Batterieclip an (optional auch noch die Steckverbinder X1 und X2). Überprüfen Sie die Platine auf eventuelle Kurzschlüsse zwischen den Lötstellen und qualitativ schlechte Lötstellen. Lassen Sie die Platine überprüfen bevor der Mircocontroller eingesetzt wird. Überprüfen Sie die Funktion der Schaltung und führen Sie die von Ihrem Betreuer vorgegebenen Messaufgaben durch.

3 3 Stückliste Anz. Wert Aufdruck Bemerkung 2 22 pf nf nf LED rot kurzer Anschluss = Kathode 13 LED gelb kurzer Anschluss = Kathode 2 Diode SB PIC16F872 wird später ausgegeben 1 IC-Sockel als IC1 einlöten 1 78L Pin 2 leicht abwinkeln 1 Quarz 4 MHz 3 Transitor SS216 S16 Basis leicht abwinkeln 9 Widerstand 511 Ω grün-braun-braun-schwarz-(braun) 3 Widerstand 1 kω braun-schwarz-schwarz-braun-(braun) 3 Widerstand 33 kω orange-orange-schwarz-rot-(braun) 2 Taster 2 Stiftleiste 5-polig Optional (nicht bestücken) 1 Anschlussleitung 9 V Rot = Pluspol 1 Leiterplatte Bestückungsplan Hinweise zum Abwinkeln der Transitor- und Längsregleranschlüsse Von unten auf die Anschlüsse gesehen ist sowohl beim IC als auch beim Tranistor der mittlere Anschluss wie in der Abbildung gezeigt abzuwinkeln.

4 4 Hinweise zum Betrieb Die Versorgungsspannung sollte im Bereich zwischen 7V und 12V liegen. Die Stromaufnahme der Schaltung liegt - je nach Anzahl der eingeschalteten LED's zwischen 2 ma und 50 ma, deshalb ist die Stromversorgung durch ein Steckernetzteil empfehlenswert Durch Betätigung der Taster S1 bzw. S2 werden der Stunden bzw. Minutenzähler im Sekundentakt in Einer-Schritten erhöht. Der Sekundenzähler wird dabei auf Null zurückgesetzt. Die Uhr-Software wurde mit BASIC erstellt. Softwareänderungen können Sie nach Rücksprache im E-Praktikum oder über die ICSP-Schnittstelle auch selbst vornehmen. Schaltplan

5 5 III. Messwerte und Auswertung Die Quarzfrequenz Die gemessene Quarzfrequenz ergab exakt 4 MHz. Dies zeigt, das der Quarz eine sehr stabile Schwingung erzeugt. Strom- und Leistungsaufnahme Für die Stromaufnahme ergab sich folgendes: Je mehr LEDs eingeschaltet sind, desto mehr Strom wird von der Schaltung aufgenommen, wobei hier ein lineares Verhalten zu erkennen ist. Analog ergibt sich für die Leistungsaufnahme nach P = U I: Es ist festzustellen, dass die Leistungsaufnahme für die vergleichsweise simple Funktion der Uhr recht hoch ist. Auÿerdem verbraucht die Uhr auch ohne leuchtende LED's einen hohen Strom (12, 9 ma ˆ=116 mw ). Im Durschnitt leuchten ca. 12 LEDs. Ermittelt wurde dies indem man die Anzahl der eingeschalteten Stunden jeder einzelnen LED ermittelt und addiert. Und anschlieÿend durch 24 Stunden (also die höchst mögliche Leuchtzeit einer LED) teilt. Die mittlere Leistungsaufnahme ergibt sich aus dem oberen Graphen und der Anzahl der durchschnittlich leuchtenden LEDs. Es ergibt sich im Mittel ca. 262 mw. Zu beachten ist hierbei jedoch, dass bei der Stromaufnahme immer die Maximalwerte aufgenommen wurden.

6 6 Aufzeichnung der Multiplexsignale Durch die Ansteuerung mittels Multiplexer ist es möglich mehrere LED's mit nur einem Ausgang anzusteuern. In diesem Fall werden mit einem Ausgang 3 LED's geschaltet. Der Vorteil liegt darin, dass ein kleinerer und damit günstigerer Microcontroller verwendet werden kann. Ein möglicher Nachteil dieser Methode ist, dass die LED's etwas dunkler wirken, da sie nur ein drittel der Zeit leuchten.

7 7 Der Spike-Generator (Christian Vetter) I. Aufgabenstellung (selbst festgelegt) - Entwerfen eines Platinenlayouts mit Eagle Aufbau der Schaltung - Bestimmen der Pulseigenschaften (Periodendauer, Pulsbreite, Pulshöhe) - Beobachtungen verschiedener Kabel und Zustände Koaxialkabel und Einzelleitungen im abgeschlossenen, oenen und kurzgeschlossenen Zustand - Bestimmen der Impulslaufgeschwindigkeit im Leiter Daraus Berechnung der Kabellänge eines zweiten Kabels - Frage: Ab welcher Kabellänge kommt es zu zu einer Überlagerung von ausgesendetem und reektierten Impuls? II. Grundlagen Idee und Funktionsweise des Spike-Generators Der Spike-Generator dient zur Bestimmung der Hochfrequenztauglichkeit von Messleitungen. Dazu wird ein kurzer, hoher Impuls in das Kabel gesandt und Reexionen an Inhomogenitäten oder Kurzschlüssen am Oszilloskop beobachtet. Zur Beschreibung der entstehenden Phänomene kann die Telegraphengleichung genutzt werden. Dieser zufolge wird ein Impuls an einem freien Kabelende direkt reektiert. An einem Kurzschluss ndet eine invertierte Reexion statt. Schlieÿt man das Kabel mit seinem Wellenwiderstand ab werden sämtliche Reexionen unterdrückt. Vorgehen bei der Messung Zur Vermessung eines Kabels wird folgendermaÿen vorgegangen. Der Spikegenerator wird über ein T-Stück an das Oszilloskop angeschlossen. Vorteilhaft für die folgenden Messungen ist es, wenn bereits dieses Kabel mit einem passenden Abschlusswiderstand abgeschlossen wird (Erst während der Messungen festgestellt). An den anderen Anschluss des T-Stückes wird nun das zweite, zu vermessende Kabel angeschlossen. Somit wird sowohl der Impuls aus dem Spikegenerator als auch dessen Reexionen auf dem Oszi dargestellt. Aus der Laufzeit des Impulses lässt sich mithilfe der Impulsgeschwindigkeit, die später bestimmt werden soll, die exakte Position der Fehlstelle bestimmen. III. Messwerte und Auswertung Die Schaltung

8 8 Die Schaltung wurde dem Hefter für Lötvorschläge entnommen. Lediglich R 2 musste wesentlich kleiner gewählt werden, da ansonsten keine Schwingung zustande kam. Zur groben Funktionsweise: Der Quarz wird zu einer Schwingung angeregt. Die Logikgatter der beiden IC's formen diese Schwingung durch ihre Gatterlaufzeiten zu einem kurzen Impuls. Um eine höhere Spannung zu erreichen wird ein Transistor eingesetzt. Das Board Das Platinenlayout wurde mit Eagle 5.0 entworfen. Dabei bedeutet rot Bestückungsseite und blau Leiterseite. Um das Löten zu vereinfach hätten die Lötkontakte gröÿer gewählt werden können. Auÿerdem hätten bei den Befestigungsstiften der BNC-Buchse groÿe Lötächen platziert werden müssen. Ansonsten funktionierte alles einwandfrei. Die Leiterplatte Unbestückt (gespiegelt) Bestückt Bemerkung: Die Schrift wurde von der Werkstatt auf die falsche Seite geätzt und ist somit spiegelverkehrt.

9 9 Pulseigenschaften Die folgenden Abbildungen zeigen einen direkten Anschluss des Spikegenerators an das Oszilloskop. Ohne Abschlusswiderstand Mit Abschlusswiderstand Mit Abschlusswiderstand In der ersten Abbildung kann man erkennen was passiert, wenn man das Kabel zum T-Stück am Oszilloskop nicht abschlieÿt. Es ergeben sich mehrfache Rückreexionen zum Spikegenerator und wieder zum Oszi. Die Pulsbreite wird dadurch extrem erhöht! Eine genaue Messung ist somit nicht möglich. Weiterhin kann man einen recht weit ausgeprägten negativen Bereich beobachten. Dieser lässt zunächst einen Kurzschluss vermuten. Nähere Überlegungen ergeben jedoch, dass es sich hierbei um eine Gegeninduktion durch die Drossel handelt. Diese sollte laut Orginalschaltung 1,5 Windungen besitzen, hat aber hier etwa 40 Windungen. In den anderen beiden Abbildungen wurde ein Abschlusswiderstand verwendet. Der Impuls wird dadurch zwar schwächer aber auch wesentlich schmaler. Ohne Abschlusswiderstand Mit Abschlusswiderstand Pulsbreite [ns] 53,2 16,8 Periodendauer [ns] 499,9 500,2 Max. Spannung [V] 4,56 1,7 Min. Spannung [V] -1,24-0,18 Beaobachtungen verschiedener Kabel und Zustände Leider konnten in diesem Rahmen kaum Unterschiede zwischen BNC-Messleitungen und Zweidrahtleitungen festgestellt werden. Aus diesem Grund sind die folgenden Beobachtungen auf BNC-Kabel begrenzt. Abgeschlossen Oen Kurzgeschlossen Wie zu erkennen kann die Theorie vollständig bestätigt werden. Im abgeschlossenen Fall erhalten wir keinerlei Reexionen und somit eine ideale Übertragung. Im oenen Fall wird das Signal direkt zurück reektiert. Aus der Laufzeit wird im Folgenden die Laufgeschwindigkeit des Impulses berechnet. Im kurzgeschlossenen Fall ndet eine Invertierung des reektierten Impulses statt. Die genauen Zahlenwerte können den Abbildungen entnommen werden.

10 10 Impulslaufzeit und Kabellänge Die oben durchgeführten Beobachtungen wurden mit einem 2, 59 m langem BNC-Kabel durchgeführt. Aus den Diagrammen für das oene als auch das kurzgeschlossene Ende lassen sich Laufzeiten von ca. 30 ns ablesen. Daraus ergibt sich eine Geschwindkeit des Impulses von 1 cm 2v = 8, 63 ns = 86, m s. Dies entspricht etwa 58% der Lichtgeschwindigkeit. Weiterhin lässt sich hieraus berechnen, dass ab einer Leitungslänge von 43 m der relektierte mit dem nächsten ausgesendeten Impuls zusammenfällt. Um diesen Wert zu erhöhen hätte ein langsamerer Quarz verwendet werden müssen. In der folgenden Abbildung wurden mehrere (4) BNC-Kabel mit einer Gesamtlänge von 5, 10 m (ohne Verbindungsstücke) hinter einander geschaltet. Man kann daraus eine Laufzeit von 60 ns ablesen. Mit der oben berechneten Geschwindigkeit ergibt sich eine experimentell ermittelte Kabellänge von 5, 18 m. Eine derartige Genauigkeit ist überraschend. Berücksichtigt man noch die T-Stücke (je 3 cm) die für das Zusammenschlieÿen der BNC-Kabel verwendet wurden kann man von einer Genauigkeit von ± wenigen cm ausgehen.