Fachhochschule Dortmund FB Informations und Elektrotechnik KLAUSUR LN/FP Sensortechnik/Applikation

Transkript

1 KLAUSUR LN/FP Sensortechnik/Applikation Name: Matr.-Nr.: Vorname: Note: Datum: Beginn: 8:15 Uhr Dauer: 120 Min. Aufgabe Summe max. Pkt err. Pkt Allgemeine Hinweise: Erlaubte Hilfsmittel: Taschenrechner, zwei Formelblätter, max. DIN A4. Unleserliche Stellen, nicht nachvollziehbare Ansätze oder Berechnungen werden nicht bewertet! Jedes Blatt ist mit Namen und Matrikel-Nr. zu kennzeichnen; die Seiten sind zu nummerieren! Sie dürfen keinen Bleistift (außer für Skizzen) und keinen Rotstift verwenden. Wird zu einer Aufgabe mehr als eine Lösung abgegeben, wird die Aufgabe nicht gewertet! Prof. Dr. H. Gebhard Seite 1

2 1. Die Übertragung von Sensor-Signalen erfolgt gelegentlich durch die Übertragung einer Frequenz, so wird z.b. eine Temperatur 300mV U e 1200mV durch den Frequenzbereich 0Hz f 10kHz dargestellt. (a) Stellen Sie die Funktion U e (f) grafisch dar! (b) Geben Sie eine zugeschnittene Größengleichung für U e (f) an! (c) Skizzieren Sie einen Schaltungsvorschlag zur Umsetzung der Eingangsspannung, erläutern Sie die Funktion der einzelnen Blöcke der Schaltung und skizzieren Sie den zeitlichen Verlauf der relevanten Spannungen. : (a) Ue/mV f/khz (b) Aus der Grafik ist die Gleichung der Geraden direkt ablesbar: 1200mV 300mV U e = 300mV + f 10kHz als zugeschnittene Größengleichung: U e f = mv khz (c) Schaltungsvorschlag: Spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) Der VCO besteht aus den Funktionsblöcken,,bipolares Koeffizientenglied,,,Integrator und,,schmitt-trigger Abbildung 1: Blockschaltplan eines VCO Prof. Dr. H. Gebhard Seite 2

3 Funktionsweise: Die Eingangsspannung wird so lange integriert, bis am Ausgang des Integrators die Umschaltschwelle des Schmitt-Triggers erreicht wird. Wenn dieser umschaltet, wird die Polarität des Eingangssignals umgeschaltet; da jetzt U e integriert wird, sinkt die Ausgangsspannung des Schmitt-Triggers wieder. Wird seine untere Schaltschwelle erreicht, wird die Polarität des Eingangssignals wieder umgeschaltet und der beschriebene Vorgang wiederholt sich. Prof. Dr. H. Gebhard Seite 3

4 2. Gegeben sei folgende Schaltung eines Operationsverstärkers: (a) Welche Operationsverstärker-Grundschaltung ist hier dargestellt? (b) Welche Funktion hat der Widerstand R 3? Wie muss seine Widerstandwert (unter der Annahme einer idealen Signalquelle) berechnet werden? (c) Wie groß ist die Gleichspannungsverstärkung A 0 der Schaltung? (d) Bei welcher Frequenz ist der Betrag der Verstärkung nur noch A(f T ) = 1 (sog. Transitfrequenz)? : (a) Es handelt sich um einen invertierenden Verstärker mit Tiefpass-Verhalten (b) Der Widerstand R 3 dient zur Ruhestrom-Kompensation. Bei einer idealen Signalquelle muss R 3 der Parallelschaltung von R 2 mit R 1 entsprechen! (c) Die Gleichspannungsverstärkung ist gegeben durch das Verhältnis: Es ist also A 0 = R 2 R 1 A 0 = 220kΩ 22kΩ = 10 (d) Der Betrag der (frequenzabhängigen) Verstärkung ist gegeben durch das Verhältnis: A(f) = R 2 Z C R 1 und mit Z C = 1 ω C folgt: Prof. Dr. H. Gebhard Seite 4

5 A(f) = R 2 1 R ω R 2 C = A ω R 2 C Für A(f) = 1 muss also gelten: ω R 2 C! = 9 Einsetzen der gegebenen Größen ergibt: ω = s f T = ω 2π = 651Hz Prof. Dr. H. Gebhard Seite 5

6 3. Erläutern Sie schematisch die Funktionsweise folgender Analog-Digital-Wandler: Flash-Wandler Wandler nach dem Wägeverfahren (SAR) Dual-Slope-Wandler Tragen Sie in die Tabelle die wichtigsten Vor und Nachteile der bezeichneten Analog- Digital-Wandler ein! : Aufbau der Wandlertypen: Ein Flash-Wandler besteht aus einer Kette von 2 N 1 Komparatoren, welche mit unterschidlichen Referenzspannungen gespeist werden. Alle Komparatoren mit U ref < U e haben das log. Ausgangssignal HIGH, alle Komparatoren mit U ref > U e haben das log. Ausgangssignal LOW Ein SAR-Wandler besteht aus einem Digital-Analog-Wandler und einem Komparator. Es werden schrittweise binär gewichtete Spannungen mit der Eingangsspannung verglichen. Ein Dual-Slope-Wandler ist ein sog. integrierender Wandler. Bei diesem Verfahren wird zunächst z.b. die Eingangsspannung über eine feste Zeit integriert; anschließend wird eine (in ihrer Polarität der Eingangsspannung entgegen gesetzte) Referenzspannung so lange integriert, bis die Ausgangsspannung des Integrators Null ist. Die Zeit für die Integration der Referenzspannung ist proportional zur Eingangsspannung. Wandler-Typ Vorzüge Nachteile Flash-Wandler extrem schnell aufwändig, teuer, nur für kleine Wortbreiten verfügbar SAR-Wandler schnell, einfach, konstante langsamer als Flash- Umsetzzeit Wandler Dual-Slope-Wandler geringer Aufwand, Sehr große Umsetzzeit unabh. von Bauteil- (typ. 100 ms) Toleranzen, Tiefpass- Verhalten, einfache Störunterdrückung möglich Prof. Dr. H. Gebhard Seite 6

7 4. Stellen Sie in die Tabelle die Eignung einiger Verfahren zur Sensor-Signalübertragung auf langen Leitungen (l > 100 m) dar; begründen Sie ihre Wahl! : Verfahren Eignung Begründung Spannung (0 V...10 V) nein Spannungsverlust durch Leitungswiderstand Strom ja Strom ist überall im Kreis gleich groß (4 ma...20 ma) Frequenz (0 khz...10 khz) ja keine Veränderung durch Leitungswiderstand I 2 C-Bus nein Wegen Kapazitäts des Buskabels Leitungslänge auf wenige Meter begrenzt CAN-Bus ja bei geringer Übertragungsgeschwindigkeit große Leitungslängen (mehrere km) möglich; durch digitale Übertragung hat Leitungswiderstand keinen Einfluss Prof. Dr. H. Gebhard Seite 7