Institut für Elektrische Messtechnik und Messsignalverarbeitung Elektrische Messtechnik, Labor Sommersemester 2014 Rechnerunterstützte Erfassung und Analyse von Messdaten Übungsleiter: Dipl.-Ing. GALLIEN Thomas thomas.gallien@tugraz.at Studienassistentin/Studienassistent Gruppe Datum Note Nachname, Vorname Matrikelnummer Email Beachten Sie bitte: In gezeichneten Diagrammen sind die Kurvenverläufe und Achsen zu beschriften. Bei Formeln und Schaltungsskizzen müssen alle vorkommenden Gröÿen benannt und beschrieben werden.
Inhaltsverzeichnis 1 Überprüfung der Funktionalität der Datenerfassungskarte 1 1.1 Aufgabenstellung................................... 1 1.2 Diagramme...................................... 1 1.3 Messwerte und Tabellen............................... 2 1.4 Formeln und Berechnungsbeispiele.......................... 2 1.5 Geräteverzeichnis................................... 3 1.6 Anmerkungen und Diskussion............................ 3 2 Aufnahme einer Diodenkennlinie 4 2.1 Aufgabenstellung................................... 4 2.2 Schaltung....................................... 4 2.3 Formeln und Berechnung............................... 4 2.4 Diagramme...................................... 5 2.5 Geräteverzeichnis................................... 5 2.6 Anmerkungen und Diskussion............................ 6 3 Aufnahme eines Spannungssignales, Demonstration des Aliasing-Eektes 7 3.1 Aufgabenstellung................................... 7 3.2 Diagramme...................................... 7 3.3 Geräteverzeichnis................................... 10 3.4 Diskussion....................................... 11 4 Messung von Mittelwert, Gleichrichtwert und Eektivwert 12 4.1 Aufgabenstellung................................... 12 4.2 Formeln und Berechnungsbeispiele.......................... 12 4.3 Messwerte und Tabellen............................... 13 4.4 Geräteverzeichnis................................... 13 4.5 Anmerkungen und Diskussion............................ 14 5 Signalanalyse mittels AKF 15 5.1 Aufgabenstellung................................... 15 5.2 Diagramme...................................... 15 5.3 Formeln und Berechnungsbeispiele.......................... 18 5.4 Messwerte und Tabellen............................... 18 5.5 Geräteverzeichnis................................... 19 5.6 Anmerkungen und Diskussion............................ 19 i
1 Überprüfung der Funktionalität der Datenerfassungskarte 1.1 Aufgabenstellung Der Temperaturfühler des BNC 2120 wird über den Kanal 0 eingelesen und mit Hilfe eines Virtuellen Instrumentes in entsprechende Temperaturwerte skaliert. Danach wird die Temperatur am Frontpanel sowohl als Wert als auch als Graph ausgegeben. Bei der eingebauten Temperaturmessung entsprechen 0 C exakt 0 mv und somit hat eine Temperaturänderung von 1 Grad Kelvin eine Spannungsänderung von 10 mv zur Folge. Im zweiten Teil der Aufgabe werden über den analogen Ausgang CH0 Spannungen von 0 V bis 9.5 V in 0.5 V Schritten mit einer Ausgaberate von 50 ms ausgegeben. Die Ausgangsspannung soll mit dem Oszilloskop überprüft werden. 1.2 Diagramme Abbildung 1: Skizze der ausgegebenen Treppenfunktion am Oszilloskop 1
1.3 Messwerte und Tabellen eingestellt gemessen berechnet Messwert Nr. K U T T C Tabelle 1: Eingestellte, gemessene und berechnete Werte zu Übung 1. 1.4 Formeln und Berechnungsbeispiele Berechnung des Multiplikators K zur Temperaturskalierung Überlegungen zur Genauigkeit des ADCs 2
1.5 Geräteverzeichnis Gerät Beschreibung Eigenschaften Inventar Anschlussblock Datenerfassungskarte Oszilloskop Multimeter Tabelle 2: Verwendete Geräte und deren Eigenschaften 1.6 Anmerkungen und Diskussion Wie haben Sie die Abtastrate für die Temperaturmessung gewählt? Begründen Sie Ihre Wahl. Wie muss die Skalierung gewählt werden? Wie wirkt sich der Quantisierungsfehler des ADCs aus? Welchen Eingangsspannungsbereich haben Sie gewählt? 3
2 Aufnahme einer Diodenkennlinie 2.1 Aufgabenstellung Mit Hilfe der Datenerfassungskarte soll die Kennlinie einer Diode aufgenommen werden. Dabei gilt es die Abhängigkeit des Diodenstromes I D von der Diodenspannung U D messtechnisch zu erfassen. Erstellen Sie ein Programm mit dessen Hilfe Sie den gesuchten Verlauf bestimmen können. Erstellen Sie eine Messreihe indem Sie den Diodenstrom bei verschiedenen Diodenspannungen bestimmen. Stellen Sie anschlieÿend die Diodenkennlinie graphisch dar. 2.2 Schaltung Anschlussblock BNC-2120 DAC0 ACH 1 ACH 2 + - PC U R1 U 1 I D R 1 U D Monitor Drucker R1=10k Abbildung 2: Schaltung zur Aufnahme einer Diodenkennlinie 2.3 Formeln und Berechnung Diodenstrom : 4
2.4 Diagramme Abbildung 3: Abhängigkeit des Diodenstromes zur Diodenspannung 2.5 Geräteverzeichnis Gerät Beschreibung Eigenschaften Inventar Anschlussblock Datenerfassungskarte Diode Tabelle 3: Verwendete Geräte und deren Eigenschaften 5
2.6 Anmerkungen und Diskussion Welche Signalquellen nden Sie vor? Wie muss Sie Beschaltung der Datenerfassungskarte konguriert werden? Was passiert bei falsch kongurierter Beschaltung? 6
3 Aufnahme eines Spannungssignales, Demonstration des Aliasing-Eektes 3.1 Aufgabenstellung Erzeugen Sie mit Hilfe eines Funktionsgenerators ein Signal und nehmen Sie dieses mit Hilfe der Datenerfassungskarte auf. Untersuchen Sie folgende Kongurationen und stellen Sie jeweils den zeitlichen Verlauf sowie das Betragsspektrum graphisch dar. Diskutieren Sie die jeweiligen Fragestellungen. 1. Erzeugen Sie ein Sinussignal mit einer Frequenz von ca. 1 khz. Gewährleisten Sie, dass die Abstastfrequenz der Datenerfassungskarte deutlich über der doppelten Signalfrequenz liegt. 2. Erhöhen Sie die Signalfrequenz langsam bis zur Abtastfrequenz. Wie ändert sich dabei das dargestellte Betragsspektrum? 3. Wählen Sie wieder eine Signalfrequenz unterhalb der maximal zulässigen Frequenz für die Vermeidung von Aliasing. Erhöhen Sie die Frequenz langsam, bis sie knapp unter der halben Abtastfrequenz steht. Wie sieht das Signal jetzt im Zeitbereich aus? Wird noch korrekt abgetastet? Wie kann das zeitharmonische Signal wieder rekonstruiert werden? Diskutieren Sie auch welche Eekte bei Dreieck- und Rechtecksignalen in Zussammenhang mit Aliasing auftreten. 3.2 Diagramme Abbildung 4: zeitlicher Signalverlauf zu Punkt 1 7
Abbildung 5: Betragsspektrum zu Punkt 1 Abbildung 6: zeitlicher Signalverlauf zu Punkt 2 8
Abbildung 7: Betragsspektrum zu Punkt 2 Abbildung 8: zeitlicher Signalverlauf zu Punkt 3 9
Abbildung 9: Betragsspektrum zu Punkt 3 3.3 Geräteverzeichnis Gerät Beschreibung Eigenschaften Inventar Anschlussblock Datenerfassungskarte Funktionsgenerator Tiefpasslter Tabelle 4: Verwendete Geräte und deren Eigenschaften 10
3.4 Diskussion 11
4 Messung von Mittelwert, Gleichrichtwert und Eektivwert 4.1 Aufgabenstellung Erstellen Sie ein Programm zur Analyse eines sinusförmigen Spannungsignals (Û = 5 V, f = 500 Hz) hinsichtlich folgender Gröÿen: - Spitzenwert - Arithmetischer Mittelwert - Gleichrichtwert - Eektivwert - Formfaktor - Scheitelfaktor Erweitern Sie dazu das in Aufgabe 3 erstellte Programm und tasten Sie das Signal mit einer Frequenz von 10 khz ab. Verwenden Sie das vogefertigte VI CUT_POERIODE.VI um eine ganzzahlige Anzahl von Perioden aus dem Datenvektor zu extrahieren. Vergleichen Sie den berechneten Eektivwert mit der Messung eines TRMS-Multimeters. 4.2 Formeln und Berechnungsbeispiele Spitzenwert : ArithmetischerM ittelwert : Gleichrichtwert : Effektivwert : Scheitelf aktor : 12
4.3 Messwerte und Tabellen gemessen berechnet U T RMS U V I,eff U ana,eff V V V Tabelle 5: Ergebnisse Eektivwertbestimmung 4.4 Geräteverzeichnis Gerät Beschreibung Eigenschaften Inventar Anschlussblock Datenerfassungskarte Funktionsgenerator Multimeter Tiefpasslter Tabelle 6: Verwendete Geräte und deren Eigenschaften 13
4.5 Anmerkungen und Diskussion Wie können die gesuchten Signalgröÿen aus den abgetasteten Werten des Spannungssignals ermittelt werden? Welche Abweichungen treten bei der numerischen Ermittlung auf? Wie können diese Eekte minimiert werden? Wie wirkt sich die Signalform auf die Abweichung aus? 14
5 Signalanalyse mittels AKF 5.1 Aufgabenstellung Die Autokorrelationsfunktion von Sinus-, Dreieck- und Rechtecksignalen soll mit Hilfe eines geeigneten Programmes dargestellt werden. Erzeugen Sie dazu mit Hilfe des Frequenzgenerators die jeweiligen Signale (U SS = 2 V, f = 1 khz) und lesen Sie sie mit der Datenerfassungskarte ein. Wählen Sie dafür eine geeignete Abtastrate und treen Sie Vorkehrungen um Aliasing zu vermeiden. Stellen Sie die gesuchten Verläufe graphisch dar. Variieren Sie nun die Frequenz und den Signaloset. Wie wirken sich diese Gröÿen auf die Autokorrelationsfunktion aus? Geben Sie nun mit Hilfe eines DACs ein Sinussignal aus und überlagern Sie dieses mit Hilfe des Rauschgenerators mit weiÿem Rauschen. Wählen Sie dabei die Rauschleistung ausreichend hoch, sodass das Gesamtsignal nicht mehr als Sinus erkennbar ist. Stellen Sie das Betragsspektrum sowie die Autokorrelationsfunktion des verrauschten Sinussignales graphisch dar. Bestimmen Sie die Singalleistung, die Rauschleistung sowie den SingalRauschabstand. 5.2 Diagramme Abbildung 10: Autokorrelationsfunktion des Sinussignals 15
Abbildung 11: Autokorrelationsfunktion des Dreiecksignals Abbildung 12: Autokorrelationsfunktion des Rechtecksignals 16
Abbildung 13: Betragsspektrum des verrauschten Sinussignals Abbildung 14: Autokorrelationsfunktion des verrauschten Sinussignals 17
5.3 Formeln und Berechnungsbeispiele AKF num : Rauschleistung : SNR db : 5.4 Messwerte und Tabellen eingestellt Û f f a Anzahl Samples f g V khz khz khz Tabelle 7: Eingangsspannungswerte, Abtastfrequenz, Anzahl der Samples und Grenzfrequenz des AntiAliasing Filters abgelesen berechnet P G P S P N SNR V 2 V 2 V 2 db Tabelle 8: Signalrauschverhältnis 18
5.5 Geräteverzeichnis Gerät Beschreibung Eigenschaften Inventar Anschlussblock Datenerfassungskarte Funktionsgenerator Tiefpasslter Tabelle 9: Verwendete Geräte und deren Eigenschaften 5.6 Anmerkungen und Diskussion Welche Auswirkung hat die Signalfrequenz auf die AKF? Wie wirkt sich der Signaloset aus? Wie kann mit Hilfe der Autokorrelationsfunktion die Signalleistung eines Sinussignals gemessen werden? Wie kann mit Hilfe der Korrelationsanalyse die Wirkleistung zweier Sinussignale bestimmt werden? 19