1. Laboreinheit - Hardwarepraktikum SS 2001
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1. Laboreinheit - Hardwarepraktikum SS 2001 2. Versuch: Belasteter Spannungsteiler 1. Versuch: Gleichstromnetzwerk Vorbereitung Vorbereitung Wiederholen Sie die Grundgleichungen zur Berechnung von belasteten und unbelasteten Spannungsteilern. Leiten Sie die Gleichungen für die Berechnung aller Teilströme und Teilspannungen, sowie der Leistungen (I1 = I2 + I3, I2, I3, UR1, UR2, U2, PR1, P R2, PR3) für die nebenstehende Schaltung (Abbildung 2) ab. Berechnen Sie für die angegebene Schaltung alle Teilströme und Spannungsabfälle. Fassen Sie diese in einer Tabelle zusammen und lassen Sie Platz für die Messergebnisse aus der Laboraufgabe (siehe Mustertabelle). UR1 UR2 Abbildung 2 Laboraufgabe A1 Schauen Sie sich den Quelltext des Programm lab1-auf2 an, der Quelltext ist am Ende der Laboreinheit angefügt. Ermitteln Sie nun welche Spannungen und Ströme gemessen werden und welche Werte Sie berechnen müssen. Laboraufgabe Abbildung 1 A1 Bauen Sie die dargestellte Schaltung auf. Die Messgeräte (I1 – I3 und U1 – U3) kennzeichnen die Stellen in der Schaltung, an denen mit dem Multimeter (Hewlett Packard HP 34401A) Strom und Spannung gemessen werden sollen. Als Spannungsquelle (UE) nutzen Sie das Netzteil (HAMEG HM8142), um eine Gleichspannung von 10 V einzustellen. Informationen zum Umgang mit den Geräten, wie Multimeter oder Netzteil, finden Sie in der allgemeinen Gerätebeschreibung OsziHelp.pdf. Nach der Analyse des Quelltextes sollten Sie folgendes erkannt haben : Die Spannung U1 und der Strom I1 werden vom Netzteil abgefragt, die Spannung U2 und der Strom I2 werden vom DVM eingelesen und der Strom I3 wird nicht abgefragt, dieser Wert muss von Ihnen berechnet. Lila Blau A2 Bestimmen Sie messtechnisch die Spannungen über allen Bauelementen und alle Teilströme der Schaltung. A3 Tragen Sie nun in die schon vorbereitete Tabelle die Messergebnisse Ihrer Messungen ein und zeichnen Sie die Schaltung ab und tragen Sie in diese Zeichnung die Stromflussrichtung und die Richtung der Spannungsabfälle ein. A4 Vergleichen Sie diese mit den berechneten Werten und diskutieren Sie die Ergebnisse hinsichtlich der folgenden Formeln: R = U/I für einen ohmschen Widerstand ∑Iν = 0 für die Knotenpunkt A und B ∑Uν = 0 für die Masche M1 und M2 Mustertabelle I3 U1 U2 U3 I1 I2 berechnet/gemessen berechnet/gemessen berechnet/gemessen berechnet/gemessen berechnet/gemessen berechnet/gemessen Orange Abbildung 3 A2 Bauen Sie die Spannungsteilerschaltung nach der Schaltung (Abbildung 3) auf. Als Spannungsquelle (UE) benutzen Sie das Netzteil (HAMEG HM8142), mit einer Ausgangsspannung von 10V. Für den Spannungsteiler (R1/R2) setzen Sie das Präzisionspotentiometer mit einem Widerstand von 1.0 kΩ ein. Zur messtechnischen Ermittlung der Werte benutzen Sie das Programm lab1-auf2.exe, welches sich im Verzeichnis C:\HWPWORK\Vorlagen\Labor1 auf den Rechnern im Hardwarelabor befindet. A3 Erstellen Sie aus den erhaltenen Messwerten eine Tabelle, ähnlich der Mustertabelle und tragen Sie die erhaltenen Werte ein, berechnen Sie zusätzlich die noch offenen Spalten der Tabelle. Erstellen Sie außerdem eine grafische Abbildung, welche die messtechnisch ermittelte Abhängigkeit von U2 in Volt über das Teilerverhältnis V = R2/(R1+R2) (V = 0...1 in Schritten von 0,1) mit R3 = 180 Ω und 180 kΩ als Parameter dar. Mustertabelle R1 R2 R3 R1 R2 R3 V U1 I1 U2 I2 UR1 I3 PR1 UR2 PR2 PR3 A4 Nehmen Sie für den Widerstandswert R1 = 1.1 kΩ den Spannungsverlauf an Knotenpunkt B und den Spannungsverlauf am Knotenpunkt C auf, dabei ist die Frequenz am Frequenzgenerator so zu wählen, das ein Lade- und Entladevorgang des Kondensators abbilden wird. Diskutieren Sie die Ergebnisse und begründen Sie den Wechsel der Polarität der Spannung am Knotenpunkt C. A5 Wie kann mess- und rechentechnisch der maximale Kondensatorladestrom und -entladesstrom bestimmt werden? A4 Diskutieren Sie das Ergebnis der grafischen Abbildung, hinsichtlich der Nutzungsgrenzen des Spannungsteilers als veränderliche Spannungsquelle. 3. Versuch: Kondensator 4. Versuch: RC-Glied Das RC-Glied wird auch als Tiefpass-Filter bezeichnet. Spannungen mit einer Frequenz unterhalb der Grenzfrequenz werden fast ungehindert durchgelassen. Der Versuch soll die U/I-Verhältnisse und den Phasengang am RC-Glied untersuchen. Vorbereitung Machen Sie sich mit den theoretischen Grundlagen des Kondensators und des Lade- und Entladevorgangs vertraut. Vorbereitung Stellen Sie die Grundgleichungen zur Berechnung der Grenzfrequenz und des Amplituden- und Phasengangs der Ausgangsspannung U1 in Abhängigkeit von der Eingangsspannung U und der Frequenz f zusammen (Abbildung 6). Stellen Sie die Spannungen UW, UbC und U sowie den Strom I der Schaltung (Abbildung 7) in einem Zeigerdiagramm dar und tragen Sie in dieses Diagramm den Phasenwinkel f ein. I B UB U C UW UC B B U Laboraufgabe U UbC Abbildung 4 A1 Bestimmen Sie rechnerisch die Zeitkonstante τ = RC für die in der Schaltung angegebenen Werte. Zur Unterstützung: zum Zeitpunkt t = 1τ ist UC = 0,63 Umax und zum Zeitpunkt t = 5τ ist UC = Umax . Abbildung 6 Abbildung 7 A2 Überlegen Sie sich die Aufgabe des Widerstandes R2 in der dargestellten Schaltung und begründen Sie ihre Meinung. Hilfestellung: Bei der Messung mit dem Oszilloskop ist es nur möglich Spannungen zu messen => Was wird indirekt gemessen? Laboraufgabe A3 Bauen Sie die dargestellte Schaltung (Abbildung 4) auf. Stellen Sie die Amplitude des Frequenzgenerator (HAMEG HM8130) auf 5 V, bei einem Offset von 2.5V ein. Kontrollieren Sie die Auswirkung der Offsetspannung auf die Ausgangspannung des Frequenzgenerators auf dem Oszilloskop (HP 54600). Der Frequenzgenerator sollte dazu eine rechteckförmige Spannung U von 0V bis 5V liefern, um einen zyklischen Lade- und Entladevorgang mit einstellbarer Zeitdauer zu generieren. Ermitteln Sie mit Hilfe des Frequenzgenerators und des Oszilloskops die Zeitkonstante τ bei einer Kapazität C1 = 100 nF für die Widerstandswerte R1 = 1.1 kΩ, 5.6kΩ und 180kΩ und oszillographieren Sie dazu den Spannungsverlauf am Knotenpunkt B der Schaltung. Benutzen Sie zur Ermittlung der Zeitkonstanten τ die Cursor-Funktion des Oszilloskops. Die Frequenz am Frequenzgenerator ist so einzustellen, dass für jede Widerstandbeschaltung ein Lade- und Entladevorgang des Kondensators abbilden wird. Benutzen Sie zur Dokumentation der Messkurven das Oszilloskopprogramm „HP34810A BenchLink/Scope“ unter Windows. A2 Bauen Sie nun die Schaltung (Abbildung 6) auf und bestimmen Sie den Amplitudengang U/U1=F(f) rechnerisch und messtechnisch. Der Frequenzgenerator soll dabei eine sinusförmige Ausgangsspannung von 10V und einer Frequenz f=100..1900Hz (in Schritten von 100Hz) liefern. Stellen Sie auf dem Oszilloskop, bei einer Frequenz von 100 Hz des Funktionsgenerators, eine komplette Amplitude dar, messen Sie dazu am Knotenpunkt B der Schaltung. Nutzen Sie zur Durchführung der Messungen das Programm lab1-auf4.exe, welches sich im Verzeichnis C:\HWPWORK\Vorlagen\Labor1 auf den Rechnern im Hardwarelabor befindet, mit diesem Programm werden die Frequenzen automatisch eingestellt und die resultierende Spannung U1 gemessen (siehe Programmquelltext). A1 Berechnen Sie für die angegebenen Werte von R1 und C1 aus der oben dargestellten Schaltung die Grenzfrequenz fg und die Zeitkonstante τ. A3 Bei der in Aufgabe A2 durchgeführten Messung gibt das Hilfsprogramm Messwerte aus, im welchem elektrotechnischen Zusammenhang stehen die Werte, in Bezug auf die eingestellten Spannung von 10V, geben Sie die math. Formel für dieses Problem an (Effektivwert). A4 Bestimmen Sie die Phasenverschiebung zwischen U1 und U rechnerisch und messtechnisch für 4 selbstgewählte Frequenzen im Frequenzbereich von 100 Hz bis 1900 Hz. Dokumentieren Sie ihre Ergebnisse mit Oszilloskopbildern der Signalverläufe, nutzen Sie das Programm „HP34810A BenchLink/Scope“. Für die messtechnische Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen schlagen Sie in der Oszilloskopbeschreibung unter dem Stichwort Cursor nach. Wenden Sie die soeben erworbenen Kenntnisse in den zu erstellenden Oszilloskopbildern an. A5 Welche Veränderungen sind bei Verwendung einer rechteckförmigen Ausgangsspannung U im Vergleich zu einer sinusförmigen Ausgangsspannung des Frequenzgenerators zu beobachten ? Erklären Sie diesen Sachverhalt. A3 Bestimmen Sie die Phasenverschiebung zwischen U1 und U rechnerisch und messtechnisch für 4 selbstgewählte Frequenzen im Frequenzbereich von 100 Hz bis 1900 Hz. Dokumentieren Sie ihre Ergebnisse mit Oszilloskopbildern der Signalverläufe, nutzen Sie das Programm „HP34810A BenchLink/Scope“. Für die messtechnische Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen schlagen Sie in der Oszilloskopbeschreibung unter dem Stichwort Cursor nach. Wenden Sie die soeben erworbenen Kenntnisse in den zu erstellenden Oszilloskopbildern an. 6. Versuch: Diode Vorbereitung Wiederholen Sie die Theorie des pn-Übergangs und die Kennliniencharakteristik der Diode. Ermitteln Sie aus der Datenblattsammlung (siehe 1N4148.pdf) die Durchlasskennlinie der Silizium-Kleindiode 1N4148. 5. Versuch: CR-Glied Das CR-Glied wird auch als Hochpass-Filter bezeichnet. Spannungen mit einer Frequenz oberhalb der Grenzfrequenz werden fast ungehindert durchgelassen. Der Versuch soll die U/I-Verhältnisse und die Phasengänge am CR-Glied untersuchen. Vorbereitung Stellen Sie die Grundgleichungen zur Berechnung der Grenzfrequenz sowie des Amplituden- und Phasengangs der Ausgangsspannung U1 in Abhängigkeit von der Eingangsspannung U und der Frequenz f zusammen (Abbildung 8). Stellen Sie die Spannungen UbC, UW und U sowie den Strom I der Schaltung (Abbildung 9) in einem Zeigerdiagramm dar und tragen Sie in dieses Diagramm den Phasenwinkel f ein. B U Anode Katode UX C I UY UbC 100 nF 100 nF U B B U Abbildung 10 UW Laboraufgabe Abbildung 8 Abbildung 9 A1 Bauen Sie die oben dargestellte Schaltung (Abbildung 10) auf, oszilloskopieren Sie die Spannung über der Diode mit den unten beschriebenen Ausgangsspannungen des Frequenzgenerators und dokumentieren Sie jeweils eine Kurven durch ein Oszilloskopbild. Laboraufgabe A1 Berechnen Sie für die angegebenen Werte von R1 und C1 aus der oben dargestellten Schaltung die Grenzfrequenz fg und die Zeitkonstante τ. Untersuchen Sie die Strom- und Spannungsverhältnisse in der Schaltung wie folgt: - A2 Bauen Sie nun die Schaltung (Abbildung 8) auf und bestimmen Sie den Amplitudengang U/U1=F(f) rechnerisch und messtechnisch. Der Frequenzgenerator soll dabei eine sinusförmige Ausgangsspannung von 10V und einer Frequenz f=100..1900Hz (in Schritten von 100Hz) liefern. Stellen Sie auf dem Oszilloskop, bei einer Frequenz von 100 Hz des Funktionsgenerators, eine komplette Amplitude dar, messen Sie dazu am Knotenpunkt B der Schaltung. Nutzen Sie zur Durchführung der Messungen das Programm lab1-auf5.exe, welches sich im Verzeichnis C:\HWPWORK\Vorlagen\Labor1 auf den Rechnern im Hardwarelabor befindet, mit diesem Programm werden die Frequenzen automatisch eingestellt und die resultierende Spannung U1 gemessen (siehe Programmquelltext). - Frequenzgenerator mit sinusförmiger Ausgangsspannung (U = 10V, f = 100Hz, 1 kHz, 10kHz) Frequenzgenerator mit rechteckförmiger Ausgangsspannung (U = 10V, f = 100Hz, 1 kHz, 10kHz) Frequenzgenerator mit sägezahnförmiger Ausgangsspannung (U = 10V, f = 100Hz, 1 kHz, 10kHz) Erläutern Sie anhand der aufgenommenen Kurven die Funktionsweise der Diode und beschreiben Sie die Spannungsverläufe der einzelnen Kurven. A2 Welche Aufgabe hat der Widerstandes R2 in der dargestellten Schaltung und begründen Sie ihre Meinung im Zusammenhang mit der Darstellbarkeit des Stromes auf dem Oszilloskops. A3 Führen Sie nun zwei weitere Messungen mit der Diode durch. Stellen Sie dazu den Frequenzgenerator auf eine Sinusspannung von U = 10V und eine Frequenz von f = 200 Hz bzw. 2 kHz ein. Messen Sie nun die Spannung UX an Punkt B und die Spannung UY am Punkt C der Schaltung, benutzen Sie dafür die Kanäle 1 und 2 des Oszilloskops. Nun wird eine spezielle Messung durchgeführt, die XY Messung (siehe dazu OsziHelp.pdf, Kapitel XY-Messung), diese Messung stellt die Abhängigkeit der Spannung am Kanal 2 über der Spannung am Kanal 1 dar. A5 Dokumentieren Sie die Oszilloskopbilder und berechnen Sie nun die Stromamplitude des Diodenstroms aus dem Spannungsabfall über R2 . Erstellen Sie aus dem Oszilloskopbild das Kennlinienfeld der Diode und diskutieren Sie die Ergebnisse der XY Messung. 7. Versuch: Einweggleichrichtung mit geglätteter Gleichspannung Laboraufgabe Untersuchen Sie die Spannungsverhältnisse der Schaltung (Abbildung 12) in den folgenden drei Fällen: In der Schaltung ist/sind nur die Widerstände R1 und R2 , der Kondensator C1 fehlt (offene Kontakte) nur der Kondensator C1, die Widerstände R1 und R2 fehlen (offene Kontakte) der Widerstand R und der Kondensator C vorhanden, R wird variiert (wie abgebildet) A1 Bauen Sie die oben dargestellte Schaltung (Abbildung 12) auf, das Potentiometer stellen Sie etwa auf 5kΩ ein und untersuchen Sie die Schaltung in den 3 vorher erklärten Zuständen. Die Untersuchung erfolgt bei einer sinusförmig Eingangsspannung von U = 10V und einer Frequenz f = 50 Hz. Übernehmen Sie die Zeitverläufe in das Protokoll, verwenden Sie „HP34810A BenchLink/Scope“. Diskutieren Sie die Ergebnisse hinsichtlich der Glättung der Sinusspannung. Vorbereitung Siehe Versuch 6 Bestimmen Sie aus dem Datenblatt, den maximalen Durchlassstrom der Diode. Berechnen Sie aus diesem Strom nach dem ohmschen Gesetz den minimalen Widerstand RMIN bei einer Eingangsspannung UE von 10V. IMAX A2 Welche Aufgabe hat der Widerstand R2 in der Schaltung? Begründen Sie ihre Meinung, hinsichtlich der Vorüberlegung zu diesem Versuch, betrachten Sie dabei die möglichen Stellungen des Potentiometers R1. A3 Für den dritten Fall betrachten Sie die Auswirkung der Zeitkonstante τ, für die Gleichrichtung und die Glättung der Gleichspannung, bei den verschiedenen Frequenzen. Untersuchen Sie die Schaltung mit folgenden Frequenzen f = 5 Hz, 50 Hz und 500 Hz (x10 Funktion des Funktionsgenerators benutzen). Messen Sie mittels des Oszilloskops die Spannung U am Knotenpunkt A und die Spannung UR am Knotenpunkt B. Betrachten Sie bei den einzelnen Messungen die Veränderung des Zeitverlaufs auf dem Oszilloskop, wenn Sie den Widerstandswert des Potentiometer R1 auf 0 Ω , 5 kΩ und auf 10 kΩ einstellen. Dokumentieren Sie die Ergebnisse der Messungen unter Verwendung der Oszilloskopbilder und erläutern Sie das Verhalten der Schaltung. RMIN A4 Erläutern Sie die in Aufgabe A3 aufgenommenen Messkurven hinsichtlich des AufEntladeverhaltens des Kondensators bei gleicher Frequenz und einer Veränderung Widerstandes R1. erläutern Sie die aufgenommenen Messkurven bei einen Widerstandswert 0Ω und variierender Frequenz. Erläutern Sie die Deformation der Ausgangsspannung Funktionsgenerator in ihren Messungen. Abbildung 11 und des von des A5 Welche Größenordnungen sind für C und R anzustreben, um eine möglichst ideale Gleichspannung zu erhalten? U + UR Abbildung 12 Datei: Lab1-Aufg2 (* * In der Aufg2 werden die in der Laboreinheit 1 Aufgabe 2 benötigten Messungen automatisch vorgenommen. *) PROCEDURE Spannung_Einstellen(wert : REAL); var StringWert : STRING; BEGIN Str(wert:8:4,StringWert); (* Netzteil auf Remotesteuerung und Quelle1 auf Wert einstellen, String wird übertragen *) NI.senden(NI.netzteil,'SU1 '+StringWert); (* Benötigte Zeit des Gerätes, um den neuen Wert einzustellen.*) DELAY(1000); END; PROCEDURE Messen(var wert : REAL); var StringWert : STRING; dummy : INTEGER; BEGIN NI.senden(NI.dvm,'INIT'); NI.senden(NI.dvm,'FETCH?'); NI.empfangen(NI.dvm,StringWert); Val(StringWert,wert,dummy); (* Benötigte Zeit bis alle Werte vom DVM eingelesen sind. *) DELAY(1000); END; PROCEDURE Liefere_Strom(var wert : STRING); var StringWert : STRING; BEGIN NI.empfangen(NI.netzteil,StringWert); wert := StringWert; END; BEGIN … (* verwendete Devices initialisieren *) NI.InitDevice(NI.dvm); NI.InitDevice(NI.netzteil); ... BEGIN ... Spannung_Einstellen(10.0); ... WHILE (…) DO BEGIN (* DVM auf Gleichspannung im 10 V Messbereich *) NI.senden(NI.dvm,'CONF:VOLT:DC 10.0,DEF'); Messen(uerg); (* DVM auf Gleichstrom im automatischem Messbereich *) NI.senden(NI.dvm,'CONF:CURR:DC MIN,DEF'); Messen(ierg1); NI.senden(NI.netzteil,'MI1'); Liefere_Strom(ierg2); … END; ... (* benutze Devices zuruecksetzen *) NI.DeInitDevice(NI.dvm); NI.DeInitDevice(NI.netzteil); ... END. Datei: Lab1-Aufg4 und Lab1-Aufg5 (* * in der Datei Aufg4 und Aufg5 werden die Einstellungen der Frequenz und der Spannung, sowie das Auslesen der Messwerte durch das Programm übernommen. Es werden nur neue Funktionen näher erklärt. *) PROCEDURE Frequenz_Einstellen(wert : REAL); var StringWert : STRING; begin Str(wert:8:4,StringWert); NI.senden(NI.fungen,'FRQ:'+StringWert); DELAY(1000) end; BEGIN ... (* Funktionsgenerator auf Remotesteuerung und Quelle1 auf 10V Sin einstellen *) NI.senden(NI.fungen,'RM0 SIN FRQ:10.0E+1 AMP:10.0 OT1 OF0'); (* DVM auf Wechselspannung im Messbereich von 10 V *) NI.senden(NI.dvm,'CONF:VOLT:AC 10.0,DEF'); ... WHILE (…) DO BEGIN … Messen(uerg); Frequenz_Einstellen(fstart); ... END; ... END.
