Übungsaufgaben Halbleitertechnologie
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FH Stralsund / Labor Analoge Schaltungen Namen: Versuch AST 4 ____________________________________ Gruppe: Bewertung: ____________________________________ ____________________________________ Datum: Versuch AST 4 TF-Meßsysteme u. Sensoren – Funktion und Schaltungstechnik 1. Zielstellung und Inhalt des Versuches Versuch AST 4 befaßt sich mit der komplexen Anwendung schaltungstechnischer Kenntnisse in der Meßtechnik und den verschiedenen Realisierungsmöglichkeiten: TF-Meßsysteme nutzen eine Trägerfrequenz (i.d.R. ca. 1 bis 10 kHz) und erhalten die Meßinformation in der Amplitude (und Phase) dieses Wechselspannungssignals. Durch die schmalbandige Signalverarbeitung sind die Meßsysteme relativ störsicher und erlauben die mehrkanalige Auslegung bei Verwendung eines Frequenzrasters. Applikationsbeispiele sind u.a. induktive, kapazitive, resistive Meßsysteme / Sensoren für Abstände (berührungslos oder berührend), Neigungen (Winkel), Strömungsgeschwindigkeiten usf. Ein derartiges Meßsystem kann für die Einzelaufgabe aus Sensor + TF-Betriebselektronik (z.B. im 19´´-System) zusammengestellt werden. Alternativ sind für viele Anwendungen mit großen Stückzahlen robuste und kompakte Komplettsensoren verfügbar, die dann über Standardschnittstellen verfügen (z.B. Betriebsspannung 24V; Ausgangsspannung 0-10V bzw. 4-20 mA und/oder Digitalschnittstelle) und wesentlich kostengünstiger sind. Bauelemente und Meßtechnik: Sensorelektronik AN 10 mit Sensor AN10 und LVDT, Sensorelektronik TE 2/3 mit induktiven Stabsensoren (Differentialmeßspule), Oszilloskop, 3 Multimeter, 1 HF-Röhrenvoltmeter usf. Vorbereitungs- und Versuchsaufgaben: zusätzl. Literatur bei Prof. Luschtinetz abholen ! D+V Einführung in die TF-Meßtechnik inkl. Testpoint-Simulation / Schaltskizzen erstellen !! V Linearisierung von Sensorkennlinien am Beispiel des Abstandssensors AN 10 Aufgabe rechnen ! V Distanzmessung mit Abstandssensor AN 10 und LVDT, dabei insbesondere zugehörige TF-Schaltungstechnik durcharbeiten ! Z Mehrdimensionaler kapazitiver Abstandssensor (in Vorbereitung) Z weitere induktive Industriesensoren (in Vorbereitung) V - Voraussetzung für die Versuchsdurchführung ist die Lösung der Vorbereitungsaufgaben ! D – Durcharbeiten in Vorbereitung des Versuches Hinweise / Sicherheitshinweise Sie arbeiten ausschließlich mit Kleinspannungen und nie mit Netzspannung ! Im Notfall schalten Sie mit dem Sicherheitstaster am Arbeitsplatz das gesamte Labor stromlos! FH Stralsund, FB ETI - Luschtinetz – 01.02.2004 / Labor AST 4 - 257848798 Seite 1 / 13 (13) FH Stralsund / Labor Analoge Schaltungen V1 V1.1 Einführung in die TF-Meßtechnik Versuch AST 4 Vorbereitungsaufgaben Vorüberlegung (ca. 10 min): Überlegen und notieren Sie, mit welchen Schaltungen Sie Betrag und Phase oder Real- und Imaginärteil einer sinusförmigen Spannung (bezogen auf die Speisesinusspannung) bestimmen könnten ! Gleichwertig ist die Bestimmung o.g. Größen eines (rotierenden) Zeigers. Skizzen Meßproblem und Meßschaltung: V1.2 Lesen Sie die Unterlagen in der angegebenen Reihenfolge und bearbeiten Sie dabei die angegebenen Aufgaben: Aufgabe Literatur / Software a) Skizze Aufbau und Kennlinie eines LVDT b) Skizze eines induktiven/kapazitiven phasenempfindliche Gleichrichtung (S.. 14/15 im LVDTTF-Meßsystems mit Linearisierung Handbuch) und Artikel Feingerätetechnik / Symposium Schiffstechnik Skizze der Signalaufbereitung Aus Fachliteratur und/oder: eines Signals mit 0° bzw. 90° Installieren Sie TestPoint mit setup, starten Sie das Phasendrehung bei Programm im DemoMode (Vers. 4.0 ist XP-fähig) und phasenempfindlicher starten Sie das Programm Phasengl.tst im Ordner Lehre. Gleichrichtung u. Ist kein OPV-Schaltbild vorhanden, klicken Sie im Stack nachgeschaltetem Tiefpaß (unten links) auf Schaltplan und bestätigen Sie die schaltplan.bmp-Datei. Schalten Sie in der Menüleiste auf Mode=run und erarbeiten Sie sich durch Betätigen der Schalter und Schieberegler die Funktion der phasenempf. Gleichrichtung ! Notieren Sie die - Eigenschaften von LVDT Schaltkreisen IC-Unterlagen NE5521 und skizzieren Sie ein - True-RMS-Voltmeter mit IC-Applikationsunterlagen BurrBrown 3402 Rechenschaltkreis ! c) d) LVDT-Transducer-Handbuch FH Stralsund, FB ETI - Luschtinetz – 01.02.2004 / Labor AST 4 - 257848798 Seite 2 / 13 (13) Versuch AST 4 FH Stralsund / Labor Analoge Schaltungen 2 Linearisierung von Sensorkennlinien Zielstellung bei Meß- und Sensorsystemen ist ein der gemessenen physikalischen Größe x proportionales Ausgangssignal (Spannung Ua oder Strom oder dig. Kodierung). Dies ist aber meist nur in der Nähe des Arbeitspunktes gegeben, über einen größeren Bereich ergeben sich als Ausgangssignal U1 der Sensorbetriebsschaltung (auch Primärelektronik genannt) quadratische, kubische, exponentielle oder logarithmische Abhängigkeiten von der physikalischen Eingangsgröße x. Durch eine inverse Schaltung (Umkehrfunktion) wird am Ua = k x Ausgang Ua die erwünschte Linearität erreicht. Ein Beispiel: Sensor bzw. Meßsystem ohne Interfaceschaltung Elementarsensor phys. Größe x Beispiel: V2 Primärelektronik Linearisierung Ua U1 = a x2 Ua = k ( U1 / a) 0,5 = kx Geberfunktion inverse Geberfunktion = Linearisierungsfunktion Linearisierung x U1 Beispielaufgabe zur Vorbereitung Sensorelement mit Primärelektronik U1 10-Bit ADU (0..1V) U2 Linearisierung (Software) UA = x* linearisierter Abstandswert 10-Bit Microcontroller DAU U3 (0..10V) Distanzsensor Abstand x U1 = (Gebersignal) x* linearisiertes Abstandssignal 2 mm 4 mm 8 mm 20 mm 26 mm 2400 mV 637 mV 120 mV 37 mV 20 mV 4 mm 20 mm U1 theoretisch 637 mV 37 mV für x aus 1. Zeile In einem induktiven Distanzsensor wird die nichtlineare Abhängigkeit der Ausgangsspannung eines induktiven Gebers zur Abstandsmessung genutzt. Dabei erhält man als Ausgangsspannung des Gebers mit Primärelektronik die oben angegebene Kennlinie. FH Stralsund, FB ETI - Luschtinetz – 01.02.2004 / Labor AST 4 - 257848798 Seite 3 / 13 (13) FH Stralsund / Labor Analoge Schaltungen Versuch AST 4 2 a) Berechnen Sie für die Ansatzfunktion U1 = k / x + Uoffset die Parameter k und Uoffset ! Wählen Sie dabei aus Vereinfachungsgründen die Meßwerte für 4mm und 20 mm Sensorabstand als Stützwerte Ihrer Funktion ! b) Geben Sie zu der erhaltenen Geberfunktion U1 = f1 (x) die in der Software des Microcontrollers zu realisierende Linearisierungsfunktion x* = f 2 ( U2) an, wenn zunächst die Diskretisierung durch den 10-Bit-ADU nicht berücksichtigt wird, d.h. U2 = U1 gesetzt wird ! Berechnen Sie mit Hilfe dieser Linearisierungsfunktion die 3. Zeile der oberen Tabelle ! c) Wie groß hätten der 1., 3. und 5. Kennlinienwert für die Spannung U1 sein müssen, damit auch für diese Meßwerte x = x* gilt (4. Zeile) ? d) e) A2 Infolge begrenzter Auflösung der Spannung U2 (1024 Schritte) und des Wandlungsbereiches von 0..100 mV für den ADU ergeben sich für die metrologischen Gesamteigenschaften deutliche Einschränkungen. Welchem Abstandsbereich entspricht der Wandlungsbereich des ADU ? Wie groß ist folglich die erzielbare Auflösung beim kleinsten möglichen Abstand und wie groß ist sie bei einem Sensorabstand von 10 mm ? Hierunter wird die einem LSB-Schritt entsprechende Abstandsveränderung verstanden. Abstandskennlinie und Linearisierung beim Abstandssensor AN 10 Versuchsaufgaben und Auswertung Elektronik AN 10 Anschlußbelegungen Masse(extern) und Masse intern nicht verbinden ! – Kurzschluss Masse intern ist Bezugsmasse für die Linearisierungsschaltung Sensoranschluss : 1 w1 2 w1 3 w2 4 w2 Us Ua Ia + 24 V 0..10 V 4..20mA 18V..(max. 32 V) Messung mit anlegen V-Meter Messung mit A-Meter Ub Masse A2 A1 Masse Masse A3 Masse A4 7,5V– Masse intern 1a Oszillator Ausgang 2a Demodulator Eingang 3a Tiefpaß 4a Ausgang = U1 1b Bandpaß Ausgang 2b Demodulator Ausgang 3b Linear. Ausgang = 4b Bezugsmassen 7,5V-Masse 7,5V-Masse 7,5V-Masse FH Stralsund, FB ETI - Luschtinetz – 01.02.2004 / Labor AST 4 - 257848798 Seite 4 / 13 (13) Versuch AST 4 FH Stralsund / Labor Analoge Schaltungen A2.1 Ermitteln Sie die nichtlineare Abstandskennlinie und die durch die Linearisierungsschaltung erzielte Kennlinie des Abstandssensors AN 10 bei Stahlsensierung, wenn Sie vor dem Beginn mit Potentiometer P 4 die Spannung Ualin bei unendlichem Abstand zum Stahl auf Ua = 10 V einstellen ! Aufgrund der mechanischen Hysterese der Anordnung fahren Sie die Meßpunkte bitte immer in derselben Richtung an ! (z.B. beim Wegfahren) Einstellung Ualin ( x=oo) = 10 V x in mm U1 Ua Ia Einstellung Ualin ( x=10 mm) = 10V (lin) x in mm U1 Ua (lin) (lin) 0 mm 0 mm 1 mm 1 mm 2 mm 2 mm 3 mm 3 mm 4 mm 4 mm 5 mm 5 mm 6 mm 6 mm 7 mm 7 mm 8 mm 8 mm 9 mm 9 mm 10 mm 10 mm 10 V 12 mm 14 mm 16 mm 18 mm 20 mm unendlich 10 V FH Stralsund, FB ETI - Luschtinetz – 01.02.2004 / Labor AST 4 - 257848798 Seite 5 / 13 (13) FH Stralsund / Labor Analoge Schaltungen Versuch AST 4 A2.2 Ermitteln Sie die Abstandskennlinie eines berührenden LVDT-Tasters in mm-Schritten ! Aufgrund der mechanischen Hysterese der Anordnung fahren Sie die Meßpunkte bitte immer in derselben Richtung an ! (z.B. beim Wegfahren) Ermitteln Sie zuerst den Nullpunkt (Mittenlage des Kerns)! Geben Sie den linearen Arbeitsbereich des Tasters an ! Skizzieren Sie die Kennlinien ! Ist die Einstellung der Elektronik sinnvoll ? LVDT x in mm Uw2 (AC) UBP (AC) U1 LVDT x in mm Uw2 (AC) FH Stralsund, FB ETI - Luschtinetz – 01.02.2004 / Labor AST 4 - 257848798 UBP (AC) U1 Seite 6 / 13 (13) FH Stralsund / Labor Analoge Schaltungen 3 Versuch AST 4 Wesentliche Komponenten von TF-Systemen Elektronik AN 10 (1) Generatorschaltung mit LVDT-Schaltkreis NE 5521 und Ausgangsverstärker TDA 7052 - Unterlagen im Anhang ! Sensoranschluss (2) Eingangsbandpaß mit phasenempfindlicher Gleichrichtung (Demodulation) im NE5521 und nachgeschaltetem Tiefpaß N11 FH Stralsund, FB ETI - Luschtinetz – 01.02.2004 / Labor AST 4 - 257848798 Seite 7 / 13 (13) FH Stralsund / Labor Analoge Schaltungen Versuch AST 4 (3) Linearisierungsschaltung mit 4fach NPN-BPT (LM3146) als 1/x0,5 --Schaltung nach Sheingold. Vgl. zum Funktionsprinzip BurrBrown 4302 im Anhang (4) Ausgangsschaltstufe (Schaltabstand mit P5 einstellbar) ; (5) -10V-Ausgangs-OPV und 4-20mA-Ausgang (6) FH Stralsund, FB ETI - Luschtinetz – 01.02.2004 / Labor AST 4 - 257848798 Seite 8 / 13 (13) FH Stralsund / Labor Analoge Schaltungen Versuch AST 4 (7) Spannungsversorgung bei 18 – 32 V-Speisung liefert 15 V und 10 V; zusätzliche 10V- und 5VSpannungsregler übernehmen einen Teil der thermischen Verlustleistung (heute DC-DCWandler) V3 V3.1 A3.1 A3.1d Schaltungsanalyse Vorbereitungsaufgaben Gehen Sie die vorgenannten Hauptbaugruppen durch und erläutern Sie die Dimensionierung von mindestens zwei Schaltungsteilen! vgl. elektronikAN10.jpg in den Unterlagen Systemkomponenten Versuchsaufgaben und Auswertung Messen Sie folgende Größen insbesondere durch Abstandsveränderung: kursive Größen – Zusatzbeschaltungen notwendig – Bitte mit Betreuer absprechen ! Frequenz Amplitude Betriebsspannung N9; Oszillator Verstärkung Betriebsspannung N6; Ausgangsverst. Verstärkung Bandbreite Phasendrehung Resonanzfrequenz Verstärkung Grenzfrequenz Güte N11A+B; Bandpaß N11A+B, Bandpaß N11C; Tiefpaß Ausg.Spannung für Ausg.Spannung für FH Stralsund, FB ETI - Luschtinetz – 01.02.2004 / Labor AST 4 - 257848798 Seite 9 / 13 (13) FH Stralsund / Labor Analoge Schaltungen x = 10mm Versuch AST 4 x = 0 mm Linearisierung Schaltspannung N12; Ausgangskomp. realisierte Funktion N7D; 0-10V-Ausg. realisierte Funktion N7C; 4-20mA Ausg. FH Stralsund, FB ETI - Luschtinetz – 01.02.2004 / Labor AST 4 - 257848798 Seite 10 / 13 (13) FH Stralsund / Labor Analoge Schaltungen A3.2 Versuch AST 4 Wesentliche Komponenten von TF-Systemen Elektronik TE 2/3 Der Schaltplan ist in elektronikTE3.jpg enthalten, aus Übersichtsgründen können Sie auch eine DINA3- Kopie erhalten ! Oszilloskopieren Sie folgende Schaltungsbestandteile und machen Sie sich mit der Funktion der Baugruppen vertraut: (1) Generatorschaltung mit digitalem Sinus(Stufen)-Generator, nachgeschaltetem Tiefpaß und U/I-Ausgangsstufe (2) Ermitteln Sie die mit Wickelbrücken über die Widerstände R2 – R5 einstellbaren Frequenzen an den Ausgängen von D1.4 und AB21 ! (3) Ermitteln Sie die Funktionsweise des Stufengenerators, indem Sie die Taktdiagramme von D2 und D3 aufnehmen ! (4) Ermitteln Sie die Funktion von N1.4 ! Wie wird zusammen mit N1.1 eine frequenzunabhängige Speisung der Sensorinduktivität erreicht ? (Hinweis: N1.4 liefert – 20 dB/Dekade) (5) Sensorkonstantstromeinspeisung mit VT1 und Auswertung des Gleichspannungssignals mit N1.2: (6) Ermitteln Sie den eingeprägten Konstantstrom und die an einer 50-Ohm-SensorSekundärwicklung erhaltene Spannung ! Wie groß wird diese Spannung bei Kupferlackdraht und einer Sensortemperatur von 125 °C (100 grd Übertemperatur) ? (7) Eingangsbandpaß (N2.2) mit nachgeschaltetem Inverter (N2.1), die Schalter D4.1-4 werden durch die D3 –Ausgänge über Wickelbrücken angesteuert, so daß phasenrichtig entsprechend der phasenempfindlichen Gleichrichtung die Umschaltung zwischen dem 0°- und 180°(Inverterausgang)-SensorSignal erfolgt. N1.3 bildet den nachgeschalteten Tiefpaß. (8) Linearisierungsschaltung mit 4fach NPN-BPT als 1/x0,5 --Schaltung nach Sheingold. (9) Ausgangsstufen: Umeß als lineares Abstandssignal Umot als Differenzsignal zum Sollabstand mit einstellbarer Verstärkung (Motorsignal für vor/rückwärts) N4.4 ermöglicht über Optokoppler die am Eingang AB 6 mit dem Sollabstandspotentiometer RP2 vorgegebene Sollabstandsspannung in Stufen zu verändern (programmierbarer Sensorabstand) (10) Sensorsysteme unter extremen Einsatzbedingungen – wie Schweißabstandssensoren – driften infolge Temperatur, Verschmutzung, Alterung usf. Deshalb wird bei kleiner Sensorspannung, d.h. unendlichem Abstand ein Abgleich der Linearisierungsschaltung auf fiktive 30 mm Sensierabstand vorgenommen (Anzeige ca. 30 mm). Dazu zählt ein 8-/12-BitZähler von 0 bis FFF und erhöht dadurch die Ausgangsspannung des DA-Wandlers AD565 schrittweise. Bei 30 mm –Anzeige stoppt der Zähler, dadurch steht der Abgleichwert bis zur nächsten Nullpunktkorrektur zur Verfügung und der Sensor arbeitet mit der fast idealen Kennlinie. FH Stralsund, FB ETI - Luschtinetz – 01.02.2004 / Labor AST 4 - 257848798 Seite 11 / 13 (13) Versuch AST 4 FH Stralsund / Labor Analoge Schaltungen Elektronik TE 2/3 Anschlußbelegungen Ub A2 A1 A3 A4 Sensoranschluss : 1 (AC-Messungen) 3 2 4 1a D1.(4) Ausgang 2a D3.10 3a N1.4(14) 4a 1b D2 Ausgang 2b Summationspunkt Oszillator 3b AB 21 W1 = Sensorspeisung 4b 5a N2.2(7) Bandpaßausg. N2.1(1) Inverterausg. 6a AB3 – Ua Linear. Ausg. N1.3 – U1 TP-Ausgang 7a N4.3(8) Umot 8a 7b AB9 = UK Korrektursp. für Nullpunkt 8b 5b 6b 10b A3 A3.1 Systemkomponenten TE 2/3 AB 19 W2= Meßwicklung AB7 – Temperaturausgang Masse !!! Versuchsaufgaben und Auswertung Messen Sie folgende Größen : kursive Größen – Zusatzbeschaltungen notwendig – Bitte mit Betreuer absprechen ! Frequenz Amplitude Betriebsspannung Oszillator Verstärkung Betriebsspannung Ausgangsverst. Verstärkung Bandbreite Phasendrehung Resonanzfrequenz Verstärkung Grenzfrequenz Güte Bandpaß Bandpaß Tiefpaß der PGR realisierte Funktion 0-10V-Ausg. FH Stralsund, FB ETI - Luschtinetz – 01.02.2004 / Labor AST 4 - 257848798 Seite 12 / 13 (13) FH Stralsund / Labor Analoge Schaltungen A3.2 Versuch AST 4 Ermitteln Sie die nichtlineare Abstandskennlinie und die durch die Linearisierungsschaltung erzielte Kennlinie des Abstandssensors TE3 bei Stahlsensierung und Alusensierung ! Führen Sie davor jeweils eine Offsetkorrektur durch und korrigieren Sie dazu ggf. mit dem Potentiometer auf der Rückseite des 19´´-Gerätes den Fangbereich der Schaltung! Bei Al-Sensierung nutzen Sie bitte einen Umpolstecker für den Sensor ! Aufgrund der mechanischen Hysterese der Anordnung fahren Sie die Meßpunkte bitte immer in derselben Richtung an ! (z.B. beim Wegfahren) Stahlsensierung (Magnetfeldverstärkung) x in mm U1 Ua Alumuniumsensierung (Feldverdrängung durch Wirbelströme) x in mm U1 Ua 0 mm 0 mm 1 mm 1 mm 2 mm 2 mm 3 mm 3 mm 4 mm 4 mm 5 mm 5 mm 6 mm 6 mm 7 mm 7 mm 8 mm 8 mm 9 mm 9 mm 10 mm 10 mm 15 mm 15 mm 20 mm 20 mm 25 mm 25 mm 30 mm 30 mm unendlich unendlich Stellen Sie die Kennlinie graphisch dar ! FH Stralsund, FB ETI - Luschtinetz – 01.02.2004 / Labor AST 4 - 257848798 Seite 13 / 13 (13)
