Übungsaufgaben Halbleitertechnologie

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FH Stralsund / Labor Analoge Schaltungen
Namen:
Versuch AST 4
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Gruppe:
Bewertung:
____________________________________
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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!
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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
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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.
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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
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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
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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)
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UBP (AC)
U1
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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
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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)
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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
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x = 10mm
Versuch AST 4
x = 0 mm
Linearisierung
Schaltspannung
N12;
Ausgangskomp.
realisierte Funktion
N7D; 0-10V-Ausg.
realisierte Funktion
N7C; 4-20mA Ausg.
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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.
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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.
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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 !
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