Schaltungen der Messtechnik

Fachhochschule Merseburg
FB Informatik und Angewandte Naturwissenschaften
Praktikum
Messtechnik
Versuch 1
Schaltungen der Messtechnik
Analog-Digital-Umsetzer
1. Aufgaben
1. Sägezahn-Umsetzer
1.1. Bauen Sie einen Analog-Digital-Umsetzer zur Messung positiver Gleichspannungen
nach dem Single-Slope-Verfahren auf. Machen Sie sich mit der Wirkungsweise der
Schaltung vertraut. Dimensionieren Sie die Schaltung so, dass eine ziffernrichtige
Umsetzung der Spannung in die Zwischengröße Zeit erfolgt.
1.2. Untersuchen Sie die Funktionsweise der Schaltung und nehmen Sie eine Eichkurve
auf. Bestimmen Sie den maximalen Linearitätsfehler.
Für die Versuchsdurchführung werden folgende Kenntnisse vorausgesetzt
1. Eigenschaften elektronischer Bauelemente:
Widerstand, Kondensator, Diode, Transistor,
2. Grundschaltungen der Analogtechnik:
Spannungsfolger, Komparator, Komparator mit Schalthysterese (Schmitt-Trigger),
Integrator, Pegelwandler,
3. Grundschaltungen der Digitaltechnik:
Inverter (Signallaufzeit), AND, NAND, OR, NOR, RS-Flipflop
1. Theoretische Grundlagen
(siehe auch S. 11 - 15: hps SystemTechnik - Einführung in die Analogtechnik S.133 - 137)
Moderne Messverfahren nehmen sehr häufig eine Umsetzung analoger Messwerte in eine
digitalisierte Spannung vor. Man spricht von einer indirekten Umsetzung, wenn die
gemessene Größe zunächst in eine Zwischengröße umgeformt wird, die sich leicht
digitalisieren lässt. Darüber hinaus lassen sich Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung in
integrierende und solche mit Momentanwertumsetzung einteilen. Bei der integrierenden
Umsetzung wird eine Zwischengröße erzeugt, die dem Integral der Messgröße über eine
bestimmte Messzeit proportional ist. Als Ausgangswert erhält man einen Mittelwert der
Messgröße über die Messzeit. Bei den Momentanwertverfahren ist dagegen der Wert der
Zwischengröße dem Momentanwert der Messgröße zum Zeitpunkt der Abtastung
proportional. Als Beispiel für einen Momentanwert-Umsetzer sollen Sie einen SägezahnUmsetzer nach dem Single-Slope-Verfahren aufbauen.
+
Meßkomparator
Normalfrequenz
Tor
Zähler
+
a)
U
U
Nullkomparator
int
x
t
0
t
t
1
Abb.1 Prinzip des SägezahnUmsetzers nach dem Single-SlopeVerfahren
a) Blockschaltbild
b) zur Erläuterung der Umschaltpunkte der Komparatoren: zeitlicher
Verlauf der Sägezahnspannung
b)
Das Prinzip eines SägezahnUmsetzers zeigt Abb.1. Bei diesem
Verfahren wird die Messspannung mit der Ausgangsspannung eines Sägezahngenerators
verglichen. Beim Nulldurchgang ( t = t 0 ) der Sägezahnspannung liefert der Nullkomparator
den Startimpuls, der das Tor vor einem Zähler für die Impulse eines
Normalfrequenzgenerators öffnet. Erreicht die Sägezahnspannung den Wert Ux (bei t = t 1 ) ,
wird der Messvorgang beendet. Bezeichnet man die Anstiegsgeschwindigkeit der Sägezahnspannung mit c u , gilt für das Zeitintervall zwischen Start- und Stoppimpuls
U
t1 − t 0 = x ,
cu
und für den Zählerstand ergibt sich
f
Z = fn ( t 1 − t 0 ) = n Ux .
cu
Der Zählerstand ist damit dem Momentanwert Ux ( t1 ) proportional; eine der
Eingangsspannung zum Zeitpunkt t 1 der Messung überlagerte Störspannung geht voll in das
Messergebnis ein. (Die Baugruppen Normalfrequenz, Tor und Zähler sind Bestandteile des
Zählers HM8021-3, siehe Abb.5).
2. Hinweise zu den Aufgaben
2.1. Aufbau der Schaltung.
Lassen Sie alle Schaltungen vor Inbetriebnahme vom Betreuer kontrollieren! Alle
Schaltungen werden mit dem hps-Analog-Experimentierboard aufgebaut. Erzeugen Sie sich
die zwischen 0 und + 10V veränderbare Eingangsspannung mit dem 1kΩ -Potentiometer;
messen Sie diese zum Vergleich mit einem genauen Digitalvoltmeter (z.B. mit dem HM
8011-3 siehe Abb.6). Im Schaltbild Abb.2 wurden alle Operationsverstärker mit einer
Nummer versehen. Verwenden Sie die Verstärker mit der gleichen Nummer auf dem hpsAnalog-Experimentierboard. Diese Maßnahme erleichtert den Schaltungsaufbau!
Die Schaltung des Sägezahnumsetzers zeigt Abb.2. Gegenüber anderen möglichen
Schaltungen hat diese den Vorzug, dass die Umsetzung periodisch wiederholt wird. Bauen Sie
diese Schaltung auf und untersuchen Sie deren Funktion. Die den Komparatoren
Abb.2: Schaltbild eines Sägezahnumsetzers nach dem Single-Slope-Verfahren
nachgeschalteten Pegelumsetzer (auf dem Analogboard als integrierte Schaltungen
vorhanden) liefern TTL-Ausgangssignale, die dann mit einer digitalen Schaltung in TTLTechnik zur Torsteuerung des Zählers weiterverarbeitet werden können. Die Amplitude der
Sägezahnspannung muss mittels R 3 (Festwiderstand 10kΩ auf dem Board +
Dekadenwiderstand) auf >10Vss eingestellt werden. Wählen Sie die Anstiegsgeschwindigkeit
der Sägezahnspannung durch Einstellen von R1 (Festwiderstand 10kΩ vom Board +
Dekadenwiderstand) bei festem C 2 = 0,1μF so, dass eine ziffernrichtige Umsetzung erfolgt.
Untersuchen Sie zunächst die Funktionsweise der Schaltung, indem Sie die Signale Start und
Stopp auf dem Oszillographen darstellen und die Zeitdifferenz messen.
Für eine genauere Zeitmessung wird der Digitalzähler HM8021-3 verwendet. Zur
Ansteuerung des Zählers müssen die Signale Start und Stopp zunächst digital weiterverarbeitet werden. Im ersten Schritt werden diese beiden Signale verkürzt und so umgeformt,
dass nur die positiven Flanken (LH-Flanken) einen Impuls liefern. Eine entsprechende
Impulsverkürzer-Schaltung zeigt Abb.3. In dieser Schaltung dient das erste Gatter der
Entkopplung des Pegelumsetzers von der nachfolgenden Schaltung und der Erzeugung von
TTL-gerechten Schaltflanken. Die dem Inverter nach geschalteten Gatter dienen als
Verzögerungsglieder und sorgen für einen hinreichend langen Ausgangsimpuls. Der
invertierende Ausgang des Impulsverkürzers liefert einen L-Impuls. Mit diesen Impulsen
kann ein RS-Flipflop gesetzt bzw. rückgesetzt werden (Abb.4). Dessen Ausgang liefert
schließlich einen Impuls, dessen Dauer der Eingangsspannung des AD-Umsetzers
proportional ist und mit dem Digitalzähler gemessen werden kann.
&
&
&
Flankenformer
Start
&
Negator
&
Verzögerungsglied
Abb.3: Impulsverkürzer
S
J
Q
Zeitimpuls
CP
K
Stop
R
Abb.4: Erzeugung des Zeitimpulses mittels JKFlipflop
Der Aufbau dieser Schaltung wird auf einem hps-Digital-Experimentierboard vorgenommen.
Wichtiger Hinweis: Für die richtige Funktionsweise der Gesamtschaltung ist es erforderlich,
dass die Massen der beiden Experimentierboards miteinander verbunden werden. Die
Gehäuse der Dekadenwiderstände müssen mit Masse verbunden werden!
Überprüfen Sie Ihre Schaltung und machen Sie sich mit ihrer Funktionsweise vertraut, indem
Sie die Sägezahnspannung und den Ausgangsimpuls des RS-Flipflops auf dem Oszilloskop
darstellen. Parallel dazu wird die Dauer des Ausgangsimpulses mit dem Zähler MH 8021-3
gemessen (Betriebsart „Impulsdauer, positiv“); schließen Sie dazu einen 10:1 Tastteiler an
den Eingang A (Abb.5/12/). Benutzen Sie die Eingangseinstellung DC, ohne Teiler Abb.5/911) und stellen Sie die Triggerschwelle ein. Wenn Sie eine Messzeit von 1s oder größer
wählen (Abb.5/3), wird ein Mittelwert über mehrere Messungen gebildet. Mit dem
Offsetregler des OPV2 (Messkomparator) kann die Schaltung bei Ue = 0 abgeglichen werden.
2.2.Aufnahme der Eichkurve
Zur Auswertung stellen sie die Eichkurve der Schaltung in einer Wertetabelle und graphisch
dar. Beurteilen Sie Messgenauigkeit und Linearitätsfehler der Schaltung.
Abb.5 Front des Zählers HM8021-3
Abb.6 Digitalvoltmeter HM 8011-3
Abb.7 Aufbau des Analogteils der Schaltung
Abb.8 Aufbau des Digitalteils der Schaltung