Laborumdruck EPM - Hochschule Bremerhaven
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Labor Elektronik/Prozessmesstechnik Hochschule Bremerhaven Unterlagen zum Labor Elektronik und Prozessmesstechnik [ EPM ] S Teil 1: Diodenkennlinie und Gleichrichterschaltungen S Teil 2: Transistorverstärker S Teil 3: Operationsverstärker S Teil 4: Dreieckgenerator S Teil 5: Einführung in Electronic-CAD (ECAD) S Teil 6: Digitale Schaltungen Revision: V1.0e Datum: September 2006 Prof. Dr.-Ing. Kai Müller / Hans Stross Hochschule Bremerhaven Institut für Automatisierungs- und Elektrotechnik An der Karlstadt 8 D---27568 Bremerhaven Tel: FAX: +49 471 48 23 --- 415 +49 471 48 23 --- 418 E---Mail: [email protected] I 1 Hochschule Bremerhaven --- IAE Grundregeln für das Arbeiten im IAE-Labor Der Großteil der elektronischen Schaltungen wird mit ungefährlichen Spannungen betrieben, so dass eine Berührung spannungsführender Teile keine Gefahr darstellt. Elektronische Bauelemente bergen jedoch auch bei niedrigen Spannungen Gefahren, da Bauelemente beispielsweise bei Verpolung explodieren können (Transistoren, Kondensatoren). Dies gilt jedoch nicht für leistungselektronische Schaltungen (Thyristoren, Triacs, IGBTs), von deren Betrieb prinzipbedingt eine höhere Gefahr ausgeht. Die verwendeten Aufbauten und Schutzeinrichtungen erlauben einen sicheren Betrieb der Versuchseinrichtungen. Dennoch lassen sich Unfälle niemals vollständig ausschließen. Die folgenden Richtlinien sind zur Minimierung des Unfallrisikos unbedingt einzuhalten. Mit der Benutzung des Labors erkennen alle Benutzer die Richtlinien an. 1 Vor Beginn einer Laborübung ist die Lage der NOTAUS-Taster festzustellen. 2 Aufbau, Umbau und Abbau von Versuchsanordnungen dürfen nur im spannungslosen Zustand erfolgen. 3 Das Einschalten der Spannung darf nur nach Anweisung des Aufsichtsführenden erfolgen, der zuvor die Messschaltung überprüft. 4 Unter Spannung ist eine Änderung des Schaltungsaufbaus grundsätzlich unzulässig. Ausnahmen kann nur der Aufsichtsführende bestimmen. 5 Das Berühren möglicherweise unter Spannung stehender Betriebsmittel auch außerhalb des Versuchsaufbaus ist durch entsprechendes Verhalten zu vermeiden. Zu allen rotierenden Maschinenteilen ist der erforderliche Abstand zu halten. 6 Während des Versuchs sind stets nur die Einstelländerungen zulässig, welche in der Übung vorgesehen sind oder vom Aufsichtsführenden genannt werden. 7 Das Abschalten eines Versuchsaufbaus darf nur nach den Angaben des Aufsichtsführenden erfolgen. 8 Bei experimentellen Untersuchungen im Rahmen von Diplomarbeiten erfolgt eine einleitende Unterweisung über die Energieversorgung und die sicherheitstechnischen Fragen des Arbeitsplatzes. Der Aufbau von Schaltungen und die Durchführung aller Messungen unterliegen danach der Eigenverantwortung der Studenten. 9 Bei experimentellen Diplomarbeiten mit berührungsgefährlichen Spannungen müssen mindestens zwei Studenten, bzw. ein Aufsichtsführender im Laborbereich anwesend sein. 10 Mit der Benutzung von Laboreinrichtungen verpflichtet sich der Student bzw. die Studentin, den Anordnungen der Labormitarbeiter Folge zu leisten. Dies gilt insbesondere für den Gebrauch von Messgeräten und Prüfeinrichtungen. Labor Elektronik/Prozessmesstechnik 2 Hochschule Bremerhaven --- IAE 11 Das Essen oder Trinken ist in den Laborräumen nicht gestattet. Leider ist es in der Vergangenheit vorgekommen, dass durch Getränke elektronische Messgeräte zerstört wurden. Auf die Unterlagen zum Labor kann über die Homepage <http://www1.hs---bremerhaven.de/kmueller/> zugegriffen werden. Die Umdrucke müssen zu den einzelnen Laboren in gedruckter Form vorliegen. Bremerhaven, September 2005 Kai Müller <kmueller@hs ---bremerhaven.de> Tel: (0471) 4823 --- 415 Labor Elektronik/Prozessmesstechnik 3 Hochschule Bremerhaven --- IAE 4 Labor EPM --- Versuch 1 Hochschule Bremerhaven --- IAE Versuchsprotokoll Name Hochschule Bremerhaven --- IAE weiß 9 Gezeigt ist die übliche 4-Ring-Kodierung. Erst ab der E48-Reihe wird ein fünfter Ring zur Kodierung der dritten Stelle benötigt. Zusätzlich zu den angegebenen Farbkennzeichungen kann der Tolranzring rot (=2%), braun (=1%), gold (=5%) oder silber (10%) ausgeführt sein. Bei fehlendem Toleranzring beträgt die Wertetoleranz 20% vom Nennwert. Versuch 1 Teilnehmer: 5 Labor EPM --- Versuch 1 Datum: Matrikelnummer 1. 1. Ring: 1. Ziffer 2. Ring: 2. Ziffer 2. 3. 4. Ring: Toleranz (etwas abgesetzt von den ersten 3 Ringen) 3. Ring: Multiplikator (Anzahl der Nullen) 4. 5. Testat: 1 Dioden Die Kathode der Dioden ist gewöhnlich durch einen Ring gekennzeichnet. S Kondensatoren Kondensatoren sind als gepolte oder ungepolte Versionen erhältlich. Kondensatoren mit Kapazitätswerten > 1NF sind in der Regel gepolt (Elektrolyt- oder Tantal-Kondensatoren). Häufig ist der Plus-Pol gekennzeichnet. Das Verpolen dieser Kondensatoren kann zur Explosion des Kondensators führen!!! Diodenkennlinie und Gleichrichterschaltungen Alle für die Versuche benötigten elektronischen Bauteile befinden sich auf Leiterplatten; die zur Messung notwendigen Anschlüsse sind über 4mm-Buchsen (“Bananen-Buchsen”) an den Seiten verfügbar. Die Verbindungen lassen sich auf der Rückseite der Leiterplatte leicht verfolgen. Die verwendeten Bauelemente sind: S S Widerstände Der Widerstandswert ist farbkodiert; den Farben werden folgende Ziffern zugeordnet: schwarz 0 braun 1 rot 2 orange 3 gelb 4 grün 5 blau 6 violett 7 grau 8 1.1 Funktionsprüfung mit Multimeter Überprüfen Sie die Funktion einer Diode mit einem modernen Multimeter. Notieren Sie folgende Kenngrößen: " Flussspannung: ____________________________ " Sperrwiderstand: __________________________ 1.2 " Aufnahme der Kennlinie (Durchlassrichtung) der Diode BY251 Messen Sie die Durchlasskennlinie einer Leistungsdiode mit folgender Schaltung: 6 Labor EPM --- Versuch 1 A Hochschule Bremerhaven --- IAE Spannungsquelle (variabel) Bild 1.1: 1.3 1008 V 7 Labor EPM --- Versuch 1 Hochschule Bremerhaven --- IAE Gleichrichterschaltung Die folgende Schaltung dient zur Erzeugung einer Gleichspannung (DC) aus einer Wechselspannung (AC). Die Gleichspannung ist allerdings nicht perfekt, sondern besitzt eine “Welligkeit”, die von den Bauelementen und von der Belastung der Schaltung durch Verbraucher abhängt. Schaltung zur Aufnahme der der Kennlinie einer Diode Spannungsquelle ~ (AC) Verändern Sie den Strom im Bereich von 0...100mA. Strom I [mA] 68K Spannung U [mV] Bild 1.2: Gleichrichterschaltung " Oszillografieren Sie die Ausgangsspannung der Schaltung. Diskutieren Sie den Verlauf. " Erweitern Sie die Schaltung aus Bild 1.2 mit folgenden Bauelementen (s. Bild 1.3). D1 Spannungsquelle ~ (AC) 220 R1 68K C1 10NF Board 1 Bild 1.3: " Zeichnen Sie die Durchlasskennlinie I = f(U). " Vergleichen Sie die gemessene Durchlasskennlinie mit den Daten der Diode BY251 (s. Anhang). Gleichrichterschaltung " Erläutern Sie die Schaltung. " Erklären Sie den Verlauf der Spannung für a) Geänderte Frequenzen, b) Änderung des Lastwiderstands P1. R2 100K P1 Board 2 Labor EPM --- Versuch 1 8 Hochschule Bremerhaven --- IAE 9 Labor EPM --- Versuch 2 Hochschule Bremerhaven --- IAE Versuch 2 Versuchsprotokoll Teilnehmer: Name Datum: Matrikelnummer 1. 2. 3. 4. 5. Testat: 2 Transistorverstärker Für die Versuchsdurchführung steht folgende Verstärkerschaltung zur Verfügung. Der Anschluss ¡ ist die Masse, d.h. er bildet das Bezugspotential der Schaltung. Alle Spannungen werden gegenüber diesem Punkt gemessen. Der Masseanschluss des Oszilloskops sowie der Minuspol der Spannungs- bzw. Stromquellen sind mit diesem Punkt zu verbinden. Der Anschluss © kann mit einer konstanten Spannung von +15V verbunden werden. Durch ein Amperemeter in der Zuleitung zum Anschluss © lässt sich der Kollektorstrom IC messen. ::: Die übrigen Anschlüsse haben folgende Funktion: ¢ (UB0): Spannung zur Einstellung des Basisstroms bzw. des Arbeitspunkts der Schaltung. In der Zuleitung kann der Basisstrom IB gemessen werden. £ (Eingang AC): Eingang für eine Wechselspannungsquelle. Der Kondensator dient zur Entkopplung des Eingangs von der Arbeitspunkteinstellung über ¢. Eine angeschlossene Wechselspannungsquelle (Funktionsgenerator) hat dann keinen Einfluss mehr auf die Einstellung des Arbeitspunkts. 10 Labor EPM --- Versuch 2 Hochschule Bremerhaven --- IAE ¤ (Ausgang): An diesem Punkt kann die verstärkte Eingangsspannung gemessen werden. 11 Labor EPM --- Versuch 2 IB [NA] IC [mA] Hochschule Bremerhaven --- IAE B (Stromverstärkung) Die Schaltung bezeichnet man als “Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung”. Der Emitter ist nicht direkt mit dem Bezugspotential verbunden, sonder über den Widerstand RE . Der Emitterwiderstand RE ist dabei kleiner als der Kollektorwiderstand RC . UB 0 +15V ¢ Eingang (AC) © IC RB RC 100k8 6,8k8 CB BC547 0,47NF IB Ausgang UCE £ ¤ RE 1,5k8 ¡ " Gnd Bild 2.1: Verstärkerschaltung mit NPN-Bipolartransistor Alle zur Messung notwendigen Anschlüsse sind über 4mm-Buchsen (“Bananen-Buchsen”) an den Seiten verfügbar. Die Verbindungen lassen sich auf der Rückseite der Leiterplatte verfolgen. 2.2 " B " Messen Sie statische Stromverstärkung Basisstroms " Verändern Sie den Strom IB im Bereich von 0...10NA (maximal). IB [NA] IC [mA] für verschiedene Werte des B (Stromverstärkung) Transistorverstärker Die Schaltung gemäß Bild 2.1 soll nun zur Spannungsverstärkung eingesetzt werden. Stellen Sie einen Kollektorstrom von 1mA ein. Messung der statischen Stromverstärkung B 2.1 Zeichnen Sie die Stromverstärkung B als Funktion des Kollektorstroms B = f(IC ). 2.2.1 Erklären Sie, warum 1mA ein günstiger Arbeitspunkt ist (Hinweis: Spannung am Kollektor). Analyse der Schaltung Zuvor soll die Verstärkung berechnet werden. Hierzu ist der Transistor durch ein geeignetes Ersatzschaltbild zu ersetzen. Die Analyse des entstehenden Netzwerks kann mit den bekannten Methoden (Maschen- und Knotengleichungen) erfolgen. Der Transistor wird durch das vereinfachte Ersatzschaltbild mit stromgesteuerter Stromquelle ersetzt. Da nur die Abweichungen vom Arbeitspunkt interessieren (Kleinsignalverhalten), dürfen alle Punkte mit konstantem Potenzial zusammengefasst werden (in diesem Fall Masse, UB0 und +15V). Weiterhin sind Kondensatoren für Signale hinreichend hoher Frequenz wirkungslos. Man erhält die Schaltung in Bild 2.2. 12 Labor EPM --- Versuch 2 Hochschule Bremerhaven --- IAE IC IB rBE IB rCE CIBE U1 . (1 C)R E Man erkennt, dass RB keinen Einfluss auf die Spannungsverstärkung hat. Der Widerstand RB bestimmt jedoch den Eingangswiderstand der Schaltung. rBE A : CIBE IE = IB + IC RE C RC R U2 C U1 RE (1 C)R E Wie groß ist die Verstärkung mit den verwendeten Bauelementen? " Wie kommt das negative Vorzeichen in (2.7) zustande? " Oszillografieren Sie die Ein- Ausgangsspannung der Schaltung. Diskutieren Sie den Verlauf. Aus Eingangsspannung wählen Sie ein Sinussignal mit einem Scheitelwert von ca. 1V. U2 " Verändern Sie Frequenz, Siganalform (z.B. Dreieckfunktion) und Amplitude. Erläutern Sie die Ergebnisse. Verstärkerschaltung mit rCE @ Ö Der Emitterstrom ist die Summe aus Basis- und Kollektorstrom I E I B I C I B CI B (1 C)I B . (2.1) Aus der linken Masche erhält man r BEI B R E(1 C)I B U 1 0 . (2.2) Auflösen nach IB führt auf IB U1 . r BE (1 C)R E (2.7) " Raum für Diagramme: Bild 2.3: (2.6) im wesentlichen durch das Verhältnis der Widerstände bestimmt. IC RC U1 C RC U . (1 C)R E 1 Bei dem von uns verwendeten Transistor ist C > 100, d.h. C U 1. Damit wird die Verstärkung Verstärkerschaltung mit Transistor-ESB IB (2.5) Setzen wir (2.4) in (2.5) ein, so folgt U2 U 2 R C IC Bild 2.2: (2.4) U 2 R C IC R C C IB . RC RE Hochschule Bremerhaven --- IAE Die Spannung U2 hängt nur vom Kollektorstrom ab RB U1 13 Labor EPM --- Versuch 2 (2.3) Der differenzielle Basiswiderstand ist nicht bekannt. Aufgrund der hohen Stromverstärkung C kann er jedoch gegenüber dem Term (1+C)RC vernachlässigt werden ::: Labor EPM --- Versuch 2 14 Hochschule Bremerhaven --- IAE 15 Labor EPM --- Versuch 3 Hochschule Bremerhaven --- IAE Versuch 3 Versuchsprotokoll Teilnehmer: Name Datum: Matrikelnummer 1. 2. 3. 4. 5. Testat: 3 Operationsverstärker Die die in diesem Versuch benötigten Schaltungen sind auf einem Experimentalboard aufzubauen. Es stehen also keine fertig verdrahteten Schaltungen zur Verfügung, sondern die jeweilige Schaltung kann durch Bauelemente auf Trägern und Steckbrücken (“Jumper”) auf einem Rasterfeld erzeugt werden. Es stehen 4 Operationsverstärker zur Verfügung, die jedoch schon mit den Versorgungsspannungen (±15V) verbunden sind. Hinweis: Die Werte aller Bauelemente sind beispielhaft angegeben. Berechnen Sie jeweils die Schaltung mit den von Ihnen gewählten Werten. Die Widerstände müssen im Bereich von 4,7k8 bis ca. 100k8 liegen. Werte der Kondensatoren sollten im NF-Bereich gewählt werden. 3.1 Nicht-invertierender Verstärker (Elektrometerverstärker) Die folgende Verstärkerschaltung besitzt einen nahezu unendlichen Eingangswiderstand, belastet also vorhergehende Schaltungen nicht (z.B. zur Messung von EEG, EKG oder 16 Labor EPM --- Versuch 3 Hochschule Bremerhaven --- IAE Sensoren mit geringer Strombelastbarkeit). Die Phase wird nicht verändert; allerdings sind nur Verstärkungen 1 zu verwirklichen. 17 Labor EPM --- Versuch 3 3.2 Hochschule Bremerhaven --- IAE Tiefpassfilter Das folgende Bild zeigt ein aktives Tiefpassfilter 1. Ordnung. + u1 --- u2 C = 470nF R1 = 15k8 Z2 R2 = 10k8 R1= 10k8 --u1 Bild 2.4: U1 R2 = 10k8 Nicht-invertierender Verstärker Die (komplexe) Verstärkung ist das Verhältnis der Impedanz in der Rückführung durch die Impedanz im Eingangszweig (in diesem Fall nur R1). Man erhält A Z2 Z R 1 2 2 . Z1 R1 R 1 1 jWR2C (2.8) (2.9) Es lassen sich somit nur Verstärkungen verwirklichen, die 1 sind. " Wählen Sie zwei Widerstände und berechnen Sie zunächst die Verstärkung. Bauen Sie die Schaltung auf und messen die Verstärkung mit dem Oszilloskop. R1 = R2 = (2.10) Für den Betrag der Verstärkung gilt |A| R2 R1 Damit folgt die Spannungsverstärkung u R R2 R A : u 2 1 1 1 . R2 R2 1 U2 Bild 2.5: Der Eingang ist mit dem positiven Anschluss des Operationsverstärkers verbunden. Damit arbeitet die Schaltung in Bild 2.4 als nicht-invertierender Verstärker. Da der Ausgang auf den negativen Anschluss zurückgeführt wird, spricht man von einem Betrieb in Gegenkopplung. Durch die virtuelle Masse liegt die Eingangsspannung u1 an dem Widerstand R2. Die Ausgangsspannung u2 liegt an beiden Widerständen. Gleichzeitig bilden R1 und R2 einen unbelasteten Spannungsteiler R2 u1 u . R1 R2 2 + 1 ¯1 ÆWR2C É2 . (2.11) Die sogenannte Grenzfrequenz fg 1 2QR 2C (2.12) ist die Frequenz, bei der der Betrag der Verstärkung von A max R2 R1 (2.13) auf Aberechnet = A max ¯2 Agemessen = abgefallen ist. (2.14) 18 Labor EPM --- Versuch 3 " Hochschule Bremerhaven --- IAE Wählen Sie Bauelemente aus, berechnen die Verstärkung Amax sowie die Grenzfrequenz fg . Vergleichen Sie die berechneten Werte mit Messwerten vom Oszilloskop. Hochschule Bremerhaven --- IAE Z2 jWR2C 1 . Z1 Æ1 jWR 1C1ÉÆ1 jWR 2C 2É A (2.16) Der Betrag der Verstärkung ist R1 = |A| A R2 = C= WR 2C 1 ¯1 ÆWR1C1É2 ¯1 ÆWR2C2É2 . (2.17) Für tiefe Frequenzen WR1C1, WR2C2 T 1 erhält man Amax, berechnet = (2.18) A NF WR 2C1 . Amax, gemessen = Als Grenzwert für hohe Frequenzen WR1C1, WR2C2 U 1 entfallen die Wurzeln und es ergibt sich fg, berechnet = fg, gemessen = 3.3 19 Labor EPM --- Versuch 3 WR 2C 1 1 . WR 1C 2 WR 1C2WR 2C 2 A HF Bandpass Ein Bandpass kann mit einem OP gebildet werden, der Kondensatoren sowohl in der Eingangsimpedanz als auch in der Rückführung enthält. (2.19) Sowohl für niedrige als auch für hohe Frequenzen geht die Verstärkung gegen null. Das Maximum der Verstärkung ist für R1 = R2 = R bei dem geometrischen Mittel der Grenzfrequenzen für den Hochpass 1 2QRC 1 (2.20) 1 2QRC 2 (2.21) f g, HP und den Tiefpass C2 C1 R1 Z1 Z2 f g, TP R2 Die Frequenz maximaler Verstärkung ist --U1 Bild 2.6: + f g, max U2 " C1 = Die Impedanzen Z1 sowie Z2 wurden für den Tiefpass bzw. den Hochpass bereits berechnet Z1 1 jWR 1C 1 , jWC 1 Z2 R2 . 1 jWR 2C 2 Damit erhält man für die komplexe Verstärkung (2.15) 1 2 1 . (2.22) 2 Wählen Sie Bauelemente aus und überprüfen Sie die Funktion des Bandpasses. Verwenden Sie Funktionsgenerator und Oszilloskop für Ihre Messungen. R1 = R2 = R = Bandpass 1 1 1 ¯2QRC ¯2QRC 2QR ¯C C C2 = fg, HP = fg, TP = fg, max = Labor EPM --- Versuch 3 20 Hochschule Bremerhaven --- IAE 21 Labor EPM --- Versuch 4 Agemessen (bei f = fg, max) = Hochschule Bremerhaven --- IAE Versuch 4 Raum für Berechnungen: Versuchsprotokoll Teilnehmer: Datum: Name Matrikelnummer 1. 2. 3. 4. 5. Testat: 4 Dreieckgenerator (Funktionsgenerator) Der Funktionsgenerator besteht aus einem Komparator (mitgekoppelter OP) und einem sogenannten Integrator, der für die Steigung der Flanken verantwortlich ist. R2 = 15k8 C = 1NF R1 = 8,2k8 R3 = 10k8 + uD --- --u1 Komparator (Schmitt-Trigger) ::: Bild 2.7: Dreieckgenerator + Integrator u2 22 Labor EPM --- Versuch 4 Hochschule Bremerhaven --- IAE Der Dreieckgenerator besteht aus zwei Schaltungsteilen (Komparator und Integrator), die sich gegenseitig nicht beeinflussen. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber Transistorschaltungen, bei denen eine Belastung der vorangehenden Transistorstufe Auswirkungen auf das Verhalten der gesamten Schaltung hat. 23 Labor EPM --- Versuch 4 Hochschule Bremerhaven --- IAE Der Maschenumlauf (außen) liefert (2.23) u 1 u 2 ÆR 1 R 2Éi 0 . Auflösen nach dem Strom führt auf Der Komparator ist für die Amplitude der Schwingung verantwortlich; der Integrator formt aus einer Rechteckspannung die Dreieckfunktion. Die Spannungen des Dreieckgenerators haben den prinzipiellen Verlauf gemäß Bild 2.8. i u1 u2 . R1 R2 (2.24) Die linke Maschengleichung lautet U u1 u 1 u D R 1i 0 (2.25) u D u 1 R 1i . (2.26) bzw. u2 t Nun kann der Strom durch (2.24) ersetzt werden und man erhält Bild 2.8: uD u1 Spannungsverlauf beim Dreieckgenerator Zunächst werden die einzelnen Schaltungsteile erläutert. 4.1 u1 u2 u1 R 1 u 20 R2 R1 = 8,2k8 Bild 2.10: + Bild 2.9: uD --- u2 Schaltung zur Berechnung der Spannung uD (2.28) u20 R2 = 15k8 u1 R1 u . R2 2 Den Zusammenhang zeigt das Bild 2.10. Da der negative Anschluss mit Masse verbunden ist, erfolgt die Umschaltung immer dann, wenn der positive Anschluss die Polarität wechselt (also von + nach --- oder umgekehrt). Bei angenommenem idealen OPs fließ kein Strom in den OP hinein. Damit vereinfacht sich die Bestimmung der Spannung uD (Spannung am positiven Anschluss des OP, s. Bild 2.7). Damit kann zur Berechnung der Spannung uD der OP weggelassen werden. i (2.27) Der Nulldurchgang von uD erfolgt bei Komparator Der Komparator verwendet den positiven Anschluss. Der Ausgang ist ebenfalls auf den positiven Anschluss zurückgekoppelt (= Mitkopplung). Durch die Mitkopplung kann der Ausgang nur jeweils bei der positiven oder der negativen Maximalspannung liegen. Die Umschaltung zwischen beiden Spannungen wird durch die Eingangsspannung bewirkt. R1 R2 R1 Æu u 2É u u . R1 R2 1 R 1 R 2 1 R 1 R2 2 R1 u R 2 20 ---u20 Ein- und Ausgangsspannung des Komparators Der Zusammenhang in Bild 2.10 wird Hysterese genannt. Der Umschaltpunkt hängt von der Vorgeschichte ab. Komparatoren, bei denen unterschiedliche Schaltpunkte bestehen, heißen Schmitt-Trigger. 24 Labor EPM --- Versuch 4 4.1.1 Hochschule Bremerhaven --- IAE Integrator 4.1.2 Der Integrator ist in folgender Schaltung isoliert gezeichnet. i C R3 --- u1 + u2 R1 u R2 1 (2.35) Die Spannung u1 beträgt in unserer Schaltung etwa ±13,5V. Der Widerstand R1 muss unbedingt kleiner als R2 gewählt werden! Warum? C du i dt (2.29) Die Periodendauer T der Schwingung hängt von dem Umschaltpunkt des Komparators sowie von der Zeitkonstanten ab. Eine genauere Analyse der Schaltung ergibt du C 2 i dt (2.30) u1 R (2.31) T 4R 3C also auch Das Minus-Zeichen entsteht aufgrund der eingezeichneten Stromrichtung. Die Gleichungen (2.30) und (2.31) können gleichgesetzt werden du 2 u i 1 . R dt R2 f 1 1 . T 4R 3C R 1 " R2 = R3 = bzw. durch Integration C= t q u (U)dU . 1 (2.34) 0 Der Ausgang ist also das (negative) Integral der Eingangsgröße. Der Faktor RC (Integrations-Zeitkonstante Ti ) bestimmt die Geschwindigkeit, mit der die Integration erfolgt. (2.37) (2.38) Wählen Sie Bauelemente aus und berechnen Sie Amplitude und Frequenz. Überprüfen Sie Ihre Berechnungen durch Messungen mit dem Oszilloskop. R1 = (2.33) R1 R2 und damit die Frequenz (2.32) Man erhält du 2 1 u1 RC dt (2.36) T i R 3C beschrieben. Aufgrund der virtuellen Masse gilt nach Bild 2.11 sowohl u2 1 RC Gesamte Schaltung u2 Der Zusammenhang zwischen Strom und Spannung am Kondensator wird allgemein durch C Hochschule Bremerhaven --- IAE Die Amplitude folgt aus den Schaltpunkten des Komparators Integrator i 25 Der Integrator erzeugt ein rampenförmiges Signal aufgrund der konstanten Eingangsspannung uR . Dabei erhält man bei positiver Spannung eine negative Steigung der Rampe und bei negativer Spannung entsprechend eine positive Steigung. Die Ausgangsspannung u2 ist gleichzeitig Eingangsspannung für den Komparator. Sobald u2 die Schaltschwelle des Komparators überschreitet, erfolgt das Umschalten des Komparators und der Integrator “läuft” in die jeweils andere Richtung. i Bild 2.11: Labor EPM --- Versuch 4 Amplitudeberechnet = Amplitudegemessen = fberechnet = fgemessen = Labor EPM --- Versuch 4 26 Hochschule Bremerhaven --- IAE 27 Labor EPM --- Versuch 5 Hochschule Bremerhaven --- IAE Versuch 5 Versuchsprotokoll Teilnehmer: Name Datum: Matrikelnummer 1. 2. 3. 4. 5. Testat ACHTUNG: Abgabe der Schaltpläne erforderlich! * " * Tragen Sie im Title-Block (s. Text) der Schaltung Ihren Namen ein. Die funktionierende Schaltung mit Ihrem Namen gilt als Nachweis der erfolgreichen Teilnahme. 5 Einführung in Elektronik-CAD (ECAD) Die Entwicklung elektronischer Schaltungen ist ohne ECAD heute undenkbar. Alle Schritte von der Idee bis zur fertigen elektronisches Leiterplatte wird mit dem Computer begleitet. In Verbindung mit dem Internet hat der Entwickler Zugriff auf die Daten von ca. 12 Millionen elektronischer Bauteile. Der Einsatz von ECAD-Werkzeugen hat den Entwurf elektronischer Schaltungen revolutioniert. Sowohl Prototypen als auch die Produktion neuer elektronischer Geräte kann durch ECAD nun in sehr kurzer Zeit erfolgen. Bereits in der Entwurfsphase lassen sich Fehler mit Hilfe der Simulation finden. ::: Der CAD-Prozess vollzieht sich in den Schritten in Bild 2.12. 28 Labor EPM --- Versuch 5 Hochschule Bremerhaven --- IAE Bild 2.12: Schaltplan (schematic diagram) 2. Simulation 3. Entflechtung (PCB Layout) 4. Prototyp 5. Serienfertigung 29 Hochschule Bremerhaven --- IAE bliothek verwendet werden. Fehlende Bauelemente lassen sich über das Internet (während der Übung nicht verfügbar) in die Datenbank einfügen. Idee 1. Labor EPM --- Versuch 5 Multisim, Saber, OrCad, Cadence Entwurfsprozess Die einzelnen Schritte des Entwurfsprozesses werden in der Regel nicht geradlinig durchlaufen. Vielmehr verläuft der Prozess iterativ, wenn in einem Schritt ein Fehler auftritt. Dann muss zu einem früheren Entwurfsschritt zurückgekehrt werden. Je mehr Stufen man zurückgeht um den Fehler zu korrigieren, desto teurer wird der gesamt Entwurf (abgesehen vom Zeitverlust). Besondere Bedeutung haben deshalb die ersten beiden Stufen, die mit der CAD-Software Multisimt bearbeitet werden. Multisim ist Marktführer in den USA im Bereich ECAD und bietet Schnittstellen zu Layout-Programmen, damit die Daten (=Netzliste) in weiteren Schritten der Entwurfskette übernommen werden können. 5.1 Bild 2.13: Die Bedienoberfläche von Multisim 7 zeigt Bild 2.13. Da das Aussehen konfigurierbar ist, kann das Aussehen von Multisim variieren. Die prinzipielle Anordnung der Bedienoberfläche bleibt jedoch bei allen Konfigurationen erhalten. S Am oberen Rand befinden sich die Menüleiste, über die Multisim gesteuert wird sowie die Schaltflächen, die häufig benötigte Befehle leichter zugänglich macht. S Darunter bzw. häufig auf der linken Seite können auf die Bauelemente aus der Bibliothek zugegriffen werden. Die blauen Felder kennzeichnen “virtuelle” Bauelemente, die grau unterlegten Felder enthalten physikalisch existierende Bauelemente. Die Daten der virtuellen Bauelemente können frei verändert werden. Sie eignen sich also ganz besonders in der ersten ECAD-Software Multisim Multisim ermöglicht die grafische Eingabe von Schaltungen, die Simulation und die Erzeugung von Modellen für analoge (Spice) und digitale (VHDL) Bauelemente. Die Modellierung der gebräuchlichen Bauelement hat der Hersteller Electronics Workbencht bereits übernommen. Diese Bauelemente können aus der mitgelieferten Bauelemente-Bi- Multisim 7 30 Labor EPM --- Versuch 5 Hochschule Bremerhaven --- IAE Labor EPM --- Versuch 5 31 Hochschule Bremerhaven --- IAE Entwurfsphase, wenn noch nicht feststeht, welche Bauelemente eingesetzt werden. Man wählt süäter dann diejenigen Bauelemente aus, die den virtuelle Bauelementen möglichst gut entsprechen. S Programme\Multisim7\Titleblocks S Auswählen iae.tb7 ---> ÷ffnen Am rechten Rand sind “Messinstrumente” (Multimeter, Oszilloskope, Funktionsgenerator etc.) verfügbar, die für Anzeige der Ergebnisse einer Simulation benötigt werden. Mit Multisim lässt sich also ähnlich arbeiten wie mit den aus dem Labor bekannten Messinstrumenten. S Platzieren Sie den “Title Block” in der unteren rechten Ecke. S Mit rechter Maustaste auswählen ---> Modify Title Block Data... auswählen. S Tragen Sie hinter Title: Transistorverstärker ein. S Die zentrale Fläche dient zum Zeichnen des Schaltplans und zum Anschluss der Messinstrumente. S Tragen Sie hinter Description: alle Namen der Gruppe ein. S Klicken Sie auf OK. S Der untere Rand wird gewöhnlich nicht verwendet. Wie in Bild 2.13 gezeigt, kann hier jedoch eine Tabelle der verwendeten Bauelementen eingeblendet werden. S Speichern Sie die Schaltung unter dem Namen TrVerst ab. S Gelegentliches Betätigen der “Speichern”-Schaltfläche (Disketten-Symbol) schützt vor Datenverlust. S Wählen Sie aus der “virtuellen” Bauelemente-Bibliothek (blaue Kästchen links) alle Bauelemente der Schaltung aus und platzieren Sie diese auf der Zeichnung. S Verbinden Sie die Bauelemente. Verbinden (wiring) erfolgt durch Anklicken der zu verbindenden Anschlüsse von Bauelementen. S Der Funktionsgenerator (Wechselspannungsquelle) findet sich in der Bauelemente-Bibliothek unter dem Namen AC Voltage Source. S Vergessen Sie nicht gelegentliches Speichern. S Platzieren Sie aus der rechten Leiste ein Zweikanal-Oszilloskop (Oscilloscope) und verbinden Sie die Eingänge mit Eingang (¡) und Ausgang (©) der Schaltung. Eine Masse-Verbindung ist nicht erforderlich (erfolgt automatisch). S Simulieren (Schalter in der oberen Schaltfläche) Sie de Schaltung mit einem beliebigen Wert für R4. Ändern Sie R4, bis sie ein sauberes Ausgangssignal erhalten. S Sie können keine Werte ändern, wenn der Simulator läuft. Schalten Sie zuvor den Simulator (Schalter-Symbol) wieder aus. S 5.2 Entwurf eines Transistorverstärkers mit Multisim Der folgende Transistorverstärker soll mit Multisim eingegeben und simuliert werden. Dabei ist der optimale Widerstand R4 durch Simulation zu ermitteln. 15V DC R3 = 47k8 R2 = 6.8k8 © C1 = 100nF ¡ ~ Q1 1kHz 1V Scheitelwert R1 = 1.5k8 R4 = ? R4 = ____________________ 8 . Bild 2.14: Transistorverstärker " Durch Simulation ist derjenige Widerstand R4 zu ermitteln, der ein unverzerrtes Ausgangssignal (Anschluss ©) erzeugt. Zum Eingeben der Schaltung gehen Sie wie folgt vor: S Starten Sie Multisim S Place -> Title Block... S Herzlichen Glückwunsch zu Ihrer ersten Schaltung! 5.3 Ermittlung der Grenzfrequenz für ein Tiefpassfilter Für die folgenden Tiefpass 4. Ordnung (Bild 2.15) soll mit Multisim die Grenzfrequenz ermittelt werden (im Simulator). 32 Labor EPM --- Versuch 5 39k Hochschule Bremerhaven --- IAE © ¡ ~ 39k 150k 47n 4.7n 56k --- 100k --- + 100n ¢ Versuchsprotokoll + Teilnehmer: Datum: Name Bild 2.15: " Hochschule Bremerhaven --- IAE Versuch 6 56k 10n 33 Labor EPM --- Versuch 6 Matrikelnummer 1. Tiefpassfilter 4. Ordnung 2. Ermitteln Sie durch Simulation die Grenzfrequenz der Tiefpassschaltung aus Bild 2.15. 3. Gehen Sie dabei wie in Abschnitt 5.2 vor. Unterschiede zur Transistorschaltung: 4. S Speichern Sie die Schaltung unter dem Namen “OpAmp”. S Füllen Sie den Title-Block entsprechend aus. 5. S Schließen Sie zur Analyse der Schaltung ein Vierkanal-Oszilloskop (4 Channel Oscilloscope) an den Anschlüssen ¡, © und ¢ an. Testat S Verändern Sie die Frequenz der Wechselspannungsquelle, bis Sie einen Abfall der Ausgangsamplitude um ---3dB (1 ¯2) feststellen. ACHTUNG: 6 fg = ____________________ Hz Ô = ____________________ Grad (Phasenwinkel bei der Grenzfrequenz fg ). Erst nach Abnahme der Schaltung durch Herrn Stross oder mich gilt das Labor als bestanden! Digitale Schaltungen Der überwiegende Anteil elektronischer Schaltungen ist heute digital. Die digitale Signalverarbeitung arbeitet bei beliebiger Komplexität fehlerfrei und lässt sich leicht an unterschiedliche Aufgaben anpassen (Mikrocontroller, FPGAs, etc.). Der Einsatz von Digitaltechnik (auch bei programmierbaren Bauelementen) erfordert Kenntnisse in boolscher Logik. Im Rahmen dieses Labors soll eine Aufgabe mit Gatterschaltungen in minimaler Form (DNF und KNF) gelöst werden. Nach der Minimierung der logischen Funktionen kann die Schaltung durch Verbinden von Gattern verwirklicht werden. Hierzu stehen genug Gatterfunktionen (AND, OR, NAND, NOR) und Verbindungsleitungen zur Verfügung. 6.1 ::: Bargraph Eine Bargraph-Anzeige wird zur quasi-analogen Darstellung digitaler Zahlen eingesetzt. Eine solche Anzeige für 3-Bit-Zahlen soll in minimaler Form (in disjunktiver Normalform 34 Labor EPM --- Versuch 6 Hochschule Bremerhaven --- IAE bzw. konjunktiver Normalform) verwirklicht werden. Die Ausgabe erfolgt mit LEDs (Light Emitting Diode), die unmittelbar von den Ausgängen einiger Gatter angesteuert werden können. Der Zusammenhang zwischen Ansteuerung der LEDs und der dualen Zahl zeigt Bild 2.16. Eingänge Anzeige x2 x1 x0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 Bild 2.16: Null y1 y2 y3 y4 y5 y6 y7 Bargraph für 3 Bit Jeder leuchtenden LED wird der logische Wert ’1’ zugeordnet. " Tragen Sie die entsprechenden Nullen und Einsen in das Karnaugh-Diagramm ein (je ein Diagramm für jede Ausgangsgröße). " Wählen Sie die DNF oder die KNF (wann ist was günstiger?). " Kennzeichnen Sie die Gebiete, die Sie zu einem Minterm oder Maxterm zusammenfassen. " Geben Sie die minimale boolsche Gleichung für den jeweiligen Ausgang an. " Wenden Sie ggf. das DeMorgansche Theorem an, um möglichst einfache Gleichungen zu erhalten oder vorhandene Gatter möglichst gut auszunutzen. 35 Labor EPM --- Versuch 6 x1 x0 00 x 2 10 11 01 0 1 x0 = 1 x1 = 1 Null = Bild 2.17: Karnaugh-Diagramm für Null x1 x0 00 x2 10 11 01 0 1 x0 = 1 x1 = 1 y1 = Bild 2.18: Karnaugh-Diagramm für y1 Hochschule Bremerhaven --- IAE 36 Labor EPM --- Versuch 6 x1 x0 00 x 2 10 11 01 Hochschule Bremerhaven --- IAE x1 x0 00 x 2 0 0 1 1 x0 = 1 x1 = 1 x1 x0 00 10 11 01 Bild 2.21: 01 Karnaugh-Diagramm für y4 x1 x0 00 x2 0 0 1 1 x0 = 1 x1 = 1 y3 = Bild 2.20: 11 y4 = Karnaugh-Diagramm für y2 x2 10 x0 = 1 x1 = 1 y2 = Bild 2.19: 37 Labor EPM --- Versuch 6 Karnaugh-Diagramm für y3 10 11 01 x0 = 1 x1 = 1 y5 = Bild 2.22: Karnaugh-Diagramm für y5 Hochschule Bremerhaven --- IAE 38 Labor EPM --- Versuch 6 x1 x0 00 x 2 10 11 Hochschule Bremerhaven --- IAE 01 0 1 x0 = 1 x1 = 1 y6 = Bild 2.23: Karnaugh-Diagramm für y6 x1 x0 00 x2 10 11 01 0 1 x0 = 1 x1 = 1 y7 = Bild 2.24: " Karnaugh-Diagramm für y7 Bauen Sie die Schaltung auf und überprüfen Sie die Funktion. Die Eingangsgrößen liefern Schalter. Es stehen jeweils die Signale xk sowie die inversen Signale xk zur Verfügung. Die Ausgänge sind mit LEDs zu verbinden. Notizen: :::
