Einführung analog
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Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Signalverarbeitung 1 Vorlesungsnummer 261013 1 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Prof. Dr.-Ing. Jürgen Doneit Zimmer E209 Tel.:07131 504 455 [email protected] http://mitarbeiter.hsheilbronn.de/~doneit/ 2 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Quelle der Comics: Der Computer Comic von Larry Gonick, 1984, Rowohlt Taschenbuch 3 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Literatur und Quellen Übersicht http://mitarbeiter.hs-heilbronn.de/~doneit Bücher zum Beispiel • Technische Informatik 1 Grundlagen der digitalen Elektronik, 5.Auflage, 2003 Wolfram Schiffmann, Robert Schmitz Springer Verlag, ISBN 3-540-40418-X • Elektrotechnik und Elektronik für Informatiker Band1: Grundgebiete der Elektrotechnik, 1999 Reinhold Paul, Teubner Verlag, ISBN 3-519-12126-3 Digitaltechnik Frike, Klaus Vieweg Verlag Fachbücher der Technik ISBN 3-528-03861-6 Internet • http://www.elektronik-kompendium.de/ • http://horst-lehner.mausnet.de/efaq/kapitel/Digitalseminar.html 4 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Inhalt Signalverarbeitung 1 1. Elektrotechnik {Grundlagen: Spannung, Strom, Leistung, Energie {Zweipole: elektrischer Widerstand, Quellen {Netzwerke von Zweipolen {Lineare Gleichungssysteme {Netzwerkanalyse 2. Elektronik {Halbleiter {Diode {Transistor {C-MOS Technik 3. Einführung in die Digitaltechnik {Dualsystem {Schaltalgebra {Grundverknüpfungen {einfache Digitalschaltungen 5 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Technische Informatik 2 • { { { { 4. Entwurf digitaler Schaltnetze Boolsche Algebra Disjunktive- / Konjuktive Normalform Karnaughtafeln rechnergestützter Entwurf (CAD) • { { 6. Synchrone Automaten Grundstruktur Entwurf • • { { { { 5. Speicher Flipflop RAM, ROM, EPROM, EEPROM optische Speicher magnetische Speicher { { { 7. Laborübung: Programmierbare Logik Aufbau von GAL`s Einsatzmöglichkeiten Programmierung im Labor 6 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Labor • Umfang - Einarbeitung in versch. Simulationstools und Lösen von Aufgaben - Einarbeitung in den Aufbau von GAL‘s - Durchführung eines kleinen Übungsbeispiels - Bearbeitung einer gestellten Laboraufgabe - Erstellung eines Teamlogbuches • Dauer / Termin - Dauer hängt von der Fertigstellung der Laborarbeit ab • Laborbericht und Teamlog werden mit max. 10 Punkten bewertet (Klausur 30 Punkte - bestanden ab ca. 20 Punkte) 7 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Grundlagen der Analog-Elektronik 8 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Elektrotechnik Energietechnik Informationstechnik Energieerzeugung Energieverteilung Antriebstechnik Wärmewirtschaft Telekommuniktion Unterhaltungselektronik Datenverarbeitung Automatisierungstechnik 9 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Atomistik Teilchen Masse/g Ladung/As Proton 1,6*10-24 +1,6*10-19 Elektron 9,1*10-28 -1,6*10-19 Neutron 1,6*10-24 keine 10 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Energie - Bändermodell 11 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Ladung, Feld, Spannung Kleinste Ladungsmenge e = -1,602*10-19 As Q= n*e- Ladungsmenge Einheit [As] oder [Coulomb] = [C] 12 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Elektrisches Feld , elektrische Spannung Zwischen zwei unterschiedlichen Ladungen verändert sich die Eigenschaft des Raumes. Auf weitere in diesem Raumgebiet befindlichen Ladungen wirken Kräfte. Es wirkt das Elektrische Feld E [V/m] F=q*E [N] E*d = U [V] 13 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Energie Wird elektrische Ladung von einem Punkt zu einem anderen bewegt und besteht zwischen diesen Punkten eine Spannung U so wird bei der Bewegung Energie umgesetzt. Arbeit W=Q*U [V A s] = [W s] = [ Joule ] einsetzen von Q= I * t ergibt: Umrechnung von Energieeinheiten 1kWh = 3,6 *106 Ws W=U*I*t 1 Ws = 0,239 cal 1kWh= 860 kcal 1l Öl = 10 kWh = 8600kcal 14 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Leistung Leistung ist definiert als Arbeit pro Zeiteinheit P= W / t [VA]=[W] für Gleichstrom ergibt sich somit: P=U*I bei zeitabhängigen Größen ergibt sich: p(t) = u(t) i(t) 15 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Der elektrische Widerstand U12 = ρ ∗ l / A * I ohmsches Gesetz U12 = R * I ρ = 1 / κ [Ω m] R = ρ ∗ l / A [Ω] 16 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Temperaturabhängigkeit des ohmschen Widerstandes 17 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Widerstandstabelle 18 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Übung Ein Aluminiumdraht (d=1mm) hat bei Zimmertemperatur einen Widerstand von 10Ω. a) Wie lang ist er? b) Welchen Widerstand hat er bei 200°? 19 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Lösung A) l = 275 m B) R= 17,2 Ω 20 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Elektrische Spannung U Unter elektrischer Spannung versteht man das Ladungsgefälle zwischen zwei elektrischen Pole. Dabei gilt: • Spannungsquellen besitzen immer zwei Pole, mit unterschiedlicher Ladung. • Der Pluspol hat einem Mangel an Elektronen, der Minuspol einen Überschuss. • Entsteht eine Verbindung zwischen den Polen, kommt es zu einer Entladung. Bei diesem Vorgang fließt ein elektrischer Strom. • Formelzeichen für die elektrische Spannung: U • Maßeinheit: MV(Megavolt), kV(Kilovolt), V (Volt), mV(Millivolt), µV(Mikrovolt) 21 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Spannungsberechnung Zur Berechnung der elektrischen Spannung werden die folgenden Formeln verwendet: Spannung U = Leistung P Strom I Spannung U = Widerstand R x Strom I 22 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Spannungspotenzial Das Potenzial eines Punktes ist gleich der Spannung dieses Punktes gegenüber dem Bezugspunkt 0 V (Masse). Dabei gilt: • Die Messung eines Potenzials bezieht sich immer auf einen Bezugspunkt. Dieser hat 0 V und wird im allgemeinen als Masse bezeichnet. + + • Bei der Messung eines positiven Wertes, ist das Potenzial positiver als der Bezugspunkt. + • Bei der Messung eines negativen Wertes, ist das Potenzial negativer als der Bezugspunkt. + 23 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Spannungsmessung • Ein Spannungsmessgerät wird immer parallel zum Verbraucher, Bauelement oder zur Spannungsquelle angeschlossen. • Bei der Messung an der Spannungsquelle wird der momentane Spannungswert gemessen. • • Am Verbraucher wird der Spannungsabfall gemessen. Dieser ist eine Teilspannung der Gesamtspannung der Spannungsquelle. + Um die zu messende Schaltung nicht zu beeinflussen, sollte der Innenwiderstand des Spannungsmessgerätes möglichst hochohmig sein. U _ _ + U + U Lampe U Batt - UR _ + U 24 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Elektrischer Strom / Stromstärke I Unter elektrischem Strom versteht man die gerichtete Bewegung von Ladungsträgern (Elektronen/Ionen) in einem elektrischen Leiter. Dabei gilt: • Ein elektrischer Strom kann nur fließen, wenn Ladungsträger in genügender Anzahl vorhanden und frei beweglich sind. • Zur zahlenmäßigen Beschreibung des elektrischen Stromes dient die elektrische Stromstärke. • Je mehr Ladungsträger in einer Sekunde durch einen Leiter fließen, um so größer ist die Stromstärke. • Formelzeichen für die Stromstärke: I • Maßeinheit: kA(Kiloampere), A(Ampere), mA(Milliampere), µA(Mikroampere), nA(Nanoampere) 25 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Berechnung der Stromstärke I Zur Berechnung des elektrischen Stromes bzw. der Stromstärke werden die folgenden Formeln verwendet: Strom I = Elektrizitätsmenge Q Zeit t Strom I = Spannung U Widerstand R Strom I = Leistung P Spannung U 26 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Stromrichtung Physikalische Stromrichtung (Elektronenstrom): Da die negativen Ladungsträger den Stromfluss tragen, fließen die Elektronen von Minus (-) nach Plus (+) physik. Stromrichtung + _ techn. Stromrichtung Technische Stromrichtung (historische Festlegung): Die Stromrichtung innerhalb einer Schaltung wird auch heute noch von Plus(+) nach Minus(-) definiert 27 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Strommessung • Das Strommessgerät wird immer in Reihe zum Verbraucher angeschlossen. Dazu muss die Leitung des Stromkreises aufgetrennt werden um das Messgerät in den Stromkreis einzufügen. • Der Innenwiderstand des Messgerätes sollte möglichst niederohmig sein, um den Stromkreis nicht zu beeinflussen. + I ges - I ges I ges + I ges _ I 28 Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit Beispiel : Anlasser im Auto 29
