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Computer-
Gestütztes
Experimentieren I
Herbstsemester 2016
Roland Bernet
Herbert Bitto
Computergestütztes Experimentieren I
(SPI301)
ECTS: 5
Übersicht Bei diesem Kurs geht es darum, ein Verständnis für die Planung, den Aufbau und die
Durchführung von Experimenten zu erlangen, die Computer benötigen für das
Steuern der Experimentierparameter, für das Erfassen von Messdaten und für die
Datenanalyse
Durchführung Ein- bis zweistündige Vorlesung
Dreistündiges Praktikum
Mündliche Prüfung (30 Min)
Beschreibung Im Herbstsemester (CGE I) beginnen wir zunächst damit, ein Verständnis für den
Aufbau von Rechnern zu erarbeiten, indem wir einen einfachen Modellrechner
mittels digitaler Schaltungen aufbauen. Danach werden einfache Experimente
durchgeführt, anhand derer der typische Aufbau von Programmen, die Hardware und
die Software Aspekte der Schnittstelle zwischen Experiment und Computer und die
Erfassung zeitlich veränderlicher Analogsignale besprochen werden.
Dabei kommen Programmiersprachen wie LabVIEW oder C++ zum Einsatz.
Anrechnung
im Hauptstudium in den meisten MNF Fächern z.B. Physik, Chemie und verschiedene Varianten,
Biologie, Mathematik, … ; Informatik in Varianten
in Nebenfächern Computational Science, Simulationen in den Naturwissenschaften (in
Varianten), Neuroinformatik (in Varianten); Informatik in Varianten
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Spezielle Informatik für Naturwissenschaften Nebenfach (SPIN)
Achtung in dieser Form auslaufend!
Link zur Kursbeschreibung: http://www.physik.uzh.ch/spin/
Link zu Reglement: http://www.physik.uzh.ch/spin/sto_spin.shtml
Pflichtmodule
Modul KP Typ Prüfung / Periode
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Wahlpflichtmodule
Modul (2 aus 4 sind zu wählen) KP Typ Prüfung / Periode
SPI 201 Einsatz der Computersimulation I 6 V+P Ja
SPI 202 Einsatz der Computersimulation II 5 P Nein
SPI 301 Computergestütztes Experimentieren I 6 V+P Ja
SPI 302 Computergestütztes Experimentieren II 5 P Nein
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VORLESUNGSUBERSICHT
Verbindung Rechner - Prozess
Digitale Schaltungen
Zahlendarstellung
Kombinatorische Schaltkreise
Sequentielle Schaltkreise
Struktur eines Rechners
Software Engineering
Kommunikationssysteme
Erfassung analoger Meßsignale
Meßdatenverarbeitung
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Computergestütztes Experimentieren I + II
Praktikum
Physik-Institut und Phys.-Chem. Institut
• Digitale Elektronik (vom Gatter zum Computer)• Echtzeit-Programmentwicklung in einer höheren Programmiersprache
(Plattform: IBM PC, Betriebssystem: Windows/Linux, Sprache: NI-LabView)o Steuerung mit standardisiertem Labor-Instrumenten-Bus (GPIB-Bus)
(Experiment: Spezifische Wärme)o Steuerung mit Multifunktionsschnittstellenkarte
(Experimente: Digitale Ausgabe, Blendenversuch, Blendenregelung)
_________________________
• Einführung in C/C++ (Borland C++ Builder)• Einfache Experimente mit Multifunktionsschnittstellenkarte
o Digitale Ausgabeo Blendenversuch (C++ GUI, TChart Grafik)
• Komplexes Experiment mit Multithreadingo Gesteuerter Chemischer Reaktor
6/39
Literaturverzeichnis
K. L. Ratzlaff Introduction to Computer-assisted ExperimentationJohn Wiley & Sons, 1987
Meyers Lexikonredaktion Wie funktioniert das? Der ComputerMeyers Lexikonverlag, 1990
K. Ebert, H. Ederer Computeranwendungen in der ChemieVerlag Chemie
W. J. Hurst Automation in the LaboratoryVCH Publishers
D. W. Hoffmann Grundlagen der Technischen InformatikHanser 2013
E. Leonhardt Grundlagen der DigitaltechnikHanser Verlag
O. Haack Einfuhrung in die DigitaltechnikTeubner Verlag
L. Graf, H. Jacob, Keine Angst vor dem MicrocomputerW. Meindl, W. Weber VDI-Verlag
E. O. Brigham FFTVerlag: R. Oldenburg
W. H. Press, S. A. Teukolsky Numerical RecipesW. T. Vetterling, B. P. Flannery Cambridge University Press
R. N. Bracewell The Fourier-Transform and its ApplicationsMcGraw-Hill
D. Achilles Die Fourier-Transformation in der SignalverarbeitungSpringer Verlag
P. R. Bevington Data Reduction and Error Analysis for thePhysical Sciences, McGraw-Hill
R. Ludwig Methoden der Fehler- und AusgleichsrechnungVieweg Verlag
7/39
Verbindung Rechner - Prozess
1. Definition Prozess
2. Arten der Prozesskopplung
2.1 Indirekte Prozesskopplung (off-line)
2.2 Direkte Prozesskopplung (on-line)
2.3 Innige Prozesskopplung (in-line)
3. Anwendungsbeispiele
8/39
1. Definition des Begriffes Prozess
Unter einem Prozess versteht man einen Vorgang
zur Umformung oder zum Transport von
Stoff, Energie oder Information.
Unter einem technischen Prozess versteht man ein System,
dessen Zustandsgrossen uberwiegend physikalische Grossen sind,
die gemessen, gesteuert und geregelt werden konnen.
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2. Kopplung Rechner - Prozess
Die Moglichkeiten der Kopplung entwickelten sich in der
Geschichte des Computers.
10/39
2.1 Indirekte Prozesskopplung (off-line)
Zeitalter des Grosscomputers (Mainframe z.B. IBM360):
Stapelverarbeitung; Aufkommen der interaktiven Verarbeitung
11/39
2.2 Direkte Prozesskopplung (on-line)
Aufkommen der Minicomputer Ende der 1960er
Reduktion der Antwortzeit ermoglichte Echtzeit-Verarbeitung −→Laborcomputer (PDP11)
12/39
2.3 Innige Prozesskopplung (in-line)
Weitere Miniaturisierung −→ Microprocessoren
Erfindung des Personal Computers (Apple I 1976)
Intelligente Laborgerate
Direkte Kopplung an zentralen Rechner
Aktuell: Internet of Things IoT
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3. Anwendung der direkten Kopplung bei Experimenten
• Schnelle Datenerfassung (Geschwindigkeit und Fulle)
• Langandauernde Datenerfassung
• Wiederholung zur S/N - Verbesserung
• Steuerung des Experimentes
• Kostenreduktion
14/39
DIGITALE SCHALTUNGEN I
1. Grundlagen und Zahlendarstellung
1.1 Grundlagen
1.2 Umwandlung dezimal ⇐⇒ dual
1.3 Addition
1.4 Subtraktion, negative Zahlen
2. Kombinatorische Schaltkreise
2.1 Basisoperatoren
2.2 Logische Schaltkreise
2.3 Grundgesetze der Schaltalgebra
2.4 Entwicklung einer Schaltung
2.5 Abgeleitete logische Schaltkreise
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Zahlendarstellung in verschiedenen Zahlensystemen
Zahlenwert Dual Oktal Dezimal Hexadezimal
Null 0 0 0 0
Eins 1 1 1 1
Zwei 10 2 2 2
Drei 11 3 3 3
Vier 100 4 4 4
Funf 101 5 5 5
Sechs 110 6 6 6
Sieben 111 7 7 7
Acht 1000 10 8 8
Neun 1001 11 9 9
Zehn 1010 12 10 A
Elf 1011 13 11 B
Zwolf 1100 14 12 C
Dreizehn 1101 15 13 D
Vierzehn 1110 16 14 E
Funfzehn 1111 17 15 F
Sechszehn 10000 20 16 10
Potenzreihendarstellung in der Basis β:
Z = ΣN−1i=0 αiβ
i 0 ≤ αi ≤ β − 1
20/39
Umrechnung von Zahlen eines Zahlensystems in ein anderes
Beispiel Umrechnung von Dezimalsystem nach Dualsystem der Zahl 11:
Wir verwenden die Potenzreihendarstellung der Zahlen
Dann gilt für die Zahl 11 im Dualsystem
Aus praktischen Gründen schreiben wir den Ausdruck im Hornerschema
Nach der j-ten ganzzahligen Division (mod) durch die Basis 2 erhalten wir diej-1-te Ziffer
j Rest mod( ,2)
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Gesetze der Boole’schen Algebra
Gesetz der doppelten Negationa = a
Konjunktion Disjunktion
Kommunikativgesetza ∧ b = b ∧ a a ∨ b = b ∨ a
Assoziativgesetz(a ∧ b) ∧ c = a ∧ (b ∧ c) (a ∨ b) ∨ c = a ∨ (b ∨ c)
Distributivgesetza ∧ (b ∨ c) = (a ∧ b) ∨ (a ∧ c) a ∨ (b ∧ c) = (a ∨ b) ∧ (a ∨ c)
Idempotenza ∧ a = a a ∨ a = a
Gestz vom Widerspruch Gestz vom ausgeschl. Drittena ∧ a = 0 a ∨ a = 1
Nullelemente, neutrale Elementea ∧ 0 = 0 a ∨ 1 = 1a ∧ 1 = a a ∨ 0 = a
Dualitat der Gesetze∧, 0 ⇐⇒ ∨, 1
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Verifikation des Distributivgesetzes
Wahrheitstabelle fur a ∨ (b ∧ c) = (a ∨ b) ∧ (a ∨ c):
c b a b ∧ c a ∨ (b ∧ c) a ∨ b a ∨ c (a ∨ b) ∧ (a ∨ c)
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Absorptionsgesetze
a ∨ (a ∧ b)= ? a ∧ (a ∨ b)= ?= (a ∧ 1) ∨ (a ∧ b)= a ∧ (1 ∨ b)= a ∧ 1= a = a
a ∨ (a ∧ b)= ? a ∧ (a ∨ b)= ?
= (a ∨ a) ∧ (a ∨ b)= 1 ∧ (a ∨ b)= a ∨ b = a ∧ b
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Theorem von DeMorgan
Wahrheitstabelle fur a ∧ b:
a a b b a ∧ b a ∧ b a ∨ b
0 1 0 1 0 1 10 1 1 0 0 1 11 0 0 1 0 1 11 0 1 0 1 0 0
a ∧ b = a ∨ b DeMorgan’sches Gesetz
Nach dem Dualittsprinzip folgt sofort:
a ∨ b = a ∧ b
Allgemein gilt:
a ∧ b ∧ c ∧ · · · = a ∨ b ∨ c ∨ · · ·
a ∨ b ∨ c ∨ · · · = a ∧ b ∧ c ∧ · · ·
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Kanonische Normalformen
Gegeben seienn-stellige boolesche Funktion f(x1, x2, . . . , xn) und Literale xi ∈ {xi, xi}
Definitionen
Elementarkonjunkt oder Minterm
x1 ∧ . . . ∧ xn
Elementardisjunkt oder Maxterm
x1 ∨ . . . ∨ xn
1. Disjunktive Normalform (DNF)Disjunktive Verknupfung der Minterme mit dem Funktionswert 1
2. Konjunktive Normalform (KNF)Konjunktive Verknupfung der Maxterme mit dem Funktionswert 0
3. Reed-Muller-Normalform oder RingsummennormalformKomplexer siehe Ringsummennormalform in Wikipedia
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