FH Münster FB 11 Praktikum Analog- und Digitaltechnik · Oszilloskop: Ein Messgerät zur Darstellung des zeitlichen Verlaufes von Spannungen und Frequenzen. Mit diesem Gerät lassen

FH Münster FB 11 Praktikum Analog- und Digitaltechnik

Prof. Dr. Rose FH Münster Stegerwaldstr. 39 48565 Steinfurt Tel: 02551/962 -124 / -621 Fax: 02551/962-201 e-mail: [email protected]

Name:

Vorname:

Matrikelnummer:

Studienrichtung: BMT [ ] LT [ ] TO [ ] W-Ing [ ]

Durchgeführt im: SS[ ] WS[ ] JAHR:

Gruppe:

Versuch Datum Abtestat Unterschrift

A1

A2

A3

D1

D2

D3

Die / der Studierende hat das Praktikum erfolgreich absolviert und ist zur Klausur A/D-Technik zugelassen.

Steinfurt, den ___________________________________ Prof. Dr. Thomas Rose

Info: Bringen Sie zum Unterschreiben dieses Original und eine Kopie mit. Das Original ist für Sie, die Kopie für mich.

Prof. Dr. Rose FH Münster Stegerwaldstr. 39 48565 Steinfurt Tel: 02551/962 -124 Fax: 02551/962-489 e-mail: [email protected]

Praktikum Analog- und Digitaltechnik

Einleitung

1 Allgemeine Informationen zum Praktikum

In diesem Praktikum sollen Sie beispielhaft einige der Schaltungen aus der Vorlesung

aufbauen, analysieren und beschreiben, die nach folgenden Kriterien ausgesucht wurden:

Sie sollen grundlegende elektronische Vorgehensweisen veranschaulichen.

Sie sollen relevant sein für Anwendungen in Bereichen wie Messtechnik, Steuer- und

Regeltechnik, der industriellen, medizinischen oder miniaturisierten Sensortechnik.

Sie können im begrenzten Zeitrahmen des Praktikums sinnvoll durchgeführt werden.

Die Versuchsanleitungen sind nicht absolut bindend, sondern als Leitfaden zu verstehen.

Eigene Fragestellungen oder bestimmte Versuchsteile tiefer zu bearbeiten als vorgesehen

ist in Absprache mit den Betreuern möglich.

Die Praktikumsversuche sind, gerade durch die studentischen Evaluationen der Lehrveran-

staltung AD-Technik, in den letzten Jahre immer wieder modifiziert worden. Anregungen für

Änderungen oder Weiterentwicklungen sind aber auch jetzt noch immer willkommen.

2 Ablauf und Anforderungen des Praktikum

Insgesamt finden 6 Praktikumsversuche statt, je 3 in der Analogtechnik und Digitaltechnik:

Analogtechnik Digitaltechnik

A1 Elektrische Messgeräte, Pulsmessung D1 Gatter und Flipflops

A2 Transistorschaltungen D2 Zähler und Ampelschaltung

A3 Verstärkerschaltungen, EKG D3 Busse, Speicher und Parallel-Seriell-Wandlung

Jeder Termin dauert max. 4 Zeitstunden. Pro Termin wird eine Gruppe gebildet, die

üblicherweise aus 6 Teams mit jeweils 2 Personen besteht. Die genaue Gruppen- und

Zeiteinteilung erfolgt spätestens in der 2. Vorlesungswoche.

Zu Beginn eines jeden Termins findet ein kurzer schriftlicher Test statt, der für die Teilnahme

am Praktikum bestanden werden muss. In dem Test wird das Grundlagenwissen abgefragt,

das üblicherweise durch das sorgfältige Lesen und Bearbeiten der Praktikumsunterlagen

erlangt werden kann.

Das Praktikum kann also nur sinnvoll mit einer entsprechenden Vorbereitung durchgeführt

werden. Die Lehrenden tragen dazu u. a. durch das Behandeln der wesentlichen Inhalte in

der Vorlesung bei. Von Seiten der Studierenden gehört dazu, dass Sie:

A/D-Technik Praktikum Vorwort

Vorwort2015_2015-03-30.doc vom 18.04.2016 14:50:00 Seite 2

die Praktikumsunterlagen vollständig gelesen und verstanden haben.

Informationen zu den jeweils unter Inhalt genannten Schlagwörtern mit Hilfe der Anleitung

und bei Bedarf anderer Quellen (Vorlesungsskript, Bücher, etc.) erarbeitet haben.

die jeweils unter Vorarbeiten genannten Aufgaben zu Hause selbstständig erledigt und in

das eigene Protokollbuch eingetragen haben.

Bei ungenügender Vorbereitung ist der Praktikumserfolg nicht sichergestellt, eine

Versuchsdurchführung sinnlos und daher ein Verweis aus dem Praktikum die Folge.

Einen Nachholtermin müssen Sie dann mit dem Betreuer absprechen. Ein zweiter

Verweis führt zum Ausschluss für das ganze Semester. Eine Wiederholung ist dann

erst im nächsten Jahr wieder möglich!

3 Das Protokollbuch

Jede Person führt ein eigenes Protokollbuch und arbeitet selbstständig daran. Ein

Protokollbuch zu führen ist eine verbreitete Methode für Aufzeichnungen bei

wissenschaftlichen Versuchen, dessen Vorteile die Universität Wien in ihren Unterlagen

passend zusammenfasst. Es stellt nämlich eine „Gute, wichtige Übung für spätere

Laborübungen und Forschungsaufgaben im Rahmen des Studiums“ dar und „soll

ermöglichen, ein Experiment auch nach Jahren in derselben Weise zu wiederholen, ohne

Anfangsfehler zu begehen (Versuchsaufbau, Durchführung und Hinweise)“.

Allgemein gehören in ein Protokollbuch folgende Punkte:

- „Verfasser, Datum, Uhrzeit, Ort

- Experimenteller Aufbau mit Prinzipskizze (und wichtigen Maßen)

- Liste und Beschreibung der verwendeten Geräte, Typenbezeichnung und

Seriennummer, falls bei gleichen Geräten systematische unterschiede in den

Ergebnisseen auftreten

- Messergebnisse (Ablesungen)– Achtung: Die Angabe einer physikalischen Größe als

Maßzahl ohne Einheit ist nicht sinnvoll

- Beschreibung der Methode mit der aus den gemessenen Werten das Endergebnis

ermittel wurde

- Bei funktionalen Zusammenhängen (Tabelle) empfiehlt sich auch eine graphische

Darstellung des Ergebnisses (Diagramme)

- Überlegungen zur Fehlerbestimmung (Ursache, Größe)

- Bemerkungen über das Experiment / die Proberahme

- Überlegungen über eventuelle Mängel der Meßmethode“

(aus:http://biologische-physik.univie.ac.at/lva/praktikum/ws0809/Praktikum-

Vorbereitungsvorlesung-WS_2008.pdf; vom 21.07.2014)

Eine sehr gute, englischsprachige Darstellung finden Sie darüber hinaus unter

http://www.aber.ac.uk/~dcswww/Dept/Teaching/Handbook/AppendixAF.pdf

http://www.aber.ac.uk/~dcswww/Dept/Teaching/Handbook/AppendixAF.pdf



3.1 Aufbau des Protokollbuchs und der Versuchsprotokolle

Sie beschaffen sich zunächst ein DIN A4-Notizbuch (eine Kladde) und Millimeterpapier für

die Versuchsprotokollierung. Allgemein gilt für den Aufbau des Protokollbuchs:

Alle Seiten werden durchnummeriert.

Die erste Seite des Protokollbuchs enthält Name und Anschrift des Verfassers.

Die nächste Seite wird für ein Inhaltsverzeichnis freigehalten.

Eine weitere Seite ist für das Abkürzungsverzeichnis reserviert.

Jeder Praktikumsversuch beginnt mit einer neuen Seite.

Man lässt keine Seiten frei.

Geschrieben und gezeichnet wird mit einem nicht löschbaren Stift, NICHT mit

Bleistift!

Aufbauten werden mit Texten beschrieben und in Skizzen dargestellt, nicht in Fotos.

Es wird nicht von anderen Personen abgeschrieben, da hierdurch auch schnell

Fehler übertragen werden.

Anleitungen werden nicht in das Protokollbuch eingeklebt, höchstens die

Vorbereitungsaufgaben.

Im Speziellen soll für alle Versuche das folgende Vorgehen berücksichtigt werden:

Eintragungen zur Vorbereitung eines jeden Versuchs:

Titel des Versuchs

Datum der Praktikumsdurchführung

Aufgabe und Ziel des Versuchs, kurz und knapp

Vorbereitungsaufgaben, die in der Anleitung gefordert werden

Liste der anstehenden Messungen / Aufgaben (aus der Anleitung übernehmen)

Während der Durchführung der Versuche werden:

die benutzten Geräte notiert,

zu jedem Versuchsteil die Messaufgabe kurz beschrieben,

die Messwerte in einer ordentlichen Tabelle aufgenommen,

wenn möglich/sinnvoll, die Ergebnisse grafisch (von Hand) dargestellt; evtl. auf

Millimeterpapier, das dann in das Protokollbuch eingeklebt wird.

jedes eingeklebte Blatt ebenfalls mit Name, Datum, Titel und Seite beschriftet,

die in der Anleitung geforderten Berechnungen und Darstellungen während des

Praktikums ins Protokollbuch geschrieben,

Daten sofort aufgeschrieben, und zwar die abgelesenen Originaldaten, erst dann

werden eventuelle Umrechnungen durchgeführt!



Am Ende des Praktikums (Auswertung) werden:

die restlichen geforderten Berechnungen und Darstellungen geschrieben,

evtl. eine Betrachtung der Genauigkeit von Messungen und Ergebnissen

durchgeführt,

eine kurze Schlussfolgerung eingetragen.

Liegt am Ende des Versuchs die Auswertung korrekt vor und haben Sie Ihre eigene

Auswertung verstanden (was überprüft wird), erhalten Sie das Endtestat. Einige weitere

Punkte, die überprüft werden:

- Ist ein Abkürzungsverzeichnis vorhanden?

- Wurden alle Abbildungen und Skizzen beschriftet?

- Sind die Diagramme auf Millimeterpapier eingeklebt oder eingetackert?

- Ist der Inhalt korrekt und wurden die gesetzten Ziele erreicht?

- Wurde die Dokumentation sauber und leserlich erstellt?

4 Fragen

Bei Fragen wenden Sie sich vertrauensvoll an die Betreuer.



Versuch A1

Elektrische Messgeräte, Pulsmessung

Inhalt dieses Versuches:

Inbetriebnahme der in Punkt "Geräteliste" genannten elektrischen Geräte und anschließender

Entwicklung eines Pulsmessers.

Geräteliste:

Oszilloskop, Funktionsgenerator, Spannungsnetzteil

Vorkenntnisse:

Arbeitsweise eines Oszilloskops und eines Multimeters, Hochpassfilter, Funktionsweise eines

Fotowiderstandes

A/D-Technik Praktikum A1 Pulsmessung

A1_V7.doc vom 08.06.2018 13:21:00 Seite 2

1 Einleitung

Im ersten Teil des Versuches sollen Sie sich mit den Geräten vertraut machen, die Sie im weiteren

Praktikum benutzen werden. Diese sind:

Oszilloskop: Ein Messgerät zur Darstellung des zeitlichen Verlaufes von Spannungen und

Frequenzen. Mit diesem Gerät lassen sich Effektivspannungen, Spitze-Spitze-Spannungen,

Perioden sowie Frequenzen messen.

Funktionsgenerator: Er erzeugt verschiedene Spannungsverläufe, z.B. Sinus-, rechteck- und

dreieckförmige Spannungen. Deren Frequenz sowie Amplitude ist einstellbar. Bei vielen

Funktionsgeneratoren kann dieser Wechselspannung noch eine Gleichspannung überlagert

werden.

Spannungsversorgung: Sie erzeugt verschiedene Gleichspannungen, die teilweise geregelt

werden können. Des Weiteren enthält sie einen Transformator mit mehreren

Sekundärwicklungen. Dieser erzeugt sinusförmige Wechselspannungen mit 50 Hz.

Multimeter: Ein Vielfachmessinstrument für Gleich- und Wechselströme sowie –spannungen

und für Widerstandsmessungen.

Im weiteren Verlauf des Praktikums sollen Sie, als eine praktische Anwendung dieser Geräte,mit Hilfe

eines Fotowiderstandes ihren Puls messen und auswerten.

2 Praktikumsgrundlagen zu den elektrischen Messgeräten

2.1 Oszilloskop

Mit einem Oszilloskop kann man den zeitlichen Verlauf einer Spannung anzeigen. Die Abbildung 1

zeigt ein Zweikanal-Oszilloskop, mit dem zwei Spannungen gleichzeitig betrachtet werden können.

Abbildung 1: Oszilloskop Tektonix TDS 220

C

D

E

F

A

B


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Beachten Sie, dass die äußeren Anschlüsse der

beiden Kanäle miteinander verbunden sind.

Somit kann die Gerätemasse für beide Kanäle

mit nur einem Kabel angeschlossen werden.

A: Eingangsanschlüsse für die Signalanzeige.

Das Oszilloskop lässt sich zwischen Gleichspannungskopplung (DC),

Wechselspannungskopplung (AC) und Masse (GND) umschalten. Bei der

DC-Kopplung werden alle Anteile des Eingangssignals dargestellt. Bei der

AC-Kopplung wird ein Kondensator mit (in unserem Fall) 20 nF in die

Eingangsleitung geschaltet, wodurch (wie die Leute aus der Elektrotechnik so sagen) der

Gleichspannungsanteil des Signals unterdrückt wird. Dies ist von Vorteil, wenn nur die

Wechselspannungskomponenten von Interesse sind.

Tatsächlich liegt dieser Kondensator in Reihe mit dem Eingangswiderstand des Oszilloskop (1 MOhm)

und stellt zusammen mit diesem einen Hochpass dar. Dadurch wird also nicht nur die Gleichspannung

unterdrückt, sondern auch niederfrequente Wechselspannungen. Laut Datenblatt beträgt die

Grenzfrequenz 10 Hz. Kleinere Frequenzen werden also in der AC-Einstellung immer stärker

abgeschwächt dargestellt. Sie werden sehen, dass dies in dem Versuchsteil mit der

Herzfrequenzmessung, die ja eher im 1Hz-Bereich liegt, eine Rolle spielt.

B: Anzeigebereiche

Abbildung 2: Elemente in der Anzeige des Oszilloskops

CH 1: Kanal 1

CH 2: Kanal 2

1. Nullpunkt 0 ms

2. Horizontale Triggerposition. (siehe E)

3. Vertikale Triggerposition. (siehe E)

4. Signale der Kanäle 1 und 2

5. Nullpunkt 0 V

6. Triggerwert

7. Triggerflanke (positiv, negativ)

8. Triggerkanal

9. Skalierungswert für die Zeitachse

10. Skalierungswert für die Spannungsachse

Zeitachse

Spa

nnu

ngsachse


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C: Signale skalieren und positionieren in vertikaler Richtung

Sie können die Anzeige der Signale ändern, indem Sie deren Skala und Position

einstellen. Mit dem Positionsregler verschieben Sie das Signal auf der

Spannungsachse. Dabei wird lediglich der Nullpunkt verschoben, d.h. es findet keine

Änderung der Spannungswerte statt. Mit der „MENÜ“-Taste können Sie das Signal

ein- oder ausblenden. Die Skalierung auf der Spannungsachse können Sie mit dem

VOLT/DIV-Regler einstellen.

D: Horizontales skalieren und positionieren; Vortriggerung

Für eine horizontale Positionierung benutzen Sie den Positionsregler und für die

Skalierung der Zeitachse den SEC/DIV-Regler.

Damit ändern Sie die horizontale Skala ALLER Signale. Dies ist zum Beispiel dann

sinnvoll, wenn Sie nur einen Zyklus des Signals anzeigen möchten, um einen

Überschwinger an der ansteigenden Flanke zu messen.

E: Triggerung

Der Trigger legt fest, wo das Oszilloskop beginnt, ein Signal anzuzeigen. Mit der

„MENÜ“-Taste können Sie den Kanal, den Sie triggern möchten, auswählen. Das

Menü erscheint am rechten Bildschirmrand. Um den Triggerwert zu ändern,

benutzen Sie den Pegelregler. Der Triggerwert muss kleiner als die Amplitude sein,

sonst lässt sich kein sauberes Signal darstellen. Mit dem Knopf „Pegel auf 50%“

lässt sich der Triggerwert auf die Hälfte der Spitze-Spitze-Spannung einstellen (bei

einem Sinussignal entspräche das dem Nulldurchgang). Zudem kann eingestellt

werden, ob bei einer positiven oder negativen Flanke getriggert werden soll.

Triggerwert-

bereich


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F: Messungen vornehmen

Das Oszilloskop zeigt Diagramme der Spannung im Bezug zur Zeit an und unterstützt Sie bei der

Messung des angezeigten Signals. Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Durchführung von

Messungen. Sie können die Rastermessung, Cursormessung oder eine automatische Messung

vornehmen.

Rastermessung. Mit dieser Methode können Sie eine schnelle, visuelle Schätzung vornehmen.

Zählen Sie dazu die entsprechenden kleinen und großen Skalenteile des Rasters und multiplizieren

diese mit dem Skalierungswert (B.9, B.10). Wenn Sie zum Beispiel zwischen dem kleinsten und dem

größten Wert des Signals fünf große, vertikale Skalenteile des Rasters gezählt haben und der

Skalenfaktor 100 mV/DIV beträgt, können Sie die Spitze-Spitze-Spannung auf folgende Weise einfach

berechnen:

5 Skalenteile x 100 mV/DIV = 500 mV.

Cursormessung. Mit dieser Methode können Sie Messungen vornehmen, indem Sie die stets als

Paar auftretenden Cursor bewegen und deren numerische Werte (Position oder Abstand zueinander)

von der Anzeige ablesen. Sie können zwischen Spannungs- und Zeitcursor wählen.

Automatische Messung. Bei dieser Methode führt das Oszilloskop alle Berechnungen für Sie durch.

Diese Messungen sind präziser als die Raster- oder Cursormessungen. Es lassen sich Frequenz,

Spitze-Spitze-Spannung, Effektivwert und Mittelwert am rechten Bildschirmrand anzeigen.

2.2 Der Funktionsgenerator

A: Ein Funktionsgenerator erzeugt zeitabhängige Spannungen. In

unserem Fall kann die Frequenz der Signale von weniger als einem Hz

bis zu etwa 220kHz eingestellt werden. Die Signalform kann ebenfalls

mit folgenden Formen ausgewählt werden: Sinus, Dreieck, Rechteck

und Rechteck mit einstellbarem Tastverhältnis. Die Signalamplitude

kann bis zu maximal 10V eingestellt werden. Damit ist die Spitze-

Spitze-Spannung also höchstens 20V.

B: Das Signal wird an den Anschlüssen „OUT“ und „0V“ ausgegeben.

Die Spannung zwischen „-20dB“ und „0V“ ist ein Zehntel davon, die

zwischen „-40dB“ und „0V“ ein Hundertstel. So lassen sich auch

Spannungen im Millivolt-Bereich gut erzeugen.

C: Zusätzlich hat unser Funktionsgenerator noch einen Ausgang für

TTL-Signale. Das sind Rechteckspannungen, die zwischen 0V und 5V

wechseln. Ihre Amplitude kann also nicht eingestellt werden, nur ihre

Frequenz.

A

C

B


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2.3 Die Spannungsversorgung

Die Spannungsversorgungseinheit (das Netzteil)

enthält mehrere Quellen für Gleich- und

sinusförmige Wechselspannungen. Die

Netzfrequenz beträgt 50 Hz.

2.3.1 Gleichspannungen

A: Das Gerät enthält eine Gleichspannungsquelle

mit einer festen Gleichspannung von 5V.

B: Es enthält außerdem eine regelbare Doppel-

spannungsquelle mit einer Ausgangsspannung

zwischen 0V und maximal 30V. Der obere

Anschluss ist immer positiv gegenüber dem

mittleren Anschluss, der untere ist immer negativ

gegenüber dem Mittleren.

2.3.2 Wechselspannungen

C: Das Gerät enthält einen Transformator mit

mehreren Abgriffen. Zwischen dem unteren

Anschluss des Transformators und den 3 oberen

Anschlüssen liegen Wechselspannungen mit 6V,

12V bzw. 24 Volt Effektivspannung an.

B

A

C


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2.4 Das Multimeter

Dies ist ein elektronisches Multifunktionsmessgerät, welches wahlweise die Spannung (Voltmeter),

den Strom (Amperemeter) oder den Widerstand (Ohmmeter) bestimmen kann. Mit dem Wahlschalter

können die gewünschte Messgröße und der gewünschte Messbereich eingestellt werden.

3 Grundlagen zur Pulsmessung mit Fotowiderstand und Lampe

Bekanntlich wird das Blut vom Herzen durch die Adern gepumpt. So schwankt der momentane

Blutdruck immer zwischen einem maximalen (systolischen) und einem minimalen (diastolischen) Wert.

Daher befindet sich z.B. im Ohrläppchen oder in der Fingerspitze während der systolischen Phase

etwas mehr Blut als in der diastolischen Phase. Da Blut einen Teil des Lichts absorbiert, sollte in

ersterer Phase also auch etwas mehr Licht absorbiert werden als in letzterer. Mit bloßem Auge ist der

Unterschied nicht zu erkennen, mit der richtigen Messtechnik hingegen schon.

Die besteht in unserem Fall aus einer 12V-Lampe und einem Fotowiderstand (LDR). Das ist ein

Halbleiterbauteil, dessen Widerstand umso kleiner wird, je mehr Licht auftrifft. In der systolischen

Phase wird das Licht etwas stärker absorbiert, also fällt

etwas weniger Licht auf und der Widerstand wird etwas

größer. Mit einem zweiten Widerstand zu einem

Spannungsteiler zusammengeschaltet sollte die Spannung

am LDR in der systolischen Phase größer werden. Wenn

die Spannung am LDR geschickt gemessen wird (das

lernen Sie hoffentlich in diesem Versuch) sollte sich in

etwa folgendes Bild ergeben:

Anzeige

Gleichspannung

Wahlschalter / Messgröße

Wechselspannungs-

messung

Wechselstrommessung

EIN / AUS

Widerstandmessung

Testsignal

Gleichstrommessung

Messeingang

Strom bis 2A Messeingang

Strom bis

200mA

Nullpunkt

Messeingang V,Ω


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4 Vorarbeiten

4.1 Arbeiten Sie die ganze Anleitung durch und definieren Sie die Praktikumsziele des Versuches in

Ihrem Laborbuch.

4.2 Ermitteln Sie aus dem Oszilloskop Bild die unten in der Tabelle genannte Werte.

Spitze-Spitze-Spannung Triggerspannung

Effektivspannung Triggerzeitpunkt

Periode Frequenz

Amplitude

Erläutern Sie kurz, wozu man die AC- und DC-Kopplung im Oszilloskop nutzt.

Dimensionieren sie den unbekannten Widerstand im Spannungsteiler.

+12V 330 kOhm

R2 +4V

GND GND


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Versuchsdurchführung

Stellen Sie sich folgendes Szenario vor:

Sie arbeiten in einem Unternehmen, das gerade verschiedene elektrische Messgeräte gekauft hat. Sie

sind dort als Ingenieur eingestellt und der/die Verantwortliche für den technischen Bereich.

Aufgaben:

Übung (Multimeter bedienen)

Bauen Sie eine Schaltung auf dem Experimentierboard. Die Schaltung soll eine 12V

Glühlampe zum Leuchten bringen. Dabei sollen Sie die Spannung und den Strom gleichzeitig

messen.

Übung (Multimeter bedienen)

Bauen Sie den zu Hause vorbereiteten Spannungsteiler parallel zu der Glühlampe auf dem

Experimentierboard auf. Überprüfen Sie Ihren berechneten Widerstandswert.

Ihre Laborbuch (Anleitung schreiben)

Das an Ihrem Arbeitsplatz befindliche digitale Oszilloskop soll in Betrieb genommen werden.

Die Aufgabe besteht darin, ein Sinussignal im mV-Bereich qualitativ (messbar) darzustellen

und eine Anleitung in ihrem Laborbuch zu verfassen. Dokumentieren Sie die Vorgehensweise

stichpunktartig und beschreiben Sie zusätzlich, wie man die Messwerte ablesen kann. Die

Anleitung werden Sie bei weiteren Praktika benötigen.

Übung (Oszilloskop bedienen)

Der an Ihrem Arbeitsplatz befindliche Funktionsgenerator soll in Betrieb genommen werden.

Definieren Sie den minimalen und den maximalen Frequenzbereich des Funktionsgenerators.

Stellen Sie die beiden Frequenzen am Oszilloskop dar.

Laborbuch / Wissenschaftliche Ausarbeitung (Pulsmesser entwickeln)

Notieren Sie alle Schritte und Beobachtungen in Ihrem Laborbuch, als Grundlage für Ihre

schriftliche Ausarbeitung. Vergessen Sie nicht, nach jedem Versuch immer das Oszilloskobild

aufzunehmen.

Wenn man eine Taschenlampe in einem dunklen Raum unter einen Daumen hält, kann man

ein pulsierendes Signal beobachten. Das Prinzip soll im Labor nachgebaut werden und zu

einem Pulsmesser entwickelt werden. Dazu wird eine Schaltung mit Glühlampe und

Fotowiderstand notwendig sein, die wie in Abbildung 3 aussehen kann.

!

!

!

!

!


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Bauteile dimensionieren

Vor dem Aufbau der Schaltung müssen das Verhalten und die Werte des Fotowiderstandes

bekannt sein (und protokolliert werden), um einen geeigneten Vorwiderstand für den

Spannungsteiler auswählen zu können. Notwendig sind dabei mindestens zwei

Widerstandswerte: im von der Lampe beleuchteten und mit dem Daumen abgedunkelten Fall.

Grenzfrequenz bestimmen (Hochpassfilter)

Wenn der Vorwiderstand richtig dimensioniert ist, soll das Pulssignal mit dem Oszilloskop

aufgenommen werden. Dazu müssen noch die Oszilloskopachsen richtig eingestellt werden.

Die Grenzfrequenz der AC-Kopplung des Oszilloskops beträgt 10Hz. Somit werden kleinere

Frequenzen als 10Hz stärker abgeschwächt. Überprüfen Sie, ob die Grenzfrequenz des

Oszilloskops für eine Pulsmessung ausreichend ist. Schauen Sie sich auch die DC-Kopplung

an. Danach entwickeln Sie eine eigene AC-Kopplung. Dazu muss das Oszilloskop auf DC

Kopplung gestellt werden und ein entsprechender Kondensator gewählt und vorgeschaltet

werden. Notieren Sie Ihre Beobachtungen und nehmen Sie Oszilloskopbilder auf.

Eigene Pulsmessung

Bestimmen Sie mit dem funktionierenden Aufbau schließlich Ihre eigene Pulsfrequenz im

Ruhezustand und nach kurzer Belastung (z.B. 10-20 Kniebeugen oder Treppensteigen).

Nehmen Sie die Signalverläufe jeweils auf. Messen Sie den Puls beide Male zum Vergleich

auch von Hand (Handgelenk, Hals o.ä.).

Abbildung 3: Schaltbild zur Pulsmessung; Kondensator optional; das Oszilloskop ist hier durch seinen Innenwiderstand dargestellt.


Versuch: D1 Gatter und Flipflops

Vorbemerkung

Es ist nicht beabsichtigt, daß Sie einfach eine vorgegebene Versuchsanordnung abarbeiten. Sie sollen

die hier angewendeten Zusammenhänge erkennen und verstehen. Dazu kann es sinnvoll sein, den

vorgeschlagenen Aufbau oder einzelne Parameter zu ändern und die resultierenden Ergebnisse zu

betrachten. Scheuen Sie sich also nicht, „herumzuspielen“. Allerdings ist reines Probieren „blind“, Sie

müssen versuchen, die Effekte auch theoretisch, durch Nachdenken und Nachrechnen, zu verstehen.

Ziel dieses Versuches:

Kennenlernen des Experimentiersystems

WWT-Aufnahme einfacher Logikgatter

Aufbau einiger zusammengesetzter Schaltkreise

Vorkenntnisse:

Wahrheitswerttabellen von einfachen Gattern, das Verhalten von diversen Flipflops kennenlernen..

Inhalte:

Logische Gatter, einfache logische Schaltungen, RS-FF, getaktete RS-FF, JK-FF,

benötigte Hilfsmittel

Protokollbuch (DIN A4-Kladde, kariert), Millimeterpapier

A/D-Technik Praktikum D1 Gatter und Flipflops

D1_V2.doc vom 18.04.2016 14:48:00 Seite 2

1 Vorarbeiten (vor dem Versuch zu Hause):

Lesen Sie diese Anleitung sorgfältig durch.

Schreiben Sie zusätzlich zu den üblichen Angaben in ihr Protokollbuch:

die WWT für UND, ODER, NAND, NOR, XOR

zeichnen Sie Halb- und Volladdierer mit ihren WWT, welche Bausteine müssen in den

Schaltbildern auf Seite 4 eingefügt werden?

erläutern (mit WWT) und zeichenen Sie den Multiplexer aus dem letzten Kapitel.

zeichnen Sie die beiden RS-FF-Typen und schreiben Sie deren Zustandstabelle, beschreiben

Sie, wieviel Zustände getestet werden müssen, um die Funktion des RS-FF zu überprüfen

zeichnen Sie einen JK-FF aus getakteten RS-FFs und schreiben Sie die Zustandstabelle,

Welcher Zustand heißt Toggle-Zustand

Diese Vorarbeiten werden überprüft, bevor Sie die Versuche beginnen dürfen.

Bemerkung:

In den Anleitungen werden Sie oft den Ausdruck lesen: Testen Sie die Schaltung.

Damit ist bei digitalen Schaltungen gemeint:

überlegen Sie sich, wie viel unterschiedliche Zustände die Schaltung haben kann,

notieren Sie die dazugehörige (theoretische) WWT,

überprüfen Sie (experimentell), welche Zustände die Schaltung tatsächlich einnimmt

Vergleichen Sie die experimentellen und die erwarteten (theoretischen) Werte

Stellen Sie fest, ob beide übereinstimmen.


D1_V2.doc vom 18.04.2016 14:48:00 Seite 3

2 Einführung

Alle logischen Verknüpfungen, die Sie in der Vorlesung kennengelernt haben, können auch durch

elektronische Schaltungen realisiert werden. Im einfachsten Fall kann dies durch elektrische Schalter

geschehen. Ein UND-Verknüpfung ist dann die Reihenschaltung, eine ODER-Verknüpfung die

Parallelschaltung von zwei Schaltern. Die moderne Realisierung geschieht natürlich durch integrierte

Schaltungen. Diese IC’ s werden Sie im Laufe der Vorlesung noch kennenlernen. Für die

Durchführung diese Praktikums wird jedoch von der konkreten Form der Schaltungen abgesehen. Nur

die logische Funktion wird betrachtet werden.

Die elektrischen Eigenschaften der Gatter dürfen aber beim Aufbau einer Schaltung nicht außer Acht

gelassen werden. Bei den im Praktikum verwendeten TTL-Bausteinen sind insbesondere folgende

Größen wichtig:

typische TTL-Größen Eingang Ausgang

Betriebsspannung + 5V +- 5%

Low-Level 0...0,8V, I<-1,6mA 0...0,4V, I<-16mA

High-Level 2,0...5,0V, I< 40µA 2,4...5,0V, I<400µA

Treiberfähigkeit 10

Signallaufzeiten > 10 ns

Leistungsaufnahme > 10mW/Gatter

3 Das Experimentiersystem

Es wird ein System mit Steckgehäusen benutzt. In jedem Gehäuse befindet sich eine Schaltung mit

einem oder mehreren IC's. Die Spannungsversorgung wird über die rückwärtigen Stecker und das

Steckbrett sichergestellt. Auf der Vorderseite der Gehäuse befinden sich die Ein- und Ausgänge sowie

die Schaltsymbole der Gatter. Die Betriebsspannung wird über eine Adapter/Clock erzeugt. In diesem

Gehäuse befinden sich ein Taster, mit dem manuell einzelne logische Impulse erzeugt werden, und

eine Clock, die Rechteckpulse von 50/50Hz = 1Hz, 50/2Hz = 25Hz und 50/60Hz erzeugt.

Die Bausteine sind mit ihren englischen Bezeichnungen beschriftet. AND = UND, OR = ODER, NOT =

Negation, NAND = negiertes UND, NOR = negiertes ODER, XOR = Exklusives ODER.

Logische Signale werden mit speziellen Schaltern eingegeben. Zur Anzeige logischer Zustände dienen

LED' s, die am Ausgang des ersten Gatters in jedem Gehäuse angeschlossen sind.

3.1 Versuche zu den grundlegenden Gattern

A Nehmen Sie für drei Bausteine ihrer Wahl die WWT auf.

A Natürlich kann man auch Verbindungen hintereinander schalten. Bauen Sie die Schaltungen auf für

-a*-b und für - (a+b). Zeichnen Sie die Schaltbilder und nehmen Sie die WWT' s auf. Welches

Ergebnis erhalten Sie für die beiden Verknüpfungen?

A Berechnen Sie die WWT’ s und vergleichen Sie.


D1_V2.doc vom 18.04.2016 14:48:00 Seite 4

4 Elektrische Eigenschaften – Laufzeit (wird demonstriert)

Von den elektrischen Eigenschaften soll die Laufzeit untersucht werden. Da diese im Bereich 10ns

liegen, können Sie mit unserem Equipment am besten untersucht werden, wenn mehrere Gatter in

Reihe geschaltet werden und sich ihre Laufzeiten addieren. Aber auch dann muß noch eine schnelles

Oszilloskop verwendet werden. Benutzen Sie als Signalquelle einen QUARTZ-OSCILLATOR Baustein.

Er liefert sehr stabile Rechteckpulse von bis zu 2048 Hz. Bei der Laufzeitmessung ist die Frequenz

unbedeutend, wichtig ist, daß die logischen Rechtecksignale gut definierte Flanken haben.

A Wie groß ist die Anstiegszeit der Signalflanken (gemessen von 10% bis 90% des Maximums)?

A Schalten Sie 4 Inverter in Reihe, legen Sie ein TTL-Signal an und bestimmen Sie die

Verzögerungszeit eines Inverters.

A Wiederholen Sie die Messung mit 4 in Reihe geschalteten UND’s, deren Eingänge parallel

geschaltet sind.

A Vergleichen Sie die Laufzeiten von Inverter und UND.

5 Addierschaltungen

Natürlich kann man mit logischen Gattern auch rechnen. Dazu werden die beiden Zustände

"Spannung hoch ” = 1 und " Spannung niedrig " = 0 nicht als Wahrheitswerte, sondern als

Repräsentationen der Dualzahlen O und 1 aufgefaßt. Zur Veranschaulichung der grundlegenden

Arbeitsweise wird ein Halbaddierer aufgebaut.

Mit einem Halbaddierer wird die Surnme von zwei

(einstelligen) Dualzahlen gebildet. Diese Summe kann

zweistellig sein. Jede der beiden Summenstellen wird

als eigene Verknüpfung aufgefaßt, sie werden mit

Sumrne ( s ) und Übertrag ( ü ) bezeichnet . Das

prinzipielle Schaltbild sieht also wie folgt aus.

A Übertragen Sie die Tabelle für die Addition in eine

WWT.

A Bauen Sie die Schaltung mit den richtigen

logischen Gattern für ü und s auf. Zeichnen Sie

das Schaltbild und nehmen Sie die WWT auf.

In einem Volladdierer werden drei Binärzahlen

addiert. Man benutzt dazu zwei Halbaddierer und

ein weiteres logisches Gatter.

A Welches Gatter bauen Sie ein?

A Bauen sie die Schaltung auf und nehmen Sie

die WWT auf .

6 Multiplexer

Bauen Sie eine Schaltung auf, die, von einem Steuereingang s gesteuert, einen von 2 Eingängen x

und y auf den Ausgang z schaltet. D.h. also: wenn s=0 ist, soll z=x sein, wenn s=1 ist, soll z=y sein.

Zeigen und protokollieren Sie, ob sie richtig funktioniert.

?

a

b

sü

?

Abb. 1: Halbaddierer

Abb. 2 Volladdierer

HA

A

?

a

b

c

s1

ü1

s

ü

HA

A ü2


D1_V2.doc vom 18.04.2016 14:48:00 Seite 5

7 RS Flip Flops

Alle bisherigen Schaltnetze waren linear aufgebaut, es gab keine Verbindungen zwischen Ausgang

eines Bausteins und dem Eingang diese Bausteins.

A Bauen Sie eine rückgekoppelte

Schaltung mit NAND-Gliedern

(Abb.1) auf.

A Protokollieren Sie, wie die

Ausgangszustände von den

Eingangszuständen abhängen.

Von welchem Startzustand

müssen Sie ausgehen, damit

die Ausgänge eindeutig definiert

sind. Versuchen Sie, alle

möglichen Folgen von

Systemzuständen zu erfassen. Wie können Sie dieses Verhalten in eine möglichst kurze Tabelle

bringen?

A Beantworten sie die gleichen Fragen für eine RS-Flipflop aus NOR’s. Warum ist die eingezeichnete

Bezeichungsweise für die Eingänge sinnvoll?

A Überprüfen Sie, welche Zustandstabelle die vorhandenen integrierten RS-FF haben.

8 JK-Flip Flop und 7-Segmentanzeige

Aus getakteten RS Flip Flops kann man einen Master Slave FF aufbauen, der aber immer noch einen

dieser unerwünschten Signalzustände aufweist. Dies kann man verhindern, wenn man die Ausgänge

noch einmal auf die Eingänge R S zurückführt. So erhält man einen JK-Flipflop. Er hat unter anderem

den Toggle-Zustand, wenn J=K=1 ist. Dabei ändert sich bei jedem Takt der Ausgang. Damit arbeitet

der JK-Flipflop als Takthalbierer. Das kann ausgenutzt werden, um einen Zähler aufzubauen.

A Bauen Sie aus 2 JK-Flipflop einen mod4 Zähler und testen Sie ihn.

Der Ausgangszustand wird hier binär angezeigt. Mit einer 7.Segment-Anzeige kann dies „schöner“

angezeigt werden. Im Experimentierset befindet sich das sog. LED-Display. Dies ist eine 7-Segment

Anzeige mit einer internen Logikschaltung. Damit wird ein 4 Bit Datum, das an die linken

Eingangsanschlüsse angelegt wird, als Hex-Zahl (0,1…8,9,A,B…F)angezeigt.

A Testen Sie die 7-Segmentanzeige, so dass Sie wissen, wie sie beschaltet werden muss.

A Verbinden Sie den mod-4 Zähler mit der 7-Segmentanzeige. (Achtung: der Zähler erzeugt ein 2 Bit

Datum, die Anzeige benötigt 4 Bit. Wie müssen die restlichen Eingänge der Anzeige beschaltet

werden? Mit 1 oder mit 0? Oder ganz anders? Testen Sie die Schaltung.

A Verändern Sie den Zähler jetzt so, dass er nur bis 2 einschließlich zählt ( mod3 Zähler). Testen Sie

die Schaltung.

Abb. 1 RS Flipflop



Versuch A2

Transistorschaltung

Inhalt dieses Versuches:

Verständnis von bipolar Transistoren als Schalter oder Verstärker

Aufbau eines Brückengleichrichters

Aufbau einer Spannungskonstanthaltung mit Transistor

Entwicklung eines Netzteils, um z.B ein Smartphone aufzuladen

Inhalte:.

Transistor, Transistorschalter, Funktionsgenerator (TTL-Signal)

Vorkenntnisse:

Funktionsweise eines einfachen Transistormodells

A/D-Technik Praktikum A2 Transistorschaltungen

Version vom 08.06.2018 13:20:00 Seite 2

1 Einleitung

Das Praktikum besteht aus zwei Teilen. Im ersten Teil des Versuches sollen Sie üben Schaltungen mit

Transistoren aufzubauen. Diese Schaltungen werden wir verwenden, um auf unterschiedliche Weise

eine Glühlampe zu schalten. Dabei müssen Sie die Messgeräte die Sie im ersten Praktikum schon

kennengelernt haben, verwenden. Die erste Schaltung, die Sie im Praktikum aufbauen werden, wird mit

einem TTL-Signal (Rechtecksignal) gesteuert. Das hier verwendete Steuersignal wird durch einen

Funktionsgenerator erzeugt und hat bei dem Praktikum nur einen didaktischen Hintergrund. In der

Praxis wird so ein TTL-Signal durch digitale Computersignale realisiert. Durch die Übungen sollen die

grundlegenden Anwendungen des Transistors und Kondensators erlernt werden. Im weiteren Verlauf

des Praktikums müssen Sie eine Schaltung dimensionieren, um ein Smartphone laden zu können.

Dabei liegt der Schwerpunkt der Aufgabe das Verständnis zu erlangen, welche Rolle die einzelnen

Bauteile in der Schaltung haben.

2 Grundlagen

2.1 Transistor als Schalter

Ein Transistor kann als Schalter verwendet werden. Möchte man eine 3W Glühlampe mit einem

Transistor an- und ausmachen, müssen zwei Stromkreise vorhanden sein.

- Verbraucherstromkreis. Hier wird eine Glühlampe eingebaut, die mit einer

Spannungsversorgung von z. B. 12V betrieben wird.

- Steuerstromkreis. Der Stromkreis wird benötigt, um den Transistor anzusteuern.

In Allgemeinen kann man sagen, dass in dem Praktikum die Glühlampe mit einem TTL-Signal geschaltet

wird, welches 0 und 5V liefert. Im Praktikum erhalten Sie das TTL-Signal am Funktionsgenerator.

Abbildung 1: Einfacher Transistorschalter in zwei Varianten A & B. Bei der Variante B wird das

Steuersignal durch die Spannungsversorgung des Verbraucherstromkreises sichergestellt.

Eine Spannung über den Basiswiderstand R, z.B. bei 5 Volt des TTL-High-Pegels, führt abhängig von

dessen Widerstandswert zu einem Stromfluss zwischen Basis und Emitter des Transistors. Das

wiederum ermöglicht einen größeren Stromfluss zwischen Kollektor und Emitter. Das Verhältnis

zwischen ICE und IBE ist die Stromverstärkung B, die im Datenblatt des Transistors zu finden ist.

A B



2.2 Netzteil mit Brückengleichrichter und Spannungskonstanthaltung

Wechselspannung muss für den Betrieb von vielen elektrischen Geräten zunächst in Gleichspannung

umgewandelt werden. Diese sollte möglichst konstant sein, da Schwankungen zu Fehlern und

unerwartetem Verhalten führen. Zwei einfache Schaltungen erlauben, dieses Ziel zu erreichen: Ein

Brückengleichrichter kombiniert mit einem Spannungskonstanthalter.

Abbildung 2: Ein Brückengleichrichter mit Siebkondensator

Der Brückengleichrichter sollte prinzipiell bekannt sein und wird aus vier Dioden aufgebaut. Zur Glättung

der Ausgangsspannung wird ein Siebkondensator C1 benutzt. Die Ausgangsspannung wird dann von

der folgenden Schaltung konstant gehalten (siehe Abb. 3). Diese wird als Spannungskonstanthalter

bezeichnet. Der Spannungskonstanthalter wird beispielsweise in Netzgeräten eingesetzt, um bei

Schwankungen der Netzspannung oder des Gerätestromes eine konstante Versorgungsspannung zu

liefern. Die Funktionsweise haben wir in der Vorlesung behandelt.

Uin wird vom Ausgang der Gleichrichterschaltung geliefert und ist um den Faktor Wurzel 2 größer als

die Wechselspannung am Eingang. Der Spannungsfolger ist ein Emitterfolger. Die Basis liegt auf einem

Potential UB, das durch die beiden Zenerdioden vorgegeben ist. An der Basis-Emitter-Strecke fallen

typisch 0,7 V ab, falls der Transistor leitet. Damit ist das Emitterpotential UE bestimmt. Aus dem maximal

erwarteten Ausgangsstrom und der Stromverstärkung erhält man den Basisstrom. Daraus kann R1

dimensioniert werden.

Abbildung 3: Spannungskonstanthalter mit dazugehörigen Bauteilen



3 Vorarbeiten

2.1 Arbeiten Sie die ganze Anleitung durch und definieren Sie die Praktikumsziele des Versuches in

Ihrem Laborbuch.

2.2 Beschreiben Sie mit eigenen Worten, wie ein Transistor prinzipiell arbeitet. Die genauen inneren,

physikalischen Vorgänge interessieren weniger. Zeichnen Sie das Schaltzeichen des npn Transistors

mit Beschriftung der Anschlüsse.

2.3 Dimensionieren sie den Transistorschalter aus Abb. 1-A. Die folgende Tabelle und das Datenblatt

im Anhang können als Orientierungshilfe dienen.

2.4 Wozu dient ein Brückengleichrichter? Zeichnen Sie qualitativ den Spannungsverlauf der

Eingangsspannung, der Ausgangsspannung und der Ausgangsspannung mit einem Siebkondensator.

2.5 In der letzten Aufgabe soll ein Netzteil für Ihr Smartphone aufgebaut werden. Wir nehmen an Ihr

Smartphone benötigt 5V und 500 mA. Wie groß muss R1 und Rz (Rz1+Rz2) aus Abb. 3 sein, wenn der

Spannungskonstanthalter nach dem Brückengleichrichter aus der Abb. 2 angeschlossen ist?

Wichtige Entwurfsparameter: Daraus ergeben sich:

Betriebsspannung

(Verbraucherstromkreis) Basisstrom

Maximale Eingangsspannung

(Steuerstromkreis)

Spannungsabfall am

Basiswiderstand

Leistung am Verbraucher Größe des Basiswiderstandes

Strom durch Verbraucher Max. Verlustleistung am

Basiswiderstand



4 Versuchsdurchführung

Stellen Sie sich folgendes Szenario vor:

Sie arbeiten in einem Unternehmen der Automobilindustrie. Dort gestalten und prüfen Sie als Ingenieur

Schaltungen für die Fahrzeuge. In den Fahrzeugen soll die Glühlampe der Innenbeleuchtung beim

öffnen der Tür durch einen Schließkontakt im Scharnier automatisch eingeschaltet werden. Dazu soll

ein Transistorschalter benutzt werden, der die Glühlampe über ein 5 V-Steuersignal schaltet. Ein häufig

geäußerter Kundenwunsch ist, dass die Beleuchtung nach dem Schließen der Tür nicht sofort ausgeht,

sondern wenigstens noch ein paar Sekunden an bleibt. Somit soll die bestehende Schaltung so

angepasst werden, dass dieser Wunsch erfüllt wird.

Übung (Schaltung mit einem npn Transistor aufbauen)

Ihre Aufgabe ist es, die aufzubauende Schaltung (siehe Abb. 1 A) zu verstehen. Dazu sollen Sie,

verschiedene Basiswiderstände ausprobieren. Hier soll die Frage beantwortet werden: Was

bewirken unterschiedliche Basiswiderstände? Um das rauszufinden, benutzen Sie die

vorhandenen Messgeräte wie das Multimeter und das Oszilloskop. Am Ende der Übung sollen

Sie Ihre Erkenntnisse dem Betreuer einmal erklären.

Übung (Verzögerungsschalter aufbauen)

Ihre Aufgabe ist es, die Schaltung aus Abb. 1 B aufzubauen. Überlegen Sie, wo in der Schaltung

ein Kondensator eingebaut werden soll, damit die Glühlampe 1 bis 3s nachleuchtet. Die Zeit

können Sie selbst bestimmen. Zweite Frage: Wie muss der Kondensator und der Widerstand

dimensioniert werden? Nutzen Sie dabei Ihr Wissen aus der ersten Übung. Stellen Sie den

Spannungsverlauf auf dem Oszilloskop dar und zeigen Sie das Ergebnis Ihrem Betreuer.

Laborbuch / wissenschaftliche Ausarbeitung (Netzteil entwickeln)

Während einiger Arbeiten in der Elektronikwerkstatt beschwert sich Ihr Smartphone über den

niedrigen Akkuladestand. Da Sie noch einen wichtigen Anruf erwarten, sollte es zügig geladen

werden. Ein Ladegerät hat aber niemand zur Hand, und beim einzig auffindbaren MicroUSB-zu-

USB-Kabel wurde der USB-Stecker abgeschnitten.

Bauen Sie daher aus vorhandenen Bauteilen ein provisorisches Ladegerät, das stabile 5V und

maximal 500 mA am Ausgang liefert. Erzeugen Sie also mit dem Brückengleichrichter eine

geglättete Gleichspannung für einen Spannungskonstanthalter. Testen und prüfen Sie die

Schaltung am Ausgang auf Tauglichkeit. Versuchen Sie sich zu erklären, welche Rolle die

einzelnen Bauteile in der Schaltung haben?

!

!

!



5 Anhang


Versuch: D2 Zähler und Ampelschaltung


asynchrone und synchrone Zähler entwerfen, aufbauen und untersuchen, damit eine

Ampelschaltung betreiben

Inhalte:

asynchroner 4 Bit-Zähler, asynchroner Dezimalzähler, synchroner 3 Bit Zähler, synchroner

mod 3 Zähler,Ampelschaltung

Vorkenntnisse:

JK-FF, T-FF, Entwurf asynchroner und synchroner Schaltungen

Vorarbeiten (zu Hause vor dem Versuch):

Entwurf eines asynchronen 4 Bit-Zählers und eines synchronen mod-3 Zählers mit D-

FF (0,1,2,0...),

Entwurf der Ampelschaltung


Protokollbuch (DIN A 5-, besser DIN A4-Kladde, kariert)

A/D-Technik Praktikum D2 Zähler und Ampelschaltung

D2_V2.doc vom 18.04.2016 14:49:00 Seite 2

1 Vorarbeiten:

Erläutern und zeichnen Sie den asynchronen 4 Bit-Zähler

Erläutern (mit Zustandsdiagramm) und zeichnen Sie den synchronen mod-3 Zähler mit

flankengetriggerten D-FF

Entwerfen Sie die Ampelschaltungen aus Kapitel 3

Schaltbild Erläuterung

Schaltbild Erläuterung


D2_V2.doc vom 18.04.2016 14:49:00 Seite 3

2 Einleitung

Zähler sind typische, in vielen Anwendungen eingesetzte Bausteine der Digitaltechnik.

Darüberhinaus kann man an ihnen auch die typischen Entwurfsmethoden für sequentielle

Schaltungen studieren.

Sie sind aus flankengesteuerten Flipflops aufgebaut, wobei meist T-FF oder D-FF verwendet

werden.

Bei asynchronen Zählern können Takt- und Datenleitungen miteinander verbunden werden,

sie sind daher meist recht einfach aufgebaut. Allerdings addieren sich in diesen Schaltungen

die Laufzeiten der hintereinandergeschalteten Flipflops. Zusätzlich werden die Flipflops zu

unterschiedlichen Zeiten getaktet. Dadurch werden die Zeitbereiche, in denen alle Flipflops

das richtige Zählergebnis anzeigen, immer kleiner. Eine verläßliche Datenausgabe wird

schon bei mittleren Zählraten unmöglich.

Bei synchronen Zählers werden Takt und Datenleitungen rigoros getrennt gehalten. Alle

Flipflops werden vom gleichen Taktsignal gesteuert. Derartige Schaltungen können auch bei

hohen Frequnzen sicher betrieben werden, wobei die maximal zulässige Taktfrequenz aus

dem Schaltbild und den typischen Bauelementezeiten berechnet werden kann.

Abb. 1 Untersuchungen an Zählern, der innere Aufbau der Zählschaltungen wir in den

einzelnen Versuchsteilen entwickelt.


D2_V2.doc vom 18.04.2016 14:49:00 Seite 4

3 Eine Ampelschaltung

In diesem Versuch können Sie eine typische Zeitsteuerung kennenlernen. Das

Ausgangsmuster eines Zählers dient als Eingabe für eine logische Schaltung. Entsprechend

der Taktrate des Zählers werden dann die gewünschten Zustände durchgeschaltet.

Beispiele sind Ablaufsteuerungen für Wasch- und Spülmaschinen oder, wie in diesem

Versuch, Verkehrsampeln.

Heutzutage wird in der Praxis allerdings meist die unflexible Ablaufsteuerung durch eine

flexible, sensorisch ausgerüstete Regelung mit Mikroprozessoren ersetzt. So wird in

Haushaltsgeräten der Verschmutzungsgrad des Waschwassers, die aktuelle Temperatur,

der Härtegrad des Wassers oder der Beladungszustand gemessen und der

Reinigungsvorgang entsprechend geregelt. Damit sind komfortable, ressourcenschonende

und kostensparende Prozesse möglich. Auch wird es einfacher, die zeitliche Abfolge zu

ändern. Nichtsdestoweniger gibt es immer noch viele Anwendungen für solche Schaltungen.

Als erstes muss man die unterschiedlichen Zustände und ihren zeitlichen Ablauf festlegen.

Wir wollen eine Ampel im Sekundentakt ansteuern und einen kompletten Zyklus in 16

Sekunden durchlaufen lassen. Der Einfachheit halber betrachten wir für die Haupt- und

Nebenstraße nur jeweils eine Ampel, also keine zusätzliche Fußgänger- oder Abbieger

Ampel. Eine besonders einfache Logik erhält man bei dem Ablauf in folgender Tabelle, der

dummerweise aber nicht verkehrssicher ist.

Stellen Sie die WWT für diese einfache Ampelschaltung auf. Für 16 Takte werden 4 Bit

benötigt. Sie benötigen also einen 4 Bit-Zähler, z.B. einen asynchronen Zähler. Dessen

Ausgänge sind mit A,B,C,D bezeichnet. Die Ausgänge der Logikschaltung werden mit Rot,

Gelb und Grün jeweils für Haupt und Nebenstraße bezeichnet. Dabei heißt ‚1’- Lampe

leuchtet, ‚0’ – Lampe leuchtet nicht.

Takt D C B A Hauptstraße Nebenstraße Rot H Ge H Gr H Rot N Ge N Gr N

0 0 0 0 0 Grün Rot

1 0 0 0 1 Grün Rot

2 0 Grün Rot

3 0 Grün Rot

4 0 Grün Rot

5 0 Grün Rot

6 0 Grün Rot

7 0 Gelb Rot-Gelb

8 1 Rot Grün

9 1 Rot Grün

10 1 Rot Grün

11 1 Rot Grün

12 1 Rot Grün

13 1 Rot Grün

14 1 Rot Grün

15 1 Gelb-Rot Gelb

Jetzt können Sie für die 6 Ausgänge die logische Verknüpfung aufstellen, z.B. über Bildung einer Normalform. Eine große Vereinfachung ergibt sich, wenn man Grün NICHT aus dem Zählerzustand bildet, sondern aus den jeweiligen Rot- und Gelb-Ausgängen. Bei deutschen


D2_V2.doc vom 18.04.2016 14:49:00 Seite 5

Ampeln gibt es nämlich einen eindeutigen Zusammenhang zwischen Rot und Gelb einerseits und Grün. Welchen?

Stellen Sie dazu einfach eine WWT auf:

Rot Gelb Grün WWT für die Ausgänge

1 1 Rot H

1 0 Ge H

0 1 Gr H

0 0 Rot N

Ge N

Gr N

Jetzt entwerfen Sie eine verkehrssichere Ampel:

Takt D C B A Hauptstraße Nebenstraße Rot H Ge H Gr H Rot N Ge N Gr N

0 0 0 0 0

1 0 0 0 1

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 1

9 1

10 1

11 1

12 1

13 1

14 1

15 1


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Schaltbild der besseren Ampel

Schaltbild der einfachen Ampel


D2_V2.doc vom 18.04.2016 14:49:00 Seite 7

4 Aufbau eines asynchronen 4 Bit Zählers

A Bauen Sie aus 4 in Reihe geschalteten JK-FF einen 4 Bit Zähler. Überprüfen Sie mit der

Adapter/Clock, ob er richtig funktioniert.

5 Aufbau der Ampellogik

A Bauen Sie die verkehrssichere Schaltung auf und überprüfen Sie ihre Funktionsweise.

Protokollieren Sie die Funktionsweise der Schaltung.

Arbeitet Sie wie gewünscht?

6 asynchrone Zähler

A Bauen Sie einen asynchronen 4 Bit Zähler aus T-Flipflops (Bilden Sie T-FF aus JK-FF).

Verbinden Sie die Ausgänge der Flipflops mit einer 7-Segment-Anzeige. (Im Praktikum gibt

es 7 Segmentanzeigen mit internem Multiplexer, die ein anliegendes binäres Signal gleich als

Dezimal-Ziffer anzeigen können. ) Dabei müssen sie die auf die richtige Reihenfolge achten.

Betreiben Sie die Schaltung mit der Adapter/Clock.

A Funktioniert sie richtig?

A Ergänzen Sie die Schaltung so, dass ein mod-10 Zähler (Dezimalzähler) entsteht.

A Funktioniert sie richtig?

7 synchroner Zähler mit D-Flipflop

In der Vorarbeit zu diesem Versuch haben Sie einen synchronen mod-3 Zähler mit D-FF

entworfen.

A Bauen Sie die Schaltung auf. Verbinden Sie die Flipflop-Ausgänge mit der 7 Segment

Anzeige.

A Funktioniert die Schaltung richtig.

Ein Zähler kann auch benutzt werden, um eine Taktfrequenz zu reduzieren. Mit einem

mod3- Zähler sollte es möglich sein, die Taktfrequenz durch 3 zu teilen.

A An welchem Zählerausgang kann man das durch 3 dividierte Taktsignal messen?


Versuch: A3 Verstärkerschaltungen für ein EKG


Transistoren und OP als Verstärker verstehen.

Inhalte:

Differenzverstärker aus Transistoren und OPs, Spannungsverstärkung,

OP als Komparator, negative Rückkopplung, Verstärker und Pulsformer, positive Rückkopplung,

Trigger

Vorkenntnisse:

Transistorfunktion, Hochpass, Tiefpass, OP, OP-Schaltungen,

Vorarbeiten

Anleitung durcharbeiten, Fragen in Kap.1 beantworten.


Protokollbuch, Millimeterpapier

A/D-Technik Praktikum Versuch: A3 EKG

A3_v13.doc vom 18.04.2016 14:48:00 Seite 2

1 Vorarbeiten:

Lesen Sie diese Anleitung.

Schreiben Sie die üblichen Angaben ins Protokollbuch.

In ihr Protokollbuch:

Zeichnen Sie den Differenzverstärker mit Transistoren aus der Vorlesung, schreiben Sie die

Verstärkungsformel daneben.

Zeichnen Sie den Differenzverstärker mit OP aus der Vorlesung, schreiben Sie die

Verstärkungsformel daneben.

Zeichen Sie einen Hochpass und einen Tiefpass mit R und C, schreiben Sie die Formel für die

jeweilige Grenzfrequenz daneben.


A3_v13.doc vom 18.04.2016 14:48:00 Seite 3

2 Einleitung

2.1 Allgemeines

Mit einem EKG-Gerät können die elektrischen Signale, die das Herz zum Schlagen anregen,

gemessen werden (Entschuldigen Sie meine medizinlaienhafte Ausdrucksweise. Bei Wikipedia unter

http://de.wikipedia.org/wiki/EKG wird das alles etwas ausführlicher dargestellt.).Die am Herzen

entstehenden Spannungen können an verschiedenen Stellen des Körpers gemessen werden.

In diesem Versuch messen wir zwei Spannungen: die Spannung zwischen rechtem Arm und linkem

Fuss und die Spannung zwischen linkem Arm und linkem Fuss, veranschaulicht im nächsten Bild.

(Ich hab das Bild von einer Webseite

[http://formica.nusseis.de/EKG/] kopiert, die + und – Zeichen im Bild

dürfen Sie nicht Ernst nehmen, die verwirren nur, glaub ich.)

Wir benötigen also 3 Elektroden. Zwei werden an das Handgelenk

geklebt, etwa da wo man auch Puls fühlt, und eine Elektrode an die

Innenseite des linken Fusses, unterhalb des Knöchels.

Die entstehenden Spannungen sind im Bereich einiger Millivolt,

müssen also verstärkt werden. Ein Problem ist, dass viele

elektromagnetische Störsignale (z.B. vom Stromnetz, von

Elektromotoren usw.) aufgefangen werden und das schwache

Messsignal verfälschen.

Abhilfe schafft man auf drei Weisen: Man versucht, die Störungen zu minimieren, durch Abschirmung

und durch Schaffung von Abständen. Man filtert das Messignal mit Hoch- und Tiefpässen, so dass die

typischen Frequenzen des Signals nicht oder wenig geschwächt werden, die Störfrequenzen aber

stark geschwächt werden. Und man misst Differenz von 2 Signalen, so dass Störungen, die auf beiden

Signalen ähnlich wirken, dadurch unterdrückt werden. Deshalb wird hier die Differenz der Spannungen

zwischen linker und rechter Hand gemessen.

Ein typisches Signal hat nebenstehende

Form. Dabei beträgt die Spannung des

Maximums einige Millivolt, das ganze

Signal dauert etwa 1 Sekunde.

Mit unserem Versuchsaufbau werden

wir insbesondere die R-Zacke sehen

können. Für die feineren Strukturen

muss die Schaltung dann doch

aufwendiger werden.

http://de.wikipedia.org/wiki/EKG


A3_v13.doc vom 18.04.2016 14:48:00 Seite 4

2.2 Differenzverstärker mit Transistoren

Die beiden Signale zwischen den beiden Händen und dem Fuss werden erst einmal mit einer

Schaltung verstärkt, in der 2 Transistoren als Differenzverstärker arbeiten.

Die grundlegende Schaltung (hier

links) wurde in der Vorlesung

behandelt. Dabei sind die

Ausgangsspannungen Ua1 bzw.

Ua2 proportional zur Differenz der

beiden Eingangsspannungen.

Im Prinzipschaltbild ist im unteren

Teil eine Konstantstromquelle

eingezeichnet. Sie wird hier durch

den 47kOhm Widerstand

näherungsweise ersetzt.

„Klappt“ man im nebentehenden

Bild den rechten Teil um, dann

entsteht genau das Schaltbild hier

links. Auf diese Weise soll nämlich hinterher auch die konkrete Schaltung auf dem Steckbrett

aufgebaut werden.

Welche Unterschiede sieht man noch zwischen Prinzipschaltung und realer Schaltung? Im Prinzipbild

werden die Eingangsspannungen direkt

an die Basen der Transistoren

angeschlossen, im realen Bild ist jeweil

noch ein RC-Glied eingebaut. Dieses

RC-Glied ist hier ein Hochpass. Für

niedrige Frequenzen, insbesondere für

Gleichspannung, stellt der Kondensator

einen großen Widerstand dar, der

Spannungsteiler aus R und C gibt also

nur eine kleine Spannung an die

Transistoren. Bei hohen Frequenzen ist

der Widerstand von C klein, (fast) die

gesamte Eingangsspannung liegt an der

Transistorbasis an. Niedrige

Frequenzen und Gleichspannung

werden also unterdrückt. Wo ist die

Grenzfrequenz dieses Hochpasses? Mit

R=470KOhm und C=10µF folgt eine

Zeitkonstante R*C von 4,7 Sekunden,

also eine Grenzfrequenz von

f=1/(2*pi*4,7sec)=0.03Hz. Hiermit

werden also sehr langsame Änderungen und Gleichspannungen vom Verstärker ferngehalten.

Wie werden die 3 Elektroden angeschlossen? Die Fusselektrode wird mit dem Masseanschluss

verbunden, eine Handelektrode mit Eingang in1, die andere mit Eingang i2.

Die Verstärkung wird durch das Verhältnis der Kollektor- zu den Emitterwiderständen bestimmt, sollte

also v=22/0,47 ~40 sein. Aus einigen Millivolt Eingangsspannung könnten also einige 10 mV bis etwa

100 mV resultieren.


A3_v13.doc vom 18.04.2016 14:48:00 Seite 5

Dies muss weiter verstärkt werden. Dazu nehmen wir einen weiteren Differenzverstärker, der mit

einem OP aufgebaut wird.

2.3 Differenzverstärker mit OP

In der Vorlesung ist diese Schaltung behandelt werden. Sie sieht prinizipiell so aus:

Hier ist die Ausgangsspannung auch

proportional zur Differenz der beiden

Eingangsspannungen, die Verstärkung

entspricht dem Verhältnis der Widerstände in

Zuleitung und Rückkopplung, ist also hier

1MOhm/10kOhm = 100.

Allerdings fügen wir auch in dieser Schaltung

noch Kondensatoren ein, um einen weiteren

Hochpass und einen Tiefpass zu erzeugen.

In einer vereinfachten Analyse kann man sich

folgendes überlegen:

Schauen wir uns erst die 10nF in der

Rückkopplung an. Bei niedrigen Frequenzen ist

dessen Wechselstromwiderstand sehr hoch,

also wird die Rückkopplung durch den 1MOhm Widerstand bestimmt. Bei hohen Frequenzen nimmt

die Impedanz des Kondensators ab, sie wird sogar kleiner als 1 MOhm, die Verstärkung wird jetzt

(Parallelschaltung von Widerständen) durch die Impedanz von C bestimmt, die mit zunehmder

Frequenz kleiner wird. Also werden hohe Frequenzen immer weniger verstärkt: ein Tiefpass. Seine

Grenzfrequenz wird wieder über R und C bestimmt. R*C=1MOhm*10nF=10ms, also Grenzfrequenz

f=1/(2*pi*10ms)~16Hz. Frequenzen oberhalb von 16 Hz werden also immer schlechter übertragen.

Das gilt auch für Störungen, die durch das 50Hz Stromnetz hervorgerufen werden.

Was bewirken die 10µF in den Eingangsleitungen? Hier werden niedrige Frequenzen unterdrückt, es

entsteht ein Hochpass. Die Zeitkonstante ist

R*C=10kOhm*10µF=0,1s, also

Grenzfrequenz f=1/(2*pi*0,1sec)= 1,6Hz.

Frequenzen oberhalb von 1,6Hz werden

also gut verstärkt, Frequenzen unterhalb

immer schlechter.

Ist das eigentlich sinnvoll, wenn die

Herzschlagfrequenz etwa 1 Hz ist?

Bei einer Spannungsverstärkung von etwa

100 sollten also jetzt Ausgangsspannungen

im Voltbereich entstehen.

2.4 Spannungsverstärker mit OP

Falls aber die Ausgangsspannung immer

noch nicht groß genug ist, bauen wir noch

einen weiteren OP-Verstärker ein.

Es ist ein einfacher nichtinvertierender Spannungsverstärker, dessen Vestärkung sich mit einem

Potentiometer einstellen lässt.


A3_v13.doc vom 18.04.2016 14:48:00 Seite 6

Überlegen Sie sich zuerst, wie die Ausgangsspannung von der Eingangsspannung abhängt, wobei

kein Kondensator C1 eingebaut ist.

Überlegen Sie dann, welchen Einfluss C1 hat, wenn die Eingangsspannung eine hohe bzw. niedrige

Frequenz hat.

3 Versuche

3.1 Aufbau und Test des Differenzverstärkers mit Transistoren

Bauen Sie den Differenzverstärker auf.

Legen Sie die Versorgungsspannung an.

Testen Sie die Schaltung: Legen Sie mit

dem Funktionsgenerator eine

Sinusspannung mit einer Frequenz f von

einigen Hz und einer Amplitude von

einigen mV oder einigen 10mV an den

Eingang in1, den Eingang in2 legen Sie

auf Masse.

Mit dem Oszilloskop untersuchen Sie die

Eingangsspannung und die

Ausgangsspannungen an out1 bzw. out2.

Wie verhalten sich die beiden

Ausgangsspannungen?

Was ändert sich, wenn das Signal an in2

gelegt wird und in1 auf Masse liegt?

Wie groß ist die Verstärkung?

Ändert sich die Verstärkung, wenn f

geändert wird?

Messen Sie in einer kurzen Messreihe die Verstärkung als Funktion von f.


A3_v13.doc vom 18.04.2016 14:48:00 Seite 7

3.2 Aufbau des Differenzverstärkers mit OP

Bauen Sie jetzt neben die erste Stufe den Differenzverstärker mit OP auf. Dabei muss später out1 der

ersten Stufe mit in1 der zweiten Stufe verbunden werden, entsprechend out 2 mit in2. Jetzt wird aber

diese 2. Stufe erst einmal separat getestet.

Legen Sie mit dem Funktionsgenerator eine Sinusspannung mit einer Frequenz f von einigen Hz und

einer Amplitude von einigen mV oder einigen 10mV an den Eingang in1, den Eingang in2 legen Sie auf

Masse.

Mit dem Oszilloskop untersuchen Sie die

Eingangsspannung und die

Ausgangsspannungen an out1 bzw. out2.

Wie verhalten sich die beiden

Ausgangsspannungen?

Was ändert sich, wenn das Signal an in2

gelegt wird und in1 auf Masse liegt?

Wie groß ist die Verstärkung?

Ändert sich die Verstärkung, wenn f geändert

wird?

Messen Sie in einer kurzen Messreihe die

Verstärkung als Funktion von f.

Jetzt verbinden Sie die erste und die zweite Stufe und testen die gesamte Schaltung noch einmal.

3.3 Aufbau des Spannungsverstärkers mit OP

Bauen Sie rechts neben die bisherige Schaltung die letzte Stufe. Stellen Sie das Potentiometer auf

einen mittleren Wert. Verbinden Sie den Ausgang out der 2. Stufe mit dem Eingang in der 3 Stufe.

Test Sie jetzt noch einmal kurz die gesamte Schaltung.

3.4 Aufnahme der EKG-Signale

Jetzt wird der Funktionsgenerator nicht mehr gebraucht. Nehmen Sie ihn aus dem Rahmen heraus.

Schieben Sie jetzt das Netzgerät im Rahmen ganz nach links, die Schaltbretter ganz nach rechts.

Verbinden Sie Netzgerät und Schaltung über drei Kabel.


A3_v13.doc vom 18.04.2016 14:48:00 Seite 8

Der Grund ist: Das Netzgerät, vermutlich vor allem der Transformator, erzeugt relativ starke Störungen

in der Elektronik. Diese werden vermindert, wenn man den Abstand zwischen Netzgerät und Schaltung

erhöht.

Jede Person im Praktikum erhält jetzt einen eigenen Satz Elektroden.

Kleben Sie sich die Elektroden an:

Rote Elektrode: rechtes Handgelenk

Gelbe Elektrode: linkes Handgelenk

Schwarze Elektrode: linker Fuss

Verbinden Sie die schwarze Elektrode mit der Masseleitung ihrer Schaltung, die rote mit dem Eingang

in1 der 1. Stufe, die gelbe mit Eingang in2 der 1. Stufe.

Schalten Sie den Verstärker ein. Messen Sie die Ausgangsspannung der 1. Stufe, z.B. an out1 mit

dem Oszilloskop. Stellen Sie das Oszilloskop so ein, dass sie Signale mit Sekundenabständen und

etwa 10 mV Pulshöhe sehen können.

Wenn die Elektroden frisch sind und sie sich wenig bewegen, sollten auf dem Oszilloskop in einem

relativ stark verrauschten Signal kleine Pulse zu sehen sein.

Jetzt messen Sie die Ausgangsspannung nach der 2. Stufe. Hier sollten die Signale wesentlich besser

sichtbar sein.

Messen Sie die Signale nach der 3 Stufe.

Protokollieren Sie, was Sie auf dem Oszilloskop sehen. Entweder abzeichnen oder fotografieren und

später ins Protokollbuch einkleben.

Wie hoch sind nach den einzelnen Stufen jeweils die Signale und das Rauschen?



Versuch D3

Bluetooth-steuerung mit Arduino

Inhalt dieses Versuches: Installation und Konfiguration von Software Arduino IDE

Ansteuerung einer LED über Bluetooth

Vorarbeiten:

Bevor Sie zum Praktikum kommen, müssen Sie allgemeinwissen zur Mikrocontrollern haben. Dafür

haben wir eine Begrifliste vorbereitet, die Sie im Internet oder Bücher nachschlagen sollen.

Mikrocontroller

I/O-Ports

SPI

I2C

asynchrone serielle Schnittstelle

Flash-Speicher

Arduino IDE

Lua

Phyton

COM-Port

Firmware

Sketch

Library

Internet der Dinge

1. Einleitung

Ein Arduino ist ein Microcontroller, der in dem Praktikum Digitaltechnik vorgestellt werden soll. Man kann viel zu den Arduino schreiben. In dem Digitaltechnik Praktikum wollen wir uns nur auf das Wesentliche beschränken und lieber ein praktisches

Sensortechnik Praktikum S1 ESP8266 Modul als Sensor nutzen

D3_V1.docxx vom 28.05.2018 12:20:00 Seite 2

Anwendungsbeispiel zeigen. Zudem gibt es schon viele Internet-Seiten als auch Bücher die sehr viele Infos zu den Arduinos liefern und zum zweiten macht das Lernen einfach mehr Spaß wenn man schnell zu praktischen Ergebnissen kommt. Daher beschränken wir uns hier auf die Schritte und das Wissen, das Ihr benötigt um ein erstes erfolgreiches Projekt umzusetzen.

Zuerst einmal ein paar Worte zu den beliebten und am weitesten verbreiteten Arduino Boards (siehe Abb.2). Arduinos richten sich an Mikrocontroller-Einsteiger. Es sind fertig aufgebaute Boards mit zahlreichen Anschlüssen und aufgelöteten Buchsenleisten.

Abb. 1 Beispiel eines Arduino Mikrocontroller

Der Arduino Uno R3 ist der Standard-Arduino. In der aktuellen Version 3 besitzt der Uno 14 Digitale I/O Pins sowie 6 analoge Eingänge. Er besitzt eine Spannungsregelung und darf mit 12V über einen Hohlstecker versorgt werden, kann aber auch an USB angeschlossen werden und besitzt folgende Speicherkapazitäten:

32K Flash(0,5 werden vom Bootloader verwendet.)

2K SRAM

1K EEPROM

16 MHz (Prozessortakt)

Neben dem USB-B Anschluss verfügt der Uno noch über folgende Schnittstellen:

SPI

I²C

ICSP

Die Programmierung des Boards ist sehr einfach, aber im Internet existieren einige Tutorials die etwas kompliziert wirken, weil dort gleichzeitig die Programmierung der Module per Arduino IDE, Lua oder per Phyton erklärt werden. Das kann für Einsteiger sehr schwer zu unterscheiden sein.



Möglich ist die Board per Lua oder sogar Phyton zu programmieren, aber dazu muss erst eine Firmware mit einem Compiler in die Boards geladen werden. Das kostet sehr viel Speicherplatz, der Platz für eigene Anwendungen wird dadurch erheblich reduziert. Zudem ist die Lua-Programmierung nicht sonderlich einfach.

Die Programme die man selber schreibt werden Sketch genannt und können per Arduino IDE (Software) kompiliert und hochgeladen werden (siehe Abb.2). Dabei wird das schon vorhanden Sketch auf dem Board jeweils überschrieben. Das sogennante Flashen (überschreiben) wird durch USB Kabel realisiert.

Abb. 2 Oberfläche des Softwares Arduino IDE.

2. Ziel des Praktikums

In dem Praktikum sollen Hardware miteinander verbunden werden, um eine LED über Bluethooth zu steuern. Dazu soll ein Mikrocontoller Arduino-Board, Bluethooth Modul und eine Android Anwendung verwendet werden. Das Arduino-Board wird mit dem Bluethooth Modul, Stromversorgung und einer LED verkabelt und konfiguriert. Für die Programmierung wird ein Arduino IDE-Software verwendet. Das Prinzip der Ansteuerung wird in Abbildung 1 dargestellt. Hier arbeitet der HC 05/06 Bluetooth Modul mit serieller Kommunikation. Die Android App sendet serielle Daten per Bluetooth an das Arduino. Das auf dem Arduino hochgeladene Programm überprüft die ganze Zeit, ob das Bluetooth Modul daten versendet hat. Wenn die empfangenen Daten 1 (ON) sind, leuchtet die LED auf. Die LED erlischt, wenn die empfangenen Daten 0 (OFF) sind.



Abb. 1 Prinzip der Ansteuerung

2 Versuchsdurchführung

In diesem Praktikum werden wir die Konfiguration und installation unter Windows

vornehmen. Zudem verwenden wir zur Programmierung ausschließlich C, also die Arduino IDE sprache.

2.1 Die Arduino IDE Software installieren und konfigurieren

Die IDE kann man kostenlos über folgende Seite herunterladen:

https://www.arduino.cc/en/main/software

In der Regel sollte man immer die neueste Version verwenden. Man kann die Arduino Software wahlweise als ZIP-Datei herunterladen oder eine installierbare Version wählen. Falls Ihr die ZIP-Datei wählt, dann reicht es wenn man diese in ein beliebiges Unterverzeichnis entpackt. Ihr könnt danach die Arduino IDE Software gleich starten, es muss dann nichts mehr installiert werden.

Abb. 3 Board-Typ in Arduino IDE auswählen

https://www.arduino.cc/en/main/software



Die Arduino IDE unterstützt nach der Installation eine ganze Reihe von verschiedenen Arduino-Boards. Da wir aber Arduino Board programmieren möchten, müssen wir keine Boardpakete mehr dazu hinzufügen.

Um mit dem Arduino Uno zu komunizieren, muss man zuerst den richtigen Board Typ auswählen. Das könnt Ihr im Menü Werkzeuge den Menüpunkt Board…. machen. Hier müsst ich nach „Arduino Uno“ suchen.

Jetzt muss man der IDE nur noch mitteilen an welchem COM-Port das Modul angeschlossen ist, denn der USB-Treiber gibt die Daten über einen virtuellen COM-Port an die IDE weiter. Man könnte jetzt im Gerätemanager von Windows nachschauen welche COM-Ports dort bereitgestellt werden. Es kann auch dort je nach Bedarf der COM-Port verändert werden. Gewöhnlich reicht es aber wenn Ihr in der

Arduino IDE über Werkzeuge auf den Menüpunkt Port geht. Gewöhnlich wird dort

angezeigt welcher COM-Port jetzt bereit steht. Wenn es nur einer ist, dann ist die Auswahl ja sehr einfach.

Abb. 4 In Geräten Manager installierte Board mit zugewiessenen COM Port. Hier COM4

4. Erstes Sketch Hochladen

Jetzt sind wir soweit und können unser erstes Sketch für den Arduino ausprobieren. Dazu kann das Sketch aus den Beispielen unter Datei aus dem Menüpunkt Beispiele

gewählt werden. Wir fangen mal mit einer blinkenden im Sekundentakt LED an. Öffnet den Sketch 01.Basic/Blink (siehe Abb. 5) und übertragt ihn per Klick auf den Pfeil (siehe Abb. 6) auf das Aurduino Board.

Nach dem erfolgreichen Hochladen sollte eure Board im Takt von eine Sekunde blinken.



Abb. 5 Wahl eines Beiepiel um die Boards-LED blinken zu lassen.

Abb. 6 Program (Sketch) compilieren und an das Board hochladen.

5 Anschließen der Arduino Bluetooth Hardware

Jetzt muss das Arduino Board mit dem Bluetooth Modul und eine LED verbunden werden. Verbinden Sie die Bauteile nach Abbildung 7. Achten Sie dadrauf, dass eine LED nicht ohne einen Widerstand (220Ω–1KΩ) betrieben werden darf.



Abb. 7 Verbindung des Arduino Boards mit einem Bluetooth Modul und eine LED

6 Sketch Hochladen

Nun soll ein neues Sketch erstellt und hochgeladen werden. Der Quellcode ist in Abbildung 8 gegeben und kann übernommen werden. Anschließend wird das neue Sketch über die Arduino IDE Software auf den Arduino geladen.



Abb. 8 Quellcode für den neuen Sketch

7 App Instalation

In diesem Praktikum soll nicht auf die programmierung einer Android App eingegangen werden. Die App gibt es zum Download auf der Laborseite.

Nach dem Download und der Installation der App, muss das Smartphone mit dem HC 05/06 Bluetooth Modul synchronisiert werden:

1. Das HC 05/06 Bluetooth einschalten (Stromversogung über den Arduino). 2. Mit dem Smartphone nach neuen Bluetooth Geräten suchen und mit dem HC

05/06 verbinden (Möglicherweise Passwort wie 1234 oder 0000 eingeben). 3. Die LED App auf dem Smartphone installieren und öffnen (siehe Abb. 9).



Abb. 9 LED App synchronisieren

4. Die Geräte mit dem Butten „paired devices“ bestätigen. 5. Das Bluetooth Module aus der Liste auswählen (HC-05/06) 6. Nach dem die Geräte erfolgreich verbunden wurden, kann die LED über die

Button „ON“ und „OFF“ des Smartphonedisplays bedient werden. (siehe Abb. 10)

Abb. 10 Smartphone-Ansicht nach verbinden mit LED

Wenn die Schritte 1-6 erfolgreich durchgeführt wurden, ist die Smartphone-Steuerung fertig und kann getestet werden.

Natürlich lassen sich mit der verwendeten Technik noch zahlreiche, weit aus komlerxere Versuche realisieren. Dieser Versuch soll jedoch jedeglich einen Einblick in die Möglichkeiten der Mikrokontroller bieten. Welche andere Anwendungen für die



benutzte Technik fallen Ihnen noch ein? Recherchieren sie im Netz weitere Anwendungsmöglichkeiten.

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FH Münster FB 11 Praktikum Analog- und Digitaltechnik · Oszilloskop: Ein Messgerät zur Darstellung des zeitlichen Verlaufes von Spannungen und Frequenzen. Mit diesem Gerät lassen