Universelle Laborplatine Handbuch...Fachhochschule Karlsruhe Fachbereich EIT-N Handbuch Laborplatine - Version 2.2 27.04.04 Prof. Dr. Koblitz, FH Karlsruhe EIT-N , Moltkestr. 30, 76133

Fachhochschule KarlsruheFachbereich EIT-N Handbuch Laborplatine - Version 2.2

27.04.04 Prof. Dr. Koblitz, FH Karlsruhe EIT-N , Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe; Tel. 0721-925-2238 e-mail: [email protected] Seite 1

Universelle Laborplatine

Handbuch

Version 2.2

Mai 2004

Prof. Dr.-Ing. R.Koblitz



Inhaltsverzeichnis:1. Allgemeines 4

1.1 Hardware (Laborplatine) 41.2 Verfügbarkeit der Platine 41.3 Software auf dem PC 41.4 Kompatibilität mit früherer Version der Laborplatine 4

2. Die Hardware (Laborplatine) 52.1 Spannungsversorgung 52.2 Bestückungsoptionen des Doppelnetzteils 62.3 Anschlüsse und Bedienungselemente der Laborplatine 6

3. Bestückungsanleitungen 93.1 Bestückung der Hauptplatine 9

3.1.1 Bestückungspläne für die diskrete Komponenten der Hauptplatine 103.1.2 Bestückungsanweisungen für die Hauptplatine 103.1.3 Stückliste der diskrete Komponenten 13

3.2 Bestückung der Hilfsplatine „serielles Interface“ 143.2.1 Bestückungsanleitung für serielles Interface 163.2.2 Stückliste serielles Interface 17

3.3 Bestückung der Hilfsplatine „USB-Interface“ 183.4 Verbindung zwischen Hauptplatine und Interfaceplatine 183.5 Update der alten Laborplatine 183.6 Farbcode Widerstände 20

4. Installation der Software 214.1 Entpacken der Datei Labor_Platine_22.zip, Inhalt der Ordner 214.2 Installation von VEE Runtime 224.3 Installation von Intuilink (I/O-Library) 254.4 Erstellen derVerknüpfung auf dem Desktop 284.5 Start des Programms 294.6 Mögliche Fehlermeldungen und ihre Beseitigung 31

5. Bedienung der Laborplatine 325.1 Dual-Power-Supply 335.2 DC-Voltmeter 355.3 DC-Amperemeter 365.4 Funktionsgenerator 37

5.4.1 Frei programmierbare Funktion 385.5 Oszilloskop 40

5.5.1 Hauptmenü 415.5.1.1 Ablaufsteuerung (Start,Stop,Erase) 415.5.1.2 Mittelwertbildung (Average) 425.5.1.3 Messung von Kenngrößen (Measure) 425.5.1.4 Screendump 425.5.1.5 Bildschirmdarstellungen (Mode) 43

5.5.2 Setup-Menü 435.5.2.1 Setup-Menü Channel 1 bzw. Channel 2 43



5.5.2.2 Setup-Menü Timebase 445.5.2.3 Setup-Menü Trigger 455.5.2.4 Setup-Menü FFT 455.5.2.5 Übersichtsmenü für alle Setups 46

5.5.3 Zoom-Funktion (Display) 465.6 Service-Funktionen 47

5.6.1 Anzeige der Baudrate und der Softwareversionen 485.6.2 Instrumenteneinstellungen (Instrument Settings) 485.6.3 Kalibrierung (Calibration) 49

5.6.3.1 Y1 und Y2-Offset (Oszilloskop) 495.6.3.2 Voltmeter Offset 505.6.3.3 Amperemeter Offset 515.6.3.3 PLL-Abgleich (PLL-Adjustment) 52

5.6.4 Screendump (Oszilloskop) 525.6.4.1 Show/Select all settings 525.6.4.2 Dateiname für die Screendump-Pixel-Datei 535.6.4.3 Dateiname und Syntax für die Ascii-Datei der Messergebnisse 53

6. Technische Erläuterungen 566.1 Blockschaltbild der Laborplatine 566.2 Programmablauf auf dem PC 586.3 Die Netzgeräte-Funktion 606.4 DC-Spannungsmessung - Messprinzip 62

6.4.1 Schaltungstechnische Details für die Spannungsmessung 646.4.2 Schaltungstechnische Details für die Strommessung 65

6.5 Der Funktionsgenerator 666.6 Das Oszilloskop 69

6.6.1 Auflösung in x- und y-Richtung 716.6.2 Abtastung bei ein- und zweikanaligem Betrieb 716.6.3 Mittelwertbildung (Average-Funktion) 736.6.4 Die Messfunktion (Measure) 736.6.5 Die FFT-Berechnung 74

6.6.5.1 Aliasing 756.6.5.2 Leakage, Benutzung der Fensterfunktion 77

7. Technische Daten 807.1 Hardware – Hauptplatine 807.2 Hardware –Interfaceplatine „serielle Schnittstelle“ 807.3 Software, allgemeine Angaben 817.4 Die Netzgeräte-Funktion 817.5 DC-Spannungsmessung 827.6 DC-Strommessung 827.5 Der Funktionsgenerator 827.6 Das Oszilloskop 83

Fachhochschule KarlsruheFachbereich EIT-N Handbuch Laborplatine Version 2.2


1. Allgemeines

Die Laborplatine ist für Studierende von tech-nischen Studiengänge gedacht, die zuhausepraktische Elektronik-Versuche durchführenwollen, die aber aus Kostengründen keinenteuren Messgerätepark anschaffen können. DieLaborplatine realisiert die wichtigsten Geräte,die für eine Schaltungsanalyse notwendig sind.Dies sind ein Doppelnetzgerät für positive undnegative Versorgungsspannung, ein DC-Voltmeter und DC-Amperemeter, ein Funkti-onsgenerator und ein 2-Kanal-Oszilloskop. Eswurde besonderer Wert auf eine preisgünstigeRealisierung gelegt und dafür bewusst Abstri-che an den technischen Daten vorgenommen.Für Versuche im Grundlagenlabor, oder inAnwendungsgebieten, wo nur mit relativ niedri-gen Frequenzen gearbeitet wird, sind die elek-trischen Eigenschaften jedoch völlig ausrei-chend. Damit ist auch der Einsatz in Schulenund technischen Gymnasien möglich.

1.1 Hardware (Laborplatine)

Die Laborplatine benötigt eine Spannungsver-sorgung von 2mal 12V. Hierfür können zweigewöhnliche Steckernetzteile verwendet werden.

Der Anschluss zum PC erfolgt wahlweise überdie serielle Schnittstelle oder über einen USB-Anschluss. Auf dem PC werden die Laborge-rätefunktionen graphisch dargestellt und könnenüber Tastatur und Maus bedient werden. DieAnzeige der Messergebnisse erfolgt ebenfallsauf dem PC-Monitor.

Die Gerätefunktionen sind auf einer Europa-platine (Abmessungen 160mm x 100mm) un-tergebracht. Über eine 10-poliges Flachkabelmit Pfostensteckern kann wahlweise die Inter-faceplatine „Serielle Schnittstelle“ oder „USB-Schittstelle“ angeschlossen werden, die dieKommuniation über die entsprechend Daten-leitung zum PC sicherstellt.

1.2 Verfügbarkeit der Platine

Die Laborplatine ist als Bausatz erhältlich. DieHauptplatine ist weitgehend mit SMD-Bautei-len bestückt, und wird bereits bestückt geliefert.Die bereits programmierten 5 Mikrokontrollersind in SMD-Ausführung bereits auf der Plati-ne. Über Stiftanschlüsse lassen sich die Mikro-

kontroller nachträglich umprogrammieren, umz.B. neue Softwareversionen aufzuspielen.

Es müssen nur noch die diskreten Koponenteneingelötet werden, wie in der Bauanleitung aus-führlich beschrieben ist. Ein versierter Elektro-niker benötigt hierzu ca. ½ Stunde.

1.3 Software auf dem PC

Die Software auf dem PC ist in der graphischenProgrammiersprache HP-VEE geschrieben. Aufdem PC muss die sog. Runtime-Version vonHP-VEE und der zugehörige IO-Library Coreinstalliert werden. Die Software ist auf allenPC’s lauffähig, die folgenden Voraussetzungenerfüllen:

CPU > 200MHz , ca. 20MB freier Speicher,17" Monitor (oder auf Notebook 15") mit1024x768 Pixels, Betriebssystem: Windows 95,98, Windows NT oder Windows XP.

1.4 Kompatibilität mit früherer Versionder Laborplatine

Die erste Version der Laborplatine war aus-schließlich mit diskreten Bauteilen bestückt.Diese Platine kann ebenfalls mit der neuestenPC-Software betrieben werden. Die Oberflächeauf dem PC ist identisch, auch die Funktionali-tät der neuen Platine ist unverändert gegenüberder ersten Version der Laborplatine. Lediglichbei den Kalibrierungsroutinen sind geringfügigeUnterschiede vorhanden, die jedoch für dasArbeiten mit der Platine irrelevant sind.

Um die alte Laborplatine mit der neuen Soft-ware laufen zu lassen, sind geringfügige Ände-rungen an der Hardware nötig. Ausserdemmüssen die 5 Mikrokontroller neu programmiertwerden. Eine detailierte Anweisungen zum Up-date finden Sie im Kapitel 3.5 (Update der altenLaborplatine)



2. Die Hardware (Laborplatine)

Die Laborplatine besteht aus einer zweiseitigendurchkontaktierten Platine mit den Abmessun-gen 160mm x 100mm. (Europa-Format). DieBauhöhe beträgt 28mm ohne Distanzhülsen aufder Unterseite. Sie ist weitgehend mit SMD-Bauteilen bestückt und enthält nur noch wenigediskrete Bauelemente (Relais, Elkos, Span-nungsregler, Leistungstransistoren...) . Für alleIC’s einschließlich der Mikrokontroller(AT90S1200 der Firma ATMEL) sind SMD-Ausführung verwendet worden. Eine Ausnahmebildet der Eingangsverstärkers für das Oszill-sokop (TL082, 8-pin DIL-Gehäuse) und derPLL-Baustein 74HCT74046A (16-pin DIL-Gehäuse). Damit können diese Bausteine imFehlerfall leicht ausgewechselt werden. Es wur-de darauf Wert gelegt, im wesentlichen billigeStandardbauelemente zu verwenden, um dieKosten niedrig zu halten. Die fünf Mikrokon-troller können über 3-polige Stiftleisten pro-grammiert werden, um Softwareupdates ein-spielen zu können.

Eine zusätzliche kleinere Platine wird über ein10-poliges Flachbandkabel mit der Hauptplati-ne verbunden und beinhaltet je nach Ausfüh-rung eine serielle Schnittstelle oder eine USB-Schnittstelle für die Datenübertragung zum PC.Auf dieser kleinen Interfaceplatine befindensich auch die Anschlüsse zur Spannungsversor-gung. Diese Interfaceplatine kann über die mit-gelieferten Distanzhülsen auf die Hauptplatinegeschraubt werden, wie in Bild 2-1 zu sehen ist.Wenn die Laborplatine in ein Gehäuse einge-baut wird, dann kann man diese Platine auchüber Montagewinkel an die Gehäuserückwandanschrauben.

2.1 Spannungsversorgung:

Die Hauptplatine selbst benötigt zwei Versor-gungsspannungen: +12V, 150mA und –12V,60mA. Diese Versorgungsspannung wird überStandard-Längsregler auf die internen geregel-ten Spanungen von –10V, +10V und +5V her-untergeregelt. Die Laborplatine kann daher mit2 Gleichspannungen +12V..+20V und -12V...-20V versorgt werden. Wegen der internen

Bild 2-1: Laborplatine mit serieller Interfaceplatine



Spannungsstabilisierung können die beidenSpannungen ungeregelt sein. Die einfachste(und sicherste) Möglichkeit besteht in der Ver-wendung zweier Standard-Steckernetzteile, 12VDC , die keine interne Stabilisierung benötigen.Um die Spannungen hinreichend zu glätten, sindauf der Platine noch 2 große Glättungskonden-satoren von 2200µF vergesehen. Es bestehtweiterhin eine Bestückungsoption auf der Inter-faceplatine, bei der noch ein Brückengleich-richter in Form von 4 Dioden 1N4001 einge-baut werden kann. Dann lässt sich die Platineauch mit zwei gegenphasigen Wechselspannun-gen von 12..15V AC versorgen. (oder Trafo mit24...30V mit Mittelanzapfung der Sekundär-wicklung).

Die Laborplatine selbst benötigt zwar nur einenStrom von +12V, 150mA und –12V, 60mA,man sollte jedoch zwei Spannungen zur Verfü-gung stellen, die mehr Strom liefern können.Der überschüssige Strom steht dann für dieFunktion des Doppelnetzteils zur Verfügung.Verwendet man z.B. zwei Steckernetzteile mitje 500mA, dann kann dem Dual-Power-Supplyein Strom von ca. 150mA entnommen werden.Bei ungeregelten Steckernetzteilen müssen dieseNetzteile etwas mehr Strom liefern können, alsbenötigt. Daher nur ein Strom von 150mA fürdie Netzteile. Dies ist im Kapitel „TechnischeErläuterungen“ näher ausgeführt

Die Anschlüsse zur Spannungsversorgung aufder Interfaceplatine können in verschiedenenAusführungen realisiert werden:

• eine 5-polige Din-Buchse zum Anschlusseines Doppelnetzteils

• zwei 3,5mm Buchsen zum Anschluss vonStandard-Steckernetzteilen

• zwei 2-polige Anreihklemmen (Raster5,04mm) zum Anschrauben der Netzteillei-tungen. Diese Option ist vor allem für dieNutzer gedacht, die in ein Gehäuse die La-borplatine und die Netzteile einbauen wol-len.

Alle drei Anschlussoptionen sind auf der glei-chen Interfaceplatine möglich.

Wie oben erwähnt kann auf der Interfaceplatinenoch ein Brückengleichrichter, bestehend aus 4Einzeldioden eingesetzt werden, damit man dieLaborplatine mit Wechselspannungen versorgenkann. Wenn die Platine mit zwei Gleichspan-

nungen versorgt wird, können die vier Diodenentfallen und es sind für zwei Dioden je eineKurzschlussbrücke einzusetzen.

2.2 Bestückungsoptionen des Doppel-netzteils

Die Einstellung der Spannungen des Doppel-netzteils erfolgt über Längsregler mit je einemPNP und NPN- Leistungstransistor in TO220-Gehäusen. Bei diesen Längsreglern ist auf eineentsprechende Kühlung zu achten. Man hat dieWahl zwischen zwei verschiedenen Kühlkör-pern.

Standardmäßig wird ein Aufsteckkühlkörpermit Steckbeinchen zur Arretierung in der Plati-ne mitgeliefert, der einen thermischen Wider-stand von 18K/W aufweist und mit dem einStrom von 150mA je Ausgang abgegeben wer-den kann.

Mit einem Kühlkörper aus Alu-Stangenprofilmit den Abmessungen 50mm x 29mm x 12mmund einem thermischen Widerstand von 5K/Wkann man dem Doppelnetzteil einen Strom vonje 300mA entnehmen. Dieser Kühlkörper wirdauf der Hauptplatine liegend befestigt. Zwi-schen Platine und Kühlkörper muss eine Di-stanzhülse von mindestens 5mm vorgesehenwerden, da noch SMD-Bauteile an der Stelleplatziert sind, wo sich dann der Kühlkörperbefindet.

Die beiden Optionen sind in Bild 2-2 zu sehen

Für beide Kühlkörper sind die entsprechendenBefestigungslöcher in der Hauptplatine vorge-sehen. Die Transistoren und Spannungsreglerkönnen ohne Verwendung von Isoliermaterialauf die Kühlkörper geklemmt bzw. geschraubtwerden.

Eine fest eingestellte Strombegrenzung machtdieses Doppelnetzteil kurzschlusssicher.

2.3 Anschlüsse und Bedienungselemente derLaborplatine

Um die verschiedenen Anschlüsse platzmäßigunterzubringen mussten diese an der Längsseiteder Hauptplatine angeordnet werden. Von linksnach rechts findet man folgende Anschlüsse undLeuchtdioden:

a) Y1-Eingang des Oszilloskops



b) Y2-Eingang des Oszilloskopsc) Externer Triggereingang für Oszilloskop

d) LED grün diese leuchtet auf, wenn dasOszilloskop getriggert hat (Triggered).

Bild 2-2: Hauptplatine mit kleinem (oben) und großem (unten) Kühlkörper für das Doppelnetzteil



e) Ausgang des Funktionsgeneratorsf) –Klemme des DC-Amperemetersg) +Klemme des DC-Amperemetersh) Eingang DC-Voltmeteri) Netzteil, negative Ausgangsspannungj) LED rot (Strombegrenzung) leuchtet, wenn

die Strombegrenzung für die negative Aus-gangsspannung angesprochen hat.

k) Massel) LED rot (Strombegrenzung) leuchtet, wenn

die Strombegrenzung für die positive Aus-gangsspannung angesprochen hat.

m) Netzteil, positive Ausgangsspannung

Je nach Anwendung und Einsatz der Laborplati-ne können die Anschlüsse a) bis m) in verschie-denen Ausführungen realisiert werden:

a) Y1-Eingang des Oszilloskops: Wahlweisekann eine BNC-Printbuchse (liegend), eine2mm Buchse (Hirschmann) für Printmonta-ge oder gedrehte Stiftfassungen ähnlich einerIC-Fassung (4-polig: 2xEingänge, 2xMasse)verwendet werden. Standardmäßig ist dieBNC-Buchse vorgesehen.

b) Y2-Eingang des Oszilloskops: Bestückungs-optionen wie a)

c) Externer Triggereingang für Oszilloskop:Bestückungsoptionen wie a)

e) Ausgang des Funktionsgenerators: Bestük-kungsoptionen wie a)

f) –Klemme des DC-Amperemeters: Wahlwei-se kann eine 2mm Buchse (Hirschmann) fürPrintmontage oder gedrehte Stiftfassungenähnlich einer IC-Fassung (2-polig:2xEingänge) verwendet werden. Standard-mäßig ist die 2mm-Buchse vorgesehen.

g) +Klemme des DC-Amperemeters: Bestük-kungsoptionen wie f)

h) Eingang DC-Voltmeter: Bestückungsoptio-nen wie f)

i) Netzteil, negative Ausgangsspannung: Be-stückungsoptionen wie f) , Stiftfassung aber4-polig

k) Masse: Bestückungsoptionen wie i)m) Netzteil, positive Ausgangsspannung: Be-

stückungsoptionen wie i)

Zusätzlich zu den Anschlussklemmen sind nochdie 3 Leuchtdioden vorgesehen, die allerdingsnicht unbedingt nötig sind, da die entsprechen-den Anzeigen auch auf dem PC-Monitor sicht-bar sind.

Bild 3-1: Hauptplatine von oben gesehen, nicht bestückt, nur SMD-Bauteile



Als einziges aktives Bedinungselement befindetsich hinter dem Anschluss der positiven Aus-gangsspannung m) die Reset-Taste. Wenn mandie Platine in eine Gehäuse einbaut, kann mandiese Resettaste in beliebiger Ausführung alsSchließkontakt (z.B. als Taster mit Einlochbe-festigung) auf der Frontplatte anordnen undmuss diesen über zwei Kabel an die beidenLeiterbahnen der Resettaste anlöten.

3. BestückungsanleitungenIn den folgenden Kapiteln erhalten Sie allewichtigen Hinweise zum Bestücken der Haupt-platine und der Interfaceplatine.

3.1 Bestückung der HauptplatineNachdem die Platine fertig bestückt ist, kannunter die Laborplatine eine Aluminiumplatte andie Distanzhülsen angeschraubt werden. Damitlässt sich eine gute Abschirmung gegen Störein-flüsse erreichen.

Wenn man auf die Oberseite der Platine nochüber entsprechende Distanzhülsen (30mm) eineweitere Aluminiumplatte anschraubt, hat manein einfaches „Gehäuse“ das die Laborplatinewirksam vor Beschädigungen schützt.

Die Beschreibung auf den nächsten Seitenbeziehen sich auf die Lage der Platine, wie inBild 3-1 gezeigt. Auf der Platine befinden sichbereits alle SMD-Bauteile. Die Mikrokontrollersind bereits programmiert. Über die Program-mierbuchsen können sie jedoch für spätereUpdates nachprogrammiert werden.

Es müssen noch die konventionellen Bauteileeingelötet werden. Dies ist auf den nächstenSeiten beschrieben. Wegen der wenigen nocheinzulötenden Bauteile wurde auf einenBestückungsdruck verzichtet. Im einzelnenhandelt es sich um die folgenden Bauteile:

• 7 Widerstände• 10 Elektrolytkondensatoren• 3 Folienkondensatoren• 1 Quartz 12MHz• 3 Kondensatortrimmer (TR_Y1,TR_Y2 und

TR_VCO)• 2 npn-Transistoren BF240• 1 N-Kanal Sperrschicht-FET BF245B• 1 Präzisions-Zenerdiode LM385BZ-1,2• 2 IC-Sockel DIL-8 und DIL-16

• ein 10-poliger Wannenstecker• 9 Miniatur-Reed-Relais• 3 Spannungsregler in TO220-Gehäuse,

davon einer mit Kühlkörper• 2 Leistungstransistoren in TO220-Gehäuse

mit Kühlkörper• 1 Resettaster• 3 LED’s (nicht unbedingt nötig)• Anschlussbuchsen für Y1,Y2,Trigger-extern

und Funktionsgenerator-Ausgang• Anschlussbuchsen für Amperemeter,

Voltmeter und Netzgerät• 5 Programmierbuchsen und eine Doppel-

buchse im Sockel des 16-poligen IC’s alsgedrehte Kontaktbuchsen (diese sind nichtunbedingt nötig, erst bei einem späterenUpdate der Mikrokontroller und könnenauch später eingelötet werden)

Die Platine ist doppelseitig ausgeführt, mitLötstopplack auf beiden Seiten. Die Vias(Durchkontaktierungen von der Unterseite aufdie Oberseite) sind mit Lötstopplack abge-deckt. Man erkennt diese auf der Platine auchdurch ihren kleineren Bohrdurchmesser. Indiese Löcher dürfen daher keine Anschluss-drähte von irgendwelchen Bauelementen einge-steckt werden. Die Metallschichtwiderständehaben 5, manchmal auch 6 Farbringe (4 fürWert, 1 für Toleranz und manchmal 1 zusätz-licher Ring für Temperaturkoeffizient), dieFarbe des Widerstandskörpers ist im allgemei-nen hellblau. In Kapitel 3.6 ist der Farbcodebeschrieben. Im Zweifelsfall sollte man dieWiderstände vor dem Einlöten mit einem digi-talen Ohmmeter ausmessen. Die beiden Wider-stände R501 und R551 müssen entsprechend demmaximalen Strom des Doppelnetzteils ausge-legt werden. Für die Dimensionierung gilt dieeinfache Gleichung:

PLUSMAXIV

R_

501

65,0=

MINUSMAXIV

R_

551

65,0=

Für die beiden kleinen Kühlkörper wurdenzwei Widerstände R501 = R551 = 4,7Ω vorgese-hen. Damit setzt die Strombegrenzung bei ca.140mA ein.



3.1.1 Bestückungspläne für die diskretenKomponenten der Hauptplatine

Diese sind auf den folgenden Seiten angegeben.Die Reihenfolge der Bestückung ist beliebig. EinVorschlag über die Reihenfolge der Bestückungund besondere Hinweise können dem folgendenKapitel entnommen werden.

3.1.2 Bestückungsanweisungen für dieHauptplatine

Es empfiehlt sich, die im folgenden angegebe-nen Schritte nacheinander durchzuführen.

1.Schritt: Schrauben Sie vier Distanzhülsen8mm mit beidseitigem Innengewinde in denLöchern 3,4,5,6 mit M3-Schrauben (4mmLänge)an der Unterseite der Platine fest. 2 Distanzhül-sen (8mm) mit Gewindestift auf einer Seitestecken Sie von der Unterseite her in die Löcher 1und 7. Auf die Bestückungsseite werden 4 Di-stanzhülsen 8mm mit beidseitigem Innengewindean den Löchern 1,2,7 und 8 angeschraubt. DieHülsen auf den Löchern 2 und 8 sind von untenmit 4mm Schrauben anzuschrauben. Diese 4Hülsen auf der Oberseite der Platine dienen derAufnahme des seriellen- bzw. USB-Interfaces.

2.Schritt: Bestücken Sie die Platine gemäß denobigen 3 Zeichnungen. Folgende Hinweise müs-sen beachtet werden:• Die Platine muss unbedingt isoliert sein,

wenn gelötet wird. Also keine Kabel ir-gendwelcher Art (z.B. zum Netzteil) oderzum PC beim Löten angeschlossen lassen,sonst können durch elektrostatische Entla-dungen oder kapazitive Ausgleichsströmedie IC’s zerstört werden.

• Die liegenden Spannungsregler (µA7805und µA7910) werden über eine M3-Schraube 8mm mit Mutter an der Hauptpla-tine festgeschraubt. Es muss zwischen Ge-häuse und Platine unbedingt eine metalleneUnterlagescheibe eingelegt werden; der Löt-stopplack ist mechanisch nicht so wider-standsfähig und kann durch den Anpress-druck leicht beschädigt werden, so dass un-gewollte Kurzschlüsse entstehen können.

• Die Position der Relais ist beliebig, da die 4Anschlüsse die Reihenfolge Kontakt –Wicklung – Wicklung - Kontakt haben

• Die LED’s müssen richtig gepolt sein: derlange Draht (+Anschluss) muss links liegen

• Die Elkos müssen richtig gepolt sein: alle+Anschlüsse müssen oben liegen

Dimensionierung von R501 und R551:Siehe Text

C404 : 100nF 63V, Folie

R551 R501

R407 = 470Ω,1%R408 = 47Ω,1%

R409 = 4,7Ω,1%R410 = 1Ω,1%R411 = 1Ω,1%

C104, C204 : 100nF, 250V, Folie

1

3

2

4 5

67

8

LED rot, langer Draht links

LEDgrün,langerDrahtlinks

BD241C mit Kühlkörper,stehend, blanke Seite nachunten

BD242C mitKühlkörper,stehend, blankeSeite unten



•

Wannenstecker, 10polig, Kerbe nach links

TR_Y1 , TR_Y2 (1,2-6pF,grau)

IC-Sockel-DIL-16

BF245B

TR_VCO(2,0-35pF,braun od. rot)

LM385BZ-1,2

Quartz,12MHz

µA7810 mit Kühlkörper,stehend, blanke Seite oben

µA7910 liegend, angeschraubt,mit Unterlegscheibe

µA7805 liegend,angeschraubt, mitUnterlegscheibe

Resettaste, Abflachung nach unten

IC-Sockel-DIL-8

Pin1

Pin1

Programmiersockel

SIL-Reed-Relais

CE6,CE253,CE320, CE323(47µF, > 16V +Pol nach oben)

CE423 (0,47µF,+Pol nach oben)

CE7,CE8 (4,7µF, +Pol nach oben)

NPN-Transistoren BF240CE1, CE2 (2200µF,25V, +Pol nach oben)

CE311 (47µF, 10V +Pol nach oben)



• Die 5 Widerstände R407 – R411 müssenMetallfilmwiderstände mit einer Toleranzvon 1% sein. Es sind die Messwiderständefür das DC-Amperemeter. Von oben nachunten haben Sie die Werte 470Ω, 47Ω,4,7Ω und zweimal 1,0Ω. Falls der Mess-bereich falsch gewählt wird, so dass dieWiderstände überlastet werden und durch-brennen, können diese Widerstände leichtausgewechselt werden. Daher wurden hierkeine SMD-Widerstände verwendet.

• Die Halbleiter im TO93 Gehäuse (BF240,LM385, BF245B) müssen richtig positio-niert sein. Das TO92-Gehäuse ist zylin-drisch mit einer Abflachung an der Seite.Achten Sie darauf, dass die Abflachung ge-mäß obenstehenden Skizzen nach links zuliegen kommt.

• Die Resettaste muss mit der Abflachungnach unten eingelötet werden.

• Die Programmiersockel müssen nicht unbe-dingt eingelötet werden. Die Mikrokontrollersind bereits programmiert. Erst bei einemUpdate werden Programmierstifte benötigt.Man kann sie dann immer noch nachträglicheinlöten. (Beim nachträglichen Einlöten:Platine muss isoliert sein, kein Anschluss anNetzgeräte oder ähnliches!!) Beim Pro-grammieren wird das PLL-IC im 16-poligenSockel entfernt und die 2-polige Buchsenlei-ste innerhalb des 16-poligen IC-Sockels ge-brückt. Damit wird sichergestellt, dass derMikrokontroller FUG_B mit 12MHz getak-tet wird. Normalerweise wird dieser durchdie PLL getaktet. Beim Programmieren istaber nicht sichergestellt, dass der VCO einezum Programmieren ausreichende Frequenzliefert.

• Der Quartz hat die Bauform HC49U-S.Dies ist ein Metallgehäuse. Damit keineKurzschlüsse entstehen, sollte der Quartzmit einem geringen Abstand zur Platine (ca.1mm Abstand) eingelötet werden. Ansonstenkönnte ein Kurzschluss über den zerkratztenLötstopplack mit darunterliegenden Leiter-bahnen enstehen.

• Der Spannungsregler LM7810 (oderµA7810) muss so positioniert werden, dassdie blanke Seite nach oben (zum Leiterplat-tenrand) zeigt.

• Einbau der beiden LeistungstransistorenBD241C und BD242C: Eine Verwechslungist kaum möglich, da neben dem Schrau-bloch die Transistorbezeichnung in der obe-ren Metallebene sichtbar ist. Die Metallsei-ten der Transistoren müssen nach unten zei-gen. Es können zwei Kühlkörper verwendetwerden: den stehenden Kühlkörper V FI353mit einem thermischen Widerstand von18K/W. Bei diesem Kühlkörper kann mandem Netzteil nur einen maximalen Stromvon ca. 150mA entnehmen. Daher müssendie Widerstände R501 und R551 einen Wertvon je 4,7Ω haben. Verwendet man für diebeiden Transistoren einen Kühlkörper V4330N, so kann das Doppelnetzteil einenmaximalen Strom von 300mA liefern. Dannmüssen die beiden Widerstände R501 undR551 einen Wert von 2,2Ω besitzen. Die Di-mensionierungsanweisungen waren in Ka-pitel 3.1 angegeben. Der größere Kühlkör-per V 4330N muss mit einer Distanzhülsevon 5mm in das zugehörige Bohrloch einge-schraubt werden, da sich unter den beidenKühlkörpern SMD-Bauelemente befinden.

• Alle verwendeten Kühlkörper (für µA7810,BD241C und BD242C) können ohne Isolie-rung an das TO220-Gehäuse des Halbleitersaufgesteckt bzw. angeschraubt werden. Diezugehörigen Bohrlöcher für die TO220-Gehäuse liegen auf gleichem Potential wiedie Metallgehäuse der Halbleiter oder sindisoliert, so dass keine elektrische Isolierungzwischen Transistorgehäuse und Kühlkörpernötig ist.

• Bei den stehenden Kühlkörpern wird derTransistor (TO220-Gehäuse) in die Befesti-gungslasche geklemmt. Die zwei Steckla-schen werden durch die Bohrungen in derPlatine gesteckt und auf der Lötseite verlötet(bei der verzinnten Version) bzw. umge-knickt (bei der schwarz eloxierten Version).Hierbei sollte man etwas Vorsicht waltenlassen, da man zum Umbiegen relativ vielKraft benötigt und das Werkzeug (z.B.Schraubenzieher) leicht ausrutschen und diePlatine beschädigen kann. Es genügt auch,die Kühlkörper einfach nur durch die Platinezu stecken. Die mechanische Stabilität istauch ohne Umbiegen der Laschen recht be-friedigend.


27.04.04 Prof. Dr. Koblitz, FH Karlsruhe EIT-N , Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe; Tel. 0721-925-2238 e-mail: [email protected] Seite 13•

3.1.2 Stückliste der diskreten Komponenten der Hauptplatine

lfd.Nr Position Anzahl Beschreibung Wert1 7805 1 Spannungsregler 5V positiv , TO220 78052 7810 1 Spannungsregler 10V positiv , TO220 78103 7910 1 Spannungsregler 10V negativ , TO220 79104 BD241 1 NPN-Leistungstransistor TO220 oder TIP31 BD241C5 BD242 1 PNP-Leistungstransistor TO220 oder BC244C BD242C6 K1 K2 2 Kühlkörper für Leistungstransistoren BD241C/BD242C7 K3 1 Kühlkörper für Längsregler µA78108 12MHZ 1 Quartz HCT-18 12Mhz Quartz9 R1 1 Reset-Taster TASTER10 Sockel_8 1 IC-Sockel für Eingangsverstärker TL082 8-pin DIL11 Sockel_16 1 IC-Sockel für PLL 74HCT4046A 16-pin DIL12 TL082-1 1 2-fach Op mit FET-Eingang SO8 TL08213 4046A 1 High-speed CMOS-PLL bis 20MHz DIL-16 74HCT4046A14 C104/C204 2 Folienkondensator 250V RM=7,5mm (MKH250) 100nF15 C404 1 Folienkondensator 63V RM=5mm (MKS-2) 100nF16 CE1 1 ELKO radial RM=7,5mm Durchm: 16mm , 25V 2200µF17 CE2 1 ELKO radial RM=7,5mm Durchm: 16mm , 25V 2200µF18 CE6 1 ELKO radial RM=2,5mm mindestens 16V 47µF19 CE7 1 ELKO radial RM=2,5mm mindestens 16V 4,7µF20 CE8 1 ELKO radial RM=2,5mm mindestens 16V 4,7µF21 CE253 1 ELKO radial RM=2,5mm mindestens 16V 47µF22 CE311 1 ELKO radial RM=2,5mm mindestens 10V 47µF23 CE320 1 ELKO radial RM=2,5mm mindestens 16V 47µF24 CE323 1 ELKO radial RM=2,5mm mindestens 16V 47µF25 CE423 1 ELKO radial RM=2,5mm mindestens 16V 0,47µF26 PR-A bis PR-V 5 3-polige Stiftleiste für IN-Circuit-Programmierung PROG27 R407 1 Metallfilmwiderstand 1% , 250mW 470R28 R408 1 Metallfilmwiderstand 1% , 250mW 47R29 R409 1 Metallfilmwiderstand 1% , 250mW 4R730 R410 1 Metallfilmwiderstand 1% , 250mW 1R31 R411 1 Metallfilmwiderstand 1% , 250mW 1R32 R501 1 Metallfilmwiderstand 1% , 250mW 4R733 R551 1 Metallfilmwiderstand 1% , 250mW 4R734 ST-10 1 Pfostenstecker 10pin in 2 5er-Reihen ST-1035 TR-Y1 / TR-Y2 2 Kondensator-Trimmer 1,2-6pF36 TR-VCO 1 Kondensator-Trimmer 2-35pF37 LM385BZ 1 Präzisions-Spannungsreferenz 1,25V, TO93 LM385BZ-1,238 BF245B 1 N-Kanal Sperrschicht FET BF245B39 QN120 / QN220 2 NPN-Transistor f.mittlere Frequenzen TO93 BF24040 Y1-AC / Y2-AC 2 Single-Inline Reed-Relais 5V, 500Ω, 1xEIN RELAIS41 Y1-LOW/Y2-LOW 2 Single-Inline Reed-Relais 5V, 500Ω, 1xEIN RELAIS42 Y1-High / Y2-High 2 Single-Inline Reed-Relais 5V, 500Ω, 1xEIN RELAIS43 I-RANGE-1 bis 3 3 Single-Inline Reed-Relais 5V, 500Ω, 1xEIN RELAIS44 LED-TRIGG 1 Leuchtdiode 3mm grün low-Cost, low-Current LED_grün45 LED-OVM /OVP 2 Leuchtdiode 3mm rot low-Cost, low-Current LED_rot46 D1 1 10 Distanzhülsen und Schrauben Montage47 BU_2mm 1 6 Hirschmann 2mm-Buchsen 2mm-Buchsen48 BU_BNC 1 4 BNC-Buchsen Printmontage, liegend BNC-Buchse



3.Schritt: Einsetzen derIC’s: Es müssen die bei-den IC’s TL082 (8-polig) und74HCT4046A (16-polig) in die Sockel ein-gesetzt werden. AchtenSie darauf, dass dieIC’s, wie auch in denBestückungsplänen an-gegeben ist, korrekt ein-gesetzt werden. DieSkizze in Bild 3-1-1macht dies nochmalsdeutlich.

Wichtiger Hinweis: Fürdas 16-polige PLL-IC kann leicht ein falschesIC verwendet werden. Achten Sie darauf, dassunbedingt ein HCT-Typ verwendet wird. Esgibt dieses IC auch als CD4046 oder74HC4046. Es handelt sich hierbei auch um einPLL-IC, das aber trotz gleicher Pinbelegungeine wesentlich niedrige Arbeitsfrequenz auf-weist. Sie dürfen nur das IC 74HCT4046Averwenden. Entscheidend ist der Buchstabe Aneben der Ziffernfolge 4046 . Falls das falscheIC eingesetzt wird, stimmt die eingestellte Fre-quenz des Frequenzgenerators nicht mit dertatsächlichen Frequenz überein, und es lässtsich die PLL nicht abgleichen.

3.2 Bestückung der Platine „SeriellesInterface“

Das Interface befindet sich auf einer kleinenPlatine, die über 8mm Distanzhülsen in denBohrlöchern 1, 2, 7 und 8 der Hauptplatineangeschraubt wird. Gegebenenfalls kann mandiese Interfaceplatine auch über zwei Monta-gewinkel direkt an die Rückwand eines Gehäu-ses schrauben, so dass die Abmessungen diesesGehäuses größer als die Laborplatine selbstsein dürfen.

Auf dieser Platine ist die D-SUB9 Buchse undder Anschluss zum Netzteil vorgesehen. Überein 10-poliges Flachkabel mit Pfostensteckernist die Interfaceplatine mit der Hauptplatineverbunden.

Die Stromversorgung kann alternativ über eine5polige DIN-Buchse:

zwei 2-polige Anreihklemmen (Schraubanschluss)

oder zwei 3,5mm Klinkenbuchsen erfolgen.

Bild 3-1-1: Position der gesockelten IC‘s

Laborplatine

Pin1Pin1

TL082

74HCT4046A



Für alle diese Anschlussbuchsen sind die en-sprechenden Bohrlöcher vorgesehen.

Aus Kostengründen ist das serielle Interface mitkonventionellen Bauteilen bestückt. Wegen derwenigen Bauteile wurde auch hier auf einenBestückungsdruck verzichtet. Die Positionsbe-zeichnung der Widerstände wurde allerdings alsText auf der oberen Metallebene aufgebracht,so dass eine eindeutige Zuordnung möglich ist.Auch bei den Transistoren steht ein N für dennpn-Transistor BC547B bzw. ein P für denpnp-Transistor BC557B.

Für die Widerstände können Kohleschicht-(5%) oder Metallfilmwiderstände (1%) verwen-det werden. Es kommt hier nicht auf die Ge-nauigkeit an. Die Widerstandswerte können derStückliste entnommen werden.

Das Schaltbild des seriellen Interfaces ist in Bild

3-2 angegeben. Auf dem Interfaceboardbefinden sich die Klemmen bzw. Buchsen derSpannungsversorgung sowie die Buchse für denAnschluss des seriellen Kabels. Weiterhin wirddie Pegelanpassung zwischen den Signalen derseriellen Schnittstelle (+ - 10V ) und den Pegelnder Mikrokontroller (0..5V) realisiert. Dafürkönnte auch eines der bekannten Schnittstellen-bausteine wie MAX232 verwendet werden. Daaber eine positive und negative Spannung bereitsals Versorgungsspannung für die Laborplatinezur Verfügung steht, wird die Pegelanpassungdirekt mit einigen diskreten Komponentenrealisiert, was eine kostengünstigere Lösungdarstellt.

Es sind noch zwei Leuchtdioden für die negativeund postitive Versorgungsspannung vorgesehen,die bei korrekt anliegenden Spannungenaufleuchten.

Bild 3-2: Schaltbild des Seriellen Interfaces



Die Dioden D1 und D2 dienen demVerpolungsschutz. Im Falle einer falschenPolarität wird das Netzgerät (brutal) über dieDioden kurzgeschlossen. Eine Diode in Serie mitdem Netzgerät verbietet sich wegen desSpannungsabfalls. Daher diese zugegebener-maßen etwas brutale Methode. Wenn dasNetzgerät eingesteckt werid, und die LED nichtaufleuchtet, ist das Netzteil möglicherweisefalsch gepolt. (Der Mittelstift des 3,5mm-Steckers muss der +Pol sein). In diesem Fall dasSteckernetzteil schnell ausschalten, sonst wird esüberhitzt. Im schlimmsten Fall wird dasNetzgerät bei falscher Polung zerstört, was abergegenüber einer Zerstörung der Laborplatinekostenmäßig als das kleinere Übel angesehenwerden kann.

3.2.1 Bestückungsanleitung für Serielles

Interface

Die Bestückung der Platine sollte mit Hilfe desBestückungsplans (Bild 3-3) keine Schwierig-keiten machen.

• Der 10-polige Pfostenstecker muss soeingesetzt werden, dass die Kerbe links zuliegen kommt.

• Bei den beiden Elkos muss der +Pol obenliegen.

• Achten Sie darauf, dass die Dioden richtiggepolt sind: Richten Sie sich nach demAufdruck auf der Platine.Der Kathodenanschluss derDiode entspricht dem Ringauf dem Diodengehäuse.

2 Dioden 1N4148,Kathode rechts Kurzschlussbrücken

bei DC-Netzteil

D-SUB9 - Buchse

LED, langerDraht rechts

+

-

~

~

1N5400 1N5400

4 Gleichrichterdioden 1N4001als Brückengleichrichter beiAC- Netzteil

Pfostenstek-ker, 10pol.Kerbe links

LED, langerDraht rechts

CE1, CE2, 22µF,25V, +Pol oben

QN2, QN1 =BC547B (NPN) QP1, QP1 =

BC557B (PNP)

DIN5-BuchseZwei 3,5mm Klinkenbuchse oder

Zwei 2-polige Schraubklemmen oder

R9 R7 R11 R2 R3

R10 R8 R4 R6 R1 R5

Bild 3-3: Bestückungsplan serielles Interface

R12

Einbaurichtungder Dioden



• Wenn kein Brückengleichrichter mit den 4Dioden 1N4001 eingesetzt wird, müssengemäß dem Plan zwei Kurzschlussbrückeneingesetzt werden.

• Die Transistoren liegen in einer Reihe. Linksdie beiden NPN-Transistoren, rechts diebeiden PNP-Transistoren. Das TO93Gehäuse wird so positioniert, dass dieAbflachung nach oben zeigt.

• Die LED’s werden so eingesetzt, dass derlange Draht nach rechts zu liegen kommt(anders als bei der Hauptplatine).

• Die Position der Widerstände ist aufgedruckt.Die Widerstände liegen im Layout unter demSeriellen Anschluss direkt nebeneinander.Der Stückliste kann man den entsprechendenWerten entnehmen. Nachstehende Tabellezeigt die Werte entsprechend der Lage aufder Platine

Wert Position Lage auf

der Platine

2,7kΩΩ R12 links

10kΩΩ R10

2,7kΩΩ R9

10kΩΩ R8

8,2kΩΩ R7

3,9kΩΩ R4

8,2kΩΩ R11

10kΩΩ R6

100ΩΩ R2

100ΩΩ R1

3,9kΩΩ R3

10kΩΩ R5 rechts

3.2.2 Stückliste für serielles Interface

lfd.Nr. Anzahl Position Beschreibung Wert1 2 QN2 / QN2 NPN-Standardtransistoren BC547B2 2 QP1 / QP2 PNP-Standardtransistor BC557B3 2 D1 / D2 Leistungsgleichrichter 100V, 3A 1N54014 2 D3 / D4 Standarddiode 100V, 100mA 1N41485 4 D5-D8 4 Gleichrichterdioden 1N4001 (nur für AC-

Netzteil)1N4001

6 1 R1 Kohle- oder Metallfilmwiderstand 5% , 250mW 1007 1 R2 Kohle- oder Metallfilmwiderstand 5% , 250mW 1008 1 R3 Kohle- oder Metallfilmwiderstand 5% , 250mW 3,9k9 1 R4 Kohle- oder Metallfilmwiderstand 5% , 250mW 3,9k

10 1 R5 Kohle- oder Metallfilmwiderstand 5% , 250mW 10k11 1 R6 Kohle- oder Metallfilmwiderstand 5% , 250mW 10k12 1 R7 Kohle- oder Metallfilmwiderstand 5% , 250mW 8,2k13 1 R8 Kohle- oder Metallfilmwiderstand 5% , 250mW 10k14 1 R9 Kohle- oder Metallfilmwiderstand 5% , 250mW 2,7k15 1 R10 Kohle- oder Metallfilmwiderstand 5% , 250mW 10k16 1 R11 Kohle- oder Metallfilmwiderstand 5% , 250mW 8,2k17 1 R12 Kohle- oder Metallfilmwiderstand 5% , 250mW 2,7k18 2 CE1 / CE2 ELKO radial RM=2,5mm 22µF/25V19 1 SER-CONN 9-polige Buchse für serielle Schnittstelle DSUB920 2 LED-M / P Leuchtdiode 3mm gelb low-Cost, low-Current LED_gelb21 1 ST-10 Pfostenstecker 10pin in 2 5er-Reiher ST-1022 1 ST-DIN5 DIN-Buchse 5-polig für Netzteil DIN_5pol23 1 oder: zwei Anreihklemmen Raster 5,04mm ARK_224 1 oder: zwei 3,5mm Buchsen für DC-Netzteile 3,5mm



3.3 Bestückung USB-Interface

Bei Drucklegung des Handbuchs war das USB-Interface noch nicht verfügbar.

3.4 Verbindung zwischen Hauptplatine undInterfaceplatine

Die Verbindung von der Hauptplatine zur Inter-face-Platine erfolgt über ein 10-poliges Flach-bandkabel. Es enthält neben den Sende- undEmpfangsleitungen die Leitungen der Versor-gungsspannungen für die Hauptplatine, da dieSpanungsversorgung der Laborplatine überAnschlussklemmen auf der Interfaceplatinerealisiert sind.

Die beiden Wannenstecker auf der Interface-platine und auf der Hauptplatine haben dieAussparung jeweils auf der linken Seite.

Das Flachbandkabel wird auf die gespreiztenAnschlussstifte gelegt und mit Hilfe des Bügelsin diese Kontakte gedrückt, bis der Bügel einra-stet. Zusätzlich kann noch das Kabel über denBügel gelegt und der Bügel der Zugentlastungaufgeclipt werden:

Flachbandkabel

Stecker von der Anschlussseite aus gesehen

Rote Ader

Zugentlastung

Befestigungsclip

Flachbandkabel

Kabelverbindung von der Seite gesehen

Ausbuchtung

Stecker

Bei der Herstellung des Verbindungskabelsmuss unbedingt darauf geachtet werden, dassdie beiden Stecker die Ausbuchtungen auf derlinken Seite haben, Ausserdem muss darauf

geachtet werden, dass das Flachbandkabel nichtverdreht ist, sonst wird die Laborplatine beimAnschluss an die Spannungsversorgung be-schädigt.

3.5 Update der alten Laborplatine

Die alte Laborplatine, die ausschließlich mitdiskreten Komponenten bestückt war, kann mitder Version 2.2 der Software ebenfalls ohneEinschränkung betrieben werden. Hierzu müs-sen zunächst die 5 Mikrokontroller mit demneuen Programmcode programmiert werden.Die entsprechenden HEX-Dateien finden sichim Ordner ASM_ALT_22 . Weiterhin müssennoch einige Hardwaremodifikationen vorge-nommen werden:

• Die beiden kleinen TrimmpotentiometerP351 und P361, die sich direkt neben denbeiden Kondensatortrimmern befinden,können ausgelötet werden. Wem dies zuvielArbeit ist, kann diese Potis auch in Mittel-stellung bringen

• Das Trimmpoti P201 (direkt neben dem IC)kann ebenfalls asugelötet, oder in Mittel-stellung gebracht werden

• Der Widerstand R255 (100kΩ) mussdurch einen Metallfilmwiderstand mit ei-nem Wert von 150kΩ ersetzt werden.

• Die beiden Keramik-Kondensatoren C3 undC4 werden ersatzlos entfernt.

Bild 3-5 zeigt die Position dieser Komponenten.



Bild 3-5: Position der zu ändernden Komponenten beim Update der alten Laborplatine

P351, P361 (auslöten)P201 (auslöten)R255 (150kΩ)C3 und C4 auslöten



3.5 Farbcode Widerstände

In der folgenden Tabelle ist der Farbcode derWiderstände zusammengestellt. Bei Kohlewi-derständen (5%) findet man 4 Farbringe (3 fürden Wert und einer für die Toleranz. Die Me-tallfilmwiderstände (1%) haben 6 Farbringe,wobei für die Zahl 4 Ringe vorgesehen sind, 1Farbring für die Toleranz und einer für denTemperaturkoeffizient.

Farbe 1 2 3 4 5 6silber 0,01 10%gold Ziffern 0,1 5%

schwarz 0 0 0 1braun 1 1 1 10 1% 100

rot 2 2 2 100 2% 50orange 3 3 3 1000 15

gelb 4 4 4 10k 25grün 5 5 5 100k 0,5%blau 6 6 6 1MEG 0,25%

violett 7 7 7 10MEG 0,1%grau 8 8 8weiß 9 9 9 Faktor Toleranz

Temperatur-koeffizient /

ppm

10kΩΩ5%

1 2 3 54 6

47kΩΩ1%

56kΩΩ1%50ppm / K



4. Installation der Software

Die Datei Labor_Platine_22.zip muss korrektentpackt werden. In Kapitel 4.1 ist dies be-schrieben.

Das Programm auf dem PC ist in HP-VEEprogrammiert. Damit das Programm auf IhremPC läuft, benötigen Sie zunächst die sogenann-te. „Secured run-time Version“ des Pro-grammcodes. Dies ist die DateiLabor_Platine_22.vxe. Dieser compilierteProgrammcode benötigt die Runtimeversionvon HP-VEE, die auf dem Rechner installiertwerden muss. Damit dann schließlich das Pro-gramm auf die serielle Schnittstelle zugreifenkann, muss zusätzlich noch die HP-I/O-Library installiert werden. Diese I/O-Librarygibt es kostenlos als Shareware unter dem Na-men Intuilink von der Fa. Agilent. Die Soft-wareinstallation müssen Sie in folgendenSchritte vornehmen:

• Entpacken der Datei Labor_Platine_22.zip• Installation der Runtimeversion HP-VEE• Konfiguration der Runtimeversion HP-

VEE• Installation der I/O-Library (Intuilink)• Konfiguration der I/O_Library• Verknüpfung erstellen, um die Software

bequem von einem ICON auf dem Desktopzu starten

4.1 Entpacken der Datei Labor_Platine_22.zip,Inhalt der Ordner

Die Datei Labor_platine_22.zip müssen Siemit der Option Use Folder Names entpacken,damit die Ordnerstruktur beim Extrahieren derDatei HP_VEE_runtime.zip korrekt aufgebautwird und nicht die Dateien ohne Orderstrukturnebeneinander in den aktuelle Ordner geschrie-ben werden.

Am Besten extrahieren Sie die Dateien in dasProgrammverzeichnis, aus dem Sie die Labor-platine später starten wollen. Das wäre z.B. derOrdner C:\Programme\

Nach dem Entpacken dieser Datei wird derOrdner Labor_Platine erzeugt. Sie finden indiesem Ordner folgende Dateien und Unterord-ner *):

Labor_Platine_22.vxe (Datei) dies ist die Aus-führungsdatei für die runtime version HP_VEE .

Labor_Platine.ICO (Icon) dies ist das ICONfür die Symboldarstellung auf dem Desktop

Labor_Platine.run (Verknüpfung) . Mit dieserVerknüpfung kann das HP_VEE-ProgrammLabor_Platine_22.vxe vom Desktop oder ausdem Programmmenü gestartet werden .

Last_session.set (Datei) Diese Datei findenSie zunächst noch nicht. Sie wird vom Pro-gramm Labor_Platine_22.vxe erzeugt, nach-dem Sie das erste mal die Laborplatine am PCgestartet haben und in der Hauptmenüleiste dasProgramm mit STOP-Program beendet ha-ben. Die Binär-Datei Last_session.set enthältdie aktuellen Einstellungen der Gerätefunktio-nen (Netzgerät, Volt- und Amperemeter, Funk-tionsgenerator, Oszilloskop sowie die Positionder Geräte-Fenster) zu dem Zeitpunkt, an demSie das PC-Programm beendet haben. Dannkönnen Sie bei erneutem Start mit den altenEinstellungen weiterarbeiten.

ARBITRARY (Ordner) in diesem Ordner legenSie die .txt-Dateien für die frei programmierba-ren Funktionsverläufe des Funktionsgeneratorsab. Im Ordner

*) falls Sie die Datei Labor_Platine.zip ohne

die Option "Pfadnamen angeben" bzw. „useFolder Names“ extrahiert haben, fehlen dieOrdner und alle Dateien liegen in einemOrdner. In diesem Fall löschen Sie alle ex-trahierten Dateien und wiederholen das Ent-packen der Datei Labor_Platine_22.zip mitder Option "Pfadnamen angeben"



ARBITRARY\BEISPIELE finden Sie ver-schiedene Ascii-Dateien <name>.txt, die Ihnenals Vorlage dienen können.

DOCU (Ordner) in diesem Ordner befindet sich

Handbuch_Laborplatine_22.pdf (Datei)diese Datei enthält das komplette Handbuchder Laborplatine.

FAQ.pdf (Datei) diese Datei enthält die Be-schreibung der am häufigsten auftretendenBedienungsfehler und deren Beseitigung.

DOCU\SCHALTBILDER (Ordner) dieserOrdner enthält alle Schaltbildzeichnungenmit den zugehörigen Bibliotheken. Darge-stellt werden können diese Schaltbilder mitMicrosim Desing-Lab, Version 8.0. DieSchaltbilder sind hierarchisch angelegt, dieoberste Zeichnungsebene ist für die Haupt-platine Labplat_smd_TOP.sch und für dasserielle Interface Labplat_COM1_2.sch .Die anderen Zeichnungen <name>.sch sindhierarchische Blöcke, die Sie nur über dieNavigate-Funktion ansprechen können.

DOCU\ASM_ALT_22 (Ordner) In diesemOrdner befinden sich die Assemblerpro-gramme und die assemblierten HEX-Dateiender 5 Mikrocontroller UP_SER, UP_OSZI,UP_FUG_A, UP_FUB_B und UP_DVMfür die alte, konventionell bestückte Labor-platine (Version BLAB_4_3). Damit könnendie verwendeten Atmel-ProzessorenAT90S1200 umprogrammiert werden. (Sie-he auch Kapitel 3.4: Update der alten La-borplatine

DOCU\ASM_SMD_22 (Ordner) In diesemOrdner befinden sich die Assemblerpro-gramme und die assemblierten HEX-Dateiender 5 Mikrocontroller UP_S, UP_O, UP_A,UP_B, UP_V für die neue, SMD-bestückteLaborplatine (VersionLAB_PLAT_SMD_12. Damit können dieverwendeten Atmel-ProzessorenAT90S1200 umprogrammiert werden. Aufden SMD-bestückt gelieferten Platinen.Sind die Mikrokontroller bereits program-miert.

4.2 Installation und Konfiguration der Run-time-Version von HP-VEE Version 5.0

Die Software Labor_Platine_22.vxe stellt diegraphische Oberfläche der Laborplatine aufdem PC dar. Diese Datei benötigt zu ihrer Aus-führung die runtime-Version von HP_VEEversion 5.0. Diese Software muss auf IhremRechner installiert sein.

Die Installationssoftware für HP_VEE runti-me hat einen Umfang von ca. 6MB und kannvom Downloadbereich des Fachbereichs EITheruntergeladen werden.

Aus lizenzrechtlichen Gründen muss daraufhingewiesen werden, dass diese Installation nurerfolgen darf, wenn Sie diese mit der DateiLabor_Platine_22.vxe betreiben wollen.

Im Folgenden wird beschrieben, wie SieHP_VEE runtime version 5.0 installieren undkonfigurieren müssen.

Laden Sie die Datei HP_VEE_runtime.zipvom Fachbereichsserver runter. Diese Dateimuss zunächst entpackt werden.

Wählen Sie beim Entpacken die Option UseFolder Names , damit die Ordnerstruktur beimExtrahieren der Datei HP_VEE_runtime.zipkorrekt aufgebaut wird. Extrahieren Sie dieDatei in das Verzeichnis C:\TEMP :

Dann wird Ihnen ein Ordner c:\TEMP\runtimeangelegt. In diesem Ordner finden Sie 5 Unter-ordner disk1...disk5. Gehen Sie in den Ordnerdisk1 und starten Sie dort das Programmsetup.exe. Während der Installationsprozedurbestätigen Sie das Menü



mit Next. Den vorgeschlagenen Pfad

C:\Programme\Hewlett-Packard\VEE 5.0 RunTime

übernehmen Sie mit der Taste Next .

Danach werden Sie nach dem Programm Foldergefragt:

Auch hier übernehmen Sie den Vorschlag mitNext. Das nächste Menü wird ebenfalls bestä-tigt:

Drücken Sie Next Danach beginnt dasProgramm mit der Installation und beendet denInstallations-prozess mit

Sie beenden mit Finish .

Jetzt müssen Sie das Programm konfigurieren.Dies bedeutet, die serielle Schnittstelle demProgramm anzupassen. Hierzu gehen Sie inStart - Programme in das Untermenü HPVEE 5.0 runtime. Von dort können Sie dasProgramm I-O Konfiguration aufrufen.

(Dies entspricht dem Aufruf des geradeinstallierten Programms veerun.exe mit derOption ioconfig: "C:\Programme\Hewlett-Packard\VEE 5.0 RunTime\veerun.exe" -ioconfig )

Nach dem Programmaufruf meldet sich dasProgramm mit dem sog. Instrument Manager:



Sie müssen jetzt alle evtl. vorhandenenseriellen Geräte ( hier: Eintrag unter Serial9 )mit dem Cursor anklicken, so dass der Eintragblau unterlegt ist (wie im obigen Beispiel) unddiese dann durch Delete Instrument löschen.Wenn kein Serielles Gerät mehr vorhanden ist,klicken Sie auf My configuration (welchesblau unterlegt wird) und dann auf AddInstrument . Sie erhalten dann folgendesMenü (Device Configuration):

die Einträge in Device Configuration müssenjetzt auf die Software Labor_platine_22.vxeangepasst werden: Name ist PC_Platine,Interface ist Serial und die Adresse ist 1:

kurze Erklärung: im HP_VEE ProgrammLabor_Platine_22.vxe muss man der seriellen

Schnittstelle einen symbolischen Namen geben.Bei der Programmierung wurde der NamePC_Platine verwendet. Dieser Name mussdaher bei der Konfiguration auch angegebenwerden. Klicken Sie anschliessend aufAdvanced I/O Config. Sie erhalten dann dasDialogmenü:

Byte ordering = MSB und Live Mode = ONTimeout sollten Sie auf 1sec setzen. Wenn Sie IhrProgramm starten, und es kommt von derLaborplatine keine Antwort, dann dauert es 1sec bisdie Fehlermeldung kommt. Der Standardwert von5sec ist etwas zu lang: man wartet und es passiert5sec lange nichts. Da wird man leicht ungeduldig

Als nächstes wählen Sie in der Auswahl oben Serialund erhalten das Menüblatt:

Hier müssen Sie die Baud Rate einstellen. DieLaborplatine erkennt nach Betätigung der Reset-Taste selbstständig die eingestellte Baudrate. ImInteresse einer möglichst schnellen Kommu-nikation zwischen der Laborplatine und dem PCsollte eine Baudrate von 115200 bits/sec.Eingestellt werden. Falls Ihr PC diese Baudratenicht verarbeiten kann, könnten Sie auch eine



niedrigere Baudrate aus der nachstehendenTabelle wählen:

Baudrate Übertragungszeitzum PC

115200 bits/sec 91 msec




9600 bits/sec 1,09 sec

Bitte beachten Sie, dass die Übertragungszeitvon der Labor Platine zum PC ≈10500/baudratebeträgt. Der entsprechende Wert ist in derTabelle angegeben. Je nach CPU-Taktrate desPC’s muss man für den Programmlauf nochetwas Zeit einkalkulieren (bei einer 500MHz-CPU ca 60ms), so dass man für die Wiederhol-frequenz der Oszi-Bilder mit ca. 6-7 Bildern proSekunde bei 115200 Baud rechnen kann.

Alle anderen Einstellungen dürfen nichtverändert werden: Die Charactersize bleibt auf 8bit, 1 Stop-bit und kein Parity-bit. Die ReceivedBuffer-Size könen Sie auf 4096 lassen.

Bestätigen Sie mit OK (Sie kommen zurück zuDevice Configuration) und bestätigen Sienochmals mit OK.

Sie erkennen , dass die serielle Schnittstelle mitder log Unit 1 (Serial1) mit dem symbolischenNamen PC_Platine(@1) konfiguriert ist. DieBaudrate wurde in Advanced DeviceConfiguration eingestellt. Jetzt können Sie dieKonfiguration mit Save Config abspeichern.Das Programm endet dann.

HP_VEE_runtime ist jetzt auf die SoftwareLabor_platine_22.vxe angepasst.

4.3 Installation und Konfiguration der I/O-Library Intuilink von Agilent

Damit HP_VEE auf die serielle Schnittstellezugreifen kann, wird zusätzlich eine I/O-Library benötigt, die ebenfalls installiert werdenmuss. Diese I/O-Library gibt es kostenlos alsShareware unter dem Namen Intuilink von derFa. Agilent.

Im folgenden wird beschrieben, wie Sie sichdiese Software herunterladen können, und wieSie diese für die Anwendung der Laborplatinerichtig konfigurieren:

Begeben Sie sich im Internet auf die intuilink-page von agilent:

http://www.agilent.com/find/intuilink

Sie können dann auf dieser Page:

„Intuilink Connectivity Software“

relativ weit unten auf

Software, Firmware & Drivers klicken. Dortwählen Sie aus der Liste das Modul

Intuilink for DMM 34401A, 34420AMultimeters, Version 1,0

und laden sich die Datei herunter. Es handeltsich um eine .exe-Datei von 10,1MB.

Lassen Sie sich nicht durch den Titel irritieren.Die Laborplatine hat nichts mit dem MultimeterDMM34401A zu tun, diese Software enthältaber den IO-Library Core für die serielleSchnittstelle. Und den braucht die Laborplatine.

Kopieren Sie sich diese Datei auf das TEMP-Verzeichnis ihrer Platte. Wenn Sie diese exe-Datei doppelklicken, entpackt sie sich undstartet die Installation. Sie erhalten dann dasFenster



Nach Bestätigung mit Continue erhalten Sie:

Klicken Sie auf auf Fertigstellen. Diedarauffolgende Frage zur Lizenzvereinbarungbestätigen Sie:

bei der nächste Frage bzgl. des Installations-pfades wählen Sie den vom Installationspro-gramm vorgeschlagene Pfad

Jetzt werden Sie gefragt, welche Optionen Sieinstallieren wollen

Sie müssen alle Optionen (Office ToolbarAdd-Ins, Documentation und Hilfedateienund Beispieldateien und –programme)ausblenden. Lediglich der Instrument Controlund Automation Server muss aktiviert sein.Dann klicken Sie auf Weiter. Das nächsteDialogmenü bestätigen Sie (Weiter)

Ebenfalls das nächste:



nach einigen Sekunden wird die Installation mit

beendet (Fertigstellen anklicken, vorher “ja ichmöchte Readme-Datei lesen” ausblenden)

Der IO-Library Core ist jetzt installiert.

Im Startmenü erscheint zwar der EintragAgilent Intuilink ; diesen Eintrag können Siejedoch problemlos löschen. Das entscheidendeProgramm, nämlich der Treiber für die serielleSchnittstelle ist in Agilent IO Libraries Corezu finden. Das Programm selbst ist in derDirectory Sicl im root-Verzeichnis IhrerFestplatte abgelegt. Aufgabe dieses IO-LibraryCores ist es, die im HP_VEE Programmverwendete sog. Logical Unit dem gewünschtenphysikalischen Port (COM1 oder COM2)zuzuweisen. Im ProgrammLabor_Platine_22.vxe ist die log. Unit derseriellen Schnittstelle mit 1 gewählt

Jetzt muss die installierte Software konfiguriertwerden, was im Folgenden demonstriert wird.

Klicken Sie in Start Programme denMenüpunkt Agilent IO Libraries Core an.

Dort im Untermenü auf IO Config.Stattdessen können Sie das Konfigurations-programm auch direkt mit Start ààAusführen C:\SICL\bin\iocfg32.exe starten.Sie erhalten dann das Dialogmenü:

Aktivieren Sie im rechten Fenster COM2 unddanach COM1 und entfernen Sie beideEinträge durch Remove . Danach gehen Sieauf das linke Fenster stellen den Cursor aufRS-232 und Klicken auf Configure:

im darauffolgenden Menü können Sie den Port(COM1 oder COM2) wählen über den Sie dieLaborplatine betreiben wollen:



nachdem Sie sich für den Port entschiedenhaben und auf OK klicken, erhalten Siefolgendes Menü (Beispiel hier mit COM1):

Bitte stellen Sie sicher, dass alle Parameterkorrekt eingestellt sind. Insbesondere mussLogical Unit auf 1 stehen und in SICLInterface Name muss der von Ihnengewünschten Port (COM1 oder COM2) stehen..Die Baudrate stellen Sie bitte auf 115200 ein,weiterhin 1 Stop-bit , 8 Datenbits und keinParity-Bit.

Hinweis: an manchen PC's gelingt es nicht, dieBaudrate auf den gewünschten Wert von 115200Baud zu setzen. Macht nichts. Die Einstellungim Instrument-Manager (Konfiguration von HPVEE runtime version) ist vorrangig. Dort mussauf jeden Fall der richtige Wert für die Baudratestehen. Im Prinzip könnten Sie in obigem Menüden vorgeschlagenen Wert von 9600 baud auchlassen.

Bestätigen Sie dann mit OK. Sie kommen dannzurück zum Anfangsmenü des IO-Config-Programms:

Sie erkennen jetzt im rechten Fenster, dassSICL Name auf COM1 steht.

Sie bestätigen mit OK. Damit ist die serielleSchnittstelle konfiguriert, d.h. der logischenEinheit 1 ist der gewünschte physikalische Portzugewiesen. und das Programm HP_VEEruntime kann korrekt auf den von Ihnengewünschten seriellen Port (COM1 oderCOM2) zugreifen.

4.4 Erstellen derVerknüpfung auf demDesktop

Es ist sehr zweckmäßig, zum Start des Pro-gramms ein ICON direkt auf dem Desktop zurVerfügung zu haben. In diesem Kapitel wirdgezeigt, wie Sie dies bewerkstelligen.

Nachdem Sie die Datei Labor_platine_22.zipentpackt haben, kopieren Sie den Ordner La-bor_Platine in das Programmverzeichnis (z.B.in C:\Programme) ihrer Festplatte, wenn Siedies nicht schon beim Entpacken getan haben.Dann stehen alle Dateien und Unterordener imVerzeichnis C:\Programme\Labor_Platine

Jetzt müssen Sie die Verknüpfung La-bor_Platine.run in diesem Ordner anpassen:Sie müssen zunächst prüfen, ob alle Pfadnamenrichtig angegeben sind. Selektieren Sie im Da-tei-Explorer diese Verknüpfung. Wenn Sie mitder rechten Maustaste auf Eigenschaften klik-ken, erhalten Sie folgendes Menü:



Der Eintrag in Ziel ist:

"C:\Programme\Hewlett-Packard\VEE 5.0\veerun.exe" c:\Programme\Labor_Platine\Labor_Platine_22.vxe –maximize

Sie können je nach Bedarf diese Verknüpfungändern, falls der voreingestellte Pfad nichtstimmen sollte (z.B. anderes Program-Verzeichnis oder andere Platte). Sie könnenauch ein anderes ICON-Symbol wählen, wennIhnen das vorgeschlagene ICON-Symbol nichtgefällt. Auch eine Tastenkombination (Short-Key) kann man hier eintragen. Achten Sie auchdarauf dass auch der Pfad in Ausführen inrichtig gesetzt ist. (Von diesem Ordner aus liestund schreibt das Programm die Dateilast_session.set und die anderen Dateien <na-me>.set. Weiterhin werden die frei program-mierbaren Funktionsverläufe in dem Unterord-ner ARBITRARY dieses Ordners gesucht.Wenn alles richtig eingestellt ist, mit OK be-stätigen.

Jetzt selektieren Sie die Verknüpfung im OrdnerLabor_Platine und ziehen diese mit der rech-ten Maustaste auf den Desktop. Dabei wählenSie die Option Verknüpfung(en) hier erstellenaus. Dann haben Sie auf dem Desktop dasICON der Laborplatine, mit dem Sie durchDoppelklicken die Laborplatine starten können.Gegebenenfalls können Sie den unter demICON stehenden Namen nach Ihren Vorstellun-gen ändern. Natürlich kann diese Verknüpfung

auch im Startmenü an geeigneter Stelle als Ver-knüpfung hinkopiert werden.

4.5 Start des Programms

Nach erfolgreicher Installation kann nun dasProgramm gestartet werden, entweder durchDoppelklicken des ICON’s auf dem Desktopoder durch Starten aus der Programmleiste, jenachdem wo (siehe vorhergehendes Kapitel) dieVerknüpfung abgelegt wurde.

Nach Starten des HP-VEE-Programms La-bor_Platine_22.vxe erhalten Sie folgendesDialogmenü:

Falls Sie die Fehlermeldung

bekommen, haben Sie vermutlich bei Device-Configuration bei der Einstellung von VEE-Runtime etwas falsch gemacht. Zur Fehler-beseitigung siehe nächstes Kapitel.

Das Drücken der Resettaste sichert die kor-rekte Synchronisation zwischen PC-Programmund Labor Platine. Ausserdem wird der Labor-platine die Baudrate mitgeteilt, so dass diesemit der vom Instrumenten Manager fest-gelegten Baudrate kommunizieren kann.Empfehlenswert ist immer die höchstmöglicheBaudrate, da damit die Wiederholrate desBildschirmdarstellung des Oszilloskopsfestgelegt ist. So werden bei 115200Baud ca.6-7 Bilder pro Sekunde auf dem Oszilloskopdargestellt. Wenn die Kommunikation über dieserielle Schnittstelle nicht klappt, erscheint dieFehlermeldung



Wenn die vordergründigen Fehler (keineSpannungsversorgung der Laborplatine, keinVerbindungskabel, korrekter Port..) überprüftsind, prüfen Sie die korrekte Zuordnung derSchnittstelle (COM1 oder COM2-Port) in IO-Config (Installation von Intuilink). Wenn alleskorrekt läuft, kommt jetzt das Menü:

Sie haben jetzt die Wahl, die Einstellungen desletzten Laufs zu übernehmen (from lastsession). Diese Einstellungen werden von derDatei last_session.set (Binärdatei) gelesen.

Wenn Sie das erste mal das Programm starten,gibt es diese Datei noch nicht und es erscheintdie Meldung

Nach Bestätigung mit OK liest das Programmdann die Standardeinstellungen(Funktionsgenerator auf Sinus, 1kHz, Oszi auf0,2ms/unit...) . Sie können auch mit “Standard-Settings” selbst die Standardeinstellungeneinlesen. Es ist auch möglich, individuelleEinstellungen, die Sie in einem der vorherigenLäufe in einer selbst benannten Datei abgelegthaben, wieder aufzurufen (abgespeicherteEinstellungen).

Jetzt erhalten Sie die Bildschirmdarstellung derLaborplatine. In der Standardeinstellung hat siedas Aussehen gemäß Bild 4-1

Bild 4-1 : Darstellung der Laborplatine auf dem PC mit den Standardeinstellungen



Unter der Titelzeile befindet sich die Menüleistezum Aufrufen der gewünschtenGerätefunktionen (Oszilloskop, Funktions-generator, Netzteil, Amperemeter, Voltmeter,Service-Funktionen und den STOP-Button.

4.6 mögliche Fehlermeldungen und ihreBeseitigung

Eine häufige Fehlermeldung, die direkt nach demProgrammstart auftritt ist die bereits im letztenKapitel erwähnte Meldung

Man denkt da zunächst an eine korrupte DateiLabor_Platine_22.vxe, der vielleicht beimDownloaden zerstört wurde. Die Ursache liegtjedoch in einem falschen Eintrag beim Instru-mentmanager. Achten Sie darauf, dass beimMenü Device Configuration wie in Kapitel4.2 beschrieben alles richtig eingetragenwurde:

Wenn Name, Adresse oder Interface nichtstimmen (z.B. PC-Platine statt PC_Platine),erscheint die obige, etwas irreführendeFehlermeldung.

Ein anderer Fehler kann auftreten, wenn nacheinem Update der alten Laborplatine mit denneu programmierten Prozessoren die neue PC-Software im gleichen Ordner wie das alteProgramm gestartet wird. Es erscheint dannfolgende Fehlermeldung, wenn die alte Dateilast_session.set noch existiert:

Da die Funktionalität der Software wesentlicherweitert wurde, ist diese Datei bei der neuenSoftwareversion länger und hat nicht dasgleiche Format, so dass sie von der neuenSoftware nicht gelesen werden kann. In diesemFall müssen Sie einfach die Dateilast_session.set löschen. Sie können sich auchbei der Auswahl

für Standard-Settings entscheiden. Dann wirddie Datei last-session.set nicht gelesen, sondernes wird die Standardeinstellung vorgenommenund beim Beenden des Progamms mit derSchaltfläche STOP Program wird die alte,nicht mehr kompatible Datei last_session.setüberschrieben.

Wenn nach Betätigung der Resettaste dasProgramm mit folgender Fehlermeldungaussteigt:

Dann stimmt irgendetwas mit dem Programm-code der Mikrokontroller nicht. In der Datei, diein den Ordner C:\Programme\Labor_Platinegeschrieben wurde, kann man kann man diezulässigen Versionen der Mikrokontroller-programme ablesen. Gegebenenfalls muss man diebetroffenen Mikrokontroller neu programmieren.



5. Bedienung der Laborplatine

Wenn die Laborplatine mit Spannung versorgtwird, starten die Assemblerprogramme mit derReset-Routine. Dann wartet die Laborplatineauf die erste Übertragung von PC aus. Falls dieLaborplatine bereits vorher in Betrieb war,muss unbedingt der Resetknopf betätigt werden,sonst beginnt das Programm auf der Laborpla-tine nicht mit dem Programmstart und Labor-platine und PC sind nicht synchronisiert.

Daher kommt nach dem Starten des ProgrammsLabor_Patine_22.vxe immer die Meldung

Nach dem Drücken des Reset-Knopfes versuchtdas Programm, die Kommunikation mit derLaborplatine über die Datenverbindung (seriel-les Interface oder USB-Interface) aufzunehmen.Dabei wird von der Laborplatine die Baudratefestgestellt, mit der der PC kommuniziert. Fallsdies fehlschlägt und der PC keine Antwort vonder Laborplatine erhält , kommt die Fehlermel-dung

Wenn die vordergründigen Fehler (keineSpannungsversorgung der Laborplatine, keinVerbindungskabel, korrekter Port..) überprüftsind, prüfen Sie die korrekte Zuordnung derSchnittstelle (COM1 oder COM2-Port) in IO-Config (Installation von Intuilink).

Falls Sie die direkt nach dem Start dieFehlermeldung

bekommen, müssen Sie die Device-Configuration bei der Einstellung von VEE-Runtime korrigieren (siehe Kapitel 4).

Nach Berechnung der Baudrate wird dem PC-Programm die Versionsnummern derAssemblerprogramme mitgeteilt. Wenn dieProgramme nicht kompatibel sind, kommt eineentsprechende Fehlermeldung (siehe vorigesKapitel). Wenn alles in Ordnung ist, erscheintdas folgende Auswahlmenü:

Im allgemeinen wird man die Voreinstellungfrom last Session wählen. Das Programm liestdie Datei last_session.set und nimmt alleEinstellungen so vor wie beim letzten Lauf.

Nach Bestätigung mit OK ist die Laborplatinefür die Arbeit bereit. Wenn das Programmläuft, benötigt dies sehr viel Systemresourcen.Andere Programme können praktisch nichtgleichzeitig laufen oder werden in IhrerReaktion sehr träge.

Der Zugriff auf die verschiedenen Geräte er-folgt über die Hauptmenüleiste (siehe Bild 5-1),indem man die gewünschten Geräge über dieSchaltflächen aktiviert.

Mit der Schaltfläche STOP-Program kann das

Bild 5-1 : Hauptmenüleiste der Laborplatine



Programm beendet werden: Man positioniertden Cursor auf die Schaltfläche und drückt dielinke Maustaste. Dann wird die Dateilast_session.set in das ArbeitsverzeichnisC:\Programme\Labor_Platine geschrieben,und Ihnen stehen beim nächsten Mal die zuletzteingestellten Regler- und Schalterpositionensowie die Positionen und Zustände dereingestellten Fenster zur Verfügung. BeendenSie das Programm immer mit dem "Druck" aufdie Schaltfläche STOP Program . Wenn Siedas Programm -wie Sie es von anderenWindows-Programmen kennen - mit derSchaltfläche r ganz oben rechts beenden, wirddie Datei last_session.set nicht geschrieben,und die aktuellen Einstellungen gehen verloren.

Über die Schaltfläche Service-Funktionskönnen verschiedene Dienstprogramme gestar-tet werden, die im Kapitel 5.6 erklärt sind.

Die Geräte

• sDual-Power-Supplys• sAmperemeters• sVoltmeters• sOscilloscopes• sFunction-Generators

können durch Positionieren des Mauszeigersauf die entsprechenden grauen Schaltflächenund Betätigen der linken Maustaste in denVordergrund bzw. bei nochmaligem Aktivierenwieder in den Hintergrund geschoben werden.

Links neben der Schaltfläche befindet sich nochein kleines quadratisches Anzeigefenster: wenndies grau, ohne Buchstaben ist , liegt dasentsprechende Gerät im Hintergrund, ansonstenerscheint die Anzeige s für small (kleineDarstellung) oder L für Large (großeDarstellung). Beim Oszilloskop gibt es keineKleinanzeige sondern nur die L für normaleAnzeige oder eine übergroße Darstellung desAnzeigeschirms XL (extra Large).

Die Gerätefenster sind mit der Maus verschieb-bar, indem der Mauszeiger auf den gold-beigenHintergrund der “Geräte“ positioniert und danndie linke Maustaste gedrückt wird. Das “Gerät”hängt dann am Mauszeiger und kann beliebigverschoben werden. Nach Loslassen der linkenMaustaste bleiben die Funktionsfenster an der

gewählten Stelle. In jedem Funktionsfenster gibtes die – auch von anderen Windows-Programmen bekannten – Einstell ICONs :0 1 2 . Mit dem Symbol 0 kann dasGerätefenster geschlossen werden. Mit demSymbol 1 lässt sich das Gerätefenster ver-größern und die Einstellungen an Schiebereg-lern und Schaltern vornehmen. Das Oszilloskoplässt sich mit diesem Symbol vom Display herstark vergrößern, aber es gibt dann nur wenigeEinstellmöglichkeiten. Mit dem Symbol 2kann das Fester verkleinert werden.

Alle Fensterpositionen werden gespeichert,wobei die kleinen und großen Gerätefensterjeweils unabhängig voneinander positioniertwerden können. Auch beim Beenden desProgramms über die STOP-Program –Schaltfläche werden die Fensterpositionen inder Datei “last_session.set” abgespeichert.Damit kann jeder seine “Geräte” entsprechendseinem persönlichen Geschmack auf demBildschirm platzieren.

5.1 Dual-Power-Supply

Das Netzteil kann mit einem kleinen und einemgroßen Gerätefenster dargestellt werden. Diesebeiden Fenster sind in Bild 5-2 gezeigt.

Mit dem Symbol 0 kann das jeweiligeGerätefenster geschlossen werden. Mit demSymbol 1 des kleinen Gerätefensters lässt sichauf das große Gerätefenster umschalten. Mitdem Symbol 2 auf dem großen Gerätefensterlässt sich dieses in das kleine Gerätefensterumwandeln.

Beim großen Gerätefenster werden die einge-stellten Spannungen neben der digitalen Anzeigenoch mit je einem „Zeigerinstrument“ darge-stellt. Ausserdem lassen sich nur bei der großenDarstellung die Spannungen über Schiebereglerändern.

Bedienungselemente:

ON/OFF Über die Schaltfläche ON/OFF lässtsich das Netzgerät ein- und ausschalten. DerZustand wird über der Schaltfläche angezeigt.( ON oder OFF ) Im OFF-Zustand bleiben dieeingestellten Spannungswerte erhalten (Positionder Schieberegler), aber der Ausgang wird ab-



geschaltet. Unabhängig von der Gerätedarstel-lung (kleines Fenster, großes Fenster oder Gerätim Hintergrund) ist das Netzgerät aktiv, wennes vorher mit ON/OFF eingeschaltet wurde undausgeschaltet, wenn es mit ON/OFF ausge-schaltet wurde. Der Zustand EIN/AUS wirdalso nicht durch die Fensterdarstellung beein-flusst! Anders gesagt: Wenn das Gerät in denHintergrund gelegt wird ist es nur dann inaktiv,wenn es vorher ausgeschaltet wurde.

Spannungsregler: Über je einen Schiebereglerkann man die negative Spannung von 0 bis–12V und die positive Spannung von 0 bis+12V einstellen. Die Skalierung der Schiebe-regler reicht von 0 bis 100(%). Die Einstellungbleibt unabhängig vom Zustand ON oder OFFbestehen.

Anzeige: Die eingestellten Spannungen könnendigital und im großen Funktionsfenster zusätz-lich noch mit einem „Zeigerinstrument“ „ana-log“ abgelesen werden. Die abgelesene Span-nung wird mit der DVM-Einheit auf der Platinegemessen und stellt damit die real vorhandeneSpannung dar.

Überlastanzeige: Überlast (Überschreiten desmaximal erlauben Stromes) wird auf der Platinedurch eine rote LED angezeigt. Gleichzeitigerfolgt auf dem PC im Zeigerinstrument dieMeldung Current-Limitation , die rot hinter-legt ist (im folgenden Bild ist bei der negativenSpannung ein Kurzschluss vorhanden)

Diese Anzeige erscheint auch beim kleinen Fen-ster rechts neben der Digitalanzeige (Strombe-grenzung der positiven Spannung) :

Je nach Belastung bricht auch die Spannungzusammen, was man an der Anzeige sehenkann.

Falls keines der beiden Fenster aktiv ist, und dieStrombegrenzung einsetzt, wird die Meldungüber die Strombegrenzung in einem Feld unter-halb der Schaltfläche des Hauptmenüs ange-zeigt; allerdings wird nicht unterschieden, obdie Strombegrenzung bei der negativen oderpositiven Spannung eingesetzt hat:

5 5 großes Gerätefenster

3 3 kleines Gerätefenster

Bild 5-2 : Gerätefenster des Doppelnetzteils



Die Strombegrenzung setzt bei dem Strom ein,der durch die Widerstände R501 bzw. R551 fest-gelegt wurde, und der unter anderem durch dieGröße der Kühlkörper bestimmt ist. (SieheKapitel 2). Eine variable Einstellung derStrombegrenzung ist bei der Laborplatine nichtvorgesehen.

5.2 DC-Voltmeter

Das DC-Voltmeter kann mit einem kleinen undeinem großen Gerätefenster dargestellt werden:

DC-Voltmeter: großes Gerätefenster

DC-Voltmeter: kleines Gerätefenster


Die Spannungsmessung erfolgt nach einemmodifizierten Dual-Slope-Verfahren. Die Mess-zeit beträgt 20ms, so dass 50Hz-bedingte stö-rende Überlagerungen ausgefiltert werden. Einedetailierte Beschreibung finden Sie im Kapitel„Technische Erläuterungen“.

Bedienungselemente:

Auf dem großen Gerätefenster kann man denSpannungsmessbereich umschalten: "2V - 5V -10V - 20V" . Diese Einstellung entspricht je-weils dem Vollausschlag des „Zeigerinstru-ments“. Eine Einstellung des Spannungsmess-bereichs im kleinen Gerätefenster ist nichtmöglich.

Der Innenwiderstand RIN des Spannungsmes-sers beträgt unendlich im niedrigen Span-nungsbereich (2V) und 1,1MΩ im den anderenSpannungsbereichen (2V, 5V, 20V)

Die Anzeige erfolgt digital. Beim großen Gerä-tefenster hat man zusätzlich noch ein „Zeigerin-strument“. Der Zeiger der „Analoganzeige“ gibtimmer den absoluten Wert an. Im grauen Feldder Analoganzeige wird unten ein + oder – Zei-chen, je nach Polarität eingeblendet.

Wenn der Spannungsbereich überschrittenwird, wird dies durch die rot hinterlegte Mel-dung Range too small signalisiert :

Man muss dann auf einen niedrigeren Bereichschalten.

Der Spannungsmesser lässt sich nicht ausschal-ten. Er ist immer aktiv. ( ON ). Wenn das DC-Voltmeter nicht benötigt wird, legt man es ein-fach in den Hintergrund.



5.3 DC-Amperemeter

Das DC-Amperemeter kann mit einem kleinenund einem großen Gerätefenster dargestelltwerden:

DC-Amperemeter: großes Gerätefenster

DC-Amperemeter: kleines Gerätefenster


Die Strommessung erfolgt nach einem modifi-zierten Dual-Slope-Verfahren. Die Messzeitbeträgt 20ms, so dass 50Hz-bedingte störendeÜberlagerungen ausgefiltert werden.

Bedienungselemente: Auf dem großen Geräte-fenster lässt sich der Messbereich einstellen:60µA, 200µA, 600µA, 2mA, 6mA, 20mA,60mA und 200mA . Die Einstellung entsprichtjeweils dem Vollausschlag des „Zeigerinstru-ments“ .

Je nach Messbereich ist die Genauigkeit ca. 2%des gewählten Bereichs (bei 2mA also 40µAUngenauigkeit). Das Amperemeter hat einenEingangswiderstand nach Masse von2,6MEGΩ. Zum besseren Verständnis ist dieEingangsschaltung in Bild 5-3 angegeben. Eshandelt sich um einen gewöhnlichen Subtra-hierverstärker.

Je nachBereich

RM

2,2MΩ

R1

2,95MΩ

R2

-AMP

2,2MΩ

R3

2,95MΩ

R4

+AMP

Zum A/D-Wandler

UAMP

Bild 5-3: Eingangsschaltung des Amperemeters

Die Spannung zwischen den Ampereklemmen+AMP und –AMP und Masse (UAMP) muss imBereich –12V...+12V liegen. (Gleichtaktein-gangsspannungsbereich)

Der Messwiderstand RM des Amperemeters istje nach gewähltem Messbereich:

0,5Ω für 60mA und 200mA4,7Ω für 6mA und 20mA43Ω für 600µA und 2mA470Ω für 60µA und 200µA

Über Miniaturelais wird der MesswiderstandRM umgeschaltet. Wenn der Strommessbereichüberschritten wird, wird dies durch die rot hin-terlegte Meldung Range too small (großesFenster) bzw. Overload (kleines Fenster) si-gnalisiert:

Diese Meldung erscheint im grau hinterlegtenFeld des Zeigerinstruments. Man muss dannauf einen nächsthöheren Bereich umschalten.

Eine Feinsicherung zum Schutz des Ampereme-ters ist nicht vorhanden. Die Messwiderständedes DC-Amperemeters (R407 – R411) sind daherbewußt als Metallfilmwiderstände ausgelegt.Falls bei versehentlicher Falscheinstellung desStrommessbereichs die Messwiderstände über-hitzt werden und evtl. durchbrennen, könnendiese leicht ausgewechselt werden.



Das Amperemeter lässt sich nicht ausschalten.Er ist immer aktiv. ( ON ). Wenn das DC-Amperemeter nicht benötigt wird, legt man eseinfach in den Hintergrund.

5.4 Funktionsgenerator

Wichtiger Hinweis: In der SMD-Version mussdie PLL des Funktionsgenerator unbedingt ab-geglichen werden, bevor Sie den Funktionsgene-rator benutzen. Andernfalls stimmen die einge-stellten Frequenzwerte nicht immer mit dertatsächlichen Frequenz überein, da die PLL nichtin jedem Fall einrastet. Der Abgleich ist sehreinfach und kann ohne zusätzliche Messinstru-mente vorgenommen werden. Er ist in KapitelService-Funktionen: 5.6.3.3 beschrieben.

Der Funktionsgenerator kann mit einem kleinenund einem großen Gerätefenster dargestelltwerden. Diese beiden Fenster sind in Bild 5-4gezeigt.


Im kleinen Gerätefenster werden die Einstell-werte nur zur Information angezeigt, lassen sich

aber nicht einstellen. Man kann im kleinen Ge-rätefenster lediglich den Funktionsgenerator ein-und ausschalten.

Im großen Gerätefenster lassen sich alle Ein-stellungen des Funktionsgenerators durchMaus und Tastatur am PC vornehmen. DerAusgang des Funktionsgenerators kann einenStrom von maximal ±20mA liefern (Ausgangeines OP’s) . Amplitude und Offset der Span-nung lassen sich in weiten Grenzen ebenfallseinstellen. Die frei programmierbare Funktionmuss über einen Ascii-Textfile (<name>.txt) indas EEPROM des Funktionsgenerators einge-lesen werden.

Bedienungselemente:

ON/OFF : Über diese Schaltfläche lässt sichder Funktionsgenerator ein- und ausschalten.Der Zustand ( ON oder OFF ) wird über demSchalter in dem rechteckigen Feld angezeigt.

Waveform: (Signalform): Über einen Schiebe-schalter (mit der Maus bedienbar) lässt sich diegewünschte Kurvenform einstellen. Die pro-grammierbare Funktion muss vorher durchLaden eines Funktionsverlaufes programmiertwerden.

Frequenzeinstellung: Die gewünschte Fre-quenz muss über eine Bereichseinstellung (Fre-quency coarse) und eine Feineinstellung (Fre-

5 5 großes Gerätefenster

3 3 kleines Gerätefenster

Bild 5-4: Gerätefenster des Funktionsgenerators



quency Fine) erfolgen. Die Frequenz lässt sichvon 0,1Hz bis 32kHz (Sinus) ,0,1Hz bis70kHz(Sägezahn und Rechteck), 0,1Hz bis 35kHz(Dreieck) und 0,1Hz bis 19kHz (frei pro-grammierbarer Verlauf) einstellen. Die Fre-quenzfeineinstellung lässt sich mit der Maus amSchieberegler oder über das weisse Feld überdem Schieberegler per Tastatur (Zahleneinga-be) eingeben.

Amplitudeneinstellung: Wie bei der Fre-quenzeinstellung muss die gewünschte Ampli-tude über eine Bereichseinstellung (Amplitudecoarse) und eine Feineinstellung (Amplitudefine) vorgenommen werden. Der maximaleWert des Ausgangssignals ist 10VPP. Über dieGrobeinstellung kann die Amplitude schrittwei-se um je 10dB abgeschwächt werden. Bei derFeineinstellung wird immer der Amplitudenwertals Spitze-Spitze-Wert eingestellt, und im wei-ßen Feld über dem Schieberegler angezeigt. DieAmplitudenfeinstellung lässt sich mit der Mausam Schieberegler oder über das weisse Feldüber dem Schieberegler per Tastatur eingeben.Die minimale Signalamplitude ist 10mVpp

Offset: Auf das Ausgangssignal kann noch einSpannungsoffset gegeben werden. Der Schie-beregler zeigt den maximale und minimalenWert als Spannungswert an. Er hängt von derAmplitudengrobeinstellung ab und entsprichtder Hälfte des durch den Amplitudenfeinreglermaximal einstellbaren Wertes (Beispiel: bei -20dB ist der max. Amplitudenwert 1VPP ; dannist der einstellbare Offsetwert ±0,5V ). DieOffseteinstellung lässt sich mit der Maus amSchieberegler oder über das weisse Feld überdem Schieberegler per Tastatur eingeben.

Duty-Cycle: (Tastverhältnis) Diese Einstellunghat nur Einfluss auf das Rechtecksignal. Eskann mit diesem Regler das Tastverhältnis von1% bis 99% eingestellt werden.

Der Mikrokontroller des Funktionsgeneratorshat ein EEPROM von 64Byte. Dieser Speicherkann mit Funktionswerten beschrieben werdenund gibt diese Werte nacheinander periodischauf den D/A-Wandler, so dass am Ausgang einperiodischer Funktionsverlauf mit einer Auflö-sung von 8 bit und 64 Stützwerte pro Periodezur Verfügung steht. Die frei programmierbareFunktion ist nur dann verfügbar, wenn dieFunktionswerte vorher in das EEPROM gela-

den wurden. Auch nach dem Ausschalten undneuerlichem Einschalten der Laborplatine stehtdie programmierbare Funktion zur Verfügung.

5.4.1 Frei programmierbare Funktion

Die Daten für die Programmierung diesesFunktionsverlaufes müssen in einem ASCII-File(endung .txt) im Ordner ARBITRARY abge-legt sein. Dieser Ordner befindet sich als Unter-ordner in dem Ordner Labor_Platine z.B. inC:\Programme\Labor_Platine\ARBITRARYIn diesem Ordner befinden sich nach der In-stallation bereits einige Beispieldateien, so dassim Zweifelsfalle diese Dateien eingesehen wer-den können. Diese Dateien sind Ascii-Dateienund haben folgenden Aufbau:

1.Zeile: Titelzeile, beliebiger Text zur Be-schreibung des Spannungsverlaufs, be-ginnend mit einem Stern

2.Zeile: hier steht in eckiger Klammer dasWort [arbitrary]

3.Zeile: hier wird der Text data_range =<unterer Wert>,<oberer Wert> ange-geben. Die in den nächsten Zeilen ange-gebenen Werte müssen innerhalb desdurch <unterer Wert> und <obererWert> angegebenen Bereich liegen. Zwi-schen unterem und oberem Wert werdendie angegebenen Datenwerte mit einerAuflösung von 8bit (256 Werte) in denBereich zwischen 0 und 255 abgebildet.

4.Zeile und folgende: hier wird die Stützstel-len und der zugehörige Wert angegeben:<Stützstelle> = <Stützwert> Die Stützstellen müssen von 0 beginnendin aufsteigender Reihe bis 63 angegebenwerden. Die Stützwerte müssen im Zah-lenbereich zwischen <unterer Wert>und <oberer Wert> liegen, wie in der3.Zeile angegeben wurde. Es dürfen auchStützstellen fehlen, dann werden die feh-lenden Stützstellen mit dem jeweils letz-ten Stützstellenwert aufgefüllt. In jedemFall müssen die Stützwerte in aufsteigen-der Reihenfolge eingegeben werden.

Beispiel: Treppenfunktion mit 4 in zeitlichemAbstand und in der Amplitude äquidistantenStufen:



t

UAUS

Insgesamt besteht die Treppe aus 64 Stützwer-ten: die ersten 16 Stützstellen müssen auf denuntersten Wert gesetzt werden, die nächsten aufden nächsthöheren Wert u.s.w. Am bestenwählt man für Data-range einen Bereich, wo essich einfach rechnen lässt: z.B. 0 bis 3 . DerASCII-File besteht aus 7 Zeilen und kannfol-gendermassen aussehen:

* Treppe mit 4 äquidistanten Stufen

[arbitrary]data_range = 0,30 = 016 = 132 = 248 = 3

Die Werte 0,1,2 und 3 werden wegen der An-gabe in der 3.Zeile (data-range) auf den Bereich0..255 abgebildet. 0=0, 1=85, 2=170 , 3= 255

Es dürfen bei der Eingabe an beliebiger StelleBlanks (Leerzeichen) gesetzt werden.

Einlesen der Dateien in den Funktionsgene-rator: Diese Dateien können im VerzeichnisC:\Programme\Labor_Platine\ARBITRARYstehen. Die gewünschte Datei kann über dieService Funktionen eingelesen werden. Positio-nieren Sie den Cursor auf die SchaltflächeService-Funktions und drücken Sie die linkeMaus-Taste. Dann erhalten Sie das Auswahl-menü, bei dem Sie den letzten Eintrag (Loaddatas for programmable Function (Function-Generator) auswählen und dann mit OK be-stätigen:

Dann erhalten Sie ein Menü zum Auswählen dergewünschten Ascii-Datei. Sie können sich durchdie gesamte Dateihierarchie bewegen, bis Sie dieTextdateien im gewünschten Ordner gefundenhaben.

Dort wählen Sie die gewünschte Ascii-Datei ausund klicken auf Öffnen. Dann erhalten Sie dasMenü:

Als Text erscheint jetzt die erste Zeile der Datei(Titelzeile). Wenn Sie mit OK bestätigen,erhalten Sie die Meldung

wenn die Übertragung der Daten ohne Fehlerstattfand. Falls die Datei fehlerhaft ist, wird eineentsprechende Meldung ausgegeben. So ist z.B.bei der folgenden Meldung die dritte Zeile dereingelesenen Datei nicht korrekt geschrieben:

Sobald die Übertragung erfolgreich war, kanndie so programmierte Funktion mit demFunktionsgenerator als Spannungsverlauf aufdie Ausgangskleme gegeben werden.



5.5 Oszilloskop

Das Oszilloskop ist ein hardwaregetriggertesdigitales 2-Kanal-Speicheroszilloskop. DieSpannungsauflösung ist 8 bit, die Zeitauflösungbeträgt 512 Punkte bei zweikanaliger und 1024Punkte bei einkanaliger Darstellung. Es kann miteinem normalen und einem übergroßen Geräte-

fenster dargestellt werden. Diese beiden Fenstersind in Bild 5-5 gezeigt. Mit dem Symbol 0kann das jeweilige Gerätefenster geschlossenwerden. Mit dem Symbol 1 des normalenGerätefensters lässt sich auf das übergroßeFenster umschaltenrätefenster (XL) umschalten.

5 5 übergroßeDarstellung(XL)

33 Standard-Darstellung(L)

Bild 5-5:Gerätefensterdes 2-KanalOszilloskops



Mit dem Symbol 2 auf dem übergroßenGerätefenster lässt sich dieses in das normaleGerätefenster umwandeln.

Wie den Gerätedarstellungen zu entnehmen ist,sind bei der übergroßen Darstellung – diese isteher zur Demonstration gedacht – nur wenigeEinstellungen verfügbar. Im Bedarfsfall mussman dann auf die Standard-Darstellung um-schalten. Dort sind alle Einstellungen möglich.

Die Standarddarstellung zeigt auf der linkenSeite den Oszilloskopschirm mit der üblichenEinteilung 10 Einheiten in x-Richtung und 8Einheiten in y-Richtung. Der Kanal Y1 wirdgelb und Kanal Y2 wird hellblau dargestellt.Auf der linken Seite des Displays am Rande istin einem grau hinterlegten Balken dieNulllininemarkierung für beide Kanäle zusehen, die mit der Einstellung Y-Position desjeweiligen Kanals übereinstimmt und mitdieser auch verändert werden kann. Amunteren Rand des Displays werden dieEinstellungen für die Empfindlichkeit derbeiden Kanäle und die Zeitbasis der x-Achseeingeblendet. Zur besseren Unterscheidung istauch hier die Angabe für den Kanal Y1 gelbund für Y2 hellblau unterlegt.

Wenn die Signale zu groß werden, und überden unteren oder oberen Rand hinausgehen,wird im grauen Rand auf der rechten Display-Seite diese Übersteuerung mit einem > oder <Zeichen signalisiert:

Um die Kanäle besser unterscheiden zu könnensind diese Symbole gelb (für Y1) und blau (fürY2) hinterlegt. Im Bild sind beide Kanäle beid-seitig übersteuert. Diese Funktion ist besonders

wichtig, wenn die Signalamplituden klein undder DC-Wert nicht bekannt ist. An Hand derÜbersteuerungsanzeigen weiss man, in welcheRichtung die Y-Position verändert werdenmuss.

5.5.1 Hauptmenu

Auf der rechten Seite des Oszilloskops befindensich die Bedienelemente für alle Einstellungen;dort finden sich auch die Symbole 0 1 und2 zur Steuerung der Gerätedarstellungen.Wegen des beschränkten Platzes müssen ver-schiedene Einstellungen über SETUP-Menüsausgeführt werden.

5.5.1.1 Ablaufsteuerung

Für die Ablaufsteuerung ist das Feld

zuständig. Die drei grau hinterlegten FelderRUN , STOP , ERASE sind “Tasten”, auf dieman den Cursor setzen und mit der linkenMaustaste “betätigen” kann. Im obersten Feldwird der aktuelle Zustand gekennzeichnet . MitRUN wird der Sampleprozess eingeleitet. STOPbeendet die Messung, die letzte Messung bleibtjedoch auf dem Display bestehen. Mit ERASElässt sich das Display im gestoppten Zustandlöschen.

Wenn man das Oszilloskop mit RUN gestartethat, und der Abtastprozess eine Triggerbedin-gung vorfindet (getriggert), so dass sich beieinem periodischen Vorgang ein stehendes Bildergibt, dann zeigt das Feld über der Ablauf-steuerung den getriggerten Zustand an:



Im nicht getriggerten Zustand ist dieses Feldgrau, ohne Text (siehe vorletztes Bild). DieseAnzeige erscheint synchron mit der Trigger-LED auf der Hauptplatine.

5.5.1.2 Mittelwertbildung

Unter dem Feld für die Ablaufsteuerung findetsich eine Einstellmöglichkeit für eine Mittel-wertbildung der Messwerte, die bei periodischenMessungen sehr sinnvoll sein kann, um unkor-relierte Störungen wie nichtsynchrone perio-dische Störungen oder Rauschen auszufiltern:

Die Zahl neben dem Schiebeschalter gibt dieZeitkonstante der Filterung an: Bei derEinstellung NO wird nicht gemittelt, die Zahl 32gibt die stärkste Filterung an. Die Darstellungauf dem Display wird dann geglättet und esergeben sich weniger Schwankungen vonMessreihe zu Messreihe. Je größer n ist, destobesser ist die Filterung, desto langsamer reagiertfreilich das Oszilloskop.

Wenn das Signal nur leicht verrauscht ist (wie esin der Praxis eigentlich immer zutrifft), dannkann diese Filterung die effektive Auflösungverbessern. Dies ist insbesondere bei einer FFT-Analyse manchmal sehr sinnvoll um den“Rauschteppich” des Quantisierungsrauschensabzusenken.

Für nichtgetriggerte Signale ist diese Filterungnatürlich nicht anwendbar.

5.5.1.3 Messung von Kenngrößen

Wenn die grau hinterlegte Schaltfläche Measureaktiviert wird, wird im Feld unter derSchaltfläche ON angezeigt.

Gleichzeitig erscheint ein dunkelgrün hinter-legtes Messfenster direkt rechts neben demOszillsokopfenster, das wie die Gerätefensterbeliebig verschiebbar ist.

In diesem Fenster werden die Kenngrößen VPP

(Spitze-Spitze-Wert) und der (wahre)Effektivwert (Vrms) der Spannung beiderKanäle angegeben. Nähere Erläuterungenkönnen Sie dem Kapitel “TechnischeErläuterungen” entnehmen.

Durch wiederholten Druck auf die SchaltflächeMeasure wird die Berechnung dieser Wertewieder unterbunden und das Messfensterverschwindet.

5.5.1.4 Screendump

Wenn die grau hinterlegte SchaltflächeScreendump aktiviert wird, werden die aktu-ellen Messungen, die gerade auf dem Oszillo-skop erscheinen abgespeichert.

Es lassen sich das Oszilloskopfenster als .jpg-Datei abspeichern, ebenso können die Messwerteals Zahlenwerte in bis zu 2 Ascii-Dateiengeschrieben werden. Während des Speichervor-gangs wird die Schaltfläche Screendump miteinem Fenster überlagert, das die gerade aus-führende Abspeicherung illustriert. Im folgendenBild wird gerade eine Ascii-Datei mit 512 Mess-werten abgespeichert.

Zur Festlegung der gewünschten Screendump-Funktionen müssen diese im HauptmenüService-Functions aktiviert werden. Einedetailierte Beschreibung der Screendump-Möglichkeiten ist im Kapitel 6.6.4 beschrieben.



5.5.1.5 Bildschirmdarstellungen (Mode)

Das Oszilloskop misst die Eingangsspannungen(Y1 oder Y2) in äquidistanten Zeitabschnitten.Die gemessenen Daten lassen sich mit demSchalter Mode auf 3 verschiedene Artendarstellen:

Main: Dies ist die übliche Darstellung, wennman die beiden Spannungen Y1 und Y2 alsFunktion der Zeit (x-Achse ist die Zeit)darstellen möchte.

x-y: Hier werden Zeitpunkt für Zeitpunkt dieMessdaten des Kanals 1 in waagrechter und dieMesswerte des Kanals 2 in senkrechter Richtungaufgetragen. Diese Darstellung ist für dieDarstellung von Lissajous-Figuren interessant.Um eine geschlossene Lissajous-Figurdarzustellen, müssen natürlich bei beidenKanälen mindestens eine Periode gemessenwerden. Dies überprüft man vorher im Main-Modus

FFT(Y1) bzw. FFT(Y2): Aus den gemessenenWerten wird über eine Fast-Fourier-Transfor-mation die spektralen Komponenten der Span-nung Y1 bzw Y2 als Funktion der Frequenzdargestellt.

5.5.2 Setup-Menü

Da der Platz auf dem PC-Monitor beschränktist, müssen die meisten Einstellungen über dieverschiedenen Setup-Menüs vorgenommenwerden. Hierzu wird der Mauszeiger über dieentprechende Fläche positioniert und die linkeMaustaste betätigt.

Dann erscheint neben dem Gerätefenster desOszilloskops das entsprechende Setup-Menü.Das jeweils dargestellte Setup-Menü lässt sichwie auch die Gerätefenster beliebig auf demMonitor verschieben.

Die ersten beiden Setup-Menüs beziehen sichauf den Kanal Y1 (Channel 1) und Y2(Channel 2) . Beide Setup-Menüs sind – bis aufdie Farbe – völlig identisch. In diesen Setup-Menüs werden alle Einstellungen für die beidenKanäle vorgenommen. Mit dem Setup-MenüTimebase kann die Zeitablenkung eingestelltwerden. Mit Trigger können alle Einstellungenfür die Triggerung vorgenommen werden. DasMenü FFT erlaubt, die Parameter für dieSpektralanalyse einzustellen. Mit derSchaltfläche show all kann man in einemseparaten Fenster alle Setup-Einstellungen alsÜbersichstmenü darstellen. Es ist immer nur einsder Setup-Menüs sichtbar, sobald ein Setup-Menü gewählt wird, verschwindet ein ggf.vorher aktiviertes Setup-Menü.

Mit der grau hinterlegten Schaltfläche hide allkann man das vorher aktivierte Setup-Menüwieder löschen.

5.5.2.1 Setup-Menü Channel 1 bzw. Channel 2

Wenn die Schaltfläche Channel 1 bzw Channel 2aktiviert wird, können die Einstellungen für diebeiden Kanäle vorgenommen werden.Representativ soll hier nur der Kanal Y1 gezeigtwerden, da sich das Setup-Menü für den Kanal2 (Y2) nur durch die Farbe des Fenstersunterscheidet.

Nach Aktivieren der Schaltfläche Channel 1(Mauszeiger über die Schaltfläche und Betätigender linken Maustaste) erscheint direkt neben demOszilloskop-Fenster das Setup-Fenster:



Beschreibung der Funktionen von links nachrechts und von oben nach unten:

y-Pos: Einstellung der Nulllinie; die Skala istin Units (1Unit=1Kästchen auf demDisplay) geeicht.

Pos-Value: der Wert von y-Pos in unitsPos-Select: hier kann gewählt werden, ob der

Regler y-Pos mit der feinen Einteilung(-4 bis +4) oder mit der grobenEinstellung (-25 bis +25) versehen wird.Wenn von fine auf coarse (fein auf grob)geschaltet wird, wird der vorhereingestellte Wert von fine auf null gesetzt.Wenn man von grob (coarse ) zurücknach fine schaltet, so wird die dannmögliche Feineinstellung auf dieGrobeinstellung hinzuaddiert.

Probe: man stellt hier ein, ob man einenTastkopf 1:1 oder 1:10 verwendet. DieAnzeige auf dem Dispölay und dieEinstellwerte in Volt/Div werdenentsprechend dem verwendeten Tastkopfumgerechnet.

Invert: Das dargestellte Signal wird auf demDisplay normal oder invertiert dargestellt

Modus (OFF,GND,DC,AC): beiOFF wird der Kanal ausgeschaltet,GND hat den Kanal eingeschaltet, aberder Eingang liegt auf Masse,

DC: direkte Kopplung,(Gleichspannungsverstärker),AC: Kopplung über Koppelkondensatormit einer Zeitkonstante von 0,1sec.

Volt/Div: hier wird die Empfindlichkeit desEingangs eingestellt. Diese Einstellungerfolgt hardwaremäßig um keine Auflösungzu verlieren.

Vernier: Feineinstellung der Empfindlichkeit,wird softwaremäßig realisiert.

5.5.2.2 Setup-Menü Timebase

Wenn die grüne Schaltfläche Timebase aktiviertwird, kann die Einstellung für die Zeitbasiserfolgen. Wenn der Mauszeiger über die FlächeTimebase positioniert wird und die linkeMaustaste gedrückt wird, erscheint direkt nebendem Oszilloskop-Fenster das Setup-Fenster

Die Zeitbasis kann zwischen 5µs/Unit bis5s/Unit eingestellt werden, indem man denMauszeiger auf die gewünschte Zeitablenkungpositioniert und mit der linken Maustastebestätigt.

Bei der graphische Darstellung auf dem Displaysind 50 (bzw. 100) Messpunkte pro Unit beizwei (bzw. ein-) kanaliger Darstellungvorgesehen. Da insgesamt 512 (bzw. 1024)zeitlich äquidistante Messungen gemachtwerden, werden die letzten 12 bzw 24Messpunkte auf dem Display nicht angezeigt.



5.5.2.3 Setup-Menü Trigger

Wenn die rote Schaltfläche Trigger aktiviertwird, können die Triggereinstellungen verändertwerden. Nach dem Aktivieren erscheint direktneben dem Oszilloskop-Fenster das Setup-Fenster:

Beschreibung der Funktionen von links nachrechts und von oben nach unten:

Trigger-Level: Einstellung desSpannungswertes, bei dem die Triggerungausgelöst wird. Die Skale ist in Units(1Unit=1Kästchen auf dem Display)geeicht. Da man von –5,5 bis +5,5 undeinstellen kann, können auch Spannungs-werte ausserhalb des im Display darge-stellten Bereichs zur Triggerung heran-gezogen werden.

Slope: hier wird eingestellt, ob die Abtastungbei einer negativen oder positiven Flankeerfolgt.

Mode (Normal, Auto, Single, Auto-Level): beiNormal wird eine Abtastsequenz nur dannausgelöst, sobald eine Triggerbedingunganliegt. beiAuto wird ebanfalls eine Abtastreihe

ausgelöst, wenn die Triggerbedingunganliegt. Fehlt diese jedoch länger als 1Sekunde, dann startet die Abtastsequenz,auch ohne dass ein Triggersignal anliegt.Single: (Einzelabtastung) das Oszilloskopwartet auf einen Triggerimpuls, löst dieAbtastsequenz aus und schaltet sich danachauf Stop und führt keine weiterenAbtastungen mehr aus. Durch neuerlichesAktivieren der Taste RUN in derAblaufsteuerung wird eine weiterereEinzelabtastung abgewartetAuto-Level: wie Auto, zusätzlich wird dermaximale und minimale Y-Wert ermitteltund der Schieberegler “Tirgger-Level”automatisch auf 50% der Amplitudegesetzt.

Source: hier wird die Triggerquelle eingestelt:externe Triggerung, Kanal Y1 oder KanalY2.

Coupling: Wahlweise kann der Triggereingangdirekt (DC) oder über einen Kondensator(Zeitkonstante 0,1sec) an die Quelleangeschlossen werden.

Filter : das Triggersignal kann wahlweise+über ein Tiefpassfilter 1.Ordnung miteiner Eckfrequenz von 100kHz oder 5kHzgeschickt werden, um Spikes auszublendenund Fehltriggerungen zu vermeiden.

Noise-Filter: No Reject: kein Filtereingeschaltet. Reject: bei Slope = positivmuss ca. ¼ Unit lang der Spannungs-wertdes Triggersignals unter dem Wert vonTrigger-Level liegen, damit eine positiveFlanke einen Triggerimpuls auslöst. beiSlope = negativ muss ca. ¼ Unit lang derSpannungswert des Triggersignalsoberhalb des Wertes von Trigger-Levelliegen, damit eine negative Flanke einenTriggerimpuls auslöst. Mit diesem Filterkönnen Spikes, die eine Fehltriggerungauslösen, wirkungsvoll ausgefiltert werden

5.5.2.3 Setup-Menü FFT

Wenn die orange-braune Schaltfläche FFTaktiviert wird, erscheint direkt neben demOszilloskop-Fenster das Setup-Fenster, mit demdie Einstellungen für die FFT vorgenommenwerden können:



Folgende Parameter lassen sich einstellen:

Ymax: die Skalaierung der senkrechten Achsewird von Hand vorgenommen. Es wirdhier der maximale Spannungswert (inVolt) auf der y-Achse angegeben.

Frequency/Unit: Entsprechend der Einstellungder Zeitbasis wird vom Programm hier einVorschlag für die X-Achseneinteilunggemacht.Diese kann von Hand an diegewünschte Darstellung angepasstwerden. Allderdings wird dieser Wert beiÄnderung der Zeitbasis (Timebase)wieder überschrieben. Die Frequenzachsebeginnt immer bei f=0Hz. DieserNullpunkt kann nicht verschoben werden.

Y-Scale: Mit LIN legt man eine lineareAchseneinteilung fest ist (unterer Wert ist0V, oberer Wert Ymax) , mit LOG-Nwählt man als Skalierung einelogarithmische Einteilung , wobei N dieAnzahl der Dekanden ist.

Data-Window: Hier kann einBewertungsfenster für die Abtastwerteeingegeben werden (Flat = keineBewertung), damit der sog. Leakage-Effekt unterbunden werden kann.

Im Kapitel “Technische Erläuterungen wirdauf die FFT-Analyse genauer eingegangen

5.5.2.4 Übersichtsmenü für alle Setups

Bei Aktivieren dieser Schaltfläche erhält manein Übersichtsmenü auf der rechten Seite nebendem Oszilloskop für alle Setup-Einstellungen.Das Menü ist nur informativ; man kann keineEinstellungen in diesem Menü ändern:

Es lässt sich beliebig auf dem Monitorplatzieren.

5.5.3 Zoom-Funktion

Um Details auf dem Oszilloskop-Displaysichtbar zu machen, kann man die Zoom-Funktion benutzen: Man positioniert denMauszeiger über das Display, drückt die linkeMaustaste und zieht bei gedrückter Maustasteden Mauszeiger so, dass man ein weissesRechteck erhält.



Beim Loslassen der Maustaste erscheint dasvergrößerte Bild dieses Ausschnitts:

Wenn der Cursor auf die Graphik zeigt, erhältman durch Drücken der rechten Maustastefolgendes Untermenü:

mit dem sich verschiedene Zoomfunktionenasuwählen lassen.

Leider stimmt nach einem einmaligen Benutzender Zoomfunktionen die gewählte Skalierung inx und y-Richtung nicht mehr mit den Einstel-lungen überein. Wenn man das Oszilloskop mitder Ablaufsteuerung stoppt und mit RUNwieder startet, wird das Display wiederinitialisiert. Mit der Plot-Funktion lässt sich das

Display direkt auf dem Drucker geben, aller-dings kann mit der Screendump-Funktion einejpg-Datei erzeugt werden, die man noch nach-bearbeiten kann.

Man kann mit dieser Funktion alle 512 bzw.1024 gemessenen Daten sichtbar machen. Beider standardmäßigen Skalierung werden ja dieletzten 12 bzw. 24 Messpunkte nicht angezeigt.

5.6 Service-Funktionen

Eine weitere Schaltleiste des Hauptmenüs (sieheBild 5-1) ist mit Service-Funktions gekenn-zeichnet. Wenn man diese Schaltfläche anklickt,erhält man das Auswahlmenü wie in Bild 5-6 zusehen ist. Diese Menü enthält im Wesentlichen5 verschiedene Hauptfunktionen:• Show Baudrate and Softwareversion: Mit

dieser Funktion erfahren Sie die eingestellteÜbertragungsgeschwindigkeit sowie dieProgrammversionen, die sich in den einzel-nen Mikrokontrollern befinden.

• Instrument-Settings: hier können Einstel-lungen der Gerätefunktionen und die Posi-tionen der Funktionsfenster abgespeichertoder eingelesen werden.

• Calibration: Hier lassen sich verschiedeneOffsetfehler kompensieren. Die Abgleich-vorgänge sind menügeführt .

• Screendump: Die Messergebnisse des Os-zilloskops können als Bild oder als Ascii-Dateien abgespeichert werden.

• Load datas.....: Hier können die Funktions-stützwerte für die frei programmierbareFunktion des Funktionsgenerators eingelesen

Bild 5-6: Auswahlmenü der Service-Funktionen



werden. Diese Funktion wurde schon in Ka-pitel 5.4.1 (Funktionsgenerator) beschrie-ben.

5.6.1 Anzeige der Baudrate und der Soft-wareversionen (show Baudrate andSoftware-Version)

Wenn Sie Show Baudrate and Softwareversionsauswählen und dann auf OK klicken, erhaltenSie ein Informationsmenü folgender Art:

Die Baudrate ist hier auf 115200 bit/sec ein-gestellt. Auf dem PC wird die SoftwareversionHP-VEE 2.2 verwendet. Als Laborplatine wirdBLAB.4 d.h .die alte Laborplatine eingesetzt.Wäre die neue SMD-Version verwendet worden,würde dort der Eintrag SMD.1 stehen. Die 5Mikrokontroller haben alle die Versionen 2.1 bisauf den DVM, der die Version 2.0 verwendet.

Wenn das Programm startet wird unmittelbarnach der Überprüfung der Hard- und Softwaredie Ascii-Datei versions.txt in das Arbeitsver-zeichnis ( C:\Programme\Labor_Platine )geschrieben. Dort findet man mehrInformationen über die erlaubten Soft- undHardwarekombinationen.

5.6.2 Instrumenteneinstellungen (Instru-ment-Settings)

Für die verschiedenen Gerätefunktionen sindzahlreiche Einstellungen durchzuführen. Weiter-hin ist es möglich, die Gerätefenster individuellzu platzieren. Diese Einstellungen können abge-speichert, und zu einem späteren Zeitpunktwieder abgerufen werden.

Abspeichern: Zum Abspeichern wird eine Dateimit einem beliebigen Namen und der Dateier-weiterung .set verwendet, die ins Arbeitsver-zeichnis geschrieben wird (<name>.set). Zum

Abspeichern benutzen Sie die Option Store to<name>.set

bestätigen mit ok und erhalten dann das Menü

Sie befinden sich im ArbeitsverzeichnisC:\Programme\Labor_Platine. Das Programmmacht Ihnen den Vorschlag x.set, den Sie nachWunsch verändern. Dann speichern Sie ab, undalle Einstellungen der Geräte und die Fenster-positionen der Geräte wird in dieser (binär)Datei abgespeichert.

Lesen: Zum Wiederherstellen von vorhergetätigten Einstellungen und Fensterpositionenkann eine vorher gespeicherte Datei <name>.seteingelesen werden. Für diesen Fall selektierenSie



bestätigen mit ok und erhalten dann dasbekannte Menü, das Sie bereits vom Start derPlatine kennen:

Hier gibt es die drei Möglichkeiten:

From last Sessison: jetzt wird die Dateilast_session.set gelesen. Diese Datei wird immerdann geschrieben, wenn Sie das Programmregulär mit der STOP-Program Taste beenden.

Standard-Settings: Hier wird keine Datei gele-sen, sondern die Standard-Einstellungen vorge-nommen. Diese Option wichtig, wenn es nochkeine Datei last_session.set gibt, oder wenn dieDateien <name>.set wegen einer neuen Softwa-reversion nicht mehr kompatibel ist und zuFehlermeldungen führt.

Stored Session: wenn Sie diese Option aktivie-ren, erhalten Sie ein weiteres Menü mit dem Siedie gewünschte Datei auswählen können:

Auch hier befinden Sie sich für die Auswahlwieder im ArbeitsverzeichnisC:\Programme\Labor_Platine und Sie könnendie Datei Ihrer Wahl selektieren.

Dokumentation von Einstellungen: Diegetätigten Einstellungen können auch in eineAscii-Datei geschreiben werden, um diese fürDokumentationszwecke zu verwenden. DieseAscii-Datei wird geschrieben, wenn die Funktion

selektiert und mit OK bestätigt wird. Sie hat denDateinamen Einstellungen.txt und wird in dengleichen Ordner geschreiben, in den auch diejpg.Datei des Screendumps geschrieben wird.Für die Einstellung dieses Ordners siehe Kapitel5.6.4.2

5.6.3 Kalibrierung (Calibration)

In dieser Sektion sind 3 Offsetabgleiche und derAbgleich der Nominalfrequenz der PLL mög-lich. Alle Kalibrierungswerte werden in dasEEPROM des Mikrokontrollers µP_SER ge-schreiben, und stehen auch nach dem Abschaltenund neuerlichem Einschalten der Laborplatinezur Verfügung.

5.6.3.1.1 Y1 und Y2-Offset (Oscilloscop)

Die Gleichspannungsverstärker für die beidenKanäle des Oszillsokops und die D/A- Wandlerfür die Y-Position (Verschiebung der Nullinie)sind zum Teil diskret aufgebaut und haben einenGleichspannungsoffset. Dies äußert sich darin,dass die Nullinie für die beiden Kanäle nicht inder Mitte des Displays liegen, obwohl die Ein-stellung Y-Pos auf null steht. (In der alten –Version war dies der Fall). Diesen Gleichspan-nungsoffset kann man beseitigen, indem mandiese Kalibrierungsfunktion wählt, vorher sollteman das Oszilloskopgerätefenster auf normalschalten. Dann kann man auf dem Dsiplay desOszilloskops sehr schön die Abgleichprozedurverfolgen:



Nach Aktivieren dieser Option erhält man zu-nächst folgende Anweisung, mit der Sie aufge-fordert werden, die Eingänge des Oszilloskopsnach Masse zu verbinden oder wenigstens offenzu lassen.

Natürlich darf beim Offsetabgleich kein sonsti-ges Signal am Eingang des Oszilloskops anlie-gen, sonst kann der Abgleich nicht durchgeführtwerden. Nach Bestätigung mit OK beginnt derAbgleich: Sie werden auf dem Oszilloskop-Display das „Wandern“ der Nullinien feststellen.Gleichzeitig wird man mit einem grünen waag-rechten Balken über den Fortschritt des Offset-abgleichs informiert. Zum Schluss werden diebeiden Nullinien tatsächlich mit der graphischenNullinie übereinstimmen, wenn bei den Setup-Menüs für die beiden Kanäle bei y-Pos der Wert0 eingetragen ist. Nach einigen Sekunden erhal-ten Sie die Meldung:

Ganz oben der waagrechte grüne Balken der bei100% angekommen ist, und direkt darunter 6Felder, in denen die Korrekturwerte stehen.Diese werden im EEPROM des MikrokontrollerµP_SER der Laborplatine abgelegt. Dann kön-nen Sie mit OK bestätigen, und der Abgleich istbeendet.

Die beiden Platinen (konventionelle und SMD-Version unterscheiden sich in der Abgleichpro-zedur nicht. Die SMD-Version braucht aller-dings etwas länger für den Abgleich, da der D/AWandler für die Einstellung von y-Position beider SMD-Version eine deutlich längere Einstell-zeit (settling-time) hat.

5.6.3.2 Voltmeter-Offset Abgleich

Eigentlich arbeitet das modifizierte Dual-Slop-Verfahren zur Spannungsmessung Offsetfrei.Durch den sehr hochohmigen Eingang werdenaber durch die Schaltvorgänge am Multiplexerüber parasitäre Kapazitäten Ladungen aufge-bracht, die zu einem kleinen leider störendenOffset führen. Der Offsetabgleich misst diesenOffsetwert und zieht ihn bei der Anzeige vomgemessenen Wert ab. So ist eine offsetfreieMessung der Gleichspannungen möglich. NachAktivierung von Voltmeter Offset erhalten Siedie Aufforderung, den DC-Eingang des Voltme-ters mit Masse zu verbinden:

Wenn Sie die Verbindung ausgeführt haben, be-stätigen Sie mit OK und Sie bekommen wiedereinen waagrechten grünen Balken, der den Fort-



schritt anzeigt. Bei 50% hält der Balken kurz an.Das Ende des Abgleichs wird mit

angezeigt. Für zwei verschiedene Bereiche wur-den die Offsetwerte ermittelt. Die beidenOffsetwerte werden in das EEPROM geschrie-ben und Sie können mit OK bestätigen.

Die beiden Platinen (konventionelle und SMD-Version unterscheiden sich in der Abgleichpro-zedur nicht.

5.6.3.2 Amperemeter-Offset Abgleich

Die Strommessung erfolgt über einen Span-nungsabfall an einem Messwiderstand, der übereinen Subtrahierverstärker erfasst wird und ineinem Nachverstärker auf den Spannungsbereichdes AD-Wandlers gebracht wird. Diese Signal-aufbereitung kann nicht offsetfrei sein. Daher istauch beim Amperemeter ein Abgleich notwen-dig. In der ersten Version der Laborplatine gabes dafür 2 Potentiometer. Inzwischen kann einPoti auf der alten Platine eingespart werden. Inder SMD-Version gibt es überhaupt keinenmechanischen Abgleich mehr. Die Abgleichpro-zeduren sind daher auch unterschiedlich. Dasmuss man aber nicht wissen, da Sie vom Pro-gramm menügeführt die Abgleichprozedur abar-beiten. Nach Aktivierung von AmperemeterOffset erhalten Sie die Aufforderung, den+Anschluss des Amperemeters mit dem An-schluss VPLUS des Netzteils zu verbinden. :

Nachdem Sie mit OK bestätigt haben , wirdwieder der grüne Balken eingeblendet, der denAbgleichfortschritt anzeigt. Wenn dieser auf100% steht, erscheint bei der alten (konventionel-len) Laborplatine:

Sie bestätigen jetzt mit OK und drehen amAbgleichpoti auf der Platine solange, bis der Zeigerin der Mitte steht und die Anzeige Calibration ok zusehen ist

Der Abgleich ist etwas empfindlich. Das Potimuss sehr genau eingestellt werden. Eine nurgeringe Fehleinstellung bringt das“Zeigerinstrument” sofort an den Anschlag.

Mit Terminate Calibration beenden Sie denAbgleich und Sie kommen zum Ende desOffsetabgleichs, den Sie mit OK bestätigen:

Bei der neune Platine in SMD-Technik entfälltder manuelle Abgleich mit dem“Zeigerinstrument” und dem Potiabgleich undSie kommen sofort zum Ende des Abgleichs, denSie mit OK bestätigen.



5.6.3.3 PLL-Abgleich (PLL-Adjustment)

Dieser Abgleich ist nur in der SMD-Labor-platine vorgesehen, um toleranzbedingteSchwankungen der Bauelemente auszugleichen.Wenn diese Funktion bei der konventionell be-stückten Laborplatine aufgerufen wird, kommteine Meldung, dass der Abgleichvorgang nichtausgeführt werden kann:

Wenn die SMD-Version der Laborplatine ver-wendet wird und die Funktion PLL-Adjustment(Function Generator) aufgerufen wird, er-scheint auf dem Bildschirm ein Abgleichinstru-ment:

Sie müssen dann den Kondensatortrimmer nebendem PLL-IC solange drehen, bis die Meldungadjustment ok erscheint. Dieser Trimmerbefindet sich direkt links neben dem gesockeltenPLL –IC 74HCT4046A (DIL-16-Gehäuse).

Beim Abgleich mit einem Metallschraubendrehermüssen Sie nach dem Entfernen desSchraubenziehers die Meldung adjustment okerhalten. Der Metallschraubenzieher bildetallerdings eine zusätzliche Kapazität gegenMasse, die die Frequenz etwas erniedrigt. Siemüssen daher etwas “vorhalten”, d.h. den“Zeiger” auf ca. +8 einstellen, damit der Zeigernach Entfernen des Schraubendrehers auf 0steht.

Jetzt ist der Abgleichvorgang beendet und Siekönnen durch Aktivieren der SchaltflächeTerminateiCalibration die Abgleichprozedurverlassen. Erst jetzt lässt sich der Funktionsge-nerator benutzen.

Hinweis: Falls sich die PLL nicht abgleichenlässt, sollten Sie überprüfen, ob das PLL-IC mit74HCT4046A bezeichnet ist. Bei anderen Be-zeichnungen wie z.B. 74HC4046N handelt essich zwar auch um PLL-IC’s , aber die elektri-schen Eigenschaften sind verschieden (niedrigereFrequenz). Entscheidend ist der Buchstabe Aneben der Ziffernfolge 4046.

5.6.4 Screendump (Oszilloskop)

Mit der Screendump-Funktion ist es möglich,die Ergebnisse der Oszilloskop-Messungen inDateien zu schreiben, um diese für weitere Pro-gramme zugänglich zu machen. Grundsätzlichsind 2 Darstellungsarten der Ergebnisse mög-lich:

• Ein Bild (screenshot) des Oszilloskop-Gerätefensters kann in eine .jpg - Datei ge-schrieben werden.

• Die gemessenen Daten für den Kanal Y1und Y2 sowie die zugehörigen Zeitwertekönnen in eine oder zwei Ascii-Dateien ge-schrieben werden.

Innerhalb der Servicefunktionen gibt es 4 Aus-wahlmöglichkeiten, die im Folgenden beschrie-ben werden.

5.6.4.1 Show/Select all settings

In dieser Sektion erhält man eine Übersicht überdie ausgewählten Screendump-Funktionen.Diese können nach Bedarf ein oder ausgeschal-tet werden. Nach Selektion der Funktion

und Bestätigung mit OK erhält man das Über-sichtsmenü



Die erste Sektion (blau) zeigt an, in welcheDatei das screenshot-Bild geschrieben werdensoll.

Die zweite Zeile (grün) enthält alle Informatio-nen über die erste Ascii-Datei, die geschriebenwerden soll. Links steht der Dateiname, wobeider komplette Pfad angegeben ist. Auf derrechten Seite ist die Syntax angegeben, in wel-cher die Datei beschrieben wird.

Die dritte Zeile (gelb) enthält alle Informationenüber eine zweite Ascii-Datei, die gleichzeitigmit der ersten Ascii-Datei beim Druck auf dieScreendump-Taste geschrieben werden kann.Dies ist z.B. dann sinnvoll, wenn man dasselbeMessergebnis in Mathlab und in EXCEL dar-stellen will, da beide Programme eine unter-schiedliche Eingabesyntax erfordern.

Im weißen Quadrat am linken Rand selektiertman, welche dieser Dateien beim Aktivieren derScreendump-Taste geschrieben werden sollen.Im obigen Beispiel wird die .jpg-Datei erzeugtund die Daten werden in die erste Ascii-Dateigeschrieben. Die zweite Ascii-Datei wird nichtangelegt, da das zugehörige weiße Quadratnicht aktiviert ist.

Nachdem man die gewünschten weißen Qua-drate aktiviert oder deaktiviert hat, kann mandieses Übersichsmenü mit der Schaltfläche Exitverlassen.

Mit den drei weiteren Optionen der Service-Funktion (set filname.jpg bzw. set filname.txtand syntax) können die Einträge für dieScreendump-Funktionen verändert werden.

5.6.4.2 Dateiname für die Screendump-Pixel-Datei

Wenn Sie diese Funktion set filename.jpg forOscilloskope-panel aktivieren und mit OKbestätigen, werden Sie im folgenden Menü auf-gefordert, den Dateinamen für die .jpg-Dateianzugeben.

Sie können beliebig durch die Dateiordner ihresRechners steigen, um den gewünschten Ordnerauszuwählen, in den Sie diese Datei schreibenwollen. Auch der Name der Datei ist frei wählbar.Sie sind also nicht auf das Arbeitsverzeichnisbeschränkt. Die Datei <name>.jpg enthält diePixeldaten des Oszilloskopfensters. In denselbenOrdner wie diese .jpg Datei wird auch die Dateieinstellungen.txt geschrieben, wenn Sie dieseanfordern (Siehe Kapitel 5.6.2)

5.6.4.3 Dateiname und Syntax für die Ascii-Datei der Messergebnisse

Mit der Menüauswahl set filename.txt andSyntax für first measurement datas des Ser-vic-Menüs kann die beim Screendump zu be-schreibende Ascii-Datei spezifiziert werden.

Mit der nächsten Funktion set filename.txt andSyntax für second measurement datas könnenSie die zweite Ascii-Datei spezifizieren. BeideFunktionen sind vom Ablauf her identisch.

Nach Bestätigung mit OK erhält man ein Me-nü, in welchem man den Dateinamen und denPfad angeben kann, wohin die Ergebnisse ge-schrieben werden sollen.

Sie bekommen dieses Menü auch dann, wennSie nur die Syntax ändern wollen und nichts amDateinamen verändern möchten. Dann bestäti-gen Sie einfach mit Speichern .



Wenn es schon eine Datei mit gleichem Namengibt, meldet sich das Programm mit

und Sie geben Ja ein. Die Meldung ist etwasirreführend, da ja erst beim Aktivieren derTaste Screendumpi im Oszilloskopfensterdiese Datei geschrieben wird. Hier wird nur derName festgelegt.

Wenn man dieses Menü mit Ja verlassen hat,kommt man zur Syntax-Eingabe. Das blauhinterlegte Feld wird durch Positionieren desMauszeigers auf dieses Feld und Betätigen derlinken Maustaste weiß und Sie können dieSyntax-Zeile jetzt ändern.:

Für die Erstellung dieser Syntax-Zeile mussman die Syntax-Regeln kennen, die im nächstenKapitel beschrieben sind. Wenn die Zeile wiegewünscht geändert ist, kann man mit OK dieseEingabe verlassen und die Syntax wird abge-speichert.

Diese Syntax wird auch in die DateiLast_session.set bzw. in eine von Ihnen be-stimmte Datei <name>.set geschrieben, so dassÄnderungen und Einstellungen erhalten bleiben.

Syntaxregeln für die Syntax-Zeile

Die Ergebnisdatei hat keine Kopf oder Fuss-zeile. Beim Betätigen der Taste Screendump

im Oszilloskopfenster wird die Datei geschrie-ben, wobei jede Messung eine Zeile dieserAscii-Datei erzeugt. Wenn zwei Kanäle mitdem Oszilloskop dargestellt werden, dannwerden 512 zeitäquidistante Messungenausgeführt, wenn einer der beiden Kanäleausgeschaltet ist, werden 1024 zeitäquidistanteMessungen durchgeführt. Somit hat diese Dateientweder 512 oder 1024 Zeilen.

Jede Zeile der Ergebnisdatei hat den Aufbau

text1<m1>text2<m2>......text5<m5>

Hierbei ist text1..text5 ein beliebiger ascii-textund m1...m5 steht für den gewünschtenMesswert ( Y1 oder Y2 oder x-Wert ). Dies istein Zahlenwert. Es wird pro Zeile also immerabwechselnd ein beliebiger Ascii-String unddann ein Messwert als Zahl ausgegeben. Eskönnen bis zu 5 Messwerte pro Zeileausgegeben werden, man kann aber auchweniger spezifizieren. Zwei Messwerte d.h.zwei Zahlen hintereinander ohne trennendenAscii-String ist nicht möglich und auch nichtsinnvoll, da zwischen zwei Zahlen zumindestein Leerzeichen oder ein anderes Trennungs-zeichen eingefügt werden muss. Dann bestehtder Ascii-“String” in diesem Fall eben nur auseinem Leerzeichen oder dem gewünschtenTrennungszeichen.

Für die Ausgabe ist ausserdem noch wichtig, obfür die Zahlendarstellung ein Dezimalpunkt,oder ein Dezimalkomma verwendet werden soll.

Die Syntax-Zeile hat daher folgenden Aufbau:

[dezimalzeichen]text1<m1>text2<m2>......

Groß und Kleinschreibung wird nicht unter-schieden. Folgende Einträge sind möglich:

dezimalzeichen: hier steht entweder kommaoder dot , um als Dezimalzeichen ein Kommaoder einen Punkt zu setzen.

text1..text5: beliebiger Ascii-String, bestehendaus mindestens einem Zeichen. Gültig sind auchLeerzeichen, Semikolon, Komma,Senkrechtstrich, Schrägstrich. Wenn alsTrennunngszeichen der Tabulator verwendetwerden soll muss tab eingegeben werden.Davor und danach können Leerzeichengeschrieben werden, die jedoch nicht



berücksichtigt werden. der gewählte Text wirdin Kleinbuchstaben in die Datei geschrieben.

m1..m5: der gewünschte Messwert. DerAusdruck m1..m5 muss immer in die eckigenKlammern gesetzt werden. Folgende Angabensind zulässig:

<line0> : es wird die Nummer der Zeilegeschreiben. Die Nummerierung beginnt mit 0.Bei 512 Messungen ist damit dieser Wert beider letzten Zeile 511<line1> : es wird die Nummer der Zeilegeschrieben. Die Nummerierung beginnt mit 1.Die letzte Zeile bei zweikanaliger Messung istdann 512<time> : es wird für jede Messung der Zeitwertin Sekunden angegeben, beginnend mit der 0 beider ersten Messung.<Y1/binary> oder <Y2/binary>: es wird fürKanal 1 (Y1) bzw Kanal 2 (Y2) der in denSpeicher geschriebene Wert ausgegeben. DerZahlenbereich geht von 0 bis 255<Y1/Units> oder <Y2/Units>: es wird fürKanal 1 (Y1) bzw Kanal 2 (Y2) der Wertausgegeben, der der Skalierung auf demgraphischen Display entspricht. Der Bereichgeht von –4 bis +4<Y1/Volt> oder <Y2/Volt>: es wird für Kanal1 (Y1) bzw Kanal 2 (Y2) der Spannungswert inVolt ausgegeben. Der Bereich richtet sich nachden im Setupmenü Channel 1 bzw Channel 2gemachten Angaben.

Anhand einiger Beispiele soll die Verwendungder Syntax-Zeile illustriert werden.

Beispiel 1: Die Syntax-Zeile

[komma] x=<time> y1=<y1/volt> y2=<y2/volt>

erzeugt beim Screendump die Dateix=0,0E-07 y1=-1250,0E-05 y2=+0,0E-05x=40,0E-07 y1=-1250,0E-05 y2=-1250,0E-05x=80,0E-07 y1=+1250,0E-05 y2=+1875,0E-05x=120,0E-07 y1=+1250,0E-05 y2=+1875,0E-05

Es sind nur die ersten vier Zeilen gezeigt, dieDatei hat 512 Einträge


[dot] <time>;<y1/volt>

erzeugt beim Screendump die Datei 0.0E-07;-1250.0E-05

40.0E-07;-1250.0E-05 80.0E-07;+625.0E-05 120.0E-07;+625.0E-05

von der die ersten vier Zeilen der 512 Zeilenlangen Datei zu sehen sind. Obwohl nur 1 Kanalgeschrieben wurde, arbeitete das Oszilloskop mitbeiden Kanälen. Hätte man den nichtbenötigtenKanal 2 ausgeschaltet, würde man beim gleichenSignal folgendes Ergebnis bekommen: 0.0E-07;-1250.0E-05 20.0E-07;-1875.0E-05 40.0E-07;-1250.0E-05 60.0E-07;-1250.0E-05

Auch hier nur die ersten vier Zeilen der jetzt1024 Zeilen langen Datei. Da der Kanal 2 aus-geschaltet ist, werden jetzt 1024 Messwerteerfasst und die Zeitabschnitte halbieren sich.


[komma] <line1> tab <y1/Units> tab <y2/Units>

erzeugt beim Screendump die Datei 1 -0,04 +1,33 2 -0,01 +1,39 3 +0,04 +1,49 4 +0,07 +1,45 5 +0,20 +1,61

von der die ersten fünf Zeilen zu sehen sind.Diese Datei könnte man z.B. mit einem Ascii-Editor editieren, alles markieren und mit Con-trol-C in den Zwischenspeicher laden. Jetzt inEXCEL ein Feld markieren und mit Control-Vdie Ergebnisse in die Felder übertragen. Durchdie Trennung mit dem Tabulator erhält man inEXCEL drei Spalten und 512 Zeilen. Dannkann man die gemessenen Daten mit EXCELweiterverarbeiten, z.B. Diagramme erstellen,mit Simulationswerten vergleichen e.t.c.



6. Technische Erläuterungen

In diesem Kapitel soll ein wenig die prinzipielleFunktion und das Zusammenspiel von Hard-und Software erläutert werden, soweit es fürdas Verständnis und die Beurteilung vonFunktionen notwendig ist.

6.1 Blockschaltbild der Laborplatine

Auf der Platine befinden sich 5 MikrokontrollerAT90S1200 der Fa. ATMEL. Es handelt sichhierbei um RISC-Prozessoren, die mit einerTaktfrequenz von 12MHz arbeiten. Sie habeneinen sog. FLASH-Speicher als Programmspei-cher auf dem Chip. Über drei Datenleitungenlässt sich dieser Speicher beschreiben. Damitkann der Programmcode der Mikrokontrollerfür ein Update leicht geändert werden. Auf derLaborplatine befinden sich daher neben jedemMikrokontroller noch eine dreipolige Buchsen-leiste mit gedrehten Fassungen (ähnlich einemIC-Sockel) um ggf. diese Programmierung vor-nehmen zu können. Neben diesen drei Leitun-gen für die Programmierung ist noch die Reset-Leitung notwendig, die auf dem 10-poligenWannenstecker zur Verfügung steht. In Bild

6.1a ist das Blockschaltbild der Laborplatineangegeben. Die 5 Mikrokontroller sind mitµP_SER, µP_OSC, µP_FUA, µP_FUB undµP_V bezeichnet. Durch die Aufteilung auf 5Mikrokontroller können die einzelnen Funktio-nen modular aufgebaut werden, was der Über-sichtlichkeit sehr zugute kommt.

Der Mikrokontroller µP_SER ist für die Kom-munikation zwischen Laborplatine und PCzuständig. Die Kommunikation mit dem PCerfolgt ausschließlich über das Standard-Protokoll der seriellen Schnittstelle.

Über einen internen Datenbus werden die ande-ren Mikrokontroller angesprochen, wobeiµP_SER als Master arbeitet. Dieser interne Busist mit 9600 Baud relativ langsam. Die Ver-wendung eines langsamen internen Busses istdeshalb notwendig, damit die ProzessorenµP_OSC, µP_FUA und µP_V nicht durch ei-nen zu schnellen Datenverkehr überlastet wer-den. So arbeitet nur der Kontroller µP_SER mitder hohen Bitrate und den anderen Mikrokon-trollern wird die durch µP_SER gefilterte In-formation langsam zugeleitet. Nur beim Lesender Messdaten des Oszilloskops (1024bytes)

Y1/Y2 Offset

Trigger-Level

µP_OSCOszilloskop

InternerseriellerDatenbus9600 baud

Serielle SchnittstelleZum PC

16-bitSchiebe-register

(Port-Expander)

µP_SERKommunikation

Oszilloskop

MUXCD4051 8

2 KBstatic RAM

A /D Wandler AD7825

Volt- und Amperemeter

µP_FUAFrequenz-generator

µP_FUBSignal-

generator

PLL

Funktionsgenerator

µP_V Dual-Slope-Spannungsmesserzusätzlich PWW-Ausgänge

MUXCD4051

Programmier-barer

Längsregler

Programmier-barer

Längsregler

U-PLUS

U-MINUS

Bild 6-1a: Blockschaltbild der Laborplatine (Hauptplatine)



wird der interne Bus umgangen: diese Datenwerden über einen Multiplexer (MUX CD4051)direkt vom internen RAM gelesen, sonst wäreder Vorteil einer schnellen Datenübermittlungvon PC zur Platine zunichte gemacht.

Ein Mikrokontroller (µP_OSC) steuert denSamplingablauf des Oszilloskops, übernimmtdie Steuerung des A-D-Wandlers und des Zwi-schenspeichers (RAM) für die vom Oszilloskopgemessenen Daten.

Der Funktionsgenerator benötigt zwei Prozes-soren: µP_A stellt die Nominalfrequenz zurVerfügung und hängt am internen Datenbus.Eine PLL erzeugt die Taktfrequenz für deneigentlichen Funktionsgenerator (µP_B), derüber interne Tabellen den zeitlichen Verlauf derAusgangsspannung als digitale Werte zur Ver-fügung stellt. Ein externer schneller 8bit-D-A-Wandler wandelt diese digitalen Werte in einAnalogsignal um.

Ein fünfter Mikrokontroller realisiert zweiFunktionen: 1) für die Spannungs- und Strom-messungen wird ein Dual-Slope Analog-Digital-Konverter zusammen mit einem Multi-plexer und einem OP realisiert. 2) mehrereAusgänge liefern Puls-Breitenmodulierte Si-

gnale (PWM). Dies sind im einzelnen

• positive Spannung für das Netzteil• negative Spannung für das Netzteil• Triggerlevel• Y1-Position als Grob und als Feinwert• Y2-Position als Grob und als Feinwert

Diese werden über Tiefpassfilter 2.Orndungden verschiedenen Funktionsschaltungen alsGleichspannungswerte zur Verfügung gestellt.

In Bild 6.1b ist die Zuordnung der Gerätefunk-tionen auf der Platine zu erkennen.

Das serielle Interface besteht im wesentlichenaus einem Pegelwandler, der den 0-5V Pegeldes Mikrokontrollers µP_SER an den Pegelder seriellen Schnittstelle (±8V) anpasst. DiesePegelanpassung wird mit billigen Standardteilen(einige Widerstände und 4 Transistoren ) reali-siert, da bereits eine positive und negative Ver-sorgungsspannung zur Verfügung steht. Aufden Einsatz eines Pegelwandler IC’s (wie z.B.MAX232) wurde aus Kostengründen verzich-tet.

Der USB-Anschluss kommuniziert auf demUSB-Interface mit dem IC FT232BM der Fa.FTDI welches eine virtuelle serielle Schnitt-

Bild 6-1b: Lage der Funktionsgruppen auf der Hauptplatine

Oszilloskop

Ser.Schnittstelle

Funktionsgenerator

DC Volt/Amperemeter

PWM-DAC

Dual-Power-Supply

Sieb-ElkosA-D-

Wandler

Reset

Y1-Y2-Verstärkerund Abschwächer



stelle emuliert.

6.2 Programmablauf auf dem PC

Nach dem Start des Programms La-bor_Platine_22.vxe auf dem PC erwartet dieSoftware, dass die Laborplatine bereit ist, umdie Kommunikation zu starten . Damit derKontroller µP_SER der Laborplatine korrektmit der Reset-Routine startet, wird der Benutzeraufgefordert, die Reset-Taste zu betätigen.

Nach dem Drücken der Reset-Taste sendet dasProgramm Labor_Patine_22.vxe zunächst mitder eingestellten Baudrate die Zahl 128 in binä-rer Form. Das sind bei der seriellen Übertra-gung nach dem Startbit (logisch 0) noch 7 bits,die auf logisch null liegen. Die Sendeleitungbleibt also 8 bit lang auf logisch null. DerKontroller µP_SERauf der Laborplatine misstdie Zeit die diese 8 bit benötigen und errechnetsich daraus die Baudrate, die er dann zur Kon-trolle an den PC zurückgibt. Falls der PC keineAntwort von der Laborplatine erhält , kommtdie Fehlermeldung

Als nächstes kommuniziert der MikrokontrollerµP_SER mit allen anderen Mikrokontrollernauf der Plaborplatine und fragt die Versions-nummer der jeweiligen Programmcodes ab.Dann überträgt µP_SER diese Information anden PC. Die Software Labor_platine_22.vxeüberprüft die Versionsnummern, ob alles zu-einander passt. Falls nicht, kommt eineMeldung, dass die Softwareversionenzueinander inkompatibel sind:

und das Programm stoppt. In der DateiVersions.txt ist aufgelistet, welcheSoftwarekombinationen erlaubt sind. DieseDatei wird ins Arbeitsverzeichnis desProgramms geschreiben (üblicherweiseC:\Programme\Labor_Platine )

Nach dieser Überprüfung kommt das Pro-gramm in eine Endlosschleife, die in Bild 6-2skizziert ist.

Zunächst werden die Einstellungen auf dem PC-Bildschirm abfragt. Danach werden geänderteEinstellungen über die serielle Schnittstelle zurLaborplatine geschickt und dann diegemessenen Daten von der Platine abholt. DieDaten des Digitalvoltmeters werden immerzurückgesendet, während die Oszilloskopdatennur dann vom PC gelesen werden können, wenndiese zur Verfügung stehen. Wenn dasOszilloskop nämlich gerade misst, kann es nichtgleichzeitig die Daten senden. Erst wenn derDatenspeicher voll ist (1024byte) können dieDaten übermittelt werden. Danach werden dieDaten ausgewertet, gemäß der Average-Funktion gemittelt, normiert, gegebenenfallsSpitzen und Effektivwerte errechnet, und, wennverlangt, einer FFT unterworfen und dann aufdem x-y-Display auf dem Bildschirmdargestellt. Danach kehrt das Programm wiederzum Ausgangspunkt zurück und überprüftwieder die Einstellungen.

Diese Endlosschleife, die das Programm ständigdurchläuft, erfordert viel Systemresourcen. Essollten daher keine anderen Programme imHintergrund laufen, sonst wird die Reaktions-zeit sehr träge. Umgekehrt werden andereProgramme sehr träge, wenn die Laborplatineaktiv ist.



Die Kommunikation über die serielleSchnittstelle erfolgt im Halb-Duplex-Betrieb.Entweder sendet der PC oder die Platine. Eswird die Übertragung mit einem Start- undeinem Stopbit gewählt, so dass für die Über-tragung eines Bytes 10 Bits zu senden sind. Esist offensichtlich dass der Flaschenhals derDatenübermittlung die 1024 Byte Daten desOszilloskops sind. Daher sollte die Baudrateder seriellen Kommunikation möglichst hochgesetzt werden. Das Programm HP-VEEerlaubt eine Baudrate bis zu 115200 bit/sec.Damit benötigt man für die Datenübermittlungder Oszilloskopdaten und des Digitalvoltme-ters: t=(1024+15)*10/(115200bits/sec) =90ms. Der Bildschirm kann dann schnellstensnach jeweils 90ms aufgefrischt werden. Daswären ca. 10 Bilder pro Sekunde. Allerdingsbenötigt das HP-VEE-ProgrammLabor_Platine_22.vxe auch noch Zeit, sodass man bei einem PC mit einer Taktrate von500MHz mit ca. 6-7 Bildern pro Sekunderechnen kann. So einfach die Programmierungin HP-VEE auch ist: es handelt sich um einInterpretercode, der ähnlich wie dieProgrammiersprache Basic eben seine Zeit

braucht, um die Endlosschleife zu durchlaufen.Immerhin hat man bei eine Wiederholrate von6-7 Bildern pro Sekunde den Eindruck eines"sofortigen" Reagierens des Oszilloskops.Würde man eine Baudrate von nur 9600baudwählen, wäre man bei einer Übertragungszeitvon 1,08 sec. Damit ist die Reaktionszeit zulangsam, und es stört beim praktischenArbeiten.

Kennung

1.Byte

1.Datum 2.Datum

2.Byte 3.Byte ....

Vom PC zur Platine

Status V-A-meter Oszilloskop

1 Byte 1024 Bytes15 Bytes

Von der Platine zum PC

Bild 6-2 Übertragungsprotokoll der seriellenSchnittstelle

Bild (6-2) zeigt den Ablauf der Datenübermit-

Einstellungen NetzgerätVoltmeterAmperemeterFunktionsgeneratorOszilloskop

Vergleich der aktuellen mit den alten Einstellungenà Senden der geänderten Einstellungen Daten senden

Kommunikationüber die serielle

Schnittstelle

Endlosschleife

Lesen der Daten „Volt- undAmperemeter“ (15 byte)

15 Bytes lesen

Lesen der Daten „Oszilloskop“(1024 byte), wenn vorhanden

1024 Bytes lesen

Aufbereitung der Daten (Berechnungen)

Darstellung der Daten auf dem Bildschirm

Bild 6-2: prinzipieller Programmablauf im Programm Labor_Platine_22.vxe



tlung zwischen PC und Platine.

Beim Übertragen der Daten vom PC zur Platinewird zuerst eine Kennung übertragen. Die Ken-nung teilt mit, welche Funktion und Einstellungübermittelt wird. Nach jeder Kennung erfolgteine genau spezifizierte Anzahl von Bytes. Be-wegt man beispielsweise die Schieberegler desNetzgerätes, so werden 3 Bytes übertragen:"N",Byte1 und Byte2 . Der Buchstabe "N" sagtder Platine: „jetzt sollen Daten vom Netzgerätübermittelt werden“. Der MikrokontrollerµP_SER weiss dann, dass nach "N" noch 2Bytes kommen: Byte1 ist der DAC-Wert für dienegative Spannung, Byte2 der DAC-Wert fürdie positive Spannung (Position der beidenSchieberegler). Ändert man hingegen eine Ein-stellung am Funktionsgenerator, so ist das ersteByte der Buchstabe "F". Dann folgen weitere 9Bytes für Kurvenform, Frequenz, Amplitude undOffset. Wenn keine Einstellungen geändertwurden, wird nur ein Byte: der Buchstabe Agesendet.

Die Antwort der Platine beginnt mit einem Byte,welches den Status der Platine übermittelt.Hierin wird im wesentlichen mitgeteilt, welcheFunktionen aktiv sind, und ob die Oszilloskop-daten (1024byte) gesendet werden können odernicht. Danach werden die Daten des Digital-voltmeters gesendet, einschließlich einem Byte,das die Anzeigefunktionen beinhaltet (Überlastfür Netzgerät), erst danach werden die Ozil-loskopdaten gesendet, oder die Übertragungbricht hier ab, wenn die Oszilloskopdaten nochnicht zur Verfügung stehen. Das Programm aufdem PC weiss anhand des ersten Status-Bytes,ob es die Oszilloskop-Daten lesen muss, oder obkeine kommen.

Falls durch Störungen (unterbrochene Leitung,Störimpulse) die Synchronisation zwischenLaborplatine und PC ausser Tritt gerät, wirddies unter der Hauptmenüleiste angezeigt:

Die Kommunikation wird dann für ca. 1/2 Se-kunde unterbrochen, und das Programm ver-sucht, die Synchronisation wieder sicherzustel-len. Wenn sich das Programm nicht selbst fängt,

und die Anzahl der Übertragungsfehler ständigzunimmt, muss man das Programm anhalten undneu starten.

Bei der Datenübertragung wurde darauf Wertgelegt, nur die Standardleitungen (RxD und TxD)der seriellen Schnittstelle zu verwenden. Damit istsichergestellt dass das Programm mit der Labor-platine auf beliebigen Betriebssystemen läuft,welche die serielle Schnittstelle unterstützen.

Für PC’s, die nur noch eine USB-Schnittstellehaben, kann man mit entsprechender Software aufdem PC und dem USB-Interface die serielleSchnittstelle emulieren.

Die Praxis hat gezeigt, dass das PC-Programmauf die verschiedenen Betriebssystemen Win-dows95, Windows98 , Windows ME, WindowsXP, Windows 2000 und Windows NT ohnejegliche Modifikationen portierbar ist.

6.3 Die Netzgeräte-Funktion

Die Laborplatine benötigt +12V...+20V mit ca.150mA und –12V mit ca. 60mA. Die Dimen-sionierung der Spannungsversorgung für dieLaborplatine richtet sich nach dem maximalenStrom, den das Netzteil liefern soll. Beim ma-ximalen Strom des Netzteils ist ausserdem derthermische Widerstand des verwendeten Kühl-körpers zu berücksichtigen.

Auf der Laborplatine sind die Befestigungslö-cher für zwei verschiedene Kühlkörper vergese-hen:1) den stehenden Kühlkörper V FI353 mit ei-nem thermischen Widerstand von 18K/W. Die-ser Kühlkörper hat eine Bauhöhe von 25 mm.Der Transistor (TO220-Gehäuse) wird in dieBefestigungslasche geklemmt. Die zwei Steck-laschen werden durch die Bohrungen in derPlatine gesteckt und auf der Lötseite verlötet(bei der verzinnten Version) bzw. umgeknickt(bei der eloxierten Version) Bei diesem Kühl-körper kann man dem Netzteil nur einen maxi-malen Strom von ca. 150mA entnehmen.

2) Verwendet man für die beiden Transistoreneinen Kühlkörper V 4330N aus Alu-Stangen-profil mit einer Länge von 50mm, welcher einenthermischen Widerstand von ca. 5K/W aufweistso kann das Doppelnetzteil einen maximalenStrom von 300mA liefern. Dieser Kühlkörper



muss mit einer Distanzhülse von mindestens5mm waagrecht auf die Platine geschraubtwerden. Der Abstand von mindestens 5mm istnötig, da unter dem Kühlkörper noch SMD-Bauteile liegen. Gegebenenfalls müssen dieAnschlussdrähte der Transistoren noch verlän-gert werden.

Bei beiden Kühlkörpern kann auf eine Isolie-rung zwischen Transistorgehäuge und Kühlkör-per verzichtet werden. Die Verwendung vonWärmeleitpaste ist empfehlenswert, jedochnicht unbedingt nötig.

In Bild 6-3 und 6-4 ist die prinzipielle Schal-tung der beiden Längsregler gezeigt.

Von der Spannungs-versorgung (12..20V)

QL

R501

QB

Referenz-spannung(0..5V)

R1

R2

BD242

Strombe-grenzung

Vplus0....+12V

Bild 6-3: Prinzipschaltung des Netzteils für diepositive Spannung

Von der Spannungs-versorgung (-12..-20V)

R551

Referenz-spannung

(0..5V)

R1

BD241

Strombe-grenzung

Vminus0....-12V

QB

QL

R2

Bild 6-4: Prinzipschaltung des Netzteils fürdie negative Spannung

Man erkennt, dass es sich um Längsregler vomTyp „Low-Drop“ handelt: Die Längsregeltran-sistoren BD241 bzw. BD242 können bis zurSättigungsspannung (≈ 0,3V) betrieben werden.

Die in den beiden Bildern angegebene Referenz-spannung (0..5V) kommt von den tiefpassgefil-terten, Puls-Breitenmodulierten Rechteckpul-sen, die durch die "Schieberegler“ des Netzge-

rätefensters eingestellt wird. Die beiden OP’swerden durch einen Dual-OP TL082 realisiert,wobei wegen der hohen Stromverstärkung derLängsregeltransistoren QL besondere schal-tungstechnische Maßnahmen notwendig sind,um die Regelschleife stabil zu halten.

Die beiden Transistoren QB dienen der Strom-begrenzung: Wenn der Ausgangsstrom jeweilseinen Spannungsabfall von ca. 0,65V über demWiderstand R501 bzw. R551 hervorruft, beginntder Transistor QB zu leiten und sein Kollektor-strom löst die Strombegrenzung aus. Dies wirdmit einer LED signalisiert, ausserdem wirddiese Information in das Statusbyte geschrie-ben, das zyklisch vom PC abgefragt wird. DasEinsetzen der Strombegrenzung wird also auchauf dem PC-Monitor angezeigt. Je nach Kühl-körper und Dimensionierung der Spannungs-versorgung lässt sich der Wert dieser Wider-stände mit der Formel

PLUSMAXIV

R_

501

65,0=

MINUSMAXIV

R_

551

65,0=

errechnen. Diese beiden Widerstände befindensich am oberen Rand der Platine zwischen dem10-poligen Wannenstecker und dem Span-nungsregler 7810. Es reichen im allgemeinenMetallfilmwiderstände mit einer Belastbarkeitvon ¼ Watt. (PV=IMAX*0,65V) auch bei einemmaximalen Strom von 300mA.

Zusammen mit der Sättigungsspannung derLängsregeltransistoren QL tritt beim maximalenAusgangsstrom ein Spannungsabfall von min-destens 1V gegenüber der Eingangsspannungauf. Wenn man am Ausgang also 12V habenmöchte, benötigt man eine Eingangsspannungvon mindestens 13V. Bei Verwendung vonleicht überdimensionierten ungeregelten 12VSteckernetzteilen ist dies sichergestellt. Dieungeregelten Steckernetzteile garantieren 12Vbeim maximalen Strom. So ist z.B. bei einemmaximalen Strom von 150mA der Ge-samtstromverbrauch der Platine 300mA(150mA Netzteil und 150mA Eigenverbrauch).Ein 500mA Netzteil kann dann im allgemeinenauch bei 300mA noch eine Ausgangsspannungvon mindestens 13V liefern. Sicherer ist ein800mA-Netzteil. Wenn man die Netzteile zuknapp dimensioniert kann die Spannung von+12V bzw. –12V nicht eingestellt werden, bzw



es findet sich auf der Ausgangsspannung nochein 100Hz Brumm.

6.4 DC-Spannungsmessung - Messprinzip

Mit der DC-Spannungsmessung werden insgesamt4 Messungen vorgenommen.

• Messung der positiven Netzgerätespannung• Messung der negativen Netzgerätespannung• Spannungsmessung über eine Messbuchse• Strommessung über zwei Messbuchsen

Das Prinzipschaltbild des Multimeters ist in Bild6-5 angegeben. Das Messverfahren beruht aufdem Dual-Slope-Verfahren. Es wurde keinspezielles IC genommen, sondern eine preisgün-stigere Variante mit einem Mikrokontrollergewählt: über einen 8-fach Multiplexer (Stan-dard-IC CD4051) werden wahlweise die 5Messspannungen, Masse, die Referenzspannungund eine Rücklaufspannung auf einen Span-nungsfolger gegeben, dessen Ausgang den Inte-grator ansteuert. Der Ausgang des Integrators istmit dem Analogkomparator des Mikroprozes-sors µP5 verbunden, der die Steuerung desMultiplexers übernimmt. Durch die Einbezie-hung der Referenzspannung und des Massepo-tentials in die Messung kann der Offsetfehler desIntegrators, des Eingangsbuffers und des Ana-logkomparators kompensiert werden. Weiterhinmuss keine Polaritätsumschaltung erfolgen. DasVorzeichen der Messspannungen wird automa-

tisch berücksichtigt.

ttA=konstant

(20ms)

UCOMP

tMESS

∆UA

UE =UMESS

UE =URÜCK

UA

Bild 6-6: Messzyklus der Spannungsmes-sung

In Bild 8 ist ein Messzyklus zu sehen. Wäh-rend der Zeit tA wird eine der MessgrößenUM1...UM5, Masse oder die ReferenzspannungUREF gemessen. Die Werte aller dieser Mess-größen sind kleiner als 2,5V und führen zumAnstieg der Ausgangsspannung UA (Integra-torverhalten). Die Rücklaufspannung ist mit7,5V so hoch gewählt, dass der Integratoraus-gang eine fallende Flanke erzeugt. Das Aufla-den des Integrators mit den Messgrößen erfolgtin der festgelegten Zeit tA.

Die Messzeit tA beträgt 20ms. Dies entsprichtder Periodendauer eines 50Hz Signals. Fallsden Messgrößen ein 50Hz-Brumm überlagertist, wird dieser damit einfach und wirkungsvollausgemittelt und damit unterdrückt. Würdeman das Gerät in den USA betreiben, wo eine

Interner seriellerDatenbus 9600 Baud

µP_V5 Dual-Slope

Steuerung

-10V

MUX

C1

150kΩ

RI

R2

3

Analog-Komparator

CD4051

URÜCK (7,5V)UREF (1,25V)

UMESS

UM1

UM2

UM3

UM4

UM5

IA

Folien-kondensator100nF

Bild 6-5: Prinzipschaltung der Spannungsmessung nach dem Dual-Slope-Verfahren



Netzfrequenz von 60Hz benutzt wird, hätteman diese Zeit auf 16,66ms setzen müssen) .

Das Entladen mit der Rücklaufspannung erfolgtsolange, bis die Ausgangsspannung wieder denAnfangswert erreicht hat. Dies wird über denAnalogkomparator des µP’s gesteuert. DieEntladezeit tMess wird gespeichert. Der Span-nungshub ∆UA errechnet sich wie folgt:

tRU

IC

UI

EA

IA ∆

−=∆

1(6.1)

wobei UE die betreffende Eingangsspannungund ∆t die Zeit tA bzw. tMESS ist. Der zusätz-liche bei allen Messungen gleiche OffsetstromIA ist notwendig, damit bei Spannungen bis2,5V ein Aufladen des Integrators erfolgt.

Durch den Spannungsvergleich amKomparatoreingang ist die Spannung ∆UA fürden Lade und Entladevorgang identisch.

MESSI

RÜCKAA

I

MESSA t

RU

ItR

UI

−=

− (6.2)

Der Integrationskondensator CI kürzt sich beidieser Gleichung heraus Er wird so diemensio-niert, dass der Spannungshub ∆UA möglichstgroß wird, der OP aber in keinem Fall in dieobere Spannungsbegrenzung kommen kann. Jegrößer der Spannungshub ∆UA ist, desto gerin-ger der Eingfluss von Rauschen und Störungenauf den Komparatoreingang.

Leider haben die OP’s noch eine Offsetspan-nung, die sich zur Messgröße hinzuaddiert, undderen Wet unbekannt ist, so dass Gleichung(6.2) etwas korrigiert werden muss:

MESSI

OSRÜCKAA

I

OSMESSA t

R

UUIt

RUU

I

+−=

+−

(6.3)

Löst man nun diese Gleichung nach der Mess-zeit tMESS auf, so erhält man:

AOSRÜCKIA

OSMESSIAMESS t

UURIUURI

t ∗−−−−

= (6.4)

Die durch toleranzbehaftete Elemente be-stimmte Größe IA*RI sowie die OffsetspannungUOS können zur unbekannten Größe UX zu-

sammengefasst werden: UX = IA*RI –UOS , undman erhält aus Gleichung 6.4:

ARÜCKX

MESSXMESS t

UUUU

t ∗−−

= (6.5)

Für jede zu messende Spannung UMESS mussman nun drei Messungen vornehmen:

• Die zu messende Spannung selbst (UM)• Die Bezugsspannung (Masse; UMESS = 0V)• Die Referenzspannung (UREF)

Bei jeder der drei Messungen erhält man jeweilseine Messzeit: tM, tMASSE und tUREF . Mit Glei-chung (6.4) erhält man dann 3 Bestimmungs-gleichungen:

ARÜCKX

MXM t

UUUU

t ∗−

−=

ARÜCKX

XMASSE t

UUU

t ∗−

=

ARÜCKX

UREFXUREF t

UUUU

t ∗−−

= 1 (6.6)

aus der sich die Größen UX, URÜCK und tA eli-minieren lässt. Die zu messende Spannung kannman dann nach folgender Formel ermitteln:

REFMASSEUREF

MASSEMM U

tttt

U−

−= (6.7)

Man kann diese Formel leicht überprüfen, in-dem man für die betreffenden Zeiten die Glei-chungen (6.6) einsetzt. Die Größen UOS, IA, RI

und URÜCK treten in der Bestimmungsgleichung(6.7) nicht mehr auf und beeinflussen daher dasMessergebnis nicht. Um den Eingangsspan-nungsbereich (-2,2V < UM < +2,2V) festzule-gen, wird die Schaltung so dimensioniert, dasstUREF ≈ 0,25*tA und tMASSE ≈ tA/2 wird. DieSpannung URÜCK ist so gewählt, dass tA ≈ tM ist,wenn UM = -2,2V erreicht ist.

Ein Messzyklus umfasst die Messungen derfünf Eingangsspannungen UM1..UM5, die Mes-sung der Massespannung und die Messung derReferenzspannung UREF. Da in Gleichung (6.7)die Zeiten subtrahiert und dann dividiert wer-den, spielt die Zeiteinheit keine Rolle. DieMesszeiten tM, tMASSE und tUREF werden daherals 16bit-Integerzahlen und zwar einfach als



Anzahl der gemessenen Clockimpulse über dieserielle Schnittstelle an den PC gegeben. DieBerechnung gemäß Gl.(6.7) erfolgt im Pro-gramm auf dem PC, da die Auswertung dieserFormel in den Assemblerprogrammen der Mi-krokontroller zu aufwändig wäre.

6.4.1 Schaltungstechnische Details für dieSpannungsmessung

Der Spannungsmessbereich des oben beschrei-benen Messverfahrens liegt bei –2,2V....+2,2V. Höhere oder niedrigere Spannungen füh-ren zum Überlauf: der Integrator kommt in dieBegrenzung, oder aus der Aufladung währendder Messzeit tA wird eine Entladung. Die Er-gebnisse sind dann unbrauchbar.

Um die Netzgerätespannungen zu messen (max+12V. bzw –12V wird die Ausgangsspannungdaher über einen Spannungsteiler auf den Mul-tiplexereingang gegeben (Bild 6-7)

4,7kΩR1

1kΩR2

VPLUS

UM1

(Multiplexer)

4,7kΩR3

1kΩR4

VMINUS

UM2

(Multiplexer)

Bild 6-7: Spannungsteiler zum Messen dernegativen und positiven Netzspan-nung

Der Spannungsteiler ist relativ niederohmiggewählt, da der Eingangswiderstand bei dieserMessung keine Rolle spielt und ein niederohmi-ger Spannungsteiler weniger empfindlich fürStörungen ist.

Beim kleinen Spannungsmessbereich über dieMessbuchse kann die zu messende Spannungdirekt (über einen Schutzwiderstand von1MEGΩ) auf den Multiplexer gegeben werden.Zum Messen von höheren Spannungen in denanderen Messbereichen (5V, 10V, 20V) wirddie Messbuchse über einen Spannungsteiler mitdem Multiplexer-Eingang verbunden. Das Prin-zipschaltbild ist in Bild 6-8 angegeben.

100kΩR2

VMESS UM3

(Multiplexer)1MΩ

R1

Mess-buchse

CF

100nF

BF245B

VGATE

Bild 6-8: Eingangsbeschaltung für die DC-Voltmeter-Messbuchse

Der n-Kanal Sperrschicht-FeldeffektransistorBF245B wirkt als Schalter und wird für diehohen Messbereiche (5V, 10V und 20V) ge-schlossen (VGATE = 0V) , im niedrigen Span-nungsmessbereich (2V) bleibt der Schalter of-fen (VGATE = -10V) . Der Einschaltwiderstanddieses Transistors ist bei einer Gatespannungvon 0V gegenüber R2 vernachlässigbar klein.Der Transistor wird entsprechend dem gewähl-ten Spannungsbereich angesteuert.

Da dieser Sperrschicht-FET gegenüber demMOS-FETs BS170 keine Drain-Source-Diodeam Ausgang aufweist, kann er für negative undpositive Spannungen am Drain eingesetzt wer-den. Als Nachteil fällt die erforderliche negativeGatespannung ins Gewicht, die einen Pegelum-setzer mit einem pnp-Transistor erforderlichmacht.

Eine zusätzliche Kapazität am Eingang desMultiplexers (CF) filtert evtl. vorhandene hoch-frequente Störungen aus.

Es können grundsätzlich nur Spannungen bezo-gen auf Masse gemessen werden. Spannungs-messungen zwischen zwei Schaltungknoten sindnicht möglich.

Auf eine Besonderheit bei der Gleichspan-nungsmessung im untersten Bereich sei nochhingewiesen: Es existiert keine DC-Verbindungvon der Voltmeterklemme nach Masse, da derSperrschicht-FET unendlichen Widerstandbesitzt. Bei der Spannungsmessung im niedrig-sten Bereich (2V) hat man keinen Eingangs-strom. Andererseits ist bei offener Messbuchsedie Spannung undefiniert. Wegen der parasitä-ren Kapazitäten beim Umschalten des Ein-gangsmultiplexers läuft dann die „gemessene“Spannung langsam hoch und erzeugt schließlicheinen Überlauf.



Offsetspannungsabgleich: Prinzipiell ist eineOffsetspannungskompensation bei dem modifi-zierten Dual-Slope-Verfahren nicht notwen-dig.Allerdings treten durch die parasitärenSchaltkapazitäten am Multiplexereingang kleineUmladungsströme auf, die zu einem leichtenOffset führen. Daher wurde eine Offsetspan-nungskompensation vorgesehen: man Schließtdie Klemme des Voltmeters gegen Masse undspeichert in beiden Messbereichen den gemes-senen (kleinen) Spannungswert ab. Bei denMessungen wird dieser Offsetfehler vomMesswert abgezogen, so dass offfsetfreie Mes-sung möglich ist. Die beiden Korrekturwertewerden im EEPROM des MikrokontrollersµP_SER abgelegt und stehen nach jedem Startzur Verfügung.

6.4.2 Schaltungstechnische Details für dieStrommessung

Eine Strommessung muss über den Umwegüber eine Spannungsmessung an einem Mess-widerstand RM vorgenommen werden.

Der Spannungsabfall über diesem Messwider-stand (RM) wurde auf 0,1V bei maximalemStrom festgelegt, um den Einfluss des Messwi-derstandes auf die Schaltung möglichst kleinzu halten. Als Konsequenz ergibt sich die Not-wendikeit des Umschaltens der Messwiderstän-de. Hierzu müssen 3 Reed-Relais eingesetztwerden, die entsprechend dem gewählten Mess-bereich angesteuert werden.

Damit man an beliebiger Stelle in einer Schal-tung eine Strommessung vornehmen kann, wirdder Spannungsabfall über dem Messwiderstandzunächst auf einen Subtrahierverstärker gege-ben. Aus Kostengründen wurde der Subtrahier-

verstärker mit einem Standard-OP und mitSMD-Widerständen realisiert.

Bild 6-9 zeigt die Schaltung zur Strommessungüber die beiden Messbuchsen. Die beiden An-schlüsse UM4 und UM5 gehen auf den Multiple-xer des Spannungs A-D-Konverters.

Eine Konsequenz des Subtrahierverstärkers istder eingeschränkte Gleichtakteingangsspan-nungsbereich: Die Spannung UAMP zwischeneiner Klemme und Masse muss innerhalb desVersorgungsspannungsbereichs liegen:

-12V < UAMP < +12V

sonst wird der Gleichtakteingangsspannungsbe-reich des OP’s überschritten und seine Ein-gangsdifferenzstufe funktioniert nicht mehrkorrekt.

Um eine fehlerfreie Messung zu ermöglichen,muss der Subtrahierverstärker abgeglichenwerden. In der alten Version der Laborplatinewird hierfür ein Trimmpotentiometer verwen-det. In der neuen SMD-Version erfolgt dieserAbgleich durch eine zusätzliche Spannungs-messung und softwaremäßiger Korrektur desgemessenen Wertes.

Um den Spannungsmessbereich voll auszunut-zen zu können, muss die Ausgangsspannungdes Differenzverstärkers mit einem nichtinver-tierende Verstärker verstärkt werden.

Abgleich und Korrektur der Fehlereinflüsse:

Die Ausgangsspannung UM4 ist die dem StromIM proportionale Ausgangsspannung. Allgemeingilt, wenn man alle Fehlereinflüsse berücksich-

RM0

470Ω

2,2MΩ

R1

2,2MΩ

R2a

-AMP

2,2MΩ

R3

2,2MΩ

R4a

+AMP

UM4RM1

47Ω

S1S2

RM2

4,7Ω

S3

RM3

2x1Ω

750kΩ

R2b

750kΩ

R4b

UM5

6,8kΩ

RV2

RV1

1kΩ

¼ TL084

¼ TL084

IM

UAMP

Bild 6-9: Eingangsschaltung des Amperemeters



tigt:

OSAMPMMba

V

VM UUKIR

R

RR

R

RU +∗+∗∗

+

+= 1

1

22

2

24 1

OSAMPMMM UUKIRU +∗+∗∗= 14 46,10 (6.8)

Hierbei ist RM der durch die Stellung der Relais-schalter erzielte Gesamtwiderstand. Je nachSchalterstellung ergibt sich

• RM = 470Ω (kein Schalter geschlossen)• RM = 42,7Ω (Schalter S1 geschlossen)• RM = 4,65Ω (Schalter S2 geschlossen)• RM = 0,5Ω (Schalter S3 geschlossen)

Wenn man einen Spannungsabfall zwischen denAmpere-Klemmen von 0,1V bei maximalemStrom festlegt, so erreicht man einen Span-nungshub für UM4 von ca. ±1V . Die SpannungUOS ist der durch die Eingangsoffsetspannungenaufaddierte Gleichspannungsanteil, der durch dieVerstärkungen bis zu ±100mV betragen kann.Besonders unangenehm ist der Einfluss derUnsymmetrie der Widerstände R1 - R4 , der einenWert von maximal ±0,1 erreichen kann. Damitaddiert sich zu UM4 je nach Spannungswert UAMP

(das ist die Spannung zwischen den Am-pereklemmen und Masse) ein weiterer Offsetvon bis zu ±0,12 V, wenn man als maximaleSpannung VM einen Wert von ±12V zulässt. Diezusätzliche Messung der Spannung VM5 ermög-licht die Fehlerkorrektur. Zur Vereinfachunglässt sich in Gleichung (6.8) die Spannung VAMP

durch die Spannung VM5 ersetzen, da diese ja nurüber einen Spannungsteiler R2 , R4a , R4b herun-tergeteilt wird:

OSMMMM UUKIRU +∗+∗∗= 524 46,10 (6.9)

Der in der PC-Software vorgesehene Offsetab-gleich des Amperemeters arbeitet wie folgt:

Eine Klemme des Amperemeters bleibt offen, dieandere Klemme wird an die positive Versor-gungsspannung VPLUS des Netzteils angeschlos-sen. Damit ist der Messstrom IM = 0 . Jetztwerden zwei Messungen vorgenommen:

1.) Die Versorgungsspannung VPLUS wird aufnull eingestellt. Damit ist UAMP = 0 undman misst man die AusgangsspannungenUM4 und UM5 . Mit Gleichung (6.9) erhält

man OSMM UUKU +∗= )1(52)1(4 (Norma-

lerweise sollte UM5(1) null sein)

2.) Die Versorgungsspannung wird auf maxi-mal eingestellt und man misst wieder diebeiden Spannungen UM4 und UM5 . MitGleichung (6.9) erhält man

OSMM UUKU +∗= )2(52)2(4

Die beiden Messungen an den zwei verschiede-nen Spannungspunkten ergeben 2 Gleichungenfür die 2 Unbekannten K2 und UOS . So erhältman die beiden Berechnungsvorschriften für K2

und UOS :

)2(5)1(5

)2(4)1(42

MM

MM

UU

UUK

−

−=

)2(5)1(5

)2(5)1(4)1(5)2(4

MM

MMMMOS UU

UUUUU

−

∗−∗=

Bei jeder Strommessung wird mit der Kenntnisder Gleichung (6.8) mit den jetzt bekanntenKorrekturwerten K2 und UOS die Korrekturvorgenommen:

( )OSMMM

M UUKUR

I −∗−∗∗

= 52446,101

Unabhängig von der anliegenden Spannung anden Ampereklemmen wird man also immer beiIM = 0A auch auf dem Messgerät die Anzeige0,00 bekommen.

Diese beiden Korrekturwerte werden in dasEEPROM des Mikrokontrollers µP_SER abge-speichert, und stehen dann nach jedem Pro-grammstart zur Verfügung. Die beiden Besti-mungsgleichungen für K2 und UOS haben imNenner die Differenz der gemessenen SpannungUM5 der beiden Messungen. Falls man aus Ver-sehen das Amperemeter bei der Kalibration nichtmit VPLUS des Netzteils verbindet, wird dies vomProgramm erkannt und es unterbricht denOffsetabgleich mit einer entsprechenden Mel-dung.

6.5 Der Funktionsgenerator

Das Blockschaltbild des Funktionsgenerators istin Bild 6-10 angegeben. Der MikrokontrollerµP_FUA dient der Kommunikation zwischendem internen Bus und dem MikrokontrollerµP_FUB. Er liefert die Puls-Breitenmodulierten



Signale für die Amplitude und den Offset, dieüber ein nachgeschaltetes Sallen-Key-Tiefpassfilter 2.Ordnung in eine Gleichspan-nung umgewandelt werden. Weiterhin wirdeine Referenzfrequenz mit Hilfe eines NCO(Numerical Controlled Oszillator) erzeugt. EinNCO ist nichts anderes als ein Register, dessenAnfangswert beliebig ist und das mit einemkonstanten Wert inkrementiert wird. Der bei derAdditions entstehende Überlauf wird nicht be-rücksichtigt. Das MSB dieses Registers dientals Frequenznormal und wird dem Referenzein-gang des Phasenkomparator der PLL zugeführt.Der Inkrementwert dieses NCO’s errechnet sichnach folgender Formel:

CLK

BLNOM

INCR ff

N2∗

= (6.10)

Hierbei ist fNOM die gewünschte Ausgangsfre-quenz, BL ist die Bitlänge des Registers, die beider Laborplatine zu 16 bit gewählt wurde. fCLK

ist die Taktfrequenz mit der das Register in-krementiert wird. Diese Frequenz liegt natürlichtiefer als die Taktfrequenz der Mikrokontrol-lers, da der µP ja einige Zyklen braucht, um dieAddition mit dem Inkrementwert und die Aus-gabe auf den Port zu realisieren. In der Labor-

platine wurde fCKL = 300kHz gewählt. Mit ei-nem solchen NCO können auch beliebige„krumme“ Frequenzen erzeugt werden. Man istnicht auf eine ganzzahlig teilbare Frequenz derTaktfrequenz beschränkt. Theoretisch könnteman die Frequenz beliebig genau machen, in-dem man die Bitlänge BL des Registers großgenug macht. Allerdings tritt mit wachsenderBitbreite ein tieffrequenter Jitter auf. Die aus-gegebene Frequenz ist nämlich nur im Mittel diegewünschte Frequenz fNOM . Das Loopfilter derPLL muss diesen Jitter ausgleichen. Ein guterKompromiss zwischen Jitter und Einstellge-nauigkeit hat sich mit einer Bitlänge von 16bitrealisieren lassen. Der zweite MikrokontrollerµP_FUB ist der eigentliche Funktionsgenerator,der aus Tabellenwerten das digitale Ausgangs-signal entsprechend der gewünschten Kurven-form generiert. Neben einer Sinustabelle sindauch einfache Inkrementationsfunktionen reali-siert, so dass man auch Sägezahn (Registernach jedem Takt um 1 hochzählen) Dreieck undRechteck realisieren kann. Der µP beinhaltetein EEPROM mit 64 Werten. Damit kann aucheine frei programmierbare periodische Funktionmit 64 Stützwerten realisiert werden.

Für die Realisierung beliebiger Frequenzen

Bild 6-10 : Blockschaltbild des Funktionsgenerators

Interner seriellerDatenbus 9600 Baud

µP_FUAFrequenz-generator

µP_FUBSignal-

generatorVCO

AusgangNCO

PWM Offset(f=1kHz)

PWM Amplitude(f=1kHz)

I2C-BUS

Phasen-komparator

Loop-Filter

Takt für µP41,8....12MHz

8-bitDAC

8

Tiefpass2.Ordnung

Tiefpass2.Ordnung

+

Ausgangs-verstärker Ausgangs-

signal

Glitch-Filter



benötigt man eine variable Taktfrequenz. Diessoll anhand der Sinusfunktion erläutert werden:

Zur Darstellung eines Stützwertes der Sinus-funktion werden drei Taktzyklen benötigt (Wertaus Tabelle lesen und auf den parallelen Aus-gang schreiben). Möchte man für eine Periodeder Sinusschwingung mit 128 Stützstellen reali-sieren, so erreicht man damit eine maximale

Frequenz von kHzMHz

fMAX 25,31128*3

12== .

Da man die Prozessoren auch geringfügigübertakten kann, wurde ein maximale Frequenzvon 32kHz gewählt. Will man jetzt 20kHz ein-stellen, so kann man dies nur durch eine Takt-frequenz von 7,68MHz erreichen. Bei wesent-lich tieferen Frequenzen kann man nach je 3Taktzyklen einen Timerinterrupt einfügen, sodass man auch bei tiefen Frequenzen immer miteiner Taktfrequenz zwischen 1,5 und 12MHzauskommt. Diese Frequenz wird über eine PLL(Phased locked Loop) generiert. Die im Mikro-kontroller µP_FUB heruntergeteilte Taktfre-quenz wird mit der Frequenz des NCO vergli-chen und der VCO mit dem gefilterten Signaldes Phasenkomparators gesteuert. Für die PLLwird der High-speed-CMOS-Baustein74HCT4046A verwendet. Dieser Bausteinbeinhaltet den VCO und den Phasenkompara-tor. Zum Einstellen des gewünschten Span-nungsverlaufs, des programmierbaren Teilersusw. müssen dem µP_FUB Datenwerte über-mittelt werden. Dies geschieht durch einen I2C-ähnlichen Bus, der von µP_FUA bedient wird.Es konnte kein asynchrones Datenprotokoll(z.B. RS232) verwendet werden, da wegen derunbekannten Taktfrequenz des BausteinsµP_FUB die Synchronisation zwischen Sender

und Empfänger unmöglich ist. Daher benötigtman eine zusätzliche Taktleitung. Dies ist beimI2C-Bus gegeben. Das digitale Signal mit 8bitAuflösung wird auf einen multiplizierenden D-A-Wandler (DAC0808) mit Stromausganggegeben. Der Referenzeingang des DAC’s istdie Analogspannung für die Signalamplitude.Damit lässt sich die Amplitudeneinstellungeinfach bewältigen, und man braucht keinedigital gesteuerten Potentiometer, die noch rechtteuer sind. Neben dieser analogen Einstellung,die sich nur bis auf 20% der Gesamtamplitudeherunterregeln lässt, kann das Ausgangssignalnoch über einen Analogmultiplexer und einengestuften Spannungsteiler in Schritten von10dB bis auf –50dB abgesenkt werden.

Bei der Änderung der Funktionswerte könnenam Ausgang des 8-bit DAC’s Spikes enstehen.Um diese zu unterdrücken, wird ein einfaches„Glitch“ Filter verwendet, dass als Sallen-Key-Filter 3.Ordnung aufgebaut ist, und eine Eck-frequenz von ca. 100kHz hat.

Der Schaltungsaufwand des Funktionsgenera-tors ist insgesamt recht gering: Er besteht ausden beiden Mikrokontrollern µP_FUA undµP_FUB, dem PLL-Baustein 74HCT4046A,einem 4-fach OP (TL084) und einem Analog-multiplexer (CD4051B)

Die Tabelle 6-11 gibt einen Überblick über diemaximal möglichen Frequenzen und die Auflö-sung in Abhängigkeit der gewählten Kurven-form. Die feinste Auflösung für Sägezahn,Dreieck und Rechteck liegt relativ niedrig, Umjedoch Frequenzen bis 35kHz bzw 70kHz zurealisieren, akzeptiert man für diese Frequenzeneine reduzierte Auflösung. Bei 8 bit Auflösung

Werte proPeriode

maximale Auf-lösung in derAmplitude

maximale Frequenzbei maximaler

Auflösung

maximale Frequenzbei reduzierter

Auflösung

Sinus 128 8bit 32kHz ---

Sägezahn 256 8bit 12kHz 70kHz

Dreieck 512 8bit 3kHz 35kHz

Rechteck 256 1bit 6kHz 70kHz

Frei programmierbareFunktion

64 8bit 19kHz ---

Tabelle 6-11 : Kurvenformen des Funktionsgenerators und Auflösungen



erhält man bei einem Sägezahn insgesamt 256Schritte. Dies ist nur bis 12kHz möglich. Zwi-schen 12 und 24kHz werden nur 128 Stufenvorgesehen, für höhere Frequenzen entspre-chend weniger. Die Auflösung für Rechteckbedeutet, dass die Offseteinstellung bei höhererFrequenz reduziert ist. Die Reduktion der Auf-lösung ist für die Sinusfunktion und die freiprogrammierbare Funktion nicht möglich.

6.6 Das Oszilloskop

Das Blockschaltbild des Oszillsokops ist in Bild6-12 angegeben. Das Oszilloskop kennt imwesentlichen folgende Zustände, die sequentiellabgearbeitet werden müssen:

• Lesen der Einstelldaten, wie Timebase,Triggermode...

• Warten auf den nächsten Triggerimpuls

• Abtasten der Analogspannung an Kanal 1 undKanal 2 und Übertragen der Daten in denRAM-Speicher, dessen Adresse nach jedemSamplingwert um eins erhöht werden muss.Die Geschwindigkeit des Abtastens hängt vomeingestellten Wert der Zeitbasis ab.

• Auslesen des RAM-Inhaltes über den Multi-plexer (MUX CD4051) und Senden der Da-ten über die serielle Schnittstelle an den PC

Aufgrund dieses zyklischen Arbeitens der Oszil-loskopfunktion ist auch klar, dass der bei manchendigitalen Speicheroszilloskopen vorhandene

Bild 6-12 : Blockschaltbild des Oszilloskops

S2

S3

S1

Y1

Y1-Offset

+

Y1-Verstärker

S5

S6

S4

Y2

Y2-Offset

+

Y2-Verstärker

A /DWandlerAD7825

2 KBstaticRAM

8

Extern

Trigger-Source

AC-DC- Kopplung

Trigger-Level

µP_OSC (Oszilloskop-Microcontroller)µP_SER

(Kommunikations-Microcontroller)

Interner seriellerDatenbus9600 baud

ExternerInterrupt

Analog-Komparator

Interrupt

SerielleSchnittstelleZum PC

Zu den anderenMikrokontrollern

Adress-Counter

HCF4040

MUXCD4051

Tiefpass-filter

SRAM_Full

3Tiefpass-filter(1Hz)

½ µP_DVM:Puls-

BreitenmodulierteSignale Y-Offsetund Trigger-Level



"Rolling-Modus", bei dem die gesampelten Wertelangsam über den Bildschirm wandern, bei diesemKonzept nicht möglich ist.

In Bild 6-12 kann man erkennen, dass die Os-zilloskopfunktion gegenüber den anderen Geräte-funktionen (Netzgerät, Multimeter und Funkti-onsgenerator) die komplexeste Funktionsgruppedarstellt. Die Auflösung des AD-Wandlersbeträgt 8 bit, d.h. 256 Stufen. Bei 8 Kästchen invertikaler Richtung sind das pro Unit 32 Stufen.Dies kann man als ausreichend ansehen, und istauch die bei käuflichen Oszillsokopen üblicheVertikalauflösung. Damit bei allen Empfindlich-keitsstufen die volle Auflösung in y-Richtungzur Verfügung steht, wird das Eingangssignalzunächst über einen gestuften Abschwächergeführt. Dieser ist mit einem Widerstandsnetz-werk und einem Analogmultiplexer aufgebautund erlaubt die Einstellung der bekannten Stu-fungen 1-2-5-10-20... usw. Mit dem Multiplexerwerden nur 6 Stufen realisiert. Durch einenweiteren Abschwächer am Eingang von 1:10lassen sich die gewünschten 3 Dekaden reali-sieren (10mV/Unit...5V/Unit). Der Eingangsab-schwächer ist zwingend notwendig, da der Ana-logmultiplexer maximal ± 7V am Eingang ver-trägt und ohne Abschwächer am Eingang dieunempfindlichste Einstellung 1,8V/Unit wäre.Die Einstellungen des Eingangsabschwächersund der AC/DC-Umschaltung müssen überRelais erfolgen. Es wurden pro Kanal je 3 Reed-Relais kleiner Bauform verwendet. Der verwen-dete AD-Wandler AD7825 hat 4 über Multiple-xer wählbare Eingänge, von denen nur 2 benutztwerden (Kanal1 und Kanal2). Der Spannungs-hub des Analogeingangs ist 2,5V bei vollerAuflösung. Damit benötigt der Eingangsverstär-ker eine Verstärkung von A=31,25, da die emp-findlichste Stellung 10mV/Unit ist und 8 Unitsin y-Richtung vorhanden sind. (A= 2,5V/80mV= 31,25). Aus Kostengründen wurde ein OP mitFET-Eingang und einer Transitfrequenz von fT =3MHz verwendet (TL084). Leider kann man mitdiesem OP nur eine Bandbreite von 100kHzrealisieren, wenn man eine Standardbeschaltungals nichtinvertierender Verstärker vorsieht (fG =fT/31,25= 96kHz). Daher wurde mit 2 zusätzli-chen Bipolartransistoren eine Schaltung reali-siert, die einen vernachlässigbaren Eingangs-strom (FET-Eingang) und eine Bandbreite von2MHz aufweist.

In dieser Schaltung, die in Bild 6-13 gezeigt ist,arbeitet der OP lediglich als Spannungsfolgerund hat dadurch eine Bandbreite von fG = fT =3MHz. Die Verstärkung wird mit den beidenBipolar-Transistoren gemacht.

zum DAC

15kΩ

R2

490ΩR1VIN

3,9kΩR4

-10V

5,6kΩR3 +10V

BC547B

1/4TL084

BF240

Bild 6-13: Y-Verstärker, Bandbreite 2MHz

Wegen der relativ hohen Verstärkung von 31genügt zur Frequenzgangkompensation dieVerdrahtungskapazität zwischen Kollektor vonBF240 nach Masse.

Die Ablaufsteuerung übernimmt µP_OSC.Über den internen Datenbus werden die nötigenKenndaten für Zeitbasis und Triggerung in 3Bytes übermittelt. Das Senden dieser Informati-on wird mit einem externen Interrupt an µP-OSC eingeleitet. Dies ist notwendig, da sich derµP_OSC in einer Samplingroutine befindenkönnte. Diese wird durch den externen Interruptunterbrochen, damit die Daten gelesen werdenkönnen.

Der Mikrokontoller µP_OSC verfügt noch überweitere Interruptmöglichkeiten: Der Interruptüber den Analogkomparator löst den eigentli-chen Samplingprozess aus. Der Analogkompa-rator ist somit der Triggereingang des Oszil-loskops. Am +Eingang liegt eine Gleichspan-nung (Triggerlevel) und am -Eingang das Signal,das den Triggervorgang auslösen soll. Die Trig-gerquelle kann über einen Multiplexer gewähltwerden (Y1, Y2 oder externe Triggerung). Fürverrauschte Signale ist es zweckmäßig, dasTriggersignal zu filtern: Auf Wunsch kann einTiefpassfilter 1.Ordnung mit einer Eckfrequenzvon wahlweise 5kHz oder 100kHz eingeschaltetwerden. Es ist hardwaremäßig mit einem RC-Tiefpass realisiert.



Eine weitere Filtermöglichkeit ist mit dem Noise-Filter gegeben. Je nach gewählter Triggerflankemuss das Triggersignal etliche Taktzyklen vor derTriggerflanke konstant sein und darf die Trigger-schwelle nicht überschreiten. Im Detail bedeutetdies:

• Für positive Triggerflanke (Slope=positiv)muss das Signal eine Zeitspanne, die ca. ¼Unit der Zeitachse beträgt lang kleiner alsdie Spannung sein, die mit Triggerlevel ein-gestellt ist.

• Für negative Triggerflanke (Slope=negativ)muss das Signal eine Zeitspanne, die ca. ¼Unit der Zeitachse beträgt lang größer alsdie Spannung sein, die mit Triggerlevel ein-gestellt ist.

Das Noise-Filter kann somit kurze Spikes imTriggersignal wirkungsvoll unterdrücken. Natür-lich funktioniert das noise-Filter nicht, wenninnerhalb einer Zeit-Unit bereits mehrere Periodendes Signals auftreten.

Mit diesen beiden Filtermöglichkeiten kann maneine stabile Triggerung auch bei unsauberenSignalen sicherstellen . Je nach gewählter Trigger-flanke löst der Übergang von 0 nach 1 bzw. von 1nach 0 den Interrupt aus und startet den Sam-pling-Prozess. Die Samplerate wird entsprechendder Zeitbasiseinstellung vorgenommen.

Eine weitere Interruptmöglichkeit ist der Timer-Interrupt. Dieser wird nur im AUTO-Modusaktiviert und löst den Samplingprozess aus, wennein Timer-Overflow (ca. 1sec) diesen Interruptauslöst. Dieser Timer-Interrupt unterbleibt, wenninnerhalb einer Sekunde ein Analog-Interrupt(also ein echtes Triggersignal) eintritt.

Während des Sampling-Prozesses wird abwech-selnd der DAC aktiviert, der dann ins RAMschreibt und dann der Adresszähler des RAM’shochgezählt. Wenn der Adresszähler auf 1024steht, wird der Sampling Prozess, der Ana-logkomparator- und der Timer-Interrupt gestoppt.Über eine Leitung (SRAM_Full) wird demProzessor µP_SER mitgeteilt, dass der Speichervollgeschreiben ist. Erst dann hat µP_SER dieErlaunis, den Speicher auszulesen und über dieserielle Schnittstelle die gemessenen Oszilloskop-Daten an den PC zu senden.

Wenn alle Daten ausgelesen sind, wartet dasOszilloskop wieder auf den nächsten Triggerim-puls.

6.6.1 Auflösung in x- und y-Richtung

Die Auflösung des AD-Wandlers AD7825beträgt 8 bit, d.h. 256 Stufen. Bei 8 Kästchen invertikaler Richtung sind das pro Unit 32 Stufen.Um in horizontaler Richtung (10 Units) einevergleichbare Auflösung zu bekommen bräuchteman 31*10 = 320 Messpunkte. Um die Messwerteleicht einer Spektralanalyse mit Hilfe einer FFTzu unterziehen, benötigt man eine Zweierpotenz.Daher wurden in y-Richtung 29=512 zeitlichäquidistante Messpunkte vorgesehen. Bei einerzweikanaligen Darstellung benötigt man somitzwei mal 512 d.h. 1024 Messpunkte.

Wenn man nur einen Kanal darstellt, werden 1024äquidistante Messungen durchgeführt. DieserKanal wird dann praktisch mit doppelter Sample-frequenz abgetastet.

Um bei der Screendump-Funktion eine leichtskalierbare Zahl bei den Abtastpunkten zubekommen , muss man für die Anzahl derSamples in x-Richtung für die graphische Dar-stellung eine glatte Zahl vorsehen. Daher wurdenbei zweikanaliger Darstellung pro Unit 50 Mess-punkte und bei einkanaliger Darstellung 100Messpunkte vorgesehen. Bei 10 Units in x-Richtung wären das dann insgesamt 500 bzw.1000 Punkte in x-Richtung. Im Hinblick auf dieFFT-Analyse kommen damit bei zweikanaligerDarstellung 12 Messpunkte und bei einkanaligerDarstellung 24 Messpunkte nicht zur Anzeige.Von der Graphik her „verschenkt“ man somit2,4% der Messung.

6.6.2 Abtastung bei ein- und zweikanaligemBetrieb

Sobald ein Triggerimpuls den Sampleprozessanstößt, beginnt der D-A- Wandler, die Daten zumessen und dann in das RAM auf der Laborplati-ne zu schreiben.

Der DA-Wandler (AD7825) ist ein IC mit 4Analogeingängen, von denen 2 benutzt werden(für Y1 und Y2). Dieser Wandler arbeitet imMultiplexverfahren, d.h. es kann immer nur ein



Kanal gemessen werden. Eigentlich handelt es sichum einen einzigen DA-Wandler mit Eingangs-wahlschalter.

Der Messprozess erfolgt nach genau festgelegtenZeitpunkten, die durch die Einstellung der Zeitba-sis festgelegt ist. Die Steuerung des D/A-Wandlers und die Abspeicherung ins RAM wirdvon dem Kontroller µP_OSC überwacht. Dieserbenötigt für einen Mess- und Abspeichervorgang6 Taktzyklen. Da der Kontroller mit 12MHzgetaktet ist, kann also alle 0,5µsec eine Messungerfolgen. Damit liegt man bei einkanaliger Dar-stellung und 100 Messpunkten pro Unit bei einerZeitskalierung von 50µsec/Unit. Eine kleinereZeiteinteilung ist nicht möglich. Stellt man alsZeitbasis einen kleineren Wert ein, so werden proUnit in x-Richtung weniger Samples durchgeführt(z.B. bei 5µsec/Unit nur 10Samples pro Unit).

Bei einer größeren Zeiteinstellung werden entspre-chend der gewählten Zeiteinteilung einige Taktzy-klen gewartet, bis eine neue Messung erfolgt.(z.B. bei 5ms/Unit und 100 Messungen pro Unitmuss alle 50µs gemessen und ins RAM abgespei-chert werden. Das ist eine Messung nach je 600Taktzyklen.

Einkanalige Darstellung: Bei dieser Darstellungerfolgt der Sampleprozess zeitlich äquidistant mit100 Samples pro Unit. Dies gilt bis zu50µsec/Unit. Bei Wahl einer Zeit < 50µs/Unitwerden die Samplewerte auf dem Display gedehntund es werden nicht 100 Samples pro Unit son-dern entsprechend weniger dargestellt (bei20µsec/Unit 40 Samples, bei 10µsec/Unit 20Samples und bei 5µs/Unit 10 Samples). Eswerden aber auch für diese Messung insgesamt1024 Messungen vorgenommen.

Zweikanalige Darstellung: Die kleinste Sample-schrittweite ist auch hier 0,5µsec für jede Mes-sung. Bei einer Ablenkempfindlichkeit von50µsec/Unit können wieder 100 Messungendurchgeführt werden, jetzt aber 50 Messungen proKanal. Bei dieser Ablenkung wird abwechselndY1 und Y2 gemessen, wie in Bild 6-14 skizziertist. Zum Zeitpunkt t=0 (Triggerzeitpunkt) wirdKanal 1 gemessen, nach 0,5µs Kanal Y2, nachweiteren 0,5µs wieder Kanal 1 u.s.w. bis insge-samt 1024 Messungen durchgeführt wurden.

Wenn die Zeitbasis vergrößert wird, erfolgt dieMessung von Kanal 1 und 0,5µs später die

Messung des Kanals 2. Dann wird entsprechendder gewählten Zeitablenkung gewartet, bis Kanal1 wieder gemessen werden kann. Bild 6-15skizziert diese Situation bei einer Einteilung von0,5ms/Unit. Der zeitliche Abstand von Messungzu Messung für jeden Kanal ist 4µsec, um wieder50 Messungen pro Kanal und Unit zu bekommen.

0,5µs

Y1

t

t

Y2

t0

t1

t2

t3

Bild 6-14: Sampleprozess bei zweikanaligerDarstellung und 100µsec/Unit

0,5µs

Y1

t

t

Y2

t0

t1

t2

t3

4µs

Bild 6-15: Sampleprozess bei zweikanaligerDarstellung und einer Zeitbasis>50µsec/Unit (hier 200µs/Unit)

In jedem Fall werden also abwechselnd beideKanäle gemessen und die Messwerte im RAMabgelegt, wobei der Kanal Y2 immer 0,5µsecspäter gemessen wird. Bei den klassischenAnalog-Oszilloskopen bezeichnet man diesenBetrieb als Chopper-Betrieb.

Zweikanalige Darstellung bei einer Zeitbasis< 50µs/Unit: Wählt man die Zeitbasis kleiner als50µs/Unit, dann können die Kanäle nicht mehrabwechselnd gesampelt werden. Dann wird



zunächst Kanal Y1 mit 512 äquidistanten Zeit-punkten gemessen und nachdem 512 Messungendurchgeführt wurden, wird auf ein neuerlichesTriggersignal gewartet. Dieses startet dann die512 Messungen von Kanal Y2. Der Abstand vonSamplepunkt zu Samplepunkt beträgt in diesemModus immer 0,5µs. Auch hier wird die Darstel-lung gedehnt und weniger Samples pro Unitangezeigt, wenn man die Zeitbasis weiter verklei-nert. Diese Sampleprozedur ist daher mit demAlternate-Betrieb bei analogen Oszilloskopsvergleichbar.

6.6.3 Mittelwertbildung (Average-Funktion)

Mit der Average-Funktion:

besteht die Möglichkeit, periodische Messgrößen(und nur diese) zeitlich zu mitteln, umnichtsynchrone Störungen herauszufiltern. Beider Einstellung NO wird nicht gemittelt, dieMittelwertbildung ist nicht aktiv.

Bei allen anderen Einstellungen werden die aufdem Display dargestellten Messwerte mit dengemessenen Y-Werte nach folgendemAlgorithmus tiefpassgefiltert :

( ) )(11

)( altyn

nmessy

nneuy iii

−+=

Beim nächsten Samplewert werden die “neuen”Werte zu den dann “alten” Werten. Hierbeisteht der Index i für den i-ten Samplewert ; n istder gewählte Filterkoeffizient (2,4,8,16 oder32). Jeder gemessene Samplewert wird also zudem im Display dargestellten Wert nach dieserFormal gewichtet. Je höher der gewählteFilterkoeffizient ist, desto schwächer geht derneue Samplewert in den bereits bestehendenWert ein. So kommt also für jeden Samplewerteine Tiefpassfilterung zustande, die Schwan-kungen unter den Samplereihen ausfiltert. DieDarstellung auf dem Display wird dann geglät-tet und es ergeben sich weniger Schwankungen

von Messreihe zu Messreihe. Je größer n ist,desto langsamer reagiert freilich das Oszillos-kop. Für nichtgetriggerte Signale ist dieseFilterung natürlich nicht anwendbar und mussdann ausgeschaltet werden.

Besonders interessant ist diese Filterung für dieFFT-Analyse. Die Mittelwertbildung bei leichtverrauschten Signalen (und in der Praxis istjedes Signal leicht verrauscht) führt zu einereffektiv höheren Auflösung als 8 bit. Damitlässt sich der “Rauschteppich” des Quanti-sierungsrauschens (engl. Noise-floor) bei derFFT-Analyse bei Einschalten des Mittelwert-filters deutlich absenken. So können spektraleKomponenten sichtbar gemacht werden, diesonst im Quantisierungsrauschen untergingen.

6.6.4 Messfunktion

Wenn die grau hinterlegte SchaltflächesMeasures aktiviert wird, wird im Feld unterder Schaltfläche sONs angezeigt.

Gleichzeitig erscheint das dunkelgrünhinterlegtes Messfenster direkt rechts nebendem Oszillsokopfenster, das wie dieGerätefenster beliebig verschiebbar ist. Indiesem Fenster werden die Kenngrößen VPP

(Spitze-Spitze-Wert) und der (wahre)Effektivwert (Vrms) der Spannung beiderKanäle angegeben.

Über die Messung VPP braucht wenig gesagtwerden: aus den 512 bzw 1024 Datenpunktenwerden die maximalen und minimalen Wertebestimmt und die Differenz als Peak-Peak-Wert ausgegeben. Es ist selbstverständlich,dass dieser Wert bei verrauschten Signalenproblematisch ist, da dann natürlich ein etwaszu großer Wert angezeigt wird. Will mandiesen Wert auswerten, so empfiehlt sich die



Verwendung der Mittelwertbildung (Average-Funktion), um das Signal zu glätten.

Bei der Messung des Effektivwertes (Vrms)wird die bekannte Effektivwertformel

∫=T

rms dttuT

V0

2)(1

ausgewertet. Da es sich um diskrete Mess-punkte handelt, wird Integration alsSummation über alle Messwerte ausgeführtund die Division durch T entspricht derDivision durch die Anzahl (N) derMesspunkte:

∑=N

irms uN

V1

21

Man muss daher darauf achten, dass auf demBildschirm eine ganze Periode oder einganzzahliges Vielfaches der Periodendauerdargestellt wird. So hat man z.B. bei einemsinusförmigen Signal mit einer Frequenz von1kHz und einer Zeitablenkung von 0,2ms/Unitzwei ganze Perioden des Signals auf demDisplay. Pro Unit werden 50 bei zweikanaligerMessung bzw. 100 Messpunkte beieinkanaliger Messung dargestellt, so dass nur500 bzw 1000 Punkte von 512 bzw 1024Messpunkten sichtbar sind. Das N in derFormel ist allerdings 512 bzw. 1024. Die 12zusätzlichen Messpunkte machen also einenkleinen Fehler.

Ein kleines Beispiel soll diesen Sachverhaltverdeutlichen: Bei einer Zeitbasis von0,2ms/unit werden 50 bzw. 100 Messpunktepro Unit vorgenommen. Damit man eine ganzePeriode oder ein ganzzahliges Vielfaches desSpannungsverlaufs in den Speicher (512 oder1024 Werte) bekommt, muss man eineFrequenz von 976,5625Hz einstellen, damit dieEffektivwertmessung exakt wird. Zwar wirdbei einer Frequenz von 1kHz und einerAblenktung von 0,2ms/Unit auf dem Displaygenau zwei Perioden dargestellt, es sind aber12 bzw 24 Messungen mehr vorhanden. Daherrechnet man: f= 1kHz * 1000/1024 = 976,5Hz.

6.6.4 FFT-Analyse

Für Kanal1(Y1) und Kanal2 (Y2) kann dergemessene Signalverlauf (genauer gesagt derdurch die Einstellung in Average gemittelteWert der Datenreihe) einer Fast-Fourier-Transformation unterzogen werden, so dassaus dem zeitlichen Verlauf auf das Frequenz-spektrum geschlossen werden kann. Es werdendann die Amplitudenwerte der Frequenz-komponenten des Signals in Abhängigkeit derFrequenz dargestellt.

Die erforderlichen Einstellungen für die FFT-Analyse können im FFT-Setup Menüvorgenommen werden.

Die eigentliche FFT-Analyse wird im wesent-lichen durch die Wahl der Zeitbasis bestimmt.Entsprechend dem FFT-Algorithmus errechnetdie FFT-Analyse aus 1024 Datenpunkten 513äqidistante Frequenzpunkte (einschließlich derFrequenz f=0) und aus 512 Datenpunkten 257Frequenzpunkte. Bild 6-16 illustriert diesenZusammenhang.

Die effektive Abtastfrequenz feff ist der rezipro-ke Wert des Zeitabstandes zwischen zweiMesspunkten . Dieser Wert errechnet sich bei10 Units in x-Richtung nach der Formel:

[ ]divtimeMesspunktesichtbarenderAnzahl

feff /10∗=



Die Anzahl der sichtbaren Messpunkte ist 500(zweikanalig) bzw. 1000 (einkanalig). Damit istdie maximale Frequenz, die durch die FFTdargestellt wird:

[ ]divtime

feff

/25

2= (zweikanalige Darstellung)

[ ]divtime

feff

/50

2= (einkanalige Darstellung)

Da das Frequenzspektrum ebenfalls auf demDisplay (mit 10 Units in x-Richtung) dargestelltwird, erhält man damit die Skalierung der x-Achse (Frequency/Unit) mit

[ ]divtime /5,2

/Unit (zweikanalige Darstellung)

[ ]divtime /5

/Unit (zweikanalige Darstellung)

so wird bei einer Zeitbasiseinstellung von0,2ms/Unit die FFT-Skalierung mit12,5kHz/Unit dargestellt, wenn beide Kanäleaktiv sind und mit 25kHz/Unit dargestellt, wennder andere Kanal ausgeschaltet ist.

Es steht dem Benutzer frei, die so berechneteSkalierung in dem Fenster Frequency/Unit zu

ändern. Beim Ändern der Zeitbasis wird allerdingsder Wert in diesem Fenster wieder gemäß der obenangegebenen Formel errechnet und ein evtl. vorhergeänderter Wert überschrieben.

Die Einstellung Ymax muss grundsätzlich vomBenutzer eingegeben werden. Es findet keineautomatische Skalierung statt. Der minimaleWert ist bei der linearen Skaleneinteilunggrundsätzlich null. Bei den logarithmischenEinteilungen, bei denen man 1, 2 3 oder 4Dekaden wählen kann wird ebenfalls nur deroberste Wert durch Ymax festgelegt. Der unterePunkt ist dann je nach Anzahl der Dekaden1/10, 1/100 oder 1/1000 oder 1/10000 desmaximalen Wertes Ymax.

Bei der Fast-Fourier-Transformation gibt eszwei grundsätzliche Probleme, die bei derMessung und einer Interpretation derSpektralanalyse zu berücksichtigen sind. Diessind das Aliasing und der Leakage Effekt.Ohne Kenntnis dieser Zusammenhänge wird dieFFT-Analyse fehlerhaft bzw. kann nicht richtiginterpretiert werden.

6.6.2.1 Aliasing

Bei der Frequenz feff /2 tritt ein Faltungseffektauf: Wenn ein Signalverlauf Frequenzkompo-nenten oberhalb dieser Frequenz feff /2 aufweistwerden diese zurück in den dargestellten

t

V

512 (1024) Datenpunkte

Teff = 1/feff

Auf dem Display dargestellt:500 (1000) Datenpunkte =50 (100) Datenpunkte pro Unit

Darstellung der Messung als Funktion der Zeit Darstellung der Messung als Funktion der Frequenz

V

257 (513) Datenpunkteauf 10 Units

feff / 2

Ergebnis der FFT-Analyse

6-16: Darstellung einer gemessenen Spannung als Funktion der Zeit und der Frequenz



Frequenzbereich von 0.... feff /2 zurückgefaltet.Dies nennt man Aliasing.

Beispiel: Es soll ein Dreiecksignal mit einerFrequenz von 2kHz einer FFT unterzogenwerden. Die Dreieckspannung enthält neben derGrundwelle auch die ungradzahligen Harmoni-schen (die 3., 5., 7.... Harmonische). Wählt maneine Zeitbasis von 0,5ms/Unit, so ist feff =50/0,5ms = 100kHz bei zweikanaliger Darstel-lung. In diesem Fall ist feff /2 = 50kHz DieseFrequenz ist so hoch, dass praktisch noch alleFrequenzkomponenten des Dreiecksignalsunterhalb dieser Frequenz liegen und bei derFFT-Analyse das Spektrum richtig dargestelltwird, wie in Bild 6-17 zu sehen ist.

Bild 6-17: zeitlicher Verlauf und FFT-Dar-stellung einer Dreiecksspannungf=2kHz, Ablenkung: 0,5ms/UnitSkalierung: 5kHz / Unit

Allerdings erkennt man bei den oberenFrequenz schon gewisse Deformationen derSpektrallinien bezüglich ihrer Amplitudenwerte.

Wir ändern nun die Zeitbasis auf 1ms/Unit.Jetzt ist feff = 50/1ms =50kHz bei zweikana-liger Darstellung. Alle Frequenzkomponenten

(fSIG) oberhalb von feff /2 = 25kHz erscheinen imDisplay an der Stelle fDIS = feff – fSIG . Beidieser Einstellung der Ablenkempfindlichkeiterkennt man deutlich den Aliasing Effekt, wiein Bild 6-18 dargestellt ist:

Die 11. Harmonische liegt bei 11*2kHz =22kHz also noch kleiner als feff /2, wird alsonoch richtig wiedergegeben.

Bild 6-18: FFT-Darstellung einer Dreieck-spannung f=2kHz, Ablenkung:1ms/Unit, Einteilung: 2,5kHz/Unit

Die 13.Harmonische liegt allerdings bereits bei26kHz und damit oberhalb von feff /2=25kHz ,wird damit in den Displaybereich gefaltet underscheint dort als eine “Spektrallinie” mit derFrequenz f= 50kHz – 13*2kHz = 24kHz. DieSpektrallinie der 15.Harmonische wird in derAnzeige bei f= 50kHz – 15*2kHz = 20kHzdargestellt.

Damit wird für Frequenzen oberhalb feff /2 dieDarstellung völlig verfälscht. Besser wird es,wenn man statt der zweikanalige Darstellungmit 512 Messpunkten die einkanalige Darstel-lung mit 1024 Messpunkten wählt. Dann ist beigleicher Zeitablenkung feff /2 = 50kHz und eswird erst die 25.Harmonische falsch dargestellt.

Abhilfe kann man durch folgende Maßnahmenschaffen:

• Das Signal, das untersucht werden soll,wird tiefpassgefiltert, bevor es auf denEingang des Oszilloskops gegeben wird.Allerdings werden dann höhereHarmonische unterdrückt.

f0

3*f0

5*f0

7*f09*f0

11*f0

13*f0

15*f0



• Man verringert die Zeitablenkung und stelltweniger Perioden dar. Damit erhöht man feff

und der Aliasing-Effekt tritt erst beihöheren Frequeenzen auf .

• Man vermeidet die zweikanaligeDarstellung und misst nur einen Kanal. Derandere Kanal wird im Setupmenü auf AUS(OFF) geschaltet. Damit hat man 1024Messpunkte statt nur 512 Messpunkte undfeff /2 wird verdoppelt.

Ansonsten ist es einfach wichtig, diesen Effektzu kennen, um Fehlinterpretationen des analy-sierten Signals zu vermeiden.

6.6.2.2 Leakage, Benutzung derFensterfunktion

Die FFT (Fast-Fourier-Transformation) nimmtdie Messdaten eines endlichen Zeitabschnitts alsGrundlage für eine Spektralanalyse. DasResultat der Analyse unterstellt allerdings eineperiodische Funktion von unendlicher zeitlichenAusdehnung. Das Resultat der FFT-Analysekann so interpretiert werden, als würden diegemessenen Daten sich nach dem Zeitabschnittperiodisch wiederholen. Bild 6-17 illustriertdiesen Zusammenhang. Solange der gemesseneZeitabschnitt genau eine Periode oder einganzzahliges Vielfaches der Periodendauer dergemessenen Spannung ist, gibt es keineProbleme.

t

Zeitabschnitt derMessung

Fortsetzung desgemessenenSpannungsverlaufs

Bild 6-19: Messung einer Spannung, derenPeriodendauer ein ganzzahligesVielfaches der Messzeit ist

Die sich wiederholdende Funktion schließt andie gemessene Daten an und die Fortsetzung desgemessenen Spannungsverlaufs stellt exakt diegemessene Funktion dar.

t

Zeitabschnitt derMessung

Fortsetzung desgemessenenSpannungsverlaufs

Bild 6-20: Messung einer Spannung, derenPeriodendauer kein ganzzahligesVielfaches der Messzeit ist

Wenn allerdings die Messzeit kein ganzzahlig-vielfaches der Periodendauer ist, entstehen beider Fortsetzung des SpannungsverlaufsSprünge, wie in Bild 6-20 illustriert ist.

Eine Spektralanalyse mit der FFT berechnetjetzt das Frequenzspektrum eines Signals, dasnach der Messzeit diese Diskontinuität auf-weist. Die folgenden Bilder zeigen dasSpektrum eines reinen Sinussignals,wie es aufdem Display des Osziklloskops erscheint. Bild6-21 zeigt ein Sinussignal, das bei derSpektralanalyse sauber eine Spektrallinie zeigt,da die Frequenz und die Zeitbasis so gewähltwurde, dass ein Vielfaches der Periodendauer indie Messzeit fällt.

Bild 6-21: Frequenzspektrum eines Sinus-signals, dessen Periodendauer exakt eineganzzahliges Vielfaches der Messzeit ist.(fSignal = 976,5Hz, Timebase= 1ms/Unit)

Wenn die Periodendauer kein ganzzahlig viel-faches der Messzeit ist, weitet sich die Spektral-linie auf, wie in Bild 6-22 gezeigt ist.



Bild 6-22: Frequenzspektrum eines Sinus-signals, dessen Periodendauer kein ganz-zahliges Vielfaches der Mess-zeit ist.(fSignal = 1kHz, Timebase= 1ms/Unit)

In den Bildern 6-23 und 6-24 ist dieentsprechende Situation bei einer Treppen-funktion gezeigt, die Oberwellen aufweist.

Bild 6-23: zeitlicher Verlauf und Frequenz-spektrum einer Treppenfunktion, derenPeriodendauer ein ganzzahligesVielfaches der Messzeit ist. (fSignal =976,5Hz, Timebase= 1ms/Unit)

Bild 6-24: Frequenzspektrum einer Trep-penfunktion, deren Periodendauer keinganzzahliges Vielfaches der Messzeit ist.(fSignal = 1kHz, Timebase= 1ms/Unit)

Ermittlung der Zeitbasis und derSignalfrequenz: Es wurde für die Zeitbasis1ms/Unit gewählt. Die Messzeit ist dann tMess =1024/1000*10ms = 10,24ms. Bei einereinkanaligen Darstellung (Kanal 2 aus) werdenpro Unit 100 Messungen vorgenommen. Dieletzten 24 Messpunkte werden nicht auf demDisplay dargestellt. Daher ist eineSignalfrequenz von f= 1kHz/1,024 = 976,5625Hz erforderlich, damit exakt 10 Perioden in dieMesszeit fallen .

Für das FFT-Setup wurde 1000HZ/Unit undData-Window=FLAT (also keine Fenster-funktion) gewählt

Die Oszilloskopbilder wurden mit der Screen-dump-Funktion als jpg.Dateien abgespeichertund mit Microsoft Photo-Shop in ein Negativumgewandelt (um Toner zu sparen).

Für praktische Messungen ist diese Situationnicht praktikabel, da man im Allgemeinen dieSignalfrequenz nicht ohne weiteres an dieMesszeit des Oszilloskops anpassen kann. Umbeliebige Frequenzen sauber zu messen, wichtetman die gemessenen Datenpunkte mit einerBewertungsfunktion (Fensterfunktion) die dafürsorgt, dass zu Beginn und am Ende der Mess-zeit das gemessene Signal zu null wird. Dannkönnen keine Sprünge am ende der Messzeitauftreten, die nicht Bestandteil desSignalverlaufs sind. Das Verschmieren derSpektrallinien kann dann nicht mehr stattfinden.

Diese Bewertungsfunktion bedeutet allerdingsnichts anderes als eine Amplitudenmodulationdes Signals. Wenn die Messzeit lange genug ist,



treten die dabei enstehenden Modulations-produkte nicht allzu störend in Erscheinung undman erreicht doch eine relativ saubereDarstellung der Spektrallinien.

In der Literatur sind verschiedene Funktionenvorgeschlagen worden. Am einfachstenmultipliziert man das Signal mit einerDreiecksfunktion (triangle). Da die Dreiecks-funktion selbst relativ viele Oberwellenaufweist, erhält man neben den gewünschtenSpektrallinien noch kleinere Seitenlinien.

Besser ist daher die sogenannteHanningfunktion. Das Signal wird mit

)(12cos11 tYTt

YS

gewichtet ∗

−= π

gewichtet. Das gewichtete Signal Y1Gewichtet

wird einer FFT unterzogen. Y1(t) sind diegemessenen Werte, TS ist die gesamte Messzeit.Diese Bewertungsfunktion hat nur eine Spek-trallinie bei f= 1/TMESS, so dass die Spektral-linien des zu messenden Signals kaum verändertsind.

In Bild 6-25 und Bild 6-26 ist die Wirkung derBewertungsfunktion auf ein sinusförmigesSignal illustriert.

t

Gemessene Funktion

Bewertete Funktion

Dreiecks-Funktion

t

Gesamte Messzeit

Bild 6-25: Bewertung eines gemessenenSignalverlaufs durch die Dreiecks-Funktion

In Bild 6-27 ist das gleiche Signal bei gleicherFrequenz wie in Bild 6-21 dargestellt, allerdingsist diesmal die Hanning-Funktion eingeschaltet.(Data Window= Hanning)

t

Gemessene Funktion

Bewertete Funktion

Hanning-Funktion

t

Gesamte Messzeit

Bild 6-26: Bewertung eines gemessenenSignalverlaufs durch die Hanning-Funktion

6-27: Frequenzspektrum einer Treppenfunk-tion, dessen Periodendauer kein ganz-zahliges Vielfaches der Messzeit ist.(fSignal = 1kHz, Timebase= 1ms/Unit,Data-Window = Hanning)

Die FFT-Anlyse wird dann auf die bewerteteFunktion angewendet.

Die Form der Bewertungsfunktion ist ein Kom-promiss zwischen Genauigkeit in der Ampli-tudenauflösung der Spektrallinien und guterFrequenzauflösung. Das Hanning Fensterermöglicht z.B. gegenüber den anderen Bewer-tungsfenstern eine gute Genauigkeit was dieFrequenzauflösung angeht, hat aber etwasgeringere Genauigkeit bei den Amplituden-werten. Das Blackman-Fenster (auch als Flattopbekannt) liefert genauerer Amplitudenwerte aufKosten der Frequenzauflösung.



7. Technische Daten

Zusätzlicher Erklärungen zu den technischenDaten finden Sie auch im vorigen Kapitel:„Technische Erläuterungen“

7.1 Hardware – Hauptplatine

Abmessungen:Breite: 160mm, Tiefe 100mm, Höhe 38mm

Stromverbrauch (ohne Netzteilfunktion):+12V...+20V : 150mA -12V...-20V : 60mA

Anschlüsse:10-poliger Wannenstecker: Spannungsversor-gung und Kommunikationsleitungen.Pinbelegung (von oben gesehen) :

+12V..+20V

-12V..-20V -12V..-20V

+12V..+20V

MasseMasse

Reset

TXD (serielle Datenvon Platine zu PC

RXD (serielle Datenvon PC zu Platine

5V

Die beiden Anschlüsse +12V..+20V sind par-allelgeschaltet (positive Spannungsversorgung)

Die beiden Anschlüsse –12C..-20V sind paral-lelgeschaltet (negative Spanungsversorgung)

Die beiden Anschlüsse Masse sind parallelge-schaltet

Der Anschluss 5V ist ein Spannungsausgangvom Spannungsregler 7805 auf der Hauptplati-ne.

Reset: liegt normalerweise auf 5V. DurchKurzschließen nach Masse wird der Reset beiallen 5 Mikrokontrollern ausgelöst.

Taktfrequenz der Mikrokontroller: 12MHz

Y1-Eingang, Y2-Eingang, Trigger-Eingang,Funktionsgenerator-Ausgang:Wahlweise:

• BNC-Buchse Print-Ausführung• 2mm-Printbuchse ; zwischen Y1 und Y2-

Eingang kann noch eine 2mm-Buchse fürMasse eingelötet werden.

• 4-polige Buchsenleiste mit gedrehten Fas-sungen (wie IC-Fassung) die beiden äuße-ren (unten liegenden) Kontakte: Masse, diebeiden inneren (oben liegenden) Kontakte:Signal

Anschlüsse Ampere und Voltmeter:Wahlweise:• 2mm-Printbuchse• 2-polige Buchsenleiste mit gedrehten Fas-

sungen (wie IC-Fassung) die beiden Kon-takte: parallelgeschaltet: Messeingang

Anschlüsse Netzgerätefunktion: VMINUS,VPLUS und MasseWahlweise:• 2mm-Printbuchse• 4-polige Buchsenleiste mit gedrehten Fas-

sungen (wie IC-Fassung) alle 4 Kontakte:parallelgeschaltet.

Anzeigen: (LED)Triggered: (LED grün). Diese LED befindet

sich zwischen externem Trigger-Eingangund Funktionsgenerator .Wenn diese LEDleuchtet, hat die Oszilloskopfunktion einTriggersignal gefunden und es kann einstehendes Bild auf dem Oszilloskop darge-stellt werden. Die Anzeige dieser LED er-scheint auch auf dem Oszilloskopdisplayauf dem Monitor des PC’s.

Strombegrenzung: (zwei LED‘s rot). Diesebeiden LED’s befinden sich direkt nebendem Anschluss VMINUS und VPLUS des Dop-pelnetzteils und Masse. Diese LED’sleuchten, wenn die jeweilige Strombegren-zung eingesetzt hat.

7.2 Hardware – Interfaceplatine „seri-elle Schnittstelle“

Abmessungen:Breite: 71mm , Tiefe 39mm , Höhe 20mm

Anschlüsse:10-poliger Wannenstecker: Spannungsversor-gung und Kommunikationsleitungen.



Pinbelegung wie Hauptplatine

Serielle Schnittstelle:9-polige SUB-D- Buchse. Erforderliches Ver-bindungskabel zum PC: Stecker in Interface„Serielle Schnittstelle“, Kupplung in PC

Kabelbelegung des seriellen Verbindungska-bels: 1:1 kein „Nullmodem“ d.h. keine über-kreuzte RXD und TXD- Leitungen.

Elektrische Verbindung zur Hauptplatine:10-poliges Flachbandkabel mit zwei Pfosten-steckern

Anschlüsse für Spannungsversorgung:Wahlweise:• 5-polige DIN-Buchse, 180°• zwei 3,5mm Buchsen für 3,5mm Klinken-

stecker• zwei 2-polige Anreihklemmen mit Schrau-

banschlüssen, Raster 5,4 mmSpannungsversorgung:Wahlweise:• 2 mal 12V..20V DC• 2 mal 12V..20V AC. In diesem Fall müssen

vier Gleichrichterdioden 1N4001 bestücktwerden.

• 1 mal 24V..35V AC mit Mittelanzapfung.In diesem Fall müssen vier Gleichrichter-dioden 1N4001 bestückt werden.

mechanische Befestigung:Wahlweise:• Verschraubung über 4 Distanzhülsen mit

der Hauptplatine• Verschraubung mit 2 Montagewinkel an

der Rückseite eines Gehäuses.

7.3 Software

PC-Voraussetzungen:Betriebssystem: Windows 95, Windows 98,

Windows XP, Windows NT4.0CPU: > 200MHzFreier Speicherplatz: > 20MBMonitor: 17“ CRT mit 1024x 768 Pixel

15“ TFT mit 1024x 768 Pixel

Übertragungsgeschwindigkeit: PC-Laborplatine: Mögliche Übertragungsratenund Übertragungsgeschwindigkeiten zum PC:

Baudrate Übertragungszeitzum PC





9600 bits/sec 1,09 sec

Die maximale Übertragungsrate ist115200Baud und durch das Programm HP-VEE begrenzt.Programmcode: Secured Runtime-Version.Datei: Labor_Platine_22.vxe, Größe ca.110KB

Zusätzliche Installation:• Runtime-Version 5.0 von HP-VEE• I/O-Library Intuilink von Agilent (Share-

ware) für serielle Schnittstelle

7.4 Netzgerätefunktion

Ausgangsspannungen:Positive Spannung: 0 ... +12V einstellbarNegative Spannung: 0 ... –12V, einstellbar

Spannungsanzeige:Digital und über symbolische Zeigerinstrumente(große Darstellung) auf dem PC-Monitor. An-gezeigte Spannungen sind gemessene Spannun-gen; Messverfahren: Dual-Slope. Anzeigege-nauigkeit der digitalen Anzeige: ±2% .

Kühlkörper und Ausgangsströme:Wahlweise:• Aufsteckkühlkörper mit Steckbeinchen zur

Arretierung in der Platine, thermischer Wi-derstand :18K/W à max. 150mA je Aus-gang

• Kühlkörper aus Alu-Stangenprofil mit denAbmessungen 50mm x 29mm x 12mm,thermischer Widerstand von 5K/W à max.300mA pro Ausgang. Montiert über Di-stanzhülsen auf der Hauptplatine.



Strombegrenzung:Fest eingestellt über Widerstände, bei 150mAoder 300mA, je nach Kühlkörper. Bei Einsetzender Strombegrenzung erfolgt die Überlastanzei-ge durch rote LED’s auf der Hauptplatine unddurch Anzeige Current-Limitation auf demPC-Monitor.

7.5 DC-Spannungsmessung

Messprinzip: Digitalvoltmeter für Gleichspan-nungen nach modifizierten Dual-Slope-Verfahren. Die Messzeit beträgt 20ms, so dass50Hz-bedingte störende Überlagerungen ausge-filtert werden.

Spannungsmessbereiche: Einstellung manuell,nicht automatisch. Bereiche: 2V - 5V - 10V -20V

Anzeige: Digital-Anzeige und symbolischesZeigerinstrument (große Darstellung)"

Genauigkeit: : ±2% .

Eingangswiderstand: abhängig vom Span-nungsmessbereich:• 2V-Bereich: RIN = ∞• 5V,10V,20V-Bereich: RIN = 1,1MΩ

7.6 DC-Amperemessung

Messprinzip: Digitalvoltmeter für Gleichspan-nungen nach modifizierten Dual-Slope-Verfahren. Die Messzeit beträgt 20ms, so dass50Hz-bedingte störende Überlagerungen ausge-filtert werden.

Strommessbereiche: Einstellung manuell, nichtautomatisch. Bereiche:

60µA - 200µA - 600µA - 2mA6mA - 20mA - 60mA - 200mA

Anzeige: Digital-Anzeige und symbolischesZeigerinstrument bei der großen Darstellung

Genauigkeit: : ±2%

Eingangsschaltung: Subtrahierverstärker

Je nachBereich

RM

2,2MΩ

R1

2,95MΩ

R2

-AMP

2,2MΩ

R3

2,95MΩ

R4

+AMP

Zum A/D-Wandler

UAMP

Eingangswiderstand gegen Masse: unab-hängig vom gewählten Messbereich: 2,6 MΩ

Gleichtakteingangsspannungsbereich:-12V < UAMP < 1+12V

Strommessung: über Spannungsabfall amMesswiderstand RM . Wert von RM abhängigvom eingestellten Messbereich:

Messbereich Wert RM

60µA 470Ω200µA 470Ω600µA 43Ω2mA 43Ω6mA 4,65Ω20mA 4,65Ω60mA 0,5Ω200mA 0,5Ω

7.7 Funktionsgenerator

Funktionsprrinzip: Quartz-gesteuerte PLL-Syntesizer digital erzeugter Funktionswert,D/A-Wandlung über 8 bit D/A-Wandler

Ausgangsstrom: ± 20mA max.

Kurvenformen:• Sinus mit 128 Stützstellen pro Periode• Positiver und negativer Sägezahn mit bis zu

256 Stützstellen pro Periode• Dreieckspannung mit bis zu 512 Stützstel-

len pro Periode• Rechteckspannung mit Einstellmöglichkeit

des Tastverhältnisses (Duty-Cycle)



• Frei programmierbare Funktion mit 64Stützstellen pro Periode

Frequenzbereich:Abhängig von der gewählten Kurvenform:

Kurvenform fMIN fMAX

Sinus 0,1Hz 32kHzSägezahn 0,1Hz 70kHzDreieck 0,1Hz 35kHzRechteck 0,1Hz 70kHzFrei programmier-bare Funktion

0,1Hz 19kHz

Frequenzeinstellung:• Grobeinstellung über Bereichswahl (deka-

dische Einteilung)• Feineinstellung innerhalb des gewählten

Bereichs über Zahleneingabe oder „Schie-beregler“ : (Cursor)

Amplitudeneinstellung:Von 10mVPP bis 10VPP

• Grobeinstellung: in 10dB Schritten von 0dB(10VPP) bis –50dB (30mVPP)

• Feineinstellung: von 20% bis 100% deseingestellten Bereiches über Zahleneingabeoder „Schieberegler“ (Cursor)

Offseteinstellung: ±50% des Maximalwertesdes eingestellten Bereichs

Tastverhältnis (Duty-Cycle) 0..100% nurKurvenform „Rechteck“

Amplitudenauflösung: 8 bit (256 Stufen) be-zogen auf den gerade eingestellten Amplitu-denwert. Reduzierte Amplitudenauflösung beiDreieck und Sägezahn und reduzierte Duty-Cycle-Auflösung bei Rechteck gemäß folgenderTabelle:

Werte proPeriode

max. Frequenz beimax. Auflösung

Sinus 128 32kHz

Sägezahn 256 12kHz

Dreieck 512 3kHz

Rechteck 256 6kHz

7.8 Oszilloskop

Messprinzip: digitales 2-Kanal-Speicher-oszilloskop mit Hardwaretriggerung. Nacheinem Triggerimpuls wird der Sapmlingprozessausgelöst und die gemessenen daten in einRAM geschrieben. Zu einem späterenZeitpunkt, der vom PC bestimmt wird, wirddieses RAM ausgelesen, die Daten über dieserielle Schnittstelle an den PC übermittelt unddort nachbearbeitet und angezeigt.

Übertragungszeit (ttrans): Das ist die für dieÜbertragung der Daten von der Platine zum PCnotwendige Zeit und wird durch die Baudrate

bestimmt: )201024(10

+∗=Baud

ttrans

Bei 115200 Baud ist somit tTrans = 90ms

Programmlaufzeit (tPROG): Das ist die Zeit, diedas Programm zum Durchlauf eines Zyklus’benötigt. Dies hängt natürlich stark vomRechner und dem Betriebssystem ab. Bei einem500MHz Pentium beträgt diese Zeit tPROG ≈65ms .

Zykluszeit (tRep): Das ist die Wiederholrate fürdie Messungen des Oszilloskops und damit dieBildwiederholfrequenz des OszilloskopdisplaysDiese Zeit bestimmt sich der Übertragungszeitund der Zeit, die die Software für einen Pro-grammzyklus benötigt:

PROGtransREP ttt +=Bei einem 500MHz Pentium und 115200 Baudist tREP ≈ 155ms .

Bildwiederholfrequenz (fBILD): DieBildwiederholfrequenz auf dem Oszilloskop-display ist der reziproke Wert der Zykluszeit:fBILD = 1/tREP . Bei tREP= 155ms ist damit =fBILD = 6,5Hz. Auf dem Display werden daher6-7 Bilder pro Sekunde dargestellt.

Y1, Y2 Eingang / Verstärker:Eingangsimpedanz: 1MΩ parallel zu 13pFAC-Modus: Zusätzlicher Kondensator von

C=0,1µF am Eingang in dieSignalleitung à Zeitkonstante desHochpasses τ=0,1sec entpricht einerunteren Eckfrequenz von fG = 1,6Hz



Bandbreite: 2MHz (-3dB)Auflösung in vertikaler Richtung: 8bitSpeichertiefe: 512 Datenwerte/Kanal, wenn

beide Kanäle aktiv sind1024 Datenwerte/Kanal, wenn nur einKanal aktiv ist

Abtastrate: je nach Einstellung der Zeitbasis,minimal 0,5µs

Empfindlichkeit: einstellbar in den Schritten10mV, 20mV, 50mV, 100mV, 200mV,500mV, 1V, 2V, 5V/Unit bei einemTastkopf von 1:1 Diese Einstellung isthardwaremäßig realisiert

Y-Position (Lage): (Offseteinstellung)über Grob- und Feineinstellung. DieAnzeige- und Einstellungswerte derOffseteinstellung beziehen sich auf dieUnits der Bildschirmdarstellung (8 in y-Richtung). Es kann ein Signal bis zu 26Units nach oben oder unten geschobenwerden.

Polaritätsumschaltung : softwaremäßigrealisiert (die Darstellung auf demSchirm wird invertiert)

Gain (Vernier): Amplitudenfeineinstellungsoftwaremäßig. d.h bei 3-facher y-gaingeht die Auflösung von 256 Stufen(8bit)auf 85Stufen zurück

Kopplung: DC, GND und AC (Zeitkonstante0,1sec)

Max. Eingangsspannung:± 7V bei 10mV..50mV/Unit± 70V bei 100mV..5V/Unit± 250V Gleichspannungsanteil bei AC-Einstellung

Trigger-Funktionen:Triggermodus:

NORMAL : nur ein Triggersignal lösteinen Samplingprozess ausAUTO : wenn 1 sek lang kein Trigger-signal auftritt, wird der Samplingprozessselbstständig eingeleitetSingle : nach einem Triggersignal wirdder Samplingprozess eingeleitet und dasOszilloskop geht danach auf STOPAUTO-LEVEL : wie AUTO, aber nachjedem Sampling-Prozess wird derTriggerlevel in die Mitte (50%) zwischenmaximalem und minimalem Datenwertgesetzt.

Source: Es kann Kanal1, Kanal2 oder ein ex-ternes Signal (Separater Eingang) ge-wählt werden

Externer Triggereingang:Eingangsimpedanz: 1MΩ parallel zu 10pF

Slope: Es kann die positive Flanke desgewählten Triggersignals oder dienegative Flanke als Startpunkt für eineSampling-Sequenz gewählt werden.

Filter: Das Triggersignal kann ohne Filterung,mit einem Tiefpassfilter 1.Ordnung mit5kHz oder 100kHz gefiltert werden.

Noise-Filter: Vor dem Triggersignal müssenca. ¼ Unit lang das Triggersignalunterhalb (oberhalb) des Triggerlevelssein, wenn Slope auf positiv (negativ)eingestellt ist.

Coupling: Das Triggersignal kann direkt zurTriggerung verwendet werden (DC-Kopplung). Alternativ kann das Signalauch über einen Hochpass mit einerEckfrequenz von 0,1Hz zur Triggerungverwendet werden.

Trigger-Level: Der Spannungswert lässt sichmit einem Schieberegler einstellen. DieZahlenangabe am Schieberegler ent-spricht der Y-Achsen-Skalierung(-5,5 bis +5,5 Units). Es kann also auchein Pegel ausserhalb der sichtbaren y-Achsenskalierung gewählt werden. (DieY-Achsen-Skalierung geht von –4 bis+4)

Average: Tiefpassfilterung der gemessenenDaten, Beschreibung siehe vorhergehen-des Kapitel

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Universelle Laborplatine Handbuch...Fachhochschule Karlsruhe Fachbereich EIT-N Handbuch Laborplatine - Version 2.2 27.04.04 Prof. Dr. Koblitz, FH Karlsruhe EIT-N , Moltkestr. 30, 76133