Vorlesung Elektrische Metechnik 2019 2020 Metechnik Vorlesungen Wirtschaftsingenieurwesen

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 Meßtechnik Vorlesungen Wirtschaftsingenieurwesen [Elektrotechnik] und Ingenieurwesen [Elektronik] – FILS Studienplan 2019 -2020: 14 x 2 = 28 Stunden Vorlesung, Dienstags 10 -12 Labor: Dienstags 16 -18, EB 105/EB 109 Kursleiter: Prof. dr. ing. Mihaela Albu Labor: Conf. dr. ing. Viorel Petre Mihaela Albu albu@ieee. org 1/31

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 Vorlesungen-Schwerpunkte: Einführung. Lernziele der Vorlesung; Maßeinheiten und Maßsysteme; Signalen und ihre Bewertung (Mittelwerte, Effektivwerte; Pegel). Ermittlung der Messunsicherheit. Messfehler. Messunsicherheiten. Elektromechanische Meßinstrumente. Das Drehspulmeßwerk. Meßbereichserweiterung. Drehspul-ampermeter, voltmeter, ohmmeter. Das Verhalten bei sinusförmigen Größen. Spitzenwert - , Mittelwert – Effektivwert – Voltmeter mit Drehspulmeßwerk. Ferromagnetische, elektrostatische, elektrodynamische Meßwerke. Elektrodynamische Wattmeter. Zähler (Induktionsmeßwerk). Das Oszilloskop. Mihaela Albu albu@ieee. org 2/31

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 Vorlesungen-Schwerpunkte: Wandler und Teiler. Spannungsteiler (reiner Widerstandsteiler, gemischte RC Teiler). Shunts. Meßwandler. Messungen in Drehstromsystemen. Wirkleistungsmessung mit Hilfe der Wattmeter. Blindleistungsmessung. Wirk- und Blindleistungsenergiemessung. Direktes Einschalten der Meßgeräte und Meßschaltungen mit Meßwandler. Meßverstärker. Verstärker. Idealer und realer Verstärker. Meßverstärker. Invertierende – und nichtinvertierende Verstärker-schaltungen. Komparator. Anwendungen in der Meßtechnik. Präzisionsmeßmethode. Gleichstrombrücke. Wechselstrombrücke. Kompensatoren. Selbstabgleichende Brücke und Kompensatore n. Mihaela Albu albu@ieee. org 3/31

Vorlesungen-Schwerpunkte: Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 Digitales Messen. Einleitung. Digitale Signale. Abtast-theorem. Codierung und Verarbeitung digitaler Signale. Zählschaltungen. Digitale Frequenz - und Periodendauermessung. Phasenwinkelmessung. A/D und D/A Wandler. Digital-Analog Wandler. Analog-Digital Wandler (Parallel-, Nachlaufender-, Sägezahn-, Integrierte – Wandler). Direktcodierung. Spannungsfrequenzwandler (Dual-Slope, Multiple. Slope). Delta-sigma Wandler. Digitale Meßgeräte. Digitales Oszilloskop. Logikanalysor. Digitaler Spektrumanalysor. Computergesteuerte Messtechnik. Datenbusse. Datenerfassungssysteme – Ausführungsformen und Anwendungen. Moderne (smart) Zähler in den Energiesystemen. Synchronisierte Messsysteme. Io. T und Messtechnik. Mihaela Albu albu@ieee. org 4/31

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 Literaturverzeichnis [1] Al. Ferrero, D. Petri, P. Carbone, and M. Catelani, Eds. , Modern Measurements: Fundamentals and Applications, Wiley, 2015 [2] Reinhard Lerch, Elektrische Messtechnik, Springer, 2007. [3] Elmar Schrüfer, Elektrische Meßtechnik, Hanser Verlag, 1992. [4] Gabriele d‘ Antona, Al. Ferrero, Digital Signal Processing for Measurement Systems, Springer, 2006 [5] Armin Schöne, Meßtechnik, Springer Verlag, 1997 [6] International Vocabulary of Metrology – Basic and General Concepts and Associated Terms, JCGM 200: 2012, Mihaela Albu albu@ieee. org 5/31

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 Schätzung der Studenten Kentnisse und Aktivität: Prüfung Januar 2020: 70% Test (beim Kurs): 5% Hausaufgaben : 30% Kommunikation: http: //microderlab. pub. ro/elektrische-messtechnik/ mihaela. albu@upb. ro Sprechstunden: EB 129, Mittwochs: 12 -14 Mihaela Albu albu@ieee. org 6/31

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 A/D und D/A Wandler Signalumsetzer : • Analog-Digital -Wandler • Spannungs-Frequenz -Wandler • Digital-Analog -Wandler • Frequenz-Spannungs -Wandler Mihaela Albu albu@ieee. org 7/28

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 A/D-Verfahren. Dual-Slope-Verfahren dual slope methode A/D-Wandler, die nach dem Dual-Slope-Verfahren arbeiten, sind relativ langsam und werden in Digitalmultimetern eingesetzt. Ihre Genauigkeit liegt bei 10 e-4. Uref = 1 V, û = 200 V, C 2 = 10 µF, R 1 = 10 M , R 2 = 10 k. f=? Mihaela Albu albu@ieee. org 8/28

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 A/D-Verfahren. Dual-Slope-Verfahren dual slope methode f=f(i 2, t. R, Ue , R )? (ic = const. ). Mihaela Albu albu@ieee. org 9/28

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 Digitale Signale. Aufgaben 1. Ein (16)-Bit D/A-Umsetzer mit der Referenzspannung U 0=2 V hat am Eingang die Zahl N=1000101100. Welche Spannung entsteht am Ausgang ? (die Unsicherheit entspricht der Umsetzerauslösung). 1. Ein D/A-Umsetzer auf 12 Bit und mit dem Meßbereich 0… 5 V hat am Ausgang die Zahl 349 (BCD). Die entsprechende Binärcodierte Zahl wird in einer Spannung Ua umgewandelt. Bestimmen Sie Ua. Mihaela Albu albu@ieee. org 10/55

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 A/D-Verfahren. SDW (Sigma-Delta. Wandler) sigma delta converter Der Sigma-Delta-Wandler, auch 1 -Bit-Wandler genannt, arbeitet mit den Techniken des Oversamplings, des Noise-Shaping und der digitalen Filterung. Das Verfahren zeichnet sich durch eine sehr hohe Auflösung von bis zu 24 Bit aus und wird u. a. in der Audiotechnik, der Consumer-Elektronik und der Kommunikationstechnik eingesetzt. Prinzip der 1 -Bit-Deltamodulation: ein sehr einfaches A/D-Wandlungsprinzip, das nur einziges Bit kennt. Bei der Deltamodulation werden lediglich die Änderungen im Signalpegel digital umgesetzt. Im einfachsten Fall steht das Digit "1" für eine steigende, die "0" für eine fallende Spannung. Jedes Bit repräsentiert dabei einen festen Änderungswert. Bleibt die Spannung konstant, findet ein ständiger Wechsel zwischen "1" und "0" statt. Mihaela Albu albu@ieee. org 11/28

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 A/D-Verfahren. SDW (Sigma-Delta. Wandler) sigma delta converter Diese Modulationstechnik kann bei wechselnder Eingangsspannung eingesetzt werden, eignet sich aber nicht für Gleichspannung. www. itwissen. info Mihaela Albu albu@ieee. org 12/28

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 A/D-Verfahren. SDW (Sigma-Delta. Wandler) sigma delta converter Mit der beim Oversampling verwendeten n-fachen Abtastfrequenz wird die Auflösung und Genauigkeit des Delta-Wandlers erhöht. Dies resultiert daraus, dass die Informationstiefe sowohl von der Samplingtiefe als auch von der Abtastrate abhängt. (Eine niedrigere Abtastrate und eine hohe Sampletiefe haben die gleiche Informationstiefe wie eine hohe Abtastrate und eine niedrige Sampletiefe). So kann ein 1 -Bit-Wandler mit einer hohen Abtastrate die gleiche Informationstiefe haben, wie ein 16 -Bit-Wandler mit niedriger Abtastung. Mihaela Albu albu@ieee. org 13/28

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 A/D-Verfahren. SDW (Sigma-Delta. Wandler) sigma delta converter Darüber hinaus verteilt sich das effektive Quantisierungsrauschen auf einen breiteren Frequenzbereich. Die Rauschenergie verteilt sich bei n-facher Abtastfrequenz auf den n-fachen Frequenzbereich, der Rauschanteil sinkt damit gegenüber der einfachen Abtastfrequenz, was sich in einem höheren Dynamikbereich ausdrückt. Beispielsweise erhöht sich bei einem achtfachen Oversampling die Bitzahl um 3, bei einem 256 -fachen um 8. www. itwissen. info Mihaela Albu albu@ieee. org 14/28

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 A/D-Verfahren. SDW (Sigma-Delta. Wandler) sigma delta converter Bei einer Compact Disc, die mit einer Abtastfrequenz von 44, 1 k. Hz arbeitet, kann die Oversampling-Abtastrate durchaus bei weit über 10 MHz liegen, was einem über 200 -fachen Oversampling entsprechen würde. Der Delta-Sigma-Modulator setzt ein binäres Eingangssignal beliebiger Bitbreite in einen seriellen Bitstrom um. Dazu wird das Eingangssignal einem Differenzverstärker zugeführt, dem ein Integrator nachgeschaltet ist. Der Ausgangspegel des Integrators wird einem Komparator zugeführt, der diesen mit "0" oder "1" bewertet. Die Anzahl der "Einsen" am Modulatorausgang ist zum Eingangssignal proportional. Mihaela Albu albu@ieee. org 15/28

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 A/D-Verfahren. SDW (Sigma-Delta. Wandler) sigma delta converter Der Komparatorausgang wird über einen 1 -Bit-D/A-Wandler geführt, der den 1 -Bit-Datenstrom in eine positive oder negative Spannung umsetzt, die dann als Regelspannung über den Differenzverstärker dem Integrator zugeführt wird. Das analoge Ausgangssignal wird dadurch erzeugt, indem das Komparatorsignal über einen Tiefpass geführt wird. www. itwissen. info Mihaela Albu albu@ieee. org 16/28

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 Digitales Speicheroszilloskop (digital oscilloscope) Mit A/D Wandlern digitale Speicheroszilloskope: -> zeitlich unbegrenzte Speicherung; -> Daten über Schnittstellen zu einem Digitalrechner übertragen; digitale Signalverarbeitung Mihaela Albu albu@ieee. org 17/20

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 Digitales Speicheroszilloskop (digital oscilloscope) 1. Abtast-Kriterium: Durch A/D- Wandler: Zeitliche Diskretisierung der Meßgröße -> Informationsverlust, als Funktion der endlichen Breite der Abtastimpulse, und der Höhe der Abtastfrequenz fs. Abtast-Kriterium Shannon - Kriterium Nyquist-Kriterium (das Signal eindeutig rekonstruirt werden kann, ohne Aliasing) Weil fmax in der Regel nicht genau bekannt ist, mußman ein steilflankiges Tiefpaßfilter vorschalten (Anti-aliasing-filter) Mihaela Albu albu@ieee. org 18/20

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 Digitales Speicheroszilloskop (digital oscilloscope) 1. Abtast-Kriterium: Grenzfrequenz des antialias filters: < fs/2 und bei fs muß die Dämpfung so hoch sein, daß die Eingangsspannung auf Werte von weninger als 1 LSB abgeschwächt wird. Sei n Bit Auflösung Mihaela Albu albu@ieee. org 19/20

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 Digitales Speicheroszilloskop (digital oscilloscope) 1. Abtast-Kriterium: Die tatsächlich erreichbare Grenzfrequenz fc << fs/2 , da das Signal und die Abtastung nicht synchron verlaufen, so daß die zeitliche Lage der einzelnen Abtastungen im Signalverlauf nicht genau angegeben werden kann: Die Anstiegszeit Ta des rekonstruirten Signals : Mihaela Albu albu@ieee. org 20/20

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 Digitales Speicheroszilloskop (digital oscilloscope) Nehmen wir an daß der Frequenzgang des Abtastoszilloskops näherungsweise wie ein RC- Tiefpaß 1. er Ordnung verhalten soll Abtast-Kriterium: die Abtastfrequenz muß etwa das 4. 6 -fache der höchsten Signalfrequenz betragen, zumal der bei der Abtastung entstehende Fehler nicht korrigiert werden kann. Mihaela Albu albu@ieee. org 21/20

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 Digitales Speicheroszilloskop (digital oscilloscope) 2. Aufbau des digitalen Speicheroszilloskops Mihaela Albu albu@ieee. org 22/20

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 Digitales Speicheroszilloskop (digital oscilloscope) 2. Aufbau des digitalen Speicheroszilloskops Die digitalisierten Signale gelangen in den Speicher, welcher aus einem schnellen Aufnahmespeicher, einem Arbeitsspeicher und einem Wiedergabespeicher besteht. Aus dem Wiedergabe/-speicher werden die Signale zyklisch ausgelesen und D/A-gewandelt. Die Bild. Wiederholfrequenz ist unabhängig vom Zeitmaßstab und wird automatisch so gewählt, dass sich ein stehendes, flackerfreies Bild ergibt. Für die Visualisierung eine konventionelle Elektronenstrahlröhre mit elektrostatischer Ablenkung verwendet werden kann. (z. B. Rasterbildschirme; hiermit ist es viel einfacher, neben den Signalen auch alphanumerische Zeichen darzustellen). Mihaela Albu albu@ieee. org 23/20

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 Digitales Speicheroszilloskop (digital oscilloscope) 2. Aufbau des digitalen Speicheroszilloskops. Triggerung. Besonders vorteilhaft beim Speicheroszilloskop: die Triggermöglichkeiten; Im Gegensatz dazu werden bei digitalen Oszilloskopen die Eingangssignale laufend gewandelt und zwischengespeichert. Durch die Triggerung wird die Wandlung angehalten, so dass der Speicher auch vorher liegende Messwerte enthält (Vor-Triggerung, engl. pre-trigger). Damit kann sogar ein Teil der Vorgeschichte des Signals vor dem Triggerereignis gezeigt werden. Die übrigen Triggerfunktionen (Triggerniveau, Anstiegsflanke, Triggerquelle) entsprechen denen bei Analog-Oszilloskopen. Mihaela Albu albu@ieee. org 24/20

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 Digitales Speicheroszilloskop (digital oscilloscope) 3. Vergleich mit dem analogen Oszilloskop. Sei die Grenzfrequenz des analogen Oszilloskops: fc 1. Sei die Grenzfrequenz des analogen Eingangsteils des digitalen Speicheroszilloskops: fc 2. zur Vemeidung von Aliasing soll die Abtastfrequenz fs: Die Anstiegszeit der Sprungantwort beim analogen Oszilloskop: Die Anstiegszeit der Sprungantwort beim digitalen Speicheroszilloskop, für den ungünstigsten Fall der punktweisen Signalrekonstruktion: Mihaela Albu albu@ieee. org 25/20

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 Digitales Speicheroszilloskop (digital oscilloscope) 3. Vergleich mit dem analogen Oszilloskop. Die Anstiegszeit der Sprungantwort beim digitalen Speicheroszilloskop: die Abtastfrequenz des digitalen Speicheroszilloskops muß das fünfache der Grenzfrquenz des analogen Oszilloskops betragen, damit ein Sprungimpuls mit der gleichen Anstiegszeit wiedergegeben werden kann. Mihaela Albu albu@ieee. org 26/20

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 Digitales Speicheroszilloskop (digital oscilloscope) Beispiel: • Anstiegszeit 70 ps • 4 Kanäle • analoge Bandbreite 6 GHz • 8 Bit-Auflösung (>11 Bit with aver. ) • 20 GSamples/s auf 1 oder 2 Kanälen • 32 -Bit seriell Trigger Bitmustererkennung • Spektralanalyse • MS-Windows Mihaela Albu albu@ieee. org 27/20

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 Logikanalysator (Pattern generator) Beispiel: 1768 Logic-Analyzer-, 832 Pattern-Generator-Channels bis 800 MHz Clock rate (8 GHz mit 16 k. B Tiefe) Mihaela Albu albu@ieee. org 28/20

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 Logikanalysator (Pattern generator) Der Logikanalysor: geeignet zur hardware- und softwaremäßigen Untersuchung komplezer digitaler Schaltungen. Die vertikale Auflösung : 1 Bit anstelle der A/D Wandler können einfache Komparatoren eingesetzt werden hohe Taktfrequenzen! Bis zu 128 Eingangskanälen, die gleichzeitig analysiert und auf dem Bildschirm dargestellt werden können -> besondere anforderungen an die Triggerung. Mihaela Albu albu@ieee. org 29/20

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 Logikanalysator (Pattern generator) Aufbau des Logikanalysors Durch die Schwellwerteinstellung wird die Ansprechschwelle der Komparatoren entsprechen der untersuchenden Schaltungsfamilie eingestellt z. B. bei TTL: 1. 5 V Mihaela Albu albu@ieee. org 30/20

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 Logikanalysator (Pattern generator) Betriebsarten des Logikanalysors Synchron oder asynchron Synchrone Betriebsart – Logikzustandsanalyse – der Logikanalysor wird mit dem des untersuchten Systems synchron betrieben. (z. B. . : bei Messungen auf Datenbussen innerhalb des Systems) Asynchrone Betriebsart – Logikzeitanalyse – der Logikanalysor wird mit seinem internen Takt asynchron betrieben die Taktfrequenz muß mindestens doppelt so hoch wie der Aenderungsrate der Daten. Mihaela Albu albu@ieee. org 31/20

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 Logikanalysator (Pattern generator) Anwendungen des Logikanalysors Das Vorhandensein oder das Fehlen notwendiger Impulse; Falsche zeitliche Korrelation Nichteinhaltung der Logikpegel, fehlerhafte Impulsbreiten; Triggerung auf verschiedene Adressen oder Signalübertragungsteile Mihaela Albu albu@ieee. org 32/20

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 . Fragen ? mihaela. albu@upb. ro albu@ieee. org Mihaela Albu albu@ieee. org