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 D/A Wandler D/A-Wandler sind elektronische Schaltungen zur Umwandlung einer digital codierten Größe in einen analogen Strom- oder Spannungsverlauf. Die gesamte Umsetzung eines Digitalwortes in ein Analogsignal erfolgt in mehreren Stufen. Zuerst wird das Digitalwort im eigentlichen D/A -Wandler in einzelne analoge Spannungswerte umgeformt. Für diese Wandlung werden R-2 R-Konverter, Wandler mit Pulsbreitenmodulation (PWM) oder andere benutzt. Die am Ausgang liegende Spannung hat einen treppenförmigen Verlauf. In der folgenden Stufe wird das treppenförmige Signal geglättet. Dies kann durch ein Abtast- und Halteschaltung (S/H) oder mit Filtern erfolgen. Anschließend wird das stufenförmige Signal in einem Tiefpass rekonstruiert und geglättet, wobei dieser eine Grenzfrequenz haben muss, die der Hälfte der Samplingfrequenz entspricht. Mihaela Albu albu@ieee. org 8/28

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 D/A Wandler Wichtige Parameter von D/A-Wandlern sind u. a. die Genauigkeit, Wandlungsgeschwindigkeit und Wandlungszeit sowie der Störspannungsabstand und der Klirrfaktor. Wie beim A/DWandler ist auch beim D/A-Wandler der Rauschabstand abhängig von der Wortlänge des Digitalwortes. www. itwissen. info Mihaela Albu albu@ieee. org 9/28

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 D/A Wandler. Beisipiel: R-2 R -Konverter Der R-2 R-Konverter ist ein D/A-Wandler, der eine Widerstand-Matrix als Spannungsteiler benutzt. Die einzelnen Widerstände der Matrix werden für die Umwandlung mit elektronischen Schaltern zu- und aufgeschaltet. Die Ausgangsspannung ist dabei proportional dem binären Digitalsignal. www. itwissen. info Mihaela Albu albu@ieee. org 10/28

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 A/D Wandler. A/D-Wandler sind elektronische Schaltungen zur Digitalisierung von analogen Signalen. Sie arbeiten nach unterschiedlichen Wandlungsverfahren, bei denen ein kontinuierliches Analogsignal in der Amplitude und der Zeit quantisiert wird. A/D-Wandler unterscheiden ich in der Art der Quantisierung, Wandlungsgeschwindigkeit, Codierung und Auflösung, mit der sie analoge Signale digital nachbilden. Des Weiteren im Linearitäts-, Nullpunkt- und Quantisierungsfehler, sowie im Signal-Rausch. Verhältnis (SNR) und im Dynamikbereich. Da es sich bei den zu digitalisierenden Analogsignalen in aller Regel um sich ändernde Signale handelt, ist dem eigentlichen D/A-Wandler ein Abtast- und Halteglied (S/H) vorgeschaltet. Die in der Abtast- und Halteschaltung (S/H) zwischengespeicherte Spannung wird anschließend im D/A-Wandler quantifiziert und durch ein Dualsystem codiert. Mihaela Albu albu@ieee. org 11/28

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 S&H Eine Abtast- und Halteschaltung (S/H) ist eine elektronische Schaltung, die zwei verschiedene Funktionen erfüllt: Die Entnahme einer Signalprobe aus einer analogen Spannung und das Halten des abgetasteten Spannungswertes für einen bestimmten Zeitraum. Die Abtastschaltung entnimmt aus dem Signalfluss in periodischen Abständen Signalproben. Vom Schaltungsaufbau handelt es sich um ein aktives Bauelement, einen Transistor, Feldeffekt-Transistor (FET) oder Operationsverstärker, das als niederohmiger Schalter benutzt wird und vom Taktsignal geschaltet wird. Das Schaltelement ist nur während des Schaltvorgangs niederohmig, danach hochohmig, damit die Ladung nicht aus der Halteschaltung abfließen kann. www. itwissen. info Mihaela Albu albu@ieee. org 12/28

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 S&H Das Haltglied ist ein hochwertiger Kondensator, der die Spannungsprobe für eine kurze Zeit zwischenspeichert. Die Zwischenspeicherung ist erforderlich, weil die nachgeschalteten A/D-Wandler Zeit zur Quantisierung benötigen, um aus der zwischengespeicherten Spannung einen Digitalwert zu codieren. Um das Abfließen der Kondensatorladung, den so genannten Droop, zu verhindern, liegt zwischen Halteglied und Digitalisierungsschaltung ein Pufferverstärker. Sample-and-Hold-Schaltungen sind normalerweise integraler Bestandteil des A/D-Wandlers. www. itwissen. info Mihaela Albu albu@ieee. org 13/28

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 A/D-Verfahren Bekannte A/D-Verfahren sind das SAR-Verfahren mit der sukzessiven Approximation, die Parallelumsetzung, das Zählverfahren, der Pipeline -Wandler, das Dual-Slope-Verfahren und der Sigma-Delta-Wandler, auch bekannt als 1 -Bit-Wandler. Hochgeschwindigkeits-Wandler erreichen Abtastraten von über 1 GS/s (Gigasample pro Sekunde) bei einer Auflösung von 10 Bit. Bei höherer Auflösung von 12 Bit und 14 Bit sinken die Abtastraten auf 5 MS/s bis 1 MS/s. Dem gegenüber erreichen hochauflösende A/D-Wandler Auflösungen von 24 Bit. www. itwissen. info Mihaela Albu albu@ieee. org 14/28

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 A/D-Verfahren Weitere Parameter von ADCs sind neben der Leistungsaufnahme die Nichtlinearitäten und der Störspannungsabstand (S/N), der 80 d. B und höher sein kann. Die Leistungsaufnahme ist technologieabhängig und liegt bei Verwendung der CMOS-Technologie bei 1 m. W bis 2 m. W. Hinsichtlich der Nichtlinearitäten werden unter Einbeziehung der integralen Nichtlinearität (INL) und der differenziellen Nichtlinearität (DNL) Werte von +/- 1 LSB ereicht. Das bedeutet, dass der kleinste Bitwert um eine Stelle schwanken kann. www. itwissen. info Mihaela Albu albu@ieee. org 15/28

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 A/D-Verfahren. SAR-Verfahren SAR (successive approximation register) Das SAR-Verfahren basiert auf dem Vergleich der analogen Eingangsspannung mit einer Referenzspannung. Dieser Vergleich wiederholt sich schrittweise, wobei sich die Referenzspannung durch ständige Änderung an die Eingangsspannung annähert. Für jeden Schritt, also jeden neuen Vergleich, ist jeweils ein eigener Taktzyklus erforderlich. für eine sukzessive Approximation mit einer Auflösung von N Bit, N Taktzyklen erforderlich sind. Der Vergleich zwischen der Eingangsspannung und der Referenzspannung erfolgt in einem Komparator. Die Anzahl der gesetzten Bits ist das Maß für die Auflösung. Mihaela Albu albu@ieee. org 16/28

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 A/D-Verfahren. SAR-Verfahren SAR (successive approximation register) Ist beispielsweise beim ersten Schritt die Eingangsspannung des A/DWandlers niedriger als die Vergleichsspannung, dann wird das Most Significant Bit (MSB) auf den Lo-Wert (0) gesetzt, andernfalls auf den Hi. Wert (1), und die Referenzspannung wird halbiert. Der erneute Vergleich für das nächste Bit zeigt, dass die Referenzspannung niedriger ist als die Eingangsspannung und das folgende Bit wird auf "1" gesetzt, die Referenzspannung wird erneut halbiert und wiederum verglichen und so geht es zyklisch weiter bis alle Bits gesetzt sind, bis zum Least Significant Bit (LSB). www. itwissen. info Mihaela Albu albu@ieee. org 17/28

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 A/D-Verfahren. Zählverfahren [counting mode] Bei dem Zählverfahren, wird die analoge Eingangsspannung in einem Komparator mit einer treppenförmigen ansteigenden Vergleichsspannung verglichen. Die Stufenwerte der Treppenspannung entsprechen dem geringst möglichen Pegel, der die höchste Auflösung repräsentiert. Die Treppenspannung wird solange durch einen Zähler schrittweise hochgeschaltet, bis die Vergleichsspannung der Eingangsspannung entspricht. Bei Spannungsgleichheit gibt der Komparator einen Impuls ab, der den Treppengenerator stoppt. Die Anzahl der Treppenstufen wird gezählt und entspricht dem Wert der analogen Eingangsspannung. Mihaela Albu albu@ieee. org 18/28

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 A/D-Verfahren. Zählverfahren [counting mode] Da die Stufenschaltung mit dem geringsten möglichen Pegelwert erfolgt, kann die Umsetzzeit bei höheren Eingangspegeln relativ lang sein, weil die Treppenspannung alle Stufen durchlaufen muss. www. itwissen. info Mihaela Albu albu@ieee. org 19/28

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 A/D-Verfahren. Pipeline-Wandler [pipeline converter] Pipeline-Wandler sind mehrstufige A/D-Wandler, die aus mehreren Flash. Wandlern bestehen. Ihre Vorteile liegen in der hohen Auflösung, die bis zu 14 Bit reicht und der hohen Abtastrate, die 100 MHz und mehr betragen kann. Vom Aufbau her handelt es sich beim Pipeline-Wandler um eine Kaskadierung von mehreren Flash-Wandlern. Jeder einzelne Parallelumsetzer quantisiert das Differenzsignal des vorgeschalteten A/D-Wandlers. Der erste A/D-Wandler erhält das zu digitalisierende Eingangssignal, quantisiert es und stellt die höherwertigen Bits des digitalen Ausgangs dar. Das digitale Ausgangssignal wird in einem D/AWandler in ein analoges Signal gewandelt, in einer Abtast- und Halteschaltung zwischengespeichert, von dem originalen Eingangssignal subtrahiert und nach einer Verstärkung dem nächsten Parallelumsetzer zugeführt, der das Differenzsignal mit höherer Auflösung quantisiert. www. itwissen. info Mihaela Albu albu@ieee. org 20/28

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 A/D-Verfahren. Pipeline-Wandler [pipeline converter] Die weiteren nachgeschalteten A/D-Wandler quantisieren jeweils das nächste Differenzsignal und zwar mit immer höherer Auflösung. Nach dem Durchlauf aller Pipeline-Stufen wird das Ergebnis errechnet. www. itwissen. info Mihaela Albu albu@ieee. org 21/28

Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2019 -2020 A/D-Verfahren. Dual-Slope-Verfahren dual slope methode Das Dual-Slope-Verfahren gehört zu den langsameren Verfahren der A/D-Wandler. Bei diesem Verfahren wird ein Kondensator während einer konstanten Integrationszeit von der analogen Eingangsspannung aufgeladen. Die Ladung des Kondensators steht damit in einem festen Verhältnis zur Eingangsspannung. Nach Abschluss der Integrationszeit wird eine Gegenspannung an den Integrator gelegt, diesen zeitproportional bis auf Null Volt entlädt. Hat der Kondensator eine hohe Spannung, ist die Entladezeit länger, bei einer geringeren Spannung ist sie kürzer. Die Entladezeit ist also ein Maß für die Eingangsspannung. Während der Entladezeit werden Taktimpulse mit Zähler geleitet, der sie zählt und daraus den Wert für die Eingangsspannung ableitet. Mihaela Albu albu@ieee. org 22/28

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 23/28

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 24/28

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 25/55

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