Analoge, digitale und virtuelle Messtechnik (eBook)

Vorwort 5
1 Analoge und digitale Multimetersysteme 13
1.1 Zeigermessgeräte 13
1.1.1 Aufbau von Zeigermessgeräten 14
1.1.2 Beschriftung von Skalen 17
1.1.3 Genauigkeitsklassen und Fehler 19
1.1.4 Messungen mit Zeigermessgeräten 22
1.1.5 Leistungsmessungen 24
1.1.6 Widerstandsmessungen 26
1.2 Digitale Multimetersysteme 30
1.2.1 3½-stelliges Digital-Voltmeter ICL7106 mit LCD-Anzeige 30
1.2.2 Umschaltbares Multimeter mit dem ICL7106 33
1.3 Arbeiten mit dem simulierten Multimeter 37
1.3.1 Grundeinstellungen des Multimeters 38
1.3.2 Arbeiten mit simulierten Betriebsmessgeräten 42
1.3.3 Messen von Kondensatoren und Induktivitäten 43
1.4 Mikrocontroller als Multimeter 47
1.4.1 8-Bit-Mikrocontroller ATtiny26 48
1.4.2 Grundfunktionen des 8-Bit-Mikrocontrollers ATtiny26 48
1.4.3 Absolute und relative Genauigkeit 49
1.4.4 Integraler Linearitätsfehler 50
1.4.5 Differentielle Nichtlinearität 50
1.4.6 Offsetfehler 51
1.4.7 Verstärkungsfehler 51
1.4.8 Aufbau eines digitalen Systems 52
1.4.9 Unterscheidungsmerkmale zwischen analogen und digitalen Systemen 53
1.4.10 Systemfehler der AD-Umsetzung 55
1.4.11 Statische Signale 56
1.4.12 Quasistatische Signale 56
1.4.13 Dynamische Signale 56
1.4.14 Signalparameter 57
1.4.15 Statistische Methoden der Signalauswertung 58
1.4.16 Arithmetischer Mittelwert 59
1.4.17 Fortlaufende Mittelwertbildung 59
1.4.18 Schrittweise Mittelwertbildung 60
1.4.19 Quadratischer Mittelwert 62
1.4.20 Effektivwert 62
1.4.21 Abtasttheorem und Aliasing 62
2 Funktionsgenerator und Signalquellen 67
2.1 Simulierter Funktionsgenerator 68
2.1.1 Augenblickswert, Scheitelwert und Effektivwert 69
2.1.2 Rechteck- und Dreieckspannung 70
2.1.3 Messung der Phasenverschiebung 72
2.1.4 RC-Glied an symmetrischer Rechteckspannung 73
2.1.5 Messung einer Schwebung 75
2.1.6 Messung einer Amplitudenmodulation (AM) 77
2.1.7 Messung einer Frequenzmodulation (FM) 78
2.1.8 Messung einer Rauschspannung 80
2.1.9 Messung einer FSK-Spannung 81
2.2 Realer Funktionsgenerator 83
2.2.1 Blockschaltung des Funktionsgenerators MAX038 83
2.2.2 Funktionsgenerator mit dem MAX038 85
2.2.3 Wobbler mit dem MAX038 88
2.3 Mikrocontroller ATtiny26 als Frequenzgenerator 90
2.3.1 Mikrocontroller als Rechteckgenerator 90
2.3.2 Mikrocontroller ATtiny26 als Sinusgenerator 91
3 Wattmeter 97
3.1 Elektrodynamisches Messwerk 97
3.2 Elektrodynamisches Quotienten-Messwerk 99
3.3 Messverfahren in der Starkstromtechnik 100
3.3.1 Leistungsmessung im Einphasennetz 101
3.3.2 Leistungsmessung im Drehstromnetz 104
3.3.3 Blindleistungsmessung 106
3.3.4 Leistungsfaktormessung 107
3.4 Messpraktikum 109
3.4.1 Leistungsmessung einer Glühlampe 109
3.4.2 Leistungsmessung einer Spule 110
3.4.3 Leistungsmessung einer RL-Schaltung 111
3.4.4 Leistungsmessung einer RC-Schaltung 112
3.4.5 Leistungsmessung einer Kompensation 113
3.4.6 Leistungsmessung einer Sternschaltung (Drehstrom) 115
3.4.7 Leistungsmessung an Drehstrom 116
3.5 Leistungsmesser mit Mikrocontroller ATtiny26 117
4 Oszilloskope 119
4.1 Elektronenstrahlröhre 119
4.1.1 Y-Verstärker mit Abschwächer 121
4.1.2 X-Verstärker mit Abschwächer 122
4.1.3 Zeitablenkschaltung 123
4.1.4 Elektronischer Schalter 124
4.1.5 Vorverstärker 124
4.2 Digitale Speicheroszilloskope 125
4.2.1 Analog-Digital-Wandler 125
4.2.2 Genauigkeit und Auflösung 126
4.2.3 Digitale Zeitbasis 128
4.2.4 Digitalisierung der Daten 128
4.2.5 Aliasing und Anti-Aliasing 129
4.2.6 Impuls-Interpolation 132
4.2.7 Vergleich zwischen Digital- und analogem Speicheroszilloskop 134
4.2.8 Messmerkmale eines digitalen Speicheroszilloskops 135
4.2.9 Auswahl eines digitalen Speicheroszilloskops 138
4.3 Messübungen mit simuliertem Zweikanal-Oszilloskop 143
4.3.1 Oszilloskopeinstellungen 143
4.3.2 Messungen von unsymmetrischen Spannungen 145
4.3.3 Messung der Phasenverschiebung 149
4.3.4 Messung einer Frequenz mit Lissajous-Figur 151
4.3.5 Messung der Blindleistung 153
4.3.6 Messung der Phasenverschiebung an einer RCL-Reihenschaltung 154
4.3.7 Messung einer Signalkopplung in einem Kleinsignalverstärker 155
4.4 Messübungen mit simuliertem Vierkanal-Oszilloskop 158
4.4.1 Messung von unterschiedlichen Spannungen 158
4.4.2 Sinusgenerator mit RC-Phasenschieber 158
5 Bode-Plotter 161
5.1 Arbeiten mit dem Bode-Plotter 162
5.1.1 Verhalten eines passiven RC-Tiefpass-Filters 164
5.1.2 Verhalten eines Reihenschwingkreises 165
5.1.3 Verhalten eines Parallelschwingkreises 166
5.1.4 Reale Schwingkreise 168
5.1.5 Güte und Bandbreite 168
5.1.6 Untersuchung eines LC-Filters 170
5.1.7 Untersuchung eines T- und -Filters 171
5.1.8 Untersuchung eines Tiefpass-Doppelsiebgliedes 173
5.1.9 Untersuchung eines Bandpasses nach Wien 174
6 Frequenzmessgeräte 177
6.1 Praxis der Dekadenzählung 177
6.1.1 Mengenzählung 177
6.1.2 Zeitmessung 178
6.1.3 Frequenzmessung 180
6.1.4 Frequenzverhältnismessung 180
6.1.5 Frequenzuntersetzung 181
6.1.6 Realisierung einer Zählerdekade 182
6.2 Messungen mit dem simulierten Frequenzzähler 183
6.3 Multifunktionszähler und Frequenzzähler 186
6.3.1 Multifunktionszähler ICM7216A/B und Frequenzzähler ICM7216C/D 186
6.3.2 Funktionen des ICM7216A/B 189
6.3.3 Multifunktionszähler mit dem ICM7216A bis 10 MHz 189
6.3.4 Frequenzzähler bis 10 MHz mit dem ICM7216C/D 189
6.3.5 Erweiterte Schaltungen mit dem ICM7216C/D 190
7 Logikanalysator und Bitmustergenerator 195
7.1 Digitale Messgeräte 195
7.1.1 Simulierter Bitmustergenerator 197
7.1.2 Simulierter Logikanalysator 198
7.1.3 Untersuchung des Dezimalzählers 7490 200
7.1.4 Untersuchung des Schieberegisters 74164 202
7.1.5 Untersuchung eines 8-Bit-DA-Wandlers 203
7.1.6 Untersuchung eines 8-Bit-AD-Wandlers 206
7.1.7 Mikrocontroller mit LED-Baranzeige 207
7.1.8 Mikrocontroller am Logikanalysator 208
7.1.9 Mikrocontroller mit DA-Wandler 211
7.1.10 Mikrocontroller mit AD-Wandler 212
7.1.11 Mikrocontroller mit AD- und DA-Wandler 212
8 Logikkonverter 215
8.1 Arbeiten mit dem Logikkonverter 215
8.1.1 Verfahren nach Quine und McCluskey 217
8.1.2 Untersuchung einer negierten UND-Verknüpfung 217
8.1.3 Untersuchung einer UND-ODER-Verknüpfung mit zwei Eingängen 218
8.1.4 Untersuchung einer UND-ODER-Verknüpfung mit drei Variablen 219
8.1.5 Untersuchung einer UND-ODER-Verknüpfung mit vier Variablen 220
8.2 Schaltungsanalyse von TTL-Bausteinen 222
8.2.1 Untersuchung des NAND-Gatters 7400 222
8.2.2 Untersuchung des Exklusiv-ODER-Gatters 7486 224
8.2.3 Inhibition und Implikation 225
8.2.4 Untersuchung des UND/NOR-Gatters 7451 227
9 Kennlinienschreiber (I/U-Analyse) 229
9.1 Kennlinie 229
9.1.1 Statische Kennlinienaufnahme einer Diode 231
9.1.2 Dynamische Kennlinienaufnahme einer Diode 232
9.1.3 Kennlinienschreiber mit Diode 235
9.1.4 Statischer und dynamischer Wert einer Diode 236
9.2 Kennlinienschreiber für Transistoren 238
9.2.1 Einfache Messungen und Prüfungen an bipolaren Transistoren 238
9.2.2 Messung des Gleichstromverstärkungsfaktors B 240
9.2.3 Messung der Eingangskennlinie IB = f (UBE) 242
9.2.4 Ausgangskennlinien eines Transistors 245
9.2.5 Dynamische Aufnahme von Ausgangskennlinien 247
10 Klirrfaktormessgerät 251
10.1 Messen einer Bandsperre mit Klirrfaktormessgerät 253
10.1.1 Klirrfaktor 253
10.1.2 Zweistufiger Verstärker mit kapazitiver Kopplung 254
10.1.3 Intermodulations-Verzerrungen 256
11 Spektrumanalysator und Netzwerkanalysator 259
11.1 Grundlagen der Spektrumanalyse 259
11.1.1 Frequenzbereiche 259
11.1.2 Empfindlichkeit 260
11.1.3 Signalanzeigebereich 260
11.1.4 Dynamikbereich 261
11.1.5 Messung eines AM-Demodulators 263
11.2 Netzwerkanalysator 265
11.2.1 Smith-Kreisdiagramm 267
11.2.2 Messen mit dem Netzwerkanalysator 268
11.2.3 Messen eines Collins-Filters 271
11.2.4 Anpassschaltungen in der HF-Technik 274
12 Simulierte Industriemessgeräte 277
12.1 HP-Funktionsgenerator 33120A 277
12.2 HP-Multimeter 34401A 282
12.3 HP-Oszilloskop 54622D 285
12.4 Tektronix-Oszilloskop TDS 2024 288
13 Analysemethoden bei Simulationen mit MultiSim und PSPICE 291
13.1 Analysiermethoden 296
13.2 Simulation und Analyse 297
13.3 AC-Frequenzanalyse 299
13.4 Zeitbereichs-Transientenanalyse 305
13.5 Fourier-Analyse 308
13.6 Rausch- und Rauschzahlanalyse 313
13.7 Verzerrungsanalyse 319
13.8 Analyse mit linear variabler Gleichspannung (DC-Wobbeln der Übertragungsfunktion) 324
13.9 Empfindlichkeitsanalyse 326
13.10 Parameterdurchlauf-Analyse (lineare variable Parameterwerte) 328
13.11 Temperaturdurchlauf-Analyse (variable Temperaturen) 331
13.12 Monte-Carlo-Analyse 333
13.13 Pol-/Nullstellenanalyse 336
13.14 Worst-Case-Analyse (ungünstige Bedingungen) 340
Stichwortverzeichnis 343