Analoge, digitale und virtuelle Messtechnik

339 Pages·2013·8.94 MB·German

by  Herbert Bernstein

Analoge, digitale und
virtuelle Messtechnik
von
Dipl.-Ing. Herbert Bernstein
Oldenbourg Verlag München
Dipl.-Ing. Herbert Bernstein ist bekannter Fachbuchautor, Ingenieur und unterrichtet
als Dozent an einer Technikerschule und der IHK die Fächer Messtechnik, Steuerung-
und Regelungstechnik und Automatisierungstechnik.
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und die Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen Systemen.
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Herstellung: Tina Bonertz
Titelbild: thinkstockphotos.de
Einbandgestaltung: hauser lacour
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Vorwort
Die vorliegende Einführung in die elektrische Messtechnik mit analogen, digitalen und virtu-
ellen Messinstrumenten ist nach elektrotechnischen Gesichtspunkten gegliedert. Auf diese
Weise lassen sich die wichtigsten Messinstrumente und Messverfahren ohne Überschneidun-
gen behandeln.
Bei der Auswahl des Manuskripts wurde versucht, den Überblick nicht durch allzu viele
Details zu erschweren. Dafür sind die aufgenommenen Schaltungen und Methoden etwas
ausführlicher behandelt. Sie werden jeweils durch den Text, durch Formeln, Zeichnungen
und Diagramme erläutert. Die mathematischen Ableitungen gehen dabei von sehr allgemei-
nen Voraussetzungen aus.
In Multisim ist der einzige komplette interaktive Schaltungssimulator implementiert, der es
dem Studenten aller Fachrichtungen ermöglicht, Schaltungsänderungen bei laufender Schal-
tungssimulation durchzuführen und die Simulationsergebnisse in Echtzeit zu bewerten. Die
Studenten interagieren mit den Schaltungen, indem sie 20 verschiedene virtuelle Instrumente
(einschließlich Oszilloskop, Spektrumanalysator, Logikanalysator usw.) verwenden, die genau
wie die entsprechenden realen Messgeräte aussehen und arbeiten. Außerdem bietet Multisim 24
verschiedene Analysen (einschließlich Monte-Carlo-, Worst-Case-, U/I-Analyse usw.), so
dass man das Verhalten elektronischer Schaltungen genau untersuchen und verstehen kann.
Nur ein Bruchteil dieser Analysen ist mit realen Instrumenten möglich.
Die virtuellen und somit nicht fehleranfälligen in Multisim implementierten Instrumente
sehen genauso aus wie ihre realen Vorbilder und haben genau dieselben Funktionen. Teure
und aufwändig zu wartende Hardware wird nicht mehr benötigt. Die Auszubildenden und
Studenten sind keinen Gefahren durch Stromschläge usw. ausgesetzt und haben dennoch
Zugriff auf alle Funktionen realer Instrumente.
• Voltmeter: Für die schnelle und einfache Messung von Spannungen.
• Amperemeter: Für schnelle und präzise Strommessungen.
• Multimeter: Zum Messen von Gleich- und Wechselspannungen und -strömen, Wider-
ständen und Abschwächungsfaktoren (in dB) mit automatischer Bereichsumschaltung.
• Wattmeter: Zum Messen von Leistung und Leistungsfaktor.
• Oszilloskop: Interne und externe Triggerung auf die positive oder negative Signal-
flanke. In Zwei- und Vierkanal-Versionen verfügbar.
• Funktionsgenerator: Zur Erzeugung von Rechteck-, Dreieck- oder Sinussignalen. Signal-
frequenzen bis zu 1 GHz mit Einstellungen für Tastverhältnis, Amplitude und Offset.
• Bode-Plotter: Zum Messen des Frequenzgangs mit Anzeige von Verstärkungsgrad- oder
Phasenveränderungen in Abhängigkeit von der Frequenz (bis 10 GHz).
• Dynamische Messköpfe: Sie können die Messköpfe an jeder beliebigen Position plat-
zieren, um Ihre Schaltung mit sich dynamisch verändernden Spannungs- und Stromwer-
ten zu beschriften. Sie können Schwellwerte vordefinieren und die Genauigkeit der An-
zeige von Werten, die mithilfe der Messköpfe gemessen wurden, festlegen.
VI Vorwort
• Word Generator: Zum Generieren von Datenworten (auch auf der Basis von Daten, die
vom Benutzer mit Start- und Stoppadressen vorgegeben wurden). Die Datenworte kön-
nen schrittweise oder kontinuierlich generiert werden.
• 16-Kanal-Logikanalysator: Durch die Daten kann gescrollt werden, wobei der Logik-
pegel an der jeweiligen Cursorposition angezeigt wird.
• Verzerrungsanalysator: Zur Messung der Intermodulations- und der nicht linearen
Verzerrungen von Signalen.
• Frequenzzähler: Zum Messen von Frequenz, Periode, Impulsbreite sowie Anstiegs- und
Abfallzeiten. Möglichkeit zur Gleich- oder Wechselspannungskopplung und zur Einstel-
lung von Empfindlichkeit und Triggerpegel.
• Netzwerkanalysator: Hiermit können die S-Parameter von Netzwerken mit Smith-Dia-
grammen und Stabilitätskreisen ermittelt werden. Dieses Instrument ermöglicht die ge-
naue Impedanzanpassung.
• Spektrumanalysator: Zum Messen der Signalamplitude in Abhängigkeit von der Fre-
quenz mit einstellbarem Frequenz- und Amplitudenbereich.
• Simulierte Instrumente von Agilent, die genau wie das Oszilloskop 54622D, das Digi-
talmultimeter 34401A und der Funktionsgenerator 33120A dieses führenden Messgeräte-
herstellers aussehen und arbeiten.
• Tektronix-Oszilloskop: Dieses Instrument sieht aus wie sein reales Vorbild, der 4-Kanal-
Oszillograf TDS 2024, und wird genauso bedient.
Insgesamt geht der behandelte Stoff über den einer einführenden Vorlesung hinaus. Das Buch
wendet sich nicht nur an Studenten, sondern auch an die bereits auf dem Gebiet der Mess-
technik tätigen Naturwissenschaftler und Ingenieure. Es soll über die zur Verfügung stehen-
den Messverfahren informieren und bei aktuellen Messaufgaben die Auswahl erleichtern.
Ich bedanke mich bei meinen Studenten für die zahlreichen Fragen zu den Messinstrumen-
ten, die viel zu einer besonders eingehenden Darstellung wichtiger und schwieriger Fragen
beigetragen haben. Meiner Frau Brigitte danke ich für die Erstellung der Zeichnungen und
der Ausarbeitung des Manuskripts.
Herbert Bernstein
Inhaltsverzeichnis
Vorwort V
1 Analoge und digitale Multimetersysteme 1
1.1 Zeigermessgeräte ....................................................................................................... 1
1.1.1 Aufbau von Zeigermessgeräten ................................................................................. 2
1.1.2 Beschriftung von Skalen ............................................................................................ 5
1.1.3 Genauigkeitsklassen und Fehler ................................................................................ 7
1.1.4 Messungen mit Zeigermessgeräten .......................................................................... 10
1.1.5 Leistungsmessungen ................................................................................................ 12
1.1.6 Widerstandsmessungen ............................................................................................ 14
1.2 Digitale Multimetersysteme ..................................................................................... 18
1.2.1 3½-stelliges Digital-Voltmeter ICL7106 mit LCD-Anzeige .................................... 18
1.2.2 Umschaltbares Multimeter mit dem ICL7106 ......................................................... 21
1.3 Arbeiten mit dem simulierten Multimeter................................................................ 25
1.3.1 Grundeinstellungen des Multimeters ....................................................................... 26
1.3.2 Arbeiten mit simulierten Betriebsmessgeräten ........................................................ 30
1.3.3 Messen von Kondensatoren und Induktivitäten ....................................................... 31
1.4 Mikrocontroller als Multimeter ................................................................................ 35
1.4.1 8-Bit-Mikrocontroller ATtiny26 ............................................................................... 36
1.4.2 Grundfunktionen des 8-Bit-Mikrocontrollers ATtiny26 .......................................... 36
1.4.3 Absolute und relative Genauigkeit ........................................................................... 37
1.4.4 Integraler Linearitätsfehler ....................................................................................... 38
1.4.5 Differentielle Nichtlinearität .................................................................................... 38
1.4.6 Offsetfehler .............................................................................................................. 39
1.4.7 Verstärkungsfehler ................................................................................................... 39
1.4.8 Aufbau eines digitalen Systems ............................................................................... 40
1.4.9 Unterscheidungsmerkmale zwischen analogen und digitalen Systemen ................. 41
1.4.10 Systemfehler der AD-Umsetzung ............................................................................ 43
1.4.11 Statische Signale ...................................................................................................... 44
1.4.12 Quasistatische Signale ............................................................................................. 44
1.4.13 Dynamische Signale ................................................................................................ 44
1.4.14 Signalparameter ....................................................................................................... 45
1.4.15 Statistische Methoden der Signalauswertung ........................................................... 46
1.4.16 Arithmetischer Mittelwert ........................................................................................ 47
1.4.17 Fortlaufende Mittelwertbildung ............................................................................... 47
1.4.18 Schrittweise Mittelwertbildung ................................................................................ 48
VIII Inhaltsverzeichnis
1.4.19 Quadratischer Mittelwert .......................................................................................... 50
1.4.20 Effektivwert .............................................................................................................. 50
1.4.21 Abtasttheorem und Aliasing ..................................................................................... 50
2 Funktionsgenerator und Signalquellen 55
2.1 Simulierter Funktionsgenerator ................................................................................ 56
2.1.1 Augenblickswert, Scheitelwert und Effektivwert ..................................................... 57
2.1.2 Rechteck- und Dreieckspannung .............................................................................. 58
2.1.3 Messung der Phasenverschiebung ............................................................................ 60
2.1.4 RC-Glied an symmetrischer Rechteckspannung ...................................................... 61
2.1.5 Messung einer Schwebung ....................................................................................... 63
2.1.6 Messung einer Amplitudenmodulation (AM) ........................................................... 65
2.1.7 Messung einer Frequenzmodulation (FM) ............................................................... 66
2.1.8 Messung einer Rauschspannung ............................................................................... 68
2.1.9 Messung einer FSK-Spannung ................................................................................. 69
2.2 Realer Funktionsgenerator ........................................................................................ 71
2.2.1 Blockschaltung des Funktionsgenerators MAX038 ................................................. 71
2.2.2 Funktionsgenerator mit dem MAX038 ..................................................................... 73
2.2.3 Wobbler mit dem MAX038 ...................................................................................... 76
2.3 Mikrocontroller ATtiny26 als Frequenzgenerator ..................................................... 78
2.3.1 Mikrocontroller als Rechteckgenerator .................................................................... 78
2.3.2 Mikrocontroller ATtiny26 als Sinusgenerator .......................................................... 79
3 Wattmeter 85
3.1 Elektrodynamisches Messwerk ................................................................................ 85
3.2 Elektrodynamisches Quotienten-Messwerk.............................................................. 87
3.3 Messverfahren in der Starkstromtechnik .................................................................. 88
3.3.1 Leistungsmessung im Einphasennetz ....................................................................... 89
3.3.2 Leistungsmessung im Drehstromnetz ....................................................................... 92
3.3.3 Blindleistungsmessung ............................................................................................. 94
3.3.4 Leistungsfaktormessung ........................................................................................... 95
3.4 Messpraktikum ......................................................................................................... 97
3.4.1 Leistungsmessung einer Glühlampe ......................................................................... 97
3.4.2 Leistungsmessung einer Spule .................................................................................. 98
3.4.3 Leistungsmessung einer RL-Schaltung .................................................................... 99
3.4.4 Leistungsmessung einer RC-Schaltung .................................................................. 100
3.4.5 Leistungsmessung einer Kompensation .................................................................. 101
3.4.6 Leistungsmessung einer Sternschaltung (Drehstrom) ............................................. 103
3.4.7 Leistungsmessung an Drehstrom ............................................................................ 104
3.5 Leistungsmesser mit Mikrocontroller ATtiny26 ..................................................... 105
Inhaltsverzeichnis IX
4 Oszilloskope 107
4.1 Elektronenstrahlröhre ............................................................................................. 107
4.1.1 Y-Verstärker mit Abschwächer .............................................................................. 109
4.1.2 X-Verstärker mit Abschwächer .............................................................................. 110
4.1.3 Zeitablenkschaltung ................................................................................................ 111
4.1.4 Elektronischer Schalter .......................................................................................... 112
4.1.5 Vorverstärker .......................................................................................................... 112
4.2 Digitale Speicheroszilloskope ................................................................................ 113
4.2.1 Analog-Digital-Wandler ........................................................................................ 113
4.2.2 Genauigkeit und Auflösung ................................................................................... 114
4.2.3 Digitale Zeitbasis ................................................................................................... 116
4.2.4 Digitalisierung der Daten ....................................................................................... 116
4.2.5 Aliasing und Anti-Aliasing .................................................................................... 117
4.2.6 Impuls-Interpolation .............................................................................................. 120
4.2.7 Vergleich zwischen Digital- und analogem Speicheroszilloskop ........................... 122
4.2.8 Messmerkmale eines digitalen Speicheroszilloskops ............................................ 123
4.2.9 Auswahl eines digitalen Speicheroszilloskops ....................................................... 126
4.3 Messübungen mit simuliertem Zweikanal-Oszilloskop ......................................... 131
4.3.1 Oszilloskopeinstellungen ....................................................................................... 131
4.3.2 Messungen von unsymmetrischen Spannungen ..................................................... 133
4.3.3 Messung der Phasenverschiebung ......................................................................... 137
4.3.4 Messung einer Frequenz mit Lissajous-Figur ........................................................ 139
4.3.5 Messung der Blindleistung .................................................................................... 141
4.3.6 Messung der Phasenverschiebung an einer RCL-Reihenschaltung ....................... 142
4.3.7 Messung einer Signalkopplung in einem Kleinsignalverstärker ............................ 143
4.4 Messübungen mit simuliertem Vierkanal-Oszilloskop .......................................... 146
4.4.1 Messung von unterschiedlichen Spannungen ........................................................ 146
4.4.2 Sinusgenerator mit RC-Phasenschieber ................................................................. 146
5 Bode-Plotter 149
5.1 Arbeiten mit dem Bode-Plotter .............................................................................. 150
5.1.1 Verhalten eines passiven RC-Tiefpass-Filters ........................................................ 152
5.1.2 Verhalten eines Reihenschwingkreises .................................................................. 153
5.1.3 Verhalten eines Parallelschwingkreises ................................................................. 154
5.1.4 Reale Schwingkreise .............................................................................................. 156
5.1.5 Güte und Bandbreite .............................................................................................. 156
5.1.6 Untersuchung eines LC-Filters .............................................................................. 158
5.1.7 Untersuchung eines T- und (cid:652)-Filters ...................................................................... 159
5.1.8 Untersuchung eines Tiefpass-Doppelsiebgliedes ................................................... 161
5.1.9 Untersuchung eines Bandpasses nach Wien .......................................................... 162
X Inhaltsverzeichnis
6 Frequenzmessgeräte 165
6.1 Praxis der Dekadenzählung .................................................................................... 165
6.1.1 Mengenzählung ...................................................................................................... 165
6.1.2 Zeitmessung ............................................................................................................ 166
6.1.3 Frequenzmessung ................................................................................................... 168
6.1.4 Frequenzverhältnismessung .................................................................................... 168
6.1.5 Frequenzuntersetzung ............................................................................................. 169
6.1.6 Realisierung einer Zählerdekade ............................................................................ 170
6.2 Messungen mit dem simulierten Frequenzzähler ................................................... 171
6.3 Multifunktionszähler und Frequenzzähler .............................................................. 174
6.3.1 Multifunktionszähler ICM7216A/B und Frequenzzähler ICM7216C/D ................ 174
6.3.2 Funktionen des ICM7216A/B ................................................................................. 177
6.3.3 Multifunktionszähler mit dem ICM7216A bis 10 MHz .......................................... 177
6.3.4 Frequenzzähler bis 10 MHz mit dem ICM7216C/D ............................................... 177
6.3.5 Erweiterte Schaltungen mit dem ICM7216C/D ...................................................... 178
7 Logikanalysator und Bitmustergenerator 183
7.1 Digitale Messgeräte ................................................................................................ 183
7.1.1 Simulierter Bitmustergenerator ............................................................................... 185
7.1.2 Simulierter Logikanalysator ................................................................................... 186
7.1.3 Untersuchung des Dezimalzählers 7490 ................................................................. 188
7.1.4 Untersuchung des Schieberegisters 74164 ............................................................. 190
7.1.5 Untersuchung eines 8-Bit-DA-Wandlers ................................................................ 191
7.1.6 Untersuchung eines 8-Bit-AD-Wandlers ................................................................ 194
7.1.7 Mikrocontroller mit LED-Baranzeige .................................................................... 195
7.1.8 Mikrocontroller am Logikanalysator ...................................................................... 196
7.1.9 Mikrocontroller mit DA-Wandler ........................................................................... 199
7.1.10 Mikrocontroller mit AD-Wandler ........................................................................... 200
7.1.11 Mikrocontroller mit AD- und DA-Wandler ............................................................ 200
8 Logikkonverter 203
8.1 Arbeiten mit dem Logikkonverter .......................................................................... 203
8.1.1 Verfahren nach Quine und McCluskey ................................................................... 205
8.1.2 Untersuchung einer negierten UND-Verknüpfung ................................................. 205
8.1.3 Untersuchung einer UND-ODER-Verknüpfung mit zwei Eingängen .................... 206
8.1.4 Untersuchung einer UND-ODER-Verknüpfung mit drei Variablen ....................... 207
8.1.5 Untersuchung einer UND-ODER-Verknüpfung mit vier Variablen ....................... 208
8.2 Schaltungsanalyse von TTL-Bausteinen ................................................................. 210
8.2.1 Untersuchung des NAND-Gatters 7400 ................................................................. 210
8.2.2 Untersuchung des Exklusiv-ODER-Gatters 7486 .................................................. 212
8.2.3 Inhibition und Implikation ...................................................................................... 213
8.2.4 Untersuchung des UND/NOR-Gatters 7451 ........................................................... 215