Versuchsanleitung EP13 (Version 9.2012)
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I. Zielsetzung des Versuches<br />
BERGISCHE UNIVERSITÄT WUPPERTAL<br />
FACHBEREICH C - PHYSIK<br />
ELEKTRONIKPRAKTIKUM<br />
Versuch EP 13<br />
Aufbau einer Meßkette, Rauschen<br />
<strong>Version</strong> 9.12, TEX: 11. September 2012<br />
Zum Abschluß des Elektronikpraktikums werden Sie die verschiedenen Kenntnisse, die Sie erworben haben, in<br />
einem praxisnahen Beispiel einsetzen. Die Praxis des Experimentalphysikers ist die Aufnahme und Verarbeitung<br />
von Meßwerten, daher wollen wir eine komplette Meßkette realisieren. Wir wollen ein System zur Aufnahme des<br />
Pulsschlags aufbauen.<br />
• Das Eingangssignal kommt von einem Sensor. Wir nutzen den aus Versuch EP7 bekannten Fingerpulssensor.<br />
• Das Signal ist von verschiedenen Störungen (Rauschen, Störsignale durch Störlicht und Störimpulse) überlagert.<br />
Wir müssen daher mit Bandpaß und Differenzierer die Störungen möglichst weit abschwächen.<br />
• Zur Weiterverarbeitung ist zu überlegen, ob das Signal mit einem Diskriminator digitalisiert wird, oder als<br />
analoges Signal ausgewertet wird.<br />
• Zur Auswertung betrachten wir das Signal zunächst mit einem Oszilloskop, geben es aber auch an einen PC<br />
mit entsprechender Meßsoftware.<br />
• Der PC kann z.B. aus den Einzelimpulsen einen gleitenden Mittelwert und RMS berechnen und darstellen.<br />
• Als Software kommt das Programm Labview zum Einsatz, wo der Code für die Mittelwertberechnung erstellt<br />
werden muß. (Separate Anleitung folgt hierzu.)<br />
II. Vorkenntnisse<br />
Die bisherigen EP-Versuche.<br />
Sensortechnik. Funktionsweise von Photodiode, Phototransistor, Leuchtdiode. Aufbau und Funktionsweise des<br />
Fingerpulssensors.<br />
Signal-Rauschverhältnis. Verschiedene Störquellen für kleine Signale, insbes. elektrische oder elektromagnetische<br />
Einstrahlung auf Leitungen. Maßnahmen zur Abschirmung (z.B. Koaxialkalbel, Twisted-Pair-Kabel).<br />
Filtertechniken. RC-Filter, RL-Filter, RCL-Filter. Aufbau von Tiefpaß, Hochpaß, Bandpaß, Integrierer, Differenzierer.<br />
Schaltungen mit Operationsverstärkern, speziell: Verstärkerschaltungen, Diskriminator/Komparator.<br />
Aufbereitung von Signalen für digitale Messung. Funktionsweise eines ADCs. Anbindung an den PC (Schnittstellen).<br />
Mittelwerte (einfach, gleitend), RMS, Berechnungsmethoden.<br />
1
III. Theorie zum Versuch<br />
1. Signal-Rausch-Verhältnis<br />
Als Signal-Rausch-Verhältnis bezeichnet man den Quotienten aus der Größe des NutzsignalsUnutz zum Rauschsignal<br />
(Störsignal)U rausch . Als Größe“ wird dabei die mittlere Leistung betrachtet. Somit geht es um das Verhältnis<br />
”<br />
der mittleren Leistung des Nutzsignals der Signalquelle Pnutz = U2 nutz zur mittleren Rauschleistung des Störsignals<br />
Prausch = U2 rausch<br />
der gleichen Signalquelle. Oft wird dieses Verhältnis logarithmisch und in der Einheit<br />
Dezibel (dB) angegeben.<br />
SRV = Pnutz<br />
P rausch<br />
= U2 nutz<br />
U2 rausch<br />
2. Mittelwertbildung zur Pulsbestimmung<br />
oder SRV[dB] = 10log( Pnutz<br />
)<br />
Prausch Die Pulsfrequenz liegt in der Größenordnung von 1 Hz. Will man die Pulszahl (in Schlägen pro Minute) genau<br />
messen, muß man eigentlich eine Torzeit von 1 Minute haben. So bekommt man im Abstand von 1 Minute eine<br />
Anzeige der jeweiligen Pulszahl.<br />
Dieses Verfahren ist offensichtlich sehr träge und für medizinische Anwendungen fast unbrauchbar.<br />
Kommerzielle Pulsmeßgeräte liefern im Abstand weniger Sekunden die aktuelle Pulszahl. Man kann die Messung<br />
erheblich beschleunigen, indem man nicht die Frequenz f, sondern die Periodendauer T = 1/f mißt, denn die<br />
Periodendauer ist ja der Abstand zwischen zwei Pulsschlägen.<br />
Die simpelste Methode besteht also darin, ständig den Zeitabstand TP zwischen den Pulssignalen zu messen und<br />
in die PulszahlN umzurechnen gemäßN = (1 Minute)/TP .<br />
Da TP aber von Schlag zu Schlag etwas schwankt, werden sich auch deutlich schwankende Pulszahlen ergeben.<br />
Man ist in der Praxis aber an einem Mittelwert interessiert, der aus mehreren Messungen gebildet wird. Jetzt<br />
kommt man scheinbar wieder in das ursprüngliche Problem, erst über einen längeren Zeitraum messen zu müssen,<br />
bevor ein (mittlerer) Wert angezeigt werden kann.<br />
Die Lösung besteht in der Bildung eines gleitenden Mittelwertes. Man bildet nach jedem Pulsschlag den Mittelwert<br />
über die letzten (z.B. 10) Messungen. Auf diese Weise läßt sich nach jedem neuen Pulsschlag ein Meßwert<br />
anzeigen, der aber über eine größere Zahl von Messungen mittelt.<br />
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IV. Versuchsdurchführung: Aufbau einer Meßkette<br />
1. Inbetriebnahme des Fingerpulssensors<br />
Wie aus Versuch EP7 bekannt, befindet sich in einem Fingerpulsaufnehmer eine Lichtschranke aus IR-LED und<br />
Phototransistor. Der pulsierende Blutstrom schwächt das Infrarotlicht periodisch ab. Am Oszilloskop können Sie<br />
dann Ihren Puls sehen. Für eine störungsfreie Weiterverarbeitung muß dieses Signal noch gefiltert und verstärkt<br />
werden.<br />
Der Fingerpulsaufnehmer hat an seinem Kabel einen Stereoklinkenstecker. Damit Sie ihn auf unserem Leybold-<br />
Steckbrett verwenden können, gibt es ein spezielles Steckelement mit einer passenden Klinkenbuchse (Kopfhörerbuchse).<br />
Stecken Sie den Fingerpulsaufnehmer dort ein.<br />
Das Steckelement hat wie üblich an seiner Unterseite zwei Stecker (Versorgung der LED und GND), auf seiner<br />
Oberseite ist zusätzlich eine Bananenbuchse, die zum Kollektor des Phototransistors führt, dessen Emitter ist mit<br />
GND verbunden. Zum Schutz von LED und Phototransistor gegen falsche Beschaltung sind im Steckelement noch<br />
Vorwiderstände (1,5 kΩ und 5,6 kΩ) eingebaut.<br />
Abbildung Fingerpulssensor, Innenbeschaltung und Abbildung des Steckelementes<br />
Der Fingerpulsaufnehmer ist auf dem Leybold-Steckbrett wie folgt an Netzteil und Oszilloskop anzuschließen.<br />
Hinweis: Sie können das Signal zusätzlich von Störungen befreien, wenn Sie unmittelbar am Oszilloskop einen<br />
100-nF-Kondensator (Steckelement) aufstecken.<br />
Setzen Sie den Fingerpulsaufnehmer auf Ihren Finger und stellen Sie danach das 1 MΩ-Potentiometer so ein, daß<br />
das Oszilloskop (oder ein DVM) eine Gleichspannung von etwa 5 V sieht. Das eigentliche Signal ist eine Schwankung<br />
von einigen 10 mV um diese 5 V. Wie müssen Sie das Oszilloskop einstellen, um das Signal gut zu sehen? Die<br />
Autosettaste hilft bei diesem Signal nicht weiter! (Tips: Was bewirkt die Einstellung AC am Oszilloskopeingang?<br />
Welche Zeitskala sollten Sie wählen, um mehrere Pulsschläge auf dem Bildschirm sehen zu können? Überlegen<br />
Sie: Wie groß ist in etwa die Zeit zwischen zwei Pulsschlägen?)<br />
Hinweis: Der Phototransistor ist in einem dunkelroten (praktisch schwarzen) Gehäuse, das fast nur Infrarotlicht<br />
durchläßt und so einen gewissen Schutz gegen Störlicht bietet. Dennoch kann das Signal verschlechtert werden,<br />
3
wenn der Phototransistor in zu heller Umgebung betrieben wird. Falls Sie mit Ihrem Signal nicht zufrieden sind,<br />
prüfen Sie, ob der Phototransistor z.B. in Richtung Fenster oder Deckenlampe sieht und stecken Sie den Fingerpulssensor<br />
andersherum auf den Finger. Die IR-LED ist das Bauteil im durchsichtigen Gehäuse.<br />
2. Bestimmung des Signal-Rausch-Verhältnisses SRV<br />
Bestimmen Sie das SRV. Sie können dazu folgende Abschätzungen machen:<br />
Wie groß ist die Amplitude (Uss, also Spitze-Spitze, von Minimalwert zu Maximalwert) des eigentlichen Sensorsignals?<br />
Wie groß ist die Amplitude der Störsignale? Die quadrierten Amplituden (Spannungen) sind die Leistungen,<br />
bilden Sie deren Verhältnis.<br />
3. Differenzieren/Filtern des Sensorsignals<br />
Wir wollen das Signal zunächst mit Filtern und Verstärkern weiterverarbeiten.<br />
Das erste Problem des Fingerpulssensorsignals ist, daß es einen großen und evtl. langsam veränderlichen Gleichspannungspegel<br />
(Offset) hat. Um diesen zu beseitigen, trennen wir ihn mit einem Hochpaßfilter (Differenzierer)<br />
ab. Dazu müssen wir uns passende Bauteile wählen (siehe auch die Fragen und Tips unter dem Schaltplan). Wichtig:<br />
Wenn das Sensorsignal durch CH und RH differenziert wurde, ist es nicht mehr nötig, am Oszilloskop die<br />
AC-Kopplung zu aktivieren; stellen Sie also ab jetzt immer DC-Kopplung ein.<br />
Welche Grenzfrequenz ist sinnvoll? Welche Werte für RH und CH sollten Sie daher nehmen? Beachten Sie, daß<br />
die Signalquelle (der Phototransistor und das Potentiometer) einen deutlichen Innenwiderstand hat, den Sie nicht<br />
zu stark belasten können. Was ist also bei der Auswahl vonRH undCH zu beachten? Im Schaltplan unten ist dem<br />
Fingerpulssensor ein Emitterfolger mit einem BC550 nachgeschaltet; was ist der Vorteil?<br />
Das Sensorsignal hat einen relativ langsamen Verlauf. Hochfrequente Störsignale können wir daher mit einem<br />
Tiefpaßfilter unterdrücken, das wir dem Hochpaßfilter nachschalten.<br />
Welche Grenzfrequenz ist sinnvoll? Welche Werte für RT und CT sollten Sie daher nehmen? Bedenken Sie, daß<br />
das Hochpaßfilter durch das nachgeschaltete Tiefpaßfilter nicht zu stark belastet werden darf, damit sich die Grenzfrequenz<br />
nicht verändert. Was ist also bei der Auswahl von RT und CT zu beachten? Passen Sie notfalls RH und<br />
CT an.<br />
Falls es Ihnen schwer fällt, brauchbare Bauteilwerte für eine gute Signalfilterung zu finden, hier ein paar Tips:<br />
FürRH ist 10 kΩ ein guter Wert (wenn der Emitterfolger vorgeschaltet ist). Um fürCH einen guten Wert zu finden,<br />
beantworten Sie folgende Fragen:<br />
- Welche Frequenzf hat der Pulsschlag ungefähr?<br />
- Welche PeriodendauerT = 1/f ist das? Setzen Sie diese Periodendauer mit der Zeitkonstanten des RC-Kreises<br />
τ = RH CH gleich.<br />
- Wie groß ist dann CH? Nehmen Sie das Steckelement, dessen C diesem Wert am nächsten liegt! Tip: Probieren<br />
Sie CH = 10µF. Messen Sie mit dem Oszilloskop zunächst hinterCH (also überRH).<br />
4
Zum Wegfiltern der Störsignale mit dem Tiefpaßfilter müssen Sie folgendes beachten:<br />
Das Oszilloskop fängt sich auch über kurze Bananenkabel erhebliche zusätzliche Störungen ein (Radiowellen,<br />
Netzbrumm). Als ersten muß man die Bandbreite des Oszilloskops auf 20 MHz begrenzen (Taste im Menü von<br />
Ch1 oder Ch2).<br />
- Außerdem muß CT direkt auf den BNC-Banane-Adapter am Oszilloskop (z.B. in dessen seitlichen Bohrungen)<br />
eingesteckt werden.<br />
- Nehmen Sie zunächst fürRT = 100 kΩ.<br />
- Für CT gilt eine ähnliche Überlegung wie oben: Wie schnell ändert sich Ihr Pulssignal, d.h. wie lange dauert es<br />
vom minimalen Wert zum Spitzenwert? Nehmen Sie diese Zeit für die Zeitkonstante des RC-Kreisesτ = RT CT .<br />
- Wie groß ist dann CT ? Nehmen Sie das Steckelement, dessen C diesem Wert am nächsten liegt! (Tip: CT =<br />
100 nF)<br />
- Was beobachten Sie, wenn Sie fürCT den 10fachen Wert oder 1/10 wählen?<br />
4. Verstärken des gefilterten Signals und ADC-Erfassung<br />
(Dieser Versuchsteil kann durchgeführt werden, wenn noch Zeit ist, ansonsten wird der folgende Teil ” Digitalisierung<br />
mit Diskriminator“ durchgeführt.)<br />
Wir wollen das Signal nun mit dem PC weiterverarbeiten, zum Beispiel können wir es als Analogsignal auf dem<br />
PC so darstellen wie auf dem Oszilloskop. Dazu verwenden wir einen ADC in einer fertigen Meßbox, die mit<br />
einem USB-Kabel an den PC angeschlossen wird (separate Anleitung.)<br />
Nehmen Sie das gefilterte Signal mit dem PC auf. Nehmen Sie auch das ungefilterte Signal (d.h. direkt am Sensor)<br />
auf. Damit das Signal eine für den ADC ausreichende Größe hat, wird es um (mindestens) den Faktor 10 verstärkt.<br />
Geben Sie das verstärkte Signal auf die Buchse A3 der Meßbox (1-V-Meßbereich).<br />
Erweitern Sie also die Schaltung wie folgt mit dem Operationsverstärker. ACHTUNG: Verwenden Sie wie üblich<br />
eine symmetrische Versorgungsspannung, d.h. +10 V und -10 V bezüglich GND!<br />
Der 10-nF-Kondensator in der Gegenkopplung des Operationsverstärkers unterdrückt Störsignale. Welchen Verstärkungsfaktor<br />
erwarten Sie (wie berechnen Sie ihn)? Woran kann es liegen, wenn der Verstärkungsfaktor kleiner als erwartet<br />
ist?<br />
5
5. Digitalisierung mit Diskriminator<br />
Wenn das Pulssignal an einen Frequenzzähler gegeben wird, um die Pulszahl zu messen, muß es in ein sauberes<br />
Rechtecksignal umgeformt werden. Dazu dient ein Diskriminator (Komparator). Er vergleicht das Eingangssignal<br />
mit einer Referenzspannung und geht am Ausgang auf logisch 1 (hier: ca. +10V), solange das Eingangssignal<br />
größer als die Referenzspannung ist.<br />
5.1. Manuelle Einstellung der Referenzspannung<br />
Bauen Sie die folgende Schaltung auf. Stellen Sie die Referenzspannung UREF so ein, daß saubere Ausgangsimpulse<br />
entstehen.<br />
Als Potentiometer für die Referenzspannung nehmen Sie das 10-Gang-Potentiometer (1 kΩ).<br />
Warum werden zusätzlich die beiden 20 kΩ-Widerstände an das Potentiometer geschaltet?<br />
Überlegen Sie:<br />
- Wie groß ist das Pulssignal (wieviel V oder mV sehen Sie am Oszilloskop ungefähr)?<br />
- Würde man das 10-Gang-Potentiometer direkt zwischen +10 V und -10 V schalten, würde man mit den 10 Umdrehungen<br />
diese Differenz von 20 V überstreichen. Wieviel Umdrehungen (oder Teile einer Drehung) entsprächen<br />
dann der Sensorsignalamplitude?<br />
Was ändert sich, durch das Vorschalten der beiden 20 kΩ-Widerstände? Wieviel Umdrehungen (oder Teile einer<br />
Drehung) entsprechen nun der Sensorsignalamplitude?<br />
Beobachten Sie das Ausgangssignal mit der LED und dem Oszilloskop. Auf den anderen Kanal des Oszilloskops<br />
geben Sie das Eingangssignal.<br />
Die Referenzspannung sollte um 0 Volt liegen, das bedeutet, daß der Schleifer des Potentiometers in Mittelstellung<br />
sein sollte. Da Sie mit dem Skalenknopf die 10 Umdrehungen ablesen können, sollte die Skala etwa bei 5 (Umdrehungen)<br />
stehen. Wenn Sie Schwierigkeiten haben, eine brauchbare Referenzspannung einzustellen, beobachten<br />
Sie gleichzeitig UIN und UREF mit dem Oszilloskop.<br />
5.2. Automatische Einstellung der Referenzspannung<br />
Die manuelle Einstellung der Referenzspannung ist schwierig und führt nicht leicht zum gewünschtem Ergebnis<br />
(ein Impuls am Diskriminatorausgang pro Pulsschlag).<br />
Einfacher wird es, wenn wir die Referenzspannung automatisch gewinnen. Das geht mit folgender Beschaltung:<br />
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Wie funktioniert diese Schaltung?<br />
Überlegen Sie: Wie groß ist die Zeitkonstante aus 10 MΩ und 0,1µF?<br />
Entsteht UREF aus der Eingangsspannung UIN über ein Hochpaßfilter oder ein Tiefpaßfilter?<br />
Was bedeutet das? Bildet sich z.B. ein Mittelwert?<br />
Hinweis: Wenn keine sauberen Ausgangsimpulse am Diskriminator entstehen, kann eine ungünstige Offsetspannung<br />
des Operationsverstärkers die Ursache sein. Wie Sie aus Versuch EP5 wissen, überlagert sich diese Fehlerspannung<br />
(einige Millivolt) der Eingangsspannungsdifferenz. Sie müssen dann die Offsetspannung korrigieren.<br />
Gehen Sie mit einem kleinen Schlitz-Schraubendreher in die Öffnung ” Offset“ auf der Oberseite des Operationsverstärker-Steckelementes.<br />
5.3. Pulsschlag hörbar gemacht<br />
Wenn Sie noch einen Lautsprecher anschließen, hören Sie Ihren Pulsschlag. In der folgenden Schaltung nehmen<br />
wir eine hörbare Frequenz (z.B. 1 kHz) aus dem Funktionsgenerator. Der Transistor wirkt wie ein Schalter, der das<br />
Tonsignal nur dann zum Lautsprecher durchläßt, wenn der Diskriminatorausgang aktiv ist (logisch 1, LED an).<br />
Verwenden Sie für den Transistor den BD137, insbesondere wenn Sie einen 8-Ω-Lautsprecher verwenden!<br />
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6. WENN NOCH ZEIT IST: Pulsbestimmung mit dem PC<br />
Sofern Sie noch Zeit haben, lassen Sie sich vom Assistenten einen PC und eine PIC-Meßbox geben. Die Bedienung<br />
der Meßbox ist in einer separaten Anleitung erklärt, die Sie dort finden, wo auch diese Anleitung <strong>EP13</strong> zum<br />
Download bereit steht.<br />
Eventuell können Sie dabei auch das Programm Labview einsetzen. Eine geeignete Anleitung hierzu wird entweder<br />
zum Download oder am Versuchsnachmittag zur Verfügung gestellt.<br />
6.1. Direkte Anzeige<br />
Wir gehen jetzt mit dem Diskriminatorsignal über den Digitaleingang D1 der Meßbox auf den PC. Stellen sie<br />
zunächst das Diskriminatorsignal auf dem PC dar.<br />
Messen Sie mit dem PC zunächst nur den Abstand zwischen zwei Sensorsignalen (zwei Pulsschlägen), rechnen<br />
Sie in Pulszahl um und zeigen Sie diese an. Wie stark schwankt die Pulszahl?<br />
6.2. Mittelwertbildung<br />
Bilden Sie einen geeigneten Mittelwert, um eine Pulszahl mit geringeren Schwankungen zu bekommen.<br />
Fragen:<br />
- Warum macht es keinen Sinn, über alle bisherigen Messungen zu mitteln, also den folgenden Gesamtmittelwert<br />
zu bilden?<br />
n<br />
i=0 Ti<br />
n<br />
- Warum ist der gleitende Mittelwert besser? Also für die letzten 10 Messungen:<br />
- Wie können Sie programmtechnisch einen gleitenden Mittelwert realisieren?<br />
n<br />
i = n−10 Ti<br />
n<br />
Programmieren Sie entsprechend (siehe separate Anleitung, wird zum Versuch zur Verfügung gestellt).<br />
Links zum Programm Labview:<br />
• Download einer kostenlosen 30-Tage-<strong>Version</strong>: http://www.ni.com/trylabview/<br />
• Deutschsprachige Kurzanleitung für eine ältere <strong>Version</strong>: www.ni.com/pdf/manuals/321673a.pdf<br />
• Allgemeine Informationen auf: http://www.ni.com/labview/whatis/<br />
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