Elektronisches Messen: Analoge und digitale Signalbehandlung Leitfaden für Naturwissenschaftler und Techniker

190 Pages·1987·3.71 MB·German

by  Professor Dr. Wolfgang Gruhle (auth.)

Wolfgang Gruhle
Elektronisches Messen
Analoge und digitale Signalbehandlung
Leitfaden fur Naturwissenschaftler und Techniker
Mit 108 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo 1987
ISBN-13: 978-3-540-17028-0 e-ISBN-13: 978-3-642-82902-4
001: 10.1007/978-3-642-82902-4
Vorwort
Elektronik umspannt ein immenses Gebiet in N aturwissenschaft und Technik,
yom Detektor radioaktiver Strahlung bis zum Herzschrittmacher, yom Gar
agentoroffner bis zum Computertomographen, yom Satellitenempfanger bis zur
Alarmanlage. Der umfangreiche Stoff ist nicht nur in zahllose Bucher aller Teil
gebiete verstreut, sondern die ganze Elektronik selbst ist bereits in viele Spe
zialbereiche aufgespalten.
Sehr viele Anwender - Physiker, Naturwissenschaftler, Biologen, Medi
ziner - sind keine Elektroniker, besitzen aber oft genugend technische Vor
kenntnisse und Interesse an elektronischen Me:Bverfahren und sind fast immer
auf diese angewiesen. Fur sie solI dieses Buch in ungewohnlicher Systematik
ein Leitfaden durch die vorhandenen oder geplanten Me:Bmethoden sein. Bei
der UberfUlle der Spezialliteratur fehlt ein Uberblick , der nicht mit zu vielen
Details befrachtet ist. Daher solI der Benutzer hier fur seine Me:Baufgaben rasch
die wichtigen und richtigen Grundlagen zum Verstandnis und die oft erstaunli
chen Losungsmoglichkeiten finden. Er mu:B die Funktion, die Grenzen und die
Fehler aller seiner Me:Bgerate kennen(lernen}, nicht zuletzt, urn bei der Pla
nung, beim Kauf, beim experimentellen Arbeiten und bei Werkstattauftragen
auf dem Wissensstand der Technik zu sein.
Die hier gewahlte Anordnung nach Signalen und ihren Eigenschaften, ihrer
Veranderung, Sortierung, Transport und Registrierung, formt die kaum uber
schaubare Stoffmenge zu einer durchsichtigen Struktur und kann bei Bedarf
vertieft werden. Oft genugt das Wissen urn den Stand der Technik, urn optimale
oder neue Wege zu finden.
Eine so konzentrierte Zusammenstellung verzichtet auf die Darstellung
vieler Details, fUr die es genugend Literatur gibt (z.B. Nachrichten-, HF- und
Regeltechnik, Leistungselektronik, Mikroprozessoren, Rechner usw.) Es fehlen
auch Bauanleitungen oder Dimensionierungen von rasch veraltenden techni
schen Beispielen. Stattdessen fUhrt der rote Faden in gro:Ben Linien durch die
Signalbehandlung und durch Funktionsbausteine. Haufig wird an physikalische
Grundlagen erinnert, und ubergreifende Zusammenfassungen werden betont.
In einer Zeit au:Berordentlich rascher Neuentwicklungen ist die Kenntnis un
veriinderlicher Zusammenhange notig.
Obwohl kein ubliches Lehrbuch, sondern eher ein Werk zum Nachschlagen,
solI es doch auch zum Einarbeiten notige Kenntnisse vermitteln und mit Quer
verweisen das Verstandnis erleichtern. Man kann ohne langes Durcharbeiten in
v
dem Buch lesen, besonders in den vielen Bildern, die manchen Text ersetzen.
Bei vie len (meist bekannten) Gleichungen wurde auf die Herleitung verzichtet.
1m letzten Kapitel sind aIle Elemente und Bausteine abfragebereit gelagert, die
sonst die meisten Darstellungen durchgehend belasten.
Das Manuskript wurde auf einem Rechner in druckfiihiger Fassung ge
schrieben. Dem Verlag gebiihrt fUr die freundliche Unterstiitzung besonderer
Dank.
Koln, im Herbst 1986 Wolfgang Gruhle
VI
Inhaltsverzeichnis
1 Signale ........................................................... 1
1.1 Signalformen und Definitionen. . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Signalklassen. . . . . . . . . . .. . . . . . . .. . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Signalbereiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1 Zeitbereich (time domain, Zeitraum) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.2 Frequenzbereich (frequency domain, Frequenzraum) ....... 7
1.3.3 Datenbereich. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4 Signalerzeugung . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.1 Wandler.................................................. 14
1.4.2 Spannungs- und Stromquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.3 Signalgeneratoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.4 Rauschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5 Signalbiographie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2 Signalveranderung .............................................. 21
2.1 Anderung der Signalform ...................................... 21
2.1.1 Lineare Amplitudenanderung ............................. 22
2.1.2 Nichtlineare Formanderung ............................... 25
2.1.3 Mathematische Operationen .............................. 26
2.2 Anderung der Zeitparameter ................................... 41
2.2.1 Verzogerung von Signalen................................. 41
2.2.2 Sampling-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2.3 Spannungs/Frequenz-Konverter (VFC).................... 47
2.3 Analog/Digital-Wandler ....................................... 48
2.3.1 Vergleich analog/digital .................................. 48
2.3.2 ADC (A/D-Wandler) ..................................... 50
2.3.3 DAC (Digital/ Analog-Wandler) .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.4 Anderung des Frequenzspektrums. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.4.1 Aktive analoge Filter. . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.4.2 Digitale Filter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3 Signalsortierung................................................. 61
3.1 Amplitudenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1.1 Abfrage eines Amplitudenwertes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.1.2 Triggerstufen ............................................. 62
VII
3.1.3 Amplitudenanalyse ....................................... 63
3.1.4 Amplitudenfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2 Zeitanalyse .................................................... 66
3.2.1 Zeitmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2.2 Zeitmarken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2.3 Signalkombination nach Fahrplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3 Formanalyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.4 Frequenzanalyse. . ... . . ... . . .. . ... . . .... . . . . . . . .... . . . . . . . . . .. . . 73
4 Signaltransport.................................................. 75
4.1 Transportsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2 Storungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2.1 Ursachen . . .. . .... . ... . . . . . . ... . .... . .. . . . .... . . . .. . . . . . .. 77
4.2.2 Abhilfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.3 Reflexionen............................................... 79
5 Signalregistrierung .............................................. 81
5.1 Analoge Registrierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2 Digitale Registrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3 Speicherung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.3.1 Analoge elektronische Speicherung......................... 87
5.3.2 Digitale Speicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.4 Visuelle Anzeige (Display) . . . . .. . . .. . . . .. . .... . . . ..... . . . . . . . . . . 91
5.4.1 Ziffernanzeigen.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.4.2 Oszillographie... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.5 Organisation von Daten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6 Bauelemente und Bausteine (Ies) ....... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.1 Bauelemente und passive Netzwerke ............................ 95
6.1.1 Passive Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.1.2 Passive Netzwerke ......................................... 100
6.1.3 Aktive Bauelemente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 107
6.2 Digitale Bausteine.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 129
6.2.1 Gatter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 131
6.2.2 Flipflops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 135
6.2.3 Digitale Bausteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 137
6.3 Analoge (aktive) Bausteine..................................... 141
6.3.1 Verstarker-Grundlagen.................................... 141
6.3.2 Verstarker-Grundtypen .................................... 143
6.3.3 Rauscheigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 150
6.3.4 Ubertragungsfunktionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 154
6.3.5 Standardbausteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 159
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 171
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 173
VIII
1 Signale
Am Anfang jeder Messung steht eine physikalische Grof3e (Kraft, Temperatur,
Lichtmenge, Ladung, Energie, ... ), ein Signal, das eine Aussage iiber einen
Zustand, einen Prozef3 , ein Ereignis oder iiber eine Veriinderung triigt. Unsere
genauesten Mef3verfahren sind elektrischer / elektronischer N atur, daher werden
hier ausschlief3lich elektrische Signale (wenn notig, nach Umwandlung) behan
delt. Jedes Signal triigt also Informationen, die im Laufe der Signalbehand
lung herauspriipariert, oder - falls unerwiinscht - unterdriickt werden sollen.
Das Signal selbst, in der Regel ein Spannungs- oder Stromverlauf, kann eine
periodische Funktion sein, oder auch ein einmalig bis hiiufig auftretender Ab
lauf. Ais Triiger einer kostbaren Ware muf3 es sorgfiiltig behandelt, kontrolliert
und transportiert werden. Den roten Faden des Buches bilden die vielfiiltigen
Veriinderungen, Sortierungen, Kombinationen und Speicherungen bis zur Aus
wertung der Information.
Jedes Signal ist ein zeitlich begrenztes und oft nur kurz andauerndes, nicht
materielles Gebilde, das wir beobachten und behandeln, indem wir immer auf
seiner Orts- und Zeitachse scheinbar mitlaufen. Damit werden sich die folgen
den Kapitel beschiiftigen. ABe elektronischen Mef3verfahren werden yom An
wender her, yom Problem aus orientiert und angeordnet. Sie richten sich einmal
nach dem Charakter der Information (Amplituden, Zeiten, Frequenzen), zum
zweiten nach den Signaleigenschaften selbst.
Die Vielfalt moglicher Signale liif3t sich nach verschiedenen Gesichtspunk
ten gruppieren. In dies em Kapitel werden drei wichtige Einteilungen benutzt:
Signalformen, Signalklassen und Signalbereiche.
1.1 Signalformen und Definitionen
Vorausgeschickt werden einige notige Definitionen. Ais Signalformen werden
hier in der Regel zeitabhiingige Spannungsamplituden U(t) angenommen, etwa
in der Art einer oszilloskopischen Darstellung. Man unterscheidet zwischen
analogen und digitalen Signalen: analoge konnen jeden beliebigen Amplitu
denwert besitzen, wiihrend digitale nur bestimmte Festwerte (im Dualsystem
zwei) annehmen. Spannung und Zeit konnen also jeweils als kontinuierliche
oder diskrete Grof3en auftreten (Abb.1.1). Neben der kontinuierlichen Dar
stellung (a) kann die Amplitude zu diskreten Zeitpunkten abgefragt werden
u u
a b
..
u u
.. ..
• ..
c d
Abb. 1.1 a-d. Signalamplituden, a, b analog und c, d digital; a, c zeitkontinuierlich und b, d
zeitdiskret
(b), oder diskrete Amplitudenwerte konnen zeitkontinuierlich (c) oder sogar
auch zeitdiskret (d) anfallen. Kontinuierliche Amplituden (a,b) erfordern die
Analogtechnik (Abschn.6.3). wiihrend diskrete Amplituden (c,d) von der Digi
taltechnik (Abschn.6.2) verarbeitet werden. Beide Techniken lassen sich inein
ander umwandeln (Abschn. 2.3). Eine weitere Konversionsmoglichkeit besteht
zwischen Zeiten und Amplituden (Abschn.3.2.1).
Die ganze Palette elektrischer Signalformen reicht von langsam sich iin
dernder Gleichspannung (z.B. Temperaturfiihler) iiber periodische Wechsel
spannungen (z.B. Hochfrequenz) bis zu unperiodischen Impulsen (z.B. Strah
lungsdetektoren). Zwei Grundtypen mit ihren charakteristischen Eigenschaften
als Informationstrager werden in Abb.1.2 gezeigt.
u u
Uol------,...
a b
Abb. 1.2 a-b. Zeitablauf periodischer Signale. a Wechselspannung, b Impuls
2
Periodische Signale
Wechselspannungen besitzen einen Scheitelwert (Spitzenwert) Uo, sowie den
Spitze-Spitze-Wert USS; sie sind beide wichtig fiir den Aussteuerbereich und
die Spannungsfestigkeit der folgenden Stufen. Der einfache zeitliche Mittelwert
JJ
(U) = (liT) U dt wiihrend der Periodendauer T bestimmt oft die mittlere
Strombelastung, wiihrend dagegen der Effektivwert (rms = root mean square)
JJ
Ueff = [(liT) U2 dtjI/2 die gleiche Leistung P = Ui I R wie eine gleich
grof3e Gleichspannung Ug erzeugt. Verschiedene von der Sinusform abweichende
Amplitudenverliiufe unterscheiden sich durch den Scheitelfaktor (Crestfaktor)
S = UolUeff und den Formfaktor F = Ueff/(u); beide sind;::: 1 und F ::; S.
Mef3instrumente sind iiblicherweise in Effektivwerten der Sinusform geeicht, bei
abweichender Kurvenform (z.B. Rauschmessungen) muf3 die Anzeige korrigiert
werden. In Tabelle 1.1 sind einige Faktoren zusammengefaf3t.
Impulse
Bei Impulsen gibt man die Anstiegszeit tr (rise time) der Anstiegsflanke (leading
edge) und die Abfallzeit t f der Riickflanke (trailing edge) je als Zeitdifferenz zwi
schen 10 und 90 % der maximalen (End-)Amplitude Uo an. Das Tastverhiiltnis
(duty cycle) a = TIT als Verhiiltnis von Impuls- zu Periodendauer bei perio
dischen Signalen (Wiederholfrequenz 1/ = liT) bestimmt die Strom- oder Lei
stungsbelastung von Generatoren oder Netzwerken. Die Definition der Impuls
liinge T wird verschieden vorgenommen (hier: Halbwertsbreite). Als Polaritiit
von Impulsen wird i.allg. die Richtung der Spannungsiinderung - nach positiv
oder negativ - bezeichnet. Die Basis (Nullinie) muf3 dabei nicht notwendiger
weise auf Nullliegen. Wichtig ist manchmal die Spannungssteilheit dU Idt (slew
rate), etwa bei Storsignalen oder Verstiirkern.
Signalamplituden
Obwohl die Amplituden der Spannungs- oder Stromsignale von der Physik der
Signalquellen vorgegeben sind, haben sich in der elektronischen Mef3technik
Standard-Amplitudenbereiche eingebiirgert. Wiihrend in der digitalen Technik
±5 V (TTL) oder ±12 V (MOS) definiert sind, arbeitet die analoge Mef3technik
im Bereich ±12 V. Das bedeutet immer eine Anpassung von Signalquelle und
Mef3geriit.
1.2 Signalklassen
Bei vie len Signalen liif3t sich deutlich das liinger andauernde, eingeschwungene,
stationiire Signal trennen von dem vorangehenden Einschwingvorgang (tran
sient) :
3