Horst Schwetlick PC-Me8technik Aus dem Programm Grundstudium Mathematik fUr Ingenieure und NaturwissenschaftIer von L. Papula, 3 Bande Mathematik fUr Ingenieure und NaturwissenschaftIer Ubungen von L. Papula Mathematische Formelsammlung fur Ingenieure und Naturwissenschaftler von L. Papula Experimentalphysik fUr Ingenieure von H.-J. Schulz, J. Eichler, M. Rosenzweig, D. Sprengel und H. Wetzel Lehr-und Ubungsbuch der Technischen Mechanik von H. H. Gloistehn, 3 Bande Elektrotechnik fUr Ingenieure von W. WeiBgerber, 3 Bande Elemente der angewandten Elektronik von E. Bohmer Rechenubungen zur angewandten Elektronik von E. Bohmer Elektronik von B. Morgenstern, 3 Bande Simulieren mit PSpice von D. Ehrhardt und J. Schulte Arbeitshilfen und Formeln fUr das technische Studium Band 4: Elektrotechnik, Elektronik, Digitaltechnik von W. Boge Elektrische Me8technik von K. Bergmann Werkstoffkunde fUr die Elektrotechnik von P. Guillery, R. Hezel und B. Reppich Vieweg Horst Schwetlick PC-Me8technik Grundlagen und Anwendungen der rechnergestUtzten MeBtechnik Mit 254 Abbildungen und 10 Tabellen ~ Vleweg Aile Rechte vorbehalten © Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 1997 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Bertelsmann Fachinformation GmbH. Das Werk einschliel3lich aller seinerTeile ist urheberrechtlich geschiitzt. Jede Verwertung auBerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulassig und strafbar. Das gilt insbesondere fUr VervieWiltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeiche rung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Klaus Birk, Wiesbaden ISBN-13 :978-3-528-04948-5 e-ISBN-13:978-3-322-84920-5 DOl: 10.1007/978-3-322-84920-5 v Vorwort Die elektrische MeBtechnik wurde in der Vergangenheit Vedinderungen unterzogen, die durch zwei wesentliche Schritte beschrieben werden konnen: Der erste Schritt zur elektronischen MeBtechnik Ioste bereits elektromechanische MeBprinzipien weitgehend abo In fast allen meBtechnischen Bereichen werden physika lische GroBen bevorzugt in elektrische gewandelt und dann mit elektronischen Hilfsrnit tein angezeigt. Durch den zweiten Schritt zur digitalen MeBtechnik wird die MeBwertaufnahme von den Funktionen wie Anzeigen und Dokumentieren abgetrennt. Die MeBwertaufnahme erzeugt Daten, die zwar auch direkt durch den Menschen ausgewertet werden konnen. Dariiber hinaus steht das volle Spektrum rechnerischer Auswerteverfahren zur VerfU gung. Die Daten konnen weiter verarbeitet, gespeichert, verkntipft, angemessen darge stellt oder sogar automatisch interpretiert werden. Durch die zunehmende Integration von Rechenieistung in den MeBprozeB ist es sinn voll, eine einzeine Messung, wie z.B. die Messung eines einzeinen Spannungswertes, nicht getrennt zu betrachten. Die Kopplung von MeBgediten und Rechnern, die Mes sung und Auswertung direkt verbindet, sowie erzieibare schnelle Reaktionszeiten von rechnergestlltzten MeBanordnungen Iegen eine geschiossene Behandiung nahe. Es wird versucht, eine Darstellung der MeBtechnik zu geben, bei der der Vorgang des Messens in den giobalen Zusammenhang der Inforrnationsakquisition, -weiterleitung und Verar beitung eingebettet ist. Diese Uberlegungen fUhren dazu, den Stoff der MeBtechnik neu zu gliedern, urn ihn damit besser an zuktinftige Bedtirfnisse anpassen zu konnen. SchwerpunktsmaBig solI dies Buch dazu beitragen, moderne MeBmethoden und -gerate in ihrer Funktion zu verstehen und die dazu erforderlichen Voraussetzungen anzugegeben. Die Gliederung umfaBt dementsprechend vier Hauptteile. Der erste ist eine EinfUhrung, in der, ausge hend von historischen Betrachtungen zur MeBtechnik, ein Bogen von konventioneller MeBtechnik tiber Grundiagen der Informationstheorie zur Integration von Datenverar beitung und Messen gespannt wird. Ein Abschnitt tiber Eigenarten digitaler MeBsysteme foIgt, in dem Probleme behandelt werden, die in analogen MeBsystemen nicht auftreten. Urn die technische Wirkungsweise moderner Gerate und Systeme deutlich zu machen, werden im zweiten Hauptteil die wichtigsten elektronischen Grundiagen zu elektroni schen MeBgeraten dargestellt. Besondere Aufmerksarnkeit erhalten darin die Baugrup pen, die fUr MeBanordnungen wichtig sind, wie z.B. Abtasthalteglied, AD-Umsetzer und DA-Umsetzer, einschlieBlich der technischen Charakterisierung dieser Baugruppen. 1m dritten Hauptteil werden wichtigste Gerate, wie z.B. Zahler, Wellenformgeneratoren, DigitaIoszilloskop oder Logikanalyser behandelt. Der letzte Hauptteil hat Verfahren der Datentiberrnittiung, die wichtigsten Schnittstellen fUr die Kornrnunikation zwischen Rechnern und MeBeinrichtungen sowie Software zum Inhalt. Das Buch wendet sich an Studierende an wissenschaftlichen Hochschulen und Fach hochschulen. Dariiber hinaus konnen dem Praktiker, der sich nicht nur mit neuen Geraten und Verfahren, sondern auch mit ihrem theoretischen Hintergrund befassen VI Vorwort muB, die wesentlichen Informationen vermittelt werden, die fUr ein Verstandnis digita ler und rechnergesttitzter MeBtechnik erforderlich ist. Mein besonderer Dank gilt allen, die an der Erstellung dieses Buches rnitgearbeitet haben, insbesondere jedoch den Studenten der Fachhochschule Berlin der Deutschen Bundepost Telekom. Durch ihre aufmerksamen und kritischen Fragen erhielt ich viele Anregungen zu einer, wie ich hoffe, verstandlichen Darstellung. Viele MeBgeratefir men, die mich durch Schrifttum und praktische Hinweise untersttitzt haben, bleiben leider ungenannt, aile Beitrage haben mir jedoch sehr geholfen. Danken machte ich weiterhin Herrn Christian Frankenberg (Deutsche Telekom) fUr seine Diskussionsbereit schaft tiber Entwtirfe des Bildmanuskripts und praktische PC-Technik und fUr die Anfertigung der Bilder, Dr. Peter Endt (z.Z. Helsinki University of Technology) fUr eine kritische Gesamtdurchsicht und wertvolle Diskussionen, Prof. Dr. Michael Schmidt fUr seine Anmerkungen zur analog en Elektronik, Dipl.-Ing. Herbert Kahn (Siemens AG) fUr seine Kommentare zu den Feldbussen. Viele Anregungen zur Software, besonders zu MeBbussystemen und zur graphischen Programmierung, erhielt ich von Herrn Dip!. Ing. Raman Jamal (National Instruments). Den Vorlesungsmanuskripten der Herren Profes soren Dieter Filbert (Technische Universitat Berlin) und Klaus Metzger (Technische Fachhochschule Berlin) konnte ich viele Anregungen entnehmen. Herrn Edgar Kle mentz vom Vieweg-Verlag danke ich fUr die Untersttitzung und diejederzeit erfreuliche Zusammenarbeit. Nicht zuletzt danke ich meiner Frau Susanne und meinen Kindern Lisa und Clara fUr ihr Verstandnis, ihre Geduld und Untersttitzung. Berlin, im Dezember 1996 Horst Schwetlick VII Inhaltsverzeichnis A Einffihrung nnd BegritTe ............... ................ ..... ............................................. 1 1 Historische Betrachtnngen ........................................... .................................... 1 1.1 Elektromechanische Instrumente................................................................ 1 1.1.1 Elektromagnetische Zeigerinstrumente........................................... 2 1.1.2 Friihe Oszillographen........................ ........... .................................. 4 1.1.3 Probleme elektromechanischer MeBtechnik .................. ......... ......... 5 1.2 Elektronische Instrumente.......................................................................... 6 1.2.1 MeBverstiirker ............ ............ ........... ............................................. 7 1.2.2 Elektronenstrahl-Oszilloskop......... ................... ....................... ....... 8 1.2.3 Kompensationsschreiber .............................................................. ... 9 1.3 Digitale Instrumente..................................... ......................................... ..... 10 1.3.1 AnzeigedigitalerMeBdaten ............................................................ 12 1.3.2 Transientenrecorder und digitales Speicheroszilloskop ................... 13 1.3.3 Zahler ............................................................................................ 13 1.4 Rechnergestiitzte MeBtechnik. ............... ........... .......................... ................ 14 1.4.1 Offline, Online und EchtzeiL.......... ....... ............ .................. .......... 17 1.4.2 Schnittstellen............. ..................................................................... 18 1.4.3 Vergleichende Betrachtung ............................................................ 19 2 GrundbegritTe................................................................................................... 22 2.1 Messen, Auswerten, Interpretieren ............................................................. 22 2.1.1 Aufgaben der MeBtechnik ..... .......... .................. ..... ........................ 22 2.1.2 Begriffe und Definitionen............................................................... 24 2.2 Strukturen meBtechnischer Anordnungen................................................... 25 2.2.1 Lineare Struktur ......... .................... .................................. .............. 26 2.2.2 Parallele Struktur ........................ ................................................... 27 2.2.3 Geschlossene Struktur ......................... ....... .................................... 28 2.2.4 Indirekte MeBverfahren und modellgestutzte MeBtechnik............... 30 3 Informationstheoretische Aspekte.......... .......... .... ....... ......... ....................... ..... 32 3.1 Messen und Informationsentropie ...................................................... ;........ 32 3.1.1 Nachricht ....................................................................................... 33 3.1.2 Entscheidungsgehalt....................................................................... 33 3.1.3 Information.................................................................................... 34 3.1.4 Entropie ......................................................................................... 35 3.2 MeBeinrichtung als Nachrichtenkanal........................................................ 37 3.2.1 Kanalkapazitat fUr Binarsignale ........................ ....................... ...... 37 3.2.2 Kanalkapazitat in der MeBtechnik .................................................. 38 3.3 Information und Kodierung........................................................................ 39 3.3.1 Darstellung alphanumerischer Zeichen........................................... 41 VIII Inhaltsverzeichnis 3.3.2 Festkornrnazahlen............... ......... ......... .................. ..... ................... 42 3.3.2 Gleitkommazahlen ........................ .............. ......................... .......... 43 4 Me8signale ........................................................................................................ 45 4.1 Kontinuierliche und zeitdiskrete Signale .................................................... 45 4.2 Signale im Zeit- und Frequenzbereich ........................ ................................ 48 4.3 Amplituden- und zeitbezogene Kennwerte ................................................. 51 4.3.1 Periodische Signale ........................ ............ ......................... ..... ...... 52 4.3.2 Kennwerte und Kennfaktoren periodischer Signale ........................ 54 4.3.3 Pegel und MaBe....... ...................................... ........... ....... ........... .... 57 4.4 Momentanwert der Phase und Fequenz ........................ ........................ ...... 58 4.5 Norm und Mittelwerte................................................................................ 62 4.5.1 Der Begriff der Norm ........................ ................................ ............. 62 4.5.2 Mittelwerte..................................................................................... 63 4.6 Zufallige Signale........................................................................................ 65 4.6.1 Charakterisierung des Signalverlaufs.............................................. 66 4.6.2 Charakterisierung der Amplitudenverteilung.................................. 70 4.6.3 Numerische Erzeugung von Zufallssignalen ................................... 74 5 Abweichungen vom Idealverhalten und Me8fehler .......... .............. ................ 76 5.1 Beurteilungskriterien der analogen MeBtechnik ......................................... 76 5.1.1 Genauigkeit........ ............ .... ....... ..... .................... ................ ............ 76 5.1.2 Empfindlichkeit ............................................................................. 77 5.1.3 Aufl6sung ...................................................................................... 78 5.2 Statisches Verhalten................................................................................... 79 5.2.1 Nullpunkt- und Linearitatsfehler .... ................ ........... ............. ........ 79 5.2.2 EinfluBgr6Ben ................................................................................ 80 5.3 Dynamisches Verhalten.............................................................................. 81 5.3.1 Linearer Frequenzgang................................................................... 81 5.3.2 Fehler bei der Grenzfrequenz ......................................................... 81 5.3.3 Zeitverhalten und Frequenzgang .................................................... 83 5.3.4 Inverse Filterung ................. ............................. .......... .................... 84 5.4 Pulsiibertragungsverhalten ......................................................................... 86 5.4.1 Pulskenngr6Ben.............................................................................. 86 5.4.2 Modellierung der Einschwingverhaltens......................................... 88 5.5 Rauschen ................................................................................................... 92 5.5.1 Ursachen des Rauschens................................................................. 92 5.5.2 Signal-Rauschverhaltnis................................................................. 93 6 Prinzipielle Fehler bei der Digitalisierung....................................................... 96 6.1 Amplitudenfehler ....... ......... ............ ........................ ....... ...................... ...... 97 6.1.1 Wortlange und Signal-Rauschverhaltnis......................................... 99 6.1.2 Effektive Wortlange und Dithering ................................................. 100 6.2 Fehler bei der Abtastung ............................................................................ 102 6.2.1 Aliasing ......................................................................................... 102 6.2.2 Bestimmung des Spitzenwertes ....................................................... 103 Inhaltsverzeichnis IX 6.2.3 Bestimmung der Anstiegszeit ......................................................... 104 6.2.4 Fehler durch begrenzte Beobachtungsdauer ......... ........................... 105 6.3 Digitalisierung und Spektralbereich ........................ ................................... 106 6.3.1 EinfluB der Abtastrate ........................ ............................................ 107 6.3.2 EinfluB einer begrenzten Beobachtungsdauer ................................. 109 6.3.3 Spektrale Welligkeit.. ..................................................................... 111 6.3.4 Quantisierungsrauschen und Oversampling .................................... 112 7 Bauelementebedingte Fehler und ihre Beschreibung ..................................... 115 7.1 Fehler in einer MeBkette ............................................................................ 115 7.1.1 Amplitudenfehler ............................ ............................................... 115 7.1.2 Unsicherheit des Abtastzeitpunktes ................................................. 117 7.1.3 Erfassung eines Abtastwertes........................ ................... .......... ..... 120 7.2 Charakterisierung der Fehler. ..................................................................... 121 7.2.1 Histogrammanalyse ........................................................................ 121 7.2.2 Spektrum ........................................................................................ 125 7.2.3 Effektive WortHinge ....................................................................... 125 B Elektronische Baugruppen in Me8schaItungen ............................................... 128 8 Verarbeitung analoger Signale......................................................................... 128 8.1 Operationsverstarker .................................................................................. 128 8.1.1 Differenzverstarker........................ ............................. ......... ........... 128 8.1.2 Idealer Operationsverstarker.... .......... .......... ......... .......................... 130 8.1.3 Eigenschaften realer Operationsverstarker ........................ .............. 131 8.1.4 Einteilung von Verstarkergrundtypen ........................ .................. ... l34 8.2 MeBverstiirker ............................................................................................ 136 8.2.1 Grundschaltungen mit Operationsverstarkern ................................. 136 8.2.2 Instrumentierungsverstarker ........................................................... 139 8.2.3 Guarding ........................................................................................ 140 8.2.4 Zerhackerverstarker........................................................................ 141 8.3 Analogrechenschaltungen .......................................................................... 142 8.3.1 Addition und Subtraktion ......... ............... ............ ................... ........ 143 8.3.2 Integration und Differentiation ....................................................... 144 8.3.3 Betragsbildung und MeBgleichrichter. ............................................ 146 8.3.4 Funktionsnetzwerke ........................................................................ 146 8.4 Komparator und Schmitt-Trigger ............................................................... 148 8.5 Signalschalter ............................................................................................ 149 8.5.1 Modell eines Schalters .................................................................... 151 8.5.2 Relais ............................................................................................. 153 8.5.3 Signalschalter mit Feldffekt-Transistoren ....................................... 154 8.5.4 Signalschalter mit bipolaren Transistoren ....................................... 155 8.5.5 Diodenschalter ............................................................................... 156 8.5.6 Aufbau eines Multiplexers .............................................................. 157 8.6 Abtasthaltestufe .......................................................................................... 158 x Inhaltsverzeichnis 9 Logik-Baugruppen ............................................................................................ 163 9.1 Grundlegende Digitalschaltungen .............................................................. 163 9.1.1 TfL-Bauelemente .......................................................................... 164 9.1.2 ECL-Bauelemente .......................................................................... 166 9.1.3 CMOS-Bauelemente ....................................................................... 167 9.1.4 Einfache Schaltnetze . ...... ......... ......... ......... .................................... 167 9.2 Sequentielle Logikschaltungen....................................... ............................ 170 9.2.1 Astabiler Multivibrator ................................................................... 170 9.2.2 Monostabiler Multivibrator. ............................................................ 171 9.2.3 RS-Flip-Flop .................................................................................. 172 9.2.4 D-Flip-Flop .................................................................................... 172 9.2.5 JK-Flip-Flop ................................................................................... 173 9.2.6 Zahler ............................................................................................ 174 9.2.7 Schieberegister ............................................................... ............ .... 175 9.3 Speicher und programmierbare Logikbauelemente ..................................... 176 9.3.1 Speicherelemente ........................................................................... 178 9.3.2 Programmierbare Logikbauelemente .............................................. 180 9.4 Mikrorechner ............................................................................................. 182 9.4.1 Autbau ........................................................................................... 183 9.4.2 Central Processing Unit... ............................................................... 184 9.4.3 Speicher ......................................................................................... 186 9.4.4 Ein- und Ausgabeeinheiten ............................................................. 186 9.4.5 Interrupt-Steuerung ........................................................................ 186 9.4.6 Direct Memory Access ................................................................... 187 9.4.7 Zahler und Timer ........................................................................... 187 9.4.8 Mehrprozessorsysteme .................................................................... 187 9.4.9 Signalprozessoren .......................................................................... 188 10 Digital-Analog-Umsetzer .................................................................................. 191 10.1 Ubersicht.................................................................................................... 191 10.2 Addition gewichteter Strome und Spannungen........................................... 193 10.2.1 Addiernetzwerk .............................................................................. 193 10.2.2 Gewichtete Stromquellen ................................................................ 194 10.3 Leiternetzwerke ............................................. :. ........................................... 195 10.3.1 Schalten der Referenz ..................................................................... 196 10.3.2 Schalten des Operationsverstarker-Eingangs .................................. 197 10.4 Integrierende Umsetzer .............................................................................. 198 10.4.1 Pulsrate als ZwischengroBe .................... ~ ....................................... 199 10.4.2 Pulsdauer als ZwischengroBe .......................................................... 199 10.4.3 Pseudozufallsfolge als ZwischengroBe ............................................ 200 10.5 Fehlererscheinungen .................................................................................. 201 11 Analog-Digital-Umsetzer .................................................................................. 203 11.1 Ubersicht tiber Umsetzverfahren ................................................................. 203 11.2 Parallelverfahren................... ....... ............ .................. ................................ 205 11.2.1 Flash-Converter........................................................ ...................... 205