H02 Signalverarbeitung

🏃 Motivation

Moderne Messtechnik im physikalischen Experiment hat die Aufgabe, verschiedenste analoge Messgrößen als elektrische Signale digital zu erfassen und zu verstärken. Diese Erfassung erfolgt mithilfe des Analog-Digital-Wandlers (Analog to Digital Converter, ADC), der einer gegebenen Eingangsspannung einen digitalen Wert zuweist.

Häufig haben ADCs aufgrund ihrer technischen Auslegung nur einen begrenzten Eingangsbereich, z. B. \(0\ldots3\,\mathrm{V}\). Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, analoge elektrische Signale vor der Messung durch Verstärkung, Abschwächung, Filterung und Verschiebungen an den Eingangsbereich des eingesetzten ADC anzupassen.

Elektrische Signale, die bei einem physikalischen Experiment zu erfassen sind, können sehr vielfältig sein. Je nach Experiment und Messgröße können sie entweder sehr klein oder sehr groß sein. Oft werden sie außerdem entweder innerhalb eines sehr kurzen oder eher langen Zeitraums erfasst. In diesem Versuch lernen Sie einige wichtige Schaltungen zur Signalverarbeitung kennen, die im Laboralltag verwendet werden, um den verschiedenen Anforderungen physikalischer Experimente an die Datenerfassung gerecht zu werden. Es handelt sich um Grundschaltungen, die sich schnell und einfach realisieren lassen und in der Praxis oft Anwendung finden, um elektrische Signale auf einfache Weise anzupassen. Im Praktikum begegnen Ihnen diese Schaltungen z. B. in den Versuchen:

Photoeffekt: Hier besteht die Herausforderung darin, eine Spannung zu messen, die von nur wenigen Ladungsträgern auf einem Kondensator erzeugt wird. Es geht also um Impedanzwandlung. Ohne einen sehr hohen Eingangswiderstand der Messanordnung würde sich der Kondensator bei der Messung sofort entladen.
Franck-Hertz-Versuch: Hier besteht die Herausforderung darin, einen Strom im Bereich weniger \(\mathrm{nA}\) zu messen.

🏁 Lernziele

Wir listen im Folgenden auf, was wir von Ihnen erwarten, nachdem Sie diesen Versuch erfolgreich absolviert haben:

Lernziele

Sie kennen die Grundschaltung eines frequenzkompensierten Spannungsteilers.
Sie sind im Umgang und Verständnis elektrischer Schaltungen geübt.
Sie sind im Einsatz und der Dimensionierung von Operationsverstärkern (OPV) geübt.
Sie haben ein grundlegendes Verständnis der Schritte, die hinter dem Signaleingang eines modernen Messgeräts (wie einem Datenlogger oder Digitaloszilloskop) ablaufen, um die Daten eines Experiments digital zu erfassen.

🚀 Weiterführende Angebote

Die Aufgabenstellungen zu diesem Versuch sind bewusst freier gefasst. Zum Beispiel ist der konkrete Einsatz von Widerständen und Kondensatoren nicht vorgegeben. Sie können daher die Gelegenheit nutzen, frei mit den Bauteilen zu experimentieren und verschiedene Lösungen der Aufgabenstellungen auszuprobieren und zu testen. Ihre Tutor:innen stehen Ihnen dabei ggf. mit Rat zur Seite.

🔬 Versuchsaufbau

Ein typischer Aufbau für den Versuch Signalverarbeitung ist in Abb. 1 gezeigt:

Alle Schaltungen werden mithilfe von OPVs sowie verschiedener, am Versuchsplatz hinterlegter Widerstände und Kondensatoren auf einem Steckbrett aufgebaut und mit dem Oszilloskop oder dem Multimeter verifiziert. Zur Erzeugung eines geeigneten Eingangssignals dient ein Funktionsgenerator.

📓 Was diesen Versuch ausmacht

In Anlehnung an die Grundversuche des P1 bietet Ihnen dieser Versuch die Möglichkeit, frei am Steckbrett mit elektrischen Schaltungen zu experimentieren, um die vorgeschlagenen Schaltungen aufzubauen und auszuprobieren.

Sie sollten genug Zeit haben, um sich ein klares Verständnis der grundlegenden Schritte der analogen Signalverarbeitung auf dem Weg zum digitalen Datensatz zu erarbeiten. Der Versuch beginnt mit einem leeren Steckbrett, einem Multimeter, Oszilloskop, Funktionsgenerator und einer Sammlung von Bauteilen in einem Sortierkasten. Die Aufgabenstellungen sind zum Teil freier gefasst. Im Laboralltag wären nicht einmal diese Voraussetzungen gegeben. Sie würden mit der Aufgabenstellung (den Spezifikationen Ihres Messvorhabens) beginnen und sich die Bauteile, die Sie zu deren Realisierung benötigen, eigenverantwortlich zusammenstellen.

Es ist explizit erwünscht, dass Sie sich die Zeit nehmen, um sich ohne einen vorgefertigten, konkreten Aufbau mit den teils vertrauten, teils neuen Aspekten elektrischer Schaltungen im Experiment auseinanderzusetzen. Wie bei anderen Versuchen dieser Art besteht der Fokus hier auf der Durchführung und dem Vorgang des Experimentierens selbst, mehr als auf der Auswertung oder dem Erreichen eines bestimmten, anvisierten Messwerts. Stellen Sie sich vor, dass die von Ihnen aufgebauten Schaltungen auf der Grundlage Ihrer Angaben in Serie auf einer Platine aufgelötet werden, die Sie und andere für weitere Messungen verwenden möchten. Die funktionsfähige Realisierung und in diesem Sinne gewissenhafte Charakterisierung jeder entsprechenden Schaltung ist das Ergebnis dieses Versuchs.

Wichtige Hinweise

Wichtiger Hinweis

Achten Sie bei der Verschaltung der OPVs darauf, zuerst die Betriebsspannung der OPVs und erst danach das Signal anzuschließen. Sie laufen sonst Gefahr, den OPV zu zerstören.