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Elektronik und computergestützte Messtechnik

    Vortragender: Wolfgang Sprengel

    Seit dem Sommersemester 2015 kommt das Kapitel Microcontroller mit dem Spezialfall Arduino hinzu, wobei das für die VO-Prüfung nicht relevant ist. Das Labor besteht aus den Einheiten

    1. Transistorverstärker
    2. Operationsverstärker-Schaltungen
    3. Asynchrone Logikschaltungen
    4. Digitalspeicher und synchrone Logikschaltungen
    5. Microcontroller

    Bei alldem kommt es vor allem darauf an, ein Verständnis für die Methodik der Elektronik und ihre Anwendungen zu entwickeln. Programmieren ist nicht auf hohem Niveau gefragt.

    Folgende Fragen wurden aus dem Physicks-Wiki übernommen:

    Prüfungsbeispiele in Elektronik von Ninaus, Waldemar

    • Skizzieren Sie die typische Diodenkennlinie für die Durchlassrichtung sowohl für eine Germaniumdiode als auch für eine Siliziumdiode in linearer Darstellung. Wie bestimmen Sie die Durchlassspannung \( U_D \) aus der Kennlinie?
    • Erklären Sie die Arbeitsweise eines npn-Transistors (Kennlinienfeld des Transistors). Wie kommt es zu einer Stromverstärkung, wie zu einer Spannungsverstärkung?
    • Geben Sie den Zusammenhang zwischen Eingangswiderstand und Basisstrom für die Emittergrundschaltung an.
    • Wie groß ist die Spannungsverstärkung für den Transistor als Verstärker in der Kollektor-Grundschaltung?
    • Gegeben ist ein Transistorverstärker (npn-Transistor) mit einem Basisspannungsteiler für die Arbeitspunkteinstellung und einer Spannungsverstärkung \( A = 150 \). Welches Kollektor-Ruhepotential stellt sich nach einer Temperaturerhöhung um 20 Grad ein?
    • Gegeber ist ein Transistorverstärker in Emittergrundschaltung mit folgender Arbeitspunkteinstellung: Kollektorgleichspannung \( U_{CE} = 4 \, V \) , Kollektorgleichstrom \( I_C = 2 \, mA \) , Betriebsspannung \( U_B = 15 \, V \) . Wie groß kann die maximale aber unverzerrte Kollektorwechselspannung werden? Skizze!!
    • Der Arbeitspunkt einer Verstärkerstufe soll temperaturstabilisiert werden. Welche Maßnahmen kann man ergreifen?
    • Welche Parameter beschreiben die Eigenschaften eines Impendanzwandlers? Skizziere die zwei möglichen Schaltungsvarianten (Verwendung eines pnp-Transistors bzw. eines Operationsverstärkers) und zeige die Unterschiede der beiden Schaltungen auf.
    • Definition der Schleifenverstärkung g eines gegengekoppelten Operationsverstärkers.
    • Zusammenstellung der wichtigsten Eigenschaften des idealen Operationsverstärkers.
    • Schaltsymbol und Wahrheitstabelle für die Antivalenz- (oder Äquivalenz-)Verknüpfung (mit drei Eingangsvariablen).
    • Was bedeutet "negative Logik" oder "positive Logik"?
    • Welche Ausgangsstufen gibt es bei den TTL-Schaltungen? Schaltsymbole bitte zeichnen!
    • Ein Gatter einer bestimmten Schaltkreisfamilie hat einen Ausgangslastfaktor (Fan-Out) von FQ=10. Was bedeutet das?
    • Was bedeutet der Begriff "gesättigte Schaltkreisfamilie"?
    • Wie wirkt bei TTL-Schaltungen ein offener Eingang?
    • Beschreibe die Eigenschaften eines 2-Flanken-getriggerten JK-Flipflop? Bitte auch Schaltzeichen und Wahrheitstabelle angeben.
    • Erläutern Sie die Arbeitsweise einer monostabilen Kippstufe und skizzieren Sie das Schaltzeichen.
    • Was versteht man bei einer monostabilen Kippstufe unter "retriggerbar" und "nicht retriggerbar"?
    • Erklären Sie die Unterschiede zwischen Demultiplexer und Multiplexer! Schaltzeichen?
    • Erklären Sie die Arbeitsweise eines AD Umsetzers nach dem Wägeverfahren! Blockschaltbild zeichnen!
    • Wodurch wird der Drain-Strom beim unipolaren Transistor gesteuert?
    • Erkläre die Eigenschaften eines Anreicherungs-IG-FET und skizziere die beiden Kennlinien.
    • Erklären Sie die Arbeitsweise eines AD-Umsetzers nach dem Ein-Rampen-Verfahren (Single-Slope oder Sägezahnverfahren). Blockschaltbild zeichnen!
    • Erklären Sie die Arbeitsweise eines AD-Umsetzers nach dem Zwei-Rampen-Verfahren (Dual-Slope oder Doppelintegrationsverfahren). Blockschaltbild zeichnen!
    • Erkläre die Eigenschaften eines Verarmungs-IG-FET und skizziere die beiden Kennlinien.
    • Erkläre die Eigenschaften eines PN-FET (Sperrschicht-FET, Junction-FET) und skizziere die beiden Kennlinien.
    • Welchen Vorteil haben PN-FET gegenüber IG-FET?
    • Welches Verhalten bezüglich der Stromleitung ohne Aussteuerung haben Verarmungs-IG-FET und Anreicherungs-IG-FET?
    • Erklären Sie die Arbeitsweise eines AD-Umsetzers nach dem Parallelverfahren. Blockschaltbild zeichnen!
    • Vergleichen Sie die Umsetzfrequenzen und die Auflösung von AD-Umsetzern.
    • Erkläre das Prinzip eines DA-Umsetzers (mit Schaltbild).
    • Wie arbeitet ein Uni-Junction-Transistor?
    • IG-FET (MOS-FET) sind besonders empfindlich gegen elektrostatische Aufladungen. Was ist die Ursache dieser Empfindlichkeit?
    • Was versteht man unter der Steilheit S eines IG-FET?
    • Warum kann man alle möglichen Verknüpfungsschaltungen nur mit NAND-Gliedern aufbauen?
    • Nennen Sie die Namen der wichtigsten Schaltkreisfamilien!
    • Wodurch unterscheidet sich ein taktzustandsgesteuertes Flipflop von einem taktflankengesteuerten Flipflop?
    • Was versteht man unter einem Master-Slave-Flipflop?
    • Wodurch unterscheiden sich Synchron- und Asynchronzähler?
    • Geben Sie die Schaltung eines 3-bit Address-Dekodierers an.
    • Für ein Antivalenzglied wird die Gleichung Z=(a\wedge \bar{e})\vee(\bar{a}\wedge e) angegeben. Es soll aus UND, ODER und NICHT gemäß der Gleichung aufgebaut werden. Zeichnen Sie das Schaltbild!
    • Man sagt, eine integrierte Schaltung sei in Bipolartechnik, eine andere in MOS-Technik aufgebaut. Was sagen die Bezeichnungen aus?
    • Welche Temperaturabhängigkeit zeigen Halbleiterdioden?
    • Skizzieren Sie eine typische Eingangskennlinie eines npn-Transistors und geben Sie an, wie der differentielle Eingangswiderstand r_{BE} für einen Arbeitspunkt A bestimmt wird.
    • Skizzieren Sie ein typisches Ausgangskennlinienfeld eines npn-Transistors. Wie wird der differentielle Ausgangswiderstand r_{CE} für einen Arbeitspunkt A bestimmt?
    • Was versteht man unter Vierpolparamtern (h-Parametern)? Welchem Vierpolparameter entspricht der Kennwert $\beta$?
    • Zeichnen Sie die drei Grundschaltungen des bipolaren Transistors (npn-Typ) und erläutere die wesentlichen Unterschiede.
    • Zeichnen Sie die drei Grundschaltungen des bipolaren Transistors (npn-Typ) und erläutern Sie die wesentlichen Unterschiede.
    • Definition der Steilheit S (npn-Transistor)? Wie kann man die Steilheit messen?
    • Geben Sie den Zusammenhang zwischen Eingangswiderstand und Basisstrom für die Emittergrundschaltung an. r_e=f(I_B)
    • Hauptvorteil des Differenzverstärkers?
    • In welchem Bereich des Ausgangskennlinienfeldes des n-Kanal-Sperrschicht-FETs verhält sich der FET wie ein Ohmscher Widerstand (Skizze)?
    • Skizzieren Sie drei Möglichkeiten (verschiedene Bauelemente) zur Realisierung eines Impedanzwandlers.
    • Das Schaltzeichen und die Kennlinie des Unijunctiontransistors (Zweibasistransistor, Doppeldiode) ist zu zeichnen. Eine typische Anwendung dafür ist zu skizzieren.
    • Ordnen Sie die Ihnen bekannten Schaltkreisfamilien nach den typischen Signal-Laufzeiten.
    • Wodurch unterscheiden sich Schieberegister und Asynchronzähler?

    Prüfungsbeispiele in Computerunterstützte Messtechnik von Ninaus, Waldemar

    • Darstellung des Übertragungsverhaltens und Erklärung der Empfindlichkeit am Beispiel einer Messkette mit Thermoelement.
    • Einteilung der Sensoren nach dem Ausgangssignal.
    • Eigenschaft und Übersicht über die passiven Sensoren (Elementarsensoren).
    • Eigenschaften des Halbleiter-Temperatursensors.
    • Beschreiben Sie einige aktive Sensoren.
    • Erläutern Sie die Begriffe Einheitssignale, Signalübertragung und Störeinflüsse bei der Signalübertragung.
    • Aufbau und Eigenschaften eines Instrumentenverstärkers.
    • Eigenschaften und Anwendungen eines Trennverstärkers.
    • Skizziere das Prinzip eines Spannungs-Stromumformers.
    • Skizziere das Prinzip der Vierleiter-Schaltungstechnik mit Konstantstromspeisung und ihren Verwendungszweck.
    • Was geschieht bei der Abtastung analoger Signale?
    • Erkläre die Kenngrößen von AD-Umsetzern.
    • Aufbau und Funktion eines Rechners.
    • Skizziere das Blockschaltbild für die zeitgleiche Messung von Analogsignalen mit AD-Umsetzer.
    • Welche Parameter des Messsystems wird durch die Vorschaltung eines Multiplexers verschlechtert?

    Die folgenden Fragen sind allenfalls für die freiweillige Fortsetzung der LV relevant.

    • Zeichne den Geräteplan und den Signalflussplan für eine Kraftmesseinrichtung.
    • Zeichne den Geräteplan und den Signalflussplan einer Abstandsmessung mittels induktivem Sensor.
    • Darstellung des Übertragungsverhaltens und Erklärung der Empfindlichkeit am Beispiel des kapazitiven Näherungssensors.
    • Darstellung des Übertragungsverhaltens und Erklärung der Empfindlichkeit am Beispiel einer Messkette mit Feldplatte.
    • Temperaturkompensation einer DMS-Messstelle.
    • Eigenschaften des kapazitiven Näherungsschalters.
    • Erklären Sie die unterschiedlichen Methoden der Widerstands-Spannungs-Umfromer.
    • Beschreibe den Unterschied zwischen Abgleich- und Ausschalgmessbrücke.
    • Beschreibe den Unterschied zwischen Viertel- und Halbbrückenschaltung.
    • Beschreibe den Aufbau eines Gleichspannungsmessversträkers.
    • Unterschied zwischen Gleichspannungsmessversträker und Trägerfrequenzmessversträker.
    • Skizziere das Prinzip eines Ladungs-Stromumformers.
    • Was verstehen Sie unter Linearisierung der Übertragungskennlinie?
    • Warum muss die Abtastfrequenz eines AD-Umsetzers größer sein als die doppelte Analogwertfrequenz?
    • Skizziere die Schaltung eines Spannungs-Frequenz-Umformers und erkläre deren Funktionsweise.
    • Beschreibe das Prinzip des Frequenz-Spannungs-Umformers.
    • Beschreibe ein IEC-BUS-Messsystem.
    • Beschreibe ein Messsystem mit PC-Messkarte.
    • Erkläre die Betriebsarten unipolar und bipolar bei einem analogen Erfassungssystem einer PC-Messkarte.
    • Was versteht man unter Konfiguration einer PC-Karte?
    • Skizziere die Ausgabe analoger Signale.
    • Einteilung von System- und Anwendersoftware.
    • Was bedeutet Realtime-Verarbeitung?
    • Beschreibe die verschiedenen Programmierebenen.
    • Was versteht man unter Standardsoftware in der Messdatenerfassung?
    • Beschreibe die Benutzeroberfläche und grafische Programmierung von DASYlab.
    • Welche Modulgruppen kennen Sie von DASYlab?
    • Was versteht man unter Realtime-Verarbeitung der Messdatenerfassung?
    • Welche Triggerbedingungen kennen Sie für den Versuchsablauf und die Erfassung der Daten?
    • Erkläre die Funktionsweise der seriellen Schnittstelle RS 232.
    • Aufbau eines Systems zum Messen, Steuern und Regeln mit Hilfe der RS-485-Bus-Schnittstelle.
    • Wann spricht man bei rechnergestützten Mess- und Automatisierungssystemen von einer zentralen bzw. dezentralen Lösung?
    • 2-Leiter-Schaltungstechnik mit Konstantstromquelle
    • Beschreibe Aufbau Mikroprozessor
    • Darstellung des Übertragungsverhaltens und Erklärung der Empfindlichkeit am Beispiel eines potentiometrischen Füllstandsensors
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