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Technisches Projekt II: Schaltungsentwurf

Im Technischen Projekt II‚ Schaltungsentwurf' soll ein PC-Oszilloskop entworfen und aufgebaut werden.

Das zu messende Signal muss dabei zuerst von einer Analogschaltung vorverarbeitet werden. Anschließend wird es vom A/D-Wandler eines Mikrocontrollers abgetastet und die abgetasteten Werte über eine USB-Schnittstelle an einen PC gesendet. Auf diesem wird das gemessene Signal visualisiert.

Im Mittelpunkt des Projekts steht der Entwurf der analogen Schaltung zur Signalvorverarbeitung. Dafür sollen die einzelnen Schaltungskomponenten wie Verstärker und Filter ausgewählt und dimensioniert werden. Die Funktionalität der Schaltung wird anschließend mittels Simulation überprüft. Schließlich wird ein Prototyp der Schaltung aufgebaut, um den Entwurf durch Messungen zu verifizieren.

Im letzten Schritt wird ein Platinenlayout der Schaltung erstellt. Dieses könnt ihr im Anschluss fertigen lassen und bestücken. Dafür stehen sowohl diskrete Bauelemente als auch Standard-ICs (integrierte Schaltkreise) zur Verfügung. Die fertige Platine kann mit nach Hause genommen werden und stellt zusammen mit einem PC eine funktionsfähige Messeinheit für elektronische Signale dar.

Spezifikation des Gesamtsystems

  • Messbereichsauflösung: 500µV/Div bis 20V/Div
  • Zeitbereichsauflösung: 20µs/Div bis 100ms/Div
  • Abtastrate: 38kHz
  • Wählbare Gleichanteilsunterdrückung (AC/DC-Kopplung)
  • Anschluss des PCs an das Signalverarbeitungsboard via USB

Aufbau des Gesamtsystems

Die Komponenten der digitalen Signalverarbeitung sowie die Visualisierungs- und Steuerungssoftware auf dem PC werden als vorgegebene Bestandteile in das Komplettsystem übernommen. Das Labor konzentriert sich auf die Entwicklung der analogen Signalvorverarbeitung.

Aufgaben der analogen Signalvorverarbeitung

  • Gleichanteilsunterdrückung des Messsignals
  • Wahl des Messbereichs entsprechend einem Steuersignal vom PC (Verstärkung oder Dämpfung des Messsignals)
  • Offsetanpassung des Messsignals (Verschiebung auf der y-Achse)
  • Tiefpassbegrenzung zur Vermeidung von Aliasing beim Abtasten

Arbeitsschritte

  •  Auswahl der einzelnen Schaltungskomponenten
  • Dimensionierung der Bauteile
  • Simulation des Schaltungsverhaltens mit QUCS
  • Aufbau eines Prototypen (Bread Boarding)
  • Design des Platinenlayouts mit EAGLE
  • Bestücken und Testen der Platine

Die fertige Baugruppe kann nach erfolgreichem Abschluss des Projekts mit nach Hause genommen werden. Hierfür genügen die Lötkenntnisse aus dem Erstsemesterlabor Mikroelektronik

Zielgruppe

Das Labor richtet sich an Studierende der Studiengänge Elektrotechnik und Mechatronik im zweiten Bachelorsemester. Kenntnisse aus der Vorlesung Grundlagen der Elektrotechnik 1 werden vorausgesetzt.

Organisation

Das Projekt wird in zehn festen Terminen à 3 Stunden durchgeführt. Die durchzuführenden Arbeitsschritte (s.o.) verteilen sich auf die Termine.
Genauere Informationen zur Durchführung werden im Stud.IP bekanntgegeben. Dort lassen sich zu gegebener Zeit auch die Laborumdrucke herunterladen. Ausdrucke werden zum ersten Termin kostenlos zur Verfügung gestellt. Ein Studieren des Umdrucks vor dem ersten Termin ist unbedingt erforderlich.
Sämtliche Versuche werden im TI-Gebäude, Appelstr. 4, 30167 Hannover (Nordstadt) im Oberstufenlabor durchgeführt.

Ansprechpartner

Jakob Arndt

Tobias Volkmar