Datenerfassung mit LabVIEW c V manuel/teaching/labview_  · Physikalisches Praktikum Universit¨at...

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  • Physikalisches Praktikum Universitat Hamburgfur Fortgeschrittene Institut fur Experimentalphysik

    Datenerfassung mit LabVIEW c

    Versuchsanleitung

    Stand 21. Juni 2008 M. Hohmann, M.Wieland

  • Vorwort

    Moderne Messwerterfassung und viele Experimente werden heute mit der Unterstutzungdes Computers durchgefuhrt. Teilweise aus rein praktischen Grunden, um eine hohe An-zahl von Messwerten aufzunehmen und zu verarbeiten, aber auch um eine einfache undubersichtliche Steuerung von Experimenten und Versuchsaufbauten zu gewahrleisten.Viele Messwerte sind aus zeitlichen Grunden nicht von Handaufnehmbar, da sie insehr kurzen Zeitabstanden registriert werden mussen oder aber auch bei Langzeitexpe-rimenten nur sehr selten und in langen Zeitabstanden aufeinander folgen. Auch bietenSoftwareprogramme und Computerlosungen oft eine auerst flexible und individuelleLosung fur die verschiedensten Anwenderprobleme. Die ehemals starren Grenzen zwi-schen reiner Messwerterfassung und Steuerung verschieben sich immer mehr, denn dieflexiblen Moglichkeiten der Datenerfassung, der Analyse, der Steuerung und der Vi-sualisierung verschmelzen mehr und mehr zu einer einheitlichen Software-Einheit. Dasursprunglich in den 80er Jahren von National Instruments fur die Mess- und Automa-tisierungstechnik entwickelte Programm LabVIEW c (Laboratory Virtual InstrumentEngineering Workbench) ist mittlerweile immer mehr zu einer effektiven Alternative furherkommliche Programmiersprachen geworden und zahlt heute neben C zu den meist-verwendeten Programmiersprachen fur technisch wissenschaftliche Anwendungen. Umphysikalische Experimente zu steuern und durchzufuhren, muss der Anwender meisteine textorientierte Programmiersprache wie C, Pascal oder Basic beherrschen. Sehroft muss man sich mehr mit der Syntax der Sprache auseinandersetzen als mit dereigentlichen Messaufgabe. LabVIEW c bietet hier eine ganz neue Moglichkeit. Stattseitenweise komplizierte Systemprogramme zu schreiben, sind lediglich grafische Ele-mente auf dem Bildschirm zu plazieren, und wie aus dem Labor bekannt, diese mitDrahten zu verbinden. Bedienungselemente, wie sie aus der Labormesstechnik gelaufigsind, bilden die Bedienungsoberflache, die der Anwender selbst gestalten kann. Im Ide-alfall wird die Problembeschreibung, Problemlosung und die Dokumentation in einemArbeitsgang erledigt. Die eigentlich zu losende Aufgabe ruckt mit Hilfe dieser grafischenProgrammierung wieder in den Vordergrund und gleichzeitig werden die nicht problem-bezogenen Aufgaben minimiert sowie die Programmentwicklungszeit erheblich verkurzt.LabVIEW c bietet ebenfalls den entscheidenden Vorteil der Plattformunabhangigkeitund ist somit sehr flexibel einsetzbar.

    2

  • Inhaltsverzeichnis

    1 Grundlagen 51.1 Allgemeines zum Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

    1.1.1 Das Steckbrett . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.1.2 Messgerate/Netzteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

    2 Datenerfassung mit LabVIEW: Die A/D-Wandler-Karte 82.1 Spannungsmessung und -erzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

    2.1.1 Einzelne Messwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.1.2 Zeitabhangige Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.1.3 Spannungserzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

    2.2 Grafische Darstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2.1 Signalverlaufsgraphen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2.2 XY-Graphen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

    2.3 Export von Messdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.3.1 Erzeugen von Wertetabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.3.2 Export von Graphen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

    2.4 Auswertung mit LabVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.4.1 Statistikfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.4.2 Signalverlaufsmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

    2.5 Ubungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    3 Pflichtversuche 223.1 Aufnahme von Kennlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

    3.1.1 Der Ohmsche Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.1.2 Die Z-Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.1.3 Der Kondensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.1.4 Der Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

    3.2 Transistorschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.2.1 Der Transistorverstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.2.2 Der Schmitt-Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

    3.3 Der Operationsverstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.3.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.3.2 Der invertierende Verstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.3.3 Der nichtinvertierende Verstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.3.4 Der Differenzverstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.3.5 Der Leistungsverstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.3.6 Der Impedanzwandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

    3

  • 4 INHALTSVERZEICHNIS

    4 Wahlversuche 324.1 Die Solarzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

    4.1.1 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324.1.2 Messelektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324.1.3 Durchfuhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

    4.2 Das Doppelpendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.2.1 Theorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.2.2 Versuchsablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

    4.3 Der Operationsverstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384.3.1 Der Integrierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384.3.2 Der Differenzierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.3.3 Der Komparator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.3.4 Der Schmitt-Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.3.5 Die astabile Kippstufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.3.6 Der Sagezahn-Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

    5 Ablauf des Versuches 445.1 Die Versuchswoche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445.2 Der Seminarvortrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445.3 Das Versuchsprotokoll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

    6 Vorbereitung 46

    7 Fragen und Aufgaben 477.1 Pflichtversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477.2 Wahlversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

    7.2.1 Solarzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487.2.2 Gekoppeltes Pendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487.2.3 Operationsverstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

  • Kapitel 1

    Grundlagen

    Bei dem Versuch Datenerfassung mit LabVIEWc geht es in erster Linie um die zuneh-

    mend wichtiger werdende computerunterstutzte Messwerterfassung und Steuerung vonExperimenten. Die Datenerfassung erfolgt uber eine Multifunktionskarte, die als Ein-steckkarte in einen PC eingebaut ist. Mit dieser A/D-Wandler-Karte lassen sich sowohlanaloge als auch digitale Ein- und Ausgange realisieren, wobei der grote Teil der Versu-che auf Steckbrettern aufgebaut und an die A/D-Karte angeschlossen wird. Diese Expe-rimente beinhalten hauptsachlich kleinere Schaltungen mit bereits aus dem Anfanger-Praktikum bekannten Bauelementen. Das Erstellen der LabVIEW c-Programme, mitdenen die Messwerte erfasst und grafisch dargestellt werden, wird zunachst die meisteZeit in Anspruch nehmen. Neben einer vernunftigen Darstellung und Dokumentation derdurchgefuhrten Messungen wird eine angemessenen Interpretation und Diskussionder Ergebnisse erwartet. Im Anschluss an den Pflichtteil des Praktikums stehen meh-rere Wahlversuche zum freien Experimentieren und vertiefen der LabVIEW c-Kentnissezur Auswahl.Eine vollstandige Darstellung bzw. Einfuhrung in LabVIEW c kann aufgrund des groenUmfangs im Rahmen dieser Versuchsanleitung nicht gegeben werden. Gleiches gilt furdie den Versuchen zu Grunde liegenden Kenntnisse uber die verwendeten elektroni-schen Bauteile. Im Rahmen der Vorbereitung auf diesen Versuch sollten Sie sich anhandbekannter oder der in Kapitel 6 angegebenen Literatur diese Grundlagen aneignen. Wei-terfuhrende Informationen erhalten Sie auch bei den Betreuern des Versuchs.

    1.1 Allgemeines zum Versuchsaufbau

    1.1.1 Das Steckbrett

    Um die Schaltungen schnell und ohne Loten aufbauen zu konnen, steht an jeden Ver-suchsplatz ein Elektronik-Steckbrett zur Verfugung, in das die Bauteile direkt eingestecktwerden konnen. Abb. 1.1 zeigt, wie das Steckbrett aufgebaut ist. Jedes Quadrat stellteinen Einsteckpunkt dar, in den ein Anschluss eines Bauelementes gesteckt werden kann.Die Punkte, die durch Linien verbunden sind, sind elektrisch miteinander verbunden.Als zusatzliche Verbindungen konnen Drahtsteckbrucken eingesetzt werden.

    1.1.2 Messgerate/Netzteile

    Zur Kontrolle der aufgebauten Schaltungen und ersten Fehleranalyse steht an jedemMessplatz ein Hand-Multimeter zur Verfugung. Ebenso konnen kompliziertere Signale

    5

  • 6 KAPITEL 1. GRUNDLAGEN

    Abbildung 1.1: Die innere Verdrahtung des Steckbretts

  • 1.1. ALLGEMEINES ZUM VERSUCHSA