Technische Informatik und Elektronik -...

Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit

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Signalverarbeitung 1

Vorlesungsnummer 261013


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Prof. Dr.-Ing.

Jürgen Doneit

Zimmer E209

Tel.:07131 504 455

[email protected]

http://mitarbeiter.hs-heilbronn.de/~doneit/

mailto:[email protected]


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Quelle der Comics: Der Computer Comic von Larry Gonick, 1984, Rowohlt Taschenbuch


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Literatur und QuellenÜbersicht

http://mitarbeiter.hs-heilbronn.de/~doneit

Bücher zum Beispiel• Technische Informatik 1

Grundlagen der digitalen Elektronik, 5.Auflage, 2003Wolfram Schiffmann, Robert SchmitzSpringer Verlag, ISBN 3-540-40418-X

• DigitaltechnikFrike, KlausVieweg Verlag Fachbücher der Technik ISBN 3-528-03861-6

Internet• http://www.elektronik-kompendium.de/• http://horst-lehner.mausnet.de/efaq/kapitel/Digitalseminar.html

Elektrotechnik und Elektronik für InformatikerBand1: Grundgebiete der Elektrotechnik, 1999Reinhold Paul, Teubner Verlag, ISBN 3-519-12126-3


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Inhalt Signalverarbeitung 11. Elektrotechnik Grundlagen: Spannung, Strom, Leistung, EnergieZweipole: elektrischer Widerstand, QuellenNetzwerke von ZweipolenLineare GleichungssystemeNetzwerkanalyse

2. ElektronikHalbleiterDiodeTransistorC-MOS Technik

3. Einführung in die DigitaltechnikDualsystemSchaltalgebraGrundverknüpfungeneinfache Digitalschaltungen


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Technische Informatik 2

• 6. Synchrone Automaten Grundstruktur Entwurf

• 7. Laborübung: Programmierbare Logik

Aufbau von GAL`s Einsatzmöglichkeiten Programmierung im Labor

• 4. Entwurf digitaler Schaltnetze Boolsche Algebra Disjunktive- / Konjuktive Normalform Karnaughtafeln rechnergestützter Entwurf (CAD)

• 5. Speicher Flipflop RAM, ROM, EPROM, EEPROM optische Speicher magnetische Speicher


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Labor

• Umfang- Einarbeitung in versch. Simulationstools und Lösen von Aufgaben- Einarbeitung in den Aufbau von GAL‘s- Durchführung eines kleinen Übungsbeispiels- Bearbeitung einer gestellten Laboraufgabe- Erstellung eines Teamlogbuches

• Dauer / Termin- Dauer hängt von der Fertigstellung der Laborarbeit ab

• Laborbericht und Teamlog werden mit max. 10 Punkten bewertet (Klausur 30 Punkte - bestanden ab ca. 20 Punkte)


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Grundlagen der Analog-Elektronik


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Elektrotechnik

Energietechnik Informationstechnik

Energieerzeugung TelekommuniktionEnergieverteilung UnterhaltungselektronikAntriebstechnik DatenverarbeitungWärmewirtschaft Automatisierungstechnik


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Atomistik

Teilchen Masse/g Ladung/As

Proton 1,6*10-24 +1,6*10-19

Elektron 9,1*10-28 -1,6*10-19

Neutron 1,6*10-24 keine


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Energie - Bändermodell


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Ladung, Feld, Spannung

Kleinste Ladungsmenge e = -1,602*10-19 As

Q= n*e- LadungsmengeEinheit [As] oder [Coulomb] = [C]


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Elektrisches Feld , elektrische SpannungZwischen zwei unterschiedlichen Ladungen verändert sich die Eigenschaft des Raumes. Auf weitere in diesem Raumgebiet befindlichen Ladungen wirken Kräfte. Es wirkt das

Elektrische Feld E [V/m]

F=q*E [N]

E*d = U [V]


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EnergieWird elektrische Ladung von einem Punkt zu einem anderen bewegt und besteht zwischen diesen Punkten eine Spannung U so wird bei der Bewegung Energie umgesetzt.

Arbeit W = Q * U [V A s] = [W s] = [ Joule ]

einsetzen von Q= I * t ergibt:

W = U * I * t

Umrechnung von Energieeinheiten

1kWh = 3,6 *106 Ws

1 Ws = 0,239 cal

1kWh= 860 kcal

1l Öl = 10 kWh = 8600kcal


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Leistung

Leistung ist definiert als Arbeit pro Zeiteinheit

P= W / t [ V A ] = [ W ]für Gleichstrom ergibt sich somit:

P = U * Ibei zeitabhängigen Größen ergibt sich:

p(t) = u(t) i(t)


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Der elektrische Widerstand

U12 = ρ ∗ l / A * I

ohmsches Gesetz

U12 = R * I

ρ = 1 / κ [Ω m]

R = ρ ∗ l / A [Ω]


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Temperaturabhängigkeit des ohmschen Widerstandes


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Widerstandstabelle


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Übung

Ein Aluminiumdraht (d=1mm) hat bei Zimmertemperatur einen Widerstand von 10Ω.

a) Wie lang ist er?b) Welchen Widerstand hat er bei 200°?


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Lösung

A) l = 275 mB) R= 17,2 Ω


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Elektrische Spannung UUnter elektrischer Spannung versteht man das Ladungsgefälle zwischenzwei elektrischen Pole.

Dabei gilt:

• Spannungsquellen besitzen immer zwei Pole, mit unterschiedlicher Ladung.

• Der Pluspol hat einem Mangel an Elektronen, der Minuspol einen Überschuss.

• Entsteht eine Verbindung zwischen den Polen, kommt es zu einer Entladung.Bei diesem Vorgang fließt ein elektrischer Strom.

• Formelzeichen für die elektrische Spannung: U

• Maßeinheit:MV(Megavolt), kV(Kilovolt), V (Volt), mV(Millivolt), µV(Mikrovolt)


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SpannungsberechnungZur Berechnung der elektrischen Spannung werden die folgenden Formelnverwendet:

Spannung U =Leistung P

Strom I

Spannung U = Widerstand R x Strom I


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SpannungspotenzialDas Potenzial eines Punktes ist gleich der Spannung dieses Punktesgegenüber dem Bezugspunkt 0 V (Masse).

Dabei gilt:

• Die Messung eines Potenzials bezieht sich immer auf einen Bezugspunkt. Dieser hat 0 V und wird im allgemeinen als Masse bezeichnet.

• Bei der Messung eines positiven Wertes, ist das Potenzial positiver als der Bezugspunkt.

• Bei der Messung eines negativen Wertes, ist das Potenzial negativer als der Bezugspunkt.

+

+

+

+


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Spannungsmessung• Ein Spannungsmessgerät wird immer parallel zum Verbraucher,

Bauelement oder zur Spannungsquelle angeschlossen.

• Bei der Messung an der Spannungsquelle wird der momentane Spannungswert gemessen.

• Am Verbraucher wird der Spannungsabfall gemessen. Dieser ist eine Teil-spannung der Gesamtspannung der Spannungsquelle.

• Um die zu messende Schaltung nicht zu beeinflussen, sollte der Innenwiderstand des Spannungsmessgerätes möglichst hochohmig sein.

U

+

_

+

-

U+ _

U Lampe

U Batt

U+ _

U R


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Elektrischer Strom / Stromstärke IUnter elektrischem Strom versteht man die gerichtete Bewegung vonLadungsträgern (Elektronen/Ionen) in einem elektrischen Leiter.

Dabei gilt:

• Ein elektrischer Strom kann nur fließen, wenn Ladungsträger in genügender Anzahl vorhanden und frei beweglich sind.

• Zur zahlenmäßigen Beschreibung des elektrischen Stromes dient die elektrischeStromstärke.

• Je mehr Ladungsträger in einer Sekunde durch einen Leiter fließen, um so größer ist die Stromstärke.

• Formelzeichen für die Stromstärke: I• Maßeinheit:

kA(Kiloampere), A(Ampere), mA(Milliampere), µA(Mikroampere), nA(Nanoampere)


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Berechnung der Stromstärke IZur Berechnung des elektrischen Stromes bzw. der Stromstärke werdendie folgenden Formeln verwendet:

Strom I =Elektrizitätsmenge Q

Zeit t

Strom I =Spannung U

Widerstand R

Strom I =Leistung P

Spannung U


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StromrichtungPhysikalische Stromrichtung(Elektronenstrom): Da die negativen Ladungsträger den Stromfluss tragen, fließen die Elektronen von Minus (-) nach Plus (+)

Technische Stromrichtung

(historischeFestlegung):

Die Stromrichtung innerhalb einer Schaltung wird auch heute noch von

Plus(+) nach Minus(-) definiert

physik. Stromrichtung+_

techn. Stromrichtung


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Strommessung• Das Strommessgerät wird immer in Reihe zum

Verbraucher angeschlossen. Dazu muss die Leitung des Stromkreises aufgetrennt werden um das Messgerät in den Stromkreis einzufügen.

• Der Innenwiderstand des Messgerätes sollte möglichst niederohmig sein, um den Stromkreis nicht zu beeinflussen.

+

-

I ges I ges

I ges I ges

I+_


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Beispiel : Anlasser im Auto

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