Probeklausur 9 September Summer 2016, Fragen PDF

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Altklausur...

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Fachhochschule Aachen - Campus J¨ ulich Prof. Dr.-Ing. M. Hellmanns Dr.-Ing. R. Spiegelberg B.Sc. RWTH

J¨ulich, 09.09.2016

Klausur Messtechnik 2 SS 2016

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Beachten Sie folgende Hinweise: • Die Klausur besteht aus 14 einseitig bedruckten Seiten mit 4 Aufgaben. Insgesamt k¨ onnen Sie 90 Punkte erreichen. Die Klammerung darf nicht gel¨ost werden! • Zugelassenes Hilfsmittel ist ein nicht programmierbarer Taschenrechner. • Schreiben Sie L¨osungen in die vorgesehenen Bereiche. • Benutzen Sie keinen Bleistift oder Rotstift! • Die Bearbeitungszeit betr¨agt 90 Minuten. • Bitte geben Sie bei Ihren Ergebnissen den kompletten Rechenweg an, da dieser Teil der L¨ osung ist.

Viel Erfolg !

Bewertungsbogen

Aufgabe

1

2

3

4

Summe

maximale Punkte

24

25

23

18

90

erreichte Punkte a

b

c

a

b

a

b

a

b

d

e

f

c

d

c

d

c

d

g

h

e

f

e

Klausurnote vor Einsicht: Klausurnote nach Einsicht:

2

e

Aufgabe 1 (Multiple Choice - 24 Punkte) Entscheiden Sie bei den nachfolgenden Aussagen, ob diese korrekt sind oder nicht. Es k¨onnen auch mehrere Aussagen wahr sein. F¨ ur jedes korrekt angekreuzte K¨astchen werden 0.5 Punkte vergeben. F¨ur jedes richtige nicht angekreuzte K¨astchen werden ebenfalls 0.5 Punkte vergeben. Ist ein Unterpunkt komplett korrekt beantwortet, wird ein Zusatzpunkt vergeben. (a) Welche der angegebenen Versorgungsspannungen w¨urden Sie ausw¨ ahlen, um eine Wechselspannungsmessbr¨ucke mit m¨oglichst hoher Empfindlichkeit zu betreiben?

(3 Punkte)

- Sinusspannung, Amplitude 100 mV .



- Rechteckspannung, Amplitude 40 V .



- Sinusspannung, Amplitude 2 V .



- Sinusspannung, Amplitude 30 V .



(b) Welche Aussagen zu einer Wechselgr¨ oße sind falsch?

(3 Punkte)

- Die Gr¨oße hat immer einen sinusf¨ ormigen Verlauf.



- Der zeitliche Mittelwert einer Wechselgr¨oße ist immer Null.



- Der zeitliche Verlauf der Gr¨oße wiederholt sich periodisch.



- Der Effektivwert einer Wechselgr¨oße ist immer Null.



(c) Mit einem Analog-Digital-Umsetzer soll aus einer analogen Spannung alle 100 ns ein digitaler Wert mit einer Aufl¨ osung von 8 Bit gewonnen werden. Welches Verfahren ist dazu geeignet?

(3 Punkte)

- Parallel- Umsetzer (Flash-Converter).



- Umsetzer mit sukzessiver Approximation.



- Lock-In-Verst¨ arker.



- Zwei-Rampen-Umsetzer (Dual-Slope-ADC).



3

(d) In welchem Betriebszustand macht sich bei einem Operationsverst¨ arker die sog. Slew-Rate besonders negativ bemerkbar?

(3 Punkte)

- Hohe Signalfrequenz, hohe Verst¨arkung.



- Niedrige Signalfrequenz, niedrige Verst¨arkung.



- Hohe Signalfrequenz, niedrige Verst¨arkung.



- Niedrige Signalfrequenz, hohe Verst¨arkung.



(e) Welche Probleme lassen sich bei Messungen im Hochfrequenzbereich durch Anpassung der Innenwiderst¨ande von Quellen und Verbrauchern an den Wellenwiderstand der Leitungen vermeiden?

(3 Punkte)

- Wellenreflexionen am Verbraucher.



- der Einfluss von Streuinduktivit¨ aten und Streukapazit¨ aten.



- Wellenreflexionen an der Quelle.



- der Einfluss von Wirbelstr¨omen.



(f) Was versteht man unter so genannten missing codes?

(3 Punkte)

¨ bertragung verloren gegangen sind. - Messwerte, die bei der U



- Monotoniefehler bei der Digital-Analog-Umsetzung.



- Fehlende Spannungswerte bei der Digital-Analog-Umsetzung.



- Verfahren zur Verschl¨ usselung von Messwerten.



4

(g) Welche Aussagen zur Leistungsmessung in Drehstromsystemen sind auch bei unsymmetrischer Last falsch?

(3 Punkte)

- Die Wirkleistung jeder Phase kann mit einem elektrodynamischen Messger¨at ermittelt werden.



- Die Anzeige eines elektrodynamischen Messger¨ates in der Aaronschaltung ist immer positiv.



- Die Gesamtscheinleistung muss durch vektorielles Addieren der Scheinleistungen der drei Phasen ermittelt werden.



- Die Blindleistung kann direkt gemessen werden.



(h) Wovon leitet sich der Begriff Operationsverst¨ arker ab?

(3 Punkte)

- Operationsverst¨ arker werden bevorzugt in der Medizintechnik eingesetzt.



- Das Einl¨ oten eines Operationsverst¨ arkers ist eine sehr diffizile Operation.



- Operationsverst¨ arker k¨onnen analoge Rechenoperationen ausf¨ uhren.



- Operationsverst¨ arker k¨onnen digitale Rechenoperationen ausf¨ uhren.



5

Aufgabe 2 (Wechselstrommessbr¨ ucke - 25 Punkte) Mit einer Wechselstrommessbr¨ ucke sollen der ohmsche Widerstand und die Induktivit¨at einer Spule (Reihenersatzschaltung) ermittelt werden. Als Abgleichelemente stehen ein Potentiometer und eine Kapazit¨atsdekade (Cmax = 1 µF ) zur Verf¨ ugung. a) Skizzieren Sie eine geeignete Br¨uckenschaltung.

(8 Punkte)

b) Leiten Sie aus der Abgleichbedingung die Beziehungen zur Bestimmung der unbekannten Gr¨oßen her.

(8 Punkte)

6

c) Welchen Widerstandswert m¨ussen die beiden gleichgroßen Festwiderst¨ ande in der Br¨ ucke aufweisen, um eine maximale Induktivit¨ at von Lmax = 1 H messen zu k¨onnen?

(4 Punkte)

d) Welchen maximalen Widerstandswert muss das Potentiometer aufweisen, wenn der ohmsche Widerstand der Spule minimal RL,min = 100 Ω betr¨ agt?

(2 Punkte)

¨ nderung ∆RL des Spulenwiderstandes, wenn das (3 Punkte) e) Welche ist die kleinste A Potentiometer eine Aufl¨osung von 100 Ω hat?

7

Aufgabe 3 (Operationsverst¨ arker - 23 Punkte) Die Thermospannung eines Nickelchrom-Nickel-Thermoelementes soll durch einen Operationsverst¨arker verst¨arkt werden. Die Schaltung soll gleichzeitig als Tiefpass 1. Ordnung mit einer 3 dB - Eckfrequenz von fg = 3 Hz ausgelegt werden. (a) Skizzieren Sie eine geeignete Schaltung, die außerdem auch den Einfluss des Bias-Stromes kompensiert!

8

(5 Punkte)

(b) Der Eingangswiderstand der Schaltung soll 4.7 kΩ betragen. (6 Punkte) Der Betrag der Ausgangsspannung soll bei einer Temperatur von T = 400 ◦ C gerade |U2 | = 400 mV betragen. Dimensionieren Sie die Schaltung. (Hinweis: Thermospannung von Nickelchrom-Nickel bei T = 400 ◦ C : 16.395 mV .)

(c) Mit welchem Faktor wird eine St¨ orspannung mit der Frequenz f = 30 kHz von dieser Schaltung verst¨ arkt?

Ua ¨ von U (d) Bestimmen Sie die Ubertragungsfunktion ¯ unter der e ¯ Annahme, das die Bias-Kompensation vernachl¨ assigt werden kann.

9

(3 Punkte)

(5 Punkte)

(e) Erl¨autern Sie die Begriffe Biasstrom und Offsetstrom eines Operationsverst¨ arkers.

10

(4 Punkte)

Aufgabe 4 (AD-Wandler mit W¨ ageverfahren - 18 Punkte) Im Folgenden sei der in Abbildung 1 dargestellte 4-Bit AD-Wandler nach dem W¨ageverfahren betrachtet. Dabei werden die Bits beginnend mit dem h¨ ochstwertigen (MSB) probeweise auf eins gesetzt und die zugeh¨orige Spannung wird mit dem Eingangssignal verglichen.

Abbildung 1: AD-Wandler mit W¨ageverfahren. a) Erkl¨ aren Sie die Funktion des Abtast-Halte-Gliedes (Sample-and-Hold-Schaltung). Warum ist diese bei einem AD nach W¨ageverfahren notwendig?

(4 Punkte)

b) Berechnen Sie U(Z) am Ende der Umsetzung mit Ue = 8.5 V bei einer Referenzspannung von Uref = 10 V .

(5 Punkte)

11

c) Wie groß ist der Umsetz-Fehler?

(2 Punkte)

d) Wieviel Bit m¨ usste der AD-Wandler haben, damit der Umsetz-Fehler kleiner als 1 mV ist?

(3 Punkte)

e) Bei der Abtastung von periodischen Signalen sollen diese mit mindestens (2 Punkte) 100 Abtastwerten abgebildet werden. Welche maximale Frequenz l¨asst sich bei einer Approximationsdauer von 10 µs noch rekonstruieren?

f) Welche Aussage l¨asst sich hinsichtlich der Geschwindigkeit eines AD-Wandlers mit W¨ageverfahren im Vergleich zu einem Flash-Wandler treffen?

12

(2 Punkte)

Konzeptpapier 1

13

Konzeptpapier 2

14...