Kurzbeschreibungen der Praktikumsversuche

Praktikum I

BE2, MOS-Transistor-Grundschaltung

In diesem Versuch werden die verschiedenen Grundschaltungsmöglichkeiten der MOS-Transistoren vorgestellt und für ausgewählte Transistortypen Messreihen aufgenommen. Die theoretischen Vorkenntnisse sollen in diesem Versuch anhand eigener Messungen nachvollzogen werden. Die typischen Kenndaten werden aus den gemessenen Werten bestimmt. Für die Durchführung des Versuches sind Kenntnisse aus den Vorlesungen Grundlagen der Elektrotechnik, Werkstoffe und Bauelemente der Elektrotechnik und Grundlagen der Halbleiterelektronik vorauszusetzen.

ES1, Analoge Grundschaltungen

In diesem Versuch werden zuerst die drei Grundschaltungen für einzelne Bipolartransistoren vorgestellt. Das Verständnis dieser Grundschaltungen bildet die Grundlage der darauf folgenden Betrachtung der Bausteine des Operationsverstärkers (Stromquelle, Stromspiegel, Spannungsverstärker und Differenzverstärker).

Standardanwendungen des Operationsverstärkers werden mit handelsüblichen Bauteilen untersucht. Begleitend zum Test der praktischen Aufbauten werden die Möglichkeiten und Grenzen von digitalen Simulationsverfahren anhand von SPICE (Simulationsprogramm) auf einem PC erprobt, indem die aufgebauten Schaltungen möglichst genau simuliert werden.

ES2, Digitale Grundschaltungen

Der Aufbau digitaler Geräte beruht auf der wiederholten Anwendung weniger logischer Grundschaltungen. Durch Verknüfung dieser Grundschaltungen kann man alle digitalen Schaltungen beschreiben, vom einfachen Adreßdekoder bis zum Mikroprozessor.

Diese Grundschaltungen bilden die sogenannte Gatterebene innerhalb des Entwurfs digitaler Schaltungen. Bei der Versuch werden digitale Schaltungen auf der Gatterebene untersucht.

ONT3, Technische Optik

Die technische Optik beschäftigt sich ganz allgemein mit der gezielten Nutzung von Licht in technischen Geräten, und zwar in erster Linie als Informationsträger, in zweiter Linie auch als Energieträger. Im engeren Sinn konzentriert sie sich auf die technischen Fragen der Erzeugung und Übertragung von Licht mit Hilfe des freiraum-optischen Systemansatzes sowie die darauf aufbauenden Geräte. Die wichtigste Unterdisziplin der technischen Optik ist die Theorie der optischen Abbildung und ihre Anwendung in optischen Instrumenten wie Mikroskop, Fernrohr, Projektor und Fotokamera. Auf diesen Teilbereich der technischen Optik ist dieser Praktikumsversuch vornehmlich zugeschnitten.

Praktikum II

ES4, Digitale Filterung mit dem Signalprozessor

Versuchsziel ist es, Einblick in praktische Aspekte der Digitalen Signalverarbeitung mit einem Digitalen Signalprozessor zu gewinnen. Der Einfluß der Abtastung und Quantisierung soll erfahren werden. Alle Teilnehmerinnen und Teilnehmer erhalten eine eigene DSP-Grundausstattung. Damit kann das Praktikum, abhängig von der Anzahl der Interessenten, auch teilweise als Heimpraktikum durchgeführt werden. Es stehen insgesamt 18 “DSP-Starter Kits” mit dem Signalprozessor TMS320C50 zu diesem Zweck zur Verfügung.

Im Umgang mit einem DSP Starterkit von Texas Instruments wird die Programmierung von Signalverarbeitungsalgorithmen mit einem digitalen Signalprozessor anhand der auch von der Vorlesung DSV I/II (Kurse 02280/02281) abgedeckten Bereiche “Spektralanalyse mit der FFT” und “Digitale Filterung” behandelt. Dazu muß sich der Versuchsteilnehmer in einem ausreichenden Maße sowohl mit der Hardware des DSK als auch der Maschinensprache des TMS320C5x und den dazugehörenden Programmierwerkzeugen vertraut machen.

KS1, HDLC-Übertragunsprozeduren

Um eine Vereinheitlichung bei der Entwicklung von Kommunikationsprotokollen zu erreichen, wurde von der ISO (International Standards Organisation) ein OSI (Open System Interconnection) - Referenzmodell entwickelt. In diesem Modell wird der gesamte Vorgang der Kommunikation in 7 funktionale Schichten unterteilt. Die einzelnen Schichten erbringen mit Hilfe festgelegter Protokolle einen von ihnen geforderten Dienst.

In der Schicht 2, der Sicherungsschicht, werden sehr häufig die sogenannten HDLC-Prozeduren (High Level Data Link Control) als Protokoll zur abschnittsweise gesicherten Datenübertragung eingesetzt.

Zur Demonstration der funktionalen Abläufe einer HDLC-Prozedur wurde für diesen Versuch ein Pascal-Programm entwickelt, welches das Verhalten einer HDLC-Prozedur aufweist. Weiterhin existiert ein Programm zur Benutzerführung, welches dem Anwender ermöglicht, HDLC-Blöcke am Terminal einzugeben und an die HDLC-Instanz zu senden.

Aufgabe bei der Versuchsdurchführung ist es durch Eingabe von HDLC-Blöcken die Partnerstation zu der im Rechner ablaufenden HDLC-Instanz zu simulieren. Um neben Verbindungsauf- und -abbau auch einen Datentransport durchführen zu können wurde zusätzlich ein Schicht 3-Protokoll implementiert, welches sich mit Hilfe bestimmter Befehle zur Übermittlung von Datenpaketen (Texte) aufgefordert werden soll.

KS2, Digitale Übertragungstechnik I - Kanalcodierung

Bei der technischen Datenkommunikation werden die zu übertragenden Nachrichten im Sender nach einer Codierungsvorschrift in Binärzeichen umgesetzt und auf der Empfängerseite entsprechend wieder zurückgewandelt (decodiert).

Unter Codierung ist also die Vorschrift für die eindeutige Zuordnung von Zeichen eines Zeichenvorrates zu denjenigen eines anderen Zeichenvorrats zu verstehen.

Man unterscheidet bei der Datenübertragung drei Codierungsarten:

Quellencodierung

Durch die Codierung soll eine Reduktion der Quellenredundanz herbeigeführt werden, d. h. eine Darstellung der Daten mit einer geringstmöglichen Anzahl von Zeichen.

Kanalcodierung

Hierdurch soll eine einfache und sichere Datenübertragung von der Quelle zur Senke realisiert werden. Es sollen Codewörter entstehen, bei denen eine Verfälschung von Codesymbolen möglichst nicht zu einem neuen Codewort führt, so daß der Empfänger Verfälschungen erkennen und eventuell sogar beseitigen kann.

Leitungscodierung

Hierbei werden die binären Symbolfolgen in Impulsfolgen umgewandelt, welche dann als physikalische Größen durch die Übertragungsstrecke geleitet werden.

Gegenstand des Praktikums ist im Wesentlichen der Einsatz von Codierungsmaßnahmen zur Sicherung der Übertragung, d. h. also die Kanalcodierung unter Verwendung eines realen Übertragungssystems.

Das Übertragungssystem besteht aus zwei Microprozessorsystemen, mit denen eine digitale Übertragungsstrecke aufgebaut ist. Ein Microprozessorsystem hat die Funktion einer Nachrichtenquelle, und das andere die einer Nachrichtensenke. Die verwendete Übertragungsstrecke prägt dem Sendesignal Störungen auf, die Bitverfälschungen zur Folge haben.

Aufgabe bei der Durchführung dieses Versuches ist die Untersuchung der Leistungsfähigkeit von Sicherungsmaßnahmen (Kanalcodierung) im Verhältnis zum Aufwand.

KS3, Digitale Übertragungstechnik II - Abtastung und Quantisierung

Die meisten Quellen von Kommunikationsvorgängen liefern analoge, d. h. zeit- und wertkontinuierliche Signale. In modernen Kommunikationsnetzen (ISDN, LAN, …) wird aber mit digitalen, d. h. zeit- und wertdiskreten Signalen gearbeitet.

In diesem Praktikumsversuch geht es um die Wandlung analoger in digitale Signale durch Abtastung und Quantisierung und um die dabei auftretenden Veränderungen der Signale. Für den Versuch wurde ein Teil eines digitalen Kommunikationssystems modelliert.

Die analogen Daten werden von einem Funktionsgenerator bzw. einem Mikrofon erzeugt. Diese Daten sollen auf unterschiedliche Weise gefiltert, abgetastet und quantisiert werden. Hierfür stehen Filter verschiedener Bandbreite und Güte zur Verfügung, die Abtastrate ist frei wählbar und es können verschiedene Quantisierungsstufen und Kompandierunskennlinien verwendet werden.

Aufgabe bei diesem Versuch ist es, die Auswirkungen zu beobachten, die der Einsatz unterschiedlicher Filter, Abtastraten und Quantisierungsmöglichkeiten auf das Eingangssignal hat.

ONT1, Grundlagen der Optischen Nachrichtentechnik

Die Ausbreitung von Licht kann in Wellenleitern oder durch den freien Raum erfolgen. In diesem Versuch werden die Grundlagen der Wellenleiteroptik und der Freiraumoptik behandelt. Der Versuchsteil zur Wellenleiteroptik beinhaltet: Demonstration der internen Totalreflexion, Messung des Brechungsindex, Einkopplung in einen Wellenleiter und Bestimmung der Einkopplungseffizienz, Bestimmung der Dämpfung einer Plastikfaser. Zur Freiraumoptik werden folgende Versuche durchgeführt: Beugung an Amplituden- und Phasengittern, Messung der Beugungseffizienz, Prinzip der optischen Abbildung.

ONT2, Optische Übertragungstechnik

Es werden Versuche zur optischen Übertragung mit Hilfe von Glasfasertechnologie und von Freiraumoptik durchgeführt. Dies sind: Einkopplung in eine Monomodefaser, Aufbau von Übertragungsstrecken bei 150 Mb/s und 1 Gb/s, Bestimmung der Dispersion, Zusammenhang von Bitfehlerrate und Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Bei der Freiraumübertragung wird die Lichtausbreitung eines Gauß’schen Strahls untersucht sowie eine parallele Übertragungsstrecke aufgebaut. Dabei wird der Einfluß der Strahlverbreiterung auf das optische Übersprechen untersucht.

PRT1, Klassischer Reglerentwurf

Im Praktikum PRT 1 wird der klassische Reglerentwurf mit Hilfe ausgewählter Beispiele nochmals vertieft und um effiziente Entwurfsverfahren erweitert.

Dazu werden Übertragungsglieder und Regelstrecken mit Hilfe von Operationsverstärker-Schaltungen nachgebildet und sowohl im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich analysiert.

Im Zeitbereich werden die Sprungantworten der Strecken benutzt, um anhand von charakteristischen Merkmalen (Verstärkung und Zeitkonstanten) Auswahlkriterien und Einstellregel für klassische Regler (P, PI, PD, PID) herauszufinden.

Im Frequenzbereich werden die aus dem Kurs Grundlagen der Regelungstechnik bekannten Verfahren der Streckenanalyse mit Hilfe von Ortskurven zur Stabilitätsbewertung nach NYQUIST, von BODE-Diagrammen zur FKL-Beschreibung der Eigenschaften von offenen Kreisen sowie der Wurzelortsanalyse und Synthese benutzt, um dem geschlossenen Regelkreis die vom Anwender erwünschten Eigenschaften (Stabilität, Schnelligkeit, Art der Regelabweichung) aufzuprägen.

Auf Grundlage der Streckenanalyse werden dann verschiedene Reglertypen experimentell im geschlossenen Regelkreis eingesetzt und das resultierende Verhalten bewertet.

Der Praktikumsversuch findet an einem komfortablen modularen Schubeinheiten-Träger statt, der über schnelle AD/DA-Wandler mit einem PC verbunden ist. Die Schubmodule stellen bereits die unter regelungstechnischen Gesichtspunkten erforderlichen Operationsverstärker-Schaltungen zur Verfügung (VZ-Glieder, P/PI/PID-Regler, u.a.), die nur noch extern miteinander zu verschalten sind. Die Parameter-Einstellung für alle Module erfolgt direkt in regelungstechnischer Bezeichnungsweise. Der zugeordnete PC dient gleichzeitig als Signalgenerator, Oszilloskop und Frequenzanalysator. Sämtliche Meßergebnisse können bei Bedarf auch ausgedruckt werden.

Der beschriebene Praktikumsversuch setzt ein prinzipielles Verständnis der regelungstechnischen Grundlagen voraus, so wie sie im Pflichtfach Grundlagen der Regelungstechnik des Hauptdiploms beschrieben werden. Darüber hinaus werden weitere einfache Zusammenhänge in den Praktikumsunterlagen beschrieben.