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Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit
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Signalverarbeitung 1
Vorlesungsnummer 261013
Studiengang Software Engineering - Signalverarbeitung 1 - Prof. Dr. Jürgen Doneit
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Prof. Dr.-Ing.
Jürgen Doneit
Zimmer E209
Tel.:07131 504 455
http://mitarbeiter.hs-heilbronn.de/~doneit/
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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