Die Erfassung sowie die Weiterverarbeitung von Messdaten sind heutzutage kaum noch ohne Verbindung zu einem Computersystem denkbar und werden meist in einem einzigen Prozess zusammengefasst. Dieses ganzheitliche Verfahren beinhaltet die „Planung der Messaufgaben, die Realisierung von Ablaufsteuerungen, die Überwachung von Prozessen, die Steuerung von Prüfständen oder die statistische Analyse von Rohdaten“ (BER 14, S. 29) und strebt integrierte Lösungen an. Bei der Messung werden Signale, oder eben Messgrößen, über Sensoren erfasst und in Ströme oder Spannungen umgesetzt. Mit dem A/D-Wandler werden diese anschließend für den Rechner konditioniert.
AD-Umsetzer, kurz für Analog/Digital-Wandler, sind essenzielle Komponenten in der elektronischen Messtechnik. Sie vereinen „die Welt der analogen Messgrößen, Sensoren und Verstärker mit der digitalen Welt der Rechner“ (SCH 12, S. 304). Die Eingangssignale der A/D-Umsetzer sind amplitudenanalog, die Ausgangssignale jedoch sind zeit- und wertdiskret, also digital. Die Wandler lassen sich grundsätzlich in zwei große Gruppen unterteilen: Bei den direkt vergleichenden Umsetzer werden Spannungen lediglich verglichen, bei den indirekten werden umzusetzenden Spannungen in Frequenzen oder Zeitintervalle umgewandelt und anschließend gemessen. Bei ersteren, also den direkt Vergleichen, darf sich während der Umwandlung der Messwert nicht ändern. Stattdessen wird er in einem Abtast- und Halteglied gespeichert.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Was ist ein Komparator
3. Arten von Komparatoren und ihre Funktionsweisen
3.1 Analoge Komparatoren
3.1.1 Komparatoren als analoge Verstärker – Der nichtinvertierende Verstärker
3.1.2 Der invertierende Analogverstärker
3.2 Digitale Komparatoren
3.3 parallele Komparatoren
3.3.1 Fensterkomparator
3.4 Komparatoren mit Hysterese
3.4.1 invertierender Komparator mit Hysterese
3.4.2 nichtinvertierender Komparator mit Hysterese
3.4.3 Komparator ohne Hysterese
3.5 Komparator mit Kippverhalten
3.6 Dreipunktkomparator
3.7 Komparator mit Schmitt-Trigger (invertierend und nichtinvertierend)
3.7.1 Präzisions-Schmitt-Trigger
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, die verschiedenen Typen von Komparatoren in der elektronischen Messtechnik systematisch zu klassifizieren und deren grundlegende Funktionsweisen zu erläutern, um ein fundiertes Verständnis für deren Einsatz bei der Analog/Digital-Wandlung zu schaffen.
- Definition und technische Grundlagen von Komparatoren
- Differenzierung zwischen analogen und digitalen Komparatoren
- Mechanismen zur Störungsunterdrückung mittels Schalthysterese
- Untersuchung spezialisierter Schaltungen wie Fensterkomparatoren und Schmitt-Trigger
- Praktische Anwendungsbereiche in der Messtechnik und Regelungstechnik
Auszug aus dem Buch
3.4 Komparatoren mit Hysterese
Die Eingangsspannung, die vom Komparator verglichen wird, sind oft stochastische Einstreuungen oder Oberwellen überlagert. Sind die Eingangsspannung und die Referenzspannung ungefähr gleich groß, wird infolge der überlagerten Störungen die Schaltwelle des Komparators abwechselnd unter- und überschritten. Demzufolge tritt das Signal, welches Steuerkreise oder Stellglieder ansteuert, entsprechend häufiger auf. Dieser Effekt ist unerwünscht und ihm kann durch einen mit einer Hysterese anhaftenden Komparator entgegengewirkt werden. (Vgl. SCH 12, S. 306)
Grundsätzlich unterscheidet man zwei Schaltungen: die invertierende und die nichtinvertierende. Infolge einer Mitkopplung treten ein unterer und ein oberer Schwellwert auf, deren Differenz die Schalthysterese ist. (Vgl. BER 14, S. 106 f.) Der Begriff „Hysterese“ bedeutet, aus dem Griechischen übersetzt, „zurückbleiben“ und bezeichnet eine Veränderung der Schaltschwelle abhängig vom Ausgangssignal. (Vgl. www.controllersandpcs.de)
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Beschreibt die Rolle der Datenverarbeitung in Computersystemen und die fundamentale Bedeutung von AD-Umsetzern in der Messtechnik.
2. Was ist ein Komparator: Erläutert die etymologische Herkunft, das Grundprinzip als Differenzverstärker sowie die Funktion als 1-Bit-AD-Umsetzer.
3. Arten von Komparatoren und ihre Funktionsweisen: Bietet einen detaillierten Überblick über verschiedene Komparator-Architekturen, von analogen und digitalen Varianten bis hin zu spezialisierten Schaltungen wie Hysterese-Komparatoren und Schmitt-Triggern.
Schlüsselwörter
Komparator, Operationsverstärker, Messtechnik, Analog-Digital-Wandler, Referenzspannung, Hysterese, Signalverarbeitung, Schmitt-Trigger, Fensterkomparator, Differenzverstärker, Schaltverhalten, Digitaltechnik, Schwellwertschalter.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die elektronischen Grundlagen und Funktionsweisen von Komparatoren, die zur Verarbeitung und zum Vergleich von Messsignalen in Computersystemen eingesetzt werden.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Schwerpunkte liegen auf der analogen und digitalen Signalverarbeitung, der Implementierung von Schalthysteresen zur Störunterdrückung und speziellen Schaltungstypen wie dem Schmitt-Trigger.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Ziel ist es, die technologische Vielfalt der Komparatoren darzustellen und deren spezifische Eignung für Anwendungen in der Messtechnik zu erläutern.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit nutzt eine literaturbasierte Analyse technischer Grundlagen und Schaltungskonzepte, gestützt durch schematische Darstellungen und mathematische Formeln zur Erläuterung der Signalverläufe.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Untersuchung verschiedener Komparatortypen, wobei sowohl analoge und digitale Konzepte als auch komplexe Schaltungen mit Kippverhalten oder Hysterese detailliert beschrieben werden.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die zentralen Begriffe umfassen Komparator, Hysterese, Messtechnik, AD-Wandlung und Schmitt-Trigger.
Warum ist ein Komparator ohne Hysterese anfällig für Störungen?
Bei instabilen Eingangssignalen in der Nähe des Umschaltpunktes kann es ohne Hysterese zu einem unerwünschten, mehrfachen Hin- und Herkippen des Ausgangssignals durch Rauschen oder Störspannungen kommen.
Was unterscheidet einen Fensterkomparator von einem Standard-Komparator?
Ein Fensterkomparator prüft, ob eine Spannung innerhalb eines definierten Bereichs zwischen zwei Referenzspannungen liegt, wofür er zwei Einzelkomparatoren parallel schaltet.
Welche Rolle spielt die Mitkopplung bei der Hysterese?
Die Mitkopplung erzeugt einen oberen und einen unteren Schwellwert, deren Differenz als Schalthysterese fungiert, was die Störfestigkeit des Komparators erhöht.
Wie lässt sich ein Dreipunkt-Komparator realisieren?
Ein Dreipunkt-Komparator wird erreicht, indem eine Diodenbrücke in die Gegenkopplungsleitung integriert wird, wodurch drei definierte Ausgangszustände ermöglicht werden.
- Arbeit zitieren
- Winnie Faust (Autor:in), 2015, Bauarten von Komparatoren in der Messtechnik, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/338210
