An der Bergischen Universität Wuppertal sind in den letzten Jahren Hardwareprojekte rund um die Messtechnik entstanden. Hierbei stand die Verwendung der Hardware im Rahmen von Schulen und der Lehre im Vordergrund.
Messverstärker
Viele physikalische Experimente liefern Signale, die sehr klein, oder nicht elektronisch belastbar sind. Für die Messung ist daher ein Verstärker notwendig um die Signale darstellen zu können. Beispielsweise wird für elektrostatische Experimente die Messung geringer Ladungsmengen (z.B. pico-Coulomb) notwendig. Hierfür ist ein Messverstärker mit sehr hohem Eingangswiderstand notwendig. Der entwickelte Verstärker ist nicht auf einen Anwendungszweck festgelegt, sondern wird durch die externe Beschaltung auf der Gehäuseoberseite konfiguriert (Spannungsverstärkung, Strommessung, Ladungsmessung ...). Die Spannungsversorgung erfolgt mit zwei 9V Batterien, die bereits im Gehäuse eingebaut sind. Hierdurch entfällt die Notwendigkeit einer externen Spannungsquelle und Rausch- und Brummspannungsprobleme werden minimiert.
Die Erfassung von Spannungen mit einem Computer stellt eine häufige Aufgabe bei physikalischen Experimenten in der Schule dar. Die Signale können dann weiterverarbeitet, oder zur besseren Darstellung mit einem Beamer projeziert werden. Die entwickelte Box bietet 4 Analoge Eingänge ( 2 mal ±1V und 2 mal ±10V), die mit 8 oder 10 Bit digitalisiert werden können. Die Abtastrate hängt hierbei von der Anzahl der verwendeten Kanäle ab und kann von 1Hz bis 50kHz verändert werden. Der Anschluss an den Computer erfolgt über eine USB-Schnittstelle. Für die Weiterverarbeitung stehen fertige Anwendungen zur Verfügung: 2-Kanal Oszillograph, 4-Kanal Voltmeter, xt-Schreiber, xy-Schreiber, Zeitmessung, Stopuhr).
Für die USB-Box wurden einige spezielle Anwendungen erstellt, mit denen Standardaufgaben in der Messtechnik erfüllt werden können: Für die Analogen Eingänge gibt es die folgenden Programme:
Voltmeter mit einer Abtastrate von 10Hz
XY-Schreiber
Yt-Schreiber inkl. eines Triggers
Häufig werden in physikalischen Experimenten Zeiten (z.B. die Periode einer Pendelschwingung) oder Geschwindigkeiten gemessen. Speziell hierfür stehen Anwendungen zur Verfügung, die über die digitalen Eingänge der USB-Box eine oder mehrere Zeitmessungen erlauben
Stoppuhr
Vermessung eines Pendels: die Periodendauer und die Pendelgeschwindigkeit wird gemessen. Die Geschwindigkeit wird hierbei über die Dunkelzeit einer Lichtschranke bestimmt
Messung der Geschwindigkeit zweier Wagen auf einer Luftkissenschiene. Hierdurch kann der Impulsübertrag beim elastischen Stoss bestimmt werden
Alle obigen Anwendungen können als ein Paket heruntergeladen werden:
Das Anwendungspaket (Version vom 3. November 2009) kann hier heruntergeladen werden.
Software-Oszillograph
Jeder Computer besitzt mit der Soundkarte ein Datenerfassungsystem mit zwei Kanälen, 16Bit Auflösung mindestens 44,1kHz Abtastrate. Viele Soundkarten erlauben sogar Abtastraten bis 100kHz. Um diese Möglichkeiten nutzen zu können wird hier eine Windowsanwendung zur Verfügung gestellt, die das Arbeiten mit den Daten der Soundkarte ermöglicht und die folgenden Eigenschaften hat:
Zwei Kanal Oszillograph
Zwei Kanal Signalgenerator
XY-Graph
Frequenzanalyse
Frequenzfilter
Weiterhin können die Signale in der Amplitude und der Zeit vermessen werden. Die Soundkarte eignet sich sehr gut für die Verarbeitung von Frequenzen von 20Hz bis 20kHz. Sie ist NICHT geeignet für langsame Signale, oder Gleichspannungssignale, da die Eingänge der Soundkarte gleichspannungsmässig entkoppelt sind und zusätzliche Filter tiefe Frequenzen (unterhalb von 20Hz) abschneiden. Für langsame Signale kann aber die oben beschriebene USB-Box als Datenquelle verwendet werden. diese wird von der Software erkannt.
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Die Software kann über eine separate Webseite heruntergeladen werden und ist für die private Nutzung und die Verwendung in der Lehre kostenlos.