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18.10.2015

Wer mißt mißt Mist.        Fortgeschrittenes Elektronikwissen.

Meß Technik für Leute, die es "genau" wissen wollen.

    zusätzliche Powerpoints aus einer Vortragsreihe..:
als PDF : Wer Misst misst mist T3-Vollversion3.pdf
oder Powerpoint
von 2013: Wer Miss tmisst mist 2013-Vollversion.pptx

(VERALTET)
        MessTechnik_DieterSchuh_T1.ppt

        CE_T2_Wer misst misst Mist.ppt

Es ist etwa das Dilemma, die Schrödinger mit seinem berühmten (Schrödingers Katze) Modell beschrieben hat.
Man weiß nie, ob die Katze tot ist. Außer man schaut nach.
Erst dann wird der unbestimmte Zustand definiert.
Aber damit ändert man auch die Bedingenen.
Man weiß also auch nicht, ob die Katz noch leben würde, hätte man nicht nachgesehen,
oder nur tot ist, weil man nachgesehen hat.

Merke:
Wer etwas mißt, verändert "im Feinen" die Meß-Signalsituation.!
und das sollte man bei kleinen Messgrößen berücksichtigen.
Und eine der wichtigsten Fragen ist die Potentialsituation.
Das Prinzip:
1..) Gemessen wird von einem Bezugspunkt aus. Egal in welcher Einheit.
        Bsp.: Von der Wand weg:.. 2 Meter  20,  
                Umfang Taille: 92cm Bauchumfang,
                4.5V Batterie-Spannung zwischen Plus und Minus!
2.) Gemessen wird eine Differenz.  Von hier nach da,--- mehr oder weniger relativ zu...---
Also immer von einem Bezugspunkt aus. !!
Das Prinzip ist immer das Selbe.
Gemessen wird  letztlich immer eine Differenz


Doch so geht es nur mit einer gewissen "Unschärfe" genau....
In physikalischen Laboren werden jedoch oft sehr präzise Messungen gefordert.
Oft sind auch nur kleine Effekte interessant.
Damit diese nicht in der Meßungenauigkeit untergehen, oder im Rauschen versinken, ist mehr Verständnissaufwand erforderlich.

Immer sind Kabelverbindungen zwischen Probe und Meßgerät erforderlich.
Hier kann man schon erste Probleme einbauen, bzw. vermeiden, wenn man mehr Verständnis für die Situation hat.

Ich will mal ein praktisches Model  zeigen.
Aufgabe: Ein schwach signaliges Bühnenmikrofon ist ohne Störungen/Brummen mit der Verstärkeranlage zu verbinden...
Das ist nicht anders als eine Meßsituation.

1.Fall  Einfache ungeschirmte Verkabelung:


Die Probelme liegen auf der Hand...einige 100mV Störspannung sind zu erwarten.
(  so werden ja einfache Multimeter zu Hand-Schnell-Testzwecken angeschlossen  )
Damit kann man leben, wenn der Störabstand zum Nutzsignal befriedigned ist und keine hohen Anforderungen auf die Genauigkeit gestellt werden.

"Viel" Besser, ist es geschirmte Leitungen ( BNC-Kabel etc.) zu verwenden.
Häufigste, einfachtse, jedoch auch nicht fehlerfreie Verkabelung oder Verbindungssituation:
Wenn man die Signalströme in einem Model ansieht, dann sieht es etwa so aus.

2.Fall. leider Standard.

Unsymetrische Verkabelung
genann
t,  weil ein Signalpol über die Masse geführt wird.
Aber an den "Unsymetrischen  Meßeingang."
So  sieht die normale Situation aus, einfache einpolige geschirmte Messleitungen .
Das ist zwar schon recht gut, aber vom Ideal noch etwas entfernt.
Die Erklärung.. die Mess/Signal Leitung selbst fließt in die Anordnung mit ein.

der Signalstromflüß führt über die Schirmung, die eben eine Widerstand hat. So wird evtl ein Signal eingekoppelt.

3-Fall. Etwas Professioneller.
Besser geht es schon mit der "Symetrischen Verkabelung:"
geführt. Die Schirmung wir dnur an EINEM Punkt Hier wird das Signal in einer 2-poligen Leitungmit dem Signal verbunden. So ist die Schirmung stromfrei.
Wo kein Strom, da keine Fehler Spannung...

Schon besser. und kostet keine besondere Empfänger-Elektronik.

4. Fall. Erweiterung mit eine Differenzverstärker.!
Mit einem zweipoligen "Symetrischen Kabel" verbundene Signalquellen können nun mit einem Differenzverstärker versehen werden:
Dies hat den riesigen Vorteil, das nun gleichtaktische Störungen eben keine Differenz sind und eliminiert werden.
Ein grosser Schritt in richtung professioneller Signalaufnahme.
( in Studios und "besseren" Mischpulten werden Bühnenmikrofone "Symetrisch" an einen Differenzeingang angeschlossen.)

Symetrischer Differenzeingang

Dies erfordert einen Meßeingang mit einem quasi ‚potentialfreien‘ Differenzeingang.
Störungen sind meist phasengleich.
Bilden also keine Differenz und werden somit automatisch annulliert. Störungsdifferenz = NULL.
Mit einem hochohmigen Widerstand  „schwimmt“ das Potential jedoch gegen Masse.
Wichtig ist bei Verwendung eines Meßverstärkers darauf zu achten, dass die Meßbereiche etwa in der Mitte der Versorgungsspannung von oft dualversorgten Messverstärkern zu legen.
Es ist immer Sinnvoll darauf zu achten, Ob die zu Messenden Signale Potentialfrei sind, oder nicht.
Also letztlich, wo die Potentiale sind.
Multimeter sind durch die Isolation und die Batterie immer qasi Potentialfrei.
Installierte Messgeräte jedoch nicht !
Gerade die BNC-Buchsen haben am Massekontakt  oft Erde/Ground  als 0V Potential.
Trick:
Mit einem 'hochohmigen' Widerstand kann jedoch ein "quasi „schwimmendes“ Potential in die Nähe der Meßspannungsmitte = 0 V gelegt werden, wenn man den Supply Minusausgang nicht direkt mit Ground verbinden möchte. Siehe also den Widerstand der einen Pegel der potentialfreien Probenspannung mit dem Messverstärker ( und dessen Stromversorgung )  in Beziehung  bringt. So etwa wie ein Gummiband. Schwimmende wird so die Meßspannung zum 0V Potential gezogen..

 

Der beste Weg  für eine saubere Masse/Erdungs-Signalsituation ist ein sogenannter
Massepunkt. Masse-Stern-Knotenpunkt... Wie auch immer.
Also ein zentrale Schraube, wo evtl. zusätzliche Masseleitungen sich in einem Punkt vereinigen sind eine "gute Signalgrundlage"..
Auch aus Sicherheitsaspekten.
In Laboren z.B gut mit eine Schraube auf Metalltischen zu realisieren.  
Auch ein Selbstbau-Stromstecker mit nur einem Massedraht von der Steckdosenleiste zum Messtisch ist da hilfreich.

Siehe im Bildbeispiel, wie verschiedene Geräte dieselben 0V Potentiale am  Potentialausgleichs-PUNKT bekommen.




VierpunktMessung...
Um die Einflüsse von den Leitungswiderständen herauszurechnen wird im sogenanten 4-Punkt Betrieb unterschieden zwischen Stromführenden Leitungen und separaten (EXTRA) Messleitungen.
In präzisem Spannungsquellen wird diese Technik genutzt, wie im Beispiel, um die Spannungs-Leitungsverluste der Stromführenden Leitungen in die Steuergegenkopplung mit sogenannten SENSE-Leitungeneinzubeziehen.



Dieses Prinzip wird auch bei präzisen Meßungen verwendet
Die strombelasteten Teile werden von den extra Messleitungen umgangen... trotz der Galvanisch direkten Verbindung legt man praktisch das "sehende Auge" der Spannungsmessung direkt an das Messobjekt.





Hochfrequenz- Meßungen oder Steile ( schnelle )Flanken.

Ein Thema für sich ist die Übertragung hochfrequenter Signale.
Hierbei ist darauf zu achten dass zur optimalen Signalleistungsübertragung die Impetanzen angeglichen sind.

HF oder schnelle Signale verhalten sich wie zwei Pendel. zum Verständniss:
Kondition: Beide Pendel sind miteinander durch eine Schnur Verbunden
(gekoppelt)

1.Wir werfen Pendel A an.
Nur wenn beide Pendel
gleich lang und schwer sind, bleibt Pendel A stehen, und B schwingt mit der  Energie von A.

Die Energie wird in diesem Fall zu 100% weitergeleitet.
Genau das wollen wir ja bei der Übertragung von Signalen erreichen.


Die beiden Kabelenden einer HF-Leitung verhalten sich wie die gekoppelten Pendel. Der 50 Ohm Widerstand stellt den Wirkwiderstand R zur Gesamtimpetanz Z des HF Kabels dar . Welches sich intern aus den Wellenwiderständen Xc/Xl  zusammensetzt. Somit stehen an beiden Enden gleiche (Pendel) Z-Größen gegenüber, und Signalreflektionen werden unterdrückt. Eine maximale HF-Leistungsübertragung findet statt.



und noch hier ein Beispiel...Frage? Wieviel Ohm hat der Widerstand.

Wir sind die Borg. Widerstand ist zwecklos: