Katern Stevin havo - G2 signaalverwerking

 

Embed or link this publication

Description

Katern Stevin havo - G2 signaalverwerking

Popular Pages


p. 1

Niet voor gebruik op school Hubert Biezeveld / Louis Mathot / Ruud Brouwer Stevin natuurkunde voor de bovenbouw HAVO Sigaalverwerking subdomein G2 2016 Zwaag / Haarlem / Amsterdam

[close]

p. 2

Niet voor gebruik op school 25-VI-2016 © Hubert Biezeveld, Louis Mathot en Ruud Brouwer Alle rechten voorbehouden. Zonder voorafgaande, schriftelijke toestemming van de auteurs mogen op geen enkele manier fragmenten uit dit boek worden overgenomen. Voor zover overname is toegestaan volgens de auteurswet van 1912, dient men de vergoeding daarvoor te regelen via onze website. www.stevin.info stevin@stevin.info All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted, in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, or otherwise, without the prior written permission of the authors. Dit katern is niet te koop in de boekhandel. Het heeft dus geen ISBN. Informatie over bestellen is te vinden op www.stevin.info.

[close]

p. 3

G2 Niet voor gebruik op school Signaalverwerking Deze leerlingen gebruiken voor onderzoek: een aantal systeemborden, een arm, een ruggengraat en een stel hersens. Wat proberen zij daarmee te demonstreren?

[close]

p. 4

Niet voor gebruik op school 4 G2 Signaalverwerking 1 Schakelen met poorten Als vroeger de temperatuur in huis te laag was, stookte men de kachel wat op, nu geeft de thermostaat een signaal aan de cv-ketel dat er warmte nodig is. Héél vroeger kwam de lantaarnopsteker langs, nu gaat de straatverlichting automatisch aan als de duisternis invalt − en dus ook bij een complete zonsverduistering. Een voorbeeld van een automaat in huis is de wasmachine. Die heeft sensoren voor: niveau en temperatuur van het water, kleppen voor toevoer en afvoer, deurbeveiliging, onbalans en toerental van de motor. Kijken → denken → doen Bij een proefwerk let een leraar op of leerlingen spieken. Hoe merkt hij dat en wat doet hij als hij iets merkt? Als een leerling overduidelijk op het papier van een ander kijkt, is het bewijs wel geleverd. Maar leerlingen bedenken codes om antwoorden door te seinen. Bij meerkeuzetoetsen is dat niet zo moeilijk: een hand op het hoofd of in de nek kan een antwoordletter betekenen. Zowel leraar als leerling letten op signalen. Nadat het signaal ontvangen is, wordt nagedacht wat er mee gedaan moet worden: Moet de leraar waarschuwen, de leerling verplaatsen, het blaadje innemen? Moet de leerling het antwoord overschrijven, of eerst controleren bij een andere leerling? Kortom het signaal wordt in de denkfase eerst verwerkt en pas daarna volgt een actie. Blokschema’s De drie fasen bij het proefwerk KIJKEN → DENKEN → DOEN kunnen we in een blokschema weergeven: 1 is het signaal dat uit de omgeving (de klas) komt, 2 en 3 zijn signalen door zenuwbanen. Bij geautomatiseerde systemen hebben we ook drie van zulke fasen, ze heten nu: METEN → VERWERKEN → STUREN Een sensor (een ‘voeler’) meet via 1 dat er in de omgeving iets aan de hand is (het is koud / het is donker). Daarna wordt er in verwerkers een beslissing genomen (de cv / de lamp moet aan) en tenslotte wordt er een actie ondernomen (de gastoevoer gaat open / de schakelaar wordt omgezet). Het apparaat aan het einde van de lijn wordt actuator genoemd. Vaak is dat een relais; dat is een magnetische schakelaar die bediend wordt door een elektrische stroom. Ook nu kunnen we de verschillende fasen in een blokschema weergeven: 2 en 3 zijn signalen die via snoertjes lopen. Het systeembord Op systeemborden zijn drie blokken te vinden.  invoer waar we de sensoren aansluiten;  verwerking waar beslissingen genomen worden;  uitvoer waar de actuatoren te vinden zijn. Als actuator gebruiken we een zoemer of een relais, of we bootsen hem na met een led. Als de led brandt, ‘spelen’ we dat een kachel aan is, dat een zonnescherm neergelaten is of dat een alarm werkt. Tip Pas op met het relais Als je op het systeembord de onderdelen in de verkeerde volgorde met elkaar verbindt, gaat er niets kapot, behalve als je met een uitwendige spanningsbron werkt via het relais. Schakelingen met een relais moet je daarom altijd laten controleren.

[close]

p. 5

Niet voor gebruik op school 1 Schakelen met poorten 5 Sensoren Een sensor geeft een elektrische spanning af die afhangt van de gemeten waarde. Het uitgangssignaal van schoolsensoren ligt tussen 0 V en 5 V. De waarde van 5 V volgt uit internationale afspraken, waardoor TTL-componenten (Transistor Transistor Logic) er voor zorgen dat computerschakelingen allemaal op elkaar zijn aan te sluiten. Een voorbeeld is deze temperatuursensor die op het systeembord is aangesloten. Met een voltmeter kun je de uitgangsspanningen meten wanneer je hem in smeltend ijs (0 ºC) of kokend water (100 ºC) plaatst. Bij deze sensor is de U(T )-grafiek een rechte lijn. Verwerkers en actuators De elementen waarmee beslissingen worden genomen, worden verwerkers genoemd. Deze hebben ook een voeding van 5 V nodig. Zij reageren op één of meer signalen die van sensoren afkomstig zijn en ze geven aan hun uitgang slechts twee soorten signalen: laag of hoog (afgerond 0 V en 5 V). Het uitgangssignaal van de verwerker gaat naar een andere verwerker of naar een actuator. Om te oefenen gebruiken we als actuator een led of een relais. De led gaat branden en het relais schakelt als ze een hoog signaal ontvangen. In een schets tekenen we meestal alleen de signaaldraad. De voedingsdraad (rood) en de gemeenschappelijke nuldraad (zwart, de massa), die hier nog getekend zijn, laten we verder weg. Simulatie We kunnen sensoren nabootsen (simuleren) met een variabele spanning tussen 0 V en 5 V. Een hoge spanning ‘speelt voor’: veel licht, veel geluid, hoge temperatuur ... In de praktijk noemen we een spanning van 0 V tot 1 V laag en een spanning van 3 V tot 5 V hoog. Systematic Behalve op het systeembord kun je met het computerprogramma Systematic automatische schakelingen ontwerpen. Hierin heb je een onbeperkt aantal verwerkers tot je beschikking. Behalve de drukschakelaar die je met de muis ingedrukt houdt, kent Systematic:  de ‘toggle’ voor een vast hoog signaal  en de ‘switch’ die schakelt tussen hoog en laag. Bij het maken van huiswerk kun je dit computerprogramma goed gebruiken. Met Systematic ziet bijvoorbeeld de variabele spanning er zo uit: Het blokje is een schuif waarmee je de spanning instelt tussen 0 V en 5 V. Je kunt hem met de muis verplaatsen.

[close]

p. 6

Niet voor gebruik op school 6 G2 Signaalverwerking Proef 1 De invertor De invertor (of ‘omkeerder’) wordt gebruikt om een hoog signaal te veranderen in een laag signaal en andersom. Stel de led simuleert de gastoevoer naar de cv. Als de temperatuur hoog is, geeft de sensor een hoog signaal en gaat de led branden. Een kachel die gaat branden als de temperatuur oploopt, is natuurlijk niet echt handig. In zo’n geval gebruik je de invertor. a Bouw deze schakeling. c Wanneer zal de led in deze schakeling branden? Proef 3 De of-poort De led moet gaan branden als jij op S1 òf als je buurvrouw op S2 drukt. Als jullie beiden indrukken, moet de led ook branden. In zo’n geval gebruik je de OF-poort. a Maak deze schakeling en probeer hem uit. b Voorspel welke led brandt als je de drukschakelaar wel en niet indrukt. c Controleer je voorspelling. Proef 2 De en-poort Een zonnescherm moet omlaag als de zon schijnt en tegelijkertijd de temperatuur hoog is. Nu moet je twee signalen combineren via de EN-poort. We gebruiken twee drukschakelaars S1 en S2 die bij indrukken 5 V geven.  S1 ingedrukt, betekent ‘veel licht’ en  S2 ingedrukt, betekent ‘hoge temperatuur’. a Sluit twee drukschakelaars aan op de ingangen van de EN-poort en verbind de uitgang met de led (de motor van het zonnescherm). b Wanneer brandt de led? b Voorspel hoe de led hieronder op S1 en S2 zal reageren en controleer je voorspelling door de schakeling te bouwen en uit te proberen. Tip Een waarheidstabel Bij zulke proeven waarbij je de effecten van verschillende signalen moet combineren, is het handig om van een waarheidstabel gebruik te maken. Je leest daarin af wat de toestand van de uitgang is bij verschillende toestanden van de ingangssituaties. De 1 staat voor een hoog signaal en de 0 voor een laag signaal. Van de EN-poort en de OF-poort zien die waarheidstabellen er zo uit: EN-poort In1 In2 Uit 111 100 010 000 OF-poort In1 In2 Uit 111 101 011 000

[close]

p. 7

Niet voor gebruik op school 1 Schakelen met poorten 7 Proef 4 De comparator Bij de proef met de EN-poort gebruikte je een ingedrukte schakelaar als simulatie van: ‘de zon schijnt’. In de praktijk is het ingewikkelder want de lichtsensor geeft, zoals elke sensor, een signaal af tussen 0 V en 5 V. Voor we daarmee naar een verwerker gaan, moeten we afspreken of we dat signaal hoog of laag noemen. We doen dat met een comparator (of ‘vergelijker’). De comparator heeft twee ingangen. Op de ene sluit je een sensor aan. De andere is verbonden met een regelbare spanning, de referentiespanning Uref, dat is de spanning waarmee je de sensorspanning vergelijkt. De vorige verwerkers reageerden alleen op 5 V. De comparator reageert op iedere spanning tussen 0 V en 5 V. Als de sensorspanning hoger is dan Uref, geeft de uitgang 5 V af en anders 0 V. a Verbind de uitgang van de comparator met een led en stel de referentiespanning in op 3 V. Verbind de ingang met de variabele spanning Usim en ga na of de led brandt als Usim ≥ 3 V. d Ontwerp een schakeling met bijbehorende referentiespanning waarbij het lampje aan gaat als je in de buurt van de lichtsensor een lucifer afstrijkt; het lampje moet blijven branden als de lucifer is uitgebrand. Tip De plaats van de comparator Een comparator hoort direct achter een sensor en nooit achter een poort of een geheugen. Van die twee krijgt hij immers alleen te horen: 0 V of 5 V. Daarna valt er niets meer te vergelijken. Proef 5 Het geheugen Stel een dief tikt een autoraam in. Daardoor gaat het autoalarm af en blijft afgaan tot jij het uitzet. In zo’n geval gebruik je een geheugen M (een memory). Deze verwerker heeft twee ingangen: set en reset die beide reageren op een hoog signaal. Het inslaan van het raam simuleren we met de drukschakelaar S1 die je kort indrukt. Met de schakelaar S2 die verbonden is met de reset van het geheugen kun je het alarm uitzetten. a Controleer de werking van het geheugen (en het autoalarm) met deze schakeling: b Stel de Usim speelt voor temperatuursensor en de led voor kachel. Ontwerp een schakeling die de kachel aanzet zolang de temperatuur een gewenste waarde nog niet bereikt heeft. c Sluit een lichtsensor aan en vervang de led door het relais. Via het relais sluit je een lampje aan op een aparte spanningsbron. Laat de schakeling dus controleren. ►Ontwerp een schakeling waarbij het lampje langzaam knippert. Ga na hoe je de referentiespanning moet instellen. b Ga na dat set het wint als set en reset beide hoog zijn.

[close]

p. 8

Niet voor gebruik op school 8 G2 Signaalverwerking De pulsgenerator en de teller Behalve de sensoren en de variabele spanning is er nog een signaalbron: de pulsgenerator. Deze geeft korte, hoge signalen (positieve elektrische pulsen) met een vaste, maar wel instelbare frequentie. Je kunt deze pulsen aan een led toevoeren en ze bij lage frequenties zelf tellen. Bij hoge frequenties lukt dat niet en doet een teller het werk voor je. De teller heeft drie ingangen:  Tel pulsen, hier sluit je de pulsgenerator op aan.  Tellen aan/uit, als je deze ingang hoog maakt (of niet gebruikt), wordt er geteld.  Reset, een hoog signaal zet de teller op nul. c Stel in deze schakeling de comparator zó in dat er alleen geteld wordt als je de lichtsensor even afdekt. ►Wapper met je hand voor de lichtsensor en lees af hoe vaak je dat gedaan hebt. ►Beweeg je hand met gespreide vingers langs de sensor en lees af hoeveel vingers je hebt. Proef 7 Tellen met leds a Maak deze schakeling en ga na hoe de leds en het venster reageren: De teller heeft twee uitgangen:  Een venster waarin een getal verschijnt. Op een systeembord telt de teller meestal van 0 t/m 9. In Systematic kun je het maximum instellen.  Een zogenaamde binaire uitgang, waarop je iets kunt aansluiten. Proef 6 Pulsen tellen a Sluit tel pulsen en tellen aan/uit van de teller aan op de twee drukschakelaars; voor reset gebruik je de knop bij de teller. Onderzoek de werking van de drie ingangen. ►Ga na dat reset het altijd wint: als je die hoog maakt, blijft de teller op nul staan, wat je ook met de andere ingangen doet. ►Ga na dat alleen geteld wordt als tellen aan/uit hoog is. b Koppel de pulsgenerator af en geef zelf pulsen met een drukschakelaar. Noteer na iedere puls welke leds branden en wat er in het venster staat. venster 0 1 2 3 4 . 8 uit uit uit uit . leds 42 uit uit uit uit uit aan uit aan -.. 1 uit aan uit aan . b Verbind de pulsgenerator met tel pulsen. ►Ga na bij welke frequentie je het knipperen van de leds en de veranderingen in het venster niet meer kunt volgen.

[close]

p. 9

Niet voor gebruik op school 1 Schakelen met poorten 9 Tellen Deze ‘waarnemer W’ heeft, net als de meeste stripfiguren, slechts drie vingers en een duim en daardoor heeft hij moeite om tot tien te tellen. Op acht vingers tel je digitaal-octaal. Voor één t/m zeven heb je de aparte symbolen 1 t/m 7. Voor de waarnemer W heeft het symbool 8 dus geen betekenis. Een computer telt op slechts twee vingers, dit heet digitaal-binair. Voor het getal twee heb je dus al geen apart symbool meer. Het tellen gaat nu zo: 12 3 4 5 1 10 11 100 101 ... Dit tweetallig tellen is in de 17e eeuw door Leibniz uitgevonden. Als wij tellen volgens de zwarte rij getallen, telt hij volgens de gekleurde rij. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 ... 1 2 3 4 5 6 7 10 11 12 13 14 15 16 17 20 ... De Romeinen kenden de nul nog niet en telden zoals je turft: een vinger (I), een hand (V), twee handen (X). Bij hen was XXXVII dus 37. De nul is een van de belangrijkste uitvindingen uit de wiskunde. Twee handen vol is één/nul (10), twee keer twee handen vol wordt twee/nul (20) ... Wij tellen decimaal (dat is tientallig). 37 betekent: drie keer twee handen vol dus drie/nul (30) plus zeven losse vingers (7). Het decimale getal 2037 bestaat uit de cijfers 2, 0, 3 en 7 elk met hun eigen gewicht: de 2 heeft het gewicht de 0 heeft het gewicht de 3 heeft het gewicht de 7 heeft het gewicht 1000  2∙103 100  0∙102 10  3∙101 1  7∙100 We noemen de 2 het ‘meest significante cijfer’ omdat die het grootste gewicht heeft. Binair tellen Ons tellen op tien vingers noemen we digitaaldecimaal (van het latijnse digit dat vinger of duim betekent). Voor de getallen één t/m negen heb je de aparte symbolen 1 t/m 9 en daarna krijg je voor de tien één/nul, de 10. Met leds kunnen we binair tellen: AAN is 1 en UIT is 0. We noemen zo’n één of nul een bit (BInaire digiT). Een byte is acht bits (by eight). De vensters van tellers op school tellen meestal maar van 0 t/m 9. Met vier leds kunnen we echter van 0 t/m 15 tellen: venster 0 1 2 . 15 23 0 0 0 . 1 LEDs 22 21 00 00 01 .. 11 20 0 1 0 . 1 Voorbeeld Van decimaal naar binair  Hoe schrijf je 157 binair? Oplossing Van 157 kun je 27 = 128 afhalen. Dan houd je 29 over, dus 26 = 64 en 25 = 32 vallen af. Ga stap voor stap na dat dit de oplossing is: 1∙27 + 0∙26 + 0∙25 + 1∙24 + 1∙23 + 1∙22 + 0∙21 + 1∙20 dus 15710 = 100111012 Om 157 weer te geven, heb je dus acht leds nodig.

[close]

p. 10

Niet voor gebruik op school 10 G2 Signaalverwerking Opgaven 1 1 a Leg uit dat de led hier nooit brandt als je S1 indrukt. 6 Een baken is herkenbaar aan het signaal dat het uitzendt. a Onderzoek met een waarheidstabel hoe het licht van de led hier in de tijd verloopt. b Leg uit wanneer de led wel brandt. 2 a Welke van deze drie schakelingen met lampjes gedraagt zich als EN-poort, welke als OF-poort en welke als invertor? b Maak een overzicht waarin je de symbolen en de werking weergeeft van: een invertor, een EN-poort, een OF-poort, een comparator en een geheugen. 3 Waarom deugt deze schakeling met een microfoon niet? teller EN OF In1 In2 Uit = In1 In2 Uit 1 2 . b Leg uit hoe lang de led hier brandt en hoe lang de led uit is. 7 a Voeg in deze schakeling één draad toe zodat de teller 0 1 2 3 0 1 2 3 0 1 2 3 enz. aanwijst. 4 a Teken het symbool van een teller. b Met welke ingang kun je pulsen tellen? c Met welke ingang kun je de teller stop zetten? d Met welke ingang kun je de teller op nul zetten? ►Teken vier leds die zijn aangesloten op de uitgang van de teller. e Welke leds branden als je zeven pulsen hebt geteld? 5 a Wat is de decimale waarde van 10010011? b Wat is de binaire waarde van 123? b Breid de schakeling uit met een of meer poorten zodat de teller 0 1 2 0 1 2 0 1 2 enz. aanwijst. 8 Op de wc hangt een handdroger die na een druk op de knop 11 seconde blaast en dan vanzelf uitgaat. - Ontwerp een schakeling waarbij de droger na 11 seconde weer klaar staat voor een volgend paar handen.

[close]

p. 11

Niet voor gebruik op school 2 Meten, sturen en regelen 11 2 Meten, sturen en regelen In laboratoria over de hele wereld staan dag en nacht seismografen aan om aardbevingen te registreren. Op zulke metingen volgt niet automatisch een actie. In een auto wordt gemeten of er nog genoeg smeerolie in de motor aanwezig is. Als de oliedruk wegvalt, wordt er een signaal naar een controlelampje gestuurd zodat dit gaat branden, maar daarna gebeurt er niets meer. De bestuurder kan − als hij niet oplet − zijn motor nog gewoon in de prak rijden. In musea wordt gemeten wat de vochtigheid van de lucht is. Bij een te lage vochtigheidsgraad gaat er een signaal naar een verdamper en bij een te hoge wordt een ventilator aangezet. Op zo’n manier wordt het klimaat in het museum geregeld. Meten en sturen Onder meten verstaan we het verzamelen van gegevens zonder dat we er direct wat mee doen. Als een meting gevolgd wordt door een actie, spreken we van sturen. Meten en sturen kunnen we zo in een blokschema weergeven: Bij eenvoudige metingen is het vaak een kwestie van smaak in welk blok je een bepaalde stap indeelt. Stel je wilt een spanning meten met een ‘gewone’ voltmeter. Dan staat die spanning natuurlijk in OMGEVING, maar waar houden sensor en verwerker op en begint het uitvoergedeelte? Of ben je zelf de verwerker omdat jij de waarde afleest en die op een blaadje schrijft? Het wordt al wat anders als de computer metingen doet en die op het scherm of via een print toont. Dan is de computer de verwerker omdat hij rekent en tabellen en grafieken maakt. Het scherm of de printer staan nu in het blok UITVOER. Regelen Op p. 7 staat in Proef 4 bij b de opdracht een schakeling te maken waarmee je de temperatuur constant kunt houden. Zo’n schakeling noemen we een regelsysteem. Bij regelen is in het blok VERWERKING van te voren de waarde ingesteld die het signaal 2 moet hebben. Doordat de stuuropdracht in UITVOER invloed heeft op de gemeten grootheid in OMGEVING, verschijnt er in het blokschema een lus. Bij regelen staat in VERWERKING altijd een comparator. Vanuit de OMGEVING komt een signaal 1 (bijvoorbeeld een lichtsterkte) bij een sensor (LDR) in INVOER. De sensor geeft een signaal 2 aan de apparatuur in VERWERKEN. In dit blok wordt onder andere de ijking van de sensor gebruikt. Tot slot gaat er een signaal 3 naar UITVOER bijvoorbeeld een meter die een waarde aangeeft (met een wijzer of een display). Terugkoppeling Van de drie processen meten, sturen en regelen is regelen het meest interessant omdat daar terugkoppeling optreedt. Meestal is het de bedoeling van een regelsysteem om het verschil tussen gemeten waarde en gewenste waarde zo klein mogelijk te maken. We spreken dan van negatieve terugkoppeling omdat een te lage waarde hoger moet worden en een te hoge waarde lager.

[close]

p. 12

Niet voor gebruik op school 12 G2 Signaalverwerking Een bimetaal als thermostaat Bij een elektrische oven of een strijkijzer zie je het controlelampje zo nu en dan aan en weer uit gaan. De sensor is hier een bimetaal. Bij lage temperatuur zitten de twee contacten stevig tegen elkaar geklemd door het verende bimetaal. Neemt de temperatuur toe, dan gaat de donkere strip meer uitzetten dan de lichte en als de temperatuur hoog genoeg is, wordt het contact verbroken. De positie van de gekleurde strip kun je met de regelknop van de thermostaat variëren en zo stel je ook de gewenste eindtemperatuur in. Cybernetica De wetenschap die zich bezighoudt met terugkoppeling heet de cybernetica. Denk niet dat de cybernetica een jonge wetenschap is. Da Vinci (ca 1490) ontwikkelde een sensor voor een braadspit. Als de temperatuur opliep, ging een ventilator draaien door de opstijgende lucht. Die ventilator was gekoppeld aan het spit. Hoe hoger de temperatuur werd, des te sneller draaide het spit en zo werd verbranden van het vlees voorkomen. Proef 8 Temperatuur constant houden Bouw met het systeembord een regelsysteem om de temperatuur van een bak water op 37 ºC te houden. De temperatuursensor en het verwarmingselement plaats je in het water. Het element sluit je via het relais aan op een aparte voeding. (Laat dus controleren.) Het relais slaat af als T ≥ 37 ºC. Hier registreerde de computer op kanaal 1 of het relais aanstond en op kanaal 2 de waarde van de temperatuur. Na 1 uur werd wat ijs aan het water toegevoegd. Auto’s, motoren, treinen en vliegtuigen zitten vol regelsystemen. Denk bij een auto aan stuurbekrachtiging, cruise control, klimaatregeling, automatische dimlichten en ruitenwissers, maar ook aan ESP (dynamische stabiliteitscontrole), ABS (antiblokkeersysteem), ASR (anti-spin regeling) en EBR (noodremassistentie). Motoren zijn uitgerust met een anti-duiksysteem; treinen met ATB (automatische trein beïnvloeding) of met ETCS (european train control system). In vliegtuigen bevinden zich systemen die waarschuwen voor windsheer (plotselinge werveling van de lucht).

[close]

p. 13

Niet voor gebruik op school 2 Meten, sturen en regelen 13 Signalen: continu / discreet Meten, sturen en regelen begint altijd met een sensor. Het uitgangssignaal van schoolsensoren is een elektrische spanning, maar in de industrie zijn er ook sensoren die een mechanisch signaal geven − met oliedruk (hydraulisch) of met gasdruk (pneumatisch). Vaak gebruiken we een sensor als een black box: het ding doet wat je er van verwacht en je bekommert je niet om de inhoud. Er zijn twee soorten: sensoren met een continu signaal en met een discreet signaal. Meetinstrumenten: analoog / digitaal Meetinstrumenten zijn analoog of digitaal af te lezen. De instrumenten op de linker foto noemen we analoog. De wijzers of het kwikniveau kunnen hier op iedere waarde tussen begin en einde van de schaal staan. De instrumenten op de rechter foto noemen we digitaal. De getallen op het scherm (in het ‘display’) verspringen met vaste stappen. Bij de linker potentioschakeling kan de spanning over het lampje iedere waarde tussen 0 V en 5 V aannemen. Zo’n signaal noemen we continu. Rechts zijn er maar twee mogelijkheden: 0 V of 5 V. Dit signaal noemen we discreet. Discreet wil niet zeggen dat er maar twee mogelijkheden zijn. Acht kan ook, zoals bij een windwijzer op het dak die in de kamer slechts acht lampjes kan laten branden: N O Z W en de vier richtingen daartussen. Binair: uit/aan, laag/hoog, 0/1 Als de sensor maar twee signalen kan afgeven, noemen we hem binair: er is licht of er is geen licht; er is geluid of niet; er is een magnetisch veld, of niet ... Binair wil dus zeggen:  de schakelaar is open of dicht,  het lampje is uit of aan,  de spanning is laag of hoog,  een bit staat op 0 of 1. Ook het morse−alfabet met kort (•) en lang (▬) is gebaseerd op binaire signalen. Het bekende SOS ziet er zo uit: ••• ▬ ▬ ▬ ••• Continue signalen hoeven we niet per se analoog af te lezen. Tijd en temperatuur verlopen continu maar kunnen digitaal worden weergegeven. Ook discreet en digitaal horen niet per se bij elkaar. Als bij een proef alleen maar een paar discrete spanningen mogelijk zijn, dan worden die op een voltmeter met een wijzer toch analoog afgelezen. De woorden continu en discreet worden dus gebruikt om het soort signaal aan te geven. De woorden analoog en digitaal horen bij de manier van aflezen. Digitale instrumenten zien er moderner en nauwkeuriger uit dan analoge, vooral als je veel cijfers in het display kunt aflezen. Toch is dat schijn. Wheatley heeft zelfs de Nobelprijs voor natuurkunde gemist doordat hij zijn metingen aan supervloeibare stoffen met een digitale drukmeter deed en daardoor een heel klein piekje in een grafiek over het hoofd zag. Osheroff deed veel later dezelfde proef met een analoge recorder en ging er in 1996 met de prijs vandoor.

[close]

p. 14

Niet voor gebruik op school 14 G2 Signaalverwerking De AD−omzetter Een computer kan niets beginnen met een analoog signaal. Als een continue sensor bijvoorbeeld een signaal van 2,18 V afgeeft, dan moet die waarde eerst worden vertaald in een binair, digitaal getal. Deze vertaling vindt plaats in een AD−omzetter (analoog → digitaal). Op het systeembord zit een 4−bits omzetter. Proef 9 De AD−omzetter Verbind de variabele spanningsbron met een voltmeter en met de ingang van de AD−omzetter. Sluit leds aan op de vier digitale uitgangen. Voer de spanning op en lees steeds de voltmeter af als je bij de leds iets ziet veranderen. Neem deze tabel over en vul de kolom van de voltmeter in. Een 1 betekent dat een led brandt. U(V) 8 4 2 1 0,00 0 0 0 0 - 0001 . . - 1110 5,00 1 1 1 1 Als je nauwkeurig gewerkt hebt, zullen de waarden in de eerste kolom steeds met zo’n 0,3 V toenemen. Het hele traject van 0 V tot 5 V is door de AD−omzetter verdeeld in 16 stapjes van 0,3125 V die genummerd worden met 0 t/m 15 (0000 t/m 1111). In een 8−bits AD−omzetter wordt 5 V verdeeld in 256 stapjes. Ga maar na: als alle acht bits op 1 staan heb je het getal 255. Voorbeeld AD−omzetters a Hoe geeft de 4-bits AD-omzetter een sensorspanning van 2,18 V door aan een computer? b Hoe groot is de spanning als een 8-bits omzetter 00110110 doorgeeft? ►De elektrische liniaal van 1 m bij het bootje in de bak met water wordt aangesloten op de 12-bits AD-omzetter van CoachLab. c Tot op hoeveel mm nauwkeurig kun je dan de plaats van het bootje meten? Oplossing De stapgrootte is 5V 16  0,3125 V a Reken eerst uit hoeveel stappen van 0,3125 V er in 2,18 V gaan. Dat zijn er 6,976; dit getal kan niet door de leds worden weergegeven. Je moet nu niet afronden zoals je anders doet want de AD−omzetter verspringt pas na een complete stap van 0,3125 V. De AD-omzetter geeft dus 6 door naar de computer, ofwel 0110 in binaire taal. b Bij een 8-bits omzetter wordt 5,00 V in 256 stapjes verdeeld. De stapgrootte is dus 5V 256  0, 0195... V . 001101102 betekent: 1∙25 + 1∙24 + 1∙22 + 1∙21 = 5410 De spanning zit in tussen 54 en 55 stapjes, dus tussen 1,05 V en 1,07 V. c 212 = 4096. De spanning over de draad − en dus de draad zelf − wordt daardoor in 4096 stapjes verdeeld. Die 1 m (1000 mm) wordt verdeeld in 4096 stukjes. De meetnauwkeurigheid is dus: 1000 mm 4096  0, 24 mm .

[close]

p. 15

Niet voor gebruik op school 2 Meten, sturen en regelen 15 IJken van sensoren Vaak zijn we niet alleen geïnteresseerd in de uiterste waarden van 0 V en 5 V, maar ook in de tussenwaarden. De sensor moet dan worden geijkt. Dit ijken kunnen we zelf doen, maar we kunnen ook gebruik maken van de ijkgegevens van de fabrikant van de sensor. Dit is de ijkgrafiek van een lichtsensor (L is de lichtsterkte in W/m2): Bereik en gevoeligheid De lichtsensor hierboven is tot 20 W/m² min of meer lineair. Dat wil zeggen dat de toename ΔU van de uitgangsspanning evenredig is met de toename ΔL van de hoeveelheid licht. Voor ontwerpers is zo’n lineair verband tussen grootheid en sensorspanning ideaal omdat de uitkomsten van experimenten dan makkelijk te interpreteren zijn. Bij de lichtsensor geef je de gevoeligheid op in V per W/m2 en bij een plaatssensor in V/m. Bij de gegeven lichtsensor geldt: U L  0,32  0,10 15  6  0, 024 V·m2/W Uitleg Een pijnreactie simuleren Als je hand te dicht bij een hittebron komt (de lamp), gaat er een signaal naar het ruggenmerg dat er via de spieren voor zorgt dat je je hand direct terugtrekt (stuursysteem). Ook gaat er een signaal naar de hersenschors die even later kan besluiten het gevaar te negeren waarna je je hand weer in de richting van de hittebron beweegt (regelsysteem).  Bereik De lichtsensor is tussen 4 en 18 W/m2 goed te gebruiken. We noemen dit interval het bereik. Boven 20 W/m² neemt de helling van de U(L)-grafiek snel af tot nul. De sensor reageert dan veel minder op een lichttoename en is dus minder gevoelig.  Gevoeligheid De helling van de grafiek (de rc) wordt de gevoeligheid van de sensor genoemd. gevoeligheid = verschil in uitgangsspanning verschil in signaalsterkte Temperatuursensoren De temperatuur van het grote aquarium met tropische vissen in Artis wordt op 24 ºC gehouden. De temperatuur mag hoogstens een halve graad afwijken. Bij warm weer wordt de ventilatie boven de reservoirs versterkt. De gevoeligheid van de temperatuursensor in het aquarium is groot en het bereik klein. In de kraamkamer van de ijsberin luistert de temperatuur minder nauw: die wordt op 10 ºC gehouden met een afwijking van vijf graden. De berin zorgt zelf voor verwarming van haar jongen. Haar lichaamstemperatuur is 37 ºC, net als bij ons. De gevoeligheid van de temperatuursensor in de kraamkamer is klein en het bereik groot.

[close]

Comments

no comments yet