Kolloquium

Card Set Information

Author:
momjovi
ID:
101431
Filename:
Kolloquium
Updated:
2011-09-19 14:20:21
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tel09a
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Fragenkatalog
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  1. a) Skizze eines einfachen ESB eines Spannungsverstärkers, Ergänzung um Signalquelle mit Ri und Lastwiderstand
    b) Bedeutung des Eingangs- und Ausgangswiderstandes?
    c) Beziehungen zw. Eingangs-/Ausgangsspannung?
    • a) diff. rE parallel zum Eingang, diff rA ja nach Verstärkerart: Spannungsv.: in Reihe (rA << RL ) Stromv.: parallel (rA >> RL)
    • b) rE bestimmt die Belastung der Quelle und mögliche Verstärkung, am Ausgang verhält sich der Transistor wie ein Generator, der RL speist --> strom- oder spannungstreibend in Verbindung mit diff. rA
    • c) UA = V * UE
  2. Materialien für die Herstellung von Halbleiter-Bauelementen?
    Halbleiter: Silizium (Si), Germanium (Ge), Galliumarsenid (GaAs); früher Selen
  3. 3 Verfahren zur Arbeitspunktstabilisierung von Transistorschaltungen gegen Temperatureinfluss?
    • 1. Temperaturkompensation: Diode hat denselben Temp.-Gang wie BE-Diode des Transistors, sodass beim Anstieg von IC die BE-Spannung sinkt.
    • 2. Gleichstromgegenkopplung: Emmitter-Widerstand senkt UBE beim Anstieg von IC
    • 3. Gleichspannungsgegenkopplung: Spannungsteiler (von UCE gespeist) senkt UBE, wenn IC steigt und damit UCE sinkt.
  4. Transistoraufbau:
    a) prinzipieller mechanischer Aufbau (bipolar)?
    b) Leitungsmechanismus
    c) Wie funktioniert ein Fototransistor
    • a) 3 Halbleiterschichten, npn- / pnp-dotiert. Die mittlere Schicht stellt die Basis dar, die beiden äußeren Schichten sind der Kollektor sowie der Emitter.
    • b) Am Beispiel NPN (np- und pn-Übergang werden als eine obere und untere Diode angenommen):
    • sperrend (UBE = 0): obere Diode (CB) in Sperrrichtung, untere Diode (BE) theoretisch in Durchlassrichtung, aber es fällt dort keine Spannung ab.
    • leitend (UBE > 0): untere Diode ist nun auch praktisch in Durchlassrichtung, sodass Elektronen von unterer n-Schicht in die p-Schicht gelangen. Der allergrößte Teil (ca. 99%) dieser Elektronen fließt weiter in die obere p-Schicht und wird vom positiven Pol der Betriebsspannung angezogen. Die restlichen 1% rekombinieren mit den Löchern in der p-Schicht, sodass neue Löcher nachgeliefert werden müssen (deshalb ist der Basisstrom notwendig).
    • c) Beim Fototransistor entspricht die BE-Strecke einer Foto-Diode, sodass Lichteinstrahlung den Basisstrom verursacht.
  5. Wie erreicht man, dass ein Endschalter auch dann reagiert, wenn z.B. die Leitung beschädigt wird? (Diese Frage scheint etwas umständlich gestellt.)
    Beispiel NOT-AUS-Schalter: Dieser sollte immer als Öffner realisiert sein, damit er auch durch Kabelbruch "betätigt" wird.
  6. Folgende OPV-Grundschaltungen sollen skizziert werden: a) Invertierender Verstärker, b) nichtinvertierender Verstärker. Wie bestimmt sich jeweils die Verstärkung?
    • a)
    • b)
  7. a) Was ist ein Totzeitglied?
    b) Wie sieht die Sprungantwort aus?
    c) Wo findet man Totzeitglieder?
    • a) Ein Totzeitglied ist ein Verzögerungsglied, d. h. ein Ausgangssignal tritt verzögert zum Eingangssignal auf.
    • b) Die Sprungantwort entspricht dem Sprung selbst, der um die Totzeit verschoben ist.
    • c) Ein Beispiel für ein Totzeitglied ist eine Förderbandanlage: Es vergeht eine Totzeit vom Aufladen von Ladegut bis dieses am Ende des Bandes angelangt. Das Förderband hat eigentlich zusätzlich eine integrierende Funktion, da der Einheitssprung meist das Öffnen einer Klappe bedeutet, sodass ab dem Öffnen eine Masse auf das Band gelangt. Am Ende häuft sich die Masse auf, sodass die Antwort auf den Sprung in diesem Fall eine Rampe darstellt.
  8. Was ist ein idealer Operationsverstärker und was unterscheidet ihn wesentlich vom realen OPV?
    • Ideal:
    • rE = oo --> keine Eingangsströme
    • rA = 0 --> keine Belastung durch Verbraucher
    • V = oo
    • Frequenzbereich 0 ... oo
    • vollkommen symmetrisch --> Ausgangspannung ist 0, wenn dU am Eingang 0 ist (Spannungen mit gleicher Amplitude und Phase an beiden Eingängen --> Gleichtaktaussteuerung) ==> Gleichtaktverstärkung = 0
    • CMRR = oo (Verhältnis zw. V und Gleichtaktverstärkung --> Gleichtaktunterdrückung)
    • keine Verzerrungen oder Rauschen
    • keine Temp.-Abhängigkeit
    • linearer Zusammenhang zw. Ue und Ua

    • Real:
    • V bis zu 1 Mio.
    • Re einige hundert MOhm
    • obere Grenzfrequenz >100MHz (Tiefpass)
    • Gleichtaktverstärkung ca. 0,2
    • CMRR ca. 5 Mio.
    • Rauschen von einigen µV
  9. Skizze eines einfachen Regelkreises (Blockschaltbild) mit Bezeichnungen der Blöcke und Signalgrößen? Wie lautet die Führungsübertragungsfunktion?
    • Blöcke: Regler (K), Regelstrecke (G), evtl. Messglied
    • Signalgrößen: Führungs- (w), Stell- (u), Regelgröße (y), Regeldifferenz/-fehler (e), Störgröße (z)
    • Übertragungsfunktion des offenen Kreises: Fo = G*K
    • Führungsübertragungsfunktion: Fcw = Fo / (1+ Fo)
  10. Was bedeutet die Schleifenverstärkung im Zusammenhang mit der Stabilität eines Regelkreises?
    Antwort fehlt noch!
  11. Welche Eigenschaften (statisch/dynamisch) hat ein Tastkopf für einen Oszilloskop?
    Welche Vor- und Nachteile ergeben sich für die Messung?
    Warum ist ein Abgleich notwendig?
    • Der Tastkopf besteht aus einem in Reihe geschalteten R mit parallelem Einstell-C. Somit wird das C der Leitung, das Eingangs C bzw. R des Oszis wieder
    • relativiert.
    • Vorteile:
    • Messobjekt wird weniger ohmisch und kapazitiv belastet, es können hohe Eingangswiderstände erzielt
    • werden. Das Signal wird formgetreu wiedergegeben.
    • Nachteil:
    • Signal wird (auf 10%) abgeschwächt.

    Die Kapazitäten der Messleitung und des Oszis bewirken eine Tiefpasscharakteristik. Dies macht sich also bei höhere Frequenzen bemerkbar. Ist der Tastkopf nicht auf das vorhandene Oszi abgeglichen, wirkt er differenzierend oder Integrierend.
  12. Welches Verhalten muss ein Positionierglied bzw.
    Regler haben, damit keine bleibende Abweichung zustande kommt?
    Die offene Regelkette muss I-Verhalten besitzen. Ein D-Anteil beim Regler darf nur bei gut gefilterten Messgrößen verwendet werden.
  13. Skizze eines idealen a) Parallel- und b) Serien-Schwingkreises an einer Signalquelle? Erklären Sie den Resonanzfall anhand der Zeigerdiagramme.
    • Parallelschwingkreis: C und L sind beide parallel zur Signalquelle.
    • Serienschwingkreis: Reihenschaltung aus C und L parallel zur Signalquelle.
    • Resonanzfall:
    • Parallel: Die Ströme durch C und L sind jeweils entgegengesetzt (180°), sind sie vom Betrag her gleich, dann besteht Resonanz. Dann ist der Gesamtstrom gleich 0. Die kapazitiven und induktiven Blindwiderstände sind gleich groß. STROMÜBERHÖHUNG ist möglich.
    • Seriell: Die Spannungen an C und L sind jeweils entgegengesetzt (180°), sind sie vom Betrag her gleich, dann besteht Resonanz. Die Gesamtspannung ist dann gleich 0 --> Kurzschluss. Die kapazitiven und induktiven Blindwiderstände sind gleich groß. SPANNUNGSÜBERHÖHUNG ist möglich.
  14. Skizzieren Sie die Kennlinie einer Z-Diode in allen
    Quadranten. Welche Mechanismen sind für den Durchbruch verantwortlich? Was lässt sich über die Temperaturkoeffizienten sagen?
    • Kennlinie:
    • Durch die dotierungsbedingt geringere Sperrschichtdicke im Vergleich zu normalen Dioden wird die Z-Diode ab einer bestimmten Sperrspannung Uz niederohmig --> Durchbruch.
    • Durchbruch-Mechanismen:
    • Zener-Effekt bei Uz < 5V, negativer Temp.-Koeff.
    • Lawinen-Effekt bei Uz > 6,5V, positiver Temp.-Koeff.
    • zwischen 5 und 6,5 V wirken beide Effekte
  15. a) Was bedeutet differentieller Widerstand bei einer Diode?
    b) Betrachten Sie dazu eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einer Diode an einer Mischspannung 2V +0,2V~.
    • a) diff. Widerstand: Durchlasswiderstand für kleine Änderungen -->Wechselströme
    • Steigung der Dioden-Kennlinie in einem Arbeitspunkt
    • b) fehlt noch
  16. a) Nennen Sie unterschiedliche AD-Wandler und ihre Eigenschaften.
    b) Was ist bei der Wandlung eines Messsignales zu beachten?
    • a)
    • 1. Dual-Slope:
    • - Kondensator wird proportional zur analogen Spannung aufgeladen
    • - Eine Gegenspannung wird angelegt, Kondensator entlädt sich wieder zeitproportional
    • - Ein Taktgenerator gibt während der Entladezeit t2
    • Impulse an einen Zähler
    • - Stand des Zählers ist proportional zur analogen Eingangsspannung

    • 2. Sukzessive-Approximations-Wandler:
    • --> vgl. Abwiegevorgang
    • - Langsam, ungenau
    • - Bevorzugt in MCU’s eingesetzt

    • 3. Flash-Wandler:
    • - sehr schnell, da das Ergebnis sofort vorliegt
    • - Nachteil des hohen Aufwandes an Komparatoren --> teuer und platzaufwändig

    • 4. Interpolativer Wandler (Delta-Sigma-Wandler):
    • - Geschwindigkeit anstatt Genauigkeit
    • - Veränderung gegenüber vorherigem Wert (größer oder kleiner)
    • - Abtastfrequenzen bis 100kHz
    • - Auflösungen bis 24 Bit

    • b)
    • - Genauigkeit sollte dem Messsignal angemessen sein
    • - ist ein Wert ausreichend?
    • - Rauschen berücksichtigen
    • - bei Wechselspannungen: Sampling erforderlich, Einhaltung des Abtasttheorems
  17. Skizzieren Sie eine einfache Schaltung zur Stabilisierung einer Gleichspannung (Funktionsprinzip)?
    • Möglichkeit 1: Reihenschaltung aus Widerstand und Z-Diode, Abgriff der Ausgangsspannung über der Z-Diode --> stabile Spannung mit dem Betrag der Durchbruchspannung
    • Möglichkeit 2:
    • Nach dem Prinzip von Mgl. 1 sorgt die Z-Diode hier für eine stabile Basisspannung des Transistors --> stabiler Arbeitspunkt. R3 sorgt zusätzlich für Stabilität (Stromgegenkopplung).
  18. Was ist ein Thyristor?
    Erläutern Sie den Zündvorgang eines Thyristors!
    Worin unterscheiden sich Triacs und Diacs von ihm?
    • Thyristor: Vierschicht-Halbleiterelement (3 pn-Übergänge: pnpn)
    • sperrt in Grundzustand, leitet ab der Zündung in Durchlassrichtung und sperrt wieder, wenn die Stromrichtung umgekehrt wird.
    • Zündung (2 Möglichkeiten):
    • 1. Fremdzündung (kontrolliert) Spannung am Gate verursacht Steuerstrom -> freie Ladungsträger überschwemmen die mittlere Sperrschicht -> Durchbruch -> Thyristor leitet
    • 2. Überkopfzündung (meist ungewollt) Vorwärtsspannung überschreitet die Nullkippspannung (mehrere 100V)

    • Triac: entspricht der Antiparallelschaltung zweier Thyristoren --> Zündung und Leiten in beide Richtungen (Thyristorkennlinie für Durchlassrichtung im Ursprung punktgespiegelt)
    • in der Praxis ist bei hohen Strömen/Leistungen jedoch die Realisierung durch ZWEI Thyristoren sinnvoller!

    Diac: im Prinzip ein Triac ohne Gate, da er durch Überkopfzündung leiten soll --> geeignet für Phasenanschnittssteuerung von Thyristoren
  19. Was sind die wesentlichen Unterschiede zwischen bipolarer und CMOS-Technologie?
    • Bipolar:
    • Betriebsspannung 5V
    • unempfindlich gegen ESD
    • TTL-Pegel international genormt
    • niedriger Ausgangswiderstand

    • CMOS:
    • Betriebsspannung 3 ... 15V
    • ESD-Schutzmaßnahmen erforderlich
    • hoher statischer Eingangswiderstand -> geringe Leistungsaufnahme
    • hohe Störsicherheit
    • hohe Integrationsdichte realisierbar
  20. Wie sieht ein Integrator mit einem OPV aus? Wie funktioniert er?
    • Wird eine konstante Eingangsspannung angelegt, so fällt diese zunächst nur am ohmschen Widerstand ab. Wenn sich der Kondensator nun allmählich auflädt, entsteht am Ausgang des OPV eine zur Zeit proportional ansteigende Spannung.
  21. Skizzieren Wie ein einfaches Netzteilzur Erzeugung von 5V +/- 10%, I < 30mA!
    Galvanische Entkopplung (Transformator) vom Netz --> Brückengleichrichter --> Glättungskondensator --> 5V-Spannungsregler in Grundschaltung (z.B. 7805)
  22. Wie kann man Stromkreise galvanisch trennen?
    • Transformatoren (Energietechnik) und Übertrager (Informationstechnik) --> induktive Trennung
    • Optokoppler
    • Kondensator (gut isoliert) bei hochfrequenten Signalen --> kapazitive Trennung
  23. Was ist eine Freilaufdiode und wozu wird sie eingesetzt?
    Beim Ausschalten induktiver Lasten entstehen bisweilen hohe Induktionsspannungen durch die schnelle (negative) Stromänderung. Eine antiparallel zur Induktivität geschaltete "Freilaufdiode" schließt diese kurz und begrenzt die Spannung auf die Dioden-Vorwärtsspannung.
  24. Skizzieren Sie den Aufbau einer Messbrücke und erläutern Sie die Funktionsweise!
    Messbrücke: Parallelschaltung zweier Spannungsteiler mit dazwischenliegendem (offenem) Brückenzweig. Das Messobjekt (ohmscher Widerstand oder Impedanz) ist Teil des einen Spannungsteilers. Mindestens ein Teil des anderen Sp.-Teilers ist variabel, sodass die Spannung über der Brücke durch Abgleich auf 0 gebracht werden kann. Dann lässt sich der unbekannte Bauteilwert (Widerstand, Kapazität, Induktivität) ermitteln.

    • Beispiele:
    • Wheatstone (große R)
    • Thomson (kleine R mit nicht vernachlässigbarem Zuleitungs-R)
    • Wien (C)
    • Maxwell (L)
    • Maxwell-Wien (L)
  25. Nennen Sie verschiedene Sensoren zur Temperaturmessung!
    a) bei Raumtemperaturen
    b) um 1000°C
    • a) z.B. PT100 (das P bedeutet positiver Temp.-Koeff. --> Kaltleiter, die Zahl gibt den Nennwiderstand bei 0°C an)
    • b) Thermoelement
  26. a) Erläutern Sie den Begriff "Anpassung" in Bezug auf Spannung, Strom und Leistung.
    b) Wie ist ein Audioverstärker richtig an die Leutsprecherbox angepasst?
    • a) Spannungsanpassung (effizient bei Spannungsquellen): Der Verbraucher soll die Quelle nicht belasten, sodass die Spannung zusammenbricht. Faustformel: Eingangsimpedanz des Verbrauchers 10x größer als Innenwiderstand/Ausgangsimpedanz der Quelle.
    • Anwendung: Audio-Verbindungen außer dynamische Mikrofone und Tonabnehmer
    • Bsp. Lautsprecher soll der Spannung folgen für geringe Verzerrungen.
    • Stromanpassung (effizient bei Stromquellen): Eingangswiderstand des Verbrauchers wesentlich kleiner als Innenwiderstand der Quelle.
    • Leistungsanpassung (effizient zur Übertragung von Signalen und Energie): Eingangswiderstand des Verbrauchers = Innenwiderstand der Quelle --> maximaler Wirkungsgrad von 50% gewährleistet.
  27. a) Warum wird die Ausgangsschaltung eines TTL-Gatters oft als Totempole-Schaltung bezeichnet?
    b) Wie sieht diese Schaltung aus?
    c) Welche Eigenschaften hat diese Schaltung?
    • a) die beiden übereinander angeordneten Transistoren erinnern an einen Totempfahl. Sie bilden eine Gegentakt-Stufe (immer ein Schalter ist geschlossen).
    • b)
    • c) Ziel: Hoher Ausgangsstrom. Würde ein einfacher Transistor durchschalten, dann flösse ein unnötig hoher Strom aufgrund des erforderlichen niedrigen Vorwiderstandes. Dies wird durch die obige Schaltung erfolgreich verhindert. Allerdings ist nun der High-Pegel begrenzt auf 5V minus die Vorwärtsspannung der oberen Transistordiode.
  28. Wie sieht eine Darlingtonschaltung aus und wozu wird sie eingesetzt?
    • Hintereinanderschaltung zweier Transistoren, um die Stromverstärkung nochmals zu erhöhen (Kollektoren zusammengeschaltet, Emitter des ersten Transistors an der Basis des zweiten).
    • Darlington-Transistoren gibt es auch fertig integriert.
  29. a) Wie funktionieren Feldeffekttransistoren und welche Varianten gibt es?
    b) Wie sind ihre Schaltsymbole?
    • Überblick:
    • jeweils N- und P-Kanal:
    • - Sperrschicht-FET
    • - selbstleitender MOSFET
    • - selbstsperrender MOSFET
    • JFET (Sperrschicht-FET):
    • Beispiel N-Kanal (P-Kanal analog)
    • Kanal aus n-dotiertem Silizium von Drain nach Source, im Grundzustand leitend. Der Kanal ist von einer p-Zone (Gate) umgeben, sodass sich eine RLZ ausbildet. Eine negative Gate-Spannung verbreitert die RLZ --> Kanal wird zugeschnürt --> Strom kommt zum Erliegen (nur geringer Sperrstrom wg. Eigenleitung der Kristalle).

    • MOSFET (Metal-oxide semicond. FET):
    • Beispiel P-Substrat
    • P-Substrat, isoliertes Gate
    • Selbstsperrender Typ (Anreicherungstyp): Positive Spannung Ugs zieht die wenigen freien Elektronen im Substrat unter das Gate --> n-leitende Brücke zw. den n-Inseln --> MOSFET leitet
    • Selbstleitender Typ (Verarmungstyp): schwache n-Dotierung zw. den n-Inseln setzt schon eine gewisse Leitfähigkeit voraus. positive Ugs --> MOSFET leitet noch mehr
    • negative Ugs --> MOSFET leitet weniger, sperrt

    • b)
  30. Zeichnen Sie je einen Schaltplan für ein Flip-Flop aus NAND- und NOR-Gattern und lesen sie die Wertetabellen ab.
  31. Skizzieren Sie das Prellen eines handbetätigten Tasters und nennen Sie Möglichkeiten zur Entprellung.
    • Entprellung:
    • RC-Tiefpass
    • RS-FlipFlop
    • Software
  32. Woraus besteht ein NTC-Widerstand? Wie ist seine Kennlinie? Welche Anwendungen gibt es?
    • NTC = negative temperature coefficient --> Heißleiter, aus Eisenoxid, Magnesiumcarbonat
    • Kennlinie des Widerstandes fällt exponentiell mit der Temperatur ab.
    • Anwendungen:
    • Temperaturfühler
    • Temperaturstabilisierung (Arbeitspunkteinstellung)
    • Anzugsverzögerung (in Reihe zum Relais)
    • Abfallverzögerung (parallel zum Relais)
    • Reduzierung von Einschaltströmen
  33. Erläutern Sie den Begriff "Induktionsspannung".
    • Induktionsspannung entsteht, wenn sich der magnetische Fluss (Phi) durch eine Leiterschleife ändert.
    • Uind = -N*dPhi/dt

    Anmerkung: Der magnetische Fluss ist Phi = A*B --> Seine Änderung kann also sowohl auf einer Änderung der Fläche oder der Flussdichte als auch beider Größen beruhen!
  34. Skizzieren Sie einen Summierverstärker mit OPV und geben Sie die Formel für die Ausgangsspannung an.
    • Ein Summierverstärker ähnelt einem normalen invertierenden Verstärker, aber mit mehreren Eingängen, dessen Spannungen summiert und mit Vorzeichenwechsel am Ausgang ausgegeben werden:
    • Die Gleichung für die Ausgangsspannung ist:
    • Ua = - ( Ue1*R2/R11 + Ue2*R2/R12 + Ue3*R3/R13)
  35. Mit was für einer Schaltung lässt sich ein Sägezahn generieren (Skizze)?
    • Eine einfache Lösung stellt ein RC-Tiefpass dar. Die Zeitkonstante sollte sehr viel größer sein als die Periodenzeit, damit der anfangs relativ lineare Teil der Ladekurve als Sägezahn-Rampe genutzt werden kann. Bei einem bestimmten Maximalwert der Kondensatorspannung muss eine Kippstufe anspringen, die die steile abfallende Flanke erzeugt. Dies ist bspw. durch einen invertierenden Schmitt-Trigger realisierbar, dessen Ausgang den Tiefpass speist:
  36. a) Was ist Feedback?
    b) Wo findet es Anwendung?
    c) Welcher Nutzen bzw. welche Gefahr bringt es mit sich?
    • a) "Feedback" = engl. Rückkopplung
    • positives Feedback: Mitkopplung
    • negatives Feedback: Gegenkopplung
    • b) Anwendung in Regelkreisen -> Rückführung der Regelgröße auf den Eingang, Bsp. OPV
    • c) Nutzen: Stabilisierung gegen Temperatureinflüsse, schwankende Lasten; Linearisierung von Verstärkern; Reduzierung der Verstärkung -> Erhöhen der Bandbreite
    • Gefahr: Schwingen bei Mitkopplung
  37. a) Was ist eine Hallsonde/Hallsensor?
    b) Wie ist die Funktionsweise?
    c) Wo sind Anwendungsmöglichkeiten?
    • a) Sensor zur Indizierung/Messung von Magnetfeldern (Halbleiterplättchen)
    • b) Hall-Effekt: Im Halbleiter fließt ein Strom (dazu muss eine Betriebsspannung angelegt werden). Ein zu diesem Strom senkrechtes Magnetfeld lenkt die Ladungsträger des Stromes im Halbleiter ab (Lorentz-Kraft), sodass durch Ladungsträgerüberschuss auf einer Seite des Plättchens ein elektrisches Feld entsteht und damit die Hall-Spannung. Sättigung tritt ein, wenn die Kraft des E-Feldes entgegengesetzt gleich der Lorentzkraft ist.
    • c) Anwendung:
    • Indizierung von B-Feldern -> berührungsloses Schalten
    • Messung von B-Feldern -> Positions-/Lagebestimmung (auch 3D)
    • Leistungsmessung durch magnetische Rückkopplung
  38. Geben Sie das (prinzipielle) Ersatzschaltbild einer KOAX-Leitung an!
    • Reale Kapazitäten haben einen ohmschen Widerstand parallel.
    • Reale Induktivitäten haben einen ohmschen Widerstand in Reihe.
  39. a) Was ist ein PT100?
    b) Wie ist das Messprinzip einer Vierdraht-Messung mit dem PT100?
    • a) Temperaturfühler (Widerstand mit pos. Temp.-Koeff.) -> Kaltleiter
    • b) Eine Konstantstromquelle sorgt für eine Spannung am PT100, welche direkt proportional zum Widerstand ist und mit einem Voltmeter gemessen werden kann. Dadurch sind die Zuleitungswiderstände kompensiert und die Messung genauer.
  40. Skizzieren Sie einen Impedanzwandler mit OPV und geben Sie Verstärkung, Eingangs- und Ausgangswiderstand an.
    • Vgl. Nicht-Invertierer (Ausgang direkt auf Eingang zurückgeführt -> Ua = Ue, daher auch "Spannungsfolger") => die Quelle wird minimal belastet, da Re = oo und Ra = 0 (ideal)
    • Anwendung als Puffer zwischen hochohmiger Quelle und niederohmiger Last
  41. Skizzieren Sie das
    a) Schaltbild
    b) den Amplitudengang
    c) den Phasengang
    eines RC-Tiefpasses und geben Sie
    d) die Formel für die Grenzfrequenz an
    • a) R und C in Reihe, Abgriff von Ua über C
    • b) 0dB von f = 0 ... fg, dann Abfall mit 20dB/dec
    • c) 0° für f = 0, -45° für f = fg, -90° für f = oo
    • d) fg = 1/(2*pi*R*C)
  42. Skizzieren Sie das
    a) Schaltbild
    b) den Amplitudengang
    c) den Phasengang
    eines RC-Hochpasses und geben Sie
    d) die Formel für die Grenzfrequenz an
    • a) R und C in Reihe, Abgriff von Ua über R
    • b) Anstieg mit 20dB/dec bis 0dB bei f = fg, dann 0dB
    • c) 90° für f = 0, 45° für f = fg, 0° für f = oo
    • d) fg = 1/(2*pi*R*C)
  43. a) Was ist eine Konstantstromquelle?
    b) Zeichnen Sie die Kennlinie einer idealen/realen Quelle.
    c) Skizzieren Sie eine einfache Schaltung.
    • a) Stromquelle, die einen konstanten Strom liefert, unabhängig von der Belastung
    • b) Ideal: Strom bleibt konstant über der Spannung
    • Real: Strom nimmt linear (bei ohmscher Belastung) proportional zur Spannung ab
    • c)
    • Die Dioden stellen eine konstante Basis-Spannung ein, die BE-Spannung und damit auch der Strom wird von Re eingestellt. Rc ist der Lastwiderstand. Durch Re ist Stromgegenkopplung gegeben, sodass er Lastschwankungen bis zu einem gewissen Grad ausgleichen kann.
  44. Geben Sie die Transistor-Grundschaltungen an und erläutern Sie ihre Eigenschaften.
    • Emitterschaltung
    • Kollerktorschaltung
    • Basisschaltung
    • --> Der Name gibt den gemeinsamen Bezug für Ein- und Ausgangssignal an
    • Eigenschaften:
  45. a) Welche Arten von Optokopplern gibt es?
    b) Skizzieren Sie den prinzipiellen Aufbau.
    c) Nennen Sie die Kenngrößen.
    • a) Fotoleiter
    • Fotodiode
    • Fototransistor
    • Fotothyristor
    • Fototriac
    • Fotodiode + Transistroverstärker
    • Fotodiode + Verstärker + Gatter
    • Foto-FET

    • b)

    • c) Isolationsspannung
    • Datenrate/Verzögerung
    • Stromübertragungsverhältnis (CTR = Current Transfer Ratio)
  46. a) Geben Sie die Wertetabelle für ein Exklusives OR (XOR) an.
    b) Wie lautet die Schaltfunktion/logische Funktion?
    c) Skizzieren Sie die Realisierung mit NAND-Gattern.
    • a)
    • b)
    • c)
  47. a) Was ist eine LED?
    b) Aus welchen Materialien ist sie (im Kern) aufgebaut?
    c) Wie ist die Funktionsweise?
    • a) "Light Emitting Diode" -> Leuchtdiode
    • b) III-V-Halbleiter, meist Galliumverbindungen, je nach Farbe, pn-Übergang:
    • Gallium
    • Arsenid
    • Galliumphosphid
    • Indium
    • Aluminium
    • Zink
    • c) Lichtemittierender Übergang von Ladungsträgern an der pn-Schicht bei Spannung in Durchlassrichtung.
  48. Welche Bedeutung hat das Miller-Theorem? Geben Sie ein Beispiel.
    Bei der Emitterschaltung tritt eine schwer ermittelbare Rückwirkungskapazität Cbc auf. Sie lässt sich in zwei Miller-Kapazitäten C'bc und C''bc zerlegen.
  49. Welchen Vorteil bringt der Einsatz der Laplace-Transformation bei kontinuierlichen Systemen (Bsp. Regelungstechnik)?
    • Aufwendige Operationen im Zeitbereich sind im Bildbereich nach Laplace-T. oft einfacher zu lösen.
    • Bsp.: Eine Faltung im Zeitbereich wird im Bildbereich auf eine Multiplikation vereinfacht.
  50. Wie kann man Induktivitäten und Kapazitäten messen?
    • Induktivitäten:
    • Aufladen der Spule
    • Entladen über einen Widerstand R -> Zeit, bis der Strom auf 37% gefallen ist entspricht der Zeitkonstante tau.
    • Ermittlung der Induktivität über tau = L/R

    • Kapazitäten:
    • Entladen eines aufgeladenen Kondensators
    • Zeit, bis zu der die Spannung auf 37% gefallen ist, entspricht tau.
    • Kapazität wird durch tau = R*C ermittelt

    • Alternativ
    • Messbrücken mit variablen Induktivitäten/Kapazitäten.
  51. Eine gegebene Regelstrecke soll mit einem Regler versehen werden. Welche Möglichkeiten zum Reglerentwurf kennen Sie?
    • Entwurf im Bodediagramm
    • Entwurf mit Doppelverhältnissen
  52. Welcher Unterschied besteht zw. einer Steuerung und einer Regelung in Bezug auf erwartete und unerwartete Störsignale?
    Eine Steuerung kann nur erwarteten Störungen entgegenwirken, eine Regelung in gewissem Maße auch unerwarteten Störungen.
  53. Sie sollen beurteilen, ob ein gegebenes (kontinuierliches) System stabil/instabil ist. Welche Möglichkeiten und Kriterien kennen Sie?
    • Beiwertekriterium
    • Nyquist-Kriterium (Betrachtung der Ortskurve)
  54. Was versteht man unter dem ASCII-Code?
    • "American Standard Code if Information Interchange"
    • enthält Zeichen, Zahlen und Maschinenbefehle (7bit)
  55. Was versteht man unter dem BCD-Code?
    • "Binary Coded Decimal"
    • Jede Ziffer (0-9) einer Dezimalzahl wird mit je 4 Bit binär codiert.
    • z. B. entspricht 2654 dezimal 0010 0110 0101 0100 binär
  56. Was versteht man unter einschrittigem Code?
    • Der Code ist so aufgebaut, dass bei einer In-/Dekrementierung immer nur 1 Bit verändert wird (auch bei Überlauf)
    • z. B. gray-Code, Glixon-Code
  57. Was heißt 8-, 16- oder 32-Bit-Rechner? Worauf bezieht sich die Bezeichnung?
    • Die Bit-Angabe bezieht sich auf den Datenbus und sagt aus, wieviele Daten mit einem Takt gesendet werden können.
    • Somit stehen einem Rechner mit breiterem Bus auch mehr/definiertere Befehle zur Verfügung (Schnelligkeit?).
  58. Was heißt "modularer Programmaufbau"? Welche Kennzeichen und Nutzen hat er?
    • Zusammengehörende Funktionen werden in sog. "Module" geschrieben (Quelltext-Dateien). Somit sind sie auch leicht weiterzuverwenden --> Modularität
    • Sie haben normalerweise keine Schnittstellen zu anderen Modulen, sondern werden in einer Main-Applikation aufgerufen.
  59. Nennen Sie einige Programmiersprachen und deren Unterschiede.
    • Assembler: Hardwarenahe Programmierung, spart Code und ist echtzeittauglich
    • Hochsprachen: Übersichtlichkeit, Lösung umfangreicher Probleme (C/C++, Pascal, Basic)
  60. Welcher Uunterschied besteht zwischen einem Microcontroller und einem Microprozessor?
    • Mikro-Controller: Single-Chip Produkt. Adress- und Datenbus nicht nach außen geführt, da seine Peripherie im Gehäuse integriert ist (ROM, RAM, Flash, EEPROM, Hardware-Baugruppen wie ADC, PWM, USART, SPI, ...)
    • Mikro-Prozessor: nur die Recheneinheit (CPU); Adress- und Datenbus sind herausgeführt und Speicher, Schnittstellen etc. müssen hinzugefügt werden --> dafür optimaler Datendurchsatz
  61. Erläutern Sie den Unterschied zw. Compiler und Interpreter.
    • Compiler: Übersetzt den Quelltext der Hochsprache in Maschinenbefehle, die auf den verwendeten Prozessor passen. --> ausführbare Dateien
    • Interpreter: wird mit Befehlen gespeist und wandelt sie erst beim Betrieb plattformabhängig in Mikro-Befehle um --> Bsp. Java oder auch HTML
  62. Woraus besteht eine Entwicklungsumgebung?
    • Editor
    • Übersetzer (Compiler)
    • Bibliotheken (Libraries)
    • Test-Tools (Simulator, Debugger, Emulator)
  63. Was ist ein Watchdog, was sind seine Kennzeichen und sein Nutzen?
    • Spezieller Timer zur Überwachung des Programmes/Prozessors. Er läuft ständig und wird an bestimmten Programmpunkten immer wieder zurückgesetzt. Geschieht dies nicht mehr, dann ist das Programm hängen geblieben, und es kann ein Reset (Interrupt) folgen.
    • Man kann ihn auch als normalen Timer nutzen oder deaktivieren.
  64. Was sind die wichtigsten Analysearten bei der Schaltungssimulation mit PSpice?
    • Parametric
    • Transient
    • AC-Sweep
    • DC-Sweep
    • Worst-Case
  65. Wie lautet das Abtasttheorem?
    Welches Phänomen tritt auf, wenn die Signalfrequenz zu hoch wird?
    • Bei bandbegrenztem Signal mit fg (höchste vorkommende/abzutastende Frequenz) muss gelten:
    • fabtast >= 2*fsignal (--> Nyquistrate)
    • Überabtastung ist theoretisch unkritisch, nur unökonomisch
    • Unterabtastung kann zu "Aliasing" führen, wenn z.B. eine Frequenz immer an den selben zwei Stellen abgetastet wird --> Verzerrungen des Signales
  66. Was ist Aliasing und welcher Zusammenhang besteht mit der Nyquist-Frequenz?
    Aliasing: Verzerrungen des Signales bei Unterabtastung (wenn die Abtastfrequenz kleiner als die Nyquistfrequenz [2*fsignal] ist).
  67. Welche Gemeinsamkeiten und Unterschiede bestehen zwischen einem Aufruf eines Unterprogramms und dem Auslösen eines Interrupts?
    • Unterprogramm wird zu einem bestimmten Zeitpunkt aufgerufen (auch bei einer Bedingung).
    • Interrupt wird durch ein zwar definiertes Ereignis ausgelöst, dessen (zeitliches) Auftreten aber nicht vorhersehbar ist. --> Keine Parameterübergabe, kein Rückgabewert
    • Gemeinsamkeiten: Beide Codes sind kleine Teile des Programms zwecks Modularität und Übersichtlichkeit. Außerdem wird bei beiden eine Rücksprungadresse auf den Stack gelegt, von der das Programm anschließend wieder fortgesetzt wird, bevor sie ausgeführt werden.
  68. Wie laufen Unterprogramm-Aufruf und -Rücksprung ab?
    • Unterprogramm-Aufrufe mit Maschinenbefehl CALL speichern Rücksprungadresse des nächsten Befehles (Rücksprungadresse).
    • Letzter Befehl des Unterprogrammes ist ein RETURN-Befehl, der die Rücksprungadresse als Ziel hat.
    • Speicherung der Rücksprungadressen auf dem Stack
  69. Was bedeuten die Begriffe "call by value" und "call by reference" in Zusammenhang mit der Parameterübergabe an Unterprogramme?
    • call by value: übergibt nur den Wert des Argumentes und erzeugt eine lokale Variable im Unterprogramm, welcher der Wert zugewiesen wird. Die Quellvariable wird dabei nicht verändert, die lokale Variable existiert nur zur Laufzeit des Unterprogrammes.
    • call by reference: übergibt die Adresse und somit den Speicherort des Argumentes. Die Variable wird somit verändert, wenn im Unterprogramm Operationen mit ihr ausgeführt werden.
  70. Nennen Sie mehrere in der Elektro- und Informationstechnik eingesetzte Schnittstellen und deren Eigenschaften.
    • RS232: "Übertragungsstandard". Seriell, asynchron, +3...+15V für LOW, -3...-15V für HIGH
    • RS485: wie RS232, aber diferentielle Übertragung durch verdrillte Leiterpaare
    • Ethernet
    • USB: Universal Serial Bus
    • I2C: Serieller Bus mit Adressvergabe, onboard
    • SPI: Serial Peripheral Interface. Chipselect, onboard
    • CAN-Bus
    • Profi-Bus
    • Feldbus
  71. Was bedeutet "Handshake" bei der Datenübertragung? Geben Sie ein Beispiel.
    Datenwort vom Empfänger an den Sender nach Datenempfang. Der Handshake enthält Informationen, ob die Daten korrekt empfangen wurden, evtl. Fehlercodes oder auch nochmals das komplette Datenpaket.
  72. Wie kann ein Taster per Software entprellt werden?
    Bei Signal am Taster-Eingang starten eines Counters/Timers. Nach Ablauf der Zeit evtl. erneute Prüfung auf den Zustand, wenn ja, dann erneutes Starten des Timers vor erst Reaktion.
  73. Was heißt "eine Schaltung arbeitet aktiv low"?
    • Beispiel TTL: 2 Pegel 0V (LOW) und 5V (HIGH)
    • Aktiv Low, wenn 0V als HIGH erkannt wird.
  74. Was bedeutet "rekursives Unterprogramm"? Welche Vorteile und Gefahren birgt es?
    • Vorteil: Einfache Implementierung für wiederkehrende Probleme wie z. B. Reihenentwicklungen --> Aufruf einer Funktion in sich selbst.
    • Nachteil: Gefahr des Stack-Überlaufes, da sehr viele Rücksprungadressen hinterlegt werden müssen.
  75. Nennen Sie einige Grundprinzipien der objektorientierten Programmierung (OOP).
    Klassen (Zsfsg. von Datentypen und Funktionen), Methoden, Vererbung, problemspezifisch...
  76. Erläutern Sie dir Begriffe "Assembler", "Linker", "Loader" und "Debugger".
    • Assembler: Wandelt Quellcode maschinennaher Programmiersprachen (Assembler-Sprache) in Maschinencode. --> Ausführbares Programm für bestimmten Zielprozessor.
    • Linker/Loader: Einbindung von Bibliotheken, Header-Files. Platzierung von Code und Daten im Speicher. Ersetzt Makros mit Quellcode.
    • Debugger: Gibt Einsicht in die prozessorinternen Daten/Register, ermöglicht schrittweises Durchlaufen eines Programmes --> Fehlersuche, Testläufe
  77. Ein (großes) Softwareprojekt wird im Team entwickelt. Erläutern Sie diesbezüglich die Begriffe "Software-Schnittstelle" und "Programm-Modul".
    • Programm-Modul: Teil des Programms, das in sich eine geschlossene Funktion darstellt (z. B. Bildschirmausgabe oder Berechnung von Daten). Es kann somit auch leicht in andere Projekte exportiert werden --> Weiterentwicklungsaspekt
    • SW-Schnittstelle: Stelle, an der die Module zusammengesetzt werden (globale Variablen, die alle Module verwenden, Rückgabetypen von Funktionen bzw. Parameter zur Übergabe).
  78. a) Was ist ein Stapelspeicher (Stack)?
    b) Nach welchem Prinzip arbeitet er?
    c) Wozu dient er?
    • a) Ein Stück des RAM zur Zwischenablage von Werten (lokale Variablen, Rücksprungadressen)
    • b) Prinzip "push und pop". Beim Aufruf (call) eines Unterprogrammes wird eine Rücksprungadresse auf den Stack gelegt und dessen "Stack Pointer" (SP) erhöht. Beim Verlassen des U.-Programmes wird der Wert an der aktuellen SP-Stelle zurückgeholt (pop) und der SP wieder dekrementiert. Mit lokalen Variablen verläuft es genau so. Der Stack ist deshalb dynamisch in seiner Größe.
    • c) Aufruf von U.-Programmen (auch Interrupts), Durchführung beliebig komplexer arithmetischer Operationen (vgl. Klammer-Rechnung)
  79. Erläutern Sie die Begriffe "RAM", "EPROM", "EEPROM" und "Register".
    • RAM: "Random Acces Memory" (lesen/schreiben), volatile
    • statisches RAM (Flip-Flops), dynamisches RAM (Kapazitäten)
    • --> für Daten zur Programm-Laufzeit, da flüchtig ohne Versorgungsspannung
    • EPROM: "Erasable Rogrammable Read Only Memory" (nur lesen), non volatile, durch UV-Licht löschbar
    • EEPROM: "Electrical Erasable Programmable ROM" --> siehe EPROM, jedoch elektrisch löschbar
    • Register: relativ kleiner Speicherbereich im Prozessor, als Puffer zw. externem Speicher und CPU
  80. Was sind DRAMs und SRAMs (Funktionsweisen und Unterschiede)?
    • DRAM: Dynamisches RAM --> Speicherung in einer Kapazität, welche aber langsam Ladung verliert (Auffrischen nötig)
    • Schreiben und Lesen über Schalter
    • + kostengünstig, hohe Speicherdichte
    • - langsame Zugriffszeiten (Laden der Kapazitäten), Takt und Spannung benötigt
    • SRAM: Statisches RAM --> Speicherung in Transistor-Flip-Flops
    • + Stromfluss nur beim Umschalten, Datenerhalt auch ohne Takt --> schnellerer Zugriff
    • - teuer, wenig Speicherdichte
  81. Wie wird erreicht, dass ein Prozessorsystem nach dem Einschalten der Betriebsspannung immer an der richtigen Stelle beginnt?
    POR: Power-on-Reset --> bei steigender Spannungsflanke wird ein Reset durchgeführt (Programmcounter an die Adresse 0x00)
  82. Welche Adressierungsarten sind in der Assembler-Programmierung von µCs/µPs üblich?
    • Direkte Adressierung: Dem Befehlsbyte folgt die Adresse des Operanden.
    • Indirekte Adressierung: Dem Befehlsbyte folgt eine Adressinfo (Zeigerregister), wo sich der Operand befindet.
    • Unmittelbare Adressierung: Dem Befehlsbyte folgt eine Konstante als Operand.
  83. Erläutern Sie die
    a) Von-Neumann-Architektur,
    b) Harvard-Architektur.
    • a) Rechner-Struktur unabhängig vom Algorithmus (ein Universalrechner für viele Probleme)
    • einheitllicher Speicher für Programm und Daten
    • nur jeweils ein Daten- und Adressbus für Programm und Daten --> Von-Neumann-Flaschenhals
    • Programm als Folge von Befehlen, Sprungbefehle für Abweichungen
    • wenige Pins an die Außenwelt
    • Beispiel: PIC (µC)
    • b) Rechner-Struktur eher anwendungsspezifisch (Spezial-ALUs für bestimmte Zwecke) --> Leistungsfähigkeit, bspw. DSP
    • getrennte Speicher für Daten und Programm
    • getrennte Daten- und Adressbusse für Daten und Programm
    • Beispiel: 8085, DSP (µP)
  84. Erläutern Sie den Von-Neumann-Flaschenhals und nenen Sie Abhilfen/Alternativen.
    • Engstelle von nur einen Daten- bzw. Adressbus für Programm und Daten.
    • Abhilfe: Cache (Zwischenpuffer zw. Speicher und CPU)
    • Alternative ist die Harvard-Architektur mit getrennten Speichern und Bussen.
  85. Was ist ein Interrupt und welche Aufgabe hat der Interrupt-Controller?
    • Interrupt: Zeitlich unvorhersehbares Ereignis während der Laufzeit eines Programms, dessen Reaktion aber sehr wohl definiert werden kann, wobei eine Unterbrechung des Hauptprogrammes notwendig ist.
    • Interrupt-Controller: Verwaltet die auftretenden Interrupts und setzt Prioritäten, wenn mehrere Interrupts gleichzeitig auftreten.
  86. Was bedeutet "DMA"? Wozu dient ein DMA-Controller?
    • Direct Memory Acces: Datenaustausch zw. Peripherie und Speicher direkt, ohne Umwege über die CPU --> Entlastung der CPU
    • DMA-Controller: führt den Datentransfer aus, trennt die CPU dazu vom Bus. CPU kann in dieser Zeit interne Operationen ausführen.
    • Bsp. CPU benötigt 40 Takte, wofür ein DMA nur 4 Takte braucht
  87. Was ist ein Signalprozessor und für welche Aufgaben ist er spezialisiert?
    • Digitale Signal-Prozessoren (DSP): auf bestimmte Rechenoperationen geschwindigkeitsoptimierte CPUs
    • mehrere Rechenwerke (ALU), spezialisiert auf bestimmte Operationen, die häufig ausgeführt werden --> Video, Ton...
    • Harvard-Architektur
    • Auch immer vermehrt Einsatz in Desktop-CPUs, da Multimediaformate sich häufen (JPG, MP3 ...)
  88. Erläutern Sie die Abkürzungen
    a) FIR
    b) IIR
    in Bezug auf die Systemtheorie.
    • a) Finite Impulse Response: (nicht rekursive, keine Rückführungen)
    • Ausgangswerte nicht zur Berechnung der Folgewerte notwendig
    • linearer Phasenverlauf möglich
    • Anwendung: gewünschter Verlauf der Ü.-Fkt. im Frequenzbereich vorgeben und approximieren --> IDFT auf die approx. Freq.-Folge anwenden --> gesuchte Impulsantwort --> Filterkoeffizienten zur Verwendung bspw. in DSP
    • IDFT = Inverse Diskrete Fourier Transformation
    • b) Infinite Impulse Response: (rekursiv, Rückfühung von Ausgangswerten)
    • Impulsantwort des Systems wird unendlich lang.
  89. Erklären Sie die Begriffe "Klasse", "Objekt", "Methode", "Vererbung".
    • (Antworten ohne Gewähr!)
    • Klasse: Gruppierung von Datentypen und Funktionen (Methoden) für einen bestimmten Zweck/Gegenstand. Eine Klasse ist sozusagen ein Datentyp.
    • Objekt: Variable vom Datentyp einer Klasse.
    • Methode: Funktion, die nur innerhalb einer Klasse verfügbar ist, also für Objekte dieser Klasse.
    • Vererbung: Klassen lassen sich voneinander ableiten, dabei "erben" abgeleitete Klassen die Elemente ihrer Eltern-Klassen.

    • BEISPIEL:
    • Klasse: Quadrat (Variablen: x-/y-Koordinate, Seitenlänge a, Methode: Fläche berechnen)
    • Objekt: Mein-Quadrat vom Typ "Quadrat"
    • Methode: Fläche berechnen
    • Vererbung: Abgeleitete Klasse: "Rechteck" erbt Koordinaten, Seitenlänge a und Methode "Fläche berechnen" von Quadrat; Erweiterung um Seitenlänge b --> Problem: Fläche berechnen mit zwei verschiedenen Seitenlängen notwendig
  90. Was bedeuten die Begriffe "Nested" und "Pending" in Bezug auf Interrupts?
    • Nested IR: "Verschachtelter" Interrupt, der aufgrund höherer Priorität während der Ausführung eines anderen Interrupt vorgezogen wird.
    • Pending IR: "Wartender" Interrupt, der noch nicht abgearbeitet wurde (z.B. wegen geringerer Priorität oder aktuelle Operation noch aktiv)
  91. Nennen Sie einige Testsignale für (kontinuierliche und diskrete) Systeme und deren Eigenschaften im Zeit-/Frequenzbereich (Fourier).
    • Zeitbereich --> Frequenzbereich
    • Einheitssprung
    • Rechtecksignal --> |si-Fkt.|
    • Diracstoß --> 1
    • Lambda-Fkt. --> |si²-Fkt|
    • Rampenfkt.
    • Sinussignal --> Dirac-Stoß (einzelne Frequenz)
    • Exponential-Signal
  92. Wie ist der Zusammenhang zwischen der Impulsantwort eines Systems und der Systemantwort bei beliebigem Eingangssignal?
    Impulsantwort: Ausgangssignal eines Systems, wenn ein Dirac-Impuls auf den Eingang gegeben wird. Der ideale Dirac-Impuls hat unendlich viele Frequenzanteile, wodurch sich das System charakterisieren lässt und seine Übertragungsfkt. bestimmt werden kann.

    Systemantwort: Antwort des Systems auf beliebiges Eingangssignal. Lässt sich mithilfe der Fouriertransformation aus der Impulsantwort ermitteln.
  93. Was bedeutet CISC und RISC, welche Vor- und Nachteile erwachsen daraus?
    • CISC: Complex Instruction Set Computer
    • Viele Befehle für komplexe Rechenschritte --> Lösung umfangreicher Probleme
    • Nachteil: Ausführung benötigt mehrere Taktzyklen, da ein Befehl auf mehrere einfache Instruktionen heruntergebrochen wird --> 60-80% des Programmes nutzen trotzdem nur 5-10% der Befehle
    • RISC: Reduced Instruction Set Computer
    • Wenige, einfache und kleine Befehle
    • Hohe Ausführungsgeschwindigkeit realisierbar
    • Hardwaredekodierung, Pipelining
    • Nachteil: komplexer Compiler für Hochsprachen
  94. Was bedeutet "Pipelining" bei einem Prozessor?
    • Zerlegung von Maschinenbefehlen in Teilaufgaben
    • Bsp. A) Holen, B) Dekodieren, C) Ausführen, D) Ergebnisausgabe
    • Parallele Ausführung der Teilaufgaben --> Stufung (siehe Graifk oben), anstatt serieller Ausführung (siehe Grafik unten)
    • Einfachere Befehle -> Taktfrequenz erhöhbar --> mehr Durchsatz
  95. Wie unterscheiden sich CISC und RISC?
    • CISC <---> RISC
    • komplexe Instruktionen, Ausführung in mehreren Taktzyklen <--> einfache Instruktionen, Ausführung in einem einzigen Taktzyklus
    • Jede Instruktion kann auf Speicher zugreifen <--> Zugriff nur durch LAde-/Speicherbefehle
    • Kein oder wenig Pipelining <--> intensives Pipelining
    • Instruktions-Interpetierung durch Mikroprogramm <--> Ausführung festverdrahtet durch Hardware
    • Variable Länge von Instruktionen <--> feste Länge
    • Viele Instruktionen/Adressierungsarten <--> wenige Instruktionen/Adressierungsarten
    • Komplexität liegt im Mikroprogramm <--> K. liegt im Compiler
    • Einfacher Registersatz <--> umfangreiche Registersätze
  96. Wie sind
    a) Übertragungsfunktion
    b) Bode-Diagramm
    c) Impulsantwort
    d) Sprungantwort
    eines Tiepasses 1. Ordnung?
    • a) G(s) = 1/s
    • b)
    • |_________
    • | ..................\
    • |_________._\_
    • fg
    • c) Die Impulsantwort des Tiefpass ist die si-Fkt.
    • d) Die Sprungantwort des Tiefpasses entspricht einer Kondensator-Ladekurve
  97. Welche Eigenschaften hat ein PID-Regler?
    a) Amplitudenfrequenzgang
    b) Sprungantwort
    c) Schaltplan mit OPV
    • a) Bis zur fg des I-Gliedes I-Verhalten, ab der fg des D-Gliedes D-Verhalten, Offset durch das P-Glied:
    • b) Sprungantwort: zunächst D-Verhalten wg. der schnellen Änderung beim Anstieg, nach der Verzugszeit des I-Gliedes I-Verhalten, Offset des P-Anteils:
    • c)
    • Alternativ: Parallelschaltung je eines Integrieres, Differenzierers und Proportional-Verstärkers
  98. Was versteht man unter einfachem bzw. einstufigen Befehls-Pipelining?
    Befehle werden in zwei Teile aufgeteilt (Laden und Ausführen), sodass während der Ausführung eines Befehls schon der nächste geladen wird.
  99. a) Was sind "Flags" bei einem Mikroprozessor/-controller?
    b) Wozu dienen Flags?
    c) Nennen Sie einige Flags.
    • a) Flags sind einzelne Bits in den CPU-Registern, die bestimmte Ereignisse oder Zustände signalisieren.
    • b) Flags werden bspw. nach dem Ausführen von bestimmten Befehlen gesetzt oder rückgesetzt, um das Beendigen oder best. Eigenschaften eines Ergebnisses zu signalisieren.
    • c) Zero-Flag (wenn ein Ergebnis = 0 ist)
    • Carry-Flag (Überlauf)
    • Negativ-Flag (es handelt sich um eine Zahl mit neg. VZ)
  100. a) Was ist ein LAN?
    b) Beschreiben Sie übliche LAN-Topologien.
    c) Erläutern Sie den Begriff "Datenpaket".
    d) Erklären Sie das Zugriffsverfahren CSMA/CD.
    • a) "Local Area Network" --> Computernetzwerk z. B. in Firmen, nach außen abgeschlossen
    • b) Ringnetz (BNC), Sternnetz (RJ45)
    • c) Datenpaket --> in sich geschlossene Dateneinheit mit fester Länge und Form (Nutzdaten, Adress- und Verwaltungsinformationen)
    • d) "Carrier Sense Multiple Acces / Collision Detection"
    • Zugriff verschiedener Stationen auf gemeinsames Übertragungsmedium (beim Ethernet als IEEE 802.3 standardisiert, WLAN ähnlich CSMA/CA)
    • > Senden von Daten nur, wenn Leitung frei
    • > Detektierung von Kollisionen bei Übertragung durch überhöhte Pegel (Addition durch Überlagerung) --> JAM-Signal für alle Teilnehmer verständlich
    • > Warten bis Leitung wieder frei
    • > bei freier Leitung zufällige Wartezeit (backoff) vor erneutem Senden
    • > maximale Anzahl Übertragungsversuche
    • ==> v. a. Sender muss Kollision erkennen. Deshalb Mindestpaketlänge so, dass Übertragungsdauer mindestens solang ist, wie das Signal zwei mal über die längste Distanz braucht.
  101. Zeigen Sie Möglichkeiten auf, die sich mit einem Mikro-Controller mit intergrierter Timer-Baugruppe ergeben.
    • Uhrzeit
    • Zeitgeber für CPU
    • Erzeugung von Signalen
    • Vermessung von externen Signalen
    • Softwaremäßige Entprellung
    • Zählerfunktion (z. B. Impulse einer PWM zählen)
  102. Nennen und skizzieren Sie die wichtigsten Funktionen eines Ihnen bekannten Mikroprozessors oder -controllers.
    • Beispiel PIC:
    • ALU
    • ACCU
    • Programmspeicher (Programm Memory/ROM)
    • Datenspeicher (File Register/RAM)
    • Interruptlogik
    • Adress- und Datenbus
    • Timer
    • ADC
    • USART
    • Capture/Compare/PWM
    • SSP -> I²C

    • Interner Aufbau eines PICs:
  103. Jeder Personal Computer besitzt eine serielle sowie eine parallele Schnittstelle.
    a) Wie lauten genauere Bezeichnungen?
    b) Welche Eigenschaften haben die beiden Schnittstellen?
    c) Mit welcher von beiden kann über größere Entfernungen übertragen werden?
    • a) seriell: RS232, RS485 (differentiell), parallel: ? (wird heute kaum noch genutzt...)
    • b) RS232 nach EIA V.28:
    • logisch 1 bei -3...-15V
    • logisch 0 bei 3...15V
    • Pegel sind auf Masse bezogen (masse-/erdsymmetrisch)
    • RS485: wie RS232, aber differentielle Übertragung
    • c) vermutlich sind serielle Schnittstellen für lange Strecken besser geeignet als parallele, da weniger Leitungen vorhanden sind, die gestört werden können. Die RS232-Spec sieht 15m Ü.-Strecke vor, praktisch jedoch meist noch mehr möglich.
  104. Erläutern Sie folgende Begriffe, die im Zusammenhang mit einer höheren Programmiersprache (C++) stehen:
    a) Codespeicher
    b) Datenspeicher
    c) Heap
    d) Programmstack
    • a) hier ist der Programmcode hinterlegt
    • b) hier sind Daten (Konstanten) hinterlegt
    • c) hier befinden sich zur Laufzeit des Programmes globale bzw. statische Variablen und temporäre Variablen (dynamischer Speicher)
    • d) hier befinden sich zur Laufzeit lokale Variablen und Rücksprungadressen
  105. a) Was bedeutet "dynamische Speicherverwaltung" bei einer höheren Programmiersprache (C++)?
    b) Welcher spezielle Datentyp kommt hier zum Einsatz?
    c) Was kann zur Lebensdauer und zum Speicherort der einzelnen Datenobjekte gesagt werden?
    • a) Variablen werden erst zur Programm-Laufzeit angelegt, d. h. Speicher wird nur reserviert, wenn er auch gebraucht wird.
    • b) Der spezielle Datentyp ist "Zeiger auf X", wobei X der Datentyp der dynamischen Vairable ist.
    • Die Reservierung von Speicher geschieht durch:
    • int* dynptr = new int; --> Schlüsselwort "new"
    • Die Freigabe durch:
    • delete dynptr; --> Schlüsselwort "delete"
    • Beim Anlagen wird dem Zeiger eine Adresse zugewiesen, die dynamische "Variable" kann also nicht direkt angesprochen werden.
    • c) Eine dynamische Variable wird auf dem Heap angelegt, somit ist der Heap dynamisch. Seine Verwaltung kann aufwändig sein. Die Lebensdauer reicht vom Anlegen durch "new" bis zum Freigeben durch "delete". Gefahr --> Wenn die Zeigeradresse in einen anderen Zeiger kopiert wird und nur der erste Zeiger gelöscht wird, dann kann es zu Zugriffsverletzungen kommen, wenn über den zweiten Zeiger zugegriffen wird. --> ALIASING
  106. Was ist eine Sprungtabelle für Interruptvektoren oder -routinen und welche Vorteile hat dieses Konzept?
    • Die Sprungtabelle ist ein Stück Speicher direkt nach dem Reset-Vektor im ROM. Dort stehen ganze ISRs oder Sprungbefehle zur ISR, wenn diese umfangreicher ist.
    • Vorteil: Beim Auftreten eines Interrupts kann der Programm Counter unmittelbar (da hardwaremäßig) an die entsprechende Stelle in der Tabelle gesetzt werden und der Interrupt wird so gut wie ohne Verzug ausgeführt (natürlich noch Prioritäts-Abwägung).
  107. Welche Komponenten muss ein Prozessorsystem für z.B. eine Waschmaschine aufweisen?
    • PWM (Drehzahlsteuerung)
    • I/O-Ports (z. B. Wasser an/aus...)
    • Interrupts (Tür auf usw.)
  108. Warum werden Mikroprozessor-Systeme für low-end Anwendungen (Waschmaschine, Video-Recorder, usw.) oft in Assembler und nicht in einer Hochsprache programmiert?
    • Einfache Probleme lassen sich leicht in Assembler programmieren, was dann auch nicht aufwändiger ist als in einer Hochsprache.
    • Dadurch kompakter Code --> wenig Speicher notwendig
    • außerdem hardware-näher
  109. Warum ist die Taktfrequenz als alleiniger Parameter ungeeignet, um die Leistungsfähigkeit verschiedener Prozessorfamilien zu vergleichen?
    • Es kommt auf die Architektur/die interne Struktur des Prozessors an:
    • Busbreite (wieviele Daten gleichzeitig?)
    • welche Befehle gibt es, um ein Problem zu lösen
    • wie schnell werden diese Befehle ausgeführt (in wievielen Taktschlägen) --> RISC/CISC
    • wie ist das Pipelining organisiert, wie viel läuft parallel während einem Takt?
  110. Nennen Sie einige Parameter zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Prozessoren.
    • Taktfrequenz
    • Befehlssatz (Umfang, Promblem-Spezifigkeit)
    • Busstruktur (wieviele Daten pro Takt) --> seriell/parallel
    • Kommunikation mit der Peripherie
    • Daten- und Adressbus für Programm und Daten? --> Harvard/v.Neumann...
  111. a) Was kennzeichnet automatische Variable in der Programmiersprache C?
    b) Nennen Sie Speicherorte für automatische C-Variable bei einem C515-Prozessor im KEIL-Compiler.
    • a) Automatische Variable sind lokale Variable, sie werden beim Eintritt in ein Unterprogramm erzeugt und existieren nur für dessen Laufzeit.
    • b) Stack?
  112. Klassifizieren Sie einen PIC16 nach
    a) Architektur
    b) Breite des Datenbus.
    • a) Alle PICs sind nach Harvard aufgebaut/RISC.
    • b) 8 Bit
  113. Was können Sie zur Zuverlässigkeit von Bauteilen sagen?
    Welche statistische Verteilung kommt bei der Beschreibung zum Einsatz?
    Welcher typische Verlauf der Ausfallrate wird oft beobachtet?
    • SIL-Klassifizierung?
    • Toleranz
    • Exemplarstreuung
    • Ausfallrate:

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