Die Druckversion wird nicht mehr unterstützt und kann Darstellungsfehler aufweisen. Bitte aktualisiere deine Browser-Lesezeichen und verwende stattdessen die Standard-Druckfunktion des Browsers.

aiMOOC

Digitale Elektronik und Mikrocontroller – Analoge Messwerte digitalisieren

QR-Code

Digitale Elektronik und Mikrocontroller – Analoge Messwerte digitalisieren

Einleitung

Zielgruppe: Ausbildung in Elektronik, Elektrotechnik, Mechatronik und Automatisierungstechnik.

Lernzeit: ca. 60 Minuten Grundlagen und Simulation, anschließend Übungs- und Projektaufgaben.

Lernziel: Du kannst erklären, wie ein Analog-Digital-Wandler (ADC) Spannungen in Zahlenwerte umwandelt. Du berechnest die Auflösung, beurteilst die Referenzspannung und erkennst die Folgen der Quantisierung.

Lernweg: Bild ansehen → Zusammenhang verstehen → sicher simulieren → Ergebnis überprüfen → Fehler begründen.

Merksatz: Ein ADC macht aus einer analogen Eingangsspannung einen digitalen Zahlenwert.

Sicherheitsregel: Alle praktischen Lernversuche finden ausschließlich in einer berührungssicheren Computersimulation statt. Alternativ dürfen geeignete berührungssichere Schulungsmodelle nur nach Freigabe durch die verantwortliche Fachperson genutzt werden. Arbeiten an realen elektrischen Anlagen und Schaltungen sind entsprechend qualifizierten und beauftragten Personen vorbehalten. Keine Netzspannungsversuche, keine realen Aktoren und keine Steuerung sicherheitsrelevanter Einrichtungen. Ein bestandenes Quiz oder eine erfolgreiche Simulation ist ausdrücklich keine Freigabe für reale Elektroarbeiten.

Ausbildungsfall: Virtuelle Füllstandsanzeige

Situation: Eine Auszubildende soll eine Anzeige für den Füllstand eines Wasserbehälters entwickeln. Ein analoges Sensorsignal soll digital ausgewertet werden.

Auftrag: Ein Potentiometer ersetzt in der Simulation den Füllstandssensor. Der Mikrocontroller soll unterhalb von 50 % den Text „Nachfuellen“ anzeigen, sonst „OK“.

Modellwerte:

Arduino Uno R3 mit 10-Bit-ADC.
Nominelle Referenzspannung: 5,0 V.
Simulierter Sensorbereich: 0 bis 5,0 V.
Entscheidungsschwelle: ADC-Code 512.
Ausgabe nur im seriellen Monitor, ohne angeschlossene Anlage.

Arbeitsfrage: Warum kann der Mikrocontroller nicht beliebig viele verschiedene Spannungswerte unterscheiden?

Lerneinheit 1: Analog wird digital

Dauer: 7 Minuten

Ein Analogsignal kann zwischen zwei Grenzen kontinuierliche Amplitudenwerte annehmen. Ein ADC liefert dagegen nur eine begrenzte Zahl unterschiedlicher digitaler Codes.

Signalweg:

Analoger Sensor
      |
      v
Eingangsspannung U_E
      |
      v
Abtastung
      |
      v
Quantisierung
      |
      v
Digitaler ADC-Code
      |
      v
Mikrocontroller
      |
      v
Anzeige oder Auswertung

Bildauftrag: Betrachte die einzelnen Messpunkte. Der zeitliche Verlauf wird nicht ununterbrochen erfasst, sondern zu bestimmten Zeitpunkten abgetastet.

Video: Arduino Basics – Analogsignal konvertieren und lesen.

Kurzauftrag: Erkläre den Unterschied zwischen einem analogen Spannungsverlauf und einer Folge digitaler Messwerte in zwei Sätzen.

Feedback: Eine gute Erklärung unterscheidet zwischen der kontinuierlichen Amplitude des Eingangssignals und den begrenzten Zahlenwerten des ADC. Zusätzlich erfolgt die Messung nur zu bestimmten Zeitpunkten.

Lerneinheit 2: Abtastung und Signaldiagramm

Dauer: 7 Minuten

Bei der Abtastung wird der momentane Signalwert zu festgelegten Zeitpunkten erfasst.

Wichtig: Das Bild zeigt ein abgetastetes und gehaltenes Signal. Die Haltestufen sind noch keine Darstellung des vollständigen digitalen ADC-Codes. Erst die Quantisierung ordnet der Amplitude eine begrenzte Zahl von Stufen zu.

Signaldiagramm – vereinfachtes Unterrichtsmodell:

Zeitpunkt       t0    t1    t2    t3    t4
-------------------------------------------
Spannung/V     0,0   1,25  2,50  3,75  5,0
ADC-Code         0    256   512   768  1023
-------------------------------------------
             einzelne Messzeitpunkte

Annahme: Idealisierter 10-Bit-Wandler mit 5,0 V Referenz. Die letzte Codezahl wird am oberen Messbereichsende begrenzt.

Mini-Aufgabe: Warum könnte ein sehr kurzer Spannungsausschlag zwischen zwei Messzeitpunkten unentdeckt bleiben?

Feedback: Weil ein ADC nur die Werte der jeweiligen Abtastzeitpunkte liefert. Ein Ereignis zwischen zwei Abtastungen kann fehlen. Für schnell wechselnde Signale sind außerdem Abtastrate und gegebenenfalls eine geeignete Eingangssignalbegrenzung wichtig.

Lerneinheit 3: Auflösung und Quantisierung

Dauer: 10 Minuten

Wie viele Zahlenwerte gibt es?

Die Bittiefe bestimmt die Anzahl der theoretisch darstellbaren Codes.

Formel:

Anzahl der Codes = 2 hoch n

n = Anzahl der Bits.

Auflösung	Codes	Schrittweite bei 5,0 V
3 Bit	8	625 mV
8 Bit	256	ca. 19,53 mV
10 Bit	1024	ca. 4,88 mV
12 Bit	4096	ca. 1,22 mV

Achtung: Die 12-Bit-Zeile ist ein rechnerischer Vergleich, keine einstellbare 12-Bit-Auflösung des Arduino Uno R3.

Bildauftrag: Vergleiche die analoge Kurve mit den acht Quantisierungsstufen.

Was bedeutet ein LSB?

Ein LSB bezeichnet die kleinste Stelle des digitalen Codes. Die ideale Spannungsbreite einer ADC-Stufe beträgt bei einem unipolaren n-Bit-Wandler:

ΔU = Uref / 2 hoch n

Beispiel:

ΔU = 5,0 V / 1024 = 0,0048828125 V

Ergebnis: ca. 4,88 mV pro Stufe.

Quantisierung bedeutet: Unterschiedliche analoge Spannungen können demselben digitalen Code zugeordnet werden. Es entsteht eine unvermeidbare Quantisierungsabweichung.

Wichtig: Mehr Bits bedeuten feinere Stufen, aber nicht automatisch eine ebenso hohe tatsächliche Messgenauigkeit. Auch Rauschen, Referenzfehler, Offset, Nichtlinearität und Sensorfehler beeinflussen das Ergebnis.

Mini-Aufgabe: Erkläre, warum 12 Bit feinere Spannungsunterschiede unterscheiden können als 10 Bit.

Feedback: Bei unveränderter Referenzspannung verteilen sich 4096 statt 1024 Stufen über denselben Messbereich. Die ideale Schrittweite ist dadurch viermal kleiner.

Lerneinheit 4: Referenzspannung und Stromlaufbild

Dauer: 10 Minuten

Die Referenzspannung

Die Referenzspannung legt den Spannungsmaßstab des ADC fest.

Beispiel: Beim Arduino Uno R3 dient in der Grundeinstellung die Versorgungsspannung als ADC-Referenz. Im Lernmodell beträgt sie nominell 5,0 V.

Bei einem idealisierten 10-Bit-ADC gilt:

Referenz	Schrittweite
5,0 V	ca. 4,88 mV
3,3 V	ca. 3,22 mV

Merke: Eine kleinere Referenz führt bei gleicher Bittiefe zu feineren Spannungsschritten. Sie verkleinert aber zugleich den nutzbaren Eingangsspannungsbereich. 3,3 V wird hier nur rechnerisch verglichen und nicht als Anschlussanweisung für den Uno verwendet.

Potentiometer als virtueller Sensor

Das Potentiometer wirkt hier als einstellbarer Spannungsteiler.

Stromlaufbild des vereinfachten Simulationsmodells:

   +5 V (virtuell)
       |
       |
     [R_oben]
       |
       o------------------- A0
       |                     |
     [R_unten]           Arduino Uno R3
       |                     |
       +------------------- GND
       |
      GND

R_oben + R_unten = Gesamtwiderstand
o = verstellbarer Potentiometer-Schleifer
ADC-Referenz = nominell 5,0 V

Zuordnung in Wokwi:

Virtueller Potentiometeranschluss	Virtueller Arduinoanschluss
VCC	5V
SIG	A0
GND	GND

Beachte: Dies ist ein funktionales Simulationsbild, kein geprüfter Montage- oder Installationsplan. Die Simulation ersetzt weder einen normgerechten Stromlaufplan noch die elektrische Sicherheitsprüfung.

Video: Potentiometer und Analogeingang in einer Tinkercad-Simulation.

Mini-Aufgabe: Der Schleifer befindet sich ungefähr in der Mitte des Spannungsteilers. Welche Eingangsspannung erwartest Du?

Feedback: Bei einem ideal linearen Potentiometer zwischen 0 und 5 V sind es ungefähr 2,5 V. Mit einem idealisierten 10-Bit-ADC ergibt sich ungefähr Code 512.

Lerneinheit 5: Sichere ADC-Simulation

Dauer: 15 Minuten

Simulation starten

Direkt startbares Modell: Arduino-Potentiometer mit serieller Messwertdarstellung auf Wokwi.

Dokumentation: Potentiometer im Wokwi-Simulator.

Öffne das Simulationsprojekt im Browser.
Starte die Simulation.
Verstelle den virtuellen Potentiometerknopf.
Beobachte die Codes im seriellen Monitor beziehungsweise im Plotter.
Halte Messwerte für Minimum, Mitte und Maximum fest.

Sicherheitsvorteil: Du verwendest ausschließlich ein Bildschirmmodell ohne elektrische Berührung. Wokwi bildet allerdings nicht alle analogen Effekte vollständig nach. Simulationsergebnisse sind daher keine Mess- oder Sicherheitsnachweise für reale Hardware.

Programm für den Ausbildungsfall

Ersetze im Simulationseditor den Beispielcode durch diesen Sketch. Das Modell zeigt ausschließlich Text an.

const float UREF_NOMINAL = 5.0;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  int adc = analogRead(A0);

  float uApprox =
    adc * (UREF_NOMINAL / 1024.0);

  Serial.print("ADC: ");
  Serial.print(adc);

  Serial.print("  U ca.: ");
  Serial.print(uApprox, 3);
  Serial.print(" V  Status: ");

  if (adc < 512) {
    Serial.println("Nachfuellen");
  } else {
    Serial.println("OK");
  }

  delay(100);
}

Erklärung: `analogRead(A0)` liefert einen digitalen Code von 0 bis 1023. Die berechnete Spannung ist eine Näherung unter Annahme einer nominellen Referenz von genau 5,0 V.

Die Rechnung mit 1024 nutzt die ideale Stufenbreite. Sie weist dem Code näherungsweise die untere Intervallgrenze zu. Eine Anzeigeformel mit 1023 kann dagegen die beiden Endcodes auf 0 und 5 V normieren. Beides ist nicht mit einer präzisen Kalibrierung gleichzusetzen.

Erwartete Simulationswerte

Modellspannung	Idealer ADC-Code	Textanzeige
0,00 V	0	Nachfuellen
1,25 V	256	Nachfuellen
2,50 V	512	OK
3,75 V	768	OK
5,00 V	1023	OK

Hinweis: Die Tabelle zeigt idealisierte rechnerische Zuordnungen. An der Mittelstellung und anderen Grenzwerten können Rundung und Simulatorimplementierung zu benachbarten Codes führen.

Arbeitsauftrag: Erstelle eine Tabelle mit fünf beobachteten Simulationsergebnissen und vergleiche sie mit den Modellwerten.

Gestufte Hilfen

Hilfe 1 – Orientierung: Suche die Stelle `analogRead(A0)` im Programm. Dort entsteht der Messcode.

Hilfe 2 – Rechenhilfe: Halber Eingangsbereich bedeutet ungefähr die Hälfte von 1024 Codes.

Hilfe 3 – Musterweg: 2,50 V / 5,00 V × 1024 = 512. Die Schaltentscheidung lautet im Modell: Code kleiner als 512 → Nachfuellen.

Begründetes Feedback: Der Schwellwert wird anhand des digitalen Codes geprüft, nicht durch einen unabhängigen analogen Spannungskomparator. Eine digitale Anzeigeentscheidung kann daher an einer Quantisierungsgrenze um eine Stufe schwanken.

Lerneinheit 6: Messfehler erkennen und beurteilen

Dauer: 8 Minuten

Warum stimmen Messwerte nicht immer?

Beobachtung	Mögliche fachliche Ursache
Nur Werte von 0 bis 1023	10-Bit-Codierung
Zwei nahe Spannungen ergeben denselben Code	Quantisierung
Eingang überschreitet den Referenzbereich	Begrenzung am Messbereichsende
Spannung wird falsch zurückgerechnet	Falsche angenommene Referenz
ADC-Code schwankt an einer Grenze	Rauschen oder instabiler Eingang
Realer Wert weicht trotz hoher Auflösung ab	Sensor-, Referenz- oder ADC-Fehler

Vertiefung: Viele ADCs arbeiten nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation. Dabei wird der Eingangswert schrittweise durch Vergleich angenähert.

Video zur Vertiefung: Analog-Digital-Wandler und Mikrocontroller.

Diagnoseaufgabe: Ein Eingangssignal eines unabhängig versorgten Sensors bleibt bei 2,50 V. Die tatsächliche Referenz sinkt jedoch von 5,00 V auf 4,80 V. Warum verändert sich der ADC-Code?

Feedback: Die Eingangsspannung ist nun ein größerer Anteil der Referenz. Der Code steigt im idealisierten Modell ungefähr von 512 auf 533. Wird mit der falschen Referenz 5,00 V zurückgerechnet, entsteht eine systematische Abweichung.

Sonderfall: Ist das Potentiometer direkt zwischen Referenzversorgung und Masse angeschlossen, ändert sich seine Ausgangsspannung mit der Versorgung. Bei gleichbleibender relativer Schleiferposition bleibt der ADC-Code dann idealerweise nahezu gleich. Das nennt man eine ratiometrische Messung.

Differenzierte Übungsaufgaben mit Feedback

Basisaufgaben

Ziel: Du erkennst grundlegende Zusammenhänge.

Basis 1: Berechne die Anzahl der ADC-Codes für 8 Bit und 10 Bit. Feedback: 256 und 1024 sind richtig, weil mit jedem zusätzlichen Bit die Zahl der möglichen Codes verdoppelt wird.
Basis 2: Benenne im Stromlaufbild den Anschluss des Potentiometers, der das variable Signal liefert. Feedback: Der Schleifer ist richtig, weil sich dort die Teilspannung entsprechend der Stellung verändert.
Basis 3: Erkläre, weshalb 10 Bit bei 5 V eine Schrittweite von ungefähr 4,88 mV ergeben. Feedback: 5 V werden in 1024 Intervalle geteilt. Die Schrittweite ist nicht identisch mit der gesamten Messgenauigkeit.

Hilfe 1: Zähle die verfügbaren Codes.

Hilfe 2: Nutze 2 hoch n.

Hilfe 3: Teile die Referenzspannung durch die Anzahl der Codes.

Anwendungsaufgaben

Ziel: Du wendest die Grundlagen in einer Simulation an.

Anwendung 1: Berechne den idealisierten ADC-Code für 3,75 V bei 5,0 V Referenz. Feedback: 768 ist richtig, denn 3,75 / 5,0 × 1024 = 768.
Anwendung 2: Prüfe im Sketch die Codes 511 und 512. Welche Meldung erscheint? Feedback: 511 ergibt Nachfuellen, 512 ergibt OK. Entscheidend ist der Vergleich `adc < 512`.
Anwendung 3: Verändere im Simulationscode den Schwellwert auf 256 und beobachte das Ergebnis. Feedback: Die Meldung wechselt jetzt ungefähr bei einem Viertel des Messbereichs, weil 256 von 1024 Stufen 25 % entspricht.

Hilfe 1: Suche die Konstante im Vergleichsausdruck.

Hilfe 2: Rechne in Anteilen des Messbereichs.

Hilfe 3: Vergleiche die beiden Codes direkt mit der programmierten Bedingung.

Transferaufgaben

Ziel: Du beurteilst Alternativen und entwickelst begründete Lösungen.

Transfer 1: Vergleiche rechnerisch einen idealen 10-Bit-ADC bei 5,0 V und 3,3 V Referenz. Feedback: 4,88 mV beziehungsweise 3,22 mV sind richtig. Die kleinere Referenz verbessert die ideale Spannungsauflösung, begrenzt aber den Eingangsspannungsbereich. Die Änderung darf nicht ungeprüft auf reale Hardware übertragen werden.
Transfer 2: Ein Sensor liefert unabhängig von der Referenz bis 5 V, der ADC-Messbereich endet bereits bei 3,3 V. Entwickle eine geeignete technische Lösung auf Blockschaltbildebene. Feedback: Geeignet sind ein ADC mit passendem zulässigem Messbereich oder eine fachgerecht dimensionierte Signalaufbereitung. Eine höhere Bittiefe allein beseitigt die Bereichsüberschreitung nicht.
Transfer 3: Eine Anzeige wechselt bei fast konstantem Füllstand ständig zwischen OK und Nachfuellen. Entwickle eine digitale Verbesserung. Feedback: Zwei getrennte Umschaltschwellen, beispielsweise als Hysterese, verhindern häufiges Umschalten durch kleine Messwertschwankungen. Eine Hysterese ersetzt jedoch keine Prüfung von Sensor und Messkette.

Hilfe 1: Prüfe zunächst Messbereich, Referenz und Signalqualität.

Hilfe 2: Unterscheide feine Auflösung von korrektem Messbereich.

Hilfe 3: Begründe Deine Lösung anhand der Auswirkungen auf den ADC-Code.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was macht ein Analog-Digital-Wandler? (Er wandelt analoge Eingangssignale in digitale Werte um) (!Er wandelt jede Spannung direkt in Netzstrom um) (!Er speichert ausschließlich Programmcode) (!Er erzeugt nur mechanische Bewegungen)

Welche ADC-Auflösung besitzt der Arduino Uno R3? (10 Bit) (!4 Bit) (!16 Bit) (!24 Bit)

Welche Zahlenwerte kann ein 10-Bit-ADC im verwendeten Modell ausgeben? (0 bis 1023) (!0 bis 255) (!1 bis 1000) (!0 bis 4095)

Wie groß ist die ideale Schrittweite bei 10 Bit und 5 Volt Referenz? (Etwa 4,88 Millivolt) (!Etwa 50 Millivolt) (!Etwa 500 Millivolt) (!Etwa 1 Volt)

Welche Aufgabe besitzt die Referenzspannung? (Sie legt den Spannungsmaßstab der Wandlung fest) (!Sie bestimmt ausschließlich die Speichergröße) (!Sie ersetzt jeden analogen Sensor) (!Sie steuert die serielle Baudrate)

Was geschieht bei der Quantisierung? (Analoge Amplituden werden diskreten Stufen zugeordnet) (!Digitale Daten werden grundsätzlich gelöscht) (!Jeder Messfehler wird vollständig entfernt) (!Die Abtastzeit wird automatisch unendlich klein)

Welcher Potentiometeranschluss liefert im Lernmodell die variable Spannung? (Der Schleifer) (!Der Masseanschluss allein) (!Der USB Datenanschluss) (!Der Resetanschluss)

Welcher digitale Code entspricht im idealisierten Modell ungefähr 2,5 Volt bei 5 Volt Referenz? (512) (!128) (!900) (!1023)

Was ist die wichtigste Eigenschaft der eingesetzten Computersimulation hinsichtlich elektrischer Berührung? (Es werden keine realen spannungsführenden Teile berührt) (!Sie ersetzt jede vorgeschriebene Sicherheitsprüfung) (!Sie garantiert die Fehlerfreiheit realer Sensoren) (!Sie erlaubt anschließend eigenständige Netzspannungsarbeiten)

Welche Aussage über einen erfolgreichen Quizabschluss ist korrekt? (Er ist keine Freigabe für reale elektrische Arbeiten) (!Er ersetzt die Fachqualifikation) (!Er erlaubt eigenständige Arbeiten an beliebigen Anlagen) (!Er bestätigt automatisch die Sicherheit jeder Schaltung)

Auswertungshinweis: Nutze falsche Antworten, um die entsprechenden Lerneinheiten erneut zu bearbeiten. Quizresultate dienen ausschließlich dem Lernen und begründen keine Berechtigung zu Elektroarbeiten.

Memory

Analogsignal	Kontinuierliche Amplitudenwerte
ADC	Analog-Digital-Wandler
Referenzspannung	Maßstab der Spannungswandlung
LSB	Kleinste digitale Wertigkeitsstelle
Quantisierung	Zuordnung zu diskreten Stufen
Schleifer	Beweglicher Mittelkontakt
Abtastung	Erfassung zu bestimmten Zeitpunkten
Spannungsauflösung	Kleinster idealer Spannungsschritt

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Funktion
Abtastung	Signalwert zu einem Zeitpunkt erfassen
Quantisierung	Signalwert einer diskreten Stufe zuordnen
Codierung	Wert als digitalen Code darstellen
Referenz	Elektrischen Bezugsmaßstab vorgeben
Anzeige	Digitalen Messwert sichtbar machen
Diagnose	Messabweichungen fachlich untersuchen

Kreuzworträtsel

Analogsignal	Wie heißt ein Signal mit kontinuierlichen Amplitudenwerten?
Potentiometer	Welches verstellbare Bauteil verwendet der Ausbildungsfall als virtuellen Sensor?
Referenz	Wie heißt der Bezugsmaßstab für die Spannungswandlung?
Quantisierung	Wie heißt die Zuordnung zu endlich vielen Wertestufen?
Abtastung	Wie heißt die Erfassung eines Signals zu bestimmten Zeitpunkten?
Schleifer	Wie heißt der bewegliche Mittelkontakt des Potentiometers?

LearningApps

Lückentext

Ein Analog-Digital-Wandler liefert aus einer analogen Eingangsspannung einen digitalen

.

Die Erfassung eines Signals zu einzelnen Zeitpunkten heißt

.

Die Zuordnung einer Amplitude zu endlich vielen Wertestufen heißt

.

Die Anzahl der darstellbaren Codes hängt von der

ab.

Ein 10-Bit-ADC besitzt insgesamt

mögliche Codes.

Der größte Code eines vorzeichenlosen 10-Bit-ADC lautet

.

Die elektrische Bezugsgröße des ADC heißt

.

Die variable Spannung wird am

des Potentiometers abgegriffen.

Im Ausbildungsmodell wird der Analogeingang

verwendet.

Die virtuelle Schaltung wird im

ausgeführt.

Eine Quizleistung ersetzt niemals die notwendige fachliche

.

Offene Aufgaben

Leicht

Signaldiagramm: Zeichne einen analogen Spannungsverlauf und markiere fünf Abtastzeitpunkte. Erkläre, welche Werte erfasst werden.
Binärzahl: Erstelle eine kleine Lernkarte, die 8 Bit, 10 Bit und 12 Bit miteinander vergleicht.
Stromlaufplan: Beschrifte das vereinfachte Spannungsteilerbild mit Versorgung, Masse, Schleifer und ADC-Eingang.
Lernvideo: Erstelle ein einminütiges Erklärvideo über Quantisierung mit einer selbst gezeichneten Treppenkennlinie.

Standard

Schaltungssimulation: Führe die Potentiometersimulation aus und dokumentiere fünf ADC-Codes mit passenden Screenshots.
Messwerttabelle: Entwickle eine Vergleichstabelle für Modellspannung, berechneten ADC-Code und simulierte Anzeige.
Programmierung: Ändere ausschließlich im Simulator die digitale Umschaltschwelle und untersuche das Verhalten.
Fehleranalyse: Beschreibe drei mögliche Gründe, warum ein realer Messwert vom idealen Berechnungswert abweichen kann.

Schwer

Hysterese: Entwickle in einer reinen Simulation eine Füllstandsanzeige mit zwei Umschaltschwellen und dokumentiere, weshalb das Flattern verringert wird.
Sensorik: Vergleiche zwei hypothetische Sensoren mit unterschiedlichen Ausgangsspannungsbereichen. Wähle begründet einen passenden ADC-Messbereich.
Referenzspannung: Erstelle eine Grafik, die das Verhalten eines unabhängigen Spannungssensors bei einer veränderten ADC-Referenz erläutert.
Projektarbeit: Gestalte einen vollständigen virtuellen Messplatz mit Funktionsbeschreibung, Stromlaufbild, Signaldiagramm, Programm, Testprotokoll und technischer Reflexion.

Lernkontrolle

Die Lernkontrolle überprüft Zusammenhänge und Transfer. Begründe Deine Antworten anhand von Rechnung, Signalbild oder Simulation.

Auflösung: Ein 12-Bit-ADC zeigt trotz höherer Auflösung instabile Messwerte. Erläutere, weshalb mehr Bits das Problem nicht automatisch lösen.
Referenzspannung: Ein unabhängiger Sensor liefert 2,0 V. Vergleiche seine idealisierten ADC-Codes bei 5,0 V und 3,3 V Referenz und erkläre die Änderung.
Quantisierung: Zwei leicht unterschiedliche Eingangsspannungen liefern denselben Code. Beurteile, ob dies auf einen Defekt schließen lässt.
Signalverarbeitung: Eine sehr kurze Spannungsänderung wird in der Simulation nicht erfasst. Erkläre den Zusammenhang mit dem Abtastzeitpunkt und entwickle einen verbesserten Messansatz.
Fehlerdiagnose: Ein digitaler Füllstandswert bleibt am oberen Codeende stehen. Unterscheide Messbereichsbegrenzung, falsche Referenzannahme und einen möglichen Programmfehler.
Automatisierungstechnik: Entwickle ein Konzept, wie eine virtuelle Füllstandsanzeige bei schwankenden Codes einen stabilen Textstatus liefern kann, ohne Messinformationen zu verfälschen.
Sicherheit in der Elektrotechnik: Begründe, weshalb ein fehlerfrei laufendes Simulationsprogramm und ein erfolgreiches Quiz nicht zur Inbetriebnahme einer realen Anlage berechtigen.

Beurteilungsschwerpunkte: technisch begründete Entscheidungen, nachvollziehbare Modelle, Fehlerbewusstsein, sichere Arbeitsgrenzen und kritische Bewertung der Simulation.

Lernnachweis

Für einen vollständigen Lernnachweis dokumentierst Du:

Grundlagen: Unterschied zwischen Analogsignal, Abtastung, Quantisierung und digitalem ADC-Code.
Berechnung: Anzahl der Codes und ideale Schrittweite für mindestens zwei Bittiefen.
Referenz: Bedeutung der Referenzspannung und Folgen einer unpassenden Wahl.
Stromlaufbild: nachvollziehbare Darstellung des virtuellen Potentiometer-ADC-Modells.
Signaldiagramm: Darstellung eines analogen Verlaufs mit Abtastzeitpunkten und passenden digitalen Messwerten.
Simulation: nachvollziehbares Testprotokoll mit mindestens fünf Messwerten.
Programm: kommentierter Sketch mit der gewählten Umschaltschwelle.
Diagnose: begründete Analyse einer Messabweichung und einer geeigneten Gegenmaßnahme.
Transfer: selbstständig begründete Verbesserung der virtuellen Füllstandsanzeige.
Sicherheitsreflexion: schriftliche Abgrenzung zwischen Computersimulation und realer Elektroarbeit.

Bewertungsmaßstab: Ein Lernnachweis ist fachlich überzeugend, wenn Rechenwege stimmen, Diagramm und Simulation zueinander passen, Unsicherheiten benannt werden und die Sicherheitsgrenzen eingehalten sind.

Keine Freigabewirkung: Der Lernnachweis, Quizpunkte oder Simulationsresultate bescheinigen weder eine elektrotechnische Qualifikation noch eine Beauftragung oder Freigabe für reale Elektroarbeiten. Hierfür gelten die betrieblichen Zuständigkeiten und vorgeschriebenen Verfahren.

OERs zum Thema

Wikipedia: Analog-Digital-Umsetzer.

Fachquellen:

Arduino – Analog Input: Offizielle Beschreibung des analogen Eingangs und der ADC-Wandlung.
Arduino – analogRead-Referenz: Auflösung, Rückgabewerte und Boardunterschiede.
Wokwi – Potentiometer: Anschlüsse, Simulationsverhalten und Grenzen der analogen Simulation.
Wokwi – Arduino Uno: Unterstützte Mikrocontrollerfunktionen.
Wikipedia – Analog-Digital-Umsetzer: Fachlicher Überblick über Abtastung, Quantisierung und Wandlerverfahren.

Mediennachweise und Nutzungsrechte

Die folgenden Abbildungen sind auf Wikimedia Commons nachgewiesen und werden hier unverändert eingebunden. Die Dateiseiten nennen Urheber und Lizenzbedingungen.

Commons-Datei	Urheber	Lizenz
ADC Symbol.svg	Tjwikcom	Gemeinfrei
Arduino uno r3.jpg	MakeMagazinDE	CC BY-SA 4.0
Sampled.signal.svg	Petr.adamek / Rbj	Gemeinfrei
Zeroorderhold.signal.svg	Petr.adamek / Rbj	Gemeinfrei
3-bit resolution analog comparison.svg	Hyacinth	CC BY-SA 4.0
ADC voltage resolution.svg	SpinningSpark	CC BY-SA 3.0
Potentiometer symbol.svg	Kbolino	Gemeinfrei
Voltage divider.svg	Wikimedia-Commons-Dateiversion, siehe Dateiseite	Gemeinfrei
Sar adc.svg	Kirilly Miklós	Gemeinfrei

Videos: Die drei YouTube-Videos sind als originale Videoseiten verlinkt und über den YouTube-Player eingebunden. Sie werden nicht als frei lizenzierte OER ausgewiesen, da ein entsprechender Creative-Commons-Lizenznachweis nicht vorliegt. Es erfolgt keine Kopie oder Weiterverbreitung der Videodateien. Die Verfügbarkeit der Einbettung ist vom jeweiligen Rechteinhaber und der Plattform abhängig.

Simulationsangebot: Wokwi ist ein externer Webdienst. Seine Simulationsfunktionen sind nicht mit einer vollständigen analogen Schaltungssimulation, einer validierten Sicherheitsprüfung oder einem Ersatz für reale Messungen gleichzusetzen.

Eigene Materialien: Die im Kurs formulierten Aufgaben, Zahlenbeispiele, Funktionsskizzen und Programmteile sind eigenständig erstellte Lernmaterialien. Externe Inhalte unterliegen weiterhin ihren jeweiligen Nutzungsbedingungen.