Personal Fabrication Opamps DIY Personal Fabrication Opamps `` Juergen Eckert – Informatik 7
Löttutorial Stats 17 Anmeldungen Dauer 7.5h Verluste: 30 Kits gekauft 29 Kits gelötet, alle funktionieren! Dauer 7.5h Verluste: 1 IC Fassung 2 RGB LEDs 2 Bohrer Besten Dank an die Helfer!
Fahrplan Opamps Analog ↔︎ Digital Grundausstattung (Werkzeuge) Sammelbestellung für Projekte in der Übung? Bitte kauft keine Samples wenn es nicht unbedingt sein muss! 14. Januar 2015 Gastvortrag Michael Huth Sozialwissenschaftlicher Hintergrund der Maker Szene Prüfung 2. und 3. März 2015 Anmeldung über der Lehrstuhlhomepage Bei terminlichen Problem bitte melden Projekte sollte bis dahin abgeschlossen/dokumentiert sein (1.3.2015)
Opamps w/o the pain! Operationsverstärker (OP, Opamp) Differenzverstärker mit unendlicher Verstärkung Kann mathematische (analoge) Operationen durchführen 2 Inputs Inverting (-) Non-Inverting (+) 1 Output LM358 Weitere Folien inspiriert durch Pete Doktor und Dave Jones
Differenzverstärker Komparator Open Loop Anmerkung Spannungsbereich: Meist 1-1.5V weniger als Versorgungsspannung Rail-To-Rail benötigen nur einen geringen Spannungspuffer Es gibt besser Komparatoren
Opamp Reglen Kein Storm fließt in oder aus den Eingängen Der Operationsverstärker versucht die Spannungen der beiden Eingänge gleich zu halten (Voraussetzung: Rückkopplung)
Puffer Hohe Eingangsimpedanz Niedrige Ausgangsimpedanz
Negative Rückkopplung Nichtinvertierender Verstärker Negative Feedback Negative Rückkopplung Nichtinvertierender Verstärker Beispiel: R1 = 9k R2 = 1k AV = 10 UI = 1V UO = 10V
Invertierender Verstärker (1/2) Ohmsches Gesetz muss gelten! supply 1mA 10k 1V 1mA 1k 1V -10V Virtual Ground
Invertierender Verstärker (2/2) Belastet die Stromquelle Impedanz ist R2 Kompensation: Opamp Puffer vorschalten
Versorgungsspannung Boom Dual Supply: positive und negative Spannung Single Supply: positive Spannung und Ground Spannung muss gemäß der Ein- und Ausgangsspannungen gewählt werden. Offset anpassen: „1.5V“ „-1.5V“ Boom 2.5V
Bandbreite und Rauschunterdrückung Je höher die Frequenz desto geringer wird die maximale Verstärkung (siehe Datenblatt) Störende Frequenzen herausfiltern, sonst kann es zu Schwingungen kommen (Phasenversatz etc...) Höchste Freq Niedrigste Freq IMMER
Operationsverstärker in der Praxis Viele verschiedene weitere Verschaltungen möglich Differenzverstärker Addierer Integrierer Eingänge benötigen (doch) etwas Strom (ca. 100nA) Muss bei der Widerstandswahl berücksichtigt werden Startpunkt: Referenzdesign im Datenblatt Nicht nur DC sondern auch AC Signale Dimensionierung des Kopplungskondensator analog zur Folie zuvor R = Eingangsimpedanz des Opamps f niedrigste Frequenz XC erhöht die Eingangsimpedanz Beschaltung unsicher? Simulation: LTspice!
Analog ↔︎ Digital Konvertierung: Sampling-Rate Kontinuierliche Spannungen [in Volt] ↔ Diskrete Werte [in Bits] (gleiches gilt für die Zeit) Sampling-Rate Nyquist-Shannon-Abtasttheorem Daumenregel: mindestens 4-10x überabtasten Genaueres später Foto: Wikipedia
ADC: Analog-to-Digital Converter ADC benötigt viel Logik Mehrere Analoge Eingänge: i.d.R. ein ADC mit Multiplexer (MUX) Spannung wird mit Referenzwert verglichen Konvertierung benötigt Zeit, dabei darf sich der Analoge Wert nicht ändern → Sampel and Hold Bsp: Wägeverfahren (Successive Approximation ADC) Bekannte Referenzspannung wird langsam abgesenkt und mit Eingangswert verglichen Im Mikrocontroller oder separater ICs (Kommunikation später) Wichtige Parameter Auflösung Geschwindigkeit Eingangsspannung
ADC: Analog-to-Digital Converter DAC MUX UREF In1 In2 In3 In4 + - Logik Sample and Hold
DAC: Digital-to-Analog Converter DAC gibt diskrete Werte aus, keine Zwischenstufen (< 1LSB) Abhilfe: Glätten (Anti-Aliasing-Filter – Tiefpass) Selten in Mikrocontroller, meist externe IC
Poor Man‘s DAC (1/2) R-2R Netzwerk Schnell Viel extern Beschaltung Viel GPIOs (Pins) Hohe Impedanz (Puffer verwenden) Üblich in kommerziellen DACs
Poor Man‘s DAC (2/2) Zählverfahren (1-Bit-Umsetzer) Langsamer (als R-2R) Periodisches Pulsweitensignal (PWM) mit Tastgrad (t1/T) Bauteile und Frequenz parametrisieren gemäß gewünschter Impedanz und Geschwindigkeit (siehe Tiefpassfilter) (ggf. Puffer verwenden)
Werkzeuge Disclaimer: Im folgenden gibt es einige Copyright-Verletzungen. Ich bitte dies zu entschuldigen. Gezeigte Werkzeuge meist über Reichelt verfügbar.
Löten (1/2) d Temp. Regelung wichtig EEEVblog
Löten (2/2) Must have: Lotstation (temperaturgeregelt!!!), versch. Spitzen Lötzinn 0.5mm-1mm (mit Blei und Flussmittel!!!) Seitenschneider Optional: Pinzette Entlötlitze Flussmittel (FLUX) Lupe / Mikroskop Komplett ab 100 Euro Ruck durch Feder kann Platine zerstören
Sicherheit beim Löten Schutzbrille Heißes, flüssiges Lot kann in das Auge spritzen Absauger/Belüftung (z.B. alter CPU Lüfter) Flussmittelgase nicht einatmen
Sichtkontrolle (Optional) Vor dem Smoke-Test (Schaltung mit Strom versorgen) kommt die Sichtkontroller Lupe oder Auflichtmikroskop (5x-20x Vergr.) Ab 25 Euro 500x und mehr - Wackelig - Hoher Zeitversatz 8,50 Euro Ab 50 Euro 20x 1.75x
Messtechnik (1/2) Digitales Multimeter mit Autorange und min. 3999 Counts (1-2 Stück, verschiedene) Spannung Strom Widerstand (Kapazität und Induktivität) Keine „Baumarkt Qualität“ Ab 40 Euro
Messtechnik (2/2) (optional) Digitales Oszilloskop (zeigt den Spannungsverlauf über der Zeit) Min 250MS/s (Abtastungen / Sek) Min 25 Mhz 2-4 Kanäle Ab 250 Euro 40MS/s 1Ch
Logikanalysator (1/2) Oszilloskop mit sehr vielen DIGITALEN Eingängen teuer Oszilloskop mit sehr vielen DIGITALEN Eingängen Einzelgerät, in Kombination mit einem Oszi oder als PC-Dongle (USB) Debuggen von Signalverläufen
Logikanalysator (2/2) Sigrok Open Source Software Unter 10 Euro!!! Open Logic Sniffer Bis zu 100Mhz Bis zu 32 Kanale 24k Samplingtiefe (Kompression möglich) „CY7C68013A USB Development Board“ Bis zu 12Mhz Bis zu 8 Kanäle Unendlich langes Abtasten Unter 10 Euro!!! 50 Euro
Bus Pirate V4 – Swiss Army Knife „Inverse zum Logikanalysor“ Testen von Chips mittels: 1-Wire, I²C, SPI, JTAG, Asynchron Seriell, MIDI, HD44780 LCD, 8 GPIO, PWM, ADC, 1MHz low-speed Logikanalyzer, AVR-ISP ... Keine GUI, serielles Terminal Build-in Basic Interpreter Python libs zur Automatisierung Protokolle werden später erklärt 32 Euro
Demo Time Bus Pirate + Logikanalysator Hands on in der Übung Multimeter Oszilloskop
Nächstes mal bei DIY Mikrocontroller FPGA Übung Hands on Glühwein und Plätzchen