DIY Personal Fabrica1on Opamps Juergen Eckert – Informa1k 7 Lö@utorial Stats • 17 Anmeldungen – 30 Kits gekauH – 29 Kits gelötet, alle funk1onieren! • Dauer 7.5h • Verluste: – 1 IC Fassung – 2 RGB LEDs – 2 Bohrer Besten Dank an die Helfer! Fahrplan • Opamps • Analog ↔ ︎ Digital • Grundaussta@ung (Werkzeuge) • Sammelbestellung für Projekte in der Übung? – Bi@e kauH keine Samples wenn es nicht unbedingt sein muss! • 14. Januar 2015 Gastvortrag Michael Huth – SozialwissenschaHlicher Hintergrund der Maker Szene • Prüfung 2. und 3. März 2015 – Anmeldung über der Lehrstuhlhomepage – Bei terminlichen Problem bi@e melden – Projekte sollte bis dahin abgeschlossen/dokumen1ert sein (1.3.2015) Opamps w/o the pain! • Opera1onsverstärker (OP, Opamp) – Differenzverstärker mit unendlicher Verstärkung • Kann mathema1sche (analoge) Opera1onen durchführen • 2 Inputs – Inver1ng (-‐) – Non-‐Inver1ng (+) • 1 Output Weitere Folien inspiriert durch Pete Doktor und Dave Jones LM358 Differenzverstärker Komparator • Open Loop Anmerkung Spannungsbereich: • Meist 1-‐1.5V weniger als Versorgungsspannung • Rail-‐To-‐Rail benö1gen nur einen geringen Spannungspuffer UOUT = (U+ −U− )AV Opamp Reglen • Kein Storm fließt in oder aus den Eingängen • Der Opera1onsverstärker versucht die Spannungen der beiden Eingänge gleich zu halten – (Voraussetzung: Rückkopplung) Puffer • Hohe Eingangsimpedanz • Niedrige Ausgangsimpedanz UO = U I Nega1ve Feedback Nega1ve Rückkopplung Nicht-‐inver1erender Verstärker Beispiel: • R1 = 9k • R2 = 1k • AV = 10 • UI = 1V • UO = 10V R1 AV = 1+ R2 Inver1erender Verstärker (1/2) 10V • supply Ohmsches Gesetz muss gelten! 1mA 1V 1V 1mA Virtual Ground 10k R1 AV = − R2 1k -‐10V Inver1erender Verstärker (2/2) • Belastet die Stromquelle – Impedanz ist R2 • Kompensa1on: Opamp Puffer vorschalten Versorgungsspannung • Dual Supply: posi1ve und nega1ve Spannung • Single Supply: posi1ve 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 Datenbla@) • Störende Frequenzen herausfiltern, sonst kann es zu Schwingungen kommen (Phasenversatz etc...) Höchste Freq C= 1 2π fR Niedrigste Freq IMMER Opera1onsverstärker in der Praxis • Viele verschiedene weitere Verschaltungen möglich – Differenzverstärker – Addierer – Integrierer • Eingänge benö1gen (doch) etwas Strom (ca. 100nA) – Muss bei der Widerstandswahl berücksich1gt werden – Startpunkt: Referenzdesign im Datenbla@ • 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? Simula1on: LTspice! Analog ↔︎ Digital • Konver1erung: – Kon1nuierliche Spannungen [in Volt] ↔ Diskrete Werte [in Bits] (gleiches gilt für die Zeit) • Sampling-‐Rate – Nyquist-‐Shannon-‐Abtas@heorem – Daumenregel: mindestens 4-‐10x überabtasten Genaueres später Foto: Wikipedia ADC: Analog-‐to-‐Digital Converter • ADC benö1gt viel Logik – Mehrere Analoge Eingänge: i.d.R. ein ADC mit Mul1plexer (MUX) • Spannung wird mit Referenzwert verglichen – Konver1erung benö1gt Zeit, dabei darf sich der Analoge Wert nicht ändern → Sampel and Hold • Bsp: Wägeverfahren (Successive Approxima1on ADC) – Bekannte Referenzspannung wird langsam abgesenkt und mit Eingangswert verglichen • Im Mikrocontroller oder separater ICs (Kommunika1on später) • Wich1ge Parameter – Auflösung – Geschwindigkeit – Eingangsspannung ADC: Analog-‐to-‐Digital Converter UREF Logik DAC -‐ + In1 In3 In4 MUX In2 Sample and Hold DAC: Digital-‐to-‐Analog Converter • DAC gibt diskrete Werte aus, keine Zwischenstufen (< 1LSB) – Abhilfe: Glä@en (An1-‐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) UOUT = t1 UuC T Werkzeuge Disclaimer: Im folgenden gibt es einige Copyright-‐Verletzungen. Ich bi@e dies zu entschuldigen. Gezeigte Werkzeuge meist über Reichelt verfügbar. Löten (1/2) • d Temp. Regelung wich1g EEEVblog Löten (2/2) Must have: • Lotsta1on (temperaturgeregelt!!!), versch. Spitzen • Lötzinn 0.5mm-‐1mm (mit Blei und Flussmi@el!!!) • Seitenschneider Op1onal: • Pinze@e • Entlötlitze • Flussmi@el (FLUX) • Lupe / Mikroskop Ruck durch Feder kann Pla1ne zerstören Komple@ ab 100 Euro Sicherheit beim Löten • Schutzbrille – Heißes, flüssiges Lot kann in das Auge spritzen • Absauger/BelüHung (z.B. alter CPU LüHer) – Flussmi@elgase nicht einatmen Sichtkontrolle (Op1onal) • 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 Mul1meter mit Autorange und min. 3999 Counts (1-‐2 Stück, verschiedene) – Spannung – Strom – Widerstand – (Kapazität und Induk1vität) • Keine „Baumarkt Qualität“ Ab 40 Euro Messtechnik (2/2) (op1onal) • Digitales Oszilloskop (zeigt den Spannungsverlauf über der Zeit) – Min 250MS/s (Abtastungen / Sek) – Min 25 Mhz – 2-‐4 Kanäle 40MS/s 1Ch Ab 250 Euro Logikanalysator (1/2) • Oszilloskop mit sehr vielen DIGITALEN Eingängen • Einzelgerät, in Kombina1on mit einem Oszi oder als PC-‐Dongle (USB) • Debuggen von Signalverläufen teuer Logikanalysator (2/2) • Sigrok Open Source SoHware Open Logic Sniffer -‐ Bis zu 100Mhz -‐ Bis zu 32 Kanale -‐ 24k Sampling1efe (Kompression möglich) 50 Euro „CY7C68013A USB Development Board“ -‐ Bis zu 12Mhz -‐ Bis zu 8 Kanäle -‐ Unendlich langes Abtasten Unter 10 Euro!!! Bus Pirate V4 – Swiss Army Knife • „Inverse zum Logikanalysor“ • Testen von Chips mi@els: Protokolle werden später erklärt 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 Automa1sierung 32 Euro Demo Time • Bus Pirate + Logikanalysator Hands on in der Übung • Bus Pirate • Logikanalysator • Mul1meter • Oszilloskop Nächstes mal bei DIY • Mikrocontroller • FPGA • Übung – Hands on – Glühwein und Plätzchen
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