DIY

Personal Fabrication

Opamps

Juergen Eckert – Informatik 7

Löttutorial Stats

• 17 Anmeldungen– 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 OutputWeitere 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 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 RückkopplungNichti nvertierender Verstärker

Beispiel:• R1 = 9k

• R2 = 1k

• AV = 10

• UI = 1V

• UO = 10V

Negative Feedback

Invertierender Verstärker (1/2)

• supply

Virtual Ground

1V 1k

10k

1mA

1V

1mA

10VOhmsches Gesetz muss gelten!

-10V

Invertierender Verstärker (2/2)

• Belastet die Stromquelle– Impedanz ist R2

• Kompensation: Opamp Puffer vorschalten

Versorgungsspannung• Dual Supply: positive und negative Spannung• Single Supply: positive Spannung und Ground• Spannung muss gemäß der Ein- und Ausgangsspannungen gewählt

werden.

Boom 2.5V

Offsetanpassen:

„-1.5V“

„1.5V“

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...)

IMMERNiedrigste Freq

Höchste Freq

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: – Kontinuierliche Spannungen [in Volt] ↔ Diskrete

Werte [in Bits] (gleiches gilt für die Zeit)• Sampling-Rate– Nyquist-Shannon-Abtasttheorem– Daumenregel:

mindestens 4-10x überabtasten

Foto: Wikipedia

Genaueres später

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

MU

X

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

EEEVblog

Temp. Regelung wichtig

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.)

8,50 Euro

Ab 25 Euro

20x 1.75x

Ab 50 Euro

500x und mehr- Wackelig- Hoher Zeitversatz

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

• Einzelgerät, in Kombination mit einem Oszi oder als PC-Dongle (USB)

• Debuggen von Signalverläufen

teuer

Logikanalysator (2/2)

• Sigrok Open Source Software

Open Logic Sniffer- Bis zu 100Mhz- Bis zu 32 Kanale- 24k Samplingtiefe (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 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• Bus Pirate• Logikanalysator• Multimeter• Oszilloskop

Nächstes mal bei DIY

• Mikrocontroller• FPGA

• Übung– Hands on– Glühwein und Plätzchen