DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7.

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DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7

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DIY

Personal Fabrication

Opamps

Juergen Eckert – Informatik 7

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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!

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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)

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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

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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

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Opamp Reglen

• Kein Storm fließt in oder aus den Eingängen• Der Operationsverstärker versucht die

Spannungen der beiden Eingänge gleich zu halten – (Voraussetzung: Rückkopplung)

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Puffer

• Hohe Eingangsimpedanz• Niedrige Ausgangsimpedanz

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Negative RückkopplungNichti nvertierender Verstärker

Beispiel:• R1 = 9k

• R2 = 1k

• AV = 10

• UI = 1V

• UO = 10V

Negative Feedback

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Invertierender Verstärker (1/2)

• supply

Virtual Ground

1V 1k

10k

1mA

1V

1mA

10VOhmsches Gesetz muss gelten!

-10V

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Invertierender Verstärker (2/2)

• Belastet die Stromquelle– Impedanz ist R2

• Kompensation: Opamp Puffer vorschalten

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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“

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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

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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!

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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

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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

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ADC: Analog-to-Digital Converter

DAC

MU

X

UREF

In1

In2

In3

In4

+

-

Logik

Sample and Hold

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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

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Poor Man‘s DAC (1/2)

• R-2R Netzwerk– Schnell– Viel extern

Beschaltung– Viel GPIOs (Pins)– Hohe Impedanz

(Puffer verwenden)

Üblich in kommerziellen DACs

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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)

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Werkzeuge

Disclaimer:Im folgenden gibt es einige Copyright-Verletzungen. Ich bitte dies zu entschuldigen. Gezeigte Werkzeuge meist über Reichelt verfügbar.

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Löten (1/2)

• d

EEEVblog

Temp. Regelung wichtig

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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

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Sicherheit beim Löten

• Schutzbrille– Heißes, flüssiges Lot kann in das Auge spritzen

• Absauger/Belüftung (z.B. alter CPU Lüfter)– Flussmittelgase

nicht einatmen

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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

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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

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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

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Logikanalysator(1/2)

• Oszilloskop mit sehr vielen DIGITALEN Eingängen

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

• Debuggen von Signalverläufen

teuer

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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!!!

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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

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Demo Time

• Bus Pirate + Logikanalysator

Hands on in der Übung• Bus Pirate• Logikanalysator• Multimeter• Oszilloskop

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Nächstes mal bei DIY

• Mikrocontroller• FPGA

• Übung– Hands on– Glühwein und Plätzchen