DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7.
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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