01 Evaluation Board

1. Evaluation Board
Auf einem gedruckten Layout wird die Hauptschaltung (bestehend aus Prozessor,
Anzeigen, Stromversorgung und Programmier-Einrichtung) und die Peripherie
aufgebaut.
1.1 Schaltung
Dies ist die Hauptschaltung des Evaluation Boards:
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Und hier ist der Schaltplan der Peripherie:
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Die Hauptschaltung besteht aus drei Teilschaltungen:
•
Die Stromversorgung ist unten links zu sehen. Sie stellt mit Hilfe von zwei
Spannungsreglern (7805 und 7808) und einigen Kondensatoren zwei
Spannungen zur Verfügung:
+5V für die Digitalelektronik, also den Prozessor, die Inverter an der
Druckerschnittstelle, und die Peripherie
+13V für den Multiplexer-IC und als Programmierspannung für den Prozessor
•
Das Interface zu der Druckerschnittstelle befindet sich oben und wird aus den
open-collector Invertern (74ALS05) und einigen Widerständen gebildet. Die
Inverter sind dann mit einem Multiplexer (4053) verbunden. Führt Pin 5 des
Parallelports einen High-Pegel so werden die Programmierspannung sowie die
Data- und Clock-Signale der Programmierschnittstelle zum Prozessor
durchgeschaltet. Bei einem Low-Pegel an Pin 5 des Parallelports ist der
Prozessor komplett vom Interface getrennt.
•
Der Prozessor selbst ist noch von etwas Peripherie umgeben: Zum einen ist da
der Quarz, der mit einen prozessorinternen Verstärker einen Oszillator bildet und
den Prozessortakt angibt. Die I/Os des Prozessors sind direkt an eine
Pfostenleiste geführt, zusätzlich wird der Zustand jedes Pins über einen
Verstärker (IC6 und IC7) an einer Leuchtdiode ausgegeben.
Die Peripherie besteht aus fünf Teilschaltungen. Jede Schaltung außer dem RS232
Treiber besitzt ihre eigene enable-Leitung. Alle enable-Leitungen sind an einem
Port (PORTA) des Prozessors angeschlossen. An einem anderen Port (PORTB)
hängt ein 4-Bit Datenbus, zwei Steuerleitungen für das LCD und die serielle
Schnittstelle. Die einzelnen Teilschaltungen sind (von oben):
•
Der Anschluss eines externen Lautsprechers besteht nur aus einer
Klinkenbuchse, und hängt direkt an einem Pin des Prozessors.
•
Die Taster legen, wenn die entsprechende enable-Leitung gesetzt ist, ein HighSignal an den Datenbus an. Wenn die enable-Leitung gelöscht ist, verhindern
die vier Dioden ein Interferieren der Taster mit dem Bus.
•
Das LCD benötigt neben dem 4-Bit Bus noch drei Steuerleitungen: RS, RW und
die enable-Leitung.
•
Der Analog-Digital Wandler. Der analoge Eingang des Analog-Digital Wandlers
kann über eine Jumperleiste entweder mit einem Poti (R16) oder mit einer
Sockelleiste verbunden werden. Die Eingangsspannung darf 0..5V betragen, und
wird mit 8 Bit in einen binären Wert gewandelt.
•
Der RS232 Wandler benötigt zum Betrieb vier Kondensatoren. Mit ihnen
generiert er die ±12V um die Schnittstelle anzusteuern. Wird TX (TransmitLeitung aus Sicht des Prozessors) gesetzt, dann liegen an Pin 2 der SUB-D
Kupplung etwa +12V an, wird TX gelöscht liegen -12V an. Liegen an Pin 3 der
SUB-D Kupplung etwa +12V an, so wird von dem Wandler RX (Recive-Leitung)
gesetzt. Liegt eine negative Spannung an Pin 3 an, so wird RX gelöscht.
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1.2 Platinen Layout
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Das Layout zeigt die Leiterplatte von der Bestückungsseite. Die Leiterbahnen auf
der Unterseite sind blau dargestellt, die Drahtbrücken, die auf der Oberseite
angebracht werden müssen, rot. Jedes Bauteil ist mit Namen (z.B. R1) und Wert
(z.B. 10k) eingezeichnet. Die grünen Flächen sind die Lötaugen, an denen die
Bauteile festgelötet werden. Alle Bauteile außer dem Potenziometer werden auf der
Oberseite der Platine platziert, und auf der Unterseite verlötet.
Eine Schnellanleitung zum Thema Löten findet sich auf den letzten beiden Seiten
dieser Anleitung.
Einige Lötstellen befinden sich auf den großen Masseflächen (blau in dem Layout).
Bei diesen Lötpunkten ist es wichtig, dass die Kupferfläche richtig heiß wird, und
das Lötzinn gut zerfließt. Hier sollte die Lötstelle lieber etwas länger mit dem
Lötkolben erwärmt werden.
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1.3 Bestückung/Stückliste
Bauteil
Kondensatoren
C1
C2..C5, C8, C15, C16
C6, C7
C9
C10
C11.. C14
Dioden
D1..D3, D5, D6
D4
LED3..LED10
LED2, LED11..LED15
LED1
Halbleiter
IC1
IC2
IC3
IC4
IC5
IC6, IC7
IC8
Q2 (Transistor)
U$2
U$3
Q1 (Quarz)
Wert
Bauteil
Widerstände
R1..R5, R7, R15,
R17..R20, Rntc
R6, R7
R9
R10, R12
R14
R13
RN1, RN2
R16
Photo R
NTC
100µ
100n
15p
100p
10µ
1µ
1N4148
1N4007
LED 3mm Gelb
LED 3mm grün
LED 3mm rot
7805
78L08
PIC16F84A-20P
CD4053
74ALS05
ULN2803A
MAX232
BC556B
TLC549
LCD162C
4MHz HC18U-V
6,5536MHz
20MHz
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Elektromechanik
S1..S5
CON2
U$1
U$4
X1
X5
SV1, JP5
JP1..JP3
Fassung
Lautsprecher
3,5mm Klinkenkabel
Potiknopf
Potikappe
Buchsenleiste
Mechanik
Schrauben M3
Muttern M3
Distanzbolzen M3
Kunststoffscheibe
Wert
10k
4k7
2k2
1k
470
15 Ohm
R-Netzwerk 1k5 *8
Poti 4mm 10k
LDR
NTC 10K
Taster
2 reihige Stiftleiste 2*17
DC-Stecker
3.5MM_KLINKENBUCHSE
9 pol SUBD w
25 pol SUBD m
16, 5, 3 pol Stiftleiste
3pol Streifenfassung
8pol, 14pol, 16pol, 18pol
2*17Pol gerade
1 St.
7 St
6 St.
1 St.
•
•
Zuerst die 21 Drahtbrücken einlöten.
Drahtbrücken sind im Layout rot dargestellt
und besitzen quadratische Lötaugen. Es
bietet sich an dafür ein Stück Silberdraht
abzuschneiden, grob zurechtzubiegen, durch
die Bohrungen zu ziehen und auf der
Rückseite zu verlöten.
Tip:
Damit die Bauteile beim
Umdrehen der Platine nicht
herausfallen, kann man die
Beinchen/Anschlussdrähte
auf der Lötseite leicht
abknicken.
Danach folgen die Widerstände. Sie sind mit einem Farbcode versehen. In der
Schaltung kommen sechs verschiedene Widerstandswerte vor:
15 Ohm (15R)
Braun Grün Schwarz
470 Ohm (470R)
Gelb Violett Schwarz Schwarz
1 kOhm (1k)
Braun Schwarz Schwarz Braun
2,2 kOhm (2k2)
Rot Rot Schwarz Braun
4,7 kOhm (4k7)
Gelb Violett Schwarz Braun
10 kOhm (10k)
Braun Schwarz Schwarz Rot
Der letzte Ring auf den Widerständen ist (bis auf den 15 Ohm Widerstand)
immer Braun, er gibt die Toleranz an.
Um Verwechslungen zu vermeiden sollten alle Widerstände mit einem
Multimeter nachgemessen werden.
•
Jetzt kommen die Dioden: Der Ring auf der Diode muss mit
dem Ring im Layout übereinstimmen. Im Bild: oben 1N4007,
unten 1N4148
•
Bei den Keramik-Kondensatoren haben wir es mit
drei verschiedenen Werten zu tun: Am besten
zuerst den 100pF (C9; Farbe: Gelb; Aufdruck:
n10 ) einlöten. Danach die beiden Kondensatoren
(C6, C7; Farbe: Grau/Orange; Audruck 15p) zur
elektrischen Stabilisierung des Quarzes einlöten.
Die restlichen Keramik-Kondensatoren haben
100nF (Farbe: Gelb; Aufdruck: 104), können also nicht mehr verwechselt
werden.
•
Die 9 polige Sockelleiste findet am linken Rand der Platine
ihren Platz
•
Jetzt kommen am besten die LEDs: Sie werden alle
mit dem längeren Beinchen in Richtung des noch
einzulötenden Pfostenstecker (s.u.) eingelötet.
Platzierung nach Farbe: siehe Bild unten.
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•
Neben die LEDs kommen die beiden
Widerstandsnetzwerke. Der Punkt im Aufdruck muss in
Richtung des noch einzulötenden SUBD-Stecker (s.u.)
zeigen. Der mit dem Punkt markierte Pin ist im Layout mit
einem Kreuz gekennzeichnet.
•
Als Sockel für den Quarz dienen 3 Elemente aus einer
Streifenfassung, das mittlere Beinchen wird abgezwickt oder
nach oben aus dem schwarzen Kunststoff herausgedrückt.
Die Fassung wird dann anstelle des Quarzes (Q1) eingelötet.
•
Nun kommen die drei Stiftleisten an die Reihe: Die 16 polige
Stiftleiste dient zum Anschluss des LCD (siehe später) und wird
zunächst anstelle des LCD in die Platine eingelötet. Direkt oberhalb
wird die dreipolige Leiste eingebaut. Die fünfpolige wird im rechten
unteren Teil der Platine verbaut.
•
Die IC Sockel. Achtung: Sie besitzen auf der einen
Seite eine Markierung in Form einer Kerbe und sollten
richtig herum eingebaut werden. Anhand dieser Kerbe
kann später der IC richtig herum eingesetzt werden.
•
Die beiden Spannungsregler (Aufdruck 7805 und 78L08). Der
5V Regler 7805 (IC1) wird zunächst mit Beschriftung in
Richtung SUBD-Stecker (s.u.) stehend eingebaut, und kann
anschließend „hingelegt“ werden. Der 8V Regler (IC2) findet
sich direkt neben dem 7805.
•
Der Transistor BC556B (Q2) findet in der Ecke rechts
unten Platz.
•
Die Elektrolyt-Kondensatoren 1µF (C11..C14), 10µF (C10)
und 100µF (C1). Sie müssen richtig gepolt eingebaut
werden: Der weiße Streifen auf den Elkos markiert die
Kathode (-); die Kathode ist im Layout mit einem weißen
Balken, die Anoden (+) mit einem kleinen + gekennzeichnet.
•
Die fünf Taster (die vier Anschlüsse müssen vorher mit einer kleinen
Zange -bitte nicht mit dem Saitenschneider- gerade gebogen werden)
•
Der 2*17 polige Pfostenstecker.
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•
Der 25 polige SUBDStecker und die 9
polige SUBD-Buchse
zum Anschluss der
parallelen und der
seriellen Schnittstelle.
Die seitlichen
Halteklammern bitte mit
reichlich Lötzinn
festlöten, sie geben
dem Stecker besseren mechanischen Halt.
•
Damit die Klinkenbuchse plan auf der
Platinenoberfläche aufliegt, müssen die beiden
Kunststoffnippel an der Unterseite der
Klinkenbuchse mit einem Cutter abgeschnitten
werden
•
Die DC-Buchse zum Anschluss des Netzteils wird zur
mechanischen Stabilisierung mit viel Lötzinn eingelötet.
•
Das Poti bekommt eine Spezialbehandlung: Zuerst werden die
drei Beinchen nach vorne in Richtung der Potiachse um 90°
abgewinkelt. Dann kommt über die Achse eine Kunststoff
Beilagscheibe (diese verhindert Kurzschlüsse), das Poti wird
von unten durch das Loch in der Platine gesteckt, und von
oben mit der passenden Mutter festgeschraubt. Dabei ist
darauf zu achten, dass die Anschlüsse des Potis über den
Lötaugen zu liegen kommen. Vor dem Einbau sollte die Achse des Potis auf
etwa 13mm gekürzt werden.
•
Nun wird die 25 polige Buchsenleisten zu einem
Jumper umfunktioniert: Je zwei
gegenüberliegende Beinchen werden mit einer
kleinen Zange zusammen gebogen und
miteinander verlötet.
•
Als letztes kommt das LC-Display an die Reihe. Es
wird auf die vorhin eingelötete Stiftleiste gesteckt
und festgelötet. Da unter dem LCD einige Bauteile liegen, sollten diese noch
mal auf korrekte Platzierung überprüft werden. Am besten, ihr fragt uns.
Jetzt ist ein guter Zeitpunkt, die Schaltung auf fehlerhafte Lötstellen und
Lötbrücken zu überprüfen.
Zum Schluss noch die ICs und den Quarz in die Sockel drücken, die
Distanzbolzen an der Leiterplatte anbringen, den Spannungsregler
festschrauben, und das Poti mit der Kappe versehen. Der Jumper verbindet die
beiden dem LCD am nächsten stehenden Pins der 3 poligen Stiftleiste.
(fast) Fertig :-)
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Und am Ende sollte es etwa so aussehen:
Hinweise:
Die Schaltung benötigt zum Programmieren des Prozessors eine
Betriebsspannung von 12V. Diese wird an dem Netzteil eingestellt.
Der Innenkontakt des Hohlsteckers vom Netzteil muss +12V, der Außenkontakt
Masse führen. Bei Verpolung kann die Schaltung kaputt gehen.
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1.4 Nachtrag
Ein paar Bauteile sollten noch übrig sein: Ein NTC, ein LDR, ein 10KOhm
Widerstand, zwei Quarze, der Lautsprecher, ein Kabel und ein 100nF. Diese
werden in den späteren Übungen gebraucht, und sollten gut aufbewahrt werden
(wir haben keinen Ersatz).
Jetzt muss nur noch das Kabel an den
Lautsprecher angelötet werden. Dazu werden
beide Adern des 3,5mm Klinkenkabels vorsichtig
abisoliert (wirklich vorsichtig, die Leiter sind sehr
dünn), und wie im Bild verzwirbelt.
Das rot/blaue Ende wird an den einen Pol des
100nF Kondensators gelötet, der andere Pol des
Kondensators wird mit dem Lautsprecher verlötet. Die
Masseleitung wird ebenfalls an den Lautsprecher
gelötet.
Ein Stück dicken Silberdrahts wird an dem
Lautsprecherchassis festgelötet, und wie im Bild
um das Kabel geschlungen. Durch diese einfach
Zugentlastung werden die Lötstellen geschont.
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1.5 Schnellanleitung: Löten
Das Beispiel zeigt den Einbau einer IC-Fassung in eine Platine. Es kommt darauf
an, möglichst haltbare Lötstellen zu produzieren. Hier eine Beschreibung der
Arbeitsschritte:
1. Die Fassung wird von der Oberseite der Platine in
die Bohrungen gesteckt. Dabei ist darauf zu achten,
dass die Kerbe an der Fassung mit der Kerbe auf dem
Layout übereinstimmt.
2. Damit die Fassung beim Umdrehen der Platine
nicht herausfällt ist es ratsam, zwei Eckbeinchen mit
einer Flachzange o.Ä. umzubiegen.
3. Dann werden die beiden nicht umgebogenen
Eckbeinchen festgelötet:
•
Lötzinn und Lötspitze werden gleichzeitig an
die Lötstelle geführt. Die Lötspitze soll sowohl
das IC-Beinchen als auch die Platinenfläche
berühren.
•
Die Position der Lötspitze wird nicht verändert,
bis das Lötzinn die Berührungsstelle
vollständig benetzt. Das dauert je nach
Temperatur des Lötkolbens etwa eine halbe
oder eine ganze Sekunde. In dieser Zeit hat
sich die Lötstelle ausreichend erwärmt.
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•
Die Lötspitze wird an der Lötstelle gehalten
und das Lötzinn wird nachgeschoben bis die
Lötstelle gänzlich benetzt ist. Die Lötstelle ist
so heiß, dass das dünnflüssige Lötzinn sich
durch Adhäsionskräfte gleichmäßig verteilt.
•
Wenn die Lötstelle vollständig benetzt ist,
wird zuerst das Lötzinn und dann die
Lötspitze zurückgezogen. Das noch
dünnflüssige und durch das Flussmittel
geschützte Lötzinn erreicht seine endgültige
Form und erstarrt.
•
Wenn der Lötkolben die richtige Temperatur
hat, dauert der ganze Vorgang etwa eine bis
zwei Sekunde. Ein Teil des im Lötzinn
enthaltenen Flussmittels vedampft bei dem
Lötvorgang. Es ist empfehlenswert diesen
Dampf nicht einzuatmen.
4. Die zuerst umgebogenen Beinchen werden nun wieder aufgerichtet. Das sorgt
für bessere Lötstellen und erlaubt ein einfacheres Austauschen der Fassung.
5. Nun werden alle verbleibenden Beinchen festgelötet.
Löten ist kein Verkleben der Bauteile mit der Platine. Einzelne Atome des Lots
diffundieren in die Metalloberfläche der zu lötenden Körper, hier entsteht eine
Legierung aus Lot und Grundwerkstoff. Diese Diffusion braucht Temperatur und
Zeit, daher entsteht bei zu schnellem Löten, oder wenn die Lötstelle nicht richtig
durchgewärmt wird eine schlecht leitende, „kalte“ Lötstelle.
Kalte Lötstelle [editierte Auszüge aus Wikipedia]
Kalte Lötstellen sehen -im Gegensatz zu korrekten Lötstellen- matt aus und
weisen eine leicht klumpige Oberfläche auf. Die mechanischen und elektrischen
Eigenschaften einer Kalten Lötstelle sind mangelhaft.
Kalte Lötstellen können mehrere Ursachen haben:
•
Die Löttemperatur war zu gering - die Lötstelle war zu kalt - wohl der
Namensgeber. Es erfolgte keine oder keine vollständige Benetzung.
•
Beim Abkühlen einer Lötverbindung wurde nicht sichergestellt, das der
gesamte Lötbereich erschütterungsfrei bleibt.
•
Die Zeit in der der Lötstelle Wärme zugeführt wurde war zu kurz, die Atome aus
dem Lot konnten nicht genügend in die Metalloberflächen der zu lötenden
Körper diffundieren.
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