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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 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 benötigen nur einen geringen Spannungspuffer
UOUT = (U+ -U- )AV
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
UO =UI
Negative Feedback
Negative Rückkopplung
Nichtinvertierender Verstärker
Beispiel:
• R1 = 9k
• R2 = 1k
• AV = 10
• UI = 1V
• UO = 10V
R1
AV = 1+
R2
Invertierender Verstärker (1/2)
10V
• supply
Ohmsches Gesetz muss gelten!
1mA
1V
1mA
1V
10k
R1
AV = R2
1k
-10V
Virtual Ground
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.
Offset
anpassen:
„1.5V“
„-1.5V“
Boom
2.5V
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...)
Höchste Freq
C=
1
2p fR
Niedrigste
Freq
IMMER
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
Genaueres später
Foto: Wikipedia
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
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: 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)
UOUT
t1
= UuC
T
Werkzeuge
Disclaimer:
Im folgenden gibt es einige Copyright-Verletzungen. Ich bitte dies zu entschuldigen.
Gezeigte Werkzeuge meist über Reichelt verfügbar.
Löten (1/2)
• d
Temp. Regelung wichtig
EEEVblog
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
Ruck durch Feder
kann Platine zerstören
Komplett ab 100 Euro
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.)
Ab 25 Euro
500x und mehr
- Wackelig
- Hoher Zeitversatz
8,50 Euro
Ab 50 Euro
20x
1.75x
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
40MS/s 1Ch
Ab 250 Euro
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:
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
Automatisierung
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