Analog / Digital und zurück Jochen Schmitt

Analog / Digital und zurück
Jochen Schmitt
AEDP0900
SAE Köln
Jens Schulze
16.2.2002
Inhaltsverzeichnis
1 Worum geht’s?
4
2 Wie ist das Ganze aufgebaut (Grundsätzliches)
5
2.1 Eingangs Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.2 Verarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
3 Welche Aufgaben haben die einzelnen Stufen
7
3.1 Strom Versorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
3.2 Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
3.3 Die Sample and Hold Stufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
3.4 Der Wäge Wandler (ADC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
4 Wie sind die Stufen realisiert
9
4.1 Anzeige / Visualisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
4.2 Der Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.3 Spannungsversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.4 Test CD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.5 Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.5.1 Die Jumper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.6 Sample & Hold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.7 kleiner Analog - Digital Wandler (miniADC) . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.8 Analog - Digital Wandler (ADC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.8.1 Test Block . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.8.2 Kalibrierungs Block . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.8.3 GND. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.8.4 FreeRunLogic und Self-Clocking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.8.5 ”Audio vom Bus holen” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.8.6 Der EXT-In Block . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.8.7 Die Jumper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.9 Digital - Analog Wandler (DAC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1
INHALTSVERZEICHNIS
2
4.9.1 DAC0808 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.10 Funktions Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
5 Welche Workarounds gibt es
21
5.1 Die Spannungsversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5.2 Die Anzeigestufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5.3 Funktionsgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5.4 ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
6 Mögliche Erweiterungen
23
7 Tagebuch
24
7.1 In der grauen Vorzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
7.2 Gedenken machen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
7.3 . . . über Folien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
7.4 . . . über Leit-Platten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
7.5 . . . übers Geld ausgeben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
7.6 19.12.01 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
7.7 20.12.01 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
7.8 21.12.01 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
7.9 24.12.01 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
7.10 30.12.01 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
7.11 2.1.02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
7.12 4.1.02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
7.13 9.1.02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
7.14 10.1.02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
7.15 11.1.02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
7.16 12.1.02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
7.17 13.1.02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
7.18 14.1.02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
7.19 16.1.02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
7.20 20.1.02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
7.21 21.1.02 - 30.1.02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
7.22 31.1.02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
7.23 3.2.02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
7.24 8.2.02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
7.25 9.2.02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
7.26 10.2.02 - 16.2.02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
INHALTSVERZEICHNIS
A Schaltbilder, Platienenlayouts und Bestückungen
3
29
Kapitel 1
Worum geht’s?
Digitalunterricht bei Jens: Sehr interessant. Wirklich. Aber warum kann ich denn
nichts sehen? Es wird (fast1 ) nur auf die Tafel geschrieben , obwohl es doch gar nicht
so schwer sein dürfte, da was auf dem Tisch stehen zu haben, wo man auch sehen
kann, was er meint. Gab es aber nicht . . . So entschloss ich mich dazu, genau das
zu bauen, was mir fehlte. Eine Versuchsaufbau, in dem man das Signal über den
gesamten Weg verfolgen kann. Es hat ja auch geklappt.
1
nagut: das Eye Patten haben wir aus dem Oszi gesehen . . .
4
Kapitel 2
Wie ist das Ganze aufgebaut
(Grundsätzliches)
In diesem Kapitel werde ich einen grundsätzlichen Überblick über den gesamten
Aufbau vermitteln.
Eingangs Signal: Sinus, den man in einem weiten Bereich einstellen kann. CD mit
Testsignalen
A/D Wandler: successive aproximation Wandler; 8 Bit Wortbreite
Übertragung: Parallele Übertragung der Daten
D/A Wandler: 4 Bit Wandler mit gewichteten Strömen
8 Bit R2R Wandler
8 Bit Wandler ”Typischer IC von Conrad”
2.1 Eingangs Signal
Als Eingangs Signal habe ich eine CD erstellt, die verschiedene Testtöne enthält 1 .
Das weit bessere, frei einstellbare, Eingangs Signal liefert jedoch die TongeneratorStufe. Mit ihr ist es möglich, den kompletten hörbaren Frequenzbereich zu erzeugen.
1
siehe Tabelle 4.2
5
KAPITEL 2. WIE IST DAS GANZE AUFGEBAUT (GRUNDSÄTZLICHES)
6
2.2 Verarbeitung
Das Eingangs Signal kann durch die verschiedenen Stufen geführt werden. Die Verbindung wird durch Flachbandkabel auf Pfostenleisten hergestellt. Diese Vorgehensweise erlaubt es, einzelne Stufen aus dem Signalfluss zu nehmen oder auszutauschen. Die typische bzw. naheliegendste Verschaltung wird in Tabelle 2.1 dargestellt.
Abbildung 2.1: Typische Verschaltung der Stufen
Kapitel 3
Welche Aufgaben haben die
einzelnen Stufen
3.1 Strom Versorgung
Die Strom Versorgung hat die Aufgabe, die anderen Stufen mit Strom zu versorgen. . .
Für viele IC´s ist es nötig, eine symmetrische Stromversorgung bereit zu stellen. Das
Netzteil liefert also
, und
.
3.2 Filter
Die Filter-Stufe kann zwei Aufgaben übernehmen. Am Anfang der Signalverarbeitung können alle Frequenzen, die höher als
sind, unterdrückt werden. Geschied
dies nicht, führt dies zu Alliassing. Am Ende der Kette kann es die Aufgabe des Reconstruktions Filters übernehmen.
3.3 Die Sample and Hold Stufe
Das analoge Eingangssignal ist zeit und wertekontienuirlich. Das heisst, dass zu
jeder Zeit ein Spannungswert vorhanden ist. Dieses Signal kann nur mit Ungenauigkeiten in die digitale Ebene gewandelt werden, da der ADC eine gewisse Zeit benötigt. Diese Zeit ”verschafft” die S&H Stufe dem ADC. Was dort, vereinfacht ausgedrückt, geschieht ist, dass ein Schalter sich für sehr kurze Zeit schliesst und damit
einen Kondensator aufläd. Nach dem Öffnen des Schalters hält dieser Kondensator
die Spannung für ein paar Millisekunden. Die analoge Eingangsspannung ist nun
wertekontinuirlich und zeitdiskret. Diese Zeit kann sich der ADC dann zur Wandlung ”nehmen”.
7
KAPITEL 3. WELCHE AUFGABEN HABEN DIE EINZELNEN STUFEN
8
3.4 Der Wäge Wandler (ADC)
Der Wäge Wandler (engl. successiv approximation ADC) wandelt eine analoge Spannung in einen digitalen Wert, in dem er ”ausprobiert”, welcher Wert anliegt. Natürlich ist dieses ”ausprobiert” nicht willkürlich, sondern unterliegt einer festen Vorgehensweise: Ein Wandler dieser Art besteht aus vier wesentlichen Blöcken: Einem
DAC 1 , einem SAR (Successiv Approximation Register), einem Komperator und einer
Logikeinheit. Diese vier Blöcke arbeiten in folgender Weise zusammen: DAC und der
zu erfassende Wert liegen jeweils an einem Eingang des Komperators. Die Logik ist
mit allen anderen Blöcken verbunden und kann ihre Werte änder bzw. lesen. Eine
Unterhaltung könnte sich so anhören:
Block
Anweisung oder Antwort
SAR Wert
Logik
SAR
auf Null setzen
00000000
Logik
SAR
MSB setzen
10000000
DAC
Komperator
Wert wird gewandelt
Wert ist kleiner
10000000
10000000
Logik
SAR
MSB immer auf 1 halten
10000000
Logik
SAR
Bit 2 setzen
11000000
DAC
Komperator
Logik
...
Logik
DAC
Komperator
Wert wird gewandelt
Wert ist grösser
SAR
Bit 2 immer auf 0 halten
...
SAR
11000000
11000000
10000000
...
LSB setzen
Wert wird gewandelt
Wert ist grösser
Logik
SAR
LSB immer auf 0 halten
Logik
>SAR ”welche Bits sind An?”
11xxxxx1
11xxxxx1
11xxxxx1
10xxxxx0
10xxxxx0
Tabelle 3.1: Wandlung in einem Wäge Wandler
Die Anzahl der Zyklen entspricht der Auflösung in Bit.
1
Ja!: ein DAC in einem ADC. . . verrückt; nicht?
Kapitel 4
Wie sind die Stufen realisiert
4.1 Anzeige / Visualisierung
Bild Nr. 4.1 zeigt das Schaltbild der Anzeige Stufe. Sie enthält keine ”intelligenten”
Bausteine sondern nur LED’s, die den momentanen Zustand des Datenbusses anzeigen. Des Weiteren befinden sich noch diverse Messpunkte auf der Platine, die es
ermöglichen, die anderen Leitungen des Busses zu messen. Der Zustand der beiden
Versorgungs Spannungen wird mit zwei LED’s angezeigt.
Abbildung 4.1: Schaltplan der ”Anzeige - Stufe”
9
KAPITEL 4. WIE SIND DIE STUFEN REALISIERT
10
4.2 Der Bus
Tabelle 4.1 zeigt die Pinbelegung des Busses. Realisiert habe ich ihn mit Flachbandkabel auf Pfostenleisten. Das erschien mir praktisch, da man leicht an den Kontakten
messen kann.
Pin
Signal
1
GRN
2
DATA0 MSB
3
0V
4
DATA1
5
+5 V
6
DATA2
7
-5 V
8
DATA3
9
Clock
10
DATA4
11
U 12
DATA5
13
Analog Signal
14
DATA6
15
res.
16
DATA7 LSB
Tabelle 4.1: Busbelegung
4.3 Spannungsversorgung
Die Spannungsversorgung ist mit zwei Spannungsreglern von National Semiconductor realisiert [1] [10] [11]. Die Schaltung auf Abbildung 4.2 ist den Datenblättern der
Bauteile entnommen. Die einzige Modifikation dieser Schaltung besteht in zwei grossen Elkos, die ich an die Ausgänge der Gleichrichter gehängt habe. Sie dienen dazu,
die Spannung ”gerade” zu halten. Ohne sie bricht die Spannung an jedem Nulldurchgang zusammen 1 .
1
LED’s flackern, wenn man sie schnell bewegt
KAPITEL 4. WIE SIND DIE STUFEN REALISIERT
11
Abbildung 4.2: Schaltplan der Spannungsversorgung
C5 und C6 dienen lediglich der Glättung der Ausgangspannung. Eingangsseitig
geschiet dies durch C1 und C2. Die Trimpotis R5 und R6 regulieren den Spannungsabfall an R1 und R2 und somit die Steuer und Ausgangspannung der Schaltung. Die
Schaltung ist sehr einfach 2 .
2
”reduced to the MAX”. Wenn diese Schaltung eine Firma wäre, hätte sie alle Mitarbeiter entlassen
und nur noch Maschinen da stehen :-)
KAPITEL 4. WIE SIND DIE STUFEN REALISIERT
12
4.4 Test CD
In Tabelle 4.2 ist das Inhaltsverzeichnis der Test CD angegeben. Es spricht jedoch
nichts dagegen, eigenen CD´s zu testen . . . Erzeugt habe ich die Testtöne auf meinem
Computer. Alle Tracks sind 30 Sekunden lang.
Titel
Signal
Pegel
01
Sinus 10 Hz
02
Sinus 100 Hz
03
Sinus 1 kHz
04
Sinus 1 kHz
05
Sinus 10 kHz
06
Musik (kleine Dynamik)
07
Musik (grosse Dynamik)
08
Weises Rauschen
09
Rosa Rauschen
10
Sweep 100 Hz – 10 kHz
Tabelle 4.2: Die Test CD Track List
4.5 Filter
Der Filter ist ein kleiner Analogfilter der ersten oder zweiten Ordnung. Er kann mit
Hilfe der auf ihm befindlichen Jumper konfiguriert werden. Die Eckfrequenz kann
über die Trimpotis und eingestellt werden. Sie errechnet sich aus der Formel:
Bei den von mir verwendeten Bauteilen ergibt sich als untere Eckfrequenz:
$# !&%('*)
! " Und als obere Eckfrequenz:
! " !+
'*)
KAPITEL 4. WIE SIND DIE STUFEN REALISIERT
13
4.5.1 Die Jumper
Die Jumper auf der Filter Stufe sind leider nicht sehr übersichtlich geworden. Deshalb habe ich eine Tabelle erstellt, in der ersichtlich ist, welche Jumperstellungen zu
welchen Verschalungen führen.
J1-1
’+ Filter 1 OUT’ auf ’+ Filter 2 IN’
J1-2
’- Filter 1 OUT’ auf ’- Filter 2 IN’
J1-3
’+ Filter 1 OUT’ auf ’+ Main OUT’
J1-4
’- Filter 1 OUT’ auf ’- Main OUT’
J2-1
+ Bypass
J2-2
- Bypass
J2-3
’+ Filter 2 OUT’ auf ’+ Main OUT’
J2-4
’- Filter 2 OUT’ auf ’- Main OUT’
Tabelle 4.3: Die Jumper des Filters
4.6 Sample & Hold
Über den Aufbau dieser Stufe gibt es nicht viel. Der IC benötigt einzig und allein
einen Externen Haltekondensator und ein Taktsignal. Um die Auswirkungen eines
zu grossen, bzw. zu kleinen, Wertes veranschaulichen zu können, sind verschiedene
Werte wählbar. Das Taktsignal kann vom Bus kommen, oder an einem Lötpunkt
angelegt werden.
4.7 kleiner Analog - Digital Wandler (miniADC)
Beim Experimentieren mit dem ADC ist als ”Abfallprodukt” eine Schaltung angefallen, die ein analoges Signal in einen Digitalwert wandeln kann und diesen an Hand
von 8 LED’s anzeigt. Abbildung 4.3 zeigt das Schaltbild.
KAPITEL 4. WIE SIND DIE STUFEN REALISIERT
14
Abbildung 4.3: Schaltplan des miniADC’s
Der Takt wird mit Hilfe des Kondensators C4 und des Widerstandes R1 erzeugt.
Das Poti R3 regelt den Offset und Poti R4 regelt den zu erfassenden Spannungsbereich. Diese so generierte Steuerspannung wird durch den OP IC2A verstärkt. Dieser
kann jedoch entfernt werden, wenn der Jumper JP2 geschlossen wird. Dann sollte es
sogar möglich sein, den miniADC mit einer unsymmetrischen Spannungsquelle (Accu) zu versorgen. IC 1P sind die Versorgungs Pins des ADC0803. Um den miniADC
”anzuschmeissen” muss man manchmal den Jumper JP1 brücken.
KAPITEL 4. WIE SIND DIE STUFEN REALISIERT
15
4.8 Analog - Digital Wandler (ADC)
Wie eingangs erwähnt, habe ich mich für den ADC0803 von National Semiconductor [7] entschieden. Er hat einen parallelen Daten Ausgang und ist relativ anspruchslos, was die Menge der externen Bauteile angeht. Die typischen Daten sind in Tabelle 4.4 angegeben.
Versorgungs Spannung
Auflösung
Wandlungs Prinzip
Conversion time
+5V
8 Bit
successive aproximation
100 " Sec
- entspricht
10 kHz Sampling Freq.
Input range
0V - 5V
Total Error
On-Chip Clock
1 LSB
Symmetrischer Eingang
externe Referenz
automatischer Nullpunkt
20 pin DIP
Tabelle 4.4: Typischen Daten des ADC0803
Da diese Stufe umfangreicher ist als die anderen, habe ich sie zu Gunsten des besseren Verständnisses in Blöcke aufgeteilt. Abbildung 4.4 zeigt den Schaltplan aller
Blöcke.
KAPITEL 4. WIE SIND DIE STUFEN REALISIERT
Abbildung 4.4: Schaltplan des ADC’s
16
KAPITEL 4. WIE SIND DIE STUFEN REALISIERT
17
4.8.1 Test Block
Um die grundsätzliche Funktion des ADC testen zu können, wird in diesem Block
eine Gleichspannung durch einen Spannungsteiler erzeugt, die vom ADC gewandelt
werden kann. Diese Spannung bewegt sich im Bereich
4.8.2 Kalibrierungs Block
Die durch diesen Block generierte Spannung
wird an den
3.
Pin des ADC geführt. Sie bezeichnet die Mittelachse, bzw. den Nullpunkt des zu erfassenden Signals. Daraus folgt, dass die maximale noch zu erfassende Spannung
das Doppelte dieser Spannung betragen darf.
dadurch, dass der Ausgang des LM336 4 über ein Poti % auf
Erzeugt wird
! eingestellt wird. Diese Spannung wird durch einen
den gewünschten Wert von
OP-AMP " # , der als Impedanzwandler beschaltet ist, und einen Kondensator $
stabilisiert. und $ stellen die Versorgung des LM336 sicher.
4.8.3 GND. . .
Die in dem Datenblatt angegebene Schaltung unterscheidet zwischen Digital GND
und Analogem GND. Dieser Jumper ( % ) brückt beide zusammen.
4.8.4 FreeRunLogic und Self-Clocking
Beide Blöcke dienen dazu, dass der ADC ohne externe Taktung arbeitet. Ich habe
diese Anschlüsse jedoch auf Jumper gelegt. Dies dient der Fehlersuche und ermöglicht eine spätere Erweiterung, um einen Externen Takt und/oder die Einbezieung
eines Computers.
4.8.5 ”Audio vom Bus holen”
Wie der Name dieses Blocks schon vermuten lässt, ist es hier möglich, das Audiosignal, welches der Bus führt, an den Eingang des ADC zu legen.
5
4.8.6 Der EXT-In Block
Es ist möglich, zwischen zwei externen Signalen zu wählen. Diese werden, wenn die
entsprechenden Jumper gesetzt sind, an den Eingang des ADC gelegt.
3
Vcc = +5V = Positive Versorgungspannung
Festspannungsregler
5
diese Erklärung ist eigentlich . . .
4
&('
KAPITEL 4. WIE SIND DIE STUFEN REALISIERT
18
4.8.7 Die Jumper
Ich habe einiges an Jumpern in die Schaltung gepackt, damit sich auch nach der Fertigstellung noch die Möglichkeit bietet, Signalwege testweise zu unterbrechen oder
umzulegen. Der Übersicht halber habe ich eine Tabelle erstellt (Tabelle 4.5), in der
alle Jumper mit ihren Funktionen aufgeführt sind.
J1-1
J1-2
Interne Testspannung
enable
J1-3
Extern 1
J1-4
Extern 2
J1-5..7
Alle Jumper ON
J1-8
External clocking
J1-9
Audio vom Bus
J1-10
DGND = GND
J2-1..4
‘Self clocking’
Alle Jumper ON
‘Free Run Mode’
Tabelle 4.5: Belegung der Jumper
4.9 Digital - Analog Wandler (DAC)
Die verschiedenen DAC’s habe ich alle in einer Stufe/Platine zusammengefasst. Das
erhöht die Übersicht, und ich musste nur noch eine Platine ätzen. Das Schaltbild aller DAC’s zeigt Abbildung 4.5. Anders als im Expóse erwähnt, ist der ’Typische IC von
Conrad’ dort nicht erhältlich. Da er jedoch bei Reichelt Elektronik [4] im Programm
ist, denke ich, dass dies in etwa gleichwertig ist.
4.9.1 DAC0808
Dieser IC von National Semiconductor [9] ist ein monolithischer R2R Wandler. Das
Datenblatt schreibt eine Spannungsversorgung von mindestens %
ich mit meinen auf der richtigen Seite.
vor. Somit bin
KAPITEL 4. WIE SIND DIE STUFEN REALISIERT
Abbildung 4.5: Schaltplan aller DAC’s
19
KAPITEL 4. WIE SIND DIE STUFEN REALISIERT
20
Zur Schaltung: Der Widerstand zwischen Pin 15 und Pin 2 dient lediglich der
Temperaturkompensation. Das Poti zwischen Pin 14 und Bus 5 (
) regelt die po-
sitive Referenzspannung und somit die maximale Ausgangspannung des IC’s. Der
Kondensator an Pin 16 dient der Glättung der Negativen Versorgungspannung.
4.10 Funktions Generator
Hier kam der IC ICL0838 [8] zum Einsatz. Der Funktions Generator kann sowohl als
Ton, als auch als Taktgenerator genutzt werden. Seine Frequenz wird über einen Poti
eingestellt. Sofern der ’Puls’ Ausgang benutzt wird, kann durch einen weiteren Poti
die Pulsweite moduliert werden. Abbildung 4.6 zeigt das Schaltbild des Funktions
Generators.
Abbildung 4.6: Schaltplan des Audio oder Taktgenerators
Die Funktion wird durch laden und entladen des Kondensators generiert. Regelt mit seiner Steuerspannung die Frequenz. Pulsweite verantwortlich.
sind für die einstellung der
Kapitel 5
Welche Workarounds gibt es
5.1 Die Spannungsversorgung
Bei der Spannungsversorgung musste ich nur wenig ’pfuschen’. Die beiden Drehpotis,
die die positive und negative Spannung regeln, passten nicht zu meinem Layout.
Also habe ich sie hoch gestellt, und mit einer fliegenden Brücke verbunden. 1 Die
Masse
2
der beiden Spannungsregler ist ebenfalls in dieser Art verlötet. Dies war
allerdings Absicht . . . Es hat sich gezeigt, das die von mir verwendeten OP-Amps
bei einer Spannung von
Spannungen um !
nicht richtig arbeiten 3 . Aus diesem Grund sin beide
erhöt worden.
5.2 Die Anzeigestufe
Nach Beendigung der Lötarbeiten stellte ich fest, dass ich keinen Vorwiderstand
für die LED’s eingeplant hatte. Diesen habe ich auf die Unterseite der Platine ’verschwinden’ lassen.
5.3 Funktionsgenerator
Im Datenblatt zum ICL8038 [8] wird dazu geraten, eine Diode zwischen die Versorgungsspannung und den Spannungseingang des ICs zu setzen. Die bewirkt einen
Spannungsabfall von !
und macht es möglich, mit nur einer Versorgungsspan-
nung, eine Steuerspannung zu generieren, die höher ist als die Versorgungsspan1
Die Spannungsversorgung hat in ihrer endgültigen Form die Potis richtig auf der Platine. Da ich
sie ja sowieso neu bauen musste, konnte ich diesen Mangel gleich mit beheben. Siehe auch Tagebuch
vom 4.1.
2
Masse = Gehäuse
3
Das Datenblatt weisst jedoch einen Spannungsbereich ab 21
&
aus
KAPITEL 5. WELCHE WORKAROUNDS GIBT ES
22
nung des ICs. Scheinbar reicht diese dann nicht mehr aus, um den IC zu betreiben.
Ich habe sie überbrückt und aus dem Schaltbild entfernt.
5.4 ADC
Nach einigem rumexperimentieren ist mir aufgefallen, das der ADC nur die positive Halbwelle des Signals berücksichtigt. Um auch die Negative zu berücksichtigen,
Widerstand hochgelegt 4 .
habe ich den Eingang durch einen 4
Der Widerstand sitzt zwischen dem ’+Signaleingang’ un der positiven Versorgungsspannung
Kapitel 6
Mögliche Erweiterungen
Träumen darf man ja. . . Was ganz oben auf der Wunschliste steht, ist eine serielle
Übertragung der Daten. Man könnte verschiedene Codebooks verwenden. So könnte
man beispielsweise die Verpolbarkeit von BiPhase M demonstrieren.
Auch kann ich mir vorstellen, das ein Aufbau auf einer grossen Platine, anstatt
auf vielen kleinen, ’schöner’ ist. So wrden die Flachbandkabel nicht immer stören
und man könnte einzelne Stufen durch Schalter hinzuschalten.
Ein kleiner ’1-IC Computer’ vom Typ AVR, PIC, Z80 oder 68000 könnte die Steuerung der einzelnen Stufen übernehmen. Diese würde es möglich machen, auf Digitaler Ebene auf das Signal einzuwirken. So liessen sich auch dort Fehler simulieren.
Auch UV22 wäre so (mit einigem Aufwand) möglich. Dass ein LCDisplay die Übersicht steiger. . .
Alles in Allem kann man feststellen, das der ganze Aufbau der Stufen nur BetaLevel hat. Für einen reibungslosen Einsatz im Unterricht müssten fast alle Stufen
überarbeitet werden. Vor allem der Bus hat sich immer wieder als Fehlerquelle entpuppt, da er nicht verpolsicher ist, und somit zu einigen ’Rauchzeichen’ geführt hat.
Aber auch der Regelbereich vieler Potis ist zB. zu gross gewählt 1 .
1
Es sind halt die Kleinigkeiten, die über den Unterschied zwischen ’funktioniert’ und ’funktioniert
gut’ entscheiden
23
Kapitel 7
Tagebuch
7.1 In der grauen Vorzeit
Wer weiss denn noch, was damals war? Deshalb hier eine Einführung in das Geschehene.
7.2 Gedenken machen. . .
”Es begab sich aber zu der Zeit, dass ein Gebot von dem Kaiser Augustus [Alf] ausging, das alle Welt geschätzt würde.” [5]
Nein! Natürlich nicht. Hab ich also mein Expóse fristgerecht abgegeben und bin
erst mal zur Tagesordnung übergegangen 1 . Als ich mir dann das Datenblatt des
von mir eigentlich geplanten A/D Wandler anguckte, und ich ihn bestellen wollte,
merkte ich, dass er in Deutschland nicht verfügbar ist. . . Also nach ich nach einem
Ausweichmodell gesucht und in Form das ADC0803 von National Semiconductor [7]
gefunden.
7.3 . . . über Folien
Dann habe ich mich mit dem Herstellen von Platinen beschäftigt. Nach ausführlicher Suche im Internet habe ich das Programm EAGEL [2] gefunden. Bei einer
Beschränkung der Leiterbahngrösse auf 8*10 cm ist es für den privaten Gebrauch
kostenlos! Nach ein paar Stunden hatte ich auch die (nicht ganz leichte) Bedienung
raus.
1
Fehler . . .
24
KAPITEL 7. TAGEBUCH
25
7.4 . . . über Leit-Platten
Nun machte ich mich auf die Jagd nach einer Anleitung zum Ätzen [3]
2.
Jetzt war
ich zuversichtlich. Eigentlich ganz einfach . . .
7.5 . . . übers Geld ausgeben
So: jetzt hab ich alles. Aber halt! Woher bekomme ich meine Bauteile? Das Abgrasen
diverser Elektronik Seiten hat mich dann zu Reichelt Elektronik [4] gebracht: Online Katalog, bestellen auch gleich; und dann per Nachnahme. So wie man sich das
wünscht.
7.6 19.12.01
Heute habe ich begonnen, diesen Text in TEX zu schreiben. Ist eine Menge zu lernen,
macht aber sehr viel Spas. Ich werde in Zukunft alles in TEX machen: Wie kann man
noch mit Word ’arbeiten’?
7.7 20.12.01
Heute habe ich Folie zum Belichten besorgt. 0,5 EU pro Seite. Das geht ja noch.
Ich warte auf das Paket von Reichelt. Habe ein bisschen mit EAGEL gearbeitet. Ich
hab das " Zeichen auf meiner Tastatur entdeckt 3 . Fehler im Spannungsversorguns
Schaltplan gefunden und behoben. Wie kann man Bilder in TEX einbinden? Auch das
kann ich jetzt.
7.8 21.12.01
Ich suche einen Taktgenerator in Internet. Noch nichts gefunden. Die Spannungsversorgung nochmal geplant.
7.9 24.12.01
Pünktlich zu Heilig Abend hat mir der Weihnachtsmann das Paket gebracht. Jetzt
aber!
2
3
endlich mal was richtig Gutes im Internet :-)
Es war schon immer da, aber es ist mir nie aufgefallen
KAPITEL 7. TAGEBUCH
26
7.10 30.12.01
Die erste Platine! Belichtet und geätzt. Jetzt hab ich’s raus!
7.11 2.1.02
Heute habe ich noch mal einiges an Text getippt. Das Layout für den AD musste ich
heute noch mal machen, weil ich das alte Layout zerschossen habe . . .
7.12 4.1.02
Heute ist mir die Platine mit der Stromversorgung hingefallen: Schrott! Also: neue
machen. Dieses nicht so schöne Erlebnis wurde allerdings durch MAXIM [6] wett
gemacht. . . Vor ein paar Tagen bin ich durch Zufall auf deren Seiten gelandet. Ich
suchte nach einem Funktionsgenerator, dem MAX038. Da entdeckte ich einen Link
zu einer Seite mit dem Titel: ”for free samples click here”. Und was war heute in
meiner Post? Zwei (!) MAX038 mit Datenblatt! Motivation + 100 Punkte. Habe einen
Funktionsgenerator mit besagtem IC geplant. Ich freu mich schon drauf.
7.13 9.1.02
Heute hab ich die zweite Bestellung abgeschickt. Ist eine Menge Arbeit, die ganzen
Bauteile rauszusuchen.
7.14 10.1.02
Viel Text geschrieben und ADC geplant.
7.15 11.1.02
Ersatztyp für Diode 1N457 gesucht. Ersatz weil: gibt´s hier nicht. Brauchte eine Diode mit nur 25"
#
minimalem Arbeitsstrom
7.16 12.1.02
Die 500ste Zeile TEX-Text!
KAPITEL 7. TAGEBUCH
27
7.17 13.1.02
Spannungsversorgung neu gebaut, jetzt mit LED’s. Trafo wird aber noch heiss.
7.18 14.1.02
Fehler in der Spannungsversorgung gefunden. Erster Verdacht: Sekundär Wicklung
falsch verbunden. Aber: Trafo liefert 100mA, Schaltung zieht aber 160 mA ohne Verbraucher.
7.19 16.1.02
Ich habe jetzt einen grösseren Trafo. Leider wird er immer noch viel zu heiss. Ich
weis mir keinen Rat mehr. Vielleicht sollte ich ein PC Netzteil an Stelle eines selbergebauten nehmen?
7.20 20.1.02
YES! Ich hab alles in den Griff bekommen. Des Rätsels Lösung lag vor dem Gleichrichter. Ich hatte die beiden Sekundär Spulen in der Mitte zusammen geschlossen.
Das macht natürlich keinen Sinn, da die Gleichrichter ja schon miteinander verbunden werden. Jetzt weis ich auch, warum das neue Platinen Layout um die Trafo Pins
so anders aussah: Es war falsch!
7.21 21.1.02 - 30.1.02
Viel ist passiert und leider habe ich nicht mitgeschrieben. . . Deshalb hier eine Zusammenfassung der letzten 9 Tage:
Zwei weitere Pakete wurden bei Reichelt Elektronik [4] bestellt. Das erste ging leider auf dem Postweg verloren, was mich mindestens 2 Tage kostete. Die LED Anzeige
Stufe ist fertig. Sie hilft mir jetzt sehr. Ein verpoltes Aufstecken der Bus Stecker wird
mir jetzt durch das Erlöschen der
und
LED signalisiert. Der R2R ist fertig.
Leider bekomme ich nichts aus ihm raus.
7.22 31.1.02
Der ADC ist fertig! Mit keiner anderen Stufe hatte ich so wenig Probleme. Gar keine,
um genau zu sein.
KAPITEL 7. TAGEBUCH
28
7.23 3.2.02
Ich Idiot! Der R2R hat schon immer funktioniert. Ich hatte nur den Stecker falsch
herum aufgesetzt.
7.24 8.2.02
Der Filter will nicht filtern. Das einzige, was er macht ist lauter und leiser.
7.25 9.2.02
Der doofe Filter! Will einfach nicht filtern! Ich habe ja den Verdacht, das der Drehpoti zu gross ist. Also: Elektrisch betrachtet; mein ich jetzt . . . Dieser ist ja in den
Signalweg eingeschliffen, und ohne Kondensator arbeitet er ja nur als, zugegebener
Massen schlechter, Lautstärke Regler. Ich werde mich noch etwas damit beschäftigen
müssen.
7.26 10.2.02 - 16.2.02
Die letzten Tage vor der Abgabe sind immer die, in denen man keine Zeit mehr hat,
um etwas schön zu machen. . . Ich habe versucht, alles ”ans laufen” zu bringen, und
es ist mir weitestgehend gelungen. Die meisten Fehler sind durch verpoltes anschliessen des Busses entstanden.
Anhang A
Schaltbilder, Platienenlayouts
und Bestückungen
Um diese Arbeit zu vervollständigen, habe ich hier alle benötigten Schaltbilder, Platienenlayouts und Bestückungen Aufgeführt. Zu manchen Schaltungen gibt es Ober
und Unterseite. Dies habe ich jedoch nur bei den Schaltungen gemacht, bei denen
Brücken gelegt werden müssen.
29
ANHANG A. SCHALTBILDER, PLATIENENLAYOUTS UND BESTÜCKUNGEN30
Abbildung A.1: ADC Schaltung
ANHANG A. SCHALTBILDER, PLATIENENLAYOUTS UND BESTÜCKUNGEN31
Abbildung A.2: ADC Brücken Plan
Abbildung A.3: ADC Platine
Abbildung A.4: ADC Bestückung
ANHANG A. SCHALTBILDER, PLATIENENLAYOUTS UND BESTÜCKUNGEN32
Abbildung A.5: R2R Schaltung
ANHANG A. SCHALTBILDER, PLATIENENLAYOUTS UND BESTÜCKUNGEN33
Abbildung A.6: R2R Bestückung
Abbildung A.7: R2R Platine
ANHANG A. SCHALTBILDER, PLATIENENLAYOUTS UND BESTÜCKUNGEN34
Abbildung A.8: Filter Schaltung
Abbildung A.9: Filter Bestückung
Abbildung A.10: Filter Platine
ANHANG A. SCHALTBILDER, PLATIENENLAYOUTS UND BESTÜCKUNGEN35
Abbildung A.11: Signalgenerator Schaltung
ANHANG A. SCHALTBILDER, PLATIENENLAYOUTS UND BESTÜCKUNGEN36
Abbildung A.12: Signalgenerator Bestückung
Abbildung A.13: Signalgenerator Platine
ANHANG A. SCHALTBILDER, PLATIENENLAYOUTS UND BESTÜCKUNGEN37
Abbildung A.14: LED Anzeige Schaltung
Abbildung A.15: LED Anzeige Platine
ANHANG A. SCHALTBILDER, PLATIENENLAYOUTS UND BESTÜCKUNGEN38
Abbildung A.16: Sample & Hold Schaltung
ANHANG A. SCHALTBILDER, PLATIENENLAYOUTS UND BESTÜCKUNGEN39
Abbildung A.17: Sample & Hold Leiterbahn
Abbildung A.18: Sample & Hold Bestückung
Zusammenfassung
Die nächste Klasse bei Jens kann jetzt im Unterricht die komplette Signalkette der
A/D und D/A Wandlung ”in Hardware” verfolgen. Das freut mich wirklich.
Ich habe viel1 gelernt und bin im Nachhinein froh, das ich ein Thema mit Hardware gewählt habe. Ich kann nun Datenblätter lesen und verstehen; Platinen planen
und herstellen und ich kann TEX benutzen 2 .
All diese Erfahrungen kann ich gut in meinen weiteren Leben gebrauchen. So
habe ich bereits jetzt zwei Aufträge 3 über die Planung und Herstellung von Platinen
erhalten. Wenn das kein schnelles Erfolgserlebnis ist!
Danke an:
EAGEL [2]:
Angenommen, ich hätte diese Facharbeit vor 20 Jahren geschrieben; Ich hätte einen
enormen Hass auf Rubbelbildchen gehabt.
TEX:
Dieses Textsatzsysthem befreit einen vom ”Word-Klabauterman”. Leider liefert es
auch keine Ausreden und läuft auch ohne Karl Klammer auf einem 468DX33 mit
12 MB RAM.
P.S: Ich bin gegen ß.
1
2
wirklich sehr viel.
Ich hatte nie Word auf meinem Computer, habe es aber manches Mal vermisst. Das hat sich nun
geändert. TEX und LATEX ist eine gute Wahl, um selber Texte zu schreiben. Das einzige für mich noch
gültige Argument für Word ist einzig und allein die Kompatibilität zu Anderen. Und selbst das ist nicht
immer der Fall
3
Also, wo ich Geld für bekomme. Nicht einfach nur Sachen, die ich schon immer mal machen wollte. . .
Abbildungsverzeichnis
2.1 Typische Verschaltung der Stufen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
4.1 Schaltplan der ”Anzeige - Stufe” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
4.2 Schaltplan der Spannungsversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.3 Schaltplan des miniADC’s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.4 Schaltplan des ADC’s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.5 Schaltplan aller DAC’s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.6 Schaltplan des Audio oder Taktgenerators . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
A.1 ADC Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
A.2 ADC Brücken Plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
A.3 ADC Platine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
A.4 ADC Bestückung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
A.5 R2R Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
A.6 R2R Bestückung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
A.7 R2R Platine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
A.8 Filter Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
A.9 Filter Bestückung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
A.10 Filter Platine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
A.11 Signalgenerator Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
A.12 Signalgenerator Bestückung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
A.13 Signalgenerator Platine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
A.14 LED Anzeige Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
A.15 LED Anzeige Platine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
A.16 Sample & Hold Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
A.17 Sample & Hold Leiterbahn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
A.18 Sample & Hold Bestückung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1
Tabellenverzeichnis
3.1 Wandlung in einem Wäge Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
4.1 Busbelegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.2 Die Test CD Track List . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.3 Die Jumper des Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.4 Typischen Daten des ADC0803 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.5 Belegung der Jumper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2
Literaturverzeichnis
[1] National Semiconductors http://www.national.com
[2] EAGEL – Platienen Layout http://www.cadsoft.de
[3] Herstellen von Platienen – eine Anleitung
http://www.qsl.net/dg5dbz/platine/platine.html
[4] Reichelt Elektronik http://www.reichelt.de
[5] Bibel-Online.net http://www.bibel-online.net/buch/42.lukas/2.html#2,3
[6] MAXIM http://www.maxim-ic.com
[7] Datenblatt zum ADC080X http://www.national.com/da/AD/ADC0801.pdf
[8] Datenblatt zum ICL8038 http://www.intersil.com/data/FN/FN2/FN2864/FN2864.pdf
[9] Datenblatt zum DAC0808 http://www.national.com/ds/DA/DAC0808.pdf
[10] Datenblatt zum LM137 http://www.national.com/ds/LM/LM137.pdf
[11] Datenblatt zum LM117 http://www.national.com/ds/LM/LM117.pdf
3