![Page 1: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/1.jpg)
DIY
Personal Fabrication
Opamps
Juergen Eckert – Informatik 7
![Page 2: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/2.jpg)
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!
![Page 3: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/3.jpg)
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)
![Page 4: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/4.jpg)
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
![Page 5: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/5.jpg)
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
![Page 6: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/6.jpg)
Opamp Reglen
• Kein Storm fließt in oder aus den Eingängen• Der Operationsverstärker versucht die
Spannungen der beiden Eingänge gleich zu halten – (Voraussetzung: Rückkopplung)
![Page 7: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/7.jpg)
Puffer
• Hohe Eingangsimpedanz• Niedrige Ausgangsimpedanz
![Page 8: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/8.jpg)
Negative RückkopplungNichti nvertierender Verstärker
Beispiel:• R1 = 9k
• R2 = 1k
• AV = 10
• UI = 1V
• UO = 10V
Negative Feedback
![Page 9: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/9.jpg)
Invertierender Verstärker (1/2)
• supply
Virtual Ground
1V 1k
10k
1mA
1V
1mA
10VOhmsches Gesetz muss gelten!
-10V
![Page 10: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/10.jpg)
Invertierender Verstärker (2/2)
• Belastet die Stromquelle– Impedanz ist R2
• Kompensation: Opamp Puffer vorschalten
![Page 11: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/11.jpg)
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“
![Page 12: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/12.jpg)
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
![Page 13: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/13.jpg)
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!
![Page 14: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/14.jpg)
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
![Page 15: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/15.jpg)
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
![Page 16: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/16.jpg)
ADC: Analog-to-Digital Converter
DAC
MU
X
UREF
In1
In2
In3
In4
+
-
Logik
Sample and Hold
![Page 17: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/17.jpg)
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
![Page 18: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/18.jpg)
Poor Man‘s DAC (1/2)
• R-2R Netzwerk– Schnell– Viel extern
Beschaltung– Viel GPIOs (Pins)– Hohe Impedanz
(Puffer verwenden)
Üblich in kommerziellen DACs
![Page 19: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/19.jpg)
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)
![Page 20: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/20.jpg)
Werkzeuge
Disclaimer:Im folgenden gibt es einige Copyright-Verletzungen. Ich bitte dies zu entschuldigen. Gezeigte Werkzeuge meist über Reichelt verfügbar.
![Page 21: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/21.jpg)
Löten (1/2)
• d
EEEVblog
Temp. Regelung wichtig
![Page 22: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/22.jpg)
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
![Page 23: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/23.jpg)
Sicherheit beim Löten
• Schutzbrille– Heißes, flüssiges Lot kann in das Auge spritzen
• Absauger/Belüftung (z.B. alter CPU Lüfter)– Flussmittelgase
nicht einatmen
![Page 24: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/24.jpg)
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
![Page 25: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/25.jpg)
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
![Page 26: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/26.jpg)
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
![Page 27: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/27.jpg)
Logikanalysator(1/2)
• Oszilloskop mit sehr vielen DIGITALEN Eingängen
• Einzelgerät, in Kombination mit einem Oszi oder als PC-Dongle (USB)
• Debuggen von Signalverläufen
teuer
![Page 28: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/28.jpg)
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!!!
![Page 29: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/29.jpg)
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
![Page 30: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/30.jpg)
Demo Time
• Bus Pirate + Logikanalysator
Hands on in der Übung• Bus Pirate• Logikanalysator• Multimeter• Oszilloskop
![Page 31: DIY Personal Fabrication Opamps Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042904/55204d8349795902118d7601/html5/thumbnails/31.jpg)
Nächstes mal bei DIY
• Mikrocontroller• FPGA
• Übung– Hands on– Glühwein und Plätzchen