Nachbau Control Electronic

Übersicht Elektronik Komponenten:
Computer - Control Electronic - Mikroskop mit Piezzo, Scankopf und Messverstärker

Control Elektronik - Steuerung des Mikroskops

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  Adapterboard

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  Adapterboard bestückt mit ESP ADC und DAC

Control Electronic PCB Herstellung

Die Control Electronic ist auf der separaten Platine dem 'AdapterBoard' untergebracht. Die Control Electronic führt die eigentliche Steuerung des Mikroskops durch.
Die Platine ist 10x10 Zentimeter gross und wurde mit dem Schaltplan und PCB Layout Tool KiCad entwickelt.

Das KiCad Projekt liegt auf LINK KICAD.

Für die Fertigung des PCB werden die Layoutdaten im Github Folder 'Production' an einen Leiterplattenhersteller geschickt.

Aktive Komponenten auf der Control Electronic

ESP32-DevKitC

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  ESP32-DevKitC

Wir verwenden das Development board ESP32-DevKitC von espressif Systems.
Bevor wir den ESP32 verwenden können, muss er programmiert werden. Die Programmierung des ESP32 ist beschrieben in Programmierung ESP32.
Das ESP32-DevKitC wird nicht auf die Platine gelötet, sondern in Buchsenleisten gesteckt

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Digital Analog Converter DAC 2 Click

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  DAC mit Lötbrücken. Klicken zum Vergrössern

Wir verwenden für die Ansteuerung der Piezos drei 16-bit Digital Analog Konverter DAC 2 Click von MIKROE.
Die DACs werden mit 5 Volt und der internen Referenzspannug 4,096 Volt betrieben. Entsprechend werden die Lötbrücken bzw. 0 Ohm Widerstände auf den DAC boards gesetzt. Siehe Rote Pfeile
Das die DACs nicht in der Lage sind, die nötigen Spannungen für die Ansteuerung der Piezos zu erzeugen, müssen die Spannungen verstärkt werden.
Dies geschieht mit den Operationsverstärkern TL072.
Die drei DAC 2 Click werden nicht auf die Platine gelötet, sondern in Buchsenleisten gesteckt.

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Operationsverstärker TL072

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  2 x TL072

Da die MIKROE DACs nur bis zu 5 Volt Ausgangsspannung liefern, benutzen wir Operationsverstärker um die Spannungen für die Ansteuereung der Piezos auf +- 15 Volt zu verstärken.
Mit zwei TL02, die jeweils 2 Operationsverstärker enthalten, können wir also die 4 Spannungen für die 4 Segmente der Piezoscheibe erzeugen.
Wir löten die beiden TL072 nicht direkt ein. sondern verwenden IC Sockel.

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Analog Digital Converter ADC 8 Click

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  MIKROE ADC8 click

Wir verwenden zur Messung der Spannung aus dem Tunnelstrom-Vorverstärker einen 16 Bit Analog Digital Wandler, den MIKROE ADC 8 Click.
Als Messeingänge verwenden wir GND und A3.
Der ADC 8 Click wird nicht auf die Platine gelötet, sondern in Buchsenleisten gesteckt.

Vorsicht! Zerstörung des ADC bei Überspannung
Der ADC ist empfindlich gegen Überspannung oder Verpolung am Mess-Eingang. Also immer den Eingang über den Spannungsteiler und die Verpolschutz-Diode beschalten.

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USB to TTL Converter

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  USB to TTL Converter

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  USB Buchsenleiste Pinbelegung

Wir verwenden für die Kommunikation zwischen PC und dem ESP32 eine zusätzliche USB Schnittstelle. Damit sind wir unabhängig von der Standard USB Programmierschnittstelle des ESP32 Dev Kit.
Der USB to TTL Adapter wird senkrecht in die USB Buchsenleiste gesteckt.
Über diese USB Schnittstelle wird auch die Control Elektronik mit 5 Volt aus dem PC versorgt. Das heisst: Ausser während der Programmierung des ESP32 bleibt die Standard USB Programmierschnittstelle des ESP32 frei.

Preamp Vorverstärker - Nachbau

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  prreamp Vorverstärker

Der Operationsverstärker preamp hat die Funktion, die winzigen Tunnelströme im nA Bereich (Nanoampere) in eine vom DAC verwertbare Spannung umzuwandeln. Die Schaltung wurde auf Basis des Tunneling-Amp von jherkenhofhttps://github.com/jherkenhoff/STM entwickelt.

Der preamp ist als Transimpedanzverstärker TAI ausgeführt. Der preamp wird nah an der Prüfspitze montiert, um die Messleitung zur Prüfspitze möglichst kurz halten zu können und so die Störeinflüsse zu minimieren. Zur Minimierung der Störeinflüsse verwendet das Layout zudem Guarding. Eine Abschirmung schützt die empfindlichen Komponenten vor dem Netzbrumm.

Das KiCad Projekt liegt auf t LINK KICAD.]

Für die Fertigung des PCB werden die Layoutdaten im Github Folder 'Production' an einen Leiterplattenhersteller geschickt.

Zum Löten der SMD Bauteile die dringende Empfehlung:
- Dünnes Lötzinn verwenden (0,5 mm)
- Lötflussmittel
- Feine, präzise SMD Pinzette
- Lupe oder Mikroskop
- Hilfreich ist auch, das Platinchen mit einer Schlaufe aus Klebeband auf der Platinenunterseite auf einer Lötauflage zu fixieren
Ein schönes Youtube Video zum Thema SMD Löten: Youtube SMD Löten
Der Vorverstärker verwendet den Operationsverstärker AD7801. Er ist als Strom-Spannungswandler = Trans Impedanz Amplifier "TIA" beschaltet. Die Beschaltung stammt aus Christof Ermer TIA
Da winzige Tunnelströme im Nano Ampere Bereich gemessen werden, ist die Schaltung sehr empfindlich und muss nah an der Prüfspitze montiert werden.
Als Verbindung zwischen der Prüfspitze und dem TIA Eingang verwenden wir ein möglichst kurzes Stück dünnen Kupferlackdraht. Twisted Pair, Potential Opamp + Eingang
Eine Abschirmung kann das Ergebnis verbessern, z.B. aus beschichteter Pappe der Verpackung von Dickmanns Schokoküssen.
Um parasitäre Kriechströme zu minimieren - die parasitären Ströme sollten ja nicht grösser sein als die winzigen zu messenden Tunnelströme - wird der empfindliche Eingang der OP (-IN) nicht auf die Platine gelötet, sonder steht in der Luft. FOTO

OPEN LINK KI-CAD

OPEN BOM