Nachbau Control Electronic: Unterschied zwischen den Versionen

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(Aktive Komponenten auf der Control Electronik)
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[[Datei:ControlElectronicOverview.png|Caption: Blockschaltbild|600px]]<br>
 
[[Datei:ControlElectronicOverview.png|Caption: Blockschaltbild|600px]]<br>
Blockschaltbild: Computer - Control Elektronik - Mikroskop mit Piezzo Scankopf und Messverstärker
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Übersicht Elektronik Komponenten:<br>
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Computer - Control Electronic - Mikroskop mit Piezzo, Scankopf und preamp = Messverstärker
  
  
= Control Elektronik - Adapterplatine mit ESP32 =
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= Control Elektronik - Nachbau =
[[Datei:AdapterboardPCB_mounted.png|Adapterboard mit ESP ADC und DAC|150px|PCB Control Electronic. KiCad 3D View]]<br>
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AdapterboardPCB.png|Adapterboard
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AdapterboardPCB_mounted.png|Adapterboard bestückt mit ESP ADC und DAC
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Controllerboard_schematics.jpg|Schaltplan
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== Control Electronic PCB ==
 
Die '''Control Electronic''' ist auf der separaten Platine dem 'AdapterBoard' untergebracht. Die Control Electronic führt die eigentliche Steuerung des Mikroskops durch.<br>
 
Die '''Control Electronic''' ist auf der separaten Platine dem 'AdapterBoard' untergebracht. Die Control Electronic führt die eigentliche Steuerung des Mikroskops durch.<br>
Die Platine ist 10x10 Zentimeter gross und wurde mit dem Schaltplan und PCB Layout Tool '''KiCad''' entwickelt.
 
Das KiCad Projekt liegt auf '''LINK KICAD'''.
 
== '''Aktive Komponenten auf der Control Electronik<br>''' ==
 
  
'''ESP32-DevKitC'''
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Schaltplan und Layout des Controller Boards wurden mit der Open Source Software [https://www.kicad.org/ KiCad] erzeugt.<br>
[[Datei:ESP32-DevKitC.png|left|ESP32-DevKitC|thumb]]
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Das KiCad Projekt für das Controller Board kann von Github heruntergeladen werden. [https://github.com/PeterDirnhofer/500-rtm-kicad-controllerboard.git Github 500-rtm-kicad-controllerboard]
Wir verwenden das Development board ESP32-DevKitC von espressif Systems mit 30 pins.<br>
 
Die Programmierung des ESP32 ist beschrieben in [[Programmierung ESP32]].
 
Das Board wird nicht auf die Platine gelötet, sondern in Buchsenleisten gesteckt.
 
  
'''Digital Analog Converter'''<br>
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Für die '''Bestellung''' des 10*10 cm grossen PCB bei einem Leiterplattenhersteller müssen die Layoutdaten aus dem Github Folder [https://github.com/PeterDirnhofer/Tunnelling-Amp-20/tree/master/Production Production] heruntergeladen und an den Lieferanten geschickt werden. Quelle z.B. [https://www.pcb-supermarkt.de/ Fischer pcb-supermarkt]
[[Datei:DAC 2click mit Lötbrücken.png|DAC mit Lötbrücken|150px@thumb]]<br>
 
Wir verwenden für die Ansteuerung der Piezos drei 16-bit Digital Analog Konverter DAC 2 Click von MIKROE.<br>
 
Die DACs werden mit 5 Volt und der internen Referenzspannug 4,096 Volt betrieben. Entsprechend werden die Lötbrücken auf den DAC boards gesetzt.  
 
  
'''Operationsverstärker TL072'''<br>
 
  
[[Datei:tl072.png|2 x TL072|150px]]<br>
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== Aktive Komponenten auf der Control Electronic ==
Da die DACs nur bis zu 5 Volt Ausgangsspannung liefern benutzen wir Operationsverstärker, um die nötigen Spannungen für die Ansteuereung der Piezos zu erzeugen. (+/- 15 Volt)
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Mit zwei TL02, die jeweils 2 Operationsverstärker enthalten, können wir also die 4 Spannungen für die 4 Segmente der Piezoscheibe erzeugen.  
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ESP32-DevKitC.png|ESP32-DevKitC
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DAC 2click mit Lötbrücken.png|DAC 2 Click mit Lötbrücken
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tl072.png|2 x TL072
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mikroe ADC8 click.png|ADC 8 Click
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USB TTL.png|USB to TTL Converter
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USB_Pin_Belegung.png|USB Buchsenleiste Pinbelegung
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=== ESP32-DevKitC ===
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Wir verwenden das Development board '''ESP32-DevKitC''' von espressif Systems.<br>
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Bevor wir den ESP32 verwenden können, muss er programmiert werden. Die Programmierung des ESP32 ist beschrieben in [[Programmierung ESP32]].<br>
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Das ESP32-DevKitC wird nicht auf die Platine gelötet, sondern in Buchsenleisten gesteckt<br>
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=== DAC 2 Click Digital Analog Converter ===
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Wir verwenden für die Ansteuerung der Piezos drei 16-bit Digital Analog Konverter [https://www.mikroe.com/dac-2-click DAC 2 Click] von MIKROE.<br>
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Die DACs werden mit 5 Volt und der internen Referenzspannug 4,096 Volt betrieben. Dazu werden die Lötbrücken bzw. 0 Ohm Widerstände auf den DAC boards gesetzt. Siehe Rote Pfeile<br>
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Da die DACs nicht in der Lage sind, die nötigen Spannungen für die Ansteuerung der Piezos zu erzeugen, müssen die Spannungen verstärkt werden.<br>
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Dies geschieht mit den Operationsverstärkern TL072.<br>
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Die drei DAC 2 Click werden nicht auf die Platine gelötet, sondern in Buchsenleisten gesteckt.
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=== TL072 Operationsverstärker  ===
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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. <br>
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Mit zwei TL02, die jeweils 2 Operationsverstärker enthalten, können wir also die 4 Spannungen für die 4 Segmente der Piezoscheibe erzeugen.<br>
 
Wir löten die beiden TL072 nicht direkt ein. sondern verwenden IC Sockel.
 
Wir löten die beiden TL072 nicht direkt ein. sondern verwenden IC Sockel.
  
'''Analog Digital Converter'''<br>
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===  ADC 8 Click Analog Digital Converter===
[[Datei:mikroe ADC8 click.png|mikroe ADC8 click|150px]]<br>
+
Wir verwenden zur Messung der Spannung aus dem Tunnelstrom-Vorverstärker einen 16 Bit Analog Digital Wandler, den [https://www.mikroe.com/adc-8-click ADC 8 Click] von MIKROE.<br>
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.<br>
 
Als Messeingänge verwenden wir GND und A3.<br>
'''Vorsicht! Erfahrungswert'''<br>
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Der ADC 8 Click wird nicht auf die Platine gelötet, sondern in Buchsenleisten gesteckt.  
Der ADC ist empfindlich gegen Überspannung oder Verpolung am Mess-Eingang. Immer den Eingang über den Spannungsteiler und die Verpolschutz Diode beschalten.
 
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'''USB Converter'''<br>
 
[[Datei:USB TTL.png|USB converter|150px]]<br>
 
Wir verwenden für die Kommunikation mit dem ESP32 eine zusätzliche USB Schnittstelle um von der Standard USB Programmierschnittstelle unabhängig zu sein. Dafür stecken wir einen USB Konverter senkrecht in den USB Sockel. Über diese USB Schnittstelle wird auch die Control Elektronik mit 5 Volt versorgt. Das heisst, ausser während der Programmierung des ESP32 bleibt die USB Programmierschnittstelle des ESP32 frei.
 
 
 
= Preamp Vorverstärker =
 
[[Datei:Preamp.png|250px|thumb|SMD Preamp]]<br>
 
 
 
Der Vorverstärker ist auf einer kleinen Platine 'preamp' untergebracht. Die Platine ist in SMD Technik ausgeführt um möglichst klein zu werden und möglichst nah an der Prüfspitze plaziert werden zu können.<br>
 
Zum Löten der SMD Bauteile die dringende Empfehlung:<br>
 
- Dünnes Lötzinn verwenden (0,5 mm)<br>
 
- Lötflussmittel<br>
 
- Feine, präzise SMD Pinzette<br>
 
- Lupe oder Mikroskop<br>
 
- Hilfreich ist auch, das Platinchen mit einer Schlaufe aus Klebeband auf der Platinenunterseite auf einer Lötauflage zu fixieren<br>
 
Ein schönes Youtube Video zum Thema SMD Löten: [https://youtu.be/4GrQNH80oDY Youtube SMD Löten]<br>
 
Der Vorverstärker verwendet den Operationsverstärker AD7801. Er ist als Strom-Spannungswandler = Trans Impedanz Amplifier "TIA" beschaltet. Die Beschaltung stammt aus [https://homepages.uni-regensburg.de/~erc24492/Photodioden_TIA/Photodioden_TIA.html Christof Ermer TIA]<br>
 
Da winzige Tunnelströme im Nano Ampere Bereich gemessen werden, ist die Schaltung sehr empfindlich und muss nah an der Prüfspitze montiert werden.<br>
 
Als Verbindung zwischen der Prüfspitze und dem TIA Eingang verwenden wir ein möglichst kurzes Stück dünnen Kupferlackdraht.
 
Twisted Pair, Potential Opamp + Eingang<br>
 
Eine Abschirmung kann das Ergebnis verbessern, z.B. aus beschichteter Pappe der Verpackung von Dickmanns Schokoküssen.<br>
 
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''' <br>
 
  
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'''Vorsicht! Zerstörung des ADC bei Überspannung am Mess-Eingang'''<br>
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Der ADC ist empfindlich gegen Überspannung oder Verpolung am Mess-Eingang.  Der ADC vertägt am Eingang eine Spannung zwischen GND - 0.3V und VDD + 0.3V. Aso bei einer Versorgungsspannung VDD = 3.3 Volt maximal 3.6 Volt am Eingang. '''Wichtig''': Nie den Eingang direkt an den opamp Ausgang legen, sondern über den Spannungsteiler und die Verpolschutz-Diode beschalten.
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Hinweis: Die Adapterplatine enthält eine Verspolschutzdioden und den nötigen Spannunsteiler, wenn wir den Ausgang des opamp über die Control electronic Platine indirekt an den ADC anschliessen.
  
'''OPEN LINK KI-CAD'''<br>
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=== USB to TTL Converter<br> ===
  
'''OPEN BOM'''
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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.<br>
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Der USB to TTL Adapter wird senkrecht in die USB Buchsenleiste gesteckt. <br>
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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.

Aktuelle Version vom 24. September 2024, 10:25 Uhr

Caption: Blockschaltbild
Übersicht Elektronik Komponenten:
Computer - Control Electronic - Mikroskop mit Piezzo, Scankopf und preamp = Messverstärker


Control Elektronik - Nachbau

Control Electronic PCB

Die Control Electronic ist auf der separaten Platine dem 'AdapterBoard' untergebracht. Die Control Electronic führt die eigentliche Steuerung des Mikroskops durch.

Schaltplan und Layout des Controller Boards wurden mit der Open Source Software KiCad erzeugt.
Das KiCad Projekt für das Controller Board kann von Github heruntergeladen werden. Github 500-rtm-kicad-controllerboard

Für die Bestellung des 10*10 cm grossen PCB bei einem Leiterplattenhersteller müssen die Layoutdaten aus dem Github Folder Production heruntergeladen und an den Lieferanten geschickt werden. Quelle z.B. Fischer pcb-supermarkt


Aktive Komponenten auf der Control Electronic

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

DAC 2 Click Digital Analog Converter

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. Dazu werden die Lötbrücken bzw. 0 Ohm Widerstände auf den DAC boards gesetzt. Siehe Rote Pfeile
Da 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.

TL072 Operationsverstärker

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.

ADC 8 Click Analog Digital Converter

Wir verwenden zur Messung der Spannung aus dem Tunnelstrom-Vorverstärker einen 16 Bit Analog Digital Wandler, den ADC 8 Click von MIKROE.
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 am Mess-Eingang
Der ADC ist empfindlich gegen Überspannung oder Verpolung am Mess-Eingang. Der ADC vertägt am Eingang eine Spannung zwischen GND - 0.3V und VDD + 0.3V. Aso bei einer Versorgungsspannung VDD = 3.3 Volt maximal 3.6 Volt am Eingang. Wichtig: Nie den Eingang direkt an den opamp Ausgang legen, sondern über den Spannungsteiler und die Verpolschutz-Diode beschalten. Hinweis: Die Adapterplatine enthält eine Verspolschutzdioden und den nötigen Spannunsteiler, wenn wir den Ausgang des opamp über die Control electronic Platine indirekt an den ADC anschliessen.

USB to TTL Converter

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.