Controller Board: Unterschied zwischen den Versionen

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[[Datei:ControlElectronicOverview.png|Caption: Blockschaltbild|600px]]<br>
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= Controller =
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Blockschaltbild: Computer - Control Elektronik - Mikroskop mit Piezzo Scankopf und Messverstärker
 
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= Control Elektronik - Adapterplatine mit ESP32 =
 
 
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3D_mounted_components.PNG|Controller mit aktiven Komponenten
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AdapterboardPCB_mounted.png|Adapterboard mit ESP ADC und DAC
 
 
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Die '''Control Electronic''' ist auf der separaten Platine dem 'AdapterBoard' untergebracht. Die Control Electronic führt die eigentliche Steuerung des Mikroskops durch.<br>
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Die '''Control Electronic''' ist auf der separaten Platine dem '''Controllerboard''' untergebracht.<br>
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Die Platine ist 10x10 Zentimeter gross und wurde mit dem Schaltplan und PCB Layout Tool '''KiCad''' entwickelt.
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== Aktive Komponenten auf dem Controllerboard==
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Das KiCad Projekt liegt auf '''LINK KICAD'''.
 
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== '''Aktive Komponenten auf der Control Electronik<br>''' ==
 
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=== ESP32-DevKitC ===  
 
=== ESP32-DevKitC ===  
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ESP32-DevKitC.png|ESP32-DevKitC
 
ESP32-DevKitC.png|ESP32-DevKitC
 
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Wir verwenden das Development board '''ESP32-DevKitC''' mit dem ESP32-WROOM-32 von espressif Systems. Das DevKit hat 2*19 Pins <br>
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Bevor wir den [https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/en/release-v4.2/esp32/hw-reference/esp32/get-started-devkitc.html 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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Wir verwenden das Development board ESP32-DevKitC von espressif Systems mit 30 pins.<br>
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=== DAC 2 Click Digital Analog Converter ===
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Die Programmierung des ESP32 ist beschrieben in [[Programmierung ESP32]].<br>
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Das Board wird nicht auf die Platine gelötet, sondern in eine Buchsenleisten gesteckt<br>
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DAC 2click mit Lötbrücken.png|3 Stück DAC 2 Click
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Verbindung_DAC_Platine|FOTO FEHLT
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Adapterboard_detail_piezo.png|PIEZO Schraubklemme
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Die drei 16-bit Digital Analog Konverter [https://www.mikroe.com/dac-2-click DAC 2 Click] von MIKROE dienen der Erzeugung der X, Y und Z Spannungen zur Ansteuerung des Piezos.<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 im Bild oben.<br>
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Da die DACs allein nicht in der Lage sind, die nötigen Spannungen bis zu +-15 Volt für die Ansteuerung der Piezos zu erzeugen, müssen die Spannungen noch verstärkt werden.<br>
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Die Spannungsverstärkung erledigen die Operationsverstärker TL072.<br>
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Die drei DAC 2 Click werden nicht auf die Platine gelötet, sondern in Buchsenleisten gesteckt. <br>
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Die Ausgangsspannungen der DACs werden von den orangen DAC '''VOUT''' Ausgängen auf die einpoligen Controllerboard Pins '''DAC_X''', '''DAC_Y''' und '''DAC_Z''' geführt.<br>
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Die Verbindung vom Controllerboard zum Piezo erfolgt über die 5 polige '''PIEZO''' Schraubklemme.
  
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=== Digital Analog Converter DAC 2 Click ===
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=== TL072 Operationsverstärker  ===
 
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DAC 2click mit Lötbrücken.png|DAC mit Lötbrücken
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tl072.png|2*TL072 mit jeweils 2 Operationsverstärkern
 
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Zur Aufbereitung der Spannungen aus den drei DACs benutzen wir vier Operationsverstärker. Diese sind in den zwei Doppel-Operationsverstärker TL072 enthaltem. <br>Die vier Operationsverstärker erfüllen zwei Aufgaben<br>
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* Addition und Subtraktion der Spannungen aus den DACs so, dass für jedes der vier Segmente am Piezo ein Signal erzeugt wird<br>
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* Verstärkung der vier berechneten Spannungen auf +- 15 Volt
  
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  Z+X<br> Z-X<br> Z+Y<br> Z-X
  
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Wir verwenden für die Ansteuerung der Piezos drei 16-bit Digital Analog Konverter DAC 2 Click von MIKROE.<br>
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=== ADC 8 Click Analog Digital Converter ===
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Die DACs werden mit 5 Volt und der internen Referenzspannug 4,096 Volt betrieben.
 
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Entsprechend werden die Lötbrücken auf den DAC boards gesetzt. Siehe Rote Pfeile
 
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=== '''Operationsverstärker TL072'''<br> ===
 
 
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tl072.png|2 x TL072
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mikroe ADC8 click.png|ADC 8 Click
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FOTO_ADC_BOARD|FEHLT Verbindung ADC 8 Click - Controllerboard
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ControlElectronicDetailTunnelIn.png|Verbindung opamp TUNNEL IN
 
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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.
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<br>Das Messignal aus dem Operationsverstärker wird über die 2 fach Schraubklemme '''TUNNEL_IN''' auf das Controllerboard geführt.
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<br>Die Verbindung vom Controllerboard zum ADC 8 click erfolgt über den 2fach Stehpfosten J110 '''TO ADC'''. TUN geht in den orangen A3 Eingang, GND geht auf das Ground Symbol des ADC 8 click.
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'''Wichtig''': Nie den Operationsverstärker Ausgang direkt and den ADC 8 Click Eingang legen.
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Immer den Operationsverstärker an den durch einen Spannungsteiler geschützen Eingang '''TUNNEL IN''' am Controllerboard schliessen.
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Der ADC 8 click ist empfindlich gegen Überspannung am Messeingang. Bei Überspannung droht Zerstörung.
  
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Der ADC 8 Click wird nicht auf die Platine gelötet, sondern in Buchsenleisten gesteckt.
  
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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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=== USB to TTL Converter<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.  
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Wir löten die beiden TL072 nicht direkt ein. sondern verwenden IC Sockel.
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USB_TTL_Adapter.png|USB to TTL Converter
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Adapterboard_USB.png|USB Pfostenleiste
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=== Analog Digital Converter ADC 8 Click ===
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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 an die 4 polige USB Pfostenleiste am Controllerboard gesteckt . <br>
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Wichtig. Der USB to TTL Adapter muss mindestens einen PL2303 in der Version '''TA''' enthalten. Der alte PL2303 '''HXA''' ist nicht unter Windows 10, 11 .. verwendbar und zu langsam. Lieferquelle z.B. [https://www.reichelt.de/de/de/shop/produkt/raspberry_pi_-_usb_zu_ttl_0_9_m_pl2303hx-150567?PROVID=2788&gad_source=1&gclid=Cj0KCQiAwtu9BhC8ARIsAI9JHan-9tlQ26xfKQl7IAg05RfrD3jIwDGjfPrCKX-RVDl1bfLJi8XMkuAaAmVzEALw_wcB Reichelt USB to TTL Adapter]
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Über diese USB Schnittstelle wird auch die Control Elektronic mit 5 Volt aus dem PC versorgt.
  
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== Bauanleitung Controllerboard ==
 
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mikroe ADC8 click.png|MIKROE ADC8 click
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Schaltplan_Adapterboard.png|Schaltplan
 
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Wir verwenden zur Messung der Spannung aus dem Tunnelstrom-Vorverstärker einen 16 Bit Analog Digital Wandler, den MIKROE ADC 8 Click.<br>
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=== Entwicklung mit KiCad. Schaltplan und Layout ===
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Als Messeingänge verwenden wir GND und A3.<br>
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Schaltplan und Layout des Controller Boards wurden mit der Open Source Software [https://www.kicad.org/ KiCad] erzeugt.<br>
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Das KiCad Projekt für das Controller Board kann von Github heruntergeladen werden. [https://github.com/PeterDirnhofer/KiCad_RTM_Adapterboard_v3_0 Github KiCad Project]<br>
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'''Vorsicht! Zerstörung des ADC bei Überspannung'''<br>
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Schaltplan, Layout und 3D Ansicht im .png Format sind im Verzeichnis '''Plots''' zu finden. [https://github.com/PeterDirnhofer/KiCad_RTM_Adapterboard_v3_0/tree/main/Plots Github Plots]
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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'''<br> ===
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=== Bestellung Controllerboard ===
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Für die Bestellung des 10*10 cm grossen PCB bei einem Leiterplattenhersteller werden die Layoutdaten aus dem Github Folder ''Production'' heruntergeladen und an den Lieferanten geschickt. Ein Lieferant ist zum Beispiel [https://www.pcb-supermarkt.de/ Fischer pcb-supermarkt]
  
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=== Bestückung Controllerboard ===
 
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USB TTL.png|USB to TTL Converter
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Adapterboard_empty.png|3D Ansicht Controllerboard
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USB_Pin_Belegung.png|USB Pinbelegung
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FFab_Fmask.png|Bestückdruck
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Silkscreen_Fmask.png
 
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Bestückungspläne sind im Verzeichnis '''Plots''' zu finden. [https://github.com/PeterDirnhofer/KiCad_RTM_Adapterboard_v3_0/tree/main/Plots Github Plots]
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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.
 
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= Preamp Vorverstärker =
 
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[[Datei:Preamp.png|250px|thumb|SMD Preamp]]<br>
 
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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>
 
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Zum Löten der SMD Bauteile die dringende Empfehlung:<br>
 
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- Dünnes Lötzinn verwenden (0,5 mm)<br>
 
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- Lötflussmittel<br>
 
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- Feine, präzise SMD Pinzette<br>
 
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- Lupe oder Mikroskop<br>
 
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- Hilfreich ist auch, das Platinchen mit einer Schlaufe aus Klebeband auf der Platinenunterseite auf einer Lötauflage zu fixieren<br>
 
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Ein schönes Youtube Video zum Thema SMD Löten: [https://youtu.be/4GrQNH80oDY Youtube SMD Löten]<br>
 
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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>
 
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Da winzige Tunnelströme im Nano Ampere Bereich gemessen werden, ist die Schaltung sehr empfindlich und muss nah an der Prüfspitze montiert werden.<br>
 
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Als Verbindung zwischen der Prüfspitze und dem TIA Eingang verwenden wir ein möglichst kurzes Stück dünnen Kupferlackdraht.
 
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Twisted Pair, Potential Opamp + Eingang<br>
 
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Eine Abschirmung kann das Ergebnis verbessern, z.B. aus beschichteter Pappe der Verpackung von Dickmanns Schokoküssen.<br>
 
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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.
 
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'''FOTO''' <br>
 
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'''OPEN LINK KI-CAD'''<br>
 
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'''OPEN BOM'''
 

Aktuelle Version vom 23. Februar 2025, 14:46 Uhr

Controller

  • Controller mit aktiven Komponenten

Die Control Electronic ist auf der separaten Platine dem Controllerboard untergebracht.

Aktive Komponenten auf dem Controllerboard

ESP32-DevKitC

  • ESP32-DevKitC

Wir verwenden das Development board ESP32-DevKitC mit dem ESP32-WROOM-32 von espressif Systems. Das DevKit hat 2*19 Pins
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

  • 3 Stück DAC 2 Click

  • Verbindung DAC Platine

    FOTO FEHLT

  • PIEZO Schraubklemme

Die drei 16-bit Digital Analog Konverter DAC 2 Click von MIKROE dienen der Erzeugung der X, Y und Z Spannungen zur Ansteuerung des Piezos.
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 im Bild oben.
Da die DACs allein nicht in der Lage sind, die nötigen Spannungen bis zu +-15 Volt für die Ansteuerung der Piezos zu erzeugen, müssen die Spannungen noch verstärkt werden.
Die Spannungsverstärkung erledigen die Operationsverstärker TL072.
Die drei DAC 2 Click werden nicht auf die Platine gelötet, sondern in Buchsenleisten gesteckt.
Die Ausgangsspannungen der DACs werden von den orangen DAC VOUT Ausgängen auf die einpoligen Controllerboard Pins DAC_X, DAC_Y und DAC_Z geführt.
Die Verbindung vom Controllerboard zum Piezo erfolgt über die 5 polige PIEZO Schraubklemme.

TL072 Operationsverstärker

  • 2*TL072 mit jeweils 2 Operationsverstärkern

Zur Aufbereitung der Spannungen aus den drei DACs benutzen wir vier Operationsverstärker. Diese sind in den zwei Doppel-Operationsverstärker TL072 enthaltem.
Die vier Operationsverstärker erfüllen zwei Aufgaben

  • Addition und Subtraktion der Spannungen aus den DACs so, dass für jedes der vier Segmente am Piezo ein Signal erzeugt wird
  • Verstärkung der vier berechneten Spannungen auf +- 15 Volt
 Z+X
 Z-X
 Z+Y
 Z-X

ADC 8 Click Analog Digital Converter

  • ADC 8 Click

  • FOTO ADC BOARD

    FEHLT Verbindung ADC 8 Click - Controllerboard

  • Verbindung opamp TUNNEL IN

Wir verwenden zur Messung der Spannung aus dem Tunnelstrom-Vorverstärker einen 16 Bit Analog Digital Wandler, den ADC 8 Click von MIKROE.
Das Messignal aus dem Operationsverstärker wird über die 2 fach Schraubklemme TUNNEL_IN auf das Controllerboard geführt.
Die Verbindung vom Controllerboard zum ADC 8 click erfolgt über den 2fach Stehpfosten J110 TO ADC. TUN geht in den orangen A3 Eingang, GND geht auf das Ground Symbol des ADC 8 click. 

Wichtig: Nie den Operationsverstärker Ausgang direkt and den ADC 8 Click Eingang legen.
Immer den Operationsverstärker an den durch einen Spannungsteiler geschützen Eingang TUNNEL IN am Controllerboard schliessen.
Der ADC 8 click ist empfindlich gegen Überspannung am Messeingang. Bei Überspannung droht Zerstörung.

Der ADC 8 Click wird nicht auf die Platine gelötet, sondern in Buchsenleisten gesteckt.

USB to TTL Converter

  • USB to TTL Converter

  • USB Pfostenleiste

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 an die 4 polige USB Pfostenleiste am Controllerboard gesteckt . 

Wichtig. Der USB to TTL Adapter muss mindestens einen PL2303 in der Version TA enthalten. Der alte PL2303 HXA ist nicht unter Windows 10, 11 .. verwendbar und zu langsam. Lieferquelle z.B. Reichelt USB to TTL Adapter

Über diese USB Schnittstelle wird auch die Control Elektronic mit 5 Volt aus dem PC versorgt.

Bauanleitung Controllerboard

  • Schaltplan

Entwicklung mit KiCad. Schaltplan und Layout

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 KiCad Project
Schaltplan, Layout und 3D Ansicht im .png Format sind im Verzeichnis Plots zu finden. Github Plots

Bestellung Controllerboard

Für die Bestellung des 10*10 cm grossen PCB bei einem Leiterplattenhersteller werden die Layoutdaten aus dem Github Folder Production heruntergeladen und an den Lieferanten geschickt. Ein Lieferant ist zum Beispiel Fischer pcb-supermarkt

Bestückung Controllerboard

  • 3D Ansicht Controllerboard

  • Bestückdruck

  • Silkscreen Fmask.png

Bestückungspläne sind im Verzeichnis Plots zu finden. Github Plots

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