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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Übersicht Elektronik Komponenten:<br>
 
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Computer - Control Electronic - Mikroskop mit Piezzo, Scankopf und Messverstärker
 
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= Control Elektronik - Nachbaus =
 
 
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AdapterboardPCB.png|Adapterboard
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3D_mounted_components.PNG|Controller mit aktiven Komponenten
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AdapterboardPCB_mounted.png|Adapterboard bestückt mit ESP ADC und DAC
 
 
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== Control Electronic PCB Herstellung ==
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Die '''Control Electronic''' ist auf der separaten Platine dem '''Controllerboard''' untergebracht.<br>
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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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== Aktive Komponenten auf dem Controllerboard==
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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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Das KiCad Projekt liegt auf [https://github.com/PeterDirnhofer/500-rtm-kicad-controllerboard.git '''LINK KICAD'''.]
 
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Für die Fertigung des PCB werden die Layoutdaten im Github Folder 'Production' an einen Leiterplattenhersteller geschickt.
 
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== Aktive Komponenten auf der Control Electronic<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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Wir verwenden das Development board ESP32-DevKitC von espressif Systems.<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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Bevor wir den ESP32 verwenden können, muss er programmiert werden. Die Programmierung des ESP32 ist beschrieben in [[Programmierung ESP32]].<br>
 
 
Das ESP32-DevKitC wird nicht auf die Platine gelötet, sondern in Buchsenleisten gesteckt<br>
 
Das ESP32-DevKitC wird nicht auf die Platine gelötet, sondern in Buchsenleisten gesteckt<br>
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=== Digital Analog Converter DAC 2 Click ===
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=== DAC 2 Click Digital Analog Converter ===
 
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DAC 2click mit Lötbrücken.png|DAC mit Lötbrücken. Klicken zum Vergrössern
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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>
 +
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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=== TL072 Operationsverstärker ===
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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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Die DACs werden mit 5 Volt und der internen Referenzspannug 4,096 Volt betrieben.
 
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Entsprechend werden die Lötbrücken bzw. 0 Ohm Widerstände auf den DAC boards gesetzt. Siehe Rote Pfeile<br>
 
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Das 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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=== Operationsverstärker TL072 ===
 
 
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tl072.png|2 x TL072
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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>
 +
* 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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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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=== ADC 8 Click Analog Digital Converter ===
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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>
 
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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.png|MIKROE ADC8 click
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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 MIKROE ADC 8 Click.<br>
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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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Als Messeingänge verwenden wir GND und A3.<br>
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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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Der ADC 8 Click wird nicht auf die Platine gelötet, sondern in Buchsenleisten gesteckt.  
+
<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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'''Vorsicht! Zerstörung des ADC bei Überspannung'''<br>
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Der ADC 8 Click wird nicht auf die Platine gelötet, sondern in Buchsenleisten gesteckt.
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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> ===
 
=== USB to TTL Converter<br> ===
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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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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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USB TTL.png|USB to TTL Converter
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Schaltplan_Adapterboard.png|Schaltplan
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USB_Pin_Belegung.png|USB Buchsenleiste Pinbelegung
 
 
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=== Entwicklung mit KiCad. Schaltplan und Layout ===
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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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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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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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=== Bestellung Controllerboard ===
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Der USB to TTL Adapter wird senkrecht in die USB Buchsenleiste gesteckt. <br>
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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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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 - Nachbau =
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=== Bestückung Controllerboard ===
 
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Tunneling-Amp.png|prreamp Vorverstärker
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Adapterboard_empty.png|3D Ansicht Controllerboard
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FFab_Fmask.png|Bestückdruck
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Silkscreen_Fmask.png
 
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Der Operationsverstärker preamp hat die Funktion, die winzigen Tunnelströme im nA Bereich (Nanoampere) in eine vom DAC verwertbare Spannung umzuwandeln.
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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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Die Schaltung wurde auf Basis des Tunneling-Amp von jherkenhofhttps://github.com/jherkenhoff/STM entwickelt.
 
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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.
 
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Eine Abschirmung schützt die empfindlichen Komponenten vor dem Netzbrumm.
 
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Das KiCad Projekt liegt auf t '''LINK KICAD'''.]
 
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Für die Fertigung des PCB werden die Layoutdaten im Github Folder 'Production' an einen Leiterplattenhersteller geschickt.
 
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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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