Nachbau Control Electronic: Unterschied zwischen den Versionen

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(Control Elektronik - Adapterplatine mit ESP32)
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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.png|250px|Adapter Board|thumb]]
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[[Datei:AdapterboardPCB_mounted.png|250px|Adapter Board mit ESP32 und ADC DACs|thumb]]<br>
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AdapterboardPCB.png|Adapterboard
Die '''Control Electronic''' ist auf der separaten Platine 'AdapterBoard' untergebracht. Die Control Electronic führt die eigentliche Steuerung des Mikroskops durch. Die Control Electronic enthält die aktiven Komponenten
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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 ==
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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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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/500-rtm-kicad-controllerboard.git Github 500-rtm-kicad-controllerboard]
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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]
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== Aktive Komponenten auf der Control Electronic ==
 
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ESP32-DevKitC.png|ESP32-DevKitC
 
ESP32-DevKitC.png|ESP32-DevKitC
mikroe ADC8 click.png|mikroe ADC8 click
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DAC 2click mit Lötbrücken.png|DAC 2 Click mit Lötbrücken
mikroe DAC 2 click.png|3 x mikroe DAC 2 click
 
 
tl072.png|2 x TL072
 
tl072.png|2 x TL072
USB TTL.png|USB converter
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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. <br>
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=== ESP32-DevKitC ===
Auf dem ESP32 läuft das C++ Programm zur Steuerung des Mikroskops. Wir verwenden das Entwicklungsboard ESP32-DevKit Version C mit 30 pin.<br>
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Wir verwenden das Development board '''ESP32-DevKitC''' von espressif Systems.<br>
Die Programmierung des ESP32  
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Bevor wir den ESP32 verwenden können, muss er programmiert werden. Die Programmierung des ESP32 ist beschrieben in [[Programmierung ESP32]].<br>
* 3 Digital Analog Converter '''DAC X,Y,Z'''. Die Ausgänge X Y und Z werden Spannungs-verstärkt und steuern den Piezo für die Position der Messspitze an
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Das ESP32-DevKitC wird nicht auf die Platine gelötet, sondern in Buchsenleisten gesteckt<br>
* Analog Digital Converter. Der '''ADC''' misst die Spannung, die vom Strom-Spannungswandler preamp erzeugt wird. Der ADC Wert ist somit das Mass für den Tunnelstrom.
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'''Hinweis: Alle aktiven komponenten werden nicht direkt eingelötet sondern gesockelt. Für die beiden Operationsverstärker verwenden wir IC Sockel. Die Steckboards werden in Sockelleisten gesteckt'''
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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.
  
= Preamp Vorverstärker =
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=== TL072 Operationsverstärker  ===
[[Datei:Preamp.png|250px|thumb|SMD Preamp]]<br>
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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>  
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Wir löten die beiden TL072 nicht direkt ein. sondern verwenden IC Sockel.
  
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>
+
===  ADC 8 Click Analog Digital Converter===
Zum Löten der SMD Bauteile die dringende Empfehlung:<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.<br>
- Dünnes Lötzinn verwenden (0,5 mm)<br>
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Als Messeingänge verwenden wir GND und A3.<br>
- Lötflussmittel<br>
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Der ADC 8 Click wird nicht auf die Platine gelötet, sondern in Buchsenleisten gesteckt.  
- 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.