Nachbau Control Electronic
Blockschaltbild: Computer - Control Elektronik - Mikroskop mit Piezzo Scankopf und Messverstärker
Control Elektronik - Adapterplatine mit ESP32
[[Datei:AdapterboardPCB_mounted.png|Adapterboard mit ESP ADC und DAC|150px]
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.
Aktive Komponenten auf der Control Electronik
ESP32-DevKitC
Wir verwenden das Development board ESP32-DevKitC von espressif Systems mit 30 pins.
Die Programmierung des ESP32 ist beschrieben in Programmierung ESP32.
Das Board wird nicht auf die Platine gelötet, sondern in Buchsenleisten gesteckt.
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. Entsprechend werden die Lötbrücken auf den DAC boards gesetzt.
Operationsverstärker TL072
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)
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.
Analog Digital Converter
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.
Vorsicht! Erfahrungswert
Der ADC ist empfindlich gegen Überspannung oder Verpolung am Mess-Eingang. Immer den Eingang über den Spannungsteiler und die Verpolschutz Diode beschalten.
USB Converter
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
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.
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
