Controller Board

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

Control Elektronik - Nachbau

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  Adapterboard

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  Adapterboard bestückt mit ESP ADC und DAC

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  Schaltplan

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. [1]

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

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  ESP32-DevKitC

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  DAC 2 Click mit Lötbrücken

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  ADC 8 Click

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  TL072 mit 2 OPs

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  Piezo Schraubklemme

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  USB to TTL Converter

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  USB Pfostenleiste

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

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 Pins DAC_X, DAC_Y und DAC_Z geführt.
Die Verbindung zum Piezo erfolgt über die 5 polige PIEZO Schraubklemme.

TL072 Operationsverstärker

Zur Aufbereitung der Spannungen aus den drei DACs benutzen wir vier Operationsverstärker. Diese sind in den zwei Doppel-Operationsverstärker TL072 enthaltem.
Die 4 Operationsverstärker erfüllen zwei Aufgaben

• Verstärkung der Spannungen aus den DACs auf +- 15 Volt
• Addition und Subtraktion der Spannungen so, dass für jedes der vier Segmente am Piezo Signale erzeugt werden
  

 Z+X
 Z-X
 Z+Y
 Z-X

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. Also bei einer Versorgungsspannung VDD = 3.3 Volt maximal 3.6 Volt am Eingang.

 Wichtig: Nie den Operationsverstärker Ausgang direkt and den ADC 8 Click Eingang legen. Immer einen Spannungsteiler vorschalten. 
 Die Adapterplatine bietet den erforderlichen Spannunsteiler. Wir schliessen dazu den Operatiosverstärker am 2 poligen TUNNEL IN Eingang des Adapterboards an, und nicht direkt an den ADC 8 click.

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 an die 4 polige USB Pfostenleiste am Adapterboard gesteckt . Wichtig. Der USB to TTL Adapter muss mindestens einen PL2303 TA anthalten, Der alte PL2303 HXA ist nicht ab Windows 10 verwendbar. Lieferquelle z.B. Reichelt USB to TTL Adapter
Über diese USB Schnittstelle wird auch die Control Elektronik mit 5 Volt aus dem PC versorgt.