Projekte des Wintersemesters 2023

Allgemeiner Verlauf

Aufgrund der Umstellung des EDA-Tools von eagle auf KiCAD kann ich die Kombination aus Elektronik-Labor (Elektronik-Entwicklung) und Mikrocontroller (Software-Entwicklung) dieses Semester nicht als eigen-initiatives Projekt mit dem Ziel einer fertigen Mikrocontroller-Elektronik anbieten.

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Semesterablauf

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Legende

Pflichtveranstaltungen sind mit fetter Schrift gekennzeichnet.

Abgabetermine

13.10.2023 - spätester Termin für das Fixieren der Hardware- und Software-Projekt-Idee. Diese sollte vorher bereits mit mir geklärt worden sein. Es zählt der Zeitstempel der Mail.
03.11.2023 - spätester Termin für die Abgabe der finalen Schaltungsentwicklung (*.sch und *brd) über Redmine. Es zählt der Zeitstempel des Servers.
24.11.2023 - spätester Termin für die Abgabe des finalen Boardentwicklung (*.sch und *.brd) über Redmine. Es zählt der Zeitstempel des Servers.
16.01.2024 - Termin für Präsentation
26.01.2024 - spätester Termin für die Abgabe der Software und der Doku (*.simu, *.h und *.c, ggf. kurzer Kommentar in txt-File) über Redmine. Es zählt der Zeitstempel des Servers.

Vorgaben - Elektronik Labor

Ziel ist, dass Sie im Elektronik-Labor die Entwicklung von Elektronik lernen. Dazu werden Sie in diesem Semester in Gruppenarbeit OP-Grundschaltungen und Filterschaltungen (siehe Projekte) entwickeln. Die praktische Arbeit umfasst folgende Punkte:

Konzeption und Auslegung von Schaltungen
1. Sofern keine genaue Anwendung gegeben ist, kann eine solche gesucht und zur weiteren Auslegung verwendet werden (nach Rücksprache sind auch die gegebenen Parameter veränderbar).
2. Simulation in Falstad oder Tina TI
3. Analyse der notwendigen Datenblätter
  1. Größen und Position von weiteren Komponenten
4. Komponentenauslegung
  1. alle Passivkomponenten als SMD (vorzugsweise Größe 0603)
  2. auch ICs in SMD (mit „Beinchen“, z.B. …QFP, …SOP aber keine Grid Arrays, d.h. …GA)
  3. Widerstands-Reihe: E24, Kondensator-Reihe: E12
  4. Aufbau diskret (also mit einzelnen Operationsverstärkern).
  5. Darstellung von kaufbaren IC's, welche die Funktion erfüllen erwünscht.
  6. Neben den Operationsverstärkern können Transistoren oder Kondensatoren zu verwenden und auszulegen sein.
  7. Für digital veränderbare Widerstände sind switched-Capacitor Widerstände oder Digitalpotis ansteuerbar über I2C-PWM-IC zu wählen.
Entwicklung einer Schaltung und eines Layouts in kiCAD
mit den Randbedingungen
1. Basis ist Mexle 2020-System.
2. Hookups auf Basis des Basis-Hookups, separaten Platinen auf Basis der MMC 1x1 328PB Platine.
3. Spannungsniveau auf VCC ist $3,3 ~\rm V$. Wird eine andere Spannung benötigt, muss ein Spannungswandler (z.B. Ladungspumpe, LDO) oder (für mehr Leistung) eine weitere Schaubklemme vorgesehen werden!
4. Belegung und Position von K1, K2 und JP sind vorgegeben.
5. bitte helfen Sie einander, sodass der Aufwand gleichmäßig verteilt wird.
6. Randbedingung für Zweiergruppen ist, ein Hookup zu entwickeln
Dokumentation der Ergebnisse im Wiki. Ihre jeweilige Wikiseite erreichen Sie mittels des Links in der Tabelle (bei Projekt-Nr.).
Je nach Thema können folgende Punkte sinnvoll sein:
1. Erklärung von Auslegung und Layoutvorgaben
2. Begründung der Bauteilauswahl
3. Darstellung von Anwendungsgebieten und ggf. typische Spannungsverläufe
4. Bodediagramm
5. Gruppendelay
6. Sprungantwort
7. Darstellung des Ausgangssignals, je für PWM mit 50Hz, 100Hz, 500Hz, 1kHz, 7kHz, 10kHz, 40kHz, 50kHz

Hinweise zu Tina

Eine Einführung zu Tina ist hier im Wiki zu finden
Die Diagramme zu Amplitudengang, Frequenzgang und Gruppendelay können über Analysis » AC Analysis » AC Transfer Characteristic erstellt werden.
Achten Sie darauf, dass es sich um in der Frequenz logarithmische Diagramme handelt.
Wählen Sie die Achsenbeschriftung geeignet (z.B. Schritte in $20 ~\rm dB$, $90°$ und Dekaden).
Sofern es in bei der Aufgabenstellung Angaben zur Werten im Bode-Diagramm gab, sollten diese eingezeichnet werden.

Vorgaben - Microcontroller

Allgemeine Randbedingungen
1. Programmiersprache ist C bzw. C++ (Arduino ist nicht möglich)
2. Die Delay-Funktion darf nicht für die Zeit-Synchronisation im Millisekunden-Bereich genutzt werden!
  Es ist eine Einteilung in Takte (10ms, 100ms, etc.) zu verwenden.
3. Eine übergeordnete Gesamtidee ist zu entwickeln, z.B. ein Computerspiel oder ein Sensor- / Aktorsystem
4. Generell fällt es mir leichter eine gute Note zu geben, wenn mehr Funktionalität umgesetzt ist (als Hausnummer gelten 300 selbst entwickelte Codezeilen, pro Gruppenmitglied)
5. Beachten Sie die Infos unter Tipps für Programmierung, insbesondere die Vorgaben für die Programmierung!
6. Nutzen Sie die vorhandenen, seriellen Schnittstellen

Für die Vorträge finden Sie hier weitere Tipps

Projekte für 2er Gruppen

Filter

Im folgenden werden sehr hohe Filterordnungen gesucht. Diese werden z.B. dazu genutzt Unterabtastung durch einen Aliasingfilter zu vermeiden. Details dazu sollten im kommenden Semester in Messtechnik auf Sie zu kommen. Zur Filterauswahl können z.B. folgende Tools genutzt werden:

WEBENCH Power Designer von Texas Instruments
Analog Filter Wizard von Analog Devices
weitere Tools sind erlaubt, sollten aber angegeben werden

Nr	Filtertyp	Verstärkung im Durchlassbereich	Grenzfrequenz(en)	Filterordnung	Topologie	Weitere Randbedingungen (RB)
1	Tiefpass	$20~\rm dB$	$2~\rm kHz$	siehe RB	siehe RB	Frequenzen größer als 4kHz sollen weniger als $0,1~\rm \%$ in das Ausgangssignal eingehen, geringe Komponentenanzahl, Mexle-Hookup, Ausgangsfilter
2	Tiefpass	$10 ~\rm dB$	$1~\rm kHz$	siehe RB	siehe RB	Frequenzen größer als 4kHz sollen weniger als $0,1~\rm \%$ in das Ausgangssignal eingehen, geringe Komponentenanzahl, Mexle-Hookup, Ausgangsfilter
3	Hochpass	Faktor 3	$100~\rm Hz$	siehe RB	siehe RB	Akustikfilter: d.h. möglichst geringe Verzerrung und Vermeidung von Überschwingern, $<-23~\rm dB$ bei $40~\rm Hz$, Mexle-Hookup, Eingangsfilter auf ADC
4	Hochpass	$10~\rm dB$	$1~\rm kHz$	siehe RB	siehe RB	Akustikfilter: d.h. möglichst geringe Verzerrung und Vermeidung von Überschwingern, $<-23~\rm dB$ bei $40~\rm Hz$, separates Mexle-Modul, Eingangsfilter auf ADC
5	Bandpass	$40~\rm dB$	$30~\rm kHz$, $50 ~\rm kHz$	siehe RB	siehe RB	maximal flacher Verlauf im Durchlassbereich (ohne Welligkeit), Stoppband: bei $>120~\rm kHz$ weniger als $-20 ~\rm dB$ vom urspr. Signal, separates MEXLE Modul, Eingangsfilter auf ADC
6	Bandpass	$20~\rm dB$	$1~\rm kHz$, $5 ~\rm kHz$	siehe RB	siehe RB	maximal flacher Verlauf im Durchlassbereich (ohne Welligkeit), Stoppband: $>6~\rm kHz$ weniger als $-20~\rm dB$, separates MEXLE Modul, Eingangsfilter auf ADC
7	Bandsperre	$20~\rm dB$	$4~\rm kHz$, $10 ~\rm kHz$	siehe RB	siehe RB	Topologie für nicht isolierte Widerstände, kein Überschwingen erlaubt, bei $6~\rm kHz...7~\rm kHz$ soll das Ausgangssignal mindestens um $-20~\rm dB$ abgeschwächt sein, separates MEXLE Modul, Eingangsfilter auf ADC
8	Bandsperre	$30~\rm dB$	$4~\rm kHz$, $10 ~\rm kHz$	siehe RB	siehe RB	Topologie für nicht isolierte Widerstände, kein Überschwingen erlaubt, bei $6~\rm kHz...7~\rm kHz$ soll das Ausgangssignal mindestens um $-10~\rm dB$ abgeschwächt sein, separates MEXLE Modul, Eingangsfilter auf ADC
9	Allpass	-	siehe RB	siehe RB	siehe RB	Die Teilfrequenzen eines Signals bis zu $1~\rm kHz$ sollen um $2~\rm ms$ verschoben werden, Eingangsfilter auf ADC
10	Allpass	-	siehe RB	siehe RB	siehe RB	Die Teilfrequenzen eines Signals bis zu $100~\rm Hz$ sollen um $3~\rm ms$ verschoben werden, Eingangsfilter auf ADC
11	Tiefpass	Faktor 20	$10..50 ~\rm kHz$	3.	Sallen-Key	variable Freq., einstellbar über programmierbare(n) Widerstand/Widerstände, Eingangsfilter auf ADC

Allgemeine OPV Schaltungen

Im folgenden sind Projekte zu weiteren, nicht zwangsläufig filternde Operationsverstärkerschaltungen gegeben

Nr	Schaltungstyp	Weitere Randbedingungen (RB)
15	OPV Multivibrator	Rechtecksignale mit fester Frequenz werden in vielen Anwendungen benötigt. Neben der Erzeugung durch Transistorschaltungen oder dedizierten Timer-Bausteinen bietet der Operationsverstärker-Multivibrator eine Möglichkeit ein solches Referenzsignal relativ einfach zu erzeugen. Entwickeln Sie eine einfache Operationsverstärkerschaltung zur Erzeugung eines bipolaren Rechtecksignals mit $1~\rm kHz$.
16	Summenverstärker mit Offsetkorrektur mit Hilfe einer Spannungsreferenz	Es soll mittels $2,4~\rm V$ Zener-Diode und einen invertierenden Operationsverstärker eine positive und negative Referenzspannung erzeugt werden. Diese soll an einem Summenverstärkter eine Offsetkorrektur nach $+/-1~\rm V$ ermöglichen. Der Summenverstärker soll ein Signal von $+/-3,3~\rm V$ auf $+/- 2~\rm V$ verstärken. Bild
17	Temperaturmessschaltung	Entwickeln Sie eine Temperaturmessschaltung mit einem PTC-Temperatursensor (z.B. KTY81). Die Temperatur soll mithilfe eines Operationsverstärkers in einen Spannungswert ($0$ – $\rm Vcc$) übersetzt werden, welcher dann durch einen ADC im Mikrocontroller eingelesen werden kann (Das Einlesen durch den ADC ist nicht Teil der Aufgabe). Zusätzlich soll bei Überschreiten einer Temperatur von $100~\rm °C$ am Sensor eine rote LED angesteuert werden.

Projekte für 3er Gruppen

Diese Projekte erfordern etwas mehr eigenständigen Entwicklungsaufwand. Die Angaben sind ähnlich definiert wie diese in der Industrie erwartbar wären.

Nr	Projekt	Weitere Randbedingungen
20	Zweistufiger Universalfilter	Ein Universalfilter ermöglicht es ein Signal gleichzeitig mit verschiedenen Filtern zu bearbeiten. In diesem Fall soll es möglich sein zwei Universalfilter hintereinander zu schalten. Einige der Widerstände sollen digital veränderbar sein, damit die Grenzfrequenzen verändert werden können.
21	Auswertung Lithium-Ionen-Batterien	Entwickeln Sie für die Produktion von LiFePO4 Batterien eine Test-Elektronik, mit den Randbedingungen: 5V-Versorgung der Elektronik, Test sollte trotz Verpolung möglich sein, Batterie-SOC soll nach einem Datenblatt über die Quellspannung möglichst genau gemessen werden.
22	Auswertung Kontaktwiderstand von Schaltern	Entwickeln Sie für die Dauerlauferprobung von Relais eine Auswertung des Kontaktwiderstands. Dazu soll eine Konstantstromquelle auf Basis eines Operationsverstärker benutzt werden, welche zwei unterschiedliche Ströme ermöglicht (2A, 0,02A). Zusätzlich soll eine Auswerteelektronik die vorhandene Spannungen auf 0..5V abbilden (Bereich des Kontaktwiderstands für Relais sind im Netz zu suchen).
23	Auswertung von EEG, EKG Signalen	Bei EEG, EKG Signalen kommen geringe Spannungen mit niedrigen Frequenzen zusammen und erfordern eine besondere Elektronik. Entwickeln Sie einen Chopper-Verstärker, der solche Signale vorverarbeiten kann.
24	PWM-Leistungsstufe für DC-Motoren	Ergänzend zum Dreieck-Rechteck-Generator soll eine Leistungsstufe aus dem ET1-Labor (V5) teilweise nachgebaut werden. Suchen sie sich dazu einen passenden FET anstelle des Darlingtontransistors heraus. Beachten sie hierbei die maximale Verlustleistung des Transistors. Fügen sie zur Kontrolle LEDs ein, die es erlauben die Funktion der Leistungsstufe zu überwachen. Suchen sie sich einen passenden Operationsverstärker, der schnell genug ist und einen ausreichend geringen Phasenrand hat, so dass die Schaltung bei $+/-3,3~\rm V$ funktioniert. Berechnen sie die Schaltung für eine Basisfrequenz von $20~\rm kHz$. Der DC-Motor hat eine maximale Leistungsaufnahme von $1 ~\rm W$ und wird über eine separate Klemme mit $12 ~\rm V$ versorgt. Bild

Ablauf der Präsentationen

Bitte lesen Sie zur Vorbereitung auf Ihren Vortrag die Tipps zu Präsentationen durch.
Die Präsentationen am 16.01 und 18.01 finden wie folgt statt:

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