# AP2 Schaltplan :copyright:


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#### **Spannungsversorgung Arduino :electric_plug:**
- **X5:** Über Hohlsteckerbuchse 12V/1A Netzteil
- **F1:** Sicherung; **R25 & P5:** LED leuchtet, wenn Sicherung defekt
- **R33:** Überspannungsschutzdiode (wird bei kurzzeitigen Spannungsimpulsen über 18V leitend, z.B. bei Blitzeinschlägen, Schaltvorgänge im Netz)
- **C12/C15:** Glättung/Siebung der Eingangsspannung, Spannungseinbrüche (niederfrequente Störungen)
- **C13/C14:** Ableiten von Spannungsspitzen (hochfrequente Störungen)
- **T5:** LM317 1,25V, mittels Spannungsteiler aus R35, R36, R37 einstellbar zwischen 6,3V und 9,3V, hier eingestellt auf 7,8V
- $V_{OUT} = 1,25V \cdot (1+\frac{R2}{R1})+I_{ADJ}\cdot R_{2}$
- $I_{ADJ} = 0,2µA$
- **R34:** Schutzdiode, leitet den ggf. beim Abschalten auftretenden Rückwärtsstrom am LM317 vorbei und verhindert, dass die Ausgangsspannung höher wird als die Eingangsspannung, und schützt beim Abschalten vor zu hohen Spannungen am Ausgang
- **R40 & P6:** zeigt an, ob Betriebsspannung anliegt

**Spannungsversorgung Arduino:** Über die Hohlsteckerbuchse X5 wird ein 12 V / 1 A Netzteil angeschlossen. Wenn 0,4 A überschritten werden, löst die Sicherung F1 aus. Bei einer ausgelösten Sicherung leuchtet die LED P5. Bei kurzzeitigen Spannungsimpulsen (z.B. Blitzeinschläge, Schaltvorgänge im Netz)von über 18V wird die TVS-Diode R33 leitend, sodass sie als Überspannungsschutz dient. C12 und C15 glätten die Spannung bei Spannungseinbrüchen und niederfrequenten Störungen. C13 und C14 leiten Spannungsspitzen und hochfrequenten Störungen ab. T5 erzeugt an seinem Ausgang eine Spannung von 1,25 V, mit dem Spannungsteiler aus R35, R36 und R37 lässt sich die Spannung VIN einstellen von 6,3 - 9,3 V ($V_{OUT} = 1,25V \cdot (1+\frac{R2}{R1})+I_{ADJ}\cdot R_{2}$). In der Inbetriebnahme wurde sie auf 7,8 V eingestellt. Die Schutzdiode R34 leitet den ggf. beim Abschalten auftretenden Rückwärtsstrom am T5 vorbei und verhindert, dass die Ausgangsspannung höher wird als die Eingangsspannung, und somit schützt sie beim Abschalten vor zu hohen Spannungen am Ausgang vom T5. P6 zeigt an, wenn der Jumper XJ1 gesteckt ist, dass VIN anliegt.

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#### **DC/DC-Wandler / Ladungspumpe :battery:**
- S1 und S3 sind geschlossen: C3 wird aufgeladen auf **5V**
- S1 und S3 werden geöffnet, S2 und S4 werden geschlossen
- Ladung von C3 wird nach unten gezogen, da die Bezugspunkte neu sind (oberer Bezugspunkt auf 0V, Ladung bleibt erhalten, daher -5V)
- $V_{OUT} = -5V$
- **C4** wird von C3 auf -5V geladen
- **C6** zum Glätten
- **R21, R22, R23, R24** für Offsetabgleich (0V Eingangsspannung = 0V Ausgangsspannung)

**DC/DC-Wandler / Ladungspumpe:** Der Kondensator C3 wird intern an 5 V und an GND angeschlossen, sodass C3 sich auf 5 V auflädt. Danach wird C3 intern umgeschaltet, sodass sein oberer Bezugspunkt nun nicht mehr 5 V sondern GND ist. Die Ladung von C3 bleibt erhalten, sodass wir nun -5 V haben. Mit den -5 V wird C4 aufgeladen, und wir erhalten am Ausgangs $V_{OUT}$ eine Spannung von -5 V. C6 glättet die Spannung nochmal. Über R22 und R24 wird der Offset für die Operationsverstärker K3 und K4 eingestellt.
(Offsetabgleich: $U_e = 0 V = U_a$)

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#### **Versorgungsspannung für die ICs :electric_plug:**
- +-5V / 0V und 5V
- **Abblockkondensatoren:** Glätten die Versorgungsspannung der ICs, da sie bei Schaltvorgängen impulsartig einbricht (weil mehr Strom gezogen wird), daher auch nah am IC, um den Strom aus den Kondensatoren zu ziehen

**Versorgungsspannung für die ICs:** Die ICs werden teilweise mit 5 V und 0 V betrieben (K1 und K5), und teilweise mit +-5V (K2-K4). Alle von ihnen haben Abblockkondensatoren an ihrer Versorgungsspannung. Sie dienen dazu, die impulsartigen Spannungseinbrüche der Versorgungsspannung zu glätten, die entstehen, wenn das IC schaltet. Sie müssen so nah wie möglich am IC sein, um dynamische Spannungsabfälle gering zu halten (Leiterbahnen verhalten sich wie Induktivitäten und bei hohen Frequenzen weisen diese dann einen hohen Widerstand auf, an dem mehr abfällt).

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#### **Arduino Spannungen :level_slider:**
- **C10:** Glättung/Siebung der Eingangsspannung, Spannungseinbrüche (niederfrequente Störungen)
- **C11:** Ableiten von Spannungsspitzen (hochfrequente Störungen)

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#### **Serielle Schnittstelle Arduino :computer:**
- Serieller Monitor vom Arduino rausgeführt

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#### **Schnittstelle Arduino und LCD :pager:**
- Datenleitungen zwischen Arduino und LCD
- LCD Versorgungsspannung

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#### **Konstantstromquelle :bulb:**

- $U_{R27}$ steigt durch Laständerung
- $U_{MP12}$ sinkt, dadurch Basis von K7 negativer als der Emitter
- K7 öffnet (mehr) (wenn $U_{R27} > 0,7V$ ist)
- $U_{MP11}$ steigt, wodurch die Basis von K8 weniger negativ als der Emitter ist
- K8 schließt (mehr)
- I und U gehen auf die anfänglichen Werte zurück
- $I_{R27}$ = 18 mA (es fallen nur 0,7 V über R27 ab, weil parallel zu K7)

**Konstantstromquelle:** Angenommen $U_{R27}$ steigt durch eine Laständerung (an X7:15 und X7:16), dann sinkt die Spannung an $U_{MP12}$. Dadurch ist die Spannung an der Basis von K7 negativer als der Emitter, und wenn $U_{R27} > 0,7V$ ist, dann öffnet sich K7 (mehr). Dadurch erhöht sich die Spannung an MP11, sodass die Basis von K8 weniger negativ als der Emitter ist. K8 schließt daraufhin (mehr). Durch das Schließen regeln sich U und I auf die anfänglichen Werte zurück.
Der Strom durch R27 beträgt 18 mA, da über R27 0,7 V abfallen durch die Parallelschaltung zur Emitter-Basis-Strecke von K7.

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#### **Taster :trackball:**
- **R32/R39:** Pull-Up-Widerstand, definiertes High-Signal im Ruhezustand (low-aktiv)
- **C22/C23:** Entprellen der Taster durch Tiefpass
- Durch den Kondensator kann sich beim Prellen des Tasters die Spannung nicht mehr sprunghaft ändern (Auf- & Entladen). Dadurch werden die Schaltschwellen (Hysterese) zum Wechseln der Zustände nicht erreicht.

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#### **Referenzspannungsquelle ADC :control_knobs:**
- **R28:** 2,5V
- **R29/R30/R31:** Referenzspannung einstellen
- hier auf 2,048V eingestellt
- $2^{10}$-Bit-ADC, eine Auflösung von 2mV/Bit
- sukzessive Approximation (s.u.)

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#### **Widerstandsmessung :triangular_ruler:**
- **R1:** Referenzspannungsquelle 1,235V
- über Spannungsteiler R2, R3, R4, R5 auf **100mV** eingestellt
- **K2.1:** Impedanzwandler, um bei der Messung der Widerstände die Referenzspannung nicht zu belasten, sodass sie konstant bleibt bei jeder Messung (damit die unterschiedlichen nachgeschalteten Widerstände die Referenzspannung nicht unterschiedlich belasten)
- Referenzspannung liegt an den **Optokopplern T1-T4** an
- Je nachdem, in welchem Messbereich sich der zu messende Widerstand befindet, wird der jeweilige Optokoppler durch K1-YX auf LOW durchgeschaltet
- K1: **Demultiplexer / BCD-Wandler**, 3 zu 8, Arduino Leitungen rein
- Referenzspannung liegt an R10/R11, R12, R13 oder R14 an und bildet mit dem zu messenden Widerstand RX die **Verstärkung für K3.1**
- mit **K4.1** wird die Spannung nochmal x3 verstärkt
- durch Spannungsteiler R17 und R38 wird die Spannung $:3 \cdot 2$ genommen ($\cdot 2$, wegen der 2,048 V AREF-Spannung)
- auf ADC von Arduino, der den Analogwert verrechnet und entsprechend am LCD ausgibt

**Widerstandsmessung**: Mithilfe von R4 wird die Referenzspannung auf 100 mV eingestellt. Der Impedanzwadler K2 ist dafür da, die Referenzspannungsquelle nicht zu belasten, wenn unterschiedliche Messbereiche und Widerstände ausgewählt werden. Die Referenzspannung liegt an T1-T4 an. Je nachdem, wie groß der Widerstand ist, der gemessen wird, wird ein Messbereich ausgewählt, also ein Optokoppler durchgeschaltet. Dies geschieht über K1, Demultiplexer/3-zu-8-BCD-Wandler: Je nachdem, wie die 3 Datenleitungen geschaltet sind, wird ein Ausgang durchgeschaltet. Der zu messende Widerstand RX1 und R10/R11, R12, R13 oder R14 bilden die Verstärkung am K3 für die Referenzspannung von 100 mV. Am K4 wird die Spannung verdreifacht. Nach dem Spannungsteiler R17 und R38 haben wir noch $\frac{2}{3}$ der Spannung übrig, um einen entsprechenden Wert für den ADC (2,048 V Referenzspannung) zu erhalten (kommt sonst mit der Rechnung nicht hin, vereinfacht diese). Diese geht dann auf den ADC des Arduinos und sie wird umgerechnet und auf dem LCD ausgegeben.

| A | B | C | Y |
| - | - | - | - |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 2 |
| 1 | 1 | 0 | 3 |
| 0 | 0 | 1 | 4 |
| 1 | 0 | 1 | 5 |
| 0 | 1 | 1 | 6 |
| 1 | 1 | 1 | 7 |

$U_{ADO} = U_e \cdot \frac{R_X}{R_1} \cdot 2$

$AW_R (Analogwert R_X)= \frac{U_e \cdot \frac{R_X}{R_1} \cdot 2}{0,002V}$

Messbereich 1: < 10 kΩ
$AW_R \cdot 10 = XΩ$
Messbereich 2: 10 kΩ - 100 kΩ
$AW_R : 10 = XkΩ$
Messbereich 3: 100 kΩ - 1 MΩ
$AW_R : 1 = XkΩ$
Messbereich 4: 1 MΩ - 10,23 MΩ (1024 Schritte)
$AW_R : 100 = XMΩ$

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#### **VCO: Frequenz :chart_with_upwards_trend:**
- Voltage Controlled Oscillator
- vorher verstärkt, damit die Spannung am VCO groß genug ist
- bei bestimmten Spannungen bestimmte Frequenz an MP8: Je höher der Widerstand, desto mehr Spannung liegt an, desto höher ist die Frequenz

$U_{VIN} = U_e \cdot \frac{R_X}{R_1} \cdot 3$

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#### **Lochrasterteil :sunglasses:**
- zwei Kondensatoren zum **Glätten**
- **Schutzdiode**, leitet den ggf. beim Abschalten auftretenden Rückwärtsstrom am LM317 vorbei und verhindert, dass die Ausgangsspannung höher wird als die Eingangsspannung, und schützt beim Abschalten vor zu hohen Spannungen am Ausgang
- Spannungsteiler am Ausgang vom LM317, um **3V** für den Vibro einzustellen
- Vibro über eigene Spannung und Transistor gesteuert, weil er 80mA benötigt, und ein Arduino nur 20mA pro Ausgang liefern kann
- **Transistor** vom Arduino gesteuert mit **Basisvorwiderstand**
- **Freilaufdiode:** reduziert die bei der Abschaltung der Motorinduktivitäten auftretenden Spannungsspitzen

**Lochrasterteil**: Der Lochrasterteil dient dazu, den Messbereich an einem Vibrationsmotor auszugeben (1x vibrieren für Messbereich 1, usw). Über einen LM317 und Spannungsteiler machen wir uns 3 V für den Vibrationsmotor. Der LM317 hat eine Schutzdiode parallel geschaltet, die den LM317 vor beim Abschalten auftretenden Rückwärtsstrom schützt und verhindert, dass die Ausgangsspannung höher wird als die Eingangsspannung. Zwei Kondensatoren sind zum Glätten der Spannung für den LM317 da. Die 3 V dienen dem Vibrationsmotor als Nennspannung. Eine Arduino-Datenleitung steuert über einen Basisvorwiderstand einen Transistor. Der Vibrationsmotor wird nicht direkt von dem Arduino gesteuert, weil er 80 mA benötigt und der Arduino nur 20 mA liefert. Parallel zu dem Vibrationsmotor haben wir eine Freilaufdiode geschaltet, die die bei der Abschaltung der Motorinduktivitäten auftretenden Spannungsspitzen reduzieren.

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#### **Arduino UNO ADC: Sukzessive Approximation :bar_chart:**


Bei jedem Schritt wird die Eingangsspannung $U_{in}$ mit einer Referenzspannung $U_{ref}$ verglichen, die durch einen DA-Wandler erzeugt wird.
Wenn $U_{in}$ größer als $U_{ref}$ ist, wird $U_{ref}$ im nächsten Schritt um die halbe Schrittweite nach oben verändert -> 1. Wenn $U_{in}$ kleiner als $U_{ref}$ ist, wird $U_{ref}$ im nächsten Schritt um die halbe Schrittweite nach unten verändert -> 0.
Dadurch nähert sich die Spannung des DA-Wandlers immer mehr der Eingangsspannung an. Zum Schluss, wenn das letzte Bit des DA-Wandlers gesetzt ist, entspricht der Wert des DACs der Eingangsspannung.


- $U_{ref}$ wird auf die Hälfte der Referenzspannung gesetzt, **1**000
- $U_{ref} = 2,5 V$ und $U_{in} = 3 V$
- $U_{ref} < U_{in}$, also im nächsten Schritt um die halbe Schrittweite nach oben, 1**1**00
- $U_{ref} = 3,75 V$ und $U_{in} = 3 V$
- $U_{ref} > U_{in}$, also im nächsten Schritt um die halbe Schrittweite nach unten, 10**1**0
- $U_{ref} = 3,125V$ und $U_{in} = 3 V$
- $U_{ref} > U_{in}$, also im nächsten Schritt um die halbe Schrittweite nach unten, 100**1**
- $U_{ref} = 2,8125V$ und $U_{in} = 3 V$
- ...