1. Evaluation Board. 1.1 Schaltung

Transkript

1 1. Evaluation Board Auf einem gedruckten Layout wird die Hauptschaltung (bestehend aus Prozessor, Anzeigen, Stromversorgung und Programmier-Einrichtung) und die Peripherie aufgebaut. 1.1 Schaltung Dies ist die Hauptschaltung des Evaluation Boards: 1-1

2 Und hier ist der Schaltplan der Peripherie: 1-2

3 Die Hauptschaltung besteht aus drei Teilschaltungen: Die Stromversorgung ist unten links zu sehen. Sie stellt mit Hilfe von zwei Spannungsreglern (7805 und 7808) und einigen Kondensatoren zwei Spannungen zur Verfügung: +5V für die Digitalelektronik, also den Prozessor, die Inverter an der Druckerschnittstelle, und die Peripherie +13V für den Multiplexer-IC und als Programmierspannung für den Prozessor Das Interface zu der Druckerschnittstelle befindet sich oben und wird aus den open-collector Invertern (74ALS05) und einigen Widerständen gebildet. Die Inverter sind dann mit einem Multiplexer (4053) verbunden. Führt Pin 5 des Parallelports einen High-Pegel so werden die Programmierspannung sowie die Data- und Clock-Signale der Programmierschnittstelle zum Prozessor durchgeschaltet. Bei einem Low-Pegel an Pin 5 des Parallelports ist der Prozessor komplett vom Interface getrennt. Der Prozessor selbst ist noch von etwas Peripherie umgeben: Zum einen ist da der Quarz, der mit einen prozessorinternen Verstärker einen Oszillator bildet und den Prozessortakt angibt. Die I/Os des Prozessors sind direkt an eine Pfostenleiste geführt, zusätzlich wird der Zustand jedes Pins über einen Verstärker (IC6 und IC7) an einer Leuchtdiode ausgegeben. Die Peripherie besteht aus fünf Teilschaltungen. Jede Schaltung außer dem RS232 Treiber besitzt ihre eigene enable-leitung. Alle enable-leitungen sind an einem Port (PORTA) des Prozessors angeschlossen. An einem anderen Port (PORTB) hängt ein 4-Bit Datenbus, zwei Steuerleitungen für das LCD und die serielle Schnittstelle. Die einzelnen Teilschaltungen sind (von oben): Der Anschluss eines externen Lautsprechers besteht nur aus einer Klinkenbuchse, und hängt direkt an einem Pin des Prozessors. Die Taster legen, wenn die entsprechende enable-leitung gesetzt ist, ein HighSignal an den Datenbus an. Wenn die enable-leitung gelöscht ist, verhindern die vier Dioden ein Interferieren der Taster mit dem Bus. Das LCD benötigt neben dem 4-Bit Bus noch drei Steuerleitungen: RS, RW und die enable-leitung. Der Analog-Digital Wandler. Der analoge Eingang des Analog-Digital Wandlers kann über eine Jumperleiste entweder mit einem Poti (R16) oder mit einer Sockelleiste verbunden werden. Die Eingangsspannung darf 0..5V betragen, und wird mit 8 Bit in einen binären Wert gewandelt. Der RS232 Wandler benötigt zum Betrieb vier Kondensatoren. Mit ihnen generiert er die ±12V um die Schnittstelle anzusteuern. Wird TX (TransmitLeitung aus Sicht des Prozessors) gesetzt, dann liegen an Pin 2 der SUB-D Kupplung etwa +12V an, wird TX gelöscht liegen -12V an. Liegen an Pin 3 der SUB-D Kupplung etwa +12V an, so wird von dem Wandler RX (Recive-Leitung) gesetzt. Liegt eine negative Spannung an Pin 3 an, so wird RX gelöscht. 1-3

4 1.2 Platinen Layout 1-4

5 Das Layout zeigt die Leiterplatte von der Bestückungsseite. Die Leiterbahnen auf der Unterseite sind blau dargestellt, die Drahtbrücken, die auf der Oberseite angebracht werden müssen, rot. Jedes Bauteil ist mit Namen (z.b. R1) und Wert (z.b. 10k) eingezeichnet. Die grünen Flächen sind die Lötaugen, an denen die Bauteile festgelötet werden. Alle Bauteile außer dem Potenziometer werden auf der Oberseite der Platine platziert, und auf der Unterseite verlötet. Eine Schnellanleitung zum Thema Löten findet sich auf den letzten beiden Seiten dieser Anleitung. Einige Lötstellen befinden sich auf den großen Masseflächen (blau in dem Layout). Bei diesen Lötpunkten ist es wichtig, dass die Kupferfläche richtig heiß wird, und das Lötzinn gut zerfließt. Hier sollte die Lötstelle lieber etwas länger mit dem Lötkolben erwärmt werden. 1-5

6 1.3 Bestückung/Stückliste Bauteil Kondensatoren C1 C2..C5, C8, C15, C16 C6, C7 C9 C10 C11.. C14 Dioden D1..D3, D5, D6 D4 LED3..LED10 LED2, LED11..LED15 LED1 Halbleiter IC1 IC2 IC3 IC4 IC5 IC6, IC7 IC8 Q2 (Transistor) U$2 U$3 Q1 (Quarz) Wert Bauteil Widerstände R1..R5, R7, R15, R17..R20, Rntc R6, R7 R9 R10, R12 R14 R13 RN1, RN2 R16 Photo R NTC 100µ 100n 15p 100p 10µ 1µ 1N4148 1N4007 LED 3mm Gelb LED 3mm grün LED 3mm rot L08 PIC16F84A-20P CD ALS05 ULN2803A MAX232 BC556B TLC549 LCD162C 4MHz HC18U-V 6,5536MHz 20MHz 1-6 Elektromechanik S1..S5 CON2 U$1 U$4 X1 X5 SV1, JP5 JP1..JP3 Fassung Lautsprecher 3,5mm Klinkenkabel Potiknopf Potikappe Buchsenleiste Mechanik Schrauben M3 Muttern M3 Distanzbolzen M3 Kunststoffscheibe Wert 10k 4k7 2k2 1k Ohm R-Netzwerk 1k5 *8 Poti 4mm 10k LDR NTC 10K Taster 2 reihige Stiftleiste 2*17 DC-Stecker 3.5MM_KLINKENBUCHSE 9 pol SUBD w 25 pol SUBD m 16, 5, 3 pol Stiftleiste 3pol Streifenfassung 8pol, 14pol, 16pol, 18pol 2*17Pol gerade 1 St. 7 St 6 St. 1 St.

7 Zuerst die 21 Drahtbrücken einlöten. Drahtbrücken sind im Layout rot dargestellt und besitzen quadratische Lötaugen. Es bietet sich an dafür ein Stück Silberdraht abzuschneiden, grob zurechtzubiegen, durch die Bohrungen zu ziehen und auf der Rückseite zu verlöten. Tip: Damit die Bauteile beim Umdrehen der Platine nicht herausfallen, kann man die Beinchen/Anschlussdrähte auf der Lötseite leicht abknicken. Danach folgen die Widerstände. Sie sind mit einem Farbcode versehen. In der Schaltung kommen sechs verschiedene Widerstandswerte vor: 15 Ohm (15R) Braun Grün Schwarz 470 Ohm (470R) Gelb Violett Schwarz Schwarz 1 kohm (1k) Braun Schwarz Schwarz Braun 2,2 kohm (2k2) Rot Rot Schwarz Braun 4,7 kohm (4k7) Gelb Violett Schwarz Braun 10 kohm (10k) Braun Schwarz Schwarz Rot Der letzte Ring auf den Widerständen ist (bis auf den 15 Ohm Widerstand) immer Braun, er gibt die Toleranz an. Um Verwechslungen zu vermeiden sollten alle Widerstände mit einem Multimeter nachgemessen werden. Jetzt kommen die Dioden: Der Ring auf der Diode muss mit dem Ring im Layout übereinstimmen. Im Bild: oben 1N4007, unten 1N4148 Bei den Keramik-Kondensatoren haben wir es mit drei verschiedenen Werten zu tun: Am besten zuerst den 100pF (C9; Farbe: Gelb; Aufdruck: n10 ) einlöten. Danach die beiden Kondensatoren (C6, C7; Farbe: Grau/Orange; Audruck 15p) zur elektrischen Stabilisierung des Quarzes einlöten. Die restlichen Keramik-Kondensatoren haben 100nF (Farbe: Gelb; Aufdruck: 104), können also nicht mehr verwechselt werden. Die 9 polige Sockelleiste findet am linken Rand der Platine ihren Platz Jetzt kommen am besten die LEDs: Sie werden alle mit dem längeren Beinchen in Richtung des noch einzulötenden Pfostenstecker (s.u.) eingelötet. Platzierung nach Farbe: siehe Bild unten. 1-7

8 Neben die LEDs kommen die beiden Widerstandsnetzwerke. Der Punkt im Aufdruck muss in Richtung des noch einzulötenden SUBD-Stecker (s.u.) zeigen. Der mit dem Punkt markierte Pin ist im Layout mit einem Kreuz gekennzeichnet. Als Sockel für den Quarz dienen 3 Elemente aus einer Streifenfassung, das mittlere Beinchen wird abgezwickt oder nach oben aus dem schwarzen Kunststoff herausgedrückt. Die Fassung wird dann anstelle des Quarzes (Q1) eingelötet. Nun kommen die drei Stiftleisten an die Reihe: Die 16 polige Stiftleiste dient zum Anschluss des LCD (siehe später) und wird zunächst anstelle des LCD in die Platine eingelötet. Direkt oberhalb wird die dreipolige Leiste eingebaut. Die fünfpolige wird im rechten unteren Teil der Platine verbaut. Die IC Sockel. Achtung: Sie besitzen auf der einen Seite eine Markierung in Form einer Kerbe und sollten richtig herum eingebaut werden. Anhand dieser Kerbe kann später der IC richtig herum eingesetzt werden. Die beiden Spannungsregler (Aufdruck 7805 und 78L08). Der 5V Regler 7805 (IC1) wird zunächst mit Beschriftung in Richtung SUBD-Stecker (s.u.) stehend eingebaut, und kann anschließend hingelegt werden. Der 8V Regler (IC2) findet sich direkt neben dem Der Transistor BC556B (Q2) findet in der Ecke rechts unten Platz. Die Elektrolyt-Kondensatoren 1µF (C11..C14), 10µF (C10) und 100µF (C1). Sie müssen richtig gepolt eingebaut werden: Der weiße Streifen auf den Elkos markiert die Kathode (-); die Kathode ist im Layout mit einem weißen Balken, die Anoden (+) mit einem kleinen + gekennzeichnet. Die fünf Taster (die vier Anschlüsse müssen vorher mit einer kleinen Zange -bitte nicht mit dem Saitenschneider- gerade gebogen werden) Der 2*17 polige Pfostenstecker. 1-8

9 Der 25 polige SUBDStecker und die 9 polige SUBD-Buchse zum Anschluss der parallelen und der seriellen Schnittstelle. Die seitlichen Halteklammern bitte mit reichlich Lötzinn festlöten, sie geben dem Stecker besseren mechanischen Halt. Damit die Klinkenbuchse plan auf der Platinenoberfläche aufliegt, müssen die beiden Kunststoffnippel an der Unterseite der Klinkenbuchse mit einem Cutter abgeschnitten werden Die DC-Buchse zum Anschluss des Netzteils wird zur mechanischen Stabilisierung mit viel Lötzinn eingelötet. Das Poti bekommt eine Spezialbehandlung: Zuerst werden die drei Beinchen nach vorne in Richtung der Potiachse um 90 abgewinkelt. Dann kommt über die Achse eine Kunststoff Beilagscheibe (diese verhindert Kurzschlüsse), das Poti wird von unten durch das Loch in der Platine gesteckt, und von oben mit der passenden Mutter festgeschraubt. Dabei ist darauf zu achten, dass die Anschlüsse des Potis über den Lötaugen zu liegen kommen. Vor dem Einbau sollte die Achse des Potis auf etwa 13mm gekürzt werden. Nun wird die 25 polige Buchsenleisten zu einem Jumper umfunktioniert: Je zwei gegenüberliegende Beinchen werden mit einer kleinen Zange zusammen gebogen und miteinander verlötet. Als letztes kommt das LC-Display an die Reihe. Es wird auf die vorhin eingelötete Stiftleiste gesteckt und festgelötet. Da unter dem LCD einige Bauteile liegen, sollten diese noch mal auf korrekte Platzierung überprüft werden. Am besten, ihr fragt uns. Jetzt ist ein guter Zeitpunkt, die Schaltung auf fehlerhafte Lötstellen und Lötbrücken zu überprüfen. Zum Schluss noch die ICs und den Quarz in die Sockel drücken, die Distanzbolzen an der Leiterplatte anbringen, den Spannungsregler festschrauben, und das Poti mit der Kappe versehen. Der Jumper verbindet die beiden dem LCD am nächsten stehenden Pins der 3 poligen Stiftleiste. (fast) Fertig :-) 1-9

10 Und am Ende sollte es etwa so aussehen: Hinweise: Die Schaltung benötigt zum Programmieren des Prozessors eine Betriebsspannung von 12V. Diese wird an dem Netzteil eingestellt. Der Innenkontakt des Hohlsteckers vom Netzteil muss +12V, der Außenkontakt Masse führen. Bei Verpolung kann die Schaltung kaputt gehen. 1-10

11 1.4 Nachtrag Ein paar Bauteile sollten noch übrig sein: Ein NTC, ein LDR, ein 10KOhm Widerstand, zwei Quarze, der Lautsprecher, ein Kabel und ein 100nF. Diese werden in den späteren Übungen gebraucht, und sollten gut aufbewahrt werden (wir haben keinen Ersatz). Jetzt muss nur noch das Kabel an den Lautsprecher angelötet werden. Dazu werden beide Adern des 3,5mm Klinkenkabels vorsichtig abisoliert (wirklich vorsichtig, die Leiter sind sehr dünn), und wie im Bild verzwirbelt. Das rot/blaue Ende wird an den einen Pol des 100nF Kondensators gelötet, der andere Pol des Kondensators wird mit dem Lautsprecher verlötet. Die Masseleitung wird ebenfalls an den Lautsprecher gelötet. Ein Stück dicken Silberdrahts wird an dem Lautsprecherchassis festgelötet, und wie im Bild um das Kabel geschlungen. Durch diese einfach Zugentlastung werden die Lötstellen geschont. 1-11

12 1.5 Schnellanleitung: Löten Das Beispiel zeigt den Einbau einer IC-Fassung in eine Platine. Es kommt darauf an, möglichst haltbare Lötstellen zu produzieren. Hier eine Beschreibung der Arbeitsschritte: 1. Die Fassung wird von der Oberseite der Platine in die Bohrungen gesteckt. Dabei ist darauf zu achten, dass die Kerbe an der Fassung mit der Kerbe auf dem Layout übereinstimmt. 2. Damit die Fassung beim Umdrehen der Platine nicht herausfällt ist es ratsam, zwei Eckbeinchen mit einer Flachzange o.ä. umzubiegen. 3. Dann werden die beiden nicht umgebogenen Eckbeinchen festgelötet: Lötzinn und Lötspitze werden gleichzeitig an die Lötstelle geführt. Die Lötspitze soll sowohl das IC-Beinchen als auch die Platinenfläche berühren. Die Position der Lötspitze wird nicht verändert, bis das Lötzinn die Berührungsstelle vollständig benetzt. Das dauert je nach Temperatur des Lötkolbens etwa eine halbe oder eine ganze Sekunde. In dieser Zeit hat sich die Lötstelle ausreichend erwärmt. 1-12

13 Die Lötspitze wird an der Lötstelle gehalten und das Lötzinn wird nachgeschoben bis die Lötstelle gänzlich benetzt ist. Die Lötstelle ist so heiß, dass das dünnflüssige Lötzinn sich durch Adhäsionskräfte gleichmäßig verteilt. Wenn die Lötstelle vollständig benetzt ist, wird zuerst das Lötzinn und dann die Lötspitze zurückgezogen. Das noch dünnflüssige und durch das Flussmittel geschützte Lötzinn erreicht seine endgültige Form und erstarrt. Wenn der Lötkolben die richtige Temperatur hat, dauert der ganze Vorgang etwa eine bis zwei Sekunde. Ein Teil des im Lötzinn enthaltenen Flussmittels vedampft bei dem Lötvorgang. Es ist empfehlenswert diesen Dampf nicht einzuatmen. 4. Die zuerst umgebogenen Beinchen werden nun wieder aufgerichtet. Das sorgt für bessere Lötstellen und erlaubt ein einfacheres Austauschen der Fassung. 5. Nun werden alle verbleibenden Beinchen festgelötet. Löten ist kein Verkleben der Bauteile mit der Platine. Einzelne Atome des Lots diffundieren in die Metalloberfläche der zu lötenden Körper, hier entsteht eine Legierung aus Lot und Grundwerkstoff. Diese Diffusion braucht Temperatur und Zeit, daher entsteht bei zu schnellem Löten, oder wenn die Lötstelle nicht richtig durchgewärmt wird eine schlecht leitende, kalte Lötstelle. Kalte Lötstelle [editierte Auszüge aus Wikipedia] Kalte Lötstellen sehen -im Gegensatz zu korrekten Lötstellen- matt aus und weisen eine leicht klumpige Oberfläche auf. Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften einer Kalten Lötstelle sind mangelhaft. Kalte Lötstellen können mehrere Ursachen haben: Die Löttemperatur war zu gering - die Lötstelle war zu kalt - wohl der Namensgeber. Es erfolgte keine oder keine vollständige Benetzung. Beim Abkühlen einer Lötverbindung wurde nicht sichergestellt, das der gesamte Lötbereich erschütterungsfrei bleibt. Die Zeit in der der Lötstelle Wärme zugeführt wurde war zu kurz, die Atome aus dem Lot konnten nicht genügend in die Metalloberflächen der zu lötenden Körper diffundieren. 1-13