(5 op) Luento 1 - Johdanto kurssin aihepiiriin ja käytännön suoritukseen - Elektroniikan toteutusvaihtoehdot
Kurssin henkilökunta Petri Kärhä Signaalinkäsittelyn ja Akustiikan laitos Huone: I431 Puhelin: 050 596 8469 Petri.karha@aalto.fi Juha Mallat Elektroniikan ja nanotekniikan laitos Huone: C317 Puhelin: 050 556 2247 Juha.mallat@aalto.fi Lauri Palva Sähkö- ja automaatiotekniikan laitos Huone: F307 (Rakentajanaukio 2 C) Puhelin: 050 316 1033 Lauri.palva@aalto.fi 2
Kurssin osaamistavoitteet Kurssin yleiset tavoitteet (Oodi): Opiskelija tietää elektroniikan toteutusvaihtoehtoja, osaa arvioida niitä ja valita kulloiseenkin sovellukseensa tarkoituksenmukaisen vaihtoehdon. Opiskelija osaa suunnitella piirikortin ja toteuttaa yksinkertaisen elektronisen laitteen erilliskomponenteista. Opiskelija tietää virtuaali-instrumentoinnin periaatteen, osaa valita tarvitsemansa erillislaitteet, ja osaa ohjelmoida niistä toimivan mittauslaitteiston. Opiskelija osaa tunnistaa yksinkertaisen epälineaarisen komponentin vasteita aika- ja taajuustason mittaustulosten avulla. Hän tietää vasteiden ilmiöistä esimerkiksi taajuuksien sekoittumisen. Opiskelija osaa raportoida työnsä tulokset. Opiskelijoiden taustat vaihtelevat. Jotta kaikki oppivat kurssilla uutta, määritelkää itse osaamistavoitteenne! Tehdään elektroniikkaprojektin 1. osapalautuksen yhteydessä. 3
Kurssin osaamistavoitteet Opiskelijapalautteessa sanottua: Mainio kurssi! Iso kiitos laveista mahdollisuuksista projektityön kanssa. Vastuun kuuluukin vieriä opiskelijoille, jotta paras treeni saadaan aikaan. Henkilökunnan joustavuus mm. kaikissa asioissa oli mahtavaa. Kaiken kaikkiaan varsin hyödytön kurssi. Samat asiat käytiin läpi jo Sähköpajakurssilla, ja elektroniikkaa on muutenkin jo aivan liian paljon tässä kandiohjelmassa. Todella mukava ja hyödyllinen kurssi En näe eroa tämän ja sähköpajakurssin välillä? Pohtikaa osaamistavoitteenne siten, että opitte jotain uutta. Jatkakaa vaikka siitä, mihin Sähköpajalla jäitte: Arduinon sijaan voitte käyttää jotain muuta alustaa, tai syventää osaamista Jos ette ole koskaan suunnitelleet ja tehneet piirikorttia, kokeilkaa nyt. Kortin voi syövyttää happoaltaissa tai tilata Kiinasta Analogiaelektroniikka, kotelointi, mittaritaulut, simulointi, ohjelmointi, Kurssin jälkeen pohtikaa poikkesiko suorituksenne / toimintanne Sähköpajasta 4
Käytännön toteutus Kurssi koostuu kolmesta laboratoriotyöstä, joista tehdään kaksi oman valinnan mukaan, elektroniikkaprojektista, ja viikottaisista luennoista (1. periodi). Kurssi jakautuu koko lukukauden ajalle. Pääpaino on laboratoriotyöskentelyssä! Kurssin luennot ovat maanantaisin klo 8:30 10:00 salissa U8 / U270. Laboratoriotyöt ja elektroniikkaprojekti tehdään Sähköpajalla Otakaari 5, L- siivessä, suurjännitehallin takana. Työt tehdään kolmen hengen ryhmissä. Kustakin työstä laaditaan raportit, jotka arvioidaan. Kurssin arvosana määräytyy pääsääntöisesti raporttien arvosanojen perusteella. Varsinaisen rakentelun ja mittaukset voi tehdä sähköpajalla. Valmistelevan työn voi tehdä kotona tai mikroluokissa. Kurssin tiedotus ja hallinnointi kokonaan MyCourses-järjestelmän kautta. Lisätkää kuvanne järjestelmään. 5
Luentoaikataulu 12.9.2016 Johdanto kurssin aihepiiriin ja käytännön suoritukseen 1 h PK Elektroniikan toteutusvaihtoehdot 1 h PK 19.9.2016 Elektroniikkalaitteen suunnittelu (Elektroniikkaprojektin esittely) 1 h LP Piirikaavion ja piirilevyn suunnittelu ja valmistus (Eagle) ja verolevyn käyttö 1 h TD ML prototyyppeilyyn 26.9.2016 Virtuaali-instrumentointi (Työn 1 esittely) 1 h PK, AV Programmable System on Chip, PSoC 1 h JM 3.10.2016 Johdatus radiotekniikkaan 1 h VV Käytännön radiotekniikkaa: Epälineaarinen komponentti ja signaalien siirtely 1 h JM taajuusalueessa (Työn 2 esittely) 10.10.2016 Teholähteet ja maadoitus 1h TD A/D- ja D/A-muunnokset ja niiden vaikutus signaaleihin (Työn 3 esittely) 1 h PK 17.10.2016 Käytännön elektroniikkakomponentit ja niiden valinta 2h TD 31.10.2016 Elektroniikkalaitteen kotelointi 2 h ML 7.11.2016 Töiden väliesittely 3 h 12.12.2016 Elektroniikkaprojektien esittelytilaisuus 4h PK=Petri Kärhä, LP=Lauri Palva, TD=Timo Dönsberg, ML=Matti Linnavuo, AV=Anna Vaskuri, VV=Ville Viikari, JM=Juha Mallat 6
Laboratoriotyöt Kolme kappaletta laboratoriotöitä, joista kukin ryhmä tekee valintansa mukaan kaksi. Työ 1. Virtuaali-instrumentointi Opiskellaan itsenäisesti LabView ohjelmointikielen perusteet, ja laaditaan LabViewohjelmisto, joka ohjaa mittauslaitteistoa. Mittauslaitteistona käytetään MyDAQ:ia. Sähköpajalla runsaasti koneita joissa on LabView ja MyDAQ. LabView:n voi asentaa myös omalle koneelle. Ei erillistä ajanvarausta. Työ 2. Käytännön radiotekniikkaa Mitataan annetusta epälineaarisesta transistoripiiristä erilaisia ominaisuuksia ja ilmiöitä käyttäen apuna signaaligeneraattoreita, oskilloskooppia ja spektrianalysaattoria. Työhön varataan erikseen aika sähköpajalla sijaitsevalle laitteistolle. Työ 3. A/D- ja D/A-muunnokset Tutkitaan A/D- ja D/A-muunnosten vaikutusta signaaliin valmiilla demolaitteistolla. Kvantisointikohina, laskostuminen, antialias-suodatus. Työhön varataan erikseen aika sähköpajalla sijaitsevalle laitteistolle. Suoritusjärjestys vapaa. Kukin työ vie (3 + 3 + 5) h, VI-työ ehkä hieman enemmän. Voitte aloittaa saman tien, mutta pyrkikää saamaan elektroniikkaprojekti alulle ensin! 7
Elektroniikkaprojekti Suurin osa kurssin työmäärästä käytetään elektroniikkaprojektiin, jossa rakennetaan jokin elektroniikkalaite. Aiheen voi valita listalta (MyCourses), tai voi hyväksyttää oman aiheen. Aikataulu ja osapalautukset: Ryhmien muodostus 20.9. mennessä Osapalautus 1: Aiheen valinta ja osaamistavoitteet 27.9. mennessä Osapalautus 2: Vaatimusmäärittely 11.10. mennessä Osapalautus 3: Väliesittely 7.11. Osapalautus 4: Työn esittely 12.12. Osapalautus 5: Loppuraportti 18.12. mennessä Kullakin ryhmällä on nimetty senioriassistentti, joka ohjaa ja arvioi työn. Sähköpajalla on laboratorioassistentteja valvomassa ja avittamassa käytännön ongelmissa. Senioriassari on pajalla kerran viikossa elektroniikkaprojektia varten. Työstä tehdään tutkimusraportti. Raportissa on kuvattava työnjako, eli mitkä olivat opiskelijoiden keskeiset roolit ja toiminta. 8
Elektroniikkaprojektin ja laboratoriotöiden arviointi Työt arvioidaan pääsääntöisesti raporttien perusteella Arviointiin vaikuttaa mm. Toimiko laite / onnistuivatko mittaukset? Toteutuksen tarkoituksenmukaisuus ja tyyli Ryhmän työpanos suhteessa osaamiseen Piirikortti, kotelointi, analogiaelektroniikka Raportointi (Kandityöohjeet soveltuvin osin) Työllä on selkeä tavoite ja rajaus. Työllä on selkeä looginen rakenne. Tietoa on hankittu kattavasti luotettavista lähteistä. Valittua viittaustekniikkaa on käytetty oikein ja johdonmukaisesti. Käytetyt menetelmät ovat perusteltuja. Työn tulokset ja johtopäätökset on esitetty selkeästi. Työ on kieliasultaan selkeä ja oikeakielinen. Työ on ulkoasultaan siisti ja hyvin havainnollistettu (esim. kuvien/diagrammien käyttö). Arvosanaan vaikuttaa ryhmän tuotos ja oma panos Elektroniikkaprojekti vaikuttaa arvosanaan suuremmalla painolla kuin laboratoriotyöt. Myös raportointi laboratoriotöissä on yksinkertaisempaa. 9
Elektroniikan vianetsintä Kytkentöjen viat ovet yleensä yksinkertaisia: Kontaktihäiriö, puuttuva johdin, ylimääräinen kytkentä esim. tinasilta tai johdin, komponentti väärin päin, komponentti rikki. Vikojen etsintä Tarkista johdotukset ja komponenttien kytkennät. Piirrä piirikaavio, mieluummin jo heti alussa! Selvitä piirien nastajärjestys (kuva). Piirit on yllättävän helppo kytkeä peilikuviksi. Tarkista piirikortit suurennuslasilla tai luupilla tinasiltojen löytämiseksi. Myös yleismittari vastusasennossa voi auttaa tässä (poista piirit jotka voivat rikkoutua mittauksessa tai sotkevat mittausta). Kytke piirille käyttöjännitteet ja katso että ne tulevat kaikkiin paikkoihin mihin pitää, esim. kaikille mikropiireille. Alentunut jännitetaso indikoi oikosulkua tai muuten liiallista virrankulutusta. Kytke vahvistimiin tai vastaaviin sinisignaali ja katso oskilloskoopilla mihin asti signaali etenee. Mikropiirit on hyvä asentaa kannoille vianetsinnän ja vaihdon helpottamiseksi. 10
Sähköpajan aukiolo (Elektroniikkapaja) Pajalle saa mennä vain assistentin läsnäollessa Paja on auki viikosta 38 lähtien seuraavasti : Ma Ti Ke To Pe 8-10 OK OK 10-12 ML OK OK 12-14 14-16 KK OP OP 16-18 OP OP Assistentit: OK = Olli Kantamaa (0504657973), KK = Kai Kuosmanen (0505303021), OP = Ohto Puokka (0408249182), ML = Mikko Laakkonen (0458685647) 11
Elektroniikan toteutusvaihtoehdot Elektroniikan toteutusvaihtoehtoa valittaessa huomioitava muun muassa: Valmistettavien laitteiden lukumäärä (tutkimuslaite vs. massatuotanto) Käytettävissä oleva tila Suunnitteluun käytettävissä oleva aika Käyttötarkoitus (omaan käyttöön vs. myyntiin) Komponenttien maksimihinta Vaihtoehtoja: Erilliskomponenteista rakennettava laite piirikortteineen Valmis mikroprosessorikortti, esim. Arduino, Raspberry PI Programmable System on Chip (PSoC) PC:n lisäkortit, Data Acquisition modulit (DAQ) Erillislaitteista rakennetut järjestelmät Virtuaali-Instrumentointi 12
Erilliskomponenteista rakennettava laite Usein halvin hinta jos vain komponenttien hinnat lasketaan Kustannustehokkain suurilla valmistusmäärillä Suunnittelu ja kehitys vievät aikaa Modifikaatiot jälkikäteen hankalia Piirikortit voi harrastekäyttöön suunnitella ja tehdä itse Piirikortit voi myös teettää, tarvittaessa suunnittelunkin http://imall.iteadstudio.com/ https://oshpark.com/ Myyntiin tehtävät laitteet, kompaktit laitteet, analogiaelektroniikka 13
Valmis mikrokontrollerikortti Pienoistietokone, jossa tietokoneen olennaiset komponentit Sisältää ohjelmoitavan mikrokontrollerin Lisänä kytkentöjä ulkomaailmaan Digitaalisia sisäänmenoja ja ulostuloja Analogisia sisäänmenoja (ja ulostuloja) Voidaan käyttää järjestelmän osana, jolloin kehitykseen tarvittava aika lyhenee http://arduino.cc/ http://www.raspberrypi.org/ http://www.ni.com/myrio/ 14
Programmable System on Chip (PSoC) Ohjelmoitava järjestelmä vain yhdellä mikropiirillä PSoC 1,3,4,5 eri suoritustasoja Tietoa: www.cypress.com ja PSoC PSoC vs. Arduino pro vs. hobby Laajat resurssit, soveltuvuus, muunneltavuus, ulkoisten lisäkomponenttien pienentynyt tarve Mikrokontrolleri & lisäksi ohjelmallisesti määriteltäviä (ja myös muunneltavia) analogia-, digitaali-, suodatin-, liitäntä- ja yhteyslohkoja jne. Piirien yleispätevien GPIO-liitäntöjen vapaa valinnainen käyttö ja kytkentä Pätevä IDE & helppo ohjelmointi 15
PC:n lisäkortit ja modulit Mikäli laitteistoja tehdään vain yksi tai muutama esim. tutkimuskäyttöön, voi laitteiston tehdä PC:n ympärille PC:n aiheuttama kustannus on vähäinen saavutettavaan ajansäästöön nähden. PC:hin saatavilla laaja valikoima lisäkortteja, esim. Releohjaus Analoginen mittaus ja ohjaus Liityntä PC:n sisäiseen PCI väylään tai ulkoisiin USB tai Ethernet väyliin http://www.apogeekits.com/ http://www.ni.com/data-acquisition/ Tutkimus- ja mittauslaitteistot 16
Esimerkki valmiilla moduleilla toteutetusta elektroniikasta Monokromaattinen valolähde kameroiden kalibrointiin 31 lämpötilastabiloitua LEDiä, joiden ohjaus vakiovirtalähteellä LEDit kytketään lämpötilasäädinelektroniikkaan ja virtalähteeseen yksi kerrallaan valmiina ostetuilla USB- väylän kautta ohjattavilla relekorteilla 17
Virtuaali-instrumentointi National Instrumentsin lanseeraama konsepti Perinteisten instrumenttien (oskilloskoopit ja vastaavat) sijaan varustetaan PC lisäkorteilla ja ohjelmoidaan järjestelmän käyttöliittymä. Ohjattavia laitteita tai kortteja voi olla yksi tai useampi LabView-ohjelmointikieli Muokattava ja helposti päivitettävä järjestelmä: PC Ohjelma Mittauskortit http://www.ni.com/white-paper/4752/en/ Tutkimus- ja mittauslaitteistot, testaus 18