(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 Radiotieteen ja tekniikan laitos Huone: C317 Puhelin: 050 556 2247 Juha.mallat@aalto.fi Lauri Palva Sähkö- ja automaatiotekniikan laitos Huone: ST265 (Otakaari 7) Puhelin: 050 316 1033 Lauri.palva@aalto.fi 2
Kurssin osaamistavoitteet 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. 3
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 S1. Laboratoriotyöt ja elektroniikkaprojekti tehdään Sähköpajalla L-siivessä. 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, L-siipi, suurjännitehallin takana. Valmistelevan työn voi tehdä kotona tai mikroluokissa. Kurssin tiedotus ja hallinnointi kokonaan MyCourses-järjestelmän kautta. 4
Luentoaikataulu 7.9.2015 Johdanto kurssin aihepiiriin ja käytännön suoritukseen 1 h PK Elektroniikan toteutusvaihtoehdot (Ekskursio Sähköpajalle) 1 h PK 14.9.2015 Elektroniikkalaitteen suunnittelu (Elektroniikkaprojektin esittely) 1 h LP Piirikaavion ja piirilevyn suunnittelu ja valmistus (Eagle) ja verolevyn käyttö protyyppeilyyn 1 h TD, ML 21.9.2015 Virtuaali-instrumentointi (Työn 1 esittely) 1 h PK Käytännön radiotekniikkaa: Epälineaarinen komponentti ja 1 h JM signaalien siirtely taajuusalueessa (Työn 2 esittely) 28.9.2015 Elektroniikkalaitteen kotelointi 2 h ML 5.10.2015 Teholähteet ja maadoitus 1 h TD A/D- ja D/A-muunnokset ja niiden vaikutus signaaleihin (Työn 3 1 h PK esittely) 12.10.2015 Käytännön elektroniikkakomponentit ja niiden valinta 2 h TD 19.10.2015 Johdatus radiotekniikkaan 1 h VV Elektroniikkakomponentit (jatkuu tarvittaessa) 1 h TD 26.10.2015 Töiden väliesittely 2 h 14.12.2015 Elektroniikkaprojektien esittelytilaisuus 4h 5
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. Voi aloittaa saman tien, mutta pyrkikää saamaan elektroniikkaprojekti alulle ensin! 6
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 15.9. mennessä Osapalautus 1: Aiheen valinta 22.9. mennessä Osapalautus 2: Vaatimusmäärittely 6.10. mennessä Osapalautus 3: Väliesittely 26.10. Osapalautus 4: Työn esittely 14.12.2015 Osapalautus 5: Loppuraportti 19.12. mennessä Kullakin ryhmällä on nimetty senioriassistentti, joka ohjaa ja arvioi työn. Sähköpajalla on laboratorio-assistentteja valvomassa ja avittamassa käytännön ongelmissa. Työstä tehdään tutkimusraportti. Raportissa on kuvattava työnjako, eli mitkä olivat opiskelijoiden keskeiset roolit ja toiminta. 7
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. 8
Sähköpajan aukiolo Pajalle saa mennä vain assistentin läsnäollessa Paja on auki viikosta 38 lähtien seuraavasti (2.10 ja 6.11. ei pajaa): Ma Ti Ke To Pe 8-10 KK 10-12 OK KK 12-14 OK, KK 14-16 KK NK 15-18 16-18 NK OK Assistentit: OK = Olli Kantamaa, KK = Kai Kuosmanen, NK = Niina Kajovuori 9
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 PC:n lisäkortit, Data Acquisition modulit (DAQ) Erillislaitteista rakennetut järjestelmät Virtuaali-Instrumentointi 10
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 11
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/ 12
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 13
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 14
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 ojelmointikieli Muokattava ja helposti päivitettävä järjestelmä: PC Ohjelma Mittauskortit http://www.ni.com/white-paper/4752/en/ Tutkimus- ja mittauslaitteistot, testaus 15