Unterschiede

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--- projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente [2018-05-27 16:55] – mka
+++ projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente [2018-08-11 08:56] (aktuell) – [PWM-Signal am RC-Glied] mka
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-{{ :projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:img_0525_13von100.jpg?|Bild R_L: Raster 1 cm. Vertikal 1V/cm, horizontal 2ms/cm. Die Spannung an P1.5 ohne Lastwiderstandund beträgt 3.4V und die Spannung an P1.4 mit dem Lastwiderstand ist 2.8V, also etwas niedriger.}} Dieser Sachverhalt soll nun auch auf dem Oszilloskop dargestellt werden. Das [[projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente#Pegel_an_Portpin_P1.4_und_P1.5|Testprogramm TON]] generiert dafür ein Rechtecksignal 1:1 auf den beiden Port-Pins P1.4 und P1.5. An P1.4 wird der Lastwiderstand angeschlossen, P1.5 bleibt frei.
+{{ :projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:img_0525_13von100.jpg?|Bild R_L: Raster 1 cm. Vertikal 1V/cm, horizontal 2ms/cm. Die Spannung an P1.5 ohne Lastwiderstandund beträgt 3.4V und die Spannung an P1.4 mit dem Lastwiderstand ist 2.8V, also etwas niedriger.}} Dieser Sachverhalt soll nun auch auf dem Oszilloskop((Hameg Dual Trace Oscilloscop HM312-8; das gute alte analoge Stück tuts schon seit den '80igern)) dargestellt werden. Das [[projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente#Pegel_an_Portpin_P1.4_und_P1.5|Testprogramm TON]] generiert dafür ein Rechtecksignal 1:1 auf den beiden Port-Pins P1.4 und P1.5. An P1.4 wird der Lastwiderstand angeschlossen, P1.5 bleibt frei.
   * Warum sinkt die Ausgangsspanung am Portpin P1.4 unter ohmscher Last etwas ab?
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 An Portpin P2.5 kommt das PWM-Signal an, und geht über einen Widerstand R an den Kondensator C, dessen anderer Anschluss an Masse liegt. Bei x wird das resultierende Signal ((Die Stelle x enspricht der Ausgangsspannung Ua im Tiefpass)) im [[http://de.wikipedia.org/wiki/RC-Glied|RC-Glied]] abgenommen. Ich habe R=10K und einen kleinen blauen Stützkondensator genommen von ca. C=100nF, aufgebaut wieder auf dem Steckbrett.
-Wenn die PWM-Frequenz hoch genug ist, wird die Ausgangsspannung des PWM gemittelt. Das sorgt dafür, dass bei gleichbleibender Pulsweite eine Gleichspannung entsteht. Wenn das Verhältnis Puls/Pause 50% ist, dann entspricht diese Gleichspannung der halben Speisespannung. Wird der Puls länger, erhöht sich die Spannung, und wird der Puls kürzer, wird die Spannung geringer. {{:projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:pwm_rc.mov|Im Film}} ist das gut zu sehen. Die Spannung bei x geht immer rauf und wieder runter, je nach Pulsbreite, bei gleichbleibender PWM-Frequenz. Das Forth-Programm dazu [[projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:PWM_an_RC|PWM_an_RC]] zeigt, wie es gemacht worden ist.
+Wenn die PWM-Frequenz hoch genug ist, wird die Ausgangsspannung des PWM gemittelt. Das sorgt dafür, dass bei gleichbleibender Pulsweite eine Gleichspannung entsteht. Wenn das Verhältnis Puls/Pause 50% ist, dann entspricht diese Gleichspannung der halben Speisespannung. Wird der Puls länger, erhöht sich die Spannung, und wird der Puls kürzer, wird die Spannung geringer.
+{{:projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:pwm_rc.webm|Integrierer}}
+Im Film ist das gut zu sehen. Die Spannung bei x geht immer rauf und wieder runter, je nach Pulsbreite, bei gleichbleibender PWM-Frequenz. Das Forth-Programm dazu [[projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:PWM_an_RC|PWM_an_RC]] zeigt, wie es gemacht worden ist.
 {{:projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:pwm_rc_1.jpg?100|Rechtecksignal (PWM), Spannung an x liegt nur etwas über Masse. PWM mit kurzem Puls}}{{:projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:pwm_rc_2.jpg?100|Rechtecksignal (PWM), Spannung an x liegt mittig. Tastverhältnis PWM ca. 1:1}}{{:projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:pwm_rc_3.jpg?100|Rechtecksignal (PWM), Spannung an x liegt schon weit oben in der Nähe der Versorgunsspannung. PWM mit langem Puls}}{{:projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:launchpad_rc-glied.jpg?100|Steckbrettaufbau}}
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 {{:projects:4e4th:4e4th:start:lr-glied-osc50.jpg?200|Oben: PWM. Unten: Spannung hinter der Spule an 1KΩ. Horizontal 5µs/cm. Vertikal 2V/cm}}
 {{:projects:4e4th:4e4th:start:lr-glied-diode-osc50.jpg?200|Oben: PWM. Unten: Spannung hinter der Spule an 1KΩ mit Freilaufdiode über der Spule.Horizontal 5µs/cm. Vertikal 2V/cm}}
+(Hier war ich zu faul den richtigen Winkel zu finden und das Raumlicht auszublenden, bzw mich dunkler zu kleiden. Dafür sieht man das es möglich ist sowas freihändig zu knipsen :-) )
 Mache den Versuch mit verschiedenen Spulen. Es war gar nicht so einfach, eine Spule zu finden, deren Induktivität hoch genug war, den Effekt mit diesen einfachen Mitteln auch deutlich zu zeigen. Trafospulen und Ankerwicklungen von kleinen Elektromotoren hatten zu geringe Werte.
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 {{:projects:4e4th:4e4th:start:2spulen.jpg?200|Testaufbau der beiden Spulen}}
 {{:projects:4e4th:4e4th:start:2spulen6khz.jpg?200|Zwei verschiedene Spulen im Test am PWM-Signal}}
+(Hier verwende ich schon ein digitales Oszilloskop :-) )
+Um mal zu zeigen was passiert, wenn Spulen ganz ohne Schutz- und Freilaufdioden betrieben werden, gibt es einen eigenen Beitrag: [[projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:Spulen aus schalten]]
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 {{ :projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:img_0555_13von100.jpg?|Gedämpfte Sinusschwingung in den Pegeln. 50Hz Rechteck, 0,2V/cm vertikal für das Signal mit der Schwingung. 5V/cm für die Triggerspur unten.}} Bei einer tiefen Frequenz der Rechteckwelle (50Hz) sieht man bei genügend großer Verstärkung, dass eine gedämpfte Sinusschwingung den Pegeln überlagert ist. Die stammt von der Rückstellkraft der Membran. Die ausgelenkte elastische Membran schwingt zurück und induziert dabei wieder eine Spannung. Diese Schwingung ist bei 10-facher Verstärkung der Pegel schon ganz gut zu sehen auf dem Foto und auch im Film.
-Der {{:projects:4e4th:4e4th:start:mvi_0556.mov|Film}} zeigt das LaunchPad, den Lautsprecher, die Frequenz, und am Oszilloskop die Schwingung der Pegel mit 0,2V/cm. Gegen Ende dann Verstärkung der Schwingung auf 0,1V/cm.
+Der Film-1 zeigt das LaunchPad, den Lautsprecher, die Frequenz, und am Oszilloskop die Schwingung der Pegel mit 0,2V/cm. Gegen Ende dann Verstärkung der Schwingung auf 0,1V/cm.
-Im {{:projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:mvi_0559.mov|nächsten Film}} sieht man, was passiert, wenn man die Membran berührt. Zunächst im Außenbereich, und dann im Zentrum. Dabei ist zur Verdeutlichung des Effektes nur noch der "0"-Pegel auf dem Oszilloskop dargestellt. Die Triggerkurve ist ausgeblendet. Natürlich ist der Effekt auch auf dem "1"-Pegel in der anderen Hälfte der Rechteckwelle sichtbar.
+Im Film-2 sieht man, was passiert, wenn man die Membran berührt. Zunächst im Außenbereich, und dann im Zentrum. Dabei ist zur Verdeutlichung des Effektes nur noch der "0"-Pegel auf dem Oszilloskop dargestellt. Die Triggerkurve ist ausgeblendet. Natürlich ist der Effekt auch auf dem "1"-Pegel in der anderen Hälfte der Rechteckwelle sichtbar.
+{{:projects:4e4th:4e4th:start:mvi_0556.webm|Film-1}}
+{{:projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:mvi_0559.webm|Film-2}}
 Hier auszugsweise einige Bilder aus dem Tonfilm.\\
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 ==== Resonanz der Membran ====
-Die Eigenschwingung der Membran kann in den vorhergehenden Bildern ausgemessen werden. Was passiert, wenn man den Lautsprecher mit ansteigenden Frequenzen betreibt, zeigt {{:projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:mvi_0561-trim.mov|dieser Film}}. Auszugsweise auch davon einige Bilder.
+Die Eigenschwingung der Membran kann in den vorhergehenden Bildern ausgemessen werden. Was passiert, wenn man den Lautsprecher mit ansteigenden Frequenzen betreibt, zeigt das folgende Filmchen.
+{{:projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:mvi_0561-trim.webm|Filmchen der ansteigenden Frequenzen}}.
+Auszugsweise auch davon einige Bilder.
 Es ist schön zu sehen, dass im Resonanzfall sowohl der "1"- als auch der "0"-Pegel schön 'ausgebeult' sind. Der Sinus liegt über dem Pegel. Und es ist zu hören, dass der Ton lauter wird.
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 Man sieht, dass die Lampe eher schwach leuchtet, wenn man sie mit dem BD135 und R=10K anschaltet. Der H-Pegel an P2.5 bleibt dabei aber schön oben bei 3,4V. Nimmt man den Widerstand R weg, leuchtet die Lampe voll, der Pegel an P2.5 sinkt aber ab auf nur 0,8V - wie erwartet, s.oben. Man kann also durchaus ganz ohne den Basis-Widerstand den Transistor betreiben, der BD135 schaltet voll durch, wenn er vom Portpin direkt getrieben wird. Nimmt man den TIP120, kann R=10K belassen werden, die Darlingtonschaltung sorgt dafür, dass so ein kleiner Steuerstrom schon genügt.
-Für das gebastelte Stroboskop habe ich mich für den TIP120 mit R an der Basis entschieden. Da muss ich mich dann um nichts weiter kümmern. Im {{:projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:mvi_0603.mov|Film}} sieht man das Stroboskop im Test. Das [[projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:fStroboskop|Forth dafür]] kann man sich aus dem PWM-Beispiel machen.
+Für das gebastelte Stroboskop habe ich mich für den TIP120 mit R an der Basis entschieden. Da muss ich mich dann um nichts weiter kümmern. Im folgenden kurzen Videoclip sieht man das Stroboskop im Test. Das [[projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:fStroboskop|Forth dafür]] kann man sich aus dem PWM-Beispiel machen.
+{{:projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:mvi_0603.webm|Clip vom Stroboskop}}
 ==== Schrittmotor ====
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 {{ :projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:stepper-motor-control-circuit.jpg?200|Schaltplan Schrittmotor Treiber}} {{ :projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:steppermotordrivertestboard_smal.jpg?150|Testaufbau Schrittmotor Treiber}}Da wir offensichtlich etwas mehr Strom dafür benötigen als ein Port hergibt, muss wieder unser TIP120 ran. Damit lässt sich das schön schalten. Mit vier Stück davon und je einem Basiswiderstand ist schon alles aufgebaut, was man braucht, die Freilaufdiode ist bei diesem Darlington-Transistor nämlich schon eingebaut. Damit ich sehen kann, welcher Transistor gerade durchschaltet, wurde jedem eine LED spendiert. (Keine Sorge, das halten die aus an der 9V-Blockbatterie, weil die Spule schon einen Vorwiderstand von 45 Ohm darstellt, s.oben.) Das Ergebnis wurde in kurzen Videoclips festgehalten.
-{{:projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:s0_wavedrive.mov|Wave Drive}}
+{{:projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:s0_wavedrive.webm|Wave Drive}}
-{{:projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:s2_fullstepdrive.mov|Full Step Drive}}
+{{:projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:s2_fullstepdrive.webm|Full Step Drive}}
-{{:projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:s3_halfstepdrive2.mov|Half Step Drive}}
+{{:projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:s3_halfstepdrive2.webm|Half Step Drive}}
 {{ :projects:4e4th:4e4th:start:msp430g2553_experimente:440px-drive.png?200|drive modes}}
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 Die ersten drei sind digitale Formen, und einfach zu machen mit Forth. Im full step drive werden ganze Schritte ausgeführt. Der Wave Drive macht das ebenso, hat aber nur immer eine Spule an, ist daher schwächer im Drehmoment. Beim half step drive ergeben sich halbe Schrittweiten, ohne den elektrischen Aufbau ändern zu müssen; allerdings sind abwechselnd zwei und dann nur eine Spule an, was unterschiedliche Drehmomente der Schritte zur Folge hat, die Vollschritte sind dabei schwächer.
-Nachdem das nun ging, hab ich noch mal versucht, den Schrittmotor 'ohne alles' an die MCU anzuschließen.(('Ohne alles' meint hier wirklich ohne weitere Bauteile. Doch sollte man dabei wissen, was man tut. Man sollte den Motor dann nur langsam von Hand mal hin und her drehen, zB um eine Startposition zu bekommen. Bekanntlich ist er dann ein Stromgenerator, und da der Portpin auch Widerstand hat, geht die Spannung am Pin zügig hoch in Bereiche, die dann die interne Schutzdiode belasten. Macht man das zu doll, kurbelt also tüchtig am Motor, sind Schutzdioden nötig. Überspannung am Pin mag keine MCU. Dann also jede Spule mit zwei antiparallelen Schutzdiode überbrücken. Also eine vom Pin in Durchlassrichtung nach Vcc, und eine von GND in Durchlassrichtung zum Pin.)) An die grünen Drähte kam Vcc des LaunchPad, und die Ports wurden als 'sink' betrieben. Dazu muss man im Forthprogramm lediglich die Pinlogik umkehren. Also statt 0001 für _A_ nun 1110 usw. Und sieh da, nun ruckelte der Stepper an. Der wave drive erwies sich dabei als untauglich, da gab es Zuckungen des Steppers, aber keine richtige Drehung. Im full stepp drive drehte das Motörchen dann aber munter. Und im half step drive auch, aber schwächlich in den Schritten, bei denen nur eine Spule an war. Direkt an einem Pin der MCU geht also nur der full step drive ordentlich. Dabei sind ja immer 2 Spulen aktiviert, und das reicht dann auch bei dem recht schwachen Strom durch den FET des Portpins aus, um den Stepper in Bewegung zu versetzen. Das erklärt nun auch, warum da mit der 3V-Batterie manuell nichts zu machen war. Denn das kriegt man von Hand nicht so ohne Weiteres hin, immer die richtigen 2 Spulen gleichzeitig an zu machen. Um also eindeutige Effekte zeigen zu können, ist es schon ratsam, Transistoren wie den TIP120 zu schalten. Für spezielle Anwendungen hingegen, wenn man schon weiß, was man will und wie das geht, scheint es auch ok zu sein, den Stepper direkt an einem Port der MCU zu betreiben. Man könnte ja auch je Spule 2 Pins als 'sink' schalten. Dann gibt es mehr Strom pro Spule.
+Nachdem das nun ging, hab ich noch mal versucht, den Schrittmotor 'ohne alles' an die MCU anzuschließen.(('Ohne alles' meint hier wirklich ohne weitere Bauteile. Doch sollte man dabei wissen, was man tut. Man sollte den Motor dann nur langsam von Hand mal hin und her drehen, zB um eine Startposition zu bekommen. Bekanntlich ist er dann ein Stromgenerator, und da der Portpin auch Widerstand hat, geht die Spannung am Pin zügig hoch in Bereiche, die dann die interne Schutzdiode belasten. Macht man das zu doll, kurbelt also tüchtig am Motor, sind Schutzdioden nötig. Überspannung am Pin mag keine MCU. Dann also jede Spule mit zwei antiparallelen Schutzdioden überbrücken. Also eine vom Pin in Durchlassrichtung nach Vcc, und eine von GND in Durchlassrichtung zum Pin.)) An die grünen Drähte kam Vcc des LaunchPad, und die Ports wurden als 'sink' betrieben. Dazu muss man im Forthprogramm lediglich die Pinlogik umkehren. Also statt 0001 für _A_ nun 1110 usw. Und sieh da, nun ruckelte der Stepper an. Der wave drive erwies sich dabei als untauglich, da gab es Zuckungen des Steppers, aber keine richtige Drehung. Im full stepp drive drehte das Motörchen dann aber munter. Und im half step drive auch, aber schwächlich in den Schritten, bei denen nur eine Spule an war. Direkt an einem Pin der MCU geht also nur der full step drive ordentlich. Dabei sind ja immer 2 Spulen aktiviert, und das reicht dann auch bei dem recht schwachen Strom durch den FET des Portpins aus, um den Stepper in Bewegung zu versetzen. Das erklärt nun auch, warum da mit der 3V-Batterie manuell nichts zu machen war. Denn das kriegt man von Hand nicht so ohne Weiteres hin, immer die richtigen 2 Spulen gleichzeitig an zu machen. Um also eindeutige Effekte zeigen zu können, ist es schon ratsam, Transistoren wie den TIP120 zu schalten. Für spezielle Anwendungen hingegen, wenn man schon weiß, was man will und wie das geht, scheint es auch ok zu sein, den Stepper direkt an einem Port der MCU zu betreiben. Man könnte ja auch je Spule 2 Pins als 'sink' schalten. Dann gibt es mehr Strom pro Spule.
 Die Versuche zeigen auch, dass so ein Schrittmotor dazu da ist, ganze Schritte zu vollführen. Und in den Vollschrittpositionen stehen zu bleiben. Die Halbschritte sind nur dazu da, den Motor glatter drehen zu lassen, damit wird der wellige ruckelnde Verlauf gemildert. Halten sollte man in den Halbschrittpositionen aber nicht in echten Anwendungen. Halbe Positionen sind instabil, und wenn dort aktiv gehalten wird mit längeren Pulsen oder gar Dauerstrom, gehen die Spulen in die Ohmsche Betriebsart über, und werden heiß. In den vollen Schritten hingegen hält der Stepper passiv auch stromlos fest. Dazu sind sie gebaut.
-Es gibt ausgefuchstere Steuerungen, um Schrittmotoren anzusteuern, und Bausteine die das unterstützen, [[http://www.ti.com/lit/ml/sprt527/sprt527.pdf|z.B. Piccolo Motor Control]]. Das herauszufinden überlasse ich aber eurem Spieltrieb. Hier ging es mir um ein grundlegendes Experiment, um die Arbeitsweise des Motörchens zu erkennen.
+Es gibt ausgefuchstere Steuerungen, um Schrittmotoren anzusteuern, und Bausteine, die das unterstützen. Das herauszufinden überlasse ich aber eurem Spieltrieb. Hier ging es mir um ein grundlegendes Experiment, um die Arbeitsweise des Motörchens zu erkennen.
 ====== Einfache Forth-Programme für die Experimente ======