Das Gerät nimmt ein analoges Fehlersignal entgegen und schickt es nach einer Vorverstärkung auf zwei unabhängige PID-Regler. Die Regler unterscheiden sich in der Geschwindigkeit der eingesetzten Operationsverstärker. Der langsamere Regler ist mit einem zweipoligen Tiefpassfilter dafür vorbereitet, einen Piezoaktor eines Lasers anzusteuern. Der schnellere Regler ist dazu gedacht, den Strom eines Diodenlasers zu beeinflussen.
Alternativ zur Regelung kann eine Dreieckssignal von einem internen Generator auf die Aktoren gegeben worden. Frequenz und Amplitude des Dreieckssignals lassen sich ebenso wie Parameter der Regler über Trimmer und Potentiometer von außen einstellen.
Das Gerät kann in Kleinserie nachproduziert werden. Eine sinnvolle Seriengröße ist 16. Das ergibt sich aus den Abmessungen der Platinen und der Preisstruktur der Leiterplattenhersteller.
Mehrere Serien mit jeweils 16 Exemplaren sind auf die Labore verteilt.
Im Nachfolge-Projekt PID-Thijs2 sind viele der kleinen Schwächen des PID-Thijs ausgebügelt. Das betrifft hauptsächlich das Layout und die Wahl der Komponenten. Die Schaltung ist funktional gleich zu der von PID-Thijs v5.
Man kann das Fehlersignal entweder vor den beiden Regelplatinen aufteilen, oder es durch den Stromregler durchschleifen, bevor es zum Piezo-Regler gelangt. Bei Magnesium/Matthias Riedmann kommt der erste Fall zum Einsatz. Dabei wird eine AC-Kopplung im Stromteil eingebaut und der Integrator dort nicht verwendet.
Die zweite Möglichkeit wird bei Casi (Thijs Wendrich, Michael Giloswski) und Atlas (Maic Zaiser) eingesetzt.
Der Schalter auf den Reglerplatinen trennt zwar das Dreieckssignal von der Regelschleife. Der Dreiecksgenerator läuft aber im Hintergrund weiter. Dessen Frequenz spricht auf den Signalpfad über und prägt sich so als Störung auf das geregelte System auf.
Abhilfe kann ein zusätzlicher Schalter schaffen, mit dem der Dreiecksgenerator still gelegt werden kann. Dieser Schalter sollte die Verbindung zwischen den beiden Operationsverstärkern des Generators trennen (IC12 und IC13). Neben dem “Range”-Knopf ist gerade noch Platz für die Montage des Schalters.
Die erste Verstärkerstufe lässt sich über die DIP Switches einstellen. Ist diese Variation nicht genug können Änderungen auf der Platine vorgenommen werden:
Wenn mehr Geschwindigkeit benötigt wird, können die Operationsverstärker IC4 der Dreiecksgenerator-Platine und IC1,IC5,IC3,IC4 (und wenn Filter benutzt werden: IC6/IC7) des schnellen Regelpfades durch den LT1363 ersetzt werden. Zum schnellen und direkten Treiben einer kapazitiven Last (z.B. Piezo) bietet sich zudem der LM7121 als hervorragende Ausgangsstufe an (IC8 auf Current-Pfad) Um die schnellen Operationsverstärker zu betreiben, sollten die Wiederstände in der Rückkopplung nicht zu groß sein(<1 kΩ). Dies betrifft folgende Widerstände:
Dreicksgenerator:
R5,R6,R9,R11: 10k
R7,R8: 6.8 k
Schneller Pfad (Current):
R13,R16,R11,R10,R14,R9,R4,R5,R6,R22,R21: 1k
R17: 10k
R12,R7: 100
R23: 2k
R25: 0
Poti R1: 10k
Dreifach-Dipswitch, links | |
---|---|
0xx | Input Offset aktiviert |
1xx | Input Offset auf Null |
x1x | Mittlerer Schalter ist nicht belegt |
xx1 | Langsame Frequenz des Dreiecksgenerators |
xx0 | Schnelle Frequenz des Dreiecksgenerators |
Fünffach-Dipswitch an den Reglern | ||
---|---|---|
001xx | nicht-inverend | Positives Vorzeichen des Reglers |
110xx | invertierend | Negatives Vorzeichen das Reglers |
x11xx | nicht erlaubt | Verbindet das Signal mit GND |
xxx00 | * 11 | Erste Verstärkerstufe mal 11 |
xxx01 | * 10 | Erste Verstärkerstufe mal 10 |
xxx10 | * 1.1 | Erste Verstärkerstufe mal 1 |
xxx11 | * 0.1 | Erste Verstärkerstufe mal 0.1 |
100xx | nicht sinnvoll | |
000xx | nicht sinnvoll | |
010xx | nicht sinnvoll | |
101xx | nicht sinnvoll |
Dabei steht “1” für Schaltestellung oben, “0” für Schaltestellung unten und “x” für beliebige Schalterstellung.
Eine sinnvolle Stellung der Jumper bei Inbetriebnahme ist: 000, 00110, 00110
Das Gerät muss zuerst aufgeschraubt werden. Anschließend sollten die Verbindungen der Dreiecksgenerator-Platine zu den beiden anderen Platinen getrennt werden.
(+)
-Port des linken Ausgangs mit dem (-)
-Port des rechten Ausganges verbunden. Schließlich wird das XLR-Kabel zuerst mit der Masse (gelb) an dieses Verbindungskabel angeschlossen, danach die beiden anderen Komponenten des XLR-Kabels (schwarz an schwarz, rot an rot). Die Stromanzeigen am Netzgerät zeigen nun an, wie viel Strom gezogen wird. Dieser sollte hier (bei beiden Anzeigen unabhängig voneinander) deutlich unter 200mA liegen. Ansonsten sollte das XLR-Kabel bald wieder herausgezogen werden, damit die Platine nicht zu heiß läuft.
COM
und mit V
beschriftet sind, benutzt werden). Dazu wird die an COM
angeschlossene Messspitze an die Masse gehalten (mittlerer Pin bei N1, unterer Pin bei N2) und die andere an out (oberer Pin bei beiden); die Spannung sollte am Ausgang von N1 bei ca. +15V liegen und am Ausgang von N2 bei ca. -15V. Es kann hier auch nochmals der Eingang von +/-18V überprüft werden. Dazu muss die eine Messspitze sowohl bei N1, als auch bei N2 wieder an die Masse gehalten werden und die andere Messspitze wird an “in” gelegt (bei N1 der untere Pin und bei N2 der mittlere Pin). Bei Unsicherheiten bzgl. der Pinbelegung kann man die Spannungsreglerbelegungen von 78xx (postiver Spannungsregler, N1) und 79xx (negativer Spannungsregler, N2) betrachten.
Bei den folgenden Messungen muss immer die eine Messspitze an die Masse gehalten bzw. angeklemmt werden. Diese stellt wie bereits erwähnt beispielsweise der BNC-Stecker des Monitors dar.
Der Dreiecksgenerator sollte intern ein Dreieckssignal generieren. Dies kann mit dem Oszilloskop an JP9 nachgemessen werden. JP9 befindet sich auf der linken Seite der Platine direkt rechts neben dem 2-Pol Stecker, der mit dem Schalter verbunden ist (siehe Schaltplan!). Die Messspitze wird an das Oszilloskop angeschlossen und anschließend muss diese an den Kontakt des roten Kabels gehalten werden. Nun sollte ein Dreieckssignal zu sehen sein. Falls dies nicht der Fall ist, sollte zuerst die Einstellung des Oszilloskops überprüft werden. (Tipp: Man kann mithilfe des Trigger Menus dafür sorgen, dass sich das Signal nicht mehr bewegt. Manchmal kann es auch hilfreich sein auf “Autoset” zu drücken, sodass die Einstellungen automatisch erfolgen.) Durch das Drehen des “Speed”-Knopfes an der Frontplatte des PID sollte eine Frequenzveränderung zu sehen sein. Der “Range”-Knopf sollte wiederum die Amplitude verändern.
Anschließend soll das Signal an JP18 gemessen werden. Dieser 2-Pol Stecker befindet sich vorne links auf der Platine und sollte mit dem BNC Stecker in der Gehäuse-Rückwand verbunden sein (siehe Schaltplan). Die Messspitze wird wieder an den Kontakt des roten Kabels gehalten. Das Oszilloskop sollte ein Rechtecks-Signal zeigen, welches etwa eine obere Spannung von +5V und eine untere Spannung von -0,7V besitzt. (Tipp: Um dies gut zu erkennen, kann die Skala auf 1V festgelegt werden.) Wenn man nun den Schalter 3 vom Switch S2 (siehe Schaltplan) an- und ausschaltet verändert sich die Frequenz. Der Dip Switch sollte mit einer Multimeterspitze (auf keinen Fall mit der Oszilloskopsspitze!) betätigt werden.
Nun muss ein symmetrisches Dreiecks-Testsignal mithilfe des Frequenzgenerators mit einer Frequenz von 100 Hz und einer Amplitude von 1V angelegt werden. Mithilfe eines T-Stücks kann das Signal an den PD Input und an das Oszilloskop angeschlossen werden. Das Testsignal sollte somit auf dem Oszilloskop auf Channel 1 zu sehen sein. Anschließend soll der Monitorausgang des Dreiecksgenerators ebenfalls an das Oszilloskop angeschlossen werden. Dieser sollte das Testsignal mit gleicher Amplitude und invertiert (um 180° phasenverschoben) wiedergeben. Danach sollte der Input-Offset-Regler getestet werden. Beim Drehen des Reglers sollte sich das Signal auf und ab bewegen. Der Schalter 1 vom Switch S2 schaltet diesen an und aus bzw. wird das Signal symmetrisch um die Null verschoben. Anschließend müssen die Signale an JP7 und JP8 gemessen werden. Diese befinden sich hinter den Kondensatoren und führen zu den anderen beiden Platinen (siehe Schaltplan). Die eine Messspitze muss erneut an die Masse angeschlossen werden und die andere wieder jeweils an die Kontakte der roten Kabel. Es sollte genau wie bei dem Monitorausgang bei beiden das Eingangssignal mit gleicher Amplitude und invertiert zu sehen sein.
Das Testsignal (Symmetrisches Dreieck, Frequenz: 100 Hz, Amplitude: 1V) sollte immernoch am PD Input angeschlossen sein. Da nun die Piezo-Platine getestet werden soll, muss diese erst einmal angeschlossen werden. Dazu sollte zuerst kurzzeitig das XLR-Kabel entfernt werden, damit kein Strom mehr fließt. Als Erstes kann der 5-Pol Stecker JP2 des Dreiecksgenerators mit JP4 der Piezo-Platine angeschlossen werden. Anschließend kann der 2-Pol Stecker JP7 des Dreieckgenerators an JP2 der Piezo-Platine angeschlossen werden und die letzte Verbindung geht von JP9 des Dreieckgenerators zu JP1 der Piezo-Platine (siehe Schaltplan). Der Mode-Schalter S4 sollte in mittlerer Stellung sein. Im Folgenden muss immer an Pin 6 des Operationsverstärkers IC5 (hängt ein Plan in der Elektronikwerkstatt aus) mit der Messspitze gemessen werden. Die eine Seite sollte wieder an die Masse (z.B. Monitor) gehalten werden. Als Erstes muss der Dipswitch S1 codiert werden: 00110. Dabei sollte am OP ein nichtinvertiertes Signal zu erkennen sein, bei welchem die Amplitude ein Verhältnis von 1:1 zum Testsignal besitzt. Wenn man den Dipswitch auf 00101, sollte ebenfalls ein nichtinvertierts Signal, allerdings diesmal im Verhältnis 10:1 zum Testsignal gemessen werden. Als Letztes wird der Dipswitch S1 auf 11010 codiert. Diesmal sollte sich ein invertiertes Signal im Verhältnis 1:1 zeigen.
Der Dipswitch S1 sollte auf 00111 codiert sein. Der Mode-Schalter S4 bleibt in mittlerer Stellung. Die Schalter S2 und S3 für den I- und den D-Teil bleiben erstmal aus (untere Stellung). Am Besten können die Widerstände im Folgenden an den Vias (runde Durchführung in der Platine)an der Seite des Operationsverstärkers IC 3 gemessen werden. Das bedeutet an den Leiterbahnen, die in Richtung IC3 verlaufen. Wenn man an R4, dem oberen Widerstand, misst, sollte sich bei dieser Einstellung ein Signal mit einer Amplitude im Verhältnis 1:10 zum Testsignal und außerdem invertiert zeigen.
Nun sollte nur der I-Teil (S2 und S3) angeschaltet werden. Wenn man an dem Widerstand R5 misst, sollte das Signal an den Anschlag des Oszilloskops wandern bzw. bei günstiger Einstellung des Signaloffsets am Dreiecksgenerator ist ein sinusartiges Signal zu messen.
Der D-Teil soll eingeschaltet werden und der I-Teil muss abgeschaltet werden. Man kann versuchen den Trimmer R3 so einzustellen, dass er etwa mittig steht. An dem Widerstand R6 sollte ein Rechteckssignal zu erkennen sein. Mit dem Trimmer R3 müsste die Amplitude des Signals einstellbar sein.
Sowohl der D-, als auch der I-Teil müssen abgeschaltet werden. Der Mode-Schalter S4 sollte in unterer Stellung sein. Am Ausgang “Output” der Piezo-Platine sollte das Testsignal invertiert zu sehen sein. Mithilfe des Output Offset Potentiometers kann dieses verstellt werden. Insofern sollte man darauf achten, dass das Potentiometer ungefähr mittig eingestellt ist. Mit dem Trimmer R1 sollte die Verstärkung des Signals zwischen dem Eingang und dem Ausgang von sehr viel kleiner als 1 bis sehr viel größer als 1 (Ausgangssignal im Vergleich zum Testsignal) einstellbar sein.
Das Dreieckssignal muss am Frequenzgenerator auf eine Frequenz von 1kHz und eine Spannung von 1V umgestellt werden. Anschließend soll an Pin 6 von IC6 und IC7 gemessen werden. Es sollte sich bei dem Signal um ein Dreieck mit abgerundeten Ecken handeln, welches zudem eine deutliche Phasenverschiebung im Vergleich zum Eingangssignal aufweisen sollte.
Der I- und der D-Teil sollten abgeschaltet werden. Das Eingangssignal soll wie zuvor wieder auf eine Frequenz von 100 Hz und eine Spannung von 1V eingestellt werden. Der Mode-Schalter S4 soll in der oberen Stellung sein. Der Schalter, der sich neben dem “Range”-Knopf des Dreiecksgenerators befindet, sollte eingeschaltet sein (obere Stellung). Es soll nun das Dreieck des internen Funktionsgenerators am Ausgangsmonitor zu sehen sein.
Der Schalter S4 soll sich in mittlerer Stellung befinden. Daraufhin sollte am Ausgangsmonitor eine konstante Spannung anliegen, die mit dem Output Offsetknopf der Piezo-Platine einstellbar ist. Bei unterer Schalterstellung von S4 sollte am Ausgangsmonitor im Wesentlichen das Eingangssignal invertiert zu sehen sein.
I- und D-Teil müssen abgeschaltet werden und das Dreieckssignal am Eingang muss wieder in der vorige Einstellung sein (Frequenz: 100 Hz, Amplitude: 1V)
Das Testen der Current-Platine ist dem der Piezo-Platine ziemlich ähnlich. Deshalb wird dieses im Folgenden nur in Stichpunkten beschrieben. Ein wichtiger Aspekt ist hier, dass schnellere OPs verbaut sind. Die Zeitkonstanten von I und D sind entsprechend kürzer. Daher sollte das Testsignal 1 kHz statt 100 Hz sein.
I- und D-Teil müssen abgeschaltet werden und das Dreieckssignal am Eingang ist immernoch auf derselben Einstellung (Frequenz: 1 kHz, Amplitude: 1V)
Ein minimales 19“-Gehäuse, das eine Höheneinheit hoch und 60 mm tief ist. Modell MGF44061 von Daub CNC Technik.
was | Anzahl | Einzelbetrag | Gesamt | Kommentar |
Haupt-Platinen | 3 | 21.50 € | 64.50 € | Basista-Serie, auf 14 Stück umgelegt |
Anschlussplatine | 1 | 8.50 € | 8.50 € | Basista-Prototyp, 14 Stück |
Gehäuse | 1 | 65.00 € | 65.00 € | 19", 1HE, Kompaktgehäuse, gebohrt. |
Anschlüsse | 7 | 2.90 € | 20.30 € | BNC, liegend, isoliert |
Versorgung | 1 | 4.00 € | 4.00 € | XLR3, 7815, 7915, Dioden, Elcaps |
Drahtwendelpoti | 2 | 7.00 € | 14.00 € | Spectrol 534 |
Wendelpotiknopf | 2 | 2.60 € | 5.20 € | OKW 2523 + Kappe |
Schalter | 4 | 2.60 € | 10.40 € | ein-ein, APEM 5200 |
Schalter | 2 | 6.60 € | 13.20 € | ein-aus-ein, C+K, ET03MD1AVBE |
DIP-Switch | 3 | 0.70 € | 2.10 € | |
Trimmer | 6 | 0.60 € | 3.60 € | |
Poti | 2 | 0.70 € | 1.40 € | |
Potiknopf | 2 | 1.70 € | 3.40 € | |
Platinenverbinder | 7 | 0.60 € | 4.20 € | |
MKS-Kondensatoren | 3 | 1.80 € | 5.40 € | |
SMD-Bestückung 1 | 2 | 42.00 € | 84.00 € | Regler-Platinen, inkl. Material |
SMD-Bestückung 2 | 1 | 32.00 € | 32.00 € | Rampengenerator-Platine, inkl. Material |
Verschnitt | 1 | 45.00 € | 45.00 € | Rampengenerator-Platine, inkl. Material |
Summe | 386.20€ |
Dazu kommt noch Montage-Aufwand von etwa einem Hiwi-Tag.
Die SMD-Bestückung wird bei Folgeaufträgen etwa 10 € günstiger, weil dann weniger Einmal-Kosten anfallen.
Was für die nächste Version wünschnewert ist: (: verworfen,
: in Arbeit,
: im Schaltplan, aber noch nicht im Layout,
: erledigt)