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Elektronische Systeme
Einführung
Unterschiedlichste elektronische System umgeben uns Tag täglich: Mobiltelefone, Laptops, Fahrzeugsteuerung… In diesem Kurs wollen wir eine Systemidee von Ihnen in elektronischer Hard- und Software umsetzen, um dabei die Einblicke in die Elektronikentwicklung zu erweitern. Ziel ist vor dem Jahresabschluss bereits die Systeme zu präsentieren.
Weiterhin ergeben sich vor den Prüfungen 4 Termine, bei welchen Experten aus der Industrie interessante Einblicke in die Elektronik darstellen. Hier bin ich auf Ihr Interesse angewiesen und offen für Ideen.
Bisherige Kurse
Im letzten Kurs wurden folgende Präsentationen gehalten:
- Wie wird eine Platine entwickelt?(externer Vortragender, Würth/WEdirekt)
Nutzentypen, Multilayer, Flex-Systeme, Vias - Weitere Tipps und Tricks zum Layouting von Platinen (Prof. Gruhler)
parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten, Führung von analoger und digitaler Masse, Aufbau von Multilayerplatinen, Kunst des Layoutings - Mikrocontroller-Technologien (externer Vortragender, Microchip)
Hardware-Software-Codesign, typische Haken und Ösen bei der Hardwareentwicklung - Software- und Systementwicklung (externer Vortragender, Bosch)
Prozesse, industrielle Tools, Tagesablauf
Gegebenenfalls könnten folgende Themen interessant sein:
- Wie kann ich Kommunikation und Datenablage sicher machen
Checksummen, Zyklische Redundanzprüfung, Hash-Funktionen, Kryptographie - Wie wandelt man - z.B. im Elektroauto, im Netzteil, in der Endstufe - Wechselspannung in Gleichspannung und umgekehrt
Halbbrücke, Buck/Boost-Converter, Vollbrücke, B6-Brücke, Transistortypen, Gegentaktendstufe * Warum brennen Prozessoren nicht durch?
Thermomanagement, Wärmestromkreis, transiente thermische Impedanz - komplexere Filter
Bandsperre, Bessel-, Butterworth-, Chebyshev-Filter, Ausnutzung von Resonanz - Künstliche Intelligenz
Projektvorschläge folgen bis zum Semesterbeginn. Eigene Projektvorschläge sind gerne gesehen.
Themen für Kurzvorträge
- Transistoren - Transistorstrukturen im Chip: von Standardzellen zu 3D-Integration und „Forksheet“-Transistoren (FinFETs, vertikale Transistoren, …)
- Transistoren - Einführung in CMOS
- Energiespeicher - Miniaturbatterien in Dünnschicht
- Energiespeicher - Supercaps und Hybrid-Supercaps
- Energiespeicher - Impedanzspektroskopie bei Batterien
- Controller - Multicore, Pipelining und Vectoring in Prozessoren
- Controller - DSPs
- Controller - Hardware-integrierte Neuronale Netze (analoge Neuronen über Resistive RAM, Compute in Memory, mathematische MAC Operationen, FPGAs, …)
- Einführung in den thermischen Stromkreis (z.B. Berechnungen mit Zth)
- Einführung in Photonik (optische Kopplung, Polarisationsmanagement, SiN-Wellenleiter)
Themen für Projekte
| Nr. | Thema | Beschreibung | Umfang | sinnvolle Interessen | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Softwareentwicklung? | Hardwareentwicklung? | Systementwicklung? | ||||
| 1 | Simulide Systemübersicht / Weiterentwicklung | Das Simulationstool Simulide ist in Cpp programmiert. Aktuell ist nicht bekannt, dass es eine Systemübersicht gibt (welche einzelnen SW-Module gibt es? wie interagieren diese?). Ein Ziel ist diese zu entwickeln. Als Start können verschiedene Forumsbeiträge genutzt werden, z.B. Kompilieren unter Win10). Weiterhin können kleine Komponenten umgesetzt werden (z.B. Motor mit „Spannungsausgang“ für Drehzahl, Verwendung des VCC Eingangs zum Start des Microcontrollers etc.) | 2 | ja, Cpp (in Windows) | Ja, Systemübersicht | |
| 2 | Einarbeitung in Falstad circuitjs | 2 | Ja, Java Script | Ja, Systemübersicht | ||
| 3 | WLAN-Hookup MEXLE (als standalone Basis Board) | OTA-Flashing für AVR-Chips / Mexle 328PB über ESP32 | 1…2 | Ja, C++ / C (embedded) | Ja, Schaltung/Layout in eagle | |
| 4 | eine „einfache“ Programmiersprache: Scratch auf dem MEXLE 328PB Board | (S4A) | 1…2 | Ja, Scratch | Ja | |
| 5 | (einfacher) Prozessornachbau in Falstad / digital | (z.B. RISC CPU) | 2…4 | Ja, Simulation | ||
| 6 | Modellierung eines Operationsverstärkers | (z.B. einfaches Modell, komplexeres Modell) | 1…2 | |||
| 7 | Elektronik-Management über Bar-, QR-Code (z.B. quaggaJS, automatischer Erstellung für eagle) | 1…2 | Ja, in eagle und ggf. PHP, Java Script | |||
| 8 | (weitere) Anpassung MEXLE ↔ Fischertechnik | Motor(treiber)output und Sensordaten-Input auf als Hookup auf Basis des AVR32DB. Konzeptionierung eines Demo-Fischertechnikaufbaus sinnvoll (z.B. kleines Fahrzeug mit 2 Motoren und div. Sensoren) | 2…3 | Ja, Schaltung/Layout in eagle | Ja, Fischertechnik-Demosystem | |
| 9 | „Leit“-Projekte entwickeln | Für die Fächer Grundlagen der Digitaltechnik und Elektronik-Labor sind Leitschaltungen zu entwickeln. Diese sollen den Studierenden zu Beginn des Semesters bereits eine Anwendung zeigen von dem, was Sie nach und nach erst lernen. Bei „Grundlagen der Digitaltechnik“ könnte dies z.B. eine einfache Implementierung der TWI Hardware sein. Diesen sollen in geeignete MEXLE2020 Module umgewandelt werden. Beim „Elektronik-Labor“ könnte dies z.B. eine Ansteuerung eines 3-phasigen Motors mit einem DRV88xx, einem AVR-uC und einem Lagesensor als Analoginput sein. (Ggf. ist dies auch für ET1, ET2, Microcontrollertechnik und ET-Labor möglich) | 1…2 | Ja, Schaltung/Layout in eagle und Simulation | Ja, Suche nach geeigneten Schaltungen und Systemen, Simulation in Falstad / Tina / Logic | |
| 10 | Magnetkreise mit FEMM auslegen (z.B. Elektromotor, Reluktanzmotor, Lautsprecher etc. ) | Das Programm FEMM ermöglicht die Simulation von elektrischen und magnetischen Effekten per finite Elemente. Ziel der Aufgabe ist ein Aufbau verschiedener Magnetkreise (Gleichstrommotor, Reluktanzmotor, Synchronmaschine, Lautsprecher etc. ) und eine Beschreibung wie dies umsetzbar ist zu erstellen. Die Struktur ist über ein CAD-Programm (z.B. AutoCAD) zu erstellen. Optimal ist ein Output als Animation | 1…2 | Ja, Simulation | ||
| 11 | Entwicklung von diversen Layouts | (1) Intelligentes Displaymodul mit Tasten: Anbindung der Tasten und des Displays an I2C (2) Funktionsgenerator-Hookup (auf AVR32DB Basisboard, welches bereits DAC und OPV hat). Umwandlung von unipolarem Signal (0..3,3V) in bipolares (-3,3V…+3,3V) (3) Template für zukünftige Sensormodule (4) Alternative Basisplatinen auf Basis des TI MSP430 oder PIC18 (ggf. auch STM8) | 3 | Ja, Schaltung/Layout in eagle | Ja, Konzepterstellung für Funktion, Pinning und Anforderung an Software | |
| 12 | Software I2C | I2C ohne die TWI-Register eines AVR-Chips über direkte Ausgabe von Bits implementiert werden. Hierfür ist bereits eine library von Peter Fleury vorhanden. Diese soll so erweitert werden, dass die I2C-Slaves dynamisch hinzugefügt werden können (ARP oder Address Resolution Protocol für „hot plug“). | 2…3 | Ja, C (embedded) | ||
Terminplanung
| Semester- woche | Termin | Modus | Projekt |
|---|---|---|---|
| 1 | 01.03 | Einführung | Auswahl des Projekts, Komponentensuche, Einlesen in Datenblätter, Projektplanung: - Mindmap - Gantt-Chart - Ressourcenplanung |
| 2 | 08.03 | ||
| 3 | 15.03 | Eigenständige Arbeit / Coaching | |
| 4 | 22.03 | ||
| 5 | 29.03 | ||
| 6 | 05.04 | ENTFÄLLT (Ostern) | |
| 7 | 12.04 | Eigenständige Arbeit / Coaching | |
| 8 | 19.04 | ||
| - | 26.04 | ENTFÄLLT (Prüfungen) | |
| - | 03.05 | ||
| - | 10.05 | ||
| - | 17.05 | ||
| - | 24.05 | ||
| 9 | 31.05 | Präsentationsslot 1-4, Coaching | |
| 10 | 07.06 | Präsentationsslot 5-8, Coaching | |
| 11 | 14.06 | Präsentationsslot 9-12, Coaching | |
| 12 | 21.06 | Präsentationsslot 13-16, Coaching | |
| 13 | 28.06 | Präsentationsslot 7-20, Coaching | |
Bei allen Veranstaltungen ist die Möglichkeit zu Rücksprachen zu den eigenen Projekten gegeben.
weiterführende Links
Theorie paralleler und verteilter Systeme von Hr. Prof. Tantau an der Uni Lübeck
Dimensionierung von Schaltnetzteilen
iPES: interaktives Power Electronics Seminar
diverse Skripte für Elektronik der ZHAW (Schweiz)