Elektronik für Informatiker

Eine Einführung in Analoge und Digitale Systeme für Informatiker mit Elektronikgrundlagen und Signalverarbeitung

Prof. Dr. Stefan Bosse

Universität Koblenz - FB Informatik - FG Praktische Informatik

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Überblick

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Einführung

Einführung

Worum geht es in diesem Kurs?

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Einführung

Worum geht es in diesem Kurs?

Durchführung von funktionalen Berechnungen und Signalverarbeitung mit analogen elektronischen Schaltungen, vor allem mit dem Operationsverstärker sowie Schnittstellen zu digitalen Computern.

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Einführung

Einführung

Worum geht es in diesem Kurs?

Durchführung von funktionalen Berechnungen und Signalverarbeitung mit analogen elektronischen Schaltungen, vor allem mit dem Operationsverstärker sowie Schnittstellen zu digitalen Computern.

Statt Bits und Bytes und Boolescher Algebra sind hier elektrische Ströme und Spannungen, das Ohmsche Gesetz und die Kirchhoffsche Regel das Werkzeug.

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Worum geht es?

Worum geht es?

Es geht um maschinelles Rechnen. Aber:

Kann man Berechnungen nur mit digitalen Rechnern durchführen?

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Worum geht es?

Worum geht es?

Es geht um maschinelles Rechnen. Aber:

Kann man Berechnungen nicht auch mit analogen Maschinen durchführen? Warum? Wieso? Wie? Was sind analoge Rechenmaschinen? Kann man die digitale Informatik abschaffen?

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Worum geht es?

Worum geht es?

Es geht um maschinelles Rechnen.

Wir beschäftigen uns mit dem automatisierten Entwurf von analogen Elektronikschaltungen für numerische Berechnungen und den Algorithmen dafür.

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Worum geht es?

Worum geht es?

Es geht um maschinelles Rechnen.

Wir beschäftigen uns mit dem automatisierten Entwurf von analogen Elektronikschaltungen für numerische Berechnungen und den Algorithmen dafür.

Dabei sollen Analogrechner in Sensornetzwerken alleinstehend oder als Ergänzung (Koprozessor) eingesetzt werden. Die Miniaturisierung und Integration steht im Vordergrund.

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Worum geht es?

Worum geht es?

Ein Analogrechner aus den 70er/80er Jahren zum Lösen von numerischen Problemen

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Die Zeit vergeht ... und der Rost kommt.

Die Zeit vergeht ... und der Rost kommt.

Ein Analogrechner aus den 70er/80er Jahren zum Lösen von numerischen Problemen - einige Jahre später...

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Analog versa Digital

Analog versa Digital

Analog

  • Werte von Variablen sind kontinuierlich ∈ ℝ
  • Signale (z.B. von Sensoren) sind wert- und zeitkontinuierlich
  • "Auflösung" und Dynamikbereich der Werte nur durch physikalisches Rauschen begrenzt
  • Abhängigkeit von Umweltbedingungen

Digital

  • Werte von Variablen sind diskret ∈ 𝕀 / 𝔽
  • Signale (z.B. von Sensoren) sind wert- und zeitdiskret
  • "Auflösung" und Dynamikbereich durch Anzahl von Bits und Kodierung bestimmt
  • Keine Abhängigkeit von Umweltbedingungen
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Analog versa Digital

Analog

Digital

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Analog versa Digital

Analog

Digital

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Analog versa Digital

Analog versa Digital

Kriterien und Eigenschaften

Präzision
Ein Messgerät gilt als präzise, wenn es Messwerte erzeugt, die möglichst eng um den Mittelwert der aufgenommenen Messreihe streuen.
Richtigkeit
Die Richtigkeit beschreibt die Differenz des Mittelwerts der Messwerte vom tatsächlichen, wahren Wert.
Genauigkeit
Ein Messgerät gilt als genau, wenn es Messwerte liefern kann, die möglichst eng und nahe am Referenz- beziehungsweise wahren Wert liegen, also präzise und richtig sind.
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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Analog versa Digital

Analog versa Digital

Analoge Messtechnik und Analoge Signal­verarbeitung gelten als unpräzise und ungenau.

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Analog versa Digital

Analoge Messtechnik und Analoge Signal­verarbeitung gelten als unpräzise und ungenau.

Digitale Messtechnik und digitale Daten­verarbeitung gelten als präzise.

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Analog versa Digital

Analog versa Digital

Analoge Messtechnik und Analoge Signal­verarbeitung gelten als unpräzise und ungenau.

Digitale Messtechnik und digitale Daten­verarbeitung gelten als präzise.

Aber Richtigkeit und Genauigkeit in der digitalen Welt sind auch nur eine Illusion.

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Rechnen auf kleinsten Raum ...

Rechnen auf kleinsten Raum ...

Keine Schaltschränke, sondern Staubkörner

(a) "Smart Dust" 50μm Mikrochip von Hitachi mit ARM Cortex Prozessor und RFID (b) "Smart Sensor Mote" von Warneke et al. (c) DFG Forschungsgruppe 3022, Drahtloser Sensorknoten, IMSAS Bremen

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: In-Sensor Berechnung

In-Sensor Berechnung

(Links) Getrennte Sensoraufnahme, Vorverarbeitung, Kommunikation und zentrale Berechnung (Rechts) Berechnung im Sensor, Aggregation nur von reduzierten Informationen

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: "Programmierbare" Analogrechner on Chip

"Programmierbare" Analogrechner on Chip

Es geht auch klein: Feldprogrammierbare Analog Array (FPAA) Mikrochips mit digitaler Schnittstelle

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Organische Elektronik

Organische Elektronik

Flexible und gedruckte organische Transistoren: Von Materialien zu integrierten Schaltungen

Verschiedene Fertigungsverfahren und Größe von Transistoren

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Organische Elektronik

Organische Elektronik

Flexible und gedruckte organische Transistoren: Von Materialien zu integrierten Schaltungen

Transistorgröße auf Folie Komplexe Schaltung (OPAMP)

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Topics

Topics

  1. Analoge und Digitale Berechnung
  2. Grundlagen Elektronik und Sensorik
  3. Der Operationsverstärker: Der analoge Universalrechner - vom mathematischen Modell zur Elektronikschaltung
  4. Analog-Digital Schnittstellen und Wandlung
  5. Sensoren, Signale und Signalverarbeitung
  6. Berechnung mit Operationsverstärkern
  7. Analoge Künstliche Neuronale Netzwerke
  8. Simulation von Elektronikschaltungen: SimLab mit Spice3 und CircuitJS
  9. Der technische Aufbau von Elektronikschaltungen: DiAnaLab mit Hardware Experimentierkasten
  10. Praktische experimentelle Übungen
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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Übungsformat

Übungsformat

  1. Notebooks: Alle Übungen sind digital und werden im Web Browser bearbeitet (lokal, ggfs. off-line). Die Inhalte einer Übungseinheit werden als Datei im JSON Format gespeichert und hochgeladen.

  2. Simulation (Browser, nativ)

  3. Technische Experimente

Alle Dokumente, Videos, und Übungen gibt es hier: https://edu-9.de/Lehre/ads1k.

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Literatur

Literatur

Manfred Rost, Sandro Wefel
Elektronik für Informatiker
De Gruyter Studium

Jimmie J. Cathey
Schaum's Outline of Electronic Devices and Circuits

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Elektrische Ströme und Spannungen

Elektrische Ströme und Spannungen

https://mg-spots.com/ Elektrische Spannung U, Stromfluss I

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Elektrische Ströme und Spannungen

Elektrische Ströme und Spannungen

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Bauteile der Elektronik

Bauteile der Elektronik

https://catalogue-staging.cpcompany.com/study/simbologia-de-componentes-eletronicos.html

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Elektronische Schaltungen

Elektronische Schaltungen

Netzwerkberechnungen und Netzwerktheorie

Netzwerke sind komplexe Schaltungen - und umgekehrt.Ein Netzwerk besteht aus Punkten, die mitei-nander in Verbindung stehen. Die Punkte müssen dabei so verbunden sein, dass mindestens ein Punkt mit drei anderen Punkten verbunden ist und dass jeder Punkt mit mindestens zwei anderen Punkten in Verbindung steht.

Höwing, 2021
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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Kennlinien

Kennlinien

  • In der Digitaltechnik und Informatik benutzt man funktionale Ausdrücke oder Diagramme um das Verhalten von Berechnungen, Algorithmen und Programmen zu beschreiben.
  • In der Elektronik benutzt man häufig Kennlinien

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Simulation

Simulation

  1. CircuitJS

  2. Spice3

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Simulation

CircuitJS

CircuitJS ist ein vielseitiger, kostenloser und quelloffener elektronischer Schaltungssimulator, der direkt in einem Webbrowser ausgeführt wird und sowohl für die Online- als auch für die Offline-Verwendung zugänglich ist. Dieses Tool ist sehr interaktiv gestaltet und ermöglicht Benutzern das Experimentieren mit einer Vielzahl von elektronischen Komponenten wie Batterien, Widerständen, Induktivitäten und Kondensatoren.

CircuitJS eignet sich sowohl für Anfänger als auch für Fortgeschrittene und ermöglicht es den Lernenden, elektronische Schaltkreise durch einen praktischen Ansatz zu visualisieren und zu verstehen. Benutzer können Komponentenwerte, Ausrichtungen und Platzierungen einfach anpassen und erhalten so ein klares Verständnis von Konzepten wie Spannungsteilung, Stromfluss und grundlegenden Schaltungsoperationen. Diese virtuelle Umgebung hilft dabei, theoretisches Wissen in praktische Erkenntnisse umzuwandeln, indem das reale Schaltungsverhalten simuliert wird.

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Simulation

CircuitJS

CircuitJS wurde ursprünglich von Paul Falstad entwickelt und später von Lush Projects erweitert und ist ein leistungsstarkes Lernwerkzeug, das die Komplexität des Lernens elektronischer Schaltkreise vereinfacht. Es ist besonders vorteilhaft für Studenten und Pädagogen und bietet eine benutzerfreundliche Oberfläche, die das effektive Lehren und Lernen von Schaltungsprinzipien unterstützt. Indem es Benutzern ermöglicht, Schaltkreise interaktiv zu manipulieren, erleichtert CircuitJS das Erfassen der Grundlagen der Elektronik und deren Anwendung in praktischen Szenarien.

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: CircuitJS

CircuitJS

+

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: CircuitJS

Spice3

Schaltung

Spice3 Netzliste

Simulationsergebnisse

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Technische Experimente

Technische Experimente

DiAnaLab

In Kombination mit dem Elektronikstecksystem der Firma ELV mit Operationsverstärkern (Analogrechner)

Das Experimentierboard DiAnaLab: 8 universelle Recheneinheiten (OPAMP), 2-4 Multipliziereinheiten, Stromversorgung, Ergänzungsplätze, STM32 μController, AD- und DA Wandler, PWM Module (ohne Verdrahtung)

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Technische Experimente

Technische Experimente

  • Die technischen Experimente können auch mit eigenen Mitteln zu Hause mit einem einfachem Steckbrett und ggfs. den ELV Bauteilkomponenten durchgeführt werden.
  • Alle Bauteile sind frei erhältlich

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Sensoren und Aktoren

Sensoren und Aktoren

  • Robotik
  • Mess- und Prüftechnik
  • Alltägliche Geräte
  • Mobile Geräte

Rost, Wefel, 2021

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Sensoren und Aktoren

Sensoren und Aktoren

  • Abstandssensoren, Längen- und Wegmessung
  • Beschleunigungssensoren
  • Elektrische Größen (Spannung, Strom)
  • Wärme, Temperatur
  • Akustik, Schallwellen (Mikrofon)
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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Signale und Signalverarbeitung

Signale und Signalverarbeitung

Zwei Signalarten sind zu unterscheiden: Stationäre Signale und zeitabhängige Signale.

  • Robotik
  • Mess- und Prüftechnik
  • Alltägliche Geräte
  • Mobile Geräte
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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Elektrischer Widerstand

Elektrischer Widerstand

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Elektrischer Widerstand

Elektrischer Widerstand

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Ohmsches Gesetz

Ohmsches Gesetz

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Baulemente

Baulemente

Transistoren als Verstärker

https://mg-spots.com/ Veranschaulichung des Transistorprinzips mit einem "Wasserkraftwerk"

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Überblick :: Baulemente

Transistoren: Elektrisch

https://mg-spots.com/ (Bipolare) Transistoren: Stromfluss und Spannungen

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Die Elementarzelle: Der Operationsverstärker :: Baulemente

Die Elementarzelle: Der Operationsverstärker

Funktionsblock

Spannungsgesteuerte Spannungsquelle Stromgesteuerte Spannungsquelle

E-Schaltung

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Stefan Bosse - ADS - Modul 0 Die Elementarzelle: Der Operationsverstärker :: Baulemente

Die Elementarzelle: Der Operationsverstärker

E-Schaltung

Demo zum Begreifen

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