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Operationsverstärker-Grundschaltungen

2011-09-01T12:33:43Z

Freiburger: /* Spannungsfolger (Impedanzwandler) */

== Idealisiertes Modell eines OPV ==

=== Anschlüsse ===
Ein Operationsverstärker hat zwei Eingänge (+) und (-) und einen Ausgang
(UA). Außerdem verfügt er über eine positive und eine negative
Spannungsversorgung (V+) und (V-).

=== Spannungsversorgungen ===
Die Spannungsversorgungen sollen zunächst nicht interessieren. Sie
werden in Schaltungen oft nicht eingezeichnet.
In der Praxis ist es jedoch wichtig zu wissen, dass die Ausgangsspannung immer zwischen (V+) und (V-) liegt. Die Ausgangsspannung des OPV kommt schließlich dadurch zustande, dass der Ausgang über einen Transistor mehr oder weniger hochohmig mit den beiden Versorgungsspannungen verbunden wird.

Wenn man einen OPV also mit +5V versorgt, so kann der OPV im besten Fall am Ausgang +5V erzeugen. Man würde in diesem Fall von einem "Rail-to-Rail" Operationsverstärker sprechen.
Bei vielen Operationsverstärkern ist die maximal mögliche Ausgangsspannung geringer als die Versorgungsspannung. Ein mit +5V Spannungsversorgung beschalteter OPV kann dann beispielsweise nur +4V Ausgangsspannung erzeugen.

| \
| \
-- | - \
| \_______
| /
-- | + /
| /
| /

=== Ausgang ===
Der Ausgang des OPV ist eine ideale Spannungsquelle. Das bedeutet, dass die
Ausgangsspannung unabhängig davon ist, was ausgangsseitig an den OPV
angeschlossen wird.
In der Praxis gilt dieses Modell häufig nur bei "sinnvollen Anwendungen". So ist beispielsweise der Ausgangsstrom des OPV nach oben begrenzt (typischerweise im mA-Bereich), und manche OPV schwingen sehr leicht, wenn man sie kapazitiv belastet.

=== Eingänge ===
Die Eingänge eines OPV sind hochohmig, d. h., es handelt sich nur um "Messfühler", die keinen Strom führen.

=== Funktionsweise ===
Der OPV mißt zu jeder Zeit die Differenz <math>U_D = U(+) - U(-)</math> der
Eingangsspannungen.

Ist die Spannung an (+) größer als an (-), so erhöht der OPV die
Ausgangsspannung.
Ist die Spannung an (+) niedriger als an (-), so vermindert der OPV die
Ausgangsspannung.

Das Ergebnis dieses Vorgangs wird häufig über die Gleichung:

<math>U_a = v \cdot U_D</math>

beschrieben, wobei <math>v</math> eine sehr große Zahl (10^4...10^6) ist.

Mit Hilfe der beschriebenen Funktionsweise lassen sich alle grundlegenden Schaltungen herleiten.

=== Beispiel ===

Betrachtet wird die invertierende Grundschaltung nach Abbildung a) im Abschnitt "Verstärkergrundschaltungen".

Für die Pfeilrichtungen der Spannungen und Ströme gilt:

<math>U_e</math>: von oben nach unten

<math>I_{R3}</math>: von links nach rechts

Die Spannung am (+)Eingang ist gleich Null. Die Spannung am (-)Eingang wird durch die Spannungsquelle <math>U_e</math> und durch die im OPV befindliche und mit dem Ausgang verbundene Spannungsquelle des OPV manipuliert.

* Ist die Spannung am (-)Eingang negativ, so erhöht der Operationsverstärker die Ausgangsspannung. Dadurch wird auch die Spannung am (-)Eingang positiver. Und zwar so lange, bis die Spannung am (-)Eingang gleich groß ist, wie die Spannung am (+)Eingang, also U(-)=0V.
* Ist die Spannung am (-)Eingang positiv, so vermindert der Operationsverstärker die Ausgangsspannung. Dadurch wird auch die Spannung am (-)Eingang negativer. Und zwar so lange, bis die Spannung am (-)Eingang gleich groß ist, wie die Spannung am (+)Eingang, also U(-)=0V.

Der Operationsverstärker wird also die Spannungen an (+) und (-)
angleichen. Das passiert immer dann, wenn der Ausgang mit dem (-)Eingang
verbunden ist. Man nennt das Prinzip "Gegenkopplung". Auf diese Art und
Weise funktionieren alle analogen OPV-Schaltungen.

Da an (+) Massepotential anliegt, liegt an <math>R_3</math> die Spannung <math>U_e</math> an, und es gilt:
<math>I_{R3}=\frac{U_e}{R_3}.</math>

Da der (-)Eingang hochohmig ist, fließt <math>I_{R3}</math> über <math>R_4</math> weiter zum OPV-Ausgang.

Ua ist die Spannung vom Ausgang zur (virtuellen) Masse am (-)Eingang.
(--> Pfeil einzeichnen und klarmachen, daß es egal ist, ob der Pfeil vom
Ausgang zur Masse geht oder vom Ausgang "entgegen der Stromrichtung" zur
virtuellen Masse an (-)!)

Mit Hilfe von <math>I_{R3}=\frac{U_e}{R_3}</math> ergibt sich:

<math>U_a = -R_4 \cdot I_{R3} = -{{R_4} \over {R_3}} \cdot U_e.</math>

Die Energie für den Stromtransport über <math>R_4</math> stammt vom OPV! Sobald die Ladungen ausgehend von der Spannungsquelle <math>U_e</math> die virtuelle Masse an (-) erreicht haben, hat <math>U_e</math> seine gesamte Energie abgegeben.

== Reale OPs / Kennwerte ==
Abweichend vom idealen OP besitzen reale OPs diverse Einschränkungen und Kennwerte, die sie für verschiedene Einsätze mehr oder weniger prädestieren.

=== Leerlaufverstärkung ===
Die Leerlaufverstärkung gibt an, wie stark sich das Ausgangssignal i.A. der Änderung eines Eingangsignals statisch ändert, bzw nach dem Einschwingen erreichen könnte, wenn es nicht durch die Betriebsgrenzen limitiert wäre.

=== Anstiegszeit ===
Bestimmend für die dynamische Änderung des Signal ist wiederum die slew rate, die wesentlich das AC-Verhalten bestimmt.

=== Frequenz-Bandbreiteprodukt ===

=== Gleichtaktverstärkung ===
Infolge des inhomogenen Aufbaus der internen Verstärkerstufen wird den die beiden Eingangssignale nicht exakt gleich verstärkt, was in einen Gleichanteil und einen Differenzaneil aufgeteilt werden kann. Der nicht erwünschte common mode ist dabei ein Mass für die Qualität des OP.

== Verstärkergrundschaltungen ==
=== Grundbeschaltung mit Berechung ===
[[Bild:Op-verstaerker-a.png]] [[Bild:Op-verstaerker-b.png]]

In a) und b) verwenden wir den OP als Verstärker und nutzen hier die Möglichkeit der Gegenkopplung, um definierte Verstärkungen zu erhalten. Wir gehen wieder davon aus, dass der OP ein ideales Bauteil ist und daher seine Leerlaufverstärkung unendlich ist. Ebenso betrachten wir den Eingangswiderstand als unendlich.

In a) ist ein invertierender Verstärker mit einem OP dargestellt. Durch die Widerstände R3 und R4 wird die Verstärkung bestimmt:

:<math>V = \frac{U_a}{U_e} = -\frac{R_4}{R_3}</math>

Das Verhältnis der beiden Widerstände bestimmt also die Verstärkung und somit die Ausgangsspannung:

:<math>U_a = -\frac{R_4}{R_3} \cdot U_e </math>

oder auch

:<math>U_a = V \cdot U_e</math>

Das negative Vorzeichen drückt aus, dass es sich um einen invertierenden Verstärker handelt.

Beim nichtinvertierenden Verstärker b) finden wir auch eine Rückkopplung über R6 zum invertierenden Eingang des OP. Die Verstärkung wird durch das Gegenkopplungsnetzwerk R6 und R7 exakt definiert. Hier ist:

:<math>V = 1 + \frac{R6}{R7}</math>

Eine Verstärkung von 1 ist sinnvoll, wenn eingangsseitig eine Spannungsquelle mit hohem Innenwiderstand verwendet wird. Für <math>\frac{R6}{R7} \to 0</math> heißt die Schaltung "Spannungsfolger".

Kleinere Werte als 1 lassen sich nicht realisieren. Die Ausgangsspannung errechnet sich also so:

:<math>U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_7}\right )</math>

Beispiel: Eine Eingangsspannung von 0,5 V soll auf den Wert 5 V verstärkt werden, es ist also eine Verstärkung V von 10 benötigt. R7 ist mit 10 kΩ vorgegeben. Also ist das Verhältnis

:<math>\frac{R_6}{R_7} = V - 1</math>

Bei einem Wert von 10 kΩ für R7 errechnet sich R6 zu

:<math>
R6 = (V - 1) \cdot R7
= (10 - 1) \cdot 10\,\mathrm{k\Omega}
= 90\,\mathrm{k\Omega}
</math>

Die Ausgangsspannung Ua wird also:

:<math>
U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_7}\right )
= 0,5\,\mathrm{V} \cdot \left (1 + \frac{90\,\mathrm{k\Omega}}{10\,\mathrm{k\Omega}}\right)
= 5\,\mathrm{V}
</math>

=== Spannungsfolger (Impedanzwandler) ===

[[Bild:Op-spannungsfolger1.png]]

Eine Abart des nichtinvertierenden Verstärkers stellt der Spannungsfolger dar. Beim nichtinvertierenden Verstärker errechnet sich die Ausgangsspannung aus:

:<math>U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_2}{R_1}\right )</math>

Wenn wir R2 auf 0 Ohm (mit R1 > 0) oder R1 auf unendlich (mit R2 < ∞) ändern, erhalten wir daher:

:<math>V = 1 + \frac{R_2}{R_1} = 1</math>

Ein Spannungsfolger hat also eine Verstärkung V von 1.

Umgezeichnet sieht die Schaltung so aus:

[[Bild:Op-spannungsfolger2.png]]

Was soll das nun? Wir nutzen die Eigenschaft, dass ein idealer OP einen unendlichen Eingangswiderstand und einen Ausgangswiderstand von 0 Ohm hat. Real sieht das natürlich anders aus: so liegt der Eingangswiderstand Re bei normalen OPs in der Größenordnung von 1MOhm bis <math>10^{15} \Omega</math>, der Ausgangswiderstand Ra im Bereich 20 Ohm bis 1kOhm. Deshalb spricht man bei dieser Schaltung von einem Impedanzwandler. Eine solche Schaltung kann also aus einer relativ hochohmigen Spannungsquelle eine niederohmige, durch Folgeschaltungen belastbare Spannungsquelle machen.

[[Bild:Op-spannungsfolger3.png|left]]

In dem nebenstehenden Beispiel ist eine einfache Möglichkeit zur Erzeugung einer Referenzspannung gezeigt. Es kommt eine normale Stabilisierungsschaltung mit einer Zenerdiode zur Anwendung, die aber nicht mehr die schlechten Eigenschaften der Standardbeschaltung hat.

{{Clear}}

[[Bild:Op-spannungsfolger4.png|left]]

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit wäre das hochohmige Auskoppeln einer Brückenspannung. Die Brückenschaltung selbst wird durch Folgeschaltungen nicht mehr belastet, alle anderen Eigenschaften bleiben erhalten.

{{Clear}}

=== Der Komparator ===

[[Bild:Op-komp-a.png]] [[Bild:Op-komp-b.png]]

In der einfachsten Beschaltung des Operationsverstärkers erhält man einen Komparator. Es fällt auf, dass kein Gegenkopplungsnetzwerk vorhanden ist. Der OP arbeitet daher mit seiner vollen Leerlaufverstärkung Vo. Dies bedeutet, dass bereits eine kleine Eingangsspannung genügt, um den OP in die Begrenzung zu treiben. Das heißt, die Ausgangsspannung Ua wird annähernd die Betriebsspannung erreichen.

Beim Komparator gibt es zwei Möglichkeiten der Beschaltung: die invertierende nach a) und die nichtinvertierende Beschaltung nach b).

==== Berechnungsbeispiel für Schaltung b) ====

Angenommen die Leerlaufverstärkung Vo von 40000 und eine Eingangsspannung von 0,1 Volt. Die Betriebsspannungen Vcc und Vee legen wir auf +/- 24 V fest. Damit ergibt sich theoretisch für Ua:

:<math>U_a = V_0 \cdot U_e = 40000 \cdot 0,1\,\mathrm{V} = 4000\,\mathrm{V}</math>

Das ist natürlich ein unrealistischer Wert, da Ua nicht höher sein kann als die Betriebsspannung. Also anders ausgedrückt: Bei welcher Spannung Ue erreicht der OP seine Aussteuerungsgrenze?

:<math>U_e = V_{cc} / V_0 = 24\,\mathrm{V} / 40000 = 0,6\,\mathrm{mV}</math>

Das bedeutet, dass eine Spannung von 0,6 mV ausreicht um den Komparator in die Begrenzung zu treiben.

Das gleiche gilt auch für den invertierenden Komparator, allerdings wird hier der OP in die negative Begrenzung gebracht.

:<math>-U_a = V_0 \cdot U_e</math>

=== Der Addierer (Summierverstärker) ===

[[Bild:Op-addierer.png]]

Ein als invertierender Verstärker beschalteter OP lässt sich so beschalten, dass ein Summensignal aus den Eingangsspannungen gebildet wird. Um die Funktion deutlich zu machen, ist eine Betrachtung der einzelnen Ströme nötig.

In einem invertierenden Verstärker wird sich die Ausgangsspannung immer so einstellen, dass der invertierende Eingang Massepotential hat. Die virtuelle Masse (VM) unterscheidet sich von einer "normalen" Masse dadurch, dass das Potential durch einen Regelungsvorgang zustande kommt.
An der virtuellen Masse (VM) gilt die Knotenpunktregel, wonach die Summe der zufließenden Ströme gleich der Summe der abfließenden Ströme ist.

:<math>I_1 + I_2 = -I_3</math>

Sofern <math>U_{e1}</math> und <math>U_{e2}</math> bekannt sind, lässt sich die Gleichung umformen in:

:<math>\frac{U_{e1}}{R_1} + \frac{U_{e2}}{R_2} = -\frac{U_a}{R_3}</math>

Nach Ua aufgelöst ergibt sich:

:<math>-U_a = \left (U_{e1} \cdot \frac{R_3}{R_1}\right ) + \left (U_{e2} \cdot \frac{R_3}{R_2}\right ) + ... + \left (U_{en} \cdot \frac{R_3}{R_n}\right )</math>

Das war's eigentlich schon. Einen Sonderfall gibt es, wenn die Widerstände R1 und R2 gleich sind. Dann gilt

:<math>R_1 = R_2 = R_x</math>

und damit

:<math>-U_a = \frac{R_3}{R_x} \cdot (U_{e1} + U_{e2})</math>.

=== Der Subtrahierer (Differenzverstärker) ===

[[Bild:Op-subtrahierer.png]]

Ein Subtrahierer ist die Zusammenschaltung eines invertierenden und eines nichtinvertierenden Verstärkers. Schliessen wir Punkt Ue1 nach Masse kurz und steuern Ue2 an, arbeitet die Schaltung als nichtinvertierender Verstärker. Wird Ue2 nach Masse verbunden und Ue1 angesteuert, verhält sich die Schaltung als invertierender Verstärker (R7 vorerst nicht beachten).

Für den 1. Fall gilt:

:<math>U_a = U_{e2} \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_4}\right )</math>

Für den 2. Fall:

:<math>U_a = -U_{e1} \cdot \frac{R_6}{R_4}</math>

Der dritte Fall ist die Ansteuerung beider Eingänge:

:<math>U_a = -U_{e1} \cdot \frac{R_6}{R_4} + U_{e_2} \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_4}\right )</math>

Diese Schaltung ist gut für eine Erklärung, praktisch aber taugt sie nichts. Denn liegen an den Eingängen gleiche Spannungen an, ist die Ausgangsspannung nicht 0, wie eigentlich zu vermuten wäre. Deshalb ändern wir die Schaltung und fügen R7 ein. Jetzt stellt sich am Punkt + des OPs die Spannung

:<math>U_{e2+} = U_{e2} \cdot \frac{R_7}{R_5 + R_7}</math>

ein. Wenn wir das berücksichtigen, erhalten wir endlich einen richtigen Subtrahierer:

:<math>U_a = U_{e2} \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_4}\right ) \cdot \frac{R_7}{R_5 + R_7} - \frac{R_6}{R_4} \cdot U_{e1}</math>

Dies gilt für alle Subtrahierer, obwohl es natürlich auch hier wieder zwei Sonderfälle gibt; nämlich a) wenn alle Gegenkopplungswiderstände gleich sind:

:<math>R_6 = R_7 = R_4 = R_5</math>

dann ist

:<math>U_a = U_{e2} - U_{e1}</math>

oder b) wenn die Widerstandsverhältnisse gleich sind :

:<math>\frac{R_6}{R_4} = \frac{R_7}{R_5}</math>

Dann ergibt sich für Ua:

:<math>U_a = \left (U_{e2} \cdot \frac{R_6}{R_4}\right ) - \left (U_{e1} \cdot \frac{R_6}{R_4}\right )</math>

oder noch einfacher:

:<math>U_a = (U_{e2} - U_{e1}) \cdot \frac{R_6}{R_4}</math>

=== Addierer/Subtrahierer mit unterschiedlichen Faktoren ===
[[Bild:Op-addsub.png]]

Hier die Schaltung die addieren und subtrahieren kann, mit unterschiedlichen Faktoren.
Sie kann verwendet werden für Aufgaben wie: Gesucht ist eine Schaltung, die aus 0...2.56 V eine Spannung von -10V...10V macht. Für dieses Beispiel wird hier die Dimensionierung durchgeführt:

{| class="wikitable" style="text-align: left"
| style="vertical-align: top" | 1 
| style="vertical-align: top" | Um = Ue2 
| style="vertical-align: top" | Gleichgewicht am Eingang 
|-
| style="vertical-align: top" | 2
| style="vertical-align: top" | Ia+Ib = Ic 
| style="vertical-align: top" | In den Eingang fließt "kein" Strom
|-
| style="vertical-align: top" | 3
| style="vertical-align: top" | (Ua-Ue2)/R6 + (Ue1-Ue2)/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 4 
| style="vertical-align: top" | Ua/R6 - Ue2/R6 + Ue1/R4 - Ue2/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 5 
| style="vertical-align: top" | '''R6 = 200k''' 
| style="vertical-align: top" | Einfach festgelegt, könnte auch 100k oder 500k sein 
|-
| style="vertical-align: top" | 6 
| style="vertical-align: top" | Ue1 = 5V 
| style="vertical-align: top" | könnte auch 15V oder 10V sein 
|-
| style="vertical-align: top" | 7 
| style="vertical-align: top" | -10/200k - 0/200k + 5/R4 - 0/R4 = 0/Rc
| style="vertical-align: top" | Wenn Ue2=0V, wollen wir Ua=-10V 
|-
| style="vertical-align: top" | 8 
| style="vertical-align: top" | -10/200k + 5/R4 = 0
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 9 
| style="vertical-align: top" | 10/200k = 5/R4 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 10 
| style="vertical-align: top" | R4 = 5/10*200k = 100k 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" | '''R4 = 100k''' 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" rowspan="1" colspan="2" | Wir hatten Ue1=5V festgelegt, Damit wollen wir -10V...10V Am Ausgang erreichen. Wenn wir jetzt annehmen Ue1=0V, dann würde der Eingang Ue2 0...xV am Ausgang 0...20V erzeugen. 
|-
| style="vertical-align: top" | 4 
| style="vertical-align: top" | Ua/R6 - Ue2/R6 + Ue1/R4 - Ue2/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" | Ua/R6 - Ue2/R6 + 0/R4 - Ue2/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 41 
| style="vertical-align: top" | 20/200k - x/200k + 0/100k - x/100k = x/Rc 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 42 
| style="vertical-align: top" | ( 20/200k - x/200k - x/100k ) / x = 1/Rc
| style="vertical-align: top" | Das ist die Formel für 1/Rc 
|-
| style="vertical-align: top" | 43 
| style="vertical-align: top" | 20/(200k*x) - 1/200k - 1/100k = 1/Rc 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 44 
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" | Wir setzen z.B 2.56V ein und erhalten 
|-
| style="vertical-align: top" | 45 
| style="vertical-align: top" | Rc = 1/(20/(200000*2.56)-1/200000-1/100000)= 
| style="vertical-align: top" | Den String 1/(20/(200000*2.56)-1/200000-1/100000)= kopieren wir in in den Windows Taschenrechner (mit Ctrl-C - Ctrl-V) und erhalten: Rc=41,558k 
|}

=== Der Instrumenten-Verstärker ===

[[Bild:Instrument.png]]

Ein Nachteil des Subtrahierer ist sein geringer Eingangswiderstand. Um den nahezu unendlichen Eingangswiderstand des verwendeten Operationsverstärkers zu erreichen, kann man einfach vor beide Eingänge je einen Impedanzwandler vorschalten.
Die hier beschriebene Schaltung ist um drei Widerstände erweitert und ermöglicht die Einstellung der Differenz-Verstärkung über nur einen Widerstand, nämlich R2.

Am invertierenden Eingang von IC1A gilt (Knotenregel):

:<math>\frac{U_{a1}-U_{e1}}{R_1}-\frac{U_{e1}-U_{e2}}{R_2}=0</math>

Am invertierenden Eingang von IC1C gilt (Knotenregel):

:<math>\frac{U_{a2}-U_{e2}}{R_1}+\frac{U_{e1}-U_{e2}}{R_2}=0</math>

Subtrahiert man die beiden Gleichungen voneinander, erhält man:

:<math>U_{a2}-U_{a1}=(U_{e2}-U_{e1})\cdot\left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2}\right )</math>

Letztere Differenz ist die Eingangsspannung eines normalen Subtrahierers mit der Verstärkung 1.

Also ergibt sich als Ausgangsspannung:

:<math>U_a=(U_{e2}-U_{e1}) \cdot \left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2}\right )</math>

Die Differenzverstärkung beträgt demnach:

:<math>V=\left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2} \right )</math>

Anwendung: Auswertung von Brückenschaltungen, wie Drucksensoren oder Dehnungsmessstreifen, die durch den Eingangswiderstand der Messschaltung nicht belastet werden dürfen. 
Instrumenten-Verstärker kann man auch fertig kaufen. Im INA102 ist die komplette Schaltung integriert. Für R2 sind 3 verschiedene Werte eingebaut, die bei passender Verschaltung eine Verstärkung von 1, 10, 100 oder 1000 ermöglichen.

=== Der Multiplizierer (Mischer) ===

=== Der Lagarithmierer ===

= Spannungsversorgung und Beschaltung =

== Betrieb mit einfacher Versorgungsspannung ==

Häufig möchte man Wechselspannung (z. B. Audiosignale) die auch negative Spannungen enthält mit einem Opamp verstärken, hat aber nur eine einfache Versorgungsspannung, eine positive in Bezug zu Masse, zur Verfügung. Dafür bieten sich folgende Schaltungen an, die in der Literatur leider häufig vernachlässigt werden.

=== Nichtinvertierender Verstärker ===

[[Bild: Ss_opamp1.png]]

Der negative Eingang wird mit einem Spannungsteiler auf die halbe Betriebsspannung gelegt und das Signal mit Kondensatoren am Ein- und Ausgang entkoppelt.
Die Verstärkung ist in diesem Beispiel für Wechselspannung 11 (Formel wie oben), für Gleichspannung aber 1, da C4 für Gleichspannung einen unendlichen Widerstand darstellt. C3 sollte dorthin gehen, wo das Eingangssignal seinen Bezugspunkt hat, also die Abschirmung der Chinch-Buchse, während R5 dorthin geht, wo der Operationsverstärker seine negative Versorgungsspannung her bekommt, falls das nicht die gleichen Pontentiale, hier GND, sein sollten.

=== Invertierender Verstärker ===

Das Prinzip funktioniert analog auch für die invertierende Beschaltung:

[[Bild: Ss_opamp2.png]]

= Kaufempfehlung =
LM 158/258/358 2 OPs in einem Gehäuse Preis ca. 0,30€.

Siehe auch [[Standardbauelemente#Operationsverst.C3.A4rker|Standardbauelemente - Operationsverstärker]].

Wer Audio OpAmps sucht - tangentsoft.net hat mal welche unter die Lupe genommen: [http://www.tangentsoft.net/audio/opamps.html Notes on Audio OpAmps]

= Weblinks =
*[http://www.eetkorea.com/ARTICLES/2003SEP/A/2003SEP19_AMD_AN07.PDF Op Amp Circuit Collection] - National Semiconductor Application Note 31 mit vielen weiteren OP-Schaltungen
*[http://www-s.ti.com/sc/psheets/slod006b/slod006b.pdf Op Amps for Everyone] - englischsprachiges, sehr umfangreiches Dokument zu OPV und deren Anwendung (empfehlenswert)
* [http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0209092.htm Operationsverstärker im ElKo]
*[http://www.inf.fu-berlin.de/lehre/WS00/peg/folien/Peg_v7a.pdf OP Teil 1], [http://www.inf.fu-berlin.de/lehre/WS00/peg/folien/Peg_v7b.pdf OP Teil 2] - OP-Schaltungen (deutsch)
*[http://www.blecken.de/download/opverst.zip Schaltungstechnik mit Operationsverstärkern] - Prof. K. Blecken, Skript zur Vorlesung (deutsch, *.doc-Format)
* [http://www.roboternetz.de/wissen/index.php/Operationsverst%C3%A4rker RN-Wissen Operationsverstärker]
* [http://www.national.com/onlineseminar/#amps Online Seminar] von National Semiconductor
* [http://www.franzis.de/elo-das-magazin/grundlagen-und-ausbildung/operationsverstaerker/der-operationsverstaerker ELO-Online-Magazin, Franzis-Verlag], [http://www.franzis.de/online-shop/elektronik/lernpakete-elektronik/lernpaket-elektronik-mit-ics Lernpaket Elektronik mit ICs] "Elektronische Experimente mit integriertem Schaltkreis", Kasten mit Steckbrett/Bauelementen (ca. 40EUR),
* [[Schmitt-Trigger]]
* [[Aktiver RC-Bandpass|Aktiver RC-Bandpass auf Operationsverstärker-Basis]]

[[Category:Grundlagen]]
[[Category:Bauteile]]

Operationsverstärker-Grundschaltungen

2011-09-01T12:31:35Z

Freiburger: /* Gleichtaktverstärkung */

== Idealisiertes Modell eines OPV ==

=== Anschlüsse ===
Ein Operationsverstärker hat zwei Eingänge (+) und (-) und einen Ausgang
(UA). Außerdem verfügt er über eine positive und eine negative
Spannungsversorgung (V+) und (V-).

=== Spannungsversorgungen ===
Die Spannungsversorgungen sollen zunächst nicht interessieren. Sie
werden in Schaltungen oft nicht eingezeichnet.
In der Praxis ist es jedoch wichtig zu wissen, dass die Ausgangsspannung immer zwischen (V+) und (V-) liegt. Die Ausgangsspannung des OPV kommt schließlich dadurch zustande, dass der Ausgang über einen Transistor mehr oder weniger hochohmig mit den beiden Versorgungsspannungen verbunden wird.

Wenn man einen OPV also mit +5V versorgt, so kann der OPV im besten Fall am Ausgang +5V erzeugen. Man würde in diesem Fall von einem "Rail-to-Rail" Operationsverstärker sprechen.
Bei vielen Operationsverstärkern ist die maximal mögliche Ausgangsspannung geringer als die Versorgungsspannung. Ein mit +5V Spannungsversorgung beschalteter OPV kann dann beispielsweise nur +4V Ausgangsspannung erzeugen.

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-- | + /
| /
| /

=== Ausgang ===
Der Ausgang des OPV ist eine ideale Spannungsquelle. Das bedeutet, dass die
Ausgangsspannung unabhängig davon ist, was ausgangsseitig an den OPV
angeschlossen wird.
In der Praxis gilt dieses Modell häufig nur bei "sinnvollen Anwendungen". So ist beispielsweise der Ausgangsstrom des OPV nach oben begrenzt (typischerweise im mA-Bereich), und manche OPV schwingen sehr leicht, wenn man sie kapazitiv belastet.

=== Eingänge ===
Die Eingänge eines OPV sind hochohmig, d. h., es handelt sich nur um "Messfühler", die keinen Strom führen.

=== Funktionsweise ===
Der OPV mißt zu jeder Zeit die Differenz <math>U_D = U(+) - U(-)</math> der
Eingangsspannungen.

Ist die Spannung an (+) größer als an (-), so erhöht der OPV die
Ausgangsspannung.
Ist die Spannung an (+) niedriger als an (-), so vermindert der OPV die
Ausgangsspannung.

Das Ergebnis dieses Vorgangs wird häufig über die Gleichung:

<math>U_a = v \cdot U_D</math>

beschrieben, wobei <math>v</math> eine sehr große Zahl (10^4...10^6) ist.

Mit Hilfe der beschriebenen Funktionsweise lassen sich alle grundlegenden Schaltungen herleiten.

=== Beispiel ===

Betrachtet wird die invertierende Grundschaltung nach Abbildung a) im Abschnitt "Verstärkergrundschaltungen".

Für die Pfeilrichtungen der Spannungen und Ströme gilt:

<math>U_e</math>: von oben nach unten

<math>I_{R3}</math>: von links nach rechts

Die Spannung am (+)Eingang ist gleich Null. Die Spannung am (-)Eingang wird durch die Spannungsquelle <math>U_e</math> und durch die im OPV befindliche und mit dem Ausgang verbundene Spannungsquelle des OPV manipuliert.

* Ist die Spannung am (-)Eingang negativ, so erhöht der Operationsverstärker die Ausgangsspannung. Dadurch wird auch die Spannung am (-)Eingang positiver. Und zwar so lange, bis die Spannung am (-)Eingang gleich groß ist, wie die Spannung am (+)Eingang, also U(-)=0V.
* Ist die Spannung am (-)Eingang positiv, so vermindert der Operationsverstärker die Ausgangsspannung. Dadurch wird auch die Spannung am (-)Eingang negativer. Und zwar so lange, bis die Spannung am (-)Eingang gleich groß ist, wie die Spannung am (+)Eingang, also U(-)=0V.

Der Operationsverstärker wird also die Spannungen an (+) und (-)
angleichen. Das passiert immer dann, wenn der Ausgang mit dem (-)Eingang
verbunden ist. Man nennt das Prinzip "Gegenkopplung". Auf diese Art und
Weise funktionieren alle analogen OPV-Schaltungen.

Da an (+) Massepotential anliegt, liegt an <math>R_3</math> die Spannung <math>U_e</math> an, und es gilt:
<math>I_{R3}=\frac{U_e}{R_3}.</math>

Da der (-)Eingang hochohmig ist, fließt <math>I_{R3}</math> über <math>R_4</math> weiter zum OPV-Ausgang.

Ua ist die Spannung vom Ausgang zur (virtuellen) Masse am (-)Eingang.
(--> Pfeil einzeichnen und klarmachen, daß es egal ist, ob der Pfeil vom
Ausgang zur Masse geht oder vom Ausgang "entgegen der Stromrichtung" zur
virtuellen Masse an (-)!)

Mit Hilfe von <math>I_{R3}=\frac{U_e}{R_3}</math> ergibt sich:

<math>U_a = -R_4 \cdot I_{R3} = -{{R_4} \over {R_3}} \cdot U_e.</math>

Die Energie für den Stromtransport über <math>R_4</math> stammt vom OPV! Sobald die Ladungen ausgehend von der Spannungsquelle <math>U_e</math> die virtuelle Masse an (-) erreicht haben, hat <math>U_e</math> seine gesamte Energie abgegeben.

== Reale OPs / Kennwerte ==
Abweichend vom idealen OP besitzen reale OPs diverse Einschränkungen und Kennwerte, die sie für verschiedene Einsätze mehr oder weniger prädestieren.

=== Leerlaufverstärkung ===
Die Leerlaufverstärkung gibt an, wie stark sich das Ausgangssignal i.A. der Änderung eines Eingangsignals statisch ändert, bzw nach dem Einschwingen erreichen könnte, wenn es nicht durch die Betriebsgrenzen limitiert wäre.

=== Anstiegszeit ===
Bestimmend für die dynamische Änderung des Signal ist wiederum die slew rate, die wesentlich das AC-Verhalten bestimmt.

=== Frequenz-Bandbreiteprodukt ===

=== Gleichtaktverstärkung ===
Infolge des inhomogenen Aufbaus der internen Verstärkerstufen wird den die beiden Eingangssignale nicht exakt gleich verstärkt, was in einen Gleichanteil und einen Differenzaneil aufgeteilt werden kann. Der nicht erwünschte common mode ist dabei ein Mass für die Qualität des OP.

== Verstärkergrundschaltungen ==
=== Grundbeschaltung mit Berechung ===
[[Bild:Op-verstaerker-a.png]] [[Bild:Op-verstaerker-b.png]]

In a) und b) verwenden wir den OP als Verstärker und nutzen hier die Möglichkeit der Gegenkopplung, um definierte Verstärkungen zu erhalten. Wir gehen wieder davon aus, dass der OP ein ideales Bauteil ist und daher seine Leerlaufverstärkung unendlich ist. Ebenso betrachten wir den Eingangswiderstand als unendlich.

In a) ist ein invertierender Verstärker mit einem OP dargestellt. Durch die Widerstände R3 und R4 wird die Verstärkung bestimmt:

:<math>V = \frac{U_a}{U_e} = -\frac{R_4}{R_3}</math>

Das Verhältnis der beiden Widerstände bestimmt also die Verstärkung und somit die Ausgangsspannung:

:<math>U_a = -\frac{R_4}{R_3} \cdot U_e </math>

oder auch

:<math>U_a = V \cdot U_e</math>

Das negative Vorzeichen drückt aus, dass es sich um einen invertierenden Verstärker handelt.

Beim nichtinvertierenden Verstärker b) finden wir auch eine Rückkopplung über R6 zum invertierenden Eingang des OP. Die Verstärkung wird durch das Gegenkopplungsnetzwerk R6 und R7 exakt definiert. Hier ist:

:<math>V = 1 + \frac{R6}{R7}</math>

Eine Verstärkung von 1 ist sinnvoll, wenn eingangsseitig eine Spannungsquelle mit hohem Innenwiderstand verwendet wird. Für <math>\frac{R6}{R7} \to 0</math> heißt die Schaltung "Spannungsfolger".

Kleinere Werte als 1 lassen sich nicht realisieren. Die Ausgangsspannung errechnet sich also so:

:<math>U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_7}\right )</math>

Beispiel: Eine Eingangsspannung von 0,5 V soll auf den Wert 5 V verstärkt werden, es ist also eine Verstärkung V von 10 benötigt. R7 ist mit 10 kΩ vorgegeben. Also ist das Verhältnis

:<math>\frac{R_6}{R_7} = V - 1</math>

Bei einem Wert von 10 kΩ für R7 errechnet sich R6 zu

:<math>
R6 = (V - 1) \cdot R7
= (10 - 1) \cdot 10\,\mathrm{k\Omega}
= 90\,\mathrm{k\Omega}
</math>

Die Ausgangsspannung Ua wird also:

:<math>
U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_7}\right )
= 0,5\,\mathrm{V} \cdot \left (1 + \frac{90\,\mathrm{k\Omega}}{10\,\mathrm{k\Omega}}\right)
= 5\,\mathrm{V}
</math>

=== Spannungsfolger (Impedanzwandler) ===

[[Bild:Op-spannungsfolger1.png]]

Eine Abart des nichtinvertierenden Verstärkers stellt der Spannungsfolger dar. Beim nichtinvertierenden Verstärker errechnet sich die Ausgangsspannung aus:

:<math>U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_2}{R_1}\right )</math>

Wenn wir R2 auf 0 Ohm (mit R1 > 0) oder R1 auf unendlich (mit R2 < ∞) ändern, erhalten wir daher:

:<math>V = 1 + \frac{R_2}{R_1} = 1</math>

Ein Spannungsfolger hat also eine Verstärkung V von 1.

Umgezeichnet sieht die Schaltung so aus:

[[Bild:Op-spannungsfolger2.png]]

Was soll das nun? Wir nutzen die Eigenschaft, dass ein idealer OP einen unendlichen Eingangswiderstand und einen Ausgangswiderstand von 0 Ohm hat. Real sieht das natürlich anders aus: so liegt der Eingangswiderstand Re bei normalen OPs in der Größenordnung von 1MOhm bis <math>10^{15} \Omega</math>, der Ausgangswiderstand Ra im Bereich 20 Ohm bis 1kOhm. Deshalb spricht man bei dieser Schaltung von einem Impedanzwandler. Eine solche Schaltung kann also aus einer relativ hochohmigen Spannungsquelle eine niederohmige, durch Folgeschaltungen belastbare Spannungsquelle machen.

[[Bild:Op-spannungsfolger3.png|left]]

In dem nebenstehenden Beispiel ist eine einfache Möglichkeit zur Erzeugung einer Referenzspannung gezeigt. Es kommt eine normale Stabilisierungsschaltung mit einer Zenerdiode zur Anwendung, die aber nicht mehr die schlechten Eigenschaften der Standardbeschaltung hat.

{{Clear}}

[[Bild:Op-spannungsfolger4.png|right]]

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit wäre das hochohmige Auskoppeln einer Brückenspannung. Die Brückenschaltung selbst wird durch Folgeschaltungen nicht mehr belastet, alle anderen Eigenschaften bleiben erhalten.

{{Clear}}

=== Der Komparator ===

[[Bild:Op-komp-a.png]] [[Bild:Op-komp-b.png]]

In der einfachsten Beschaltung des Operationsverstärkers erhält man einen Komparator. Es fällt auf, dass kein Gegenkopplungsnetzwerk vorhanden ist. Der OP arbeitet daher mit seiner vollen Leerlaufverstärkung Vo. Dies bedeutet, dass bereits eine kleine Eingangsspannung genügt, um den OP in die Begrenzung zu treiben. Das heißt, die Ausgangsspannung Ua wird annähernd die Betriebsspannung erreichen.

Beim Komparator gibt es zwei Möglichkeiten der Beschaltung: die invertierende nach a) und die nichtinvertierende Beschaltung nach b).

==== Berechnungsbeispiel für Schaltung b) ====

Angenommen die Leerlaufverstärkung Vo von 40000 und eine Eingangsspannung von 0,1 Volt. Die Betriebsspannungen Vcc und Vee legen wir auf +/- 24 V fest. Damit ergibt sich theoretisch für Ua:

:<math>U_a = V_0 \cdot U_e = 40000 \cdot 0,1\,\mathrm{V} = 4000\,\mathrm{V}</math>

Das ist natürlich ein unrealistischer Wert, da Ua nicht höher sein kann als die Betriebsspannung. Also anders ausgedrückt: Bei welcher Spannung Ue erreicht der OP seine Aussteuerungsgrenze?

:<math>U_e = V_{cc} / V_0 = 24\,\mathrm{V} / 40000 = 0,6\,\mathrm{mV}</math>

Das bedeutet, dass eine Spannung von 0,6 mV ausreicht um den Komparator in die Begrenzung zu treiben.

Das gleiche gilt auch für den invertierenden Komparator, allerdings wird hier der OP in die negative Begrenzung gebracht.

:<math>-U_a = V_0 \cdot U_e</math>

=== Der Addierer (Summierverstärker) ===

[[Bild:Op-addierer.png]]

Ein als invertierender Verstärker beschalteter OP lässt sich so beschalten, dass ein Summensignal aus den Eingangsspannungen gebildet wird. Um die Funktion deutlich zu machen, ist eine Betrachtung der einzelnen Ströme nötig.

In einem invertierenden Verstärker wird sich die Ausgangsspannung immer so einstellen, dass der invertierende Eingang Massepotential hat. Die virtuelle Masse (VM) unterscheidet sich von einer "normalen" Masse dadurch, dass das Potential durch einen Regelungsvorgang zustande kommt.
An der virtuellen Masse (VM) gilt die Knotenpunktregel, wonach die Summe der zufließenden Ströme gleich der Summe der abfließenden Ströme ist.

:<math>I_1 + I_2 = -I_3</math>

Sofern <math>U_{e1}</math> und <math>U_{e2}</math> bekannt sind, lässt sich die Gleichung umformen in:

:<math>\frac{U_{e1}}{R_1} + \frac{U_{e2}}{R_2} = -\frac{U_a}{R_3}</math>

Nach Ua aufgelöst ergibt sich:

:<math>-U_a = \left (U_{e1} \cdot \frac{R_3}{R_1}\right ) + \left (U_{e2} \cdot \frac{R_3}{R_2}\right ) + ... + \left (U_{en} \cdot \frac{R_3}{R_n}\right )</math>

Das war's eigentlich schon. Einen Sonderfall gibt es, wenn die Widerstände R1 und R2 gleich sind. Dann gilt

:<math>R_1 = R_2 = R_x</math>

und damit

:<math>-U_a = \frac{R_3}{R_x} \cdot (U_{e1} + U_{e2})</math>.

=== Der Subtrahierer (Differenzverstärker) ===

[[Bild:Op-subtrahierer.png]]

Ein Subtrahierer ist die Zusammenschaltung eines invertierenden und eines nichtinvertierenden Verstärkers. Schliessen wir Punkt Ue1 nach Masse kurz und steuern Ue2 an, arbeitet die Schaltung als nichtinvertierender Verstärker. Wird Ue2 nach Masse verbunden und Ue1 angesteuert, verhält sich die Schaltung als invertierender Verstärker (R7 vorerst nicht beachten).

Für den 1. Fall gilt:

:<math>U_a = U_{e2} \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_4}\right )</math>

Für den 2. Fall:

:<math>U_a = -U_{e1} \cdot \frac{R_6}{R_4}</math>

Der dritte Fall ist die Ansteuerung beider Eingänge:

:<math>U_a = -U_{e1} \cdot \frac{R_6}{R_4} + U_{e_2} \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_4}\right )</math>

Diese Schaltung ist gut für eine Erklärung, praktisch aber taugt sie nichts. Denn liegen an den Eingängen gleiche Spannungen an, ist die Ausgangsspannung nicht 0, wie eigentlich zu vermuten wäre. Deshalb ändern wir die Schaltung und fügen R7 ein. Jetzt stellt sich am Punkt + des OPs die Spannung

:<math>U_{e2+} = U_{e2} \cdot \frac{R_7}{R_5 + R_7}</math>

ein. Wenn wir das berücksichtigen, erhalten wir endlich einen richtigen Subtrahierer:

:<math>U_a = U_{e2} \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_4}\right ) \cdot \frac{R_7}{R_5 + R_7} - \frac{R_6}{R_4} \cdot U_{e1}</math>

Dies gilt für alle Subtrahierer, obwohl es natürlich auch hier wieder zwei Sonderfälle gibt; nämlich a) wenn alle Gegenkopplungswiderstände gleich sind:

:<math>R_6 = R_7 = R_4 = R_5</math>

dann ist

:<math>U_a = U_{e2} - U_{e1}</math>

oder b) wenn die Widerstandsverhältnisse gleich sind :

:<math>\frac{R_6}{R_4} = \frac{R_7}{R_5}</math>

Dann ergibt sich für Ua:

:<math>U_a = \left (U_{e2} \cdot \frac{R_6}{R_4}\right ) - \left (U_{e1} \cdot \frac{R_6}{R_4}\right )</math>

oder noch einfacher:

:<math>U_a = (U_{e2} - U_{e1}) \cdot \frac{R_6}{R_4}</math>

=== Addierer/Subtrahierer mit unterschiedlichen Faktoren ===
[[Bild:Op-addsub.png]]

Hier die Schaltung die addieren und subtrahieren kann, mit unterschiedlichen Faktoren.
Sie kann verwendet werden für Aufgaben wie: Gesucht ist eine Schaltung, die aus 0...2.56 V eine Spannung von -10V...10V macht. Für dieses Beispiel wird hier die Dimensionierung durchgeführt:

{| class="wikitable" style="text-align: left"
| style="vertical-align: top" | 1 
| style="vertical-align: top" | Um = Ue2 
| style="vertical-align: top" | Gleichgewicht am Eingang 
|-
| style="vertical-align: top" | 2
| style="vertical-align: top" | Ia+Ib = Ic 
| style="vertical-align: top" | In den Eingang fließt "kein" Strom
|-
| style="vertical-align: top" | 3
| style="vertical-align: top" | (Ua-Ue2)/R6 + (Ue1-Ue2)/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 4 
| style="vertical-align: top" | Ua/R6 - Ue2/R6 + Ue1/R4 - Ue2/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 5 
| style="vertical-align: top" | '''R6 = 200k''' 
| style="vertical-align: top" | Einfach festgelegt, könnte auch 100k oder 500k sein 
|-
| style="vertical-align: top" | 6 
| style="vertical-align: top" | Ue1 = 5V 
| style="vertical-align: top" | könnte auch 15V oder 10V sein 
|-
| style="vertical-align: top" | 7 
| style="vertical-align: top" | -10/200k - 0/200k + 5/R4 - 0/R4 = 0/Rc
| style="vertical-align: top" | Wenn Ue2=0V, wollen wir Ua=-10V 
|-
| style="vertical-align: top" | 8 
| style="vertical-align: top" | -10/200k + 5/R4 = 0
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 9 
| style="vertical-align: top" | 10/200k = 5/R4 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 10 
| style="vertical-align: top" | R4 = 5/10*200k = 100k 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" | '''R4 = 100k''' 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" rowspan="1" colspan="2" | Wir hatten Ue1=5V festgelegt, Damit wollen wir -10V...10V Am Ausgang erreichen. Wenn wir jetzt annehmen Ue1=0V, dann würde der Eingang Ue2 0...xV am Ausgang 0...20V erzeugen. 
|-
| style="vertical-align: top" | 4 
| style="vertical-align: top" | Ua/R6 - Ue2/R6 + Ue1/R4 - Ue2/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" | Ua/R6 - Ue2/R6 + 0/R4 - Ue2/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 41 
| style="vertical-align: top" | 20/200k - x/200k + 0/100k - x/100k = x/Rc 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 42 
| style="vertical-align: top" | ( 20/200k - x/200k - x/100k ) / x = 1/Rc
| style="vertical-align: top" | Das ist die Formel für 1/Rc 
|-
| style="vertical-align: top" | 43 
| style="vertical-align: top" | 20/(200k*x) - 1/200k - 1/100k = 1/Rc 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 44 
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" | Wir setzen z.B 2.56V ein und erhalten 
|-
| style="vertical-align: top" | 45 
| style="vertical-align: top" | Rc = 1/(20/(200000*2.56)-1/200000-1/100000)= 
| style="vertical-align: top" | Den String 1/(20/(200000*2.56)-1/200000-1/100000)= kopieren wir in in den Windows Taschenrechner (mit Ctrl-C - Ctrl-V) und erhalten: Rc=41,558k 
|}

=== Der Instrumenten-Verstärker ===

[[Bild:Instrument.png]]

Ein Nachteil des Subtrahierer ist sein geringer Eingangswiderstand. Um den nahezu unendlichen Eingangswiderstand des verwendeten Operationsverstärkers zu erreichen, kann man einfach vor beide Eingänge je einen Impedanzwandler vorschalten.
Die hier beschriebene Schaltung ist um drei Widerstände erweitert und ermöglicht die Einstellung der Differenz-Verstärkung über nur einen Widerstand, nämlich R2.

Am invertierenden Eingang von IC1A gilt (Knotenregel):

:<math>\frac{U_{a1}-U_{e1}}{R_1}-\frac{U_{e1}-U_{e2}}{R_2}=0</math>

Am invertierenden Eingang von IC1C gilt (Knotenregel):

:<math>\frac{U_{a2}-U_{e2}}{R_1}+\frac{U_{e1}-U_{e2}}{R_2}=0</math>

Subtrahiert man die beiden Gleichungen voneinander, erhält man:

:<math>U_{a2}-U_{a1}=(U_{e2}-U_{e1})\cdot\left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2}\right )</math>

Letztere Differenz ist die Eingangsspannung eines normalen Subtrahierers mit der Verstärkung 1.

Also ergibt sich als Ausgangsspannung:

:<math>U_a=(U_{e2}-U_{e1}) \cdot \left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2}\right )</math>

Die Differenzverstärkung beträgt demnach:

:<math>V=\left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2} \right )</math>

Anwendung: Auswertung von Brückenschaltungen, wie Drucksensoren oder Dehnungsmessstreifen, die durch den Eingangswiderstand der Messschaltung nicht belastet werden dürfen. 
Instrumenten-Verstärker kann man auch fertig kaufen. Im INA102 ist die komplette Schaltung integriert. Für R2 sind 3 verschiedene Werte eingebaut, die bei passender Verschaltung eine Verstärkung von 1, 10, 100 oder 1000 ermöglichen.

=== Der Multiplizierer (Mischer) ===

=== Der Lagarithmierer ===

= Spannungsversorgung und Beschaltung =

== Betrieb mit einfacher Versorgungsspannung ==

Häufig möchte man Wechselspannung (z. B. Audiosignale) die auch negative Spannungen enthält mit einem Opamp verstärken, hat aber nur eine einfache Versorgungsspannung, eine positive in Bezug zu Masse, zur Verfügung. Dafür bieten sich folgende Schaltungen an, die in der Literatur leider häufig vernachlässigt werden.

=== Nichtinvertierender Verstärker ===

[[Bild: Ss_opamp1.png]]

Der negative Eingang wird mit einem Spannungsteiler auf die halbe Betriebsspannung gelegt und das Signal mit Kondensatoren am Ein- und Ausgang entkoppelt.
Die Verstärkung ist in diesem Beispiel für Wechselspannung 11 (Formel wie oben), für Gleichspannung aber 1, da C4 für Gleichspannung einen unendlichen Widerstand darstellt. C3 sollte dorthin gehen, wo das Eingangssignal seinen Bezugspunkt hat, also die Abschirmung der Chinch-Buchse, während R5 dorthin geht, wo der Operationsverstärker seine negative Versorgungsspannung her bekommt, falls das nicht die gleichen Pontentiale, hier GND, sein sollten.

=== Invertierender Verstärker ===

Das Prinzip funktioniert analog auch für die invertierende Beschaltung:

[[Bild: Ss_opamp2.png]]

= Kaufempfehlung =
LM 158/258/358 2 OPs in einem Gehäuse Preis ca. 0,30€.

Siehe auch [[Standardbauelemente#Operationsverst.C3.A4rker|Standardbauelemente - Operationsverstärker]].

Wer Audio OpAmps sucht - tangentsoft.net hat mal welche unter die Lupe genommen: [http://www.tangentsoft.net/audio/opamps.html Notes on Audio OpAmps]

= Weblinks =
*[http://www.eetkorea.com/ARTICLES/2003SEP/A/2003SEP19_AMD_AN07.PDF Op Amp Circuit Collection] - National Semiconductor Application Note 31 mit vielen weiteren OP-Schaltungen
*[http://www-s.ti.com/sc/psheets/slod006b/slod006b.pdf Op Amps for Everyone] - englischsprachiges, sehr umfangreiches Dokument zu OPV und deren Anwendung (empfehlenswert)
* [http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0209092.htm Operationsverstärker im ElKo]
*[http://www.inf.fu-berlin.de/lehre/WS00/peg/folien/Peg_v7a.pdf OP Teil 1], [http://www.inf.fu-berlin.de/lehre/WS00/peg/folien/Peg_v7b.pdf OP Teil 2] - OP-Schaltungen (deutsch)
*[http://www.blecken.de/download/opverst.zip Schaltungstechnik mit Operationsverstärkern] - Prof. K. Blecken, Skript zur Vorlesung (deutsch, *.doc-Format)
* [http://www.roboternetz.de/wissen/index.php/Operationsverst%C3%A4rker RN-Wissen Operationsverstärker]
* [http://www.national.com/onlineseminar/#amps Online Seminar] von National Semiconductor
* [http://www.franzis.de/elo-das-magazin/grundlagen-und-ausbildung/operationsverstaerker/der-operationsverstaerker ELO-Online-Magazin, Franzis-Verlag], [http://www.franzis.de/online-shop/elektronik/lernpakete-elektronik/lernpaket-elektronik-mit-ics Lernpaket Elektronik mit ICs] "Elektronische Experimente mit integriertem Schaltkreis", Kasten mit Steckbrett/Bauelementen (ca. 40EUR),
* [[Schmitt-Trigger]]
* [[Aktiver RC-Bandpass|Aktiver RC-Bandpass auf Operationsverstärker-Basis]]

[[Category:Grundlagen]]
[[Category:Bauteile]]

Operationsverstärker-Grundschaltungen

2011-09-01T12:29:13Z

Freiburger: /* Verstärkergrundschaltungen */

== Idealisiertes Modell eines OPV ==

=== Anschlüsse ===
Ein Operationsverstärker hat zwei Eingänge (+) und (-) und einen Ausgang
(UA). Außerdem verfügt er über eine positive und eine negative
Spannungsversorgung (V+) und (V-).

=== Spannungsversorgungen ===
Die Spannungsversorgungen sollen zunächst nicht interessieren. Sie
werden in Schaltungen oft nicht eingezeichnet.
In der Praxis ist es jedoch wichtig zu wissen, dass die Ausgangsspannung immer zwischen (V+) und (V-) liegt. Die Ausgangsspannung des OPV kommt schließlich dadurch zustande, dass der Ausgang über einen Transistor mehr oder weniger hochohmig mit den beiden Versorgungsspannungen verbunden wird.

Wenn man einen OPV also mit +5V versorgt, so kann der OPV im besten Fall am Ausgang +5V erzeugen. Man würde in diesem Fall von einem "Rail-to-Rail" Operationsverstärker sprechen.
Bei vielen Operationsverstärkern ist die maximal mögliche Ausgangsspannung geringer als die Versorgungsspannung. Ein mit +5V Spannungsversorgung beschalteter OPV kann dann beispielsweise nur +4V Ausgangsspannung erzeugen.

| \
| \
-- | - \
| \_______
| /
-- | + /
| /
| /

=== Ausgang ===
Der Ausgang des OPV ist eine ideale Spannungsquelle. Das bedeutet, dass die
Ausgangsspannung unabhängig davon ist, was ausgangsseitig an den OPV
angeschlossen wird.
In der Praxis gilt dieses Modell häufig nur bei "sinnvollen Anwendungen". So ist beispielsweise der Ausgangsstrom des OPV nach oben begrenzt (typischerweise im mA-Bereich), und manche OPV schwingen sehr leicht, wenn man sie kapazitiv belastet.

=== Eingänge ===
Die Eingänge eines OPV sind hochohmig, d. h., es handelt sich nur um "Messfühler", die keinen Strom führen.

=== Funktionsweise ===
Der OPV mißt zu jeder Zeit die Differenz <math>U_D = U(+) - U(-)</math> der
Eingangsspannungen.

Ist die Spannung an (+) größer als an (-), so erhöht der OPV die
Ausgangsspannung.
Ist die Spannung an (+) niedriger als an (-), so vermindert der OPV die
Ausgangsspannung.

Das Ergebnis dieses Vorgangs wird häufig über die Gleichung:

<math>U_a = v \cdot U_D</math>

beschrieben, wobei <math>v</math> eine sehr große Zahl (10^4...10^6) ist.

Mit Hilfe der beschriebenen Funktionsweise lassen sich alle grundlegenden Schaltungen herleiten.

=== Beispiel ===

Betrachtet wird die invertierende Grundschaltung nach Abbildung a) im Abschnitt "Verstärkergrundschaltungen".

Für die Pfeilrichtungen der Spannungen und Ströme gilt:

<math>U_e</math>: von oben nach unten

<math>I_{R3}</math>: von links nach rechts

Die Spannung am (+)Eingang ist gleich Null. Die Spannung am (-)Eingang wird durch die Spannungsquelle <math>U_e</math> und durch die im OPV befindliche und mit dem Ausgang verbundene Spannungsquelle des OPV manipuliert.

* Ist die Spannung am (-)Eingang negativ, so erhöht der Operationsverstärker die Ausgangsspannung. Dadurch wird auch die Spannung am (-)Eingang positiver. Und zwar so lange, bis die Spannung am (-)Eingang gleich groß ist, wie die Spannung am (+)Eingang, also U(-)=0V.
* Ist die Spannung am (-)Eingang positiv, so vermindert der Operationsverstärker die Ausgangsspannung. Dadurch wird auch die Spannung am (-)Eingang negativer. Und zwar so lange, bis die Spannung am (-)Eingang gleich groß ist, wie die Spannung am (+)Eingang, also U(-)=0V.

Der Operationsverstärker wird also die Spannungen an (+) und (-)
angleichen. Das passiert immer dann, wenn der Ausgang mit dem (-)Eingang
verbunden ist. Man nennt das Prinzip "Gegenkopplung". Auf diese Art und
Weise funktionieren alle analogen OPV-Schaltungen.

Da an (+) Massepotential anliegt, liegt an <math>R_3</math> die Spannung <math>U_e</math> an, und es gilt:
<math>I_{R3}=\frac{U_e}{R_3}.</math>

Da der (-)Eingang hochohmig ist, fließt <math>I_{R3}</math> über <math>R_4</math> weiter zum OPV-Ausgang.

Ua ist die Spannung vom Ausgang zur (virtuellen) Masse am (-)Eingang.
(--> Pfeil einzeichnen und klarmachen, daß es egal ist, ob der Pfeil vom
Ausgang zur Masse geht oder vom Ausgang "entgegen der Stromrichtung" zur
virtuellen Masse an (-)!)

Mit Hilfe von <math>I_{R3}=\frac{U_e}{R_3}</math> ergibt sich:

<math>U_a = -R_4 \cdot I_{R3} = -{{R_4} \over {R_3}} \cdot U_e.</math>

Die Energie für den Stromtransport über <math>R_4</math> stammt vom OPV! Sobald die Ladungen ausgehend von der Spannungsquelle <math>U_e</math> die virtuelle Masse an (-) erreicht haben, hat <math>U_e</math> seine gesamte Energie abgegeben.

== Reale OPs / Kennwerte ==
Abweichend vom idealen OP besitzen reale OPs diverse Einschränkungen und Kennwerte, die sie für verschiedene Einsätze mehr oder weniger prädestieren.

=== Leerlaufverstärkung ===
Die Leerlaufverstärkung gibt an, wie stark sich das Ausgangssignal i.A. der Änderung eines Eingangsignals statisch ändert, bzw nach dem Einschwingen erreichen könnte, wenn es nicht durch die Betriebsgrenzen limitiert wäre.

=== Anstiegszeit ===
Bestimmend für die dynamische Änderung des Signal ist wiederum die slew rate, die wesentlich das AC-Verhalten bestimmt.

=== Frequenz-Bandbreiteprodukt ===

=== Gleichtaktverstärkung ===

== Verstärkergrundschaltungen ==
=== Grundbeschaltung mit Berechung ===
[[Bild:Op-verstaerker-a.png]] [[Bild:Op-verstaerker-b.png]]

In a) und b) verwenden wir den OP als Verstärker und nutzen hier die Möglichkeit der Gegenkopplung, um definierte Verstärkungen zu erhalten. Wir gehen wieder davon aus, dass der OP ein ideales Bauteil ist und daher seine Leerlaufverstärkung unendlich ist. Ebenso betrachten wir den Eingangswiderstand als unendlich.

In a) ist ein invertierender Verstärker mit einem OP dargestellt. Durch die Widerstände R3 und R4 wird die Verstärkung bestimmt:

:<math>V = \frac{U_a}{U_e} = -\frac{R_4}{R_3}</math>

Das Verhältnis der beiden Widerstände bestimmt also die Verstärkung und somit die Ausgangsspannung:

:<math>U_a = -\frac{R_4}{R_3} \cdot U_e </math>

oder auch

:<math>U_a = V \cdot U_e</math>

Das negative Vorzeichen drückt aus, dass es sich um einen invertierenden Verstärker handelt.

Beim nichtinvertierenden Verstärker b) finden wir auch eine Rückkopplung über R6 zum invertierenden Eingang des OP. Die Verstärkung wird durch das Gegenkopplungsnetzwerk R6 und R7 exakt definiert. Hier ist:

:<math>V = 1 + \frac{R6}{R7}</math>

Eine Verstärkung von 1 ist sinnvoll, wenn eingangsseitig eine Spannungsquelle mit hohem Innenwiderstand verwendet wird. Für <math>\frac{R6}{R7} \to 0</math> heißt die Schaltung "Spannungsfolger".

Kleinere Werte als 1 lassen sich nicht realisieren. Die Ausgangsspannung errechnet sich also so:

:<math>U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_7}\right )</math>

Beispiel: Eine Eingangsspannung von 0,5 V soll auf den Wert 5 V verstärkt werden, es ist also eine Verstärkung V von 10 benötigt. R7 ist mit 10 kΩ vorgegeben. Also ist das Verhältnis

:<math>\frac{R_6}{R_7} = V - 1</math>

Bei einem Wert von 10 kΩ für R7 errechnet sich R6 zu

:<math>
R6 = (V - 1) \cdot R7
= (10 - 1) \cdot 10\,\mathrm{k\Omega}
= 90\,\mathrm{k\Omega}
</math>

Die Ausgangsspannung Ua wird also:

:<math>
U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_7}\right )
= 0,5\,\mathrm{V} \cdot \left (1 + \frac{90\,\mathrm{k\Omega}}{10\,\mathrm{k\Omega}}\right)
= 5\,\mathrm{V}
</math>

=== Spannungsfolger (Impedanzwandler) ===

[[Bild:Op-spannungsfolger1.png]]

Eine Abart des nichtinvertierenden Verstärkers stellt der Spannungsfolger dar. Beim nichtinvertierenden Verstärker errechnet sich die Ausgangsspannung aus:

:<math>U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_2}{R_1}\right )</math>

Wenn wir R2 auf 0 Ohm (mit R1 > 0) oder R1 auf unendlich (mit R2 < ∞) ändern, erhalten wir daher:

:<math>V = 1 + \frac{R_2}{R_1} = 1</math>

Ein Spannungsfolger hat also eine Verstärkung V von 1.

Umgezeichnet sieht die Schaltung so aus:

[[Bild:Op-spannungsfolger2.png]]

Was soll das nun? Wir nutzen die Eigenschaft, dass ein idealer OP einen unendlichen Eingangswiderstand und einen Ausgangswiderstand von 0 Ohm hat. Real sieht das natürlich anders aus: so liegt der Eingangswiderstand Re bei normalen OPs in der Größenordnung von 1MOhm bis <math>10^{15} \Omega</math>, der Ausgangswiderstand Ra im Bereich 20 Ohm bis 1kOhm. Deshalb spricht man bei dieser Schaltung von einem Impedanzwandler. Eine solche Schaltung kann also aus einer relativ hochohmigen Spannungsquelle eine niederohmige, durch Folgeschaltungen belastbare Spannungsquelle machen.

[[Bild:Op-spannungsfolger3.png|left]]

In dem nebenstehenden Beispiel ist eine einfache Möglichkeit zur Erzeugung einer Referenzspannung gezeigt. Es kommt eine normale Stabilisierungsschaltung mit einer Zenerdiode zur Anwendung, die aber nicht mehr die schlechten Eigenschaften der Standardbeschaltung hat.

{{Clear}}

[[Bild:Op-spannungsfolger4.png|right]]

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit wäre das hochohmige Auskoppeln einer Brückenspannung. Die Brückenschaltung selbst wird durch Folgeschaltungen nicht mehr belastet, alle anderen Eigenschaften bleiben erhalten.

{{Clear}}

=== Der Komparator ===

[[Bild:Op-komp-a.png]] [[Bild:Op-komp-b.png]]

In der einfachsten Beschaltung des Operationsverstärkers erhält man einen Komparator. Es fällt auf, dass kein Gegenkopplungsnetzwerk vorhanden ist. Der OP arbeitet daher mit seiner vollen Leerlaufverstärkung Vo. Dies bedeutet, dass bereits eine kleine Eingangsspannung genügt, um den OP in die Begrenzung zu treiben. Das heißt, die Ausgangsspannung Ua wird annähernd die Betriebsspannung erreichen.

Beim Komparator gibt es zwei Möglichkeiten der Beschaltung: die invertierende nach a) und die nichtinvertierende Beschaltung nach b).

==== Berechnungsbeispiel für Schaltung b) ====

Angenommen die Leerlaufverstärkung Vo von 40000 und eine Eingangsspannung von 0,1 Volt. Die Betriebsspannungen Vcc und Vee legen wir auf +/- 24 V fest. Damit ergibt sich theoretisch für Ua:

:<math>U_a = V_0 \cdot U_e = 40000 \cdot 0,1\,\mathrm{V} = 4000\,\mathrm{V}</math>

Das ist natürlich ein unrealistischer Wert, da Ua nicht höher sein kann als die Betriebsspannung. Also anders ausgedrückt: Bei welcher Spannung Ue erreicht der OP seine Aussteuerungsgrenze?

:<math>U_e = V_{cc} / V_0 = 24\,\mathrm{V} / 40000 = 0,6\,\mathrm{mV}</math>

Das bedeutet, dass eine Spannung von 0,6 mV ausreicht um den Komparator in die Begrenzung zu treiben.

Das gleiche gilt auch für den invertierenden Komparator, allerdings wird hier der OP in die negative Begrenzung gebracht.

:<math>-U_a = V_0 \cdot U_e</math>

=== Der Addierer (Summierverstärker) ===

[[Bild:Op-addierer.png]]

Ein als invertierender Verstärker beschalteter OP lässt sich so beschalten, dass ein Summensignal aus den Eingangsspannungen gebildet wird. Um die Funktion deutlich zu machen, ist eine Betrachtung der einzelnen Ströme nötig.

In einem invertierenden Verstärker wird sich die Ausgangsspannung immer so einstellen, dass der invertierende Eingang Massepotential hat. Die virtuelle Masse (VM) unterscheidet sich von einer "normalen" Masse dadurch, dass das Potential durch einen Regelungsvorgang zustande kommt.
An der virtuellen Masse (VM) gilt die Knotenpunktregel, wonach die Summe der zufließenden Ströme gleich der Summe der abfließenden Ströme ist.

:<math>I_1 + I_2 = -I_3</math>

Sofern <math>U_{e1}</math> und <math>U_{e2}</math> bekannt sind, lässt sich die Gleichung umformen in:

:<math>\frac{U_{e1}}{R_1} + \frac{U_{e2}}{R_2} = -\frac{U_a}{R_3}</math>

Nach Ua aufgelöst ergibt sich:

:<math>-U_a = \left (U_{e1} \cdot \frac{R_3}{R_1}\right ) + \left (U_{e2} \cdot \frac{R_3}{R_2}\right ) + ... + \left (U_{en} \cdot \frac{R_3}{R_n}\right )</math>

Das war's eigentlich schon. Einen Sonderfall gibt es, wenn die Widerstände R1 und R2 gleich sind. Dann gilt

:<math>R_1 = R_2 = R_x</math>

und damit

:<math>-U_a = \frac{R_3}{R_x} \cdot (U_{e1} + U_{e2})</math>.

=== Der Subtrahierer (Differenzverstärker) ===

[[Bild:Op-subtrahierer.png]]

Ein Subtrahierer ist die Zusammenschaltung eines invertierenden und eines nichtinvertierenden Verstärkers. Schliessen wir Punkt Ue1 nach Masse kurz und steuern Ue2 an, arbeitet die Schaltung als nichtinvertierender Verstärker. Wird Ue2 nach Masse verbunden und Ue1 angesteuert, verhält sich die Schaltung als invertierender Verstärker (R7 vorerst nicht beachten).

Für den 1. Fall gilt:

:<math>U_a = U_{e2} \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_4}\right )</math>

Für den 2. Fall:

:<math>U_a = -U_{e1} \cdot \frac{R_6}{R_4}</math>

Der dritte Fall ist die Ansteuerung beider Eingänge:

:<math>U_a = -U_{e1} \cdot \frac{R_6}{R_4} + U_{e_2} \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_4}\right )</math>

Diese Schaltung ist gut für eine Erklärung, praktisch aber taugt sie nichts. Denn liegen an den Eingängen gleiche Spannungen an, ist die Ausgangsspannung nicht 0, wie eigentlich zu vermuten wäre. Deshalb ändern wir die Schaltung und fügen R7 ein. Jetzt stellt sich am Punkt + des OPs die Spannung

:<math>U_{e2+} = U_{e2} \cdot \frac{R_7}{R_5 + R_7}</math>

ein. Wenn wir das berücksichtigen, erhalten wir endlich einen richtigen Subtrahierer:

:<math>U_a = U_{e2} \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_4}\right ) \cdot \frac{R_7}{R_5 + R_7} - \frac{R_6}{R_4} \cdot U_{e1}</math>

Dies gilt für alle Subtrahierer, obwohl es natürlich auch hier wieder zwei Sonderfälle gibt; nämlich a) wenn alle Gegenkopplungswiderstände gleich sind:

:<math>R_6 = R_7 = R_4 = R_5</math>

dann ist

:<math>U_a = U_{e2} - U_{e1}</math>

oder b) wenn die Widerstandsverhältnisse gleich sind :

:<math>\frac{R_6}{R_4} = \frac{R_7}{R_5}</math>

Dann ergibt sich für Ua:

:<math>U_a = \left (U_{e2} \cdot \frac{R_6}{R_4}\right ) - \left (U_{e1} \cdot \frac{R_6}{R_4}\right )</math>

oder noch einfacher:

:<math>U_a = (U_{e2} - U_{e1}) \cdot \frac{R_6}{R_4}</math>

=== Addierer/Subtrahierer mit unterschiedlichen Faktoren ===
[[Bild:Op-addsub.png]]

Hier die Schaltung die addieren und subtrahieren kann, mit unterschiedlichen Faktoren.
Sie kann verwendet werden für Aufgaben wie: Gesucht ist eine Schaltung, die aus 0...2.56 V eine Spannung von -10V...10V macht. Für dieses Beispiel wird hier die Dimensionierung durchgeführt:

{| class="wikitable" style="text-align: left"
| style="vertical-align: top" | 1 
| style="vertical-align: top" | Um = Ue2 
| style="vertical-align: top" | Gleichgewicht am Eingang 
|-
| style="vertical-align: top" | 2
| style="vertical-align: top" | Ia+Ib = Ic 
| style="vertical-align: top" | In den Eingang fließt "kein" Strom
|-
| style="vertical-align: top" | 3
| style="vertical-align: top" | (Ua-Ue2)/R6 + (Ue1-Ue2)/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 4 
| style="vertical-align: top" | Ua/R6 - Ue2/R6 + Ue1/R4 - Ue2/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 5 
| style="vertical-align: top" | '''R6 = 200k''' 
| style="vertical-align: top" | Einfach festgelegt, könnte auch 100k oder 500k sein 
|-
| style="vertical-align: top" | 6 
| style="vertical-align: top" | Ue1 = 5V 
| style="vertical-align: top" | könnte auch 15V oder 10V sein 
|-
| style="vertical-align: top" | 7 
| style="vertical-align: top" | -10/200k - 0/200k + 5/R4 - 0/R4 = 0/Rc
| style="vertical-align: top" | Wenn Ue2=0V, wollen wir Ua=-10V 
|-
| style="vertical-align: top" | 8 
| style="vertical-align: top" | -10/200k + 5/R4 = 0
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 9 
| style="vertical-align: top" | 10/200k = 5/R4 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 10 
| style="vertical-align: top" | R4 = 5/10*200k = 100k 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" | '''R4 = 100k''' 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" rowspan="1" colspan="2" | Wir hatten Ue1=5V festgelegt, Damit wollen wir -10V...10V Am Ausgang erreichen. Wenn wir jetzt annehmen Ue1=0V, dann würde der Eingang Ue2 0...xV am Ausgang 0...20V erzeugen. 
|-
| style="vertical-align: top" | 4 
| style="vertical-align: top" | Ua/R6 - Ue2/R6 + Ue1/R4 - Ue2/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" | Ua/R6 - Ue2/R6 + 0/R4 - Ue2/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 41 
| style="vertical-align: top" | 20/200k - x/200k + 0/100k - x/100k = x/Rc 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 42 
| style="vertical-align: top" | ( 20/200k - x/200k - x/100k ) / x = 1/Rc
| style="vertical-align: top" | Das ist die Formel für 1/Rc 
|-
| style="vertical-align: top" | 43 
| style="vertical-align: top" | 20/(200k*x) - 1/200k - 1/100k = 1/Rc 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 44 
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" | Wir setzen z.B 2.56V ein und erhalten 
|-
| style="vertical-align: top" | 45 
| style="vertical-align: top" | Rc = 1/(20/(200000*2.56)-1/200000-1/100000)= 
| style="vertical-align: top" | Den String 1/(20/(200000*2.56)-1/200000-1/100000)= kopieren wir in in den Windows Taschenrechner (mit Ctrl-C - Ctrl-V) und erhalten: Rc=41,558k 
|}

=== Der Instrumenten-Verstärker ===

[[Bild:Instrument.png]]

Ein Nachteil des Subtrahierer ist sein geringer Eingangswiderstand. Um den nahezu unendlichen Eingangswiderstand des verwendeten Operationsverstärkers zu erreichen, kann man einfach vor beide Eingänge je einen Impedanzwandler vorschalten.
Die hier beschriebene Schaltung ist um drei Widerstände erweitert und ermöglicht die Einstellung der Differenz-Verstärkung über nur einen Widerstand, nämlich R2.

Am invertierenden Eingang von IC1A gilt (Knotenregel):

:<math>\frac{U_{a1}-U_{e1}}{R_1}-\frac{U_{e1}-U_{e2}}{R_2}=0</math>

Am invertierenden Eingang von IC1C gilt (Knotenregel):

:<math>\frac{U_{a2}-U_{e2}}{R_1}+\frac{U_{e1}-U_{e2}}{R_2}=0</math>

Subtrahiert man die beiden Gleichungen voneinander, erhält man:

:<math>U_{a2}-U_{a1}=(U_{e2}-U_{e1})\cdot\left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2}\right )</math>

Letztere Differenz ist die Eingangsspannung eines normalen Subtrahierers mit der Verstärkung 1.

Also ergibt sich als Ausgangsspannung:

:<math>U_a=(U_{e2}-U_{e1}) \cdot \left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2}\right )</math>

Die Differenzverstärkung beträgt demnach:

:<math>V=\left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2} \right )</math>

Anwendung: Auswertung von Brückenschaltungen, wie Drucksensoren oder Dehnungsmessstreifen, die durch den Eingangswiderstand der Messschaltung nicht belastet werden dürfen. 
Instrumenten-Verstärker kann man auch fertig kaufen. Im INA102 ist die komplette Schaltung integriert. Für R2 sind 3 verschiedene Werte eingebaut, die bei passender Verschaltung eine Verstärkung von 1, 10, 100 oder 1000 ermöglichen.

=== Der Multiplizierer (Mischer) ===

=== Der Lagarithmierer ===

= Spannungsversorgung und Beschaltung =

== Betrieb mit einfacher Versorgungsspannung ==

Häufig möchte man Wechselspannung (z. B. Audiosignale) die auch negative Spannungen enthält mit einem Opamp verstärken, hat aber nur eine einfache Versorgungsspannung, eine positive in Bezug zu Masse, zur Verfügung. Dafür bieten sich folgende Schaltungen an, die in der Literatur leider häufig vernachlässigt werden.

=== Nichtinvertierender Verstärker ===

[[Bild: Ss_opamp1.png]]

Der negative Eingang wird mit einem Spannungsteiler auf die halbe Betriebsspannung gelegt und das Signal mit Kondensatoren am Ein- und Ausgang entkoppelt.
Die Verstärkung ist in diesem Beispiel für Wechselspannung 11 (Formel wie oben), für Gleichspannung aber 1, da C4 für Gleichspannung einen unendlichen Widerstand darstellt. C3 sollte dorthin gehen, wo das Eingangssignal seinen Bezugspunkt hat, also die Abschirmung der Chinch-Buchse, während R5 dorthin geht, wo der Operationsverstärker seine negative Versorgungsspannung her bekommt, falls das nicht die gleichen Pontentiale, hier GND, sein sollten.

=== Invertierender Verstärker ===

Das Prinzip funktioniert analog auch für die invertierende Beschaltung:

[[Bild: Ss_opamp2.png]]

= Kaufempfehlung =
LM 158/258/358 2 OPs in einem Gehäuse Preis ca. 0,30€.

Siehe auch [[Standardbauelemente#Operationsverst.C3.A4rker|Standardbauelemente - Operationsverstärker]].

Wer Audio OpAmps sucht - tangentsoft.net hat mal welche unter die Lupe genommen: [http://www.tangentsoft.net/audio/opamps.html Notes on Audio OpAmps]

= Weblinks =
*[http://www.eetkorea.com/ARTICLES/2003SEP/A/2003SEP19_AMD_AN07.PDF Op Amp Circuit Collection] - National Semiconductor Application Note 31 mit vielen weiteren OP-Schaltungen
*[http://www-s.ti.com/sc/psheets/slod006b/slod006b.pdf Op Amps for Everyone] - englischsprachiges, sehr umfangreiches Dokument zu OPV und deren Anwendung (empfehlenswert)
* [http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0209092.htm Operationsverstärker im ElKo]
*[http://www.inf.fu-berlin.de/lehre/WS00/peg/folien/Peg_v7a.pdf OP Teil 1], [http://www.inf.fu-berlin.de/lehre/WS00/peg/folien/Peg_v7b.pdf OP Teil 2] - OP-Schaltungen (deutsch)
*[http://www.blecken.de/download/opverst.zip Schaltungstechnik mit Operationsverstärkern] - Prof. K. Blecken, Skript zur Vorlesung (deutsch, *.doc-Format)
* [http://www.roboternetz.de/wissen/index.php/Operationsverst%C3%A4rker RN-Wissen Operationsverstärker]
* [http://www.national.com/onlineseminar/#amps Online Seminar] von National Semiconductor
* [http://www.franzis.de/elo-das-magazin/grundlagen-und-ausbildung/operationsverstaerker/der-operationsverstaerker ELO-Online-Magazin, Franzis-Verlag], [http://www.franzis.de/online-shop/elektronik/lernpakete-elektronik/lernpaket-elektronik-mit-ics Lernpaket Elektronik mit ICs] "Elektronische Experimente mit integriertem Schaltkreis", Kasten mit Steckbrett/Bauelementen (ca. 40EUR),
* [[Schmitt-Trigger]]
* [[Aktiver RC-Bandpass|Aktiver RC-Bandpass auf Operationsverstärker-Basis]]

[[Category:Grundlagen]]
[[Category:Bauteile]]

Operationsverstärker-Grundschaltungen

2011-09-01T12:20:46Z

Freiburger: /* Grundbechaltung */

== Idealisiertes Modell eines OPV ==

=== Anschlüsse ===
Ein Operationsverstärker hat zwei Eingänge (+) und (-) und einen Ausgang
(UA). Außerdem verfügt er über eine positive und eine negative
Spannungsversorgung (V+) und (V-).

=== Spannungsversorgungen ===
Die Spannungsversorgungen sollen zunächst nicht interessieren. Sie
werden in Schaltungen oft nicht eingezeichnet.
In der Praxis ist es jedoch wichtig zu wissen, dass die Ausgangsspannung immer zwischen (V+) und (V-) liegt. Die Ausgangsspannung des OPV kommt schließlich dadurch zustande, dass der Ausgang über einen Transistor mehr oder weniger hochohmig mit den beiden Versorgungsspannungen verbunden wird.

Wenn man einen OPV also mit +5V versorgt, so kann der OPV im besten Fall am Ausgang +5V erzeugen. Man würde in diesem Fall von einem "Rail-to-Rail" Operationsverstärker sprechen.
Bei vielen Operationsverstärkern ist die maximal mögliche Ausgangsspannung geringer als die Versorgungsspannung. Ein mit +5V Spannungsversorgung beschalteter OPV kann dann beispielsweise nur +4V Ausgangsspannung erzeugen.

| \
| \
-- | - \
| \_______
| /
-- | + /
| /
| /

=== Ausgang ===
Der Ausgang des OPV ist eine ideale Spannungsquelle. Das bedeutet, dass die
Ausgangsspannung unabhängig davon ist, was ausgangsseitig an den OPV
angeschlossen wird.
In der Praxis gilt dieses Modell häufig nur bei "sinnvollen Anwendungen". So ist beispielsweise der Ausgangsstrom des OPV nach oben begrenzt (typischerweise im mA-Bereich), und manche OPV schwingen sehr leicht, wenn man sie kapazitiv belastet.

=== Eingänge ===
Die Eingänge eines OPV sind hochohmig, d. h., es handelt sich nur um "Messfühler", die keinen Strom führen.

=== Funktionsweise ===
Der OPV mißt zu jeder Zeit die Differenz <math>U_D = U(+) - U(-)</math> der
Eingangsspannungen.

Ist die Spannung an (+) größer als an (-), so erhöht der OPV die
Ausgangsspannung.
Ist die Spannung an (+) niedriger als an (-), so vermindert der OPV die
Ausgangsspannung.

Das Ergebnis dieses Vorgangs wird häufig über die Gleichung:

<math>U_a = v \cdot U_D</math>

beschrieben, wobei <math>v</math> eine sehr große Zahl (10^4...10^6) ist.

Mit Hilfe der beschriebenen Funktionsweise lassen sich alle grundlegenden Schaltungen herleiten.

=== Beispiel ===

Betrachtet wird die invertierende Grundschaltung nach Abbildung a) im Abschnitt "Verstärkergrundschaltungen".

Für die Pfeilrichtungen der Spannungen und Ströme gilt:

<math>U_e</math>: von oben nach unten

<math>I_{R3}</math>: von links nach rechts

Die Spannung am (+)Eingang ist gleich Null. Die Spannung am (-)Eingang wird durch die Spannungsquelle <math>U_e</math> und durch die im OPV befindliche und mit dem Ausgang verbundene Spannungsquelle des OPV manipuliert.

* Ist die Spannung am (-)Eingang negativ, so erhöht der Operationsverstärker die Ausgangsspannung. Dadurch wird auch die Spannung am (-)Eingang positiver. Und zwar so lange, bis die Spannung am (-)Eingang gleich groß ist, wie die Spannung am (+)Eingang, also U(-)=0V.
* Ist die Spannung am (-)Eingang positiv, so vermindert der Operationsverstärker die Ausgangsspannung. Dadurch wird auch die Spannung am (-)Eingang negativer. Und zwar so lange, bis die Spannung am (-)Eingang gleich groß ist, wie die Spannung am (+)Eingang, also U(-)=0V.

Der Operationsverstärker wird also die Spannungen an (+) und (-)
angleichen. Das passiert immer dann, wenn der Ausgang mit dem (-)Eingang
verbunden ist. Man nennt das Prinzip "Gegenkopplung". Auf diese Art und
Weise funktionieren alle analogen OPV-Schaltungen.

Da an (+) Massepotential anliegt, liegt an <math>R_3</math> die Spannung <math>U_e</math> an, und es gilt:
<math>I_{R3}=\frac{U_e}{R_3}.</math>

Da der (-)Eingang hochohmig ist, fließt <math>I_{R3}</math> über <math>R_4</math> weiter zum OPV-Ausgang.

Ua ist die Spannung vom Ausgang zur (virtuellen) Masse am (-)Eingang.
(--> Pfeil einzeichnen und klarmachen, daß es egal ist, ob der Pfeil vom
Ausgang zur Masse geht oder vom Ausgang "entgegen der Stromrichtung" zur
virtuellen Masse an (-)!)

Mit Hilfe von <math>I_{R3}=\frac{U_e}{R_3}</math> ergibt sich:

<math>U_a = -R_4 \cdot I_{R3} = -{{R_4} \over {R_3}} \cdot U_e.</math>

Die Energie für den Stromtransport über <math>R_4</math> stammt vom OPV! Sobald die Ladungen ausgehend von der Spannungsquelle <math>U_e</math> die virtuelle Masse an (-) erreicht haben, hat <math>U_e</math> seine gesamte Energie abgegeben.

== Verstärkergrundschaltungen ==

=== Grundbeschaltung mit Berechung ===
[[Bild:Op-verstaerker-a.png]] [[Bild:Op-verstaerker-b.png]]

In a) und b) verwenden wir den OP als Verstärker und nutzen hier die Möglichkeit der Gegenkopplung, um definierte Verstärkungen zu erhalten. Wir gehen wieder davon aus, dass der OP ein ideales Bauteil ist und daher seine Leerlaufverstärkung unendlich ist. Ebenso betrachten wir den Eingangswiderstand als unendlich.

In a) ist ein invertierender Verstärker mit einem OP dargestellt. Durch die Widerstände R3 und R4 wird die Verstärkung bestimmt:

:<math>V = \frac{U_a}{U_e} = -\frac{R_4}{R_3}</math>

Das Verhältnis der beiden Widerstände bestimmt also die Verstärkung und somit die Ausgangsspannung:

:<math>U_a = -\frac{R_4}{R_3} \cdot U_e </math>

oder auch

:<math>U_a = V \cdot U_e</math>

Das negative Vorzeichen drückt aus, dass es sich um einen invertierenden Verstärker handelt.

Beim nichtinvertierenden Verstärker b) finden wir auch eine Rückkopplung über R6 zum invertierenden Eingang des OP. Die Verstärkung wird durch das Gegenkopplungsnetzwerk R6 und R7 exakt definiert. Hier ist:

:<math>V = 1 + \frac{R6}{R7}</math>

Eine Verstärkung von 1 ist sinnvoll, wenn eingangsseitig eine Spannungsquelle mit hohem Innenwiderstand verwendet wird. Für <math>\frac{R6}{R7} \to 0</math> heißt die Schaltung "Spannungsfolger".

Kleinere Werte als 1 lassen sich nicht realisieren. Die Ausgangsspannung errechnet sich also so:

:<math>U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_7}\right )</math>

Beispiel: Eine Eingangsspannung von 0,5 V soll auf den Wert 5 V verstärkt werden, es ist also eine Verstärkung V von 10 benötigt. R7 ist mit 10 kΩ vorgegeben. Also ist das Verhältnis

:<math>\frac{R_6}{R_7} = V - 1</math>

Bei einem Wert von 10 kΩ für R7 errechnet sich R6 zu

:<math>
R6 = (V - 1) \cdot R7
= (10 - 1) \cdot 10\,\mathrm{k\Omega}
= 90\,\mathrm{k\Omega}
</math>

Die Ausgangsspannung Ua wird also:

:<math>
U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_7}\right )
= 0,5\,\mathrm{V} \cdot \left (1 + \frac{90\,\mathrm{k\Omega}}{10\,\mathrm{k\Omega}}\right)
= 5\,\mathrm{V}
</math>

=== Spannungsfolger (Impedanzwandler) ===

[[Bild:Op-spannungsfolger1.png]]

Eine Abart des nichtinvertierenden Verstärkers stellt der Spannungsfolger dar. Beim nichtinvertierenden Verstärker errechnet sich die Ausgangsspannung aus:

:<math>U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_2}{R_1}\right )</math>

Wenn wir R2 auf 0 Ohm (mit R1 > 0) oder R1 auf unendlich (mit R2 < ∞) ändern, erhalten wir daher:

:<math>V = 1 + \frac{R_2}{R_1} = 1</math>

Ein Spannungsfolger hat also eine Verstärkung V von 1.

Umgezeichnet sieht die Schaltung so aus:

[[Bild:Op-spannungsfolger2.png]]

Was soll das nun? Wir nutzen die Eigenschaft, dass ein idealer OP einen unendlichen Eingangswiderstand und einen Ausgangswiderstand von 0 Ohm hat. Real sieht das natürlich anders aus: so liegt der Eingangswiderstand Re bei normalen OPs in der Größenordnung von 1MOhm bis <math>10^{15} \Omega</math>, der Ausgangswiderstand Ra im Bereich 20 Ohm bis 1kOhm. Deshalb spricht man bei dieser Schaltung von einem Impedanzwandler. Eine solche Schaltung kann also aus einer relativ hochohmigen Spannungsquelle eine niederohmige, durch Folgeschaltungen belastbare Spannungsquelle machen.

[[Bild:Op-spannungsfolger3.png|left]]

In dem nebenstehenden Beispiel ist eine einfache Möglichkeit zur Erzeugung einer Referenzspannung gezeigt. Es kommt eine normale Stabilisierungsschaltung mit einer Zenerdiode zur Anwendung, die aber nicht mehr die schlechten Eigenschaften der Standardbeschaltung hat.

{{Clear}}

[[Bild:Op-spannungsfolger4.png|right]]

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit wäre das hochohmige Auskoppeln einer Brückenspannung. Die Brückenschaltung selbst wird durch Folgeschaltungen nicht mehr belastet, alle anderen Eigenschaften bleiben erhalten.

{{Clear}}

=== Der Komparator ===

[[Bild:Op-komp-a.png]] [[Bild:Op-komp-b.png]]

In der einfachsten Beschaltung des Operationsverstärkers erhält man einen Komparator. Es fällt auf, dass kein Gegenkopplungsnetzwerk vorhanden ist. Der OP arbeitet daher mit seiner vollen Leerlaufverstärkung Vo. Dies bedeutet, dass bereits eine kleine Eingangsspannung genügt, um den OP in die Begrenzung zu treiben. Das heißt, die Ausgangsspannung Ua wird annähernd die Betriebsspannung erreichen.

Beim Komparator gibt es zwei Möglichkeiten der Beschaltung: die invertierende nach a) und die nichtinvertierende Beschaltung nach b).

==== Berechnungsbeispiel für Schaltung b) ====

Angenommen die Leerlaufverstärkung Vo von 40000 und eine Eingangsspannung von 0,1 Volt. Die Betriebsspannungen Vcc und Vee legen wir auf +/- 24 V fest. Damit ergibt sich theoretisch für Ua:

:<math>U_a = V_0 \cdot U_e = 40000 \cdot 0,1\,\mathrm{V} = 4000\,\mathrm{V}</math>

Das ist natürlich ein unrealistischer Wert, da Ua nicht höher sein kann als die Betriebsspannung. Also anders ausgedrückt: Bei welcher Spannung Ue erreicht der OP seine Aussteuerungsgrenze?

:<math>U_e = V_{cc} / V_0 = 24\,\mathrm{V} / 40000 = 0,6\,\mathrm{mV}</math>

Das bedeutet, dass eine Spannung von 0,6 mV ausreicht um den Komparator in die Begrenzung zu treiben.

Das gleiche gilt auch für den invertierenden Komparator, allerdings wird hier der OP in die negative Begrenzung gebracht.

:<math>-U_a = V_0 \cdot U_e</math>

=== Der Addierer (Summierverstärker) ===

[[Bild:Op-addierer.png]]

Ein als invertierender Verstärker beschalteter OP lässt sich so beschalten, dass ein Summensignal aus den Eingangsspannungen gebildet wird. Um die Funktion deutlich zu machen, ist eine Betrachtung der einzelnen Ströme nötig.

In einem invertierenden Verstärker wird sich die Ausgangsspannung immer so einstellen, dass der invertierende Eingang Massepotential hat. Die virtuelle Masse (VM) unterscheidet sich von einer "normalen" Masse dadurch, dass das Potential durch einen Regelungsvorgang zustande kommt.
An der virtuellen Masse (VM) gilt die Knotenpunktregel, wonach die Summe der zufließenden Ströme gleich der Summe der abfließenden Ströme ist.

:<math>I_1 + I_2 = -I_3</math>

Sofern <math>U_{e1}</math> und <math>U_{e2}</math> bekannt sind, lässt sich die Gleichung umformen in:

:<math>\frac{U_{e1}}{R_1} + \frac{U_{e2}}{R_2} = -\frac{U_a}{R_3}</math>

Nach Ua aufgelöst ergibt sich:

:<math>-U_a = \left (U_{e1} \cdot \frac{R_3}{R_1}\right ) + \left (U_{e2} \cdot \frac{R_3}{R_2}\right ) + ... + \left (U_{en} \cdot \frac{R_3}{R_n}\right )</math>

Das war's eigentlich schon. Einen Sonderfall gibt es, wenn die Widerstände R1 und R2 gleich sind. Dann gilt

:<math>R_1 = R_2 = R_x</math>

und damit

:<math>-U_a = \frac{R_3}{R_x} \cdot (U_{e1} + U_{e2})</math>.

=== Der Subtrahierer (Differenzverstärker) ===

[[Bild:Op-subtrahierer.png]]

Ein Subtrahierer ist die Zusammenschaltung eines invertierenden und eines nichtinvertierenden Verstärkers. Schliessen wir Punkt Ue1 nach Masse kurz und steuern Ue2 an, arbeitet die Schaltung als nichtinvertierender Verstärker. Wird Ue2 nach Masse verbunden und Ue1 angesteuert, verhält sich die Schaltung als invertierender Verstärker (R7 vorerst nicht beachten).

Für den 1. Fall gilt:

:<math>U_a = U_{e2} \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_4}\right )</math>

Für den 2. Fall:

:<math>U_a = -U_{e1} \cdot \frac{R_6}{R_4}</math>

Der dritte Fall ist die Ansteuerung beider Eingänge:

:<math>U_a = -U_{e1} \cdot \frac{R_6}{R_4} + U_{e_2} \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_4}\right )</math>

Diese Schaltung ist gut für eine Erklärung, praktisch aber taugt sie nichts. Denn liegen an den Eingängen gleiche Spannungen an, ist die Ausgangsspannung nicht 0, wie eigentlich zu vermuten wäre. Deshalb ändern wir die Schaltung und fügen R7 ein. Jetzt stellt sich am Punkt + des OPs die Spannung

:<math>U_{e2+} = U_{e2} \cdot \frac{R_7}{R_5 + R_7}</math>

ein. Wenn wir das berücksichtigen, erhalten wir endlich einen richtigen Subtrahierer:

:<math>U_a = U_{e2} \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_4}\right ) \cdot \frac{R_7}{R_5 + R_7} - \frac{R_6}{R_4} \cdot U_{e1}</math>

Dies gilt für alle Subtrahierer, obwohl es natürlich auch hier wieder zwei Sonderfälle gibt; nämlich a) wenn alle Gegenkopplungswiderstände gleich sind:

:<math>R_6 = R_7 = R_4 = R_5</math>

dann ist

:<math>U_a = U_{e2} - U_{e1}</math>

oder b) wenn die Widerstandsverhältnisse gleich sind :

:<math>\frac{R_6}{R_4} = \frac{R_7}{R_5}</math>

Dann ergibt sich für Ua:

:<math>U_a = \left (U_{e2} \cdot \frac{R_6}{R_4}\right ) - \left (U_{e1} \cdot \frac{R_6}{R_4}\right )</math>

oder noch einfacher:

:<math>U_a = (U_{e2} - U_{e1}) \cdot \frac{R_6}{R_4}</math>

=== Addierer/Subtrahierer mit unterschiedlichen Faktoren ===
[[Bild:Op-addsub.png]]

Hier die Schaltung die addieren und subtrahieren kann, mit unterschiedlichen Faktoren.
Sie kann verwendet werden für Aufgaben wie: Gesucht ist eine Schaltung, die aus 0...2.56 V eine Spannung von -10V...10V macht. Für dieses Beispiel wird hier die Dimensionierung durchgeführt:

{| class="wikitable" style="text-align: left"
| style="vertical-align: top" | 1 
| style="vertical-align: top" | Um = Ue2 
| style="vertical-align: top" | Gleichgewicht am Eingang 
|-
| style="vertical-align: top" | 2
| style="vertical-align: top" | Ia+Ib = Ic 
| style="vertical-align: top" | In den Eingang fließt "kein" Strom
|-
| style="vertical-align: top" | 3
| style="vertical-align: top" | (Ua-Ue2)/R6 + (Ue1-Ue2)/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 4 
| style="vertical-align: top" | Ua/R6 - Ue2/R6 + Ue1/R4 - Ue2/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 5 
| style="vertical-align: top" | '''R6 = 200k''' 
| style="vertical-align: top" | Einfach festgelegt, könnte auch 100k oder 500k sein 
|-
| style="vertical-align: top" | 6 
| style="vertical-align: top" | Ue1 = 5V 
| style="vertical-align: top" | könnte auch 15V oder 10V sein 
|-
| style="vertical-align: top" | 7 
| style="vertical-align: top" | -10/200k - 0/200k + 5/R4 - 0/R4 = 0/Rc
| style="vertical-align: top" | Wenn Ue2=0V, wollen wir Ua=-10V 
|-
| style="vertical-align: top" | 8 
| style="vertical-align: top" | -10/200k + 5/R4 = 0
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 9 
| style="vertical-align: top" | 10/200k = 5/R4 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 10 
| style="vertical-align: top" | R4 = 5/10*200k = 100k 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" | '''R4 = 100k''' 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" rowspan="1" colspan="2" | Wir hatten Ue1=5V festgelegt, Damit wollen wir -10V...10V Am Ausgang erreichen. Wenn wir jetzt annehmen Ue1=0V, dann würde der Eingang Ue2 0...xV am Ausgang 0...20V erzeugen. 
|-
| style="vertical-align: top" | 4 
| style="vertical-align: top" | Ua/R6 - Ue2/R6 + Ue1/R4 - Ue2/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" | Ua/R6 - Ue2/R6 + 0/R4 - Ue2/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 41 
| style="vertical-align: top" | 20/200k - x/200k + 0/100k - x/100k = x/Rc 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 42 
| style="vertical-align: top" | ( 20/200k - x/200k - x/100k ) / x = 1/Rc
| style="vertical-align: top" | Das ist die Formel für 1/Rc 
|-
| style="vertical-align: top" | 43 
| style="vertical-align: top" | 20/(200k*x) - 1/200k - 1/100k = 1/Rc 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 44 
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" | Wir setzen z.B 2.56V ein und erhalten 
|-
| style="vertical-align: top" | 45 
| style="vertical-align: top" | Rc = 1/(20/(200000*2.56)-1/200000-1/100000)= 
| style="vertical-align: top" | Den String 1/(20/(200000*2.56)-1/200000-1/100000)= kopieren wir in in den Windows Taschenrechner (mit Ctrl-C - Ctrl-V) und erhalten: Rc=41,558k 
|}

=== Der Instrumenten-Verstärker ===

[[Bild:Instrument.png]]

Ein Nachteil des Subtrahierer ist sein geringer Eingangswiderstand. Um den nahezu unendlichen Eingangswiderstand des verwendeten Operationsverstärkers zu erreichen, kann man einfach vor beide Eingänge je einen Impedanzwandler vorschalten.
Die hier beschriebene Schaltung ist um drei Widerstände erweitert und ermöglicht die Einstellung der Differenz-Verstärkung über nur einen Widerstand, nämlich R2.

Am invertierenden Eingang von IC1A gilt (Knotenregel):

:<math>\frac{U_{a1}-U_{e1}}{R_1}-\frac{U_{e1}-U_{e2}}{R_2}=0</math>

Am invertierenden Eingang von IC1C gilt (Knotenregel):

:<math>\frac{U_{a2}-U_{e2}}{R_1}+\frac{U_{e1}-U_{e2}}{R_2}=0</math>

Subtrahiert man die beiden Gleichungen voneinander, erhält man:

:<math>U_{a2}-U_{a1}=(U_{e2}-U_{e1})\cdot\left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2}\right )</math>

Letztere Differenz ist die Eingangsspannung eines normalen Subtrahierers mit der Verstärkung 1.

Also ergibt sich als Ausgangsspannung:

:<math>U_a=(U_{e2}-U_{e1}) \cdot \left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2}\right )</math>

Die Differenzverstärkung beträgt demnach:

:<math>V=\left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2} \right )</math>

Anwendung: Auswertung von Brückenschaltungen, wie Drucksensoren oder Dehnungsmessstreifen, die durch den Eingangswiderstand der Messschaltung nicht belastet werden dürfen. 
Instrumenten-Verstärker kann man auch fertig kaufen. Im INA102 ist die komplette Schaltung integriert. Für R2 sind 3 verschiedene Werte eingebaut, die bei passender Verschaltung eine Verstärkung von 1, 10, 100 oder 1000 ermöglichen.

=== Der Multiplizierer (Mischer) ===

=== Der Lagarithmierer ===

= Spannungsversorgung und Beschaltung =

== Betrieb mit einfacher Versorgungsspannung ==

Häufig möchte man Wechselspannung (z. B. Audiosignale) die auch negative Spannungen enthält mit einem Opamp verstärken, hat aber nur eine einfache Versorgungsspannung, eine positive in Bezug zu Masse, zur Verfügung. Dafür bieten sich folgende Schaltungen an, die in der Literatur leider häufig vernachlässigt werden.

=== Nichtinvertierender Verstärker ===

[[Bild: Ss_opamp1.png]]

Der negative Eingang wird mit einem Spannungsteiler auf die halbe Betriebsspannung gelegt und das Signal mit Kondensatoren am Ein- und Ausgang entkoppelt.
Die Verstärkung ist in diesem Beispiel für Wechselspannung 11 (Formel wie oben), für Gleichspannung aber 1, da C4 für Gleichspannung einen unendlichen Widerstand darstellt. C3 sollte dorthin gehen, wo das Eingangssignal seinen Bezugspunkt hat, also die Abschirmung der Chinch-Buchse, während R5 dorthin geht, wo der Operationsverstärker seine negative Versorgungsspannung her bekommt, falls das nicht die gleichen Pontentiale, hier GND, sein sollten.

=== Invertierender Verstärker ===

Das Prinzip funktioniert analog auch für die invertierende Beschaltung:

[[Bild: Ss_opamp2.png]]

= Kaufempfehlung =
LM 158/258/358 2 OPs in einem Gehäuse Preis ca. 0,30€.

Siehe auch [[Standardbauelemente#Operationsverst.C3.A4rker|Standardbauelemente - Operationsverstärker]].

Wer Audio OpAmps sucht - tangentsoft.net hat mal welche unter die Lupe genommen: [http://www.tangentsoft.net/audio/opamps.html Notes on Audio OpAmps]

= Weblinks =
*[http://www.eetkorea.com/ARTICLES/2003SEP/A/2003SEP19_AMD_AN07.PDF Op Amp Circuit Collection] - National Semiconductor Application Note 31 mit vielen weiteren OP-Schaltungen
*[http://www-s.ti.com/sc/psheets/slod006b/slod006b.pdf Op Amps for Everyone] - englischsprachiges, sehr umfangreiches Dokument zu OPV und deren Anwendung (empfehlenswert)
* [http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0209092.htm Operationsverstärker im ElKo]
*[http://www.inf.fu-berlin.de/lehre/WS00/peg/folien/Peg_v7a.pdf OP Teil 1], [http://www.inf.fu-berlin.de/lehre/WS00/peg/folien/Peg_v7b.pdf OP Teil 2] - OP-Schaltungen (deutsch)
*[http://www.blecken.de/download/opverst.zip Schaltungstechnik mit Operationsverstärkern] - Prof. K. Blecken, Skript zur Vorlesung (deutsch, *.doc-Format)
* [http://www.roboternetz.de/wissen/index.php/Operationsverst%C3%A4rker RN-Wissen Operationsverstärker]
* [http://www.national.com/onlineseminar/#amps Online Seminar] von National Semiconductor
* [http://www.franzis.de/elo-das-magazin/grundlagen-und-ausbildung/operationsverstaerker/der-operationsverstaerker ELO-Online-Magazin, Franzis-Verlag], [http://www.franzis.de/online-shop/elektronik/lernpakete-elektronik/lernpaket-elektronik-mit-ics Lernpaket Elektronik mit ICs] "Elektronische Experimente mit integriertem Schaltkreis", Kasten mit Steckbrett/Bauelementen (ca. 40EUR),
* [[Schmitt-Trigger]]
* [[Aktiver RC-Bandpass|Aktiver RC-Bandpass auf Operationsverstärker-Basis]]

[[Category:Grundlagen]]
[[Category:Bauteile]]

Operationsverstärker-Grundschaltungen

2011-09-01T12:20:15Z

Freiburger: Ordnung und todos

== Idealisiertes Modell eines OPV ==

=== Anschlüsse ===
Ein Operationsverstärker hat zwei Eingänge (+) und (-) und einen Ausgang
(UA). Außerdem verfügt er über eine positive und eine negative
Spannungsversorgung (V+) und (V-).

=== Spannungsversorgungen ===
Die Spannungsversorgungen sollen zunächst nicht interessieren. Sie
werden in Schaltungen oft nicht eingezeichnet.
In der Praxis ist es jedoch wichtig zu wissen, dass die Ausgangsspannung immer zwischen (V+) und (V-) liegt. Die Ausgangsspannung des OPV kommt schließlich dadurch zustande, dass der Ausgang über einen Transistor mehr oder weniger hochohmig mit den beiden Versorgungsspannungen verbunden wird.

Wenn man einen OPV also mit +5V versorgt, so kann der OPV im besten Fall am Ausgang +5V erzeugen. Man würde in diesem Fall von einem "Rail-to-Rail" Operationsverstärker sprechen.
Bei vielen Operationsverstärkern ist die maximal mögliche Ausgangsspannung geringer als die Versorgungsspannung. Ein mit +5V Spannungsversorgung beschalteter OPV kann dann beispielsweise nur +4V Ausgangsspannung erzeugen.

| \
| \
-- | - \
| \_______
| /
-- | + /
| /
| /

=== Ausgang ===
Der Ausgang des OPV ist eine ideale Spannungsquelle. Das bedeutet, dass die
Ausgangsspannung unabhängig davon ist, was ausgangsseitig an den OPV
angeschlossen wird.
In der Praxis gilt dieses Modell häufig nur bei "sinnvollen Anwendungen". So ist beispielsweise der Ausgangsstrom des OPV nach oben begrenzt (typischerweise im mA-Bereich), und manche OPV schwingen sehr leicht, wenn man sie kapazitiv belastet.

=== Eingänge ===
Die Eingänge eines OPV sind hochohmig, d. h., es handelt sich nur um "Messfühler", die keinen Strom führen.

=== Funktionsweise ===
Der OPV mißt zu jeder Zeit die Differenz <math>U_D = U(+) - U(-)</math> der
Eingangsspannungen.

Ist die Spannung an (+) größer als an (-), so erhöht der OPV die
Ausgangsspannung.
Ist die Spannung an (+) niedriger als an (-), so vermindert der OPV die
Ausgangsspannung.

Das Ergebnis dieses Vorgangs wird häufig über die Gleichung:

<math>U_a = v \cdot U_D</math>

beschrieben, wobei <math>v</math> eine sehr große Zahl (10^4...10^6) ist.

Mit Hilfe der beschriebenen Funktionsweise lassen sich alle grundlegenden Schaltungen herleiten.

=== Beispiel ===

Betrachtet wird die invertierende Grundschaltung nach Abbildung a) im Abschnitt "Verstärkergrundschaltungen".

Für die Pfeilrichtungen der Spannungen und Ströme gilt:

<math>U_e</math>: von oben nach unten

<math>I_{R3}</math>: von links nach rechts

Die Spannung am (+)Eingang ist gleich Null. Die Spannung am (-)Eingang wird durch die Spannungsquelle <math>U_e</math> und durch die im OPV befindliche und mit dem Ausgang verbundene Spannungsquelle des OPV manipuliert.

* Ist die Spannung am (-)Eingang negativ, so erhöht der Operationsverstärker die Ausgangsspannung. Dadurch wird auch die Spannung am (-)Eingang positiver. Und zwar so lange, bis die Spannung am (-)Eingang gleich groß ist, wie die Spannung am (+)Eingang, also U(-)=0V.
* Ist die Spannung am (-)Eingang positiv, so vermindert der Operationsverstärker die Ausgangsspannung. Dadurch wird auch die Spannung am (-)Eingang negativer. Und zwar so lange, bis die Spannung am (-)Eingang gleich groß ist, wie die Spannung am (+)Eingang, also U(-)=0V.

Der Operationsverstärker wird also die Spannungen an (+) und (-)
angleichen. Das passiert immer dann, wenn der Ausgang mit dem (-)Eingang
verbunden ist. Man nennt das Prinzip "Gegenkopplung". Auf diese Art und
Weise funktionieren alle analogen OPV-Schaltungen.

Da an (+) Massepotential anliegt, liegt an <math>R_3</math> die Spannung <math>U_e</math> an, und es gilt:
<math>I_{R3}=\frac{U_e}{R_3}.</math>

Da der (-)Eingang hochohmig ist, fließt <math>I_{R3}</math> über <math>R_4</math> weiter zum OPV-Ausgang.

Ua ist die Spannung vom Ausgang zur (virtuellen) Masse am (-)Eingang.
(--> Pfeil einzeichnen und klarmachen, daß es egal ist, ob der Pfeil vom
Ausgang zur Masse geht oder vom Ausgang "entgegen der Stromrichtung" zur
virtuellen Masse an (-)!)

Mit Hilfe von <math>I_{R3}=\frac{U_e}{R_3}</math> ergibt sich:

<math>U_a = -R_4 \cdot I_{R3} = -{{R_4} \over {R_3}} \cdot U_e.</math>

Die Energie für den Stromtransport über <math>R_4</math> stammt vom OPV! Sobald die Ladungen ausgehend von der Spannungsquelle <math>U_e</math> die virtuelle Masse an (-) erreicht haben, hat <math>U_e</math> seine gesamte Energie abgegeben.

== Verstärkergrundschaltungen ==

=== Grundbechaltung ===
[[Bild:Op-verstaerker-a.png]] [[Bild:Op-verstaerker-b.png]]

In a) und b) verwenden wir den OP als Verstärker und nutzen hier die Möglichkeit der Gegenkopplung, um definierte Verstärkungen zu erhalten. Wir gehen wieder davon aus, dass der OP ein ideales Bauteil ist und daher seine Leerlaufverstärkung unendlich ist. Ebenso betrachten wir den Eingangswiderstand als unendlich.

In a) ist ein invertierender Verstärker mit einem OP dargestellt. Durch die Widerstände R3 und R4 wird die Verstärkung bestimmt:

:<math>V = \frac{U_a}{U_e} = -\frac{R_4}{R_3}</math>

Das Verhältnis der beiden Widerstände bestimmt also die Verstärkung und somit die Ausgangsspannung:

:<math>U_a = -\frac{R_4}{R_3} \cdot U_e </math>

oder auch

:<math>U_a = V \cdot U_e</math>

Das negative Vorzeichen drückt aus, dass es sich um einen invertierenden Verstärker handelt.

Beim nichtinvertierenden Verstärker b) finden wir auch eine Rückkopplung über R6 zum invertierenden Eingang des OP. Die Verstärkung wird durch das Gegenkopplungsnetzwerk R6 und R7 exakt definiert. Hier ist:

:<math>V = 1 + \frac{R6}{R7}</math>

Eine Verstärkung von 1 ist sinnvoll, wenn eingangsseitig eine Spannungsquelle mit hohem Innenwiderstand verwendet wird. Für <math>\frac{R6}{R7} \to 0</math> heißt die Schaltung "Spannungsfolger".

Kleinere Werte als 1 lassen sich nicht realisieren. Die Ausgangsspannung errechnet sich also so:

:<math>U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_7}\right )</math>

Beispiel: Eine Eingangsspannung von 0,5 V soll auf den Wert 5 V verstärkt werden, es ist also eine Verstärkung V von 10 benötigt. R7 ist mit 10 kΩ vorgegeben. Also ist das Verhältnis

:<math>\frac{R_6}{R_7} = V - 1</math>

Bei einem Wert von 10 kΩ für R7 errechnet sich R6 zu

:<math>
R6 = (V - 1) \cdot R7
= (10 - 1) \cdot 10\,\mathrm{k\Omega}
= 90\,\mathrm{k\Omega}
</math>

Die Ausgangsspannung Ua wird also:

:<math>
U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_7}\right )
= 0,5\,\mathrm{V} \cdot \left (1 + \frac{90\,\mathrm{k\Omega}}{10\,\mathrm{k\Omega}}\right)
= 5\,\mathrm{V}
</math>

=== Spannungsfolger (Impedanzwandler) ===

[[Bild:Op-spannungsfolger1.png]]

Eine Abart des nichtinvertierenden Verstärkers stellt der Spannungsfolger dar. Beim nichtinvertierenden Verstärker errechnet sich die Ausgangsspannung aus:

:<math>U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_2}{R_1}\right )</math>

Wenn wir R2 auf 0 Ohm (mit R1 > 0) oder R1 auf unendlich (mit R2 < ∞) ändern, erhalten wir daher:

:<math>V = 1 + \frac{R_2}{R_1} = 1</math>

Ein Spannungsfolger hat also eine Verstärkung V von 1.

Umgezeichnet sieht die Schaltung so aus:

[[Bild:Op-spannungsfolger2.png]]

Was soll das nun? Wir nutzen die Eigenschaft, dass ein idealer OP einen unendlichen Eingangswiderstand und einen Ausgangswiderstand von 0 Ohm hat. Real sieht das natürlich anders aus: so liegt der Eingangswiderstand Re bei normalen OPs in der Größenordnung von 1MOhm bis <math>10^{15} \Omega</math>, der Ausgangswiderstand Ra im Bereich 20 Ohm bis 1kOhm. Deshalb spricht man bei dieser Schaltung von einem Impedanzwandler. Eine solche Schaltung kann also aus einer relativ hochohmigen Spannungsquelle eine niederohmige, durch Folgeschaltungen belastbare Spannungsquelle machen.

[[Bild:Op-spannungsfolger3.png|left]]

In dem nebenstehenden Beispiel ist eine einfache Möglichkeit zur Erzeugung einer Referenzspannung gezeigt. Es kommt eine normale Stabilisierungsschaltung mit einer Zenerdiode zur Anwendung, die aber nicht mehr die schlechten Eigenschaften der Standardbeschaltung hat.

{{Clear}}

[[Bild:Op-spannungsfolger4.png|right]]

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit wäre das hochohmige Auskoppeln einer Brückenspannung. Die Brückenschaltung selbst wird durch Folgeschaltungen nicht mehr belastet, alle anderen Eigenschaften bleiben erhalten.

{{Clear}}

=== Der Komparator ===

[[Bild:Op-komp-a.png]] [[Bild:Op-komp-b.png]]

In der einfachsten Beschaltung des Operationsverstärkers erhält man einen Komparator. Es fällt auf, dass kein Gegenkopplungsnetzwerk vorhanden ist. Der OP arbeitet daher mit seiner vollen Leerlaufverstärkung Vo. Dies bedeutet, dass bereits eine kleine Eingangsspannung genügt, um den OP in die Begrenzung zu treiben. Das heißt, die Ausgangsspannung Ua wird annähernd die Betriebsspannung erreichen.

Beim Komparator gibt es zwei Möglichkeiten der Beschaltung: die invertierende nach a) und die nichtinvertierende Beschaltung nach b).

==== Berechnungsbeispiel für Schaltung b) ====

Angenommen die Leerlaufverstärkung Vo von 40000 und eine Eingangsspannung von 0,1 Volt. Die Betriebsspannungen Vcc und Vee legen wir auf +/- 24 V fest. Damit ergibt sich theoretisch für Ua:

:<math>U_a = V_0 \cdot U_e = 40000 \cdot 0,1\,\mathrm{V} = 4000\,\mathrm{V}</math>

Das ist natürlich ein unrealistischer Wert, da Ua nicht höher sein kann als die Betriebsspannung. Also anders ausgedrückt: Bei welcher Spannung Ue erreicht der OP seine Aussteuerungsgrenze?

:<math>U_e = V_{cc} / V_0 = 24\,\mathrm{V} / 40000 = 0,6\,\mathrm{mV}</math>

Das bedeutet, dass eine Spannung von 0,6 mV ausreicht um den Komparator in die Begrenzung zu treiben.

Das gleiche gilt auch für den invertierenden Komparator, allerdings wird hier der OP in die negative Begrenzung gebracht.

:<math>-U_a = V_0 \cdot U_e</math>

=== Der Addierer (Summierverstärker) ===

[[Bild:Op-addierer.png]]

Ein als invertierender Verstärker beschalteter OP lässt sich so beschalten, dass ein Summensignal aus den Eingangsspannungen gebildet wird. Um die Funktion deutlich zu machen, ist eine Betrachtung der einzelnen Ströme nötig.

In einem invertierenden Verstärker wird sich die Ausgangsspannung immer so einstellen, dass der invertierende Eingang Massepotential hat. Die virtuelle Masse (VM) unterscheidet sich von einer "normalen" Masse dadurch, dass das Potential durch einen Regelungsvorgang zustande kommt.
An der virtuellen Masse (VM) gilt die Knotenpunktregel, wonach die Summe der zufließenden Ströme gleich der Summe der abfließenden Ströme ist.

:<math>I_1 + I_2 = -I_3</math>

Sofern <math>U_{e1}</math> und <math>U_{e2}</math> bekannt sind, lässt sich die Gleichung umformen in:

:<math>\frac{U_{e1}}{R_1} + \frac{U_{e2}}{R_2} = -\frac{U_a}{R_3}</math>

Nach Ua aufgelöst ergibt sich:

:<math>-U_a = \left (U_{e1} \cdot \frac{R_3}{R_1}\right ) + \left (U_{e2} \cdot \frac{R_3}{R_2}\right ) + ... + \left (U_{en} \cdot \frac{R_3}{R_n}\right )</math>

Das war's eigentlich schon. Einen Sonderfall gibt es, wenn die Widerstände R1 und R2 gleich sind. Dann gilt

:<math>R_1 = R_2 = R_x</math>

und damit

:<math>-U_a = \frac{R_3}{R_x} \cdot (U_{e1} + U_{e2})</math>.

=== Der Subtrahierer (Differenzverstärker) ===

[[Bild:Op-subtrahierer.png]]

Ein Subtrahierer ist die Zusammenschaltung eines invertierenden und eines nichtinvertierenden Verstärkers. Schliessen wir Punkt Ue1 nach Masse kurz und steuern Ue2 an, arbeitet die Schaltung als nichtinvertierender Verstärker. Wird Ue2 nach Masse verbunden und Ue1 angesteuert, verhält sich die Schaltung als invertierender Verstärker (R7 vorerst nicht beachten).

Für den 1. Fall gilt:

:<math>U_a = U_{e2} \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_4}\right )</math>

Für den 2. Fall:

:<math>U_a = -U_{e1} \cdot \frac{R_6}{R_4}</math>

Der dritte Fall ist die Ansteuerung beider Eingänge:

:<math>U_a = -U_{e1} \cdot \frac{R_6}{R_4} + U_{e_2} \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_4}\right )</math>

Diese Schaltung ist gut für eine Erklärung, praktisch aber taugt sie nichts. Denn liegen an den Eingängen gleiche Spannungen an, ist die Ausgangsspannung nicht 0, wie eigentlich zu vermuten wäre. Deshalb ändern wir die Schaltung und fügen R7 ein. Jetzt stellt sich am Punkt + des OPs die Spannung

:<math>U_{e2+} = U_{e2} \cdot \frac{R_7}{R_5 + R_7}</math>

ein. Wenn wir das berücksichtigen, erhalten wir endlich einen richtigen Subtrahierer:

:<math>U_a = U_{e2} \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_4}\right ) \cdot \frac{R_7}{R_5 + R_7} - \frac{R_6}{R_4} \cdot U_{e1}</math>

Dies gilt für alle Subtrahierer, obwohl es natürlich auch hier wieder zwei Sonderfälle gibt; nämlich a) wenn alle Gegenkopplungswiderstände gleich sind:

:<math>R_6 = R_7 = R_4 = R_5</math>

dann ist

:<math>U_a = U_{e2} - U_{e1}</math>

oder b) wenn die Widerstandsverhältnisse gleich sind :

:<math>\frac{R_6}{R_4} = \frac{R_7}{R_5}</math>

Dann ergibt sich für Ua:

:<math>U_a = \left (U_{e2} \cdot \frac{R_6}{R_4}\right ) - \left (U_{e1} \cdot \frac{R_6}{R_4}\right )</math>

oder noch einfacher:

:<math>U_a = (U_{e2} - U_{e1}) \cdot \frac{R_6}{R_4}</math>

=== Addierer/Subtrahierer mit unterschiedlichen Faktoren ===
[[Bild:Op-addsub.png]]

Hier die Schaltung die addieren und subtrahieren kann, mit unterschiedlichen Faktoren.
Sie kann verwendet werden für Aufgaben wie: Gesucht ist eine Schaltung, die aus 0...2.56 V eine Spannung von -10V...10V macht. Für dieses Beispiel wird hier die Dimensionierung durchgeführt:

{| class="wikitable" style="text-align: left"
| style="vertical-align: top" | 1 
| style="vertical-align: top" | Um = Ue2 
| style="vertical-align: top" | Gleichgewicht am Eingang 
|-
| style="vertical-align: top" | 2
| style="vertical-align: top" | Ia+Ib = Ic 
| style="vertical-align: top" | In den Eingang fließt "kein" Strom
|-
| style="vertical-align: top" | 3
| style="vertical-align: top" | (Ua-Ue2)/R6 + (Ue1-Ue2)/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 4 
| style="vertical-align: top" | Ua/R6 - Ue2/R6 + Ue1/R4 - Ue2/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 5 
| style="vertical-align: top" | '''R6 = 200k''' 
| style="vertical-align: top" | Einfach festgelegt, könnte auch 100k oder 500k sein 
|-
| style="vertical-align: top" | 6 
| style="vertical-align: top" | Ue1 = 5V 
| style="vertical-align: top" | könnte auch 15V oder 10V sein 
|-
| style="vertical-align: top" | 7 
| style="vertical-align: top" | -10/200k - 0/200k + 5/R4 - 0/R4 = 0/Rc
| style="vertical-align: top" | Wenn Ue2=0V, wollen wir Ua=-10V 
|-
| style="vertical-align: top" | 8 
| style="vertical-align: top" | -10/200k + 5/R4 = 0
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 9 
| style="vertical-align: top" | 10/200k = 5/R4 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 10 
| style="vertical-align: top" | R4 = 5/10*200k = 100k 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" | '''R4 = 100k''' 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" rowspan="1" colspan="2" | Wir hatten Ue1=5V festgelegt, Damit wollen wir -10V...10V Am Ausgang erreichen. Wenn wir jetzt annehmen Ue1=0V, dann würde der Eingang Ue2 0...xV am Ausgang 0...20V erzeugen. 
|-
| style="vertical-align: top" | 4 
| style="vertical-align: top" | Ua/R6 - Ue2/R6 + Ue1/R4 - Ue2/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" | Ua/R6 - Ue2/R6 + 0/R4 - Ue2/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 41 
| style="vertical-align: top" | 20/200k - x/200k + 0/100k - x/100k = x/Rc 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 42 
| style="vertical-align: top" | ( 20/200k - x/200k - x/100k ) / x = 1/Rc
| style="vertical-align: top" | Das ist die Formel für 1/Rc 
|-
| style="vertical-align: top" | 43 
| style="vertical-align: top" | 20/(200k*x) - 1/200k - 1/100k = 1/Rc 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 44 
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" | Wir setzen z.B 2.56V ein und erhalten 
|-
| style="vertical-align: top" | 45 
| style="vertical-align: top" | Rc = 1/(20/(200000*2.56)-1/200000-1/100000)= 
| style="vertical-align: top" | Den String 1/(20/(200000*2.56)-1/200000-1/100000)= kopieren wir in in den Windows Taschenrechner (mit Ctrl-C - Ctrl-V) und erhalten: Rc=41,558k 
|}

=== Der Instrumenten-Verstärker ===

[[Bild:Instrument.png]]

Ein Nachteil des Subtrahierer ist sein geringer Eingangswiderstand. Um den nahezu unendlichen Eingangswiderstand des verwendeten Operationsverstärkers zu erreichen, kann man einfach vor beide Eingänge je einen Impedanzwandler vorschalten.
Die hier beschriebene Schaltung ist um drei Widerstände erweitert und ermöglicht die Einstellung der Differenz-Verstärkung über nur einen Widerstand, nämlich R2.

Am invertierenden Eingang von IC1A gilt (Knotenregel):

:<math>\frac{U_{a1}-U_{e1}}{R_1}-\frac{U_{e1}-U_{e2}}{R_2}=0</math>

Am invertierenden Eingang von IC1C gilt (Knotenregel):

:<math>\frac{U_{a2}-U_{e2}}{R_1}+\frac{U_{e1}-U_{e2}}{R_2}=0</math>

Subtrahiert man die beiden Gleichungen voneinander, erhält man:

:<math>U_{a2}-U_{a1}=(U_{e2}-U_{e1})\cdot\left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2}\right )</math>

Letztere Differenz ist die Eingangsspannung eines normalen Subtrahierers mit der Verstärkung 1.

Also ergibt sich als Ausgangsspannung:

:<math>U_a=(U_{e2}-U_{e1}) \cdot \left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2}\right )</math>

Die Differenzverstärkung beträgt demnach:

:<math>V=\left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2} \right )</math>

Anwendung: Auswertung von Brückenschaltungen, wie Drucksensoren oder Dehnungsmessstreifen, die durch den Eingangswiderstand der Messschaltung nicht belastet werden dürfen. 
Instrumenten-Verstärker kann man auch fertig kaufen. Im INA102 ist die komplette Schaltung integriert. Für R2 sind 3 verschiedene Werte eingebaut, die bei passender Verschaltung eine Verstärkung von 1, 10, 100 oder 1000 ermöglichen.

=== Der Multiplizierer (Mischer) ===

=== Der Lagarithmierer ===

= Spannungsversorgung und Beschaltung =

== Betrieb mit einfacher Versorgungsspannung ==

Häufig möchte man Wechselspannung (z. B. Audiosignale) die auch negative Spannungen enthält mit einem Opamp verstärken, hat aber nur eine einfache Versorgungsspannung, eine positive in Bezug zu Masse, zur Verfügung. Dafür bieten sich folgende Schaltungen an, die in der Literatur leider häufig vernachlässigt werden.

=== Nichtinvertierender Verstärker ===

[[Bild: Ss_opamp1.png]]

Der negative Eingang wird mit einem Spannungsteiler auf die halbe Betriebsspannung gelegt und das Signal mit Kondensatoren am Ein- und Ausgang entkoppelt.
Die Verstärkung ist in diesem Beispiel für Wechselspannung 11 (Formel wie oben), für Gleichspannung aber 1, da C4 für Gleichspannung einen unendlichen Widerstand darstellt. C3 sollte dorthin gehen, wo das Eingangssignal seinen Bezugspunkt hat, also die Abschirmung der Chinch-Buchse, während R5 dorthin geht, wo der Operationsverstärker seine negative Versorgungsspannung her bekommt, falls das nicht die gleichen Pontentiale, hier GND, sein sollten.

=== Invertierender Verstärker ===

Das Prinzip funktioniert analog auch für die invertierende Beschaltung:

[[Bild: Ss_opamp2.png]]

= Kaufempfehlung =
LM 158/258/358 2 OPs in einem Gehäuse Preis ca. 0,30€.

Siehe auch [[Standardbauelemente#Operationsverst.C3.A4rker|Standardbauelemente - Operationsverstärker]].

Wer Audio OpAmps sucht - tangentsoft.net hat mal welche unter die Lupe genommen: [http://www.tangentsoft.net/audio/opamps.html Notes on Audio OpAmps]

= Weblinks =
*[http://www.eetkorea.com/ARTICLES/2003SEP/A/2003SEP19_AMD_AN07.PDF Op Amp Circuit Collection] - National Semiconductor Application Note 31 mit vielen weiteren OP-Schaltungen
*[http://www-s.ti.com/sc/psheets/slod006b/slod006b.pdf Op Amps for Everyone] - englischsprachiges, sehr umfangreiches Dokument zu OPV und deren Anwendung (empfehlenswert)
* [http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0209092.htm Operationsverstärker im ElKo]
*[http://www.inf.fu-berlin.de/lehre/WS00/peg/folien/Peg_v7a.pdf OP Teil 1], [http://www.inf.fu-berlin.de/lehre/WS00/peg/folien/Peg_v7b.pdf OP Teil 2] - OP-Schaltungen (deutsch)
*[http://www.blecken.de/download/opverst.zip Schaltungstechnik mit Operationsverstärkern] - Prof. K. Blecken, Skript zur Vorlesung (deutsch, *.doc-Format)
* [http://www.roboternetz.de/wissen/index.php/Operationsverst%C3%A4rker RN-Wissen Operationsverstärker]
* [http://www.national.com/onlineseminar/#amps Online Seminar] von National Semiconductor
* [http://www.franzis.de/elo-das-magazin/grundlagen-und-ausbildung/operationsverstaerker/der-operationsverstaerker ELO-Online-Magazin, Franzis-Verlag], [http://www.franzis.de/online-shop/elektronik/lernpakete-elektronik/lernpaket-elektronik-mit-ics Lernpaket Elektronik mit ICs] "Elektronische Experimente mit integriertem Schaltkreis", Kasten mit Steckbrett/Bauelementen (ca. 40EUR),
* [[Schmitt-Trigger]]
* [[Aktiver RC-Bandpass|Aktiver RC-Bandpass auf Operationsverstärker-Basis]]

[[Category:Grundlagen]]
[[Category:Bauteile]]

Operationsverstärker-Grundschaltungen

2011-09-01T12:15:46Z

Freiburger: /* Weblinks */

== Idealisiertes Modell eines OPV ==

=== Anschlüsse ===
Ein Operationsverstärker hat zwei Eingänge (+) und (-) und einen Ausgang
(UA). Außerdem verfügt er über eine positive und eine negative
Spannungsversorgung (V+) und (V-).

=== Spannungsversorgungen ===
Die Spannungsversorgungen sollen zunächst nicht interessieren. Sie
werden in Schaltungen oft nicht eingezeichnet.
In der Praxis ist es jedoch wichtig zu wissen, dass die Ausgangsspannung immer zwischen (V+) und (V-) liegt. Die Ausgangsspannung des OPV kommt schließlich dadurch zustande, dass der Ausgang über einen Transistor mehr oder weniger hochohmig mit den beiden Versorgungsspannungen verbunden wird.

Wenn man einen OPV also mit +5V versorgt, so kann der OPV im besten Fall am Ausgang +5V erzeugen. Man würde in diesem Fall von einem "Rail-to-Rail" Operationsverstärker sprechen.
Bei vielen Operationsverstärkern ist die maximal mögliche Ausgangsspannung geringer als die Versorgungsspannung. Ein mit +5V Spannungsversorgung beschalteter OPV kann dann beispielsweise nur +4V Ausgangsspannung erzeugen.

| \
| \
-- | - \
| \_______
| /
-- | + /
| /
| /

=== Ausgang ===
Der Ausgang des OPV ist eine ideale Spannungsquelle. Das bedeutet, dass die
Ausgangsspannung unabhängig davon ist, was ausgangsseitig an den OPV
angeschlossen wird.
In der Praxis gilt dieses Modell häufig nur bei "sinnvollen Anwendungen". So ist beispielsweise der Ausgangsstrom des OPV nach oben begrenzt (typischerweise im mA-Bereich), und manche OPV schwingen sehr leicht, wenn man sie kapazitiv belastet.

=== Eingänge ===
Die Eingänge eines OPV sind hochohmig, d. h., es handelt sich nur um "Messfühler", die keinen Strom führen.

=== Funktionsweise ===
Der OPV mißt zu jeder Zeit die Differenz <math>U_D = U(+) - U(-)</math> der
Eingangsspannungen.

Ist die Spannung an (+) größer als an (-), so erhöht der OPV die
Ausgangsspannung.
Ist die Spannung an (+) niedriger als an (-), so vermindert der OPV die
Ausgangsspannung.

Das Ergebnis dieses Vorgangs wird häufig über die Gleichung:

<math>U_a = v \cdot U_D</math>

beschrieben, wobei <math>v</math> eine sehr große Zahl (10^4...10^6) ist.

Mit Hilfe der beschriebenen Funktionsweise lassen sich alle grundlegenden Schaltungen herleiten.

=== Beispiel ===

Betrachtet wird die invertierende Grundschaltung nach Abbildung a) im Abschnitt "Verstärkergrundschaltungen".

Für die Pfeilrichtungen der Spannungen und Ströme gilt:

<math>U_e</math>: von oben nach unten

<math>I_{R3}</math>: von links nach rechts

Die Spannung am (+)Eingang ist gleich Null. Die Spannung am (-)Eingang wird durch die Spannungsquelle <math>U_e</math> und durch die im OPV befindliche und mit dem Ausgang verbundene Spannungsquelle des OPV manipuliert.

* Ist die Spannung am (-)Eingang negativ, so erhöht der Operationsverstärker die Ausgangsspannung. Dadurch wird auch die Spannung am (-)Eingang positiver. Und zwar so lange, bis die Spannung am (-)Eingang gleich groß ist, wie die Spannung am (+)Eingang, also U(-)=0V.
* Ist die Spannung am (-)Eingang positiv, so vermindert der Operationsverstärker die Ausgangsspannung. Dadurch wird auch die Spannung am (-)Eingang negativer. Und zwar so lange, bis die Spannung am (-)Eingang gleich groß ist, wie die Spannung am (+)Eingang, also U(-)=0V.

Der Operationsverstärker wird also die Spannungen an (+) und (-)
angleichen. Das passiert immer dann, wenn der Ausgang mit dem (-)Eingang
verbunden ist. Man nennt das Prinzip "Gegenkopplung". Auf diese Art und
Weise funktionieren alle analogen OPV-Schaltungen.

Da an (+) Massepotential anliegt, liegt an <math>R_3</math> die Spannung <math>U_e</math> an, und es gilt:
<math>I_{R3}=\frac{U_e}{R_3}.</math>

Da der (-)Eingang hochohmig ist, fließt <math>I_{R3}</math> über <math>R_4</math> weiter zum OPV-Ausgang.

Ua ist die Spannung vom Ausgang zur (virtuellen) Masse am (-)Eingang.
(--> Pfeil einzeichnen und klarmachen, daß es egal ist, ob der Pfeil vom
Ausgang zur Masse geht oder vom Ausgang "entgegen der Stromrichtung" zur
virtuellen Masse an (-)!)

Mit Hilfe von <math>I_{R3}=\frac{U_e}{R_3}</math> ergibt sich:

<math>U_a = -R_4 \cdot I_{R3} = -{{R_4} \over {R_3}} \cdot U_e.</math>

Die Energie für den Stromtransport über <math>R_4</math> stammt vom OPV! Sobald die Ladungen ausgehend von der Spannungsquelle <math>U_e</math> die virtuelle Masse an (-) erreicht haben, hat <math>U_e</math> seine gesamte Energie abgegeben.

== Verstärkergrundschaltungen ==

[[Bild:Op-verstaerker-a.png]] [[Bild:Op-verstaerker-b.png]]

In a) und b) verwenden wir den OP als Verstärker und nutzen hier die Möglichkeit der Gegenkopplung, um definierte Verstärkungen zu erhalten. Wir gehen wieder davon aus, dass der OP ein ideales Bauteil ist und daher seine Leerlaufverstärkung unendlich ist. Ebenso betrachten wir den Eingangswiderstand als unendlich.

In a) ist ein invertierender Verstärker mit einem OP dargestellt. Durch die Widerstände R3 und R4 wird die Verstärkung bestimmt:

:<math>V = \frac{U_a}{U_e} = -\frac{R_4}{R_3}</math>

Das Verhältnis der beiden Widerstände bestimmt also die Verstärkung und somit die Ausgangsspannung:

:<math>U_a = -\frac{R_4}{R_3} \cdot U_e </math>

oder auch

:<math>U_a = V \cdot U_e</math>

Das negative Vorzeichen drückt aus, dass es sich um einen invertierenden Verstärker handelt.

Beim nichtinvertierenden Verstärker b) finden wir auch eine Rückkopplung über R6 zum invertierenden Eingang des OP. Die Verstärkung wird durch das Gegenkopplungsnetzwerk R6 und R7 exakt definiert. Hier ist:

:<math>V = 1 + \frac{R6}{R7}</math>

Eine Verstärkung von 1 ist sinnvoll, wenn eingangsseitig eine Spannungsquelle mit hohem Innenwiderstand verwendet wird. Für <math>\frac{R6}{R7} \to 0</math> heißt die Schaltung "Spannungsfolger".

Kleinere Werte als 1 lassen sich nicht realisieren. Die Ausgangsspannung errechnet sich also so:

:<math>U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_7}\right )</math>

Beispiel: Eine Eingangsspannung von 0,5 V soll auf den Wert 5 V verstärkt werden, es ist also eine Verstärkung V von 10 benötigt. R7 ist mit 10 kΩ vorgegeben. Also ist das Verhältnis

:<math>\frac{R_6}{R_7} = V - 1</math>

Bei einem Wert von 10 kΩ für R7 errechnet sich R6 zu

:<math>
R6 = (V - 1) \cdot R7
= (10 - 1) \cdot 10\,\mathrm{k\Omega}
= 90\,\mathrm{k\Omega}
</math>

Die Ausgangsspannung Ua wird also:

:<math>
U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_7}\right )
= 0,5\,\mathrm{V} \cdot \left (1 + \frac{90\,\mathrm{k\Omega}}{10\,\mathrm{k\Omega}}\right)
= 5\,\mathrm{V}
</math>

== Spannungsfolger (Impedanzwandler) ==

[[Bild:Op-spannungsfolger1.png]]

Eine Abart des nichtinvertierenden Verstärkers stellt der Spannungsfolger dar. Beim nichtinvertierenden Verstärker errechnet sich die Ausgangsspannung aus:

:<math>U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_2}{R_1}\right )</math>

Wenn wir R2 auf 0 Ohm (mit R1 > 0) oder R1 auf unendlich (mit R2 < ∞) ändern, erhalten wir daher:

:<math>V = 1 + \frac{R_2}{R_1} = 1</math>

Ein Spannungsfolger hat also eine Verstärkung V von 1.

Umgezeichnet sieht die Schaltung so aus:

[[Bild:Op-spannungsfolger2.png]]

Was soll das nun? Wir nutzen die Eigenschaft, dass ein idealer OP einen unendlichen Eingangswiderstand und einen Ausgangswiderstand von 0 Ohm hat. Real sieht das natürlich anders aus: so liegt der Eingangswiderstand Re bei normalen OPs in der Größenordnung von 1MOhm bis <math>10^{15} \Omega</math>, der Ausgangswiderstand Ra im Bereich 20 Ohm bis 1kOhm. Deshalb spricht man bei dieser Schaltung von einem Impedanzwandler. Eine solche Schaltung kann also aus einer relativ hochohmigen Spannungsquelle eine niederohmige, durch Folgeschaltungen belastbare Spannungsquelle machen.

[[Bild:Op-spannungsfolger3.png|left]]

In dem nebenstehenden Beispiel ist eine einfache Möglichkeit zur Erzeugung einer Referenzspannung gezeigt. Es kommt eine normale Stabilisierungsschaltung mit einer Zenerdiode zur Anwendung, die aber nicht mehr die schlechten Eigenschaften der Standardbeschaltung hat.

{{Clear}}

[[Bild:Op-spannungsfolger4.png|right]]

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit wäre das hochohmige Auskoppeln einer Brückenspannung. Die Brückenschaltung selbst wird durch Folgeschaltungen nicht mehr belastet, alle anderen Eigenschaften bleiben erhalten.

{{Clear}}

== Der Komparator ==

[[Bild:Op-komp-a.png]] [[Bild:Op-komp-b.png]]

In der einfachsten Beschaltung des Operationsverstärkers erhält man einen Komparator. Es fällt auf, dass kein Gegenkopplungsnetzwerk vorhanden ist. Der OP arbeitet daher mit seiner vollen Leerlaufverstärkung Vo. Dies bedeutet, dass bereits eine kleine Eingangsspannung genügt, um den OP in die Begrenzung zu treiben. Das heißt, die Ausgangsspannung Ua wird annähernd die Betriebsspannung erreichen.

Beim Komparator gibt es zwei Möglichkeiten der Beschaltung: die invertierende nach a) und die nichtinvertierende Beschaltung nach b).

=== Berechnungsbeispiel für Schaltung b) ===

Angenommen die Leerlaufverstärkung Vo von 40000 und eine Eingangsspannung von 0,1 Volt. Die Betriebsspannungen Vcc und Vee legen wir auf +/- 24 V fest. Damit ergibt sich theoretisch für Ua:

:<math>U_a = V_0 \cdot U_e = 40000 \cdot 0,1\,\mathrm{V} = 4000\,\mathrm{V}</math>

Das ist natürlich ein unrealistischer Wert, da Ua nicht höher sein kann als die Betriebsspannung. Also anders ausgedrückt: Bei welcher Spannung Ue erreicht der OP seine Aussteuerungsgrenze?

:<math>U_e = V_{cc} / V_0 = 24\,\mathrm{V} / 40000 = 0,6\,\mathrm{mV}</math>

Das bedeutet, dass eine Spannung von 0,6 mV ausreicht um den Komparator in die Begrenzung zu treiben.

Das gleiche gilt auch für den invertierenden Komparator, allerdings wird hier der OP in die negative Begrenzung gebracht.

:<math>-U_a = V_0 \cdot U_e</math>

== Der Addierer (Summierverstärker) ==

[[Bild:Op-addierer.png]]

Ein als invertierender Verstärker beschalteter OP lässt sich so beschalten, dass ein Summensignal aus den Eingangsspannungen gebildet wird. Um die Funktion deutlich zu machen, ist eine Betrachtung der einzelnen Ströme nötig.

In einem invertierenden Verstärker wird sich die Ausgangsspannung immer so einstellen, dass der invertierende Eingang Massepotential hat. Die virtuelle Masse (VM) unterscheidet sich von einer "normalen" Masse dadurch, dass das Potential durch einen Regelungsvorgang zustande kommt.
An der virtuellen Masse (VM) gilt die Knotenpunktregel, wonach die Summe der zufließenden Ströme gleich der Summe der abfließenden Ströme ist.

:<math>I_1 + I_2 = -I_3</math>

Sofern <math>U_{e1}</math> und <math>U_{e2}</math> bekannt sind, lässt sich die Gleichung umformen in:

:<math>\frac{U_{e1}}{R_1} + \frac{U_{e2}}{R_2} = -\frac{U_a}{R_3}</math>

Nach Ua aufgelöst ergibt sich:

:<math>-U_a = \left (U_{e1} \cdot \frac{R_3}{R_1}\right ) + \left (U_{e2} \cdot \frac{R_3}{R_2}\right ) + ... + \left (U_{en} \cdot \frac{R_3}{R_n}\right )</math>

Das war's eigentlich schon. Einen Sonderfall gibt es, wenn die Widerstände R1 und R2 gleich sind. Dann gilt

:<math>R_1 = R_2 = R_x</math>

und damit

:<math>-U_a = \frac{R_3}{R_x} \cdot (U_{e1} + U_{e2})</math>.

== Der Subtrahierer (Differenzverstärker) ==

[[Bild:Op-subtrahierer.png]]

Ein Subtrahierer ist die Zusammenschaltung eines invertierenden und eines nichtinvertierenden Verstärkers. Schliessen wir Punkt Ue1 nach Masse kurz und steuern Ue2 an, arbeitet die Schaltung als nichtinvertierender Verstärker. Wird Ue2 nach Masse verbunden und Ue1 angesteuert, verhält sich die Schaltung als invertierender Verstärker (R7 vorerst nicht beachten).

Für den 1. Fall gilt:

:<math>U_a = U_{e2} \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_4}\right )</math>

Für den 2. Fall:

:<math>U_a = -U_{e1} \cdot \frac{R_6}{R_4}</math>

Der dritte Fall ist die Ansteuerung beider Eingänge:

:<math>U_a = -U_{e1} \cdot \frac{R_6}{R_4} + U_{e_2} \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_4}\right )</math>

Diese Schaltung ist gut für eine Erklärung, praktisch aber taugt sie nichts. Denn liegen an den Eingängen gleiche Spannungen an, ist die Ausgangsspannung nicht 0, wie eigentlich zu vermuten wäre. Deshalb ändern wir die Schaltung und fügen R7 ein. Jetzt stellt sich am Punkt + des OPs die Spannung

:<math>U_{e2+} = U_{e2} \cdot \frac{R_7}{R_5 + R_7}</math>

ein. Wenn wir das berücksichtigen, erhalten wir endlich einen richtigen Subtrahierer:

:<math>U_a = U_{e2} \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_4}\right ) \cdot \frac{R_7}{R_5 + R_7} - \frac{R_6}{R_4} \cdot U_{e1}</math>

Dies gilt für alle Subtrahierer, obwohl es natürlich auch hier wieder zwei Sonderfälle gibt; nämlich a) wenn alle Gegenkopplungswiderstände gleich sind:

:<math>R_6 = R_7 = R_4 = R_5</math>

dann ist

:<math>U_a = U_{e2} - U_{e1}</math>

oder b) wenn die Widerstandsverhältnisse gleich sind :

:<math>\frac{R_6}{R_4} = \frac{R_7}{R_5}</math>

Dann ergibt sich für Ua:

:<math>U_a = \left (U_{e2} \cdot \frac{R_6}{R_4}\right ) - \left (U_{e1} \cdot \frac{R_6}{R_4}\right )</math>

oder noch einfacher:

:<math>U_a = (U_{e2} - U_{e1}) \cdot \frac{R_6}{R_4}</math>

== Addition und Subtraktion mit unterschiedlichen Faktoren ==
[[Bild:Op-addsub.png]]

Hier die Schaltung die addieren und subtrahieren kann, mit unterschiedlichen Faktoren.
Sie kann verwendet werden für Aufgaben wie: Gesucht ist eine Schaltung, die aus 0...2.56 V eine Spannung von -10V...10V macht. Für dieses Beispiel wird hier die Dimensionierung durchgeführt:

{| class="wikitable" style="text-align: left"
| style="vertical-align: top" | 1 
| style="vertical-align: top" | Um = Ue2 
| style="vertical-align: top" | Gleichgewicht am Eingang 
|-
| style="vertical-align: top" | 2
| style="vertical-align: top" | Ia+Ib = Ic 
| style="vertical-align: top" | In den Eingang fließt "kein" Strom
|-
| style="vertical-align: top" | 3
| style="vertical-align: top" | (Ua-Ue2)/R6 + (Ue1-Ue2)/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 4 
| style="vertical-align: top" | Ua/R6 - Ue2/R6 + Ue1/R4 - Ue2/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 5 
| style="vertical-align: top" | '''R6 = 200k''' 
| style="vertical-align: top" | Einfach festgelegt, könnte auch 100k oder 500k sein 
|-
| style="vertical-align: top" | 6 
| style="vertical-align: top" | Ue1 = 5V 
| style="vertical-align: top" | könnte auch 15V oder 10V sein 
|-
| style="vertical-align: top" | 7 
| style="vertical-align: top" | -10/200k - 0/200k + 5/R4 - 0/R4 = 0/Rc
| style="vertical-align: top" | Wenn Ue2=0V, wollen wir Ua=-10V 
|-
| style="vertical-align: top" | 8 
| style="vertical-align: top" | -10/200k + 5/R4 = 0
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 9 
| style="vertical-align: top" | 10/200k = 5/R4 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 10 
| style="vertical-align: top" | R4 = 5/10*200k = 100k 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" | '''R4 = 100k''' 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" rowspan="1" colspan="2" | Wir hatten Ue1=5V festgelegt, Damit wollen wir -10V...10V Am Ausgang erreichen. Wenn wir jetzt annehmen Ue1=0V, dann würde der Eingang Ue2 0...xV am Ausgang 0...20V erzeugen. 
|-
| style="vertical-align: top" | 4 
| style="vertical-align: top" | Ua/R6 - Ue2/R6 + Ue1/R4 - Ue2/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" | Ua/R6 - Ue2/R6 + 0/R4 - Ue2/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 41 
| style="vertical-align: top" | 20/200k - x/200k + 0/100k - x/100k = x/Rc 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 42 
| style="vertical-align: top" | ( 20/200k - x/200k - x/100k ) / x = 1/Rc
| style="vertical-align: top" | Das ist die Formel für 1/Rc 
|-
| style="vertical-align: top" | 43 
| style="vertical-align: top" | 20/(200k*x) - 1/200k - 1/100k = 1/Rc 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 44 
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" | Wir setzen z.B 2.56V ein und erhalten 
|-
| style="vertical-align: top" | 45 
| style="vertical-align: top" | Rc = 1/(20/(200000*2.56)-1/200000-1/100000)= 
| style="vertical-align: top" | Den String 1/(20/(200000*2.56)-1/200000-1/100000)= kopieren wir in in den Windows Taschenrechner (mit Ctrl-C - Ctrl-V) und erhalten: Rc=41,558k 
|}

== Der Instrumenten-Verstärker ==

[[Bild:Instrument.png]]

Ein Nachteil des Subtrahierer ist sein geringer Eingangswiderstand. Um den nahezu unendlichen Eingangswiderstand des verwendeten Operationsverstärkers zu erreichen, kann man einfach vor beide Eingänge je einen Impedanzwandler vorschalten.
Die hier beschriebene Schaltung ist um drei Widerstände erweitert und ermöglicht die Einstellung der Differenz-Verstärkung über nur einen Widerstand, nämlich R2.

Am invertierenden Eingang von IC1A gilt (Knotenregel):

:<math>\frac{U_{a1}-U_{e1}}{R_1}-\frac{U_{e1}-U_{e2}}{R_2}=0</math>

Am invertierenden Eingang von IC1C gilt (Knotenregel):

:<math>\frac{U_{a2}-U_{e2}}{R_1}+\frac{U_{e1}-U_{e2}}{R_2}=0</math>

Subtrahiert man die beiden Gleichungen voneinander, erhält man:

:<math>U_{a2}-U_{a1}=(U_{e2}-U_{e1})\cdot\left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2}\right )</math>

Letztere Differenz ist die Eingangsspannung eines normalen Subtrahierers mit der Verstärkung 1.

Also ergibt sich als Ausgangsspannung:

:<math>U_a=(U_{e2}-U_{e1}) \cdot \left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2}\right )</math>

Die Differenzverstärkung beträgt demnach:

:<math>V=\left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2} \right )</math>

Anwendung: Auswertung von Brückenschaltungen, wie Drucksensoren oder Dehnungsmessstreifen, die durch den Eingangswiderstand der Messschaltung nicht belastet werden dürfen. 
Instrumenten-Verstärker kann man auch fertig kaufen. Im INA102 ist die komplette Schaltung integriert. Für R2 sind 3 verschiedene Werte eingebaut, die bei passender Verschaltung eine Verstärkung von 1, 10, 100 oder 1000 ermöglichen.

= Spannungsversorgung und Beschaltung =

== Betrieb mit einfacher Versorgungsspannung ==

Häufig möchte man Wechselspannung (z. B. Audiosignale) die auch negative Spannungen enthält mit einem Opamp verstärken, hat aber nur eine einfache Versorgungsspannung, eine positive in Bezug zu Masse, zur Verfügung. Dafür bieten sich folgende Schaltungen an, die in der Literatur leider häufig vernachlässigt werden.

=== Nichtinvertierender Verstärker ===

[[Bild: Ss_opamp1.png]]

Der negative Eingang wird mit einem Spannungsteiler auf die halbe Betriebsspannung gelegt und das Signal mit Kondensatoren am Ein- und Ausgang entkoppelt.
Die Verstärkung ist in diesem Beispiel für Wechselspannung 11 (Formel wie oben), für Gleichspannung aber 1, da C4 für Gleichspannung einen unendlichen Widerstand darstellt. C3 sollte dorthin gehen, wo das Eingangssignal seinen Bezugspunkt hat, also die Abschirmung der Chinch-Buchse, während R5 dorthin geht, wo der Operationsverstärker seine negative Versorgungsspannung her bekommt, falls das nicht die gleichen Pontentiale, hier GND, sein sollten.

=== Invertierender Verstärker ===

Das Prinzip funktioniert analog auch für die invertierende Beschaltung:

[[Bild: Ss_opamp2.png]]

= Kaufempfehlung =
LM 158/258/358 2 OPs in einem Gehäuse Preis ca. 0,30€.

Siehe auch [[Standardbauelemente#Operationsverst.C3.A4rker|Standardbauelemente - Operationsverstärker]].

Wer Audio OpAmps sucht - tangentsoft.net hat mal welche unter die Lupe genommen: [http://www.tangentsoft.net/audio/opamps.html Notes on Audio OpAmps]

= Weblinks =
*[http://www.eetkorea.com/ARTICLES/2003SEP/A/2003SEP19_AMD_AN07.PDF Op Amp Circuit Collection] - National Semiconductor Application Note 31 mit vielen weiteren OP-Schaltungen
*[http://www-s.ti.com/sc/psheets/slod006b/slod006b.pdf Op Amps for Everyone] - englischsprachiges, sehr umfangreiches Dokument zu OPV und deren Anwendung (empfehlenswert)
* [http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0209092.htm Operationsverstärker im ElKo]
*[http://www.inf.fu-berlin.de/lehre/WS00/peg/folien/Peg_v7a.pdf OP Teil 1], [http://www.inf.fu-berlin.de/lehre/WS00/peg/folien/Peg_v7b.pdf OP Teil 2] - OP-Schaltungen (deutsch)
*[http://www.blecken.de/download/opverst.zip Schaltungstechnik mit Operationsverstärkern] - Prof. K. Blecken, Skript zur Vorlesung (deutsch, *.doc-Format)
* [http://www.roboternetz.de/wissen/index.php/Operationsverst%C3%A4rker RN-Wissen Operationsverstärker]
* [http://www.national.com/onlineseminar/#amps Online Seminar] von National Semiconductor
* [http://www.franzis.de/elo-das-magazin/grundlagen-und-ausbildung/operationsverstaerker/der-operationsverstaerker ELO-Online-Magazin, Franzis-Verlag], [http://www.franzis.de/online-shop/elektronik/lernpakete-elektronik/lernpaket-elektronik-mit-ics Lernpaket Elektronik mit ICs] "Elektronische Experimente mit integriertem Schaltkreis", Kasten mit Steckbrett/Bauelementen (ca. 40EUR),
* [[Schmitt-Trigger]]
* [[Aktiver RC-Bandpass|Aktiver RC-Bandpass auf Operationsverstärker-Basis]]

[[Category:Grundlagen]]
[[Category:Bauteile]]

Operationsverstärker-Grundschaltungen

2011-09-01T12:15:34Z

Freiburger: /* Kaufempfehlung */

== Idealisiertes Modell eines OPV ==

=== Anschlüsse ===
Ein Operationsverstärker hat zwei Eingänge (+) und (-) und einen Ausgang
(UA). Außerdem verfügt er über eine positive und eine negative
Spannungsversorgung (V+) und (V-).

=== Spannungsversorgungen ===
Die Spannungsversorgungen sollen zunächst nicht interessieren. Sie
werden in Schaltungen oft nicht eingezeichnet.
In der Praxis ist es jedoch wichtig zu wissen, dass die Ausgangsspannung immer zwischen (V+) und (V-) liegt. Die Ausgangsspannung des OPV kommt schließlich dadurch zustande, dass der Ausgang über einen Transistor mehr oder weniger hochohmig mit den beiden Versorgungsspannungen verbunden wird.

Wenn man einen OPV also mit +5V versorgt, so kann der OPV im besten Fall am Ausgang +5V erzeugen. Man würde in diesem Fall von einem "Rail-to-Rail" Operationsverstärker sprechen.
Bei vielen Operationsverstärkern ist die maximal mögliche Ausgangsspannung geringer als die Versorgungsspannung. Ein mit +5V Spannungsversorgung beschalteter OPV kann dann beispielsweise nur +4V Ausgangsspannung erzeugen.

| \
| \
-- | - \
| \_______
| /
-- | + /
| /
| /

=== Ausgang ===
Der Ausgang des OPV ist eine ideale Spannungsquelle. Das bedeutet, dass die
Ausgangsspannung unabhängig davon ist, was ausgangsseitig an den OPV
angeschlossen wird.
In der Praxis gilt dieses Modell häufig nur bei "sinnvollen Anwendungen". So ist beispielsweise der Ausgangsstrom des OPV nach oben begrenzt (typischerweise im mA-Bereich), und manche OPV schwingen sehr leicht, wenn man sie kapazitiv belastet.

=== Eingänge ===
Die Eingänge eines OPV sind hochohmig, d. h., es handelt sich nur um "Messfühler", die keinen Strom führen.

=== Funktionsweise ===
Der OPV mißt zu jeder Zeit die Differenz <math>U_D = U(+) - U(-)</math> der
Eingangsspannungen.

Ist die Spannung an (+) größer als an (-), so erhöht der OPV die
Ausgangsspannung.
Ist die Spannung an (+) niedriger als an (-), so vermindert der OPV die
Ausgangsspannung.

Das Ergebnis dieses Vorgangs wird häufig über die Gleichung:

<math>U_a = v \cdot U_D</math>

beschrieben, wobei <math>v</math> eine sehr große Zahl (10^4...10^6) ist.

Mit Hilfe der beschriebenen Funktionsweise lassen sich alle grundlegenden Schaltungen herleiten.

=== Beispiel ===

Betrachtet wird die invertierende Grundschaltung nach Abbildung a) im Abschnitt "Verstärkergrundschaltungen".

Für die Pfeilrichtungen der Spannungen und Ströme gilt:

<math>U_e</math>: von oben nach unten

<math>I_{R3}</math>: von links nach rechts

Die Spannung am (+)Eingang ist gleich Null. Die Spannung am (-)Eingang wird durch die Spannungsquelle <math>U_e</math> und durch die im OPV befindliche und mit dem Ausgang verbundene Spannungsquelle des OPV manipuliert.

* Ist die Spannung am (-)Eingang negativ, so erhöht der Operationsverstärker die Ausgangsspannung. Dadurch wird auch die Spannung am (-)Eingang positiver. Und zwar so lange, bis die Spannung am (-)Eingang gleich groß ist, wie die Spannung am (+)Eingang, also U(-)=0V.
* Ist die Spannung am (-)Eingang positiv, so vermindert der Operationsverstärker die Ausgangsspannung. Dadurch wird auch die Spannung am (-)Eingang negativer. Und zwar so lange, bis die Spannung am (-)Eingang gleich groß ist, wie die Spannung am (+)Eingang, also U(-)=0V.

Der Operationsverstärker wird also die Spannungen an (+) und (-)
angleichen. Das passiert immer dann, wenn der Ausgang mit dem (-)Eingang
verbunden ist. Man nennt das Prinzip "Gegenkopplung". Auf diese Art und
Weise funktionieren alle analogen OPV-Schaltungen.

Da an (+) Massepotential anliegt, liegt an <math>R_3</math> die Spannung <math>U_e</math> an, und es gilt:
<math>I_{R3}=\frac{U_e}{R_3}.</math>

Da der (-)Eingang hochohmig ist, fließt <math>I_{R3}</math> über <math>R_4</math> weiter zum OPV-Ausgang.

Ua ist die Spannung vom Ausgang zur (virtuellen) Masse am (-)Eingang.
(--> Pfeil einzeichnen und klarmachen, daß es egal ist, ob der Pfeil vom
Ausgang zur Masse geht oder vom Ausgang "entgegen der Stromrichtung" zur
virtuellen Masse an (-)!)

Mit Hilfe von <math>I_{R3}=\frac{U_e}{R_3}</math> ergibt sich:

<math>U_a = -R_4 \cdot I_{R3} = -{{R_4} \over {R_3}} \cdot U_e.</math>

Die Energie für den Stromtransport über <math>R_4</math> stammt vom OPV! Sobald die Ladungen ausgehend von der Spannungsquelle <math>U_e</math> die virtuelle Masse an (-) erreicht haben, hat <math>U_e</math> seine gesamte Energie abgegeben.

== Verstärkergrundschaltungen ==

[[Bild:Op-verstaerker-a.png]] [[Bild:Op-verstaerker-b.png]]

In a) und b) verwenden wir den OP als Verstärker und nutzen hier die Möglichkeit der Gegenkopplung, um definierte Verstärkungen zu erhalten. Wir gehen wieder davon aus, dass der OP ein ideales Bauteil ist und daher seine Leerlaufverstärkung unendlich ist. Ebenso betrachten wir den Eingangswiderstand als unendlich.

In a) ist ein invertierender Verstärker mit einem OP dargestellt. Durch die Widerstände R3 und R4 wird die Verstärkung bestimmt:

:<math>V = \frac{U_a}{U_e} = -\frac{R_4}{R_3}</math>

Das Verhältnis der beiden Widerstände bestimmt also die Verstärkung und somit die Ausgangsspannung:

:<math>U_a = -\frac{R_4}{R_3} \cdot U_e </math>

oder auch

:<math>U_a = V \cdot U_e</math>

Das negative Vorzeichen drückt aus, dass es sich um einen invertierenden Verstärker handelt.

Beim nichtinvertierenden Verstärker b) finden wir auch eine Rückkopplung über R6 zum invertierenden Eingang des OP. Die Verstärkung wird durch das Gegenkopplungsnetzwerk R6 und R7 exakt definiert. Hier ist:

:<math>V = 1 + \frac{R6}{R7}</math>

Eine Verstärkung von 1 ist sinnvoll, wenn eingangsseitig eine Spannungsquelle mit hohem Innenwiderstand verwendet wird. Für <math>\frac{R6}{R7} \to 0</math> heißt die Schaltung "Spannungsfolger".

Kleinere Werte als 1 lassen sich nicht realisieren. Die Ausgangsspannung errechnet sich also so:

:<math>U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_7}\right )</math>

Beispiel: Eine Eingangsspannung von 0,5 V soll auf den Wert 5 V verstärkt werden, es ist also eine Verstärkung V von 10 benötigt. R7 ist mit 10 kΩ vorgegeben. Also ist das Verhältnis

:<math>\frac{R_6}{R_7} = V - 1</math>

Bei einem Wert von 10 kΩ für R7 errechnet sich R6 zu

:<math>
R6 = (V - 1) \cdot R7
= (10 - 1) \cdot 10\,\mathrm{k\Omega}
= 90\,\mathrm{k\Omega}
</math>

Die Ausgangsspannung Ua wird also:

:<math>
U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_7}\right )
= 0,5\,\mathrm{V} \cdot \left (1 + \frac{90\,\mathrm{k\Omega}}{10\,\mathrm{k\Omega}}\right)
= 5\,\mathrm{V}
</math>

== Spannungsfolger (Impedanzwandler) ==

[[Bild:Op-spannungsfolger1.png]]

Eine Abart des nichtinvertierenden Verstärkers stellt der Spannungsfolger dar. Beim nichtinvertierenden Verstärker errechnet sich die Ausgangsspannung aus:

:<math>U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_2}{R_1}\right )</math>

Wenn wir R2 auf 0 Ohm (mit R1 > 0) oder R1 auf unendlich (mit R2 < ∞) ändern, erhalten wir daher:

:<math>V = 1 + \frac{R_2}{R_1} = 1</math>

Ein Spannungsfolger hat also eine Verstärkung V von 1.

Umgezeichnet sieht die Schaltung so aus:

[[Bild:Op-spannungsfolger2.png]]

Was soll das nun? Wir nutzen die Eigenschaft, dass ein idealer OP einen unendlichen Eingangswiderstand und einen Ausgangswiderstand von 0 Ohm hat. Real sieht das natürlich anders aus: so liegt der Eingangswiderstand Re bei normalen OPs in der Größenordnung von 1MOhm bis <math>10^{15} \Omega</math>, der Ausgangswiderstand Ra im Bereich 20 Ohm bis 1kOhm. Deshalb spricht man bei dieser Schaltung von einem Impedanzwandler. Eine solche Schaltung kann also aus einer relativ hochohmigen Spannungsquelle eine niederohmige, durch Folgeschaltungen belastbare Spannungsquelle machen.

[[Bild:Op-spannungsfolger3.png|left]]

In dem nebenstehenden Beispiel ist eine einfache Möglichkeit zur Erzeugung einer Referenzspannung gezeigt. Es kommt eine normale Stabilisierungsschaltung mit einer Zenerdiode zur Anwendung, die aber nicht mehr die schlechten Eigenschaften der Standardbeschaltung hat.

{{Clear}}

[[Bild:Op-spannungsfolger4.png|right]]

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit wäre das hochohmige Auskoppeln einer Brückenspannung. Die Brückenschaltung selbst wird durch Folgeschaltungen nicht mehr belastet, alle anderen Eigenschaften bleiben erhalten.

{{Clear}}

== Der Komparator ==

[[Bild:Op-komp-a.png]] [[Bild:Op-komp-b.png]]

In der einfachsten Beschaltung des Operationsverstärkers erhält man einen Komparator. Es fällt auf, dass kein Gegenkopplungsnetzwerk vorhanden ist. Der OP arbeitet daher mit seiner vollen Leerlaufverstärkung Vo. Dies bedeutet, dass bereits eine kleine Eingangsspannung genügt, um den OP in die Begrenzung zu treiben. Das heißt, die Ausgangsspannung Ua wird annähernd die Betriebsspannung erreichen.

Beim Komparator gibt es zwei Möglichkeiten der Beschaltung: die invertierende nach a) und die nichtinvertierende Beschaltung nach b).

=== Berechnungsbeispiel für Schaltung b) ===

Angenommen die Leerlaufverstärkung Vo von 40000 und eine Eingangsspannung von 0,1 Volt. Die Betriebsspannungen Vcc und Vee legen wir auf +/- 24 V fest. Damit ergibt sich theoretisch für Ua:

:<math>U_a = V_0 \cdot U_e = 40000 \cdot 0,1\,\mathrm{V} = 4000\,\mathrm{V}</math>

Das ist natürlich ein unrealistischer Wert, da Ua nicht höher sein kann als die Betriebsspannung. Also anders ausgedrückt: Bei welcher Spannung Ue erreicht der OP seine Aussteuerungsgrenze?

:<math>U_e = V_{cc} / V_0 = 24\,\mathrm{V} / 40000 = 0,6\,\mathrm{mV}</math>

Das bedeutet, dass eine Spannung von 0,6 mV ausreicht um den Komparator in die Begrenzung zu treiben.

Das gleiche gilt auch für den invertierenden Komparator, allerdings wird hier der OP in die negative Begrenzung gebracht.

:<math>-U_a = V_0 \cdot U_e</math>

== Der Addierer (Summierverstärker) ==

[[Bild:Op-addierer.png]]

Ein als invertierender Verstärker beschalteter OP lässt sich so beschalten, dass ein Summensignal aus den Eingangsspannungen gebildet wird. Um die Funktion deutlich zu machen, ist eine Betrachtung der einzelnen Ströme nötig.

In einem invertierenden Verstärker wird sich die Ausgangsspannung immer so einstellen, dass der invertierende Eingang Massepotential hat. Die virtuelle Masse (VM) unterscheidet sich von einer "normalen" Masse dadurch, dass das Potential durch einen Regelungsvorgang zustande kommt.
An der virtuellen Masse (VM) gilt die Knotenpunktregel, wonach die Summe der zufließenden Ströme gleich der Summe der abfließenden Ströme ist.

:<math>I_1 + I_2 = -I_3</math>

Sofern <math>U_{e1}</math> und <math>U_{e2}</math> bekannt sind, lässt sich die Gleichung umformen in:

:<math>\frac{U_{e1}}{R_1} + \frac{U_{e2}}{R_2} = -\frac{U_a}{R_3}</math>

Nach Ua aufgelöst ergibt sich:

:<math>-U_a = \left (U_{e1} \cdot \frac{R_3}{R_1}\right ) + \left (U_{e2} \cdot \frac{R_3}{R_2}\right ) + ... + \left (U_{en} \cdot \frac{R_3}{R_n}\right )</math>

Das war's eigentlich schon. Einen Sonderfall gibt es, wenn die Widerstände R1 und R2 gleich sind. Dann gilt

:<math>R_1 = R_2 = R_x</math>

und damit

:<math>-U_a = \frac{R_3}{R_x} \cdot (U_{e1} + U_{e2})</math>.

== Der Subtrahierer (Differenzverstärker) ==

[[Bild:Op-subtrahierer.png]]

Ein Subtrahierer ist die Zusammenschaltung eines invertierenden und eines nichtinvertierenden Verstärkers. Schliessen wir Punkt Ue1 nach Masse kurz und steuern Ue2 an, arbeitet die Schaltung als nichtinvertierender Verstärker. Wird Ue2 nach Masse verbunden und Ue1 angesteuert, verhält sich die Schaltung als invertierender Verstärker (R7 vorerst nicht beachten).

Für den 1. Fall gilt:

:<math>U_a = U_{e2} \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_4}\right )</math>

Für den 2. Fall:

:<math>U_a = -U_{e1} \cdot \frac{R_6}{R_4}</math>

Der dritte Fall ist die Ansteuerung beider Eingänge:

:<math>U_a = -U_{e1} \cdot \frac{R_6}{R_4} + U_{e_2} \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_4}\right )</math>

Diese Schaltung ist gut für eine Erklärung, praktisch aber taugt sie nichts. Denn liegen an den Eingängen gleiche Spannungen an, ist die Ausgangsspannung nicht 0, wie eigentlich zu vermuten wäre. Deshalb ändern wir die Schaltung und fügen R7 ein. Jetzt stellt sich am Punkt + des OPs die Spannung

:<math>U_{e2+} = U_{e2} \cdot \frac{R_7}{R_5 + R_7}</math>

ein. Wenn wir das berücksichtigen, erhalten wir endlich einen richtigen Subtrahierer:

:<math>U_a = U_{e2} \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_4}\right ) \cdot \frac{R_7}{R_5 + R_7} - \frac{R_6}{R_4} \cdot U_{e1}</math>

Dies gilt für alle Subtrahierer, obwohl es natürlich auch hier wieder zwei Sonderfälle gibt; nämlich a) wenn alle Gegenkopplungswiderstände gleich sind:

:<math>R_6 = R_7 = R_4 = R_5</math>

dann ist

:<math>U_a = U_{e2} - U_{e1}</math>

oder b) wenn die Widerstandsverhältnisse gleich sind :

:<math>\frac{R_6}{R_4} = \frac{R_7}{R_5}</math>

Dann ergibt sich für Ua:

:<math>U_a = \left (U_{e2} \cdot \frac{R_6}{R_4}\right ) - \left (U_{e1} \cdot \frac{R_6}{R_4}\right )</math>

oder noch einfacher:

:<math>U_a = (U_{e2} - U_{e1}) \cdot \frac{R_6}{R_4}</math>

== Addition und Subtraktion mit unterschiedlichen Faktoren ==
[[Bild:Op-addsub.png]]

Hier die Schaltung die addieren und subtrahieren kann, mit unterschiedlichen Faktoren.
Sie kann verwendet werden für Aufgaben wie: Gesucht ist eine Schaltung, die aus 0...2.56 V eine Spannung von -10V...10V macht. Für dieses Beispiel wird hier die Dimensionierung durchgeführt:

{| class="wikitable" style="text-align: left"
| style="vertical-align: top" | 1 
| style="vertical-align: top" | Um = Ue2 
| style="vertical-align: top" | Gleichgewicht am Eingang 
|-
| style="vertical-align: top" | 2
| style="vertical-align: top" | Ia+Ib = Ic 
| style="vertical-align: top" | In den Eingang fließt "kein" Strom
|-
| style="vertical-align: top" | 3
| style="vertical-align: top" | (Ua-Ue2)/R6 + (Ue1-Ue2)/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 4 
| style="vertical-align: top" | Ua/R6 - Ue2/R6 + Ue1/R4 - Ue2/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 5 
| style="vertical-align: top" | '''R6 = 200k''' 
| style="vertical-align: top" | Einfach festgelegt, könnte auch 100k oder 500k sein 
|-
| style="vertical-align: top" | 6 
| style="vertical-align: top" | Ue1 = 5V 
| style="vertical-align: top" | könnte auch 15V oder 10V sein 
|-
| style="vertical-align: top" | 7 
| style="vertical-align: top" | -10/200k - 0/200k + 5/R4 - 0/R4 = 0/Rc
| style="vertical-align: top" | Wenn Ue2=0V, wollen wir Ua=-10V 
|-
| style="vertical-align: top" | 8 
| style="vertical-align: top" | -10/200k + 5/R4 = 0
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 9 
| style="vertical-align: top" | 10/200k = 5/R4 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 10 
| style="vertical-align: top" | R4 = 5/10*200k = 100k 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" | '''R4 = 100k''' 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" rowspan="1" colspan="2" | Wir hatten Ue1=5V festgelegt, Damit wollen wir -10V...10V Am Ausgang erreichen. Wenn wir jetzt annehmen Ue1=0V, dann würde der Eingang Ue2 0...xV am Ausgang 0...20V erzeugen. 
|-
| style="vertical-align: top" | 4 
| style="vertical-align: top" | Ua/R6 - Ue2/R6 + Ue1/R4 - Ue2/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" | Ua/R6 - Ue2/R6 + 0/R4 - Ue2/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 41 
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| style="vertical-align: top" | ( 20/200k - x/200k - x/100k ) / x = 1/Rc
| style="vertical-align: top" | Das ist die Formel für 1/Rc 
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| style="vertical-align: top" | Wir setzen z.B 2.56V ein und erhalten 
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| style="vertical-align: top" | Rc = 1/(20/(200000*2.56)-1/200000-1/100000)= 
| style="vertical-align: top" | Den String 1/(20/(200000*2.56)-1/200000-1/100000)= kopieren wir in in den Windows Taschenrechner (mit Ctrl-C - Ctrl-V) und erhalten: Rc=41,558k 
|}

== Der Instrumenten-Verstärker ==

[[Bild:Instrument.png]]

Ein Nachteil des Subtrahierer ist sein geringer Eingangswiderstand. Um den nahezu unendlichen Eingangswiderstand des verwendeten Operationsverstärkers zu erreichen, kann man einfach vor beide Eingänge je einen Impedanzwandler vorschalten.
Die hier beschriebene Schaltung ist um drei Widerstände erweitert und ermöglicht die Einstellung der Differenz-Verstärkung über nur einen Widerstand, nämlich R2.

Am invertierenden Eingang von IC1A gilt (Knotenregel):

:<math>\frac{U_{a1}-U_{e1}}{R_1}-\frac{U_{e1}-U_{e2}}{R_2}=0</math>

Am invertierenden Eingang von IC1C gilt (Knotenregel):

:<math>\frac{U_{a2}-U_{e2}}{R_1}+\frac{U_{e1}-U_{e2}}{R_2}=0</math>

Subtrahiert man die beiden Gleichungen voneinander, erhält man:

:<math>U_{a2}-U_{a1}=(U_{e2}-U_{e1})\cdot\left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2}\right )</math>

Letztere Differenz ist die Eingangsspannung eines normalen Subtrahierers mit der Verstärkung 1.

Also ergibt sich als Ausgangsspannung:

:<math>U_a=(U_{e2}-U_{e1}) \cdot \left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2}\right )</math>

Die Differenzverstärkung beträgt demnach:

:<math>V=\left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2} \right )</math>

Anwendung: Auswertung von Brückenschaltungen, wie Drucksensoren oder Dehnungsmessstreifen, die durch den Eingangswiderstand der Messschaltung nicht belastet werden dürfen. 
Instrumenten-Verstärker kann man auch fertig kaufen. Im INA102 ist die komplette Schaltung integriert. Für R2 sind 3 verschiedene Werte eingebaut, die bei passender Verschaltung eine Verstärkung von 1, 10, 100 oder 1000 ermöglichen.

= Spannungsversorgung und Beschaltung =

== Betrieb mit einfacher Versorgungsspannung ==

Häufig möchte man Wechselspannung (z. B. Audiosignale) die auch negative Spannungen enthält mit einem Opamp verstärken, hat aber nur eine einfache Versorgungsspannung, eine positive in Bezug zu Masse, zur Verfügung. Dafür bieten sich folgende Schaltungen an, die in der Literatur leider häufig vernachlässigt werden.

=== Nichtinvertierender Verstärker ===

[[Bild: Ss_opamp1.png]]

Der negative Eingang wird mit einem Spannungsteiler auf die halbe Betriebsspannung gelegt und das Signal mit Kondensatoren am Ein- und Ausgang entkoppelt.
Die Verstärkung ist in diesem Beispiel für Wechselspannung 11 (Formel wie oben), für Gleichspannung aber 1, da C4 für Gleichspannung einen unendlichen Widerstand darstellt. C3 sollte dorthin gehen, wo das Eingangssignal seinen Bezugspunkt hat, also die Abschirmung der Chinch-Buchse, während R5 dorthin geht, wo der Operationsverstärker seine negative Versorgungsspannung her bekommt, falls das nicht die gleichen Pontentiale, hier GND, sein sollten.

=== Invertierender Verstärker ===

Das Prinzip funktioniert analog auch für die invertierende Beschaltung:

[[Bild: Ss_opamp2.png]]

= Kaufempfehlung =
LM 158/258/358 2 OPs in einem Gehäuse Preis ca. 0,30€.

Siehe auch [[Standardbauelemente#Operationsverst.C3.A4rker|Standardbauelemente - Operationsverstärker]].

Wer Audio OpAmps sucht - tangentsoft.net hat mal welche unter die Lupe genommen: [http://www.tangentsoft.net/audio/opamps.html Notes on Audio OpAmps]

== Weblinks ==
*[http://www.eetkorea.com/ARTICLES/2003SEP/A/2003SEP19_AMD_AN07.PDF Op Amp Circuit Collection] - National Semiconductor Application Note 31 mit vielen weiteren OP-Schaltungen
*[http://www-s.ti.com/sc/psheets/slod006b/slod006b.pdf Op Amps for Everyone] - englischsprachiges, sehr umfangreiches Dokument zu OPV und deren Anwendung (empfehlenswert)
* [http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0209092.htm Operationsverstärker im ElKo]
*[http://www.inf.fu-berlin.de/lehre/WS00/peg/folien/Peg_v7a.pdf OP Teil 1], [http://www.inf.fu-berlin.de/lehre/WS00/peg/folien/Peg_v7b.pdf OP Teil 2] - OP-Schaltungen (deutsch)
*[http://www.blecken.de/download/opverst.zip Schaltungstechnik mit Operationsverstärkern] - Prof. K. Blecken, Skript zur Vorlesung (deutsch, *.doc-Format)
* [http://www.roboternetz.de/wissen/index.php/Operationsverst%C3%A4rker RN-Wissen Operationsverstärker]
* [http://www.national.com/onlineseminar/#amps Online Seminar] von National Semiconductor
* [http://www.franzis.de/elo-das-magazin/grundlagen-und-ausbildung/operationsverstaerker/der-operationsverstaerker ELO-Online-Magazin, Franzis-Verlag], [http://www.franzis.de/online-shop/elektronik/lernpakete-elektronik/lernpaket-elektronik-mit-ics Lernpaket Elektronik mit ICs] "Elektronische Experimente mit integriertem Schaltkreis", Kasten mit Steckbrett/Bauelementen (ca. 40EUR),
* [[Schmitt-Trigger]]
* [[Aktiver RC-Bandpass|Aktiver RC-Bandpass auf Operationsverstärker-Basis]]

[[Category:Grundlagen]]
[[Category:Bauteile]]

Operationsverstärker-Grundschaltungen

2011-09-01T12:14:13Z

Freiburger: /* Invertierender Verstärker */

== Idealisiertes Modell eines OPV ==

=== Anschlüsse ===
Ein Operationsverstärker hat zwei Eingänge (+) und (-) und einen Ausgang
(UA). Außerdem verfügt er über eine positive und eine negative
Spannungsversorgung (V+) und (V-).

=== Spannungsversorgungen ===
Die Spannungsversorgungen sollen zunächst nicht interessieren. Sie
werden in Schaltungen oft nicht eingezeichnet.
In der Praxis ist es jedoch wichtig zu wissen, dass die Ausgangsspannung immer zwischen (V+) und (V-) liegt. Die Ausgangsspannung des OPV kommt schließlich dadurch zustande, dass der Ausgang über einen Transistor mehr oder weniger hochohmig mit den beiden Versorgungsspannungen verbunden wird.

Wenn man einen OPV also mit +5V versorgt, so kann der OPV im besten Fall am Ausgang +5V erzeugen. Man würde in diesem Fall von einem "Rail-to-Rail" Operationsverstärker sprechen.
Bei vielen Operationsverstärkern ist die maximal mögliche Ausgangsspannung geringer als die Versorgungsspannung. Ein mit +5V Spannungsversorgung beschalteter OPV kann dann beispielsweise nur +4V Ausgangsspannung erzeugen.

| \
| \
-- | - \
| \_______
| /
-- | + /
| /
| /

=== Ausgang ===
Der Ausgang des OPV ist eine ideale Spannungsquelle. Das bedeutet, dass die
Ausgangsspannung unabhängig davon ist, was ausgangsseitig an den OPV
angeschlossen wird.
In der Praxis gilt dieses Modell häufig nur bei "sinnvollen Anwendungen". So ist beispielsweise der Ausgangsstrom des OPV nach oben begrenzt (typischerweise im mA-Bereich), und manche OPV schwingen sehr leicht, wenn man sie kapazitiv belastet.

=== Eingänge ===
Die Eingänge eines OPV sind hochohmig, d. h., es handelt sich nur um "Messfühler", die keinen Strom führen.

=== Funktionsweise ===
Der OPV mißt zu jeder Zeit die Differenz <math>U_D = U(+) - U(-)</math> der
Eingangsspannungen.

Ist die Spannung an (+) größer als an (-), so erhöht der OPV die
Ausgangsspannung.
Ist die Spannung an (+) niedriger als an (-), so vermindert der OPV die
Ausgangsspannung.

Das Ergebnis dieses Vorgangs wird häufig über die Gleichung:

<math>U_a = v \cdot U_D</math>

beschrieben, wobei <math>v</math> eine sehr große Zahl (10^4...10^6) ist.

Mit Hilfe der beschriebenen Funktionsweise lassen sich alle grundlegenden Schaltungen herleiten.

=== Beispiel ===

Betrachtet wird die invertierende Grundschaltung nach Abbildung a) im Abschnitt "Verstärkergrundschaltungen".

Für die Pfeilrichtungen der Spannungen und Ströme gilt:

<math>U_e</math>: von oben nach unten

<math>I_{R3}</math>: von links nach rechts

Die Spannung am (+)Eingang ist gleich Null. Die Spannung am (-)Eingang wird durch die Spannungsquelle <math>U_e</math> und durch die im OPV befindliche und mit dem Ausgang verbundene Spannungsquelle des OPV manipuliert.

* Ist die Spannung am (-)Eingang negativ, so erhöht der Operationsverstärker die Ausgangsspannung. Dadurch wird auch die Spannung am (-)Eingang positiver. Und zwar so lange, bis die Spannung am (-)Eingang gleich groß ist, wie die Spannung am (+)Eingang, also U(-)=0V.
* Ist die Spannung am (-)Eingang positiv, so vermindert der Operationsverstärker die Ausgangsspannung. Dadurch wird auch die Spannung am (-)Eingang negativer. Und zwar so lange, bis die Spannung am (-)Eingang gleich groß ist, wie die Spannung am (+)Eingang, also U(-)=0V.

Der Operationsverstärker wird also die Spannungen an (+) und (-)
angleichen. Das passiert immer dann, wenn der Ausgang mit dem (-)Eingang
verbunden ist. Man nennt das Prinzip "Gegenkopplung". Auf diese Art und
Weise funktionieren alle analogen OPV-Schaltungen.

Da an (+) Massepotential anliegt, liegt an <math>R_3</math> die Spannung <math>U_e</math> an, und es gilt:
<math>I_{R3}=\frac{U_e}{R_3}.</math>

Da der (-)Eingang hochohmig ist, fließt <math>I_{R3}</math> über <math>R_4</math> weiter zum OPV-Ausgang.

Ua ist die Spannung vom Ausgang zur (virtuellen) Masse am (-)Eingang.
(--> Pfeil einzeichnen und klarmachen, daß es egal ist, ob der Pfeil vom
Ausgang zur Masse geht oder vom Ausgang "entgegen der Stromrichtung" zur
virtuellen Masse an (-)!)

Mit Hilfe von <math>I_{R3}=\frac{U_e}{R_3}</math> ergibt sich:

<math>U_a = -R_4 \cdot I_{R3} = -{{R_4} \over {R_3}} \cdot U_e.</math>

Die Energie für den Stromtransport über <math>R_4</math> stammt vom OPV! Sobald die Ladungen ausgehend von der Spannungsquelle <math>U_e</math> die virtuelle Masse an (-) erreicht haben, hat <math>U_e</math> seine gesamte Energie abgegeben.

== Verstärkergrundschaltungen ==

[[Bild:Op-verstaerker-a.png]] [[Bild:Op-verstaerker-b.png]]

In a) und b) verwenden wir den OP als Verstärker und nutzen hier die Möglichkeit der Gegenkopplung, um definierte Verstärkungen zu erhalten. Wir gehen wieder davon aus, dass der OP ein ideales Bauteil ist und daher seine Leerlaufverstärkung unendlich ist. Ebenso betrachten wir den Eingangswiderstand als unendlich.

In a) ist ein invertierender Verstärker mit einem OP dargestellt. Durch die Widerstände R3 und R4 wird die Verstärkung bestimmt:

:<math>V = \frac{U_a}{U_e} = -\frac{R_4}{R_3}</math>

Das Verhältnis der beiden Widerstände bestimmt also die Verstärkung und somit die Ausgangsspannung:

:<math>U_a = -\frac{R_4}{R_3} \cdot U_e </math>

oder auch

:<math>U_a = V \cdot U_e</math>

Das negative Vorzeichen drückt aus, dass es sich um einen invertierenden Verstärker handelt.

Beim nichtinvertierenden Verstärker b) finden wir auch eine Rückkopplung über R6 zum invertierenden Eingang des OP. Die Verstärkung wird durch das Gegenkopplungsnetzwerk R6 und R7 exakt definiert. Hier ist:

:<math>V = 1 + \frac{R6}{R7}</math>

Eine Verstärkung von 1 ist sinnvoll, wenn eingangsseitig eine Spannungsquelle mit hohem Innenwiderstand verwendet wird. Für <math>\frac{R6}{R7} \to 0</math> heißt die Schaltung "Spannungsfolger".

Kleinere Werte als 1 lassen sich nicht realisieren. Die Ausgangsspannung errechnet sich also so:

:<math>U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_7}\right )</math>

Beispiel: Eine Eingangsspannung von 0,5 V soll auf den Wert 5 V verstärkt werden, es ist also eine Verstärkung V von 10 benötigt. R7 ist mit 10 kΩ vorgegeben. Also ist das Verhältnis

:<math>\frac{R_6}{R_7} = V - 1</math>

Bei einem Wert von 10 kΩ für R7 errechnet sich R6 zu

:<math>
R6 = (V - 1) \cdot R7
= (10 - 1) \cdot 10\,\mathrm{k\Omega}
= 90\,\mathrm{k\Omega}
</math>

Die Ausgangsspannung Ua wird also:

:<math>
U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_7}\right )
= 0,5\,\mathrm{V} \cdot \left (1 + \frac{90\,\mathrm{k\Omega}}{10\,\mathrm{k\Omega}}\right)
= 5\,\mathrm{V}
</math>

== Spannungsfolger (Impedanzwandler) ==

[[Bild:Op-spannungsfolger1.png]]

Eine Abart des nichtinvertierenden Verstärkers stellt der Spannungsfolger dar. Beim nichtinvertierenden Verstärker errechnet sich die Ausgangsspannung aus:

:<math>U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_2}{R_1}\right )</math>

Wenn wir R2 auf 0 Ohm (mit R1 > 0) oder R1 auf unendlich (mit R2 < ∞) ändern, erhalten wir daher:

:<math>V = 1 + \frac{R_2}{R_1} = 1</math>

Ein Spannungsfolger hat also eine Verstärkung V von 1.

Umgezeichnet sieht die Schaltung so aus:

[[Bild:Op-spannungsfolger2.png]]

Was soll das nun? Wir nutzen die Eigenschaft, dass ein idealer OP einen unendlichen Eingangswiderstand und einen Ausgangswiderstand von 0 Ohm hat. Real sieht das natürlich anders aus: so liegt der Eingangswiderstand Re bei normalen OPs in der Größenordnung von 1MOhm bis <math>10^{15} \Omega</math>, der Ausgangswiderstand Ra im Bereich 20 Ohm bis 1kOhm. Deshalb spricht man bei dieser Schaltung von einem Impedanzwandler. Eine solche Schaltung kann also aus einer relativ hochohmigen Spannungsquelle eine niederohmige, durch Folgeschaltungen belastbare Spannungsquelle machen.

[[Bild:Op-spannungsfolger3.png|left]]

In dem nebenstehenden Beispiel ist eine einfache Möglichkeit zur Erzeugung einer Referenzspannung gezeigt. Es kommt eine normale Stabilisierungsschaltung mit einer Zenerdiode zur Anwendung, die aber nicht mehr die schlechten Eigenschaften der Standardbeschaltung hat.

{{Clear}}

[[Bild:Op-spannungsfolger4.png|right]]

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit wäre das hochohmige Auskoppeln einer Brückenspannung. Die Brückenschaltung selbst wird durch Folgeschaltungen nicht mehr belastet, alle anderen Eigenschaften bleiben erhalten.

{{Clear}}

== Der Komparator ==

[[Bild:Op-komp-a.png]] [[Bild:Op-komp-b.png]]

In der einfachsten Beschaltung des Operationsverstärkers erhält man einen Komparator. Es fällt auf, dass kein Gegenkopplungsnetzwerk vorhanden ist. Der OP arbeitet daher mit seiner vollen Leerlaufverstärkung Vo. Dies bedeutet, dass bereits eine kleine Eingangsspannung genügt, um den OP in die Begrenzung zu treiben. Das heißt, die Ausgangsspannung Ua wird annähernd die Betriebsspannung erreichen.

Beim Komparator gibt es zwei Möglichkeiten der Beschaltung: die invertierende nach a) und die nichtinvertierende Beschaltung nach b).

=== Berechnungsbeispiel für Schaltung b) ===

Angenommen die Leerlaufverstärkung Vo von 40000 und eine Eingangsspannung von 0,1 Volt. Die Betriebsspannungen Vcc und Vee legen wir auf +/- 24 V fest. Damit ergibt sich theoretisch für Ua:

:<math>U_a = V_0 \cdot U_e = 40000 \cdot 0,1\,\mathrm{V} = 4000\,\mathrm{V}</math>

Das ist natürlich ein unrealistischer Wert, da Ua nicht höher sein kann als die Betriebsspannung. Also anders ausgedrückt: Bei welcher Spannung Ue erreicht der OP seine Aussteuerungsgrenze?

:<math>U_e = V_{cc} / V_0 = 24\,\mathrm{V} / 40000 = 0,6\,\mathrm{mV}</math>

Das bedeutet, dass eine Spannung von 0,6 mV ausreicht um den Komparator in die Begrenzung zu treiben.

Das gleiche gilt auch für den invertierenden Komparator, allerdings wird hier der OP in die negative Begrenzung gebracht.

:<math>-U_a = V_0 \cdot U_e</math>

== Der Addierer (Summierverstärker) ==

[[Bild:Op-addierer.png]]

Ein als invertierender Verstärker beschalteter OP lässt sich so beschalten, dass ein Summensignal aus den Eingangsspannungen gebildet wird. Um die Funktion deutlich zu machen, ist eine Betrachtung der einzelnen Ströme nötig.

In einem invertierenden Verstärker wird sich die Ausgangsspannung immer so einstellen, dass der invertierende Eingang Massepotential hat. Die virtuelle Masse (VM) unterscheidet sich von einer "normalen" Masse dadurch, dass das Potential durch einen Regelungsvorgang zustande kommt.
An der virtuellen Masse (VM) gilt die Knotenpunktregel, wonach die Summe der zufließenden Ströme gleich der Summe der abfließenden Ströme ist.

:<math>I_1 + I_2 = -I_3</math>

Sofern <math>U_{e1}</math> und <math>U_{e2}</math> bekannt sind, lässt sich die Gleichung umformen in:

:<math>\frac{U_{e1}}{R_1} + \frac{U_{e2}}{R_2} = -\frac{U_a}{R_3}</math>

Nach Ua aufgelöst ergibt sich:

:<math>-U_a = \left (U_{e1} \cdot \frac{R_3}{R_1}\right ) + \left (U_{e2} \cdot \frac{R_3}{R_2}\right ) + ... + \left (U_{en} \cdot \frac{R_3}{R_n}\right )</math>

Das war's eigentlich schon. Einen Sonderfall gibt es, wenn die Widerstände R1 und R2 gleich sind. Dann gilt

:<math>R_1 = R_2 = R_x</math>

und damit

:<math>-U_a = \frac{R_3}{R_x} \cdot (U_{e1} + U_{e2})</math>.

== Der Subtrahierer (Differenzverstärker) ==

[[Bild:Op-subtrahierer.png]]

Ein Subtrahierer ist die Zusammenschaltung eines invertierenden und eines nichtinvertierenden Verstärkers. Schliessen wir Punkt Ue1 nach Masse kurz und steuern Ue2 an, arbeitet die Schaltung als nichtinvertierender Verstärker. Wird Ue2 nach Masse verbunden und Ue1 angesteuert, verhält sich die Schaltung als invertierender Verstärker (R7 vorerst nicht beachten).

Für den 1. Fall gilt:

:<math>U_a = U_{e2} \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_4}\right )</math>

Für den 2. Fall:

:<math>U_a = -U_{e1} \cdot \frac{R_6}{R_4}</math>

Der dritte Fall ist die Ansteuerung beider Eingänge:

:<math>U_a = -U_{e1} \cdot \frac{R_6}{R_4} + U_{e_2} \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_4}\right )</math>

Diese Schaltung ist gut für eine Erklärung, praktisch aber taugt sie nichts. Denn liegen an den Eingängen gleiche Spannungen an, ist die Ausgangsspannung nicht 0, wie eigentlich zu vermuten wäre. Deshalb ändern wir die Schaltung und fügen R7 ein. Jetzt stellt sich am Punkt + des OPs die Spannung

:<math>U_{e2+} = U_{e2} \cdot \frac{R_7}{R_5 + R_7}</math>

ein. Wenn wir das berücksichtigen, erhalten wir endlich einen richtigen Subtrahierer:

:<math>U_a = U_{e2} \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_4}\right ) \cdot \frac{R_7}{R_5 + R_7} - \frac{R_6}{R_4} \cdot U_{e1}</math>

Dies gilt für alle Subtrahierer, obwohl es natürlich auch hier wieder zwei Sonderfälle gibt; nämlich a) wenn alle Gegenkopplungswiderstände gleich sind:

:<math>R_6 = R_7 = R_4 = R_5</math>

dann ist

:<math>U_a = U_{e2} - U_{e1}</math>

oder b) wenn die Widerstandsverhältnisse gleich sind :

:<math>\frac{R_6}{R_4} = \frac{R_7}{R_5}</math>

Dann ergibt sich für Ua:

:<math>U_a = \left (U_{e2} \cdot \frac{R_6}{R_4}\right ) - \left (U_{e1} \cdot \frac{R_6}{R_4}\right )</math>

oder noch einfacher:

:<math>U_a = (U_{e2} - U_{e1}) \cdot \frac{R_6}{R_4}</math>

== Addition und Subtraktion mit unterschiedlichen Faktoren ==
[[Bild:Op-addsub.png]]

Hier die Schaltung die addieren und subtrahieren kann, mit unterschiedlichen Faktoren.
Sie kann verwendet werden für Aufgaben wie: Gesucht ist eine Schaltung, die aus 0...2.56 V eine Spannung von -10V...10V macht. Für dieses Beispiel wird hier die Dimensionierung durchgeführt:

{| class="wikitable" style="text-align: left"
| style="vertical-align: top" | 1 
| style="vertical-align: top" | Um = Ue2 
| style="vertical-align: top" | Gleichgewicht am Eingang 
|-
| style="vertical-align: top" | 2
| style="vertical-align: top" | Ia+Ib = Ic 
| style="vertical-align: top" | In den Eingang fließt "kein" Strom
|-
| style="vertical-align: top" | 3
| style="vertical-align: top" | (Ua-Ue2)/R6 + (Ue1-Ue2)/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 4 
| style="vertical-align: top" | Ua/R6 - Ue2/R6 + Ue1/R4 - Ue2/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 5 
| style="vertical-align: top" | '''R6 = 200k''' 
| style="vertical-align: top" | Einfach festgelegt, könnte auch 100k oder 500k sein 
|-
| style="vertical-align: top" | 6 
| style="vertical-align: top" | Ue1 = 5V 
| style="vertical-align: top" | könnte auch 15V oder 10V sein 
|-
| style="vertical-align: top" | 7 
| style="vertical-align: top" | -10/200k - 0/200k + 5/R4 - 0/R4 = 0/Rc
| style="vertical-align: top" | Wenn Ue2=0V, wollen wir Ua=-10V 
|-
| style="vertical-align: top" | 8 
| style="vertical-align: top" | -10/200k + 5/R4 = 0
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 9 
| style="vertical-align: top" | 10/200k = 5/R4 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 10 
| style="vertical-align: top" | R4 = 5/10*200k = 100k 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" | '''R4 = 100k''' 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" rowspan="1" colspan="2" | Wir hatten Ue1=5V festgelegt, Damit wollen wir -10V...10V Am Ausgang erreichen. Wenn wir jetzt annehmen Ue1=0V, dann würde der Eingang Ue2 0...xV am Ausgang 0...20V erzeugen. 
|-
| style="vertical-align: top" | 4 
| style="vertical-align: top" | Ua/R6 - Ue2/R6 + Ue1/R4 - Ue2/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" | Ua/R6 - Ue2/R6 + 0/R4 - Ue2/R4 = Ue2/Rc
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 41 
| style="vertical-align: top" | 20/200k - x/200k + 0/100k - x/100k = x/Rc 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 42 
| style="vertical-align: top" | ( 20/200k - x/200k - x/100k ) / x = 1/Rc
| style="vertical-align: top" | Das ist die Formel für 1/Rc 
|-
| style="vertical-align: top" | 43 
| style="vertical-align: top" | 20/(200k*x) - 1/200k - 1/100k = 1/Rc 
| style="vertical-align: top" | 
|-
| style="vertical-align: top" | 44 
| style="vertical-align: top" | 
| style="vertical-align: top" | Wir setzen z.B 2.56V ein und erhalten 
|-
| style="vertical-align: top" | 45 
| style="vertical-align: top" | Rc = 1/(20/(200000*2.56)-1/200000-1/100000)= 
| style="vertical-align: top" | Den String 1/(20/(200000*2.56)-1/200000-1/100000)= kopieren wir in in den Windows Taschenrechner (mit Ctrl-C - Ctrl-V) und erhalten: Rc=41,558k 
|}

== Der Instrumenten-Verstärker ==

[[Bild:Instrument.png]]

Ein Nachteil des Subtrahierer ist sein geringer Eingangswiderstand. Um den nahezu unendlichen Eingangswiderstand des verwendeten Operationsverstärkers zu erreichen, kann man einfach vor beide Eingänge je einen Impedanzwandler vorschalten.
Die hier beschriebene Schaltung ist um drei Widerstände erweitert und ermöglicht die Einstellung der Differenz-Verstärkung über nur einen Widerstand, nämlich R2.

Am invertierenden Eingang von IC1A gilt (Knotenregel):

:<math>\frac{U_{a1}-U_{e1}}{R_1}-\frac{U_{e1}-U_{e2}}{R_2}=0</math>

Am invertierenden Eingang von IC1C gilt (Knotenregel):

:<math>\frac{U_{a2}-U_{e2}}{R_1}+\frac{U_{e1}-U_{e2}}{R_2}=0</math>

Subtrahiert man die beiden Gleichungen voneinander, erhält man:

:<math>U_{a2}-U_{a1}=(U_{e2}-U_{e1})\cdot\left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2}\right )</math>

Letztere Differenz ist die Eingangsspannung eines normalen Subtrahierers mit der Verstärkung 1.

Also ergibt sich als Ausgangsspannung:

:<math>U_a=(U_{e2}-U_{e1}) \cdot \left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2}\right )</math>

Die Differenzverstärkung beträgt demnach:

:<math>V=\left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2} \right )</math>

Anwendung: Auswertung von Brückenschaltungen, wie Drucksensoren oder Dehnungsmessstreifen, die durch den Eingangswiderstand der Messschaltung nicht belastet werden dürfen. 
Instrumenten-Verstärker kann man auch fertig kaufen. Im INA102 ist die komplette Schaltung integriert. Für R2 sind 3 verschiedene Werte eingebaut, die bei passender Verschaltung eine Verstärkung von 1, 10, 100 oder 1000 ermöglichen.

= Spannungsversorgung und Beschaltung =

== Betrieb mit einfacher Versorgungsspannung ==

Häufig möchte man Wechselspannung (z. B. Audiosignale) die auch negative Spannungen enthält mit einem Opamp verstärken, hat aber nur eine einfache Versorgungsspannung, eine positive in Bezug zu Masse, zur Verfügung. Dafür bieten sich folgende Schaltungen an, die in der Literatur leider häufig vernachlässigt werden.

=== Nichtinvertierender Verstärker ===

[[Bild: Ss_opamp1.png]]

Der negative Eingang wird mit einem Spannungsteiler auf die halbe Betriebsspannung gelegt und das Signal mit Kondensatoren am Ein- und Ausgang entkoppelt.
Die Verstärkung ist in diesem Beispiel für Wechselspannung 11 (Formel wie oben), für Gleichspannung aber 1, da C4 für Gleichspannung einen unendlichen Widerstand darstellt. C3 sollte dorthin gehen, wo das Eingangssignal seinen Bezugspunkt hat, also die Abschirmung der Chinch-Buchse, während R5 dorthin geht, wo der Operationsverstärker seine negative Versorgungsspannung her bekommt, falls das nicht die gleichen Pontentiale, hier GND, sein sollten.

=== Invertierender Verstärker ===

Das Prinzip funktioniert analog auch für die invertierende Beschaltung:

[[Bild: Ss_opamp2.png]]

== Kaufempfehlung ==
LM 158/258/358 2 OPs in einem Gehäuse Preis ca. 0,30€.

Siehe auch [[Standardbauelemente#Operationsverst.C3.A4rker|Standardbauelemente - Operationsverstärker]].

Wer Audio OpAmps sucht - tangentsoft.net hat mal welche unter die Lupe genommen: [http://www.tangentsoft.net/audio/opamps.html Notes on Audio OpAmps]

== Weblinks ==
*[http://www.eetkorea.com/ARTICLES/2003SEP/A/2003SEP19_AMD_AN07.PDF Op Amp Circuit Collection] - National Semiconductor Application Note 31 mit vielen weiteren OP-Schaltungen
*[http://www-s.ti.com/sc/psheets/slod006b/slod006b.pdf Op Amps for Everyone] - englischsprachiges, sehr umfangreiches Dokument zu OPV und deren Anwendung (empfehlenswert)
* [http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0209092.htm Operationsverstärker im ElKo]
*[http://www.inf.fu-berlin.de/lehre/WS00/peg/folien/Peg_v7a.pdf OP Teil 1], [http://www.inf.fu-berlin.de/lehre/WS00/peg/folien/Peg_v7b.pdf OP Teil 2] - OP-Schaltungen (deutsch)
*[http://www.blecken.de/download/opverst.zip Schaltungstechnik mit Operationsverstärkern] - Prof. K. Blecken, Skript zur Vorlesung (deutsch, *.doc-Format)
* [http://www.roboternetz.de/wissen/index.php/Operationsverst%C3%A4rker RN-Wissen Operationsverstärker]
* [http://www.national.com/onlineseminar/#amps Online Seminar] von National Semiconductor
* [http://www.franzis.de/elo-das-magazin/grundlagen-und-ausbildung/operationsverstaerker/der-operationsverstaerker ELO-Online-Magazin, Franzis-Verlag], [http://www.franzis.de/online-shop/elektronik/lernpakete-elektronik/lernpaket-elektronik-mit-ics Lernpaket Elektronik mit ICs] "Elektronische Experimente mit integriertem Schaltkreis", Kasten mit Steckbrett/Bauelementen (ca. 40EUR),
* [[Schmitt-Trigger]]
* [[Aktiver RC-Bandpass|Aktiver RC-Bandpass auf Operationsverstärker-Basis]]

[[Category:Grundlagen]]
[[Category:Bauteile]]

Glossar

2011-08-31T14:30:58Z

Freiburger: /* F */

{{TOC}}

== A ==

;ABI: '''A'''pplication '''B'''inary '''I'''nterface: Das Binärinterface, das zum Datenaustausch verwendet wird, z.B. die Registerverwendung in einer Funktion und für Parameterübergabe, Datenablage, Strukturlayout, etc. Jeder [[Compiler]] erzeugt Code nach einer bestimmten ABI, so daß der Code aus unterschiedlichen Modulen und Bibliotheken zusammenpasst. Beim Mischen von Hochsprachen mit (Inline-)Assembler muss auf ABI-konformität geachtet werden. Compiler-Schalter können das ABI beeinflussen. Beispiel: -fpack-struct beim GCC.

;[[ADC]]: '''A'''nalog '''D'''igital '''C'''onverter.

;[[AGC]]: '''A'''utomatic '''G'''ain '''C'''ontrol. Ein Schaltkreis zur selbsttätigen Verstärkungsanpassung.

;[[ARM]]: Eine Mikrocontrollerfamilie

;[[AVR]]: Eine Mikrocontrollerfamilie von Atmel. Der Ursprung des Namens ist unklar.

== B ==

;[[BGA]]: '''B'''all '''G'''rid '''A'''rray: Eine Gehäuseform für ICs.

;Bit: '''Bi'''nary Digi'''t''': Kleinste Informationseinheit, siehe [[Bitmanipulation]].

;BNC: '''B'''ajonet '''N'''ut '''C'''onnector: Ein Steckverbinder für Koaxialkabel.

;[[BSDL]]: '''B'''oundary '''S'''can '''D'''escription '''L'''anguage: Eine Sprache für [[boundary scan]]-basiertes Testen und Debuggen.

== C ==

;[[C]]: Eine weit verbreitete Programmiersprache.

;[[CAN]]: '''C'''ontroller '''A'''rea '''N'''etwork: Ein Netzwerk für kleine [[Mikrocontroller]], ursprünglich für die Automobilbranche entwickelt.

;[[CPLD]]: '''C'''omplex '''P'''rogrammable '''L'''ogic '''D'''evice: Ein programmierbarer Logikbaustein.

== D ==

;[[DAC]]: '''D'''igital to '''A'''nalog '''C'''onverter

;[[DSP]]: '''D'''igitaler '''S'''ignal'''p'''rozessor

;[[DTMF]]: '''D'''ual '''T'''one '''M'''ultiple '''F'''requency: Tonwahlverfahren im Telephon.

== E ==

;[[EEPROM]]: '''E'''lectrical '''E'''rasable and '''P'''rogrammable '''R'''ead '''O'''nly '''M'''emory: Ein nichtflüchtiger [[Speicher#EEPROM|Speicher]].

;[[EMV]]: '''E'''lektro'''m'''agnetische '''V'''erträglichkeit: Beschreibt das Verhalten von Geräten bezüglich Aussenden von elektromagetischen Störungen und die Toleranz bezüglich Einstrahlung eben dieser.

== F ==

;FBGA: '''F'''ine [[BGA|'''B'''all '''G'''rid '''A'''rray]]: Eine Gehäuseform für ICs.
;FEC: '''F'''orward '''E'''rror '''C'''orrectopn: Fehlerkorrektur
;FEM: '''F'''inite '''E'''lemente '''M'''ethode: Stützstellenapproximation
;[http://de.wikipedia.org/wiki/Schnelle_Fourier-Transformation FFT]: '''F'''ast '''F'''ourier '''T'''ransformation: Ein Algorithmus zur effizienten Berechnung der [http://de.wikipedia.org/wiki/Diskrete_Fourier-Transformation Diskreten Fourier-Transformation] für den Fall gleicher Zeitabstände der Eingabewerte und einer Zweierpotenz als Anzahl der Eingabewerte. Die Fourier-Transformation bildet eine Funktion auf ihr Frequenzspektrum ab, was vielfach in der Signalverarbeitung Anwendung findet neben anderen Transformationen wie Laplace-Transformation, Wavelet-Transformation oder Z-Transformation.
;[[FIFO]]: '''F'''irst '''I'''n '''F'''irst '''O'''ut: Eine Organisationsform für einen Zwischenspeicher.
;[[FPGA]]: '''F'''ield '''P'''rogrammable '''G'''ate '''A'''rray: Ein programmierbarer Logikbaustein.
;[[FPU]]: '''F'''loating '''P'''oint '''U'''nit: Teil eines Prozessors der Berechnungen mit Gleitkommazahlen unterstützt.

;[[FOC]]: '''F'''ield '''O'''riented '''C'''ontrol, englisch für feldorientierte Regelung (bei Motoren)

== G ==

;GFR: '''G'''eneral '''F'''unction '''R'''egister: s.u.
;GPR: '''G'''eneral '''P'''urpose '''R'''egister: Arbeitsregister eines Prozessors. Bei vielen Architekturen müssen Daten in solche Register geladen werden, um sie bearbeiten zu können. Bei [[AVR]] sind das z.B. die Register R0 – R31.
;GPS: '''G'''lobal '''P'''ositioning '''S'''ystem
;GSM: '''G'''lobal '''S'''ystem for '''M'''obile Communications:

== H ==

;HF: Hochfrequenz

;HIL: → Wikipedia: [http://de.wikipedia.org/wiki/Hardware_in_the_Loop '''H'''ardware '''i'''n the '''L'''oop].

== I ==

;ISA: '''I'''nstruction '''S'''et '''A'''rchitecture: Registerstruktur und Befehlssatz eines Prozessors/[[Mikrocontroller]]s bzw. einer Prozessorfamilie.

;[[ISP]]: '''I'''n '''S'''ystem '''P'''rogramming: Der Mikrocontroller wird direkt auf der Zielhardware programmiert.

;ISR: '''I'''nterrupt '''S'''ervice '''R'''outine: Ein Programmstück, das nach Eintreten eines bestimmten Ereignisses ausgeführt wird. Siehe [[Interrupt]].

;IRQ: '''I'''nterrupt '''R'''e'''q'''uest: Ein Ereignis, das einen [[Interrupt]] auslöst. In der Regel wird die Programmausführung unterbrochen und ein spezielles Programmstück, eine ISR, ausgeführt und danach zum ursprünglichen Programmcode zurückgekehrt. Viele IRQs können aktiviert oder deaktiviert werden.

== J ==

;[[JTAG]]: '''J'''oint '''T'''est '''A'''ction '''G'''roup: Eine Funktion für komplexe ICs, um diese im aufgelöteten Zustand zu prüfen bzw. zu programmieren und debuggen (Mikrocontroller).

== K ==

== L ==

;LSB: '''L'''east '''S'''ignificant '''B'''yte: Das niederwertigste Byte in einem Datenwort mit mehreren Bytes. Je nach Zusammenhang aber auch '''L'''east '''S'''ignificant '''B'''it: niederwertigstes Bit.

== M ==

;MSB: '''M'''ost '''S'''ignificant '''B'''yte: Das höchstwertige Byte in einem Datenwort mit mehreren Bytes. Je nach Zusammenhang aber auch '''M'''ost '''S'''ignificant '''B'''it: höchstwertiges Bit.

== N ==

== O ==

== P ==

;[[PCM]]: '''P'''ulse '''C'''ode '''M'''odulation: Ein Datenformat

;[[PFC]]: '''P'''ower '''F'''actor '''C'''orrection: Eine Schaltung, die Blindleistung kompensiert

;[http://de.wikipedia.org/wiki/Phase-locked_loop PLL]: '''P'''hase '''L'''ocked '''L'''oop: Eine Schaltung, die einen Ausgangstakt mit definierter Phaselage zu einem Eingangstakt generiert.

;[[PSU]]: '''P'''ower '''S'''upply '''U'''nit: Bezeichnung für die Stromversorgungseinheit

== Q ==

== R ==

;[[RS232]]: '''R'''ecommended '''S'''tandard 232: Eine Definition zur seriellen Datenübertragung, eng gekoppelt an [[UART]].

== S ==

;SFR: '''S'''pecial '''F'''unction '''R'''egister: Hardware-Register, über die interne und externe Peripherie eines Prozessors/[[Mikrocontroller]]s konfiguriert wird, und über die Daten ausgetauscht werden. IO-Ports werden z.B. auf bestimmte [[Speicher#Register|SFRs]] abgebildet, auf die dann mit speziellen Befehlen zugegriffen werden kann.

;SAR: '''S'''ynthetic '''A'''perture '''R'''adar: Eine Messmethodik in der Radartechnik

== T ==

;TTL: '''T'''ransistor-'''T'''ransistor-'''L'''ogik.

== U ==

;[[UART]]: '''U'''niversal '''A'''synchronus '''R'''eceiver and '''T'''ransmitter: Ein Modul in Mikrocontrollern oder PCs zum seriellen Datenaustausch.

== V ==

== W ==

== X ==

== Y ==

== Z ==

;Z: In der HF-Technik das Formelzeichen für den [[Wellenwiderstand]].

[[Kategorie:Grundlagen| ]]

Diskussion:Oszilloskop

2011-08-25T10:57:22Z

Freiburger:

Hallo,
könnte jemand das Bild, dass ich hinzugefügt (ganz unten) habe ein bisschen stauchen und vor allem mit einem kleinen Rahmen versehen, damit es zum Seitenlayout passt? Ich weiß nämlich weder wie ich ein hochgeladenes Bild wieder lösche noch wie das mit dem Rahmen geht...;-)
Danke

Ist wohl schon erledigt, bei mir sehen die Bilder alle gut aus. [[Benutzer:Stefan|Stefan]] 20:23, 25. Mär. 2010 (UTC)

<hr>

Wie wäre es, den Meinungsabschnitt 1 aus dem Artikel herauszunehmen und z.B. in diesen Diskussionsteil zu stecken? ""besonders ekelhaft", "Windmacher", "Eh, macht mich mal ein Oszilloskop klar!" sind IMHO auch nicht angebracht. Jemand der den Artikel aufruft und liest, braucht kein Überbraten mit dem 3 Seiten Hammervorspann bevor er zu den gesuchten Infos kommt. Diejenigen, die im Forum so nervend fragen, rufen den Artikel sowieso nicht auf und lesen somit diesen Vorspann auch nicht. Ein kurzer Verweis auf die Diskussionsseite (FAQ xyz siehe Diskussionsseite) könnte den alten Text ersetzen. [[Benutzer:Stefan|Stefan]] 20:21, 25. Mär. 2010 (UTC)

Sehe ich auch so. Das ist einfach zu subjektiv für einen Wiki-Artikel. --[[Benutzer:Andreas|andreas]] 20:41, 25. Mär. 2010 (UTC)

Mir kommt es irgendwie so vor, als sei der gesamte Artikel (zumindest aber der 1. Abschnitt) von der Werbeabteilung eines namenhaften Oszi-Herstellers geschrieben, um die Konkurrenz zu diffarmieren. Offensichtlich will der Autor nicht wahr haben, dass es auch zum günstigen Preis bereits gute Oszilloskope gibt. Völlig außer acht gelassen wird, was der Anwender mit damit machen will (vielleicht arbeitet er nur mit niedrigen Frequenzen, dann ist die Bandbreite relativ egal). Auf jeden Fall fehlt die Angabe, wie teuer ein gutes Oszilloskop mindestens sein muss, wahrscheinlich aus dem Grunde, weil der Autor möglichst teure Geräte verkaufen will. (Für analoge Oszis gibt es diese Angabe, aber digitale werden nunmal immer wichtiger und da fehlt sie.) -- [[Benutzer:Paul k|Paul k]] 03:12, 6. Jul. 2011 (UTC)

=Gebraucht=
Einmal ratet ihr von Gebrauchten ab, weiter unten wird empfohlen, nur Topgeräte zu kaufen und dies aber "nur gebraucht. ???

FPGA

2011-08-25T10:51:58Z

Freiburger: /* Cyclone III Embedded Development Kit */ l

FPGA ist die Abkürzung für "'''F'''ield '''P'''rogrammable '''G'''ate '''A'''rray".

== Aufbau ==

=== Grundelemente ===

Ein FPGA besteht, ähnlich wie ein [[CPLD]], aus vielen Logikelementen, hauptsächlich [[FlipFlop]]s (FF) und davor geschalteten Logikelementen. Diese Logikelemente sind entweder Verschaltungen verschiedener Logikgatter (Actel) oder aber kleine LUTs (LUT = Lookup-Table), die über elektronische "Schalter" entsprechend der vom Entwickler gewünschten Funktion miteinander verknüpft werden können.

Eine '''LUT''' kann eine beliebige kombinatorische Funktion (NAND, XOR, AND, Multiplexer etc.) aus den Eingangssignalen realisieren. Die Anzahl der Eingangssignale pro LUT ist vom FPGA abhängig und liegt meist zwischen 4 und 6. Für Funktionen die mehr Eingänge erfordern als eine einzige LUT besitzt (hohes Fan-In), werden mehrere LUTs direkt miteinander verschaltet. Die [[FlipFlop]]s dienen dazu, Signalwerte zwischenzuspeichern, um sie im nächsten Takt weiterverarbeiten zu können. Das Verhältnis zwischen der Anzahl der LUTs und der Anzahl der Flip-Flops ist meist 1:1. Aktuelle FPGAs bestehen aus bis zu einigen zehntausend Logikelementen.

Die logischen Schalter und Speicher sind in den meisten FPGAs durch [[Speicher#SRAM | SRAM]]-Speicherzellen realisiert, welche beim Bootprozess passend geladen werden. Das Laden dieser Konfigurationsdaten bzw. Verknüpfungsregeln geschieht dabei in der Regel aus einem speziellen [[Speicher#Flash | Flash-ROM]]-Baustein heraus. Es kann aber auch ein Mikrocontroller benutzt werden. Die meisten FPGAs bieten daher für diesen Konfigurationsvorgang mehrere Modi an (seriell, parallel, Master/Slave). Da die SRAM-Zellen ihren Inhalt beim Abschalten der Versorgungsspannung verlieren, muss ein SRAM-basierter FPGA bei jedem Einschalten neu konfiguriert werden. Daher benötigt ein solcher FPGA einige Millisekunden bis zur Betriebsbereitschaft.

Eine FPGA-Familie beinhaltet Typen mit unterschiedlicher Anzahl und Komplexität von Logikzellen. So enthält ein Spartan3-1000 ca. 2,5 mal so viel Logik (FF, LUTs) wie ein Spartan3-400.

FPGAs mit nichtflüchtigem Speicher basieren auf [[Speicher#EEPROM | EEPROM]]-, [[Speicher#Flash | Flash]]-Speicher (einige Familien von Lattice und Actel) oder AntiFuse- Technologie (Actel). Die sogenannten AntiFuse FPGAs sind nur einmalig programmierbar.

=== I/O Anschlüsse ===

FPGAs unterstützen als universal einsetzbare Digital-ICs eine Vielzahl von Signalstandards. Üblich sind verschiedene TTL-Pegel (5V, 3,3V, 2,5V), differentielle Signalstandards (LVDS, GTL) und im Hochpreisbereich serielle Hochgeschwindigkeitsstandards mit bis zu 28 Gbit/s. Oftmals sind weitere Eigenschaften wie Treiberstärke und Flankensteilheit für jeden benutzerdefinierbaren Anschluss (User-IO) einstellbar. Meist sind die Pins zu Bänken mit gleichem I/O Standard zusammengefasst. Innerhalb einer solchen Bank arbeiten alle Pins im gleichen I/O Standard und mit der selben I/O Spannung.

Bei komplexeren FPGAs sind die Ein- und Ausgänge mit Delaygliedern versehen, die ein Anpassen des Timings bei Bussen wie z.B. schnellen Speichern ermöglichen.

Ebenso können je nach Hersteller und Typ interne Pull-Up und Pull-Down-Widerstände sowie Terminationswiderstände zugeschaltet werden, [[Wellenwiderstand | Terminierung]] wird ebenfalls unterstützt. Zudem befinden sich hinter vielen IO-Pads sog. [[Boundary_scan| Boundary Scan]] Zellen.

Das I/O Verhalten wird zusammen mit vielen anderen Parametern in einer Datei festgelegt (Xilinx *.ucf, Altera *.acf, Lattice *.lpf). Alternativ können diese auch als Syntheseoption im Kommentarfeld des [[Verilog]]/[[VHDL]] Codes mit angegeben werden.

[[Ausgangsstufen Logik-ICs | Tristatebuffer]] werden implizit über VHDL definiert, indem einem Ausgang zeitabhängig der Zustand "Z" zugewiesen wird. Alternativ kann er explizit als Komponente eingefügt werden.

Einige Pins übernehmen besondere Funktionen und sind somit vom Anwender nicht uneingeschränkt oder z.T. auch gar nicht nutzbar. Dazu zählen neben der [[JTAG]]-Schnittstelle z. B. die Pins zum Einlesen der Konfigurationsdaten.

Ferner sind einige wenige Pins (2 - 8) zum Einspeisen des Taktes für das Design vorgesehen. Für schnelle Schaltungen sollten diese reservierten Pins benutzt werden. Sie enthalten kein Eingangs-FF und wirken über instanziierbare buffer direkt auf Taktnetze / PLLs.

Die Hersteller bieten FPGAs mit gleicher Anzahl von Logikelementen in unterschiedlichen Gehäusen an. So kann der FPGA mit der passenden Anzahl von Pins eingesetzt werden. Das obere Ende markieren Chips mit über 1000 I/Os, die kleinsten bieten ca. 80 User-I/O. Oft werden nur [[IC-Geh%C3%A4useformen#BGA|BGA]] und [[IC-Geh%C3%A4useformen#QFP|QFP]] Gehäuse (bis ca. 240 Pins) angeboten.

=== Komplexe Funktionsblöcke ===

Neben den einfachen FlipFlops beinhalten FPGAs darüber hinaus komplexe Routing- und Speicherkonfigurationsoptionen innerhalb und außerhalb der logischen Elemente (LEs), die es gestatten, komplexe Schalt- und Rechenstrukturen aufzubauen. Für rechenintensive Designs, z. B. in der Signalverarbeitung, enthalten viele FPGAs '''Multiplizierer''' direkt auf dem Chip, die in einem einzigen Taktzyklus Multiplikationen durchführen können.

Ferner haben FPGAs oft einen von den LEs getrennt verfügbaren '''RAM'''-Bereich integriert, der sich in vielfältiger Weise ansprechen lässt. So können damit Single- oder Dualport-RAMs mit variabler Bitbreite erzeugt werden. Üblich sind mehrere (4 - 30) kleinere Dualport [[Speicher#BRAM | RAM-Blöcke]] von 4 - 16 kbit. Einige Familien besitzen einen größeren internen RAM, andere spezielle FIFO-Blöcke.

Zur Generierung spezieller Takte sind '''PLL'''s (Phase Locked Loop) auf dem FPGA integriert. Einige Hersteller setzen mit dem selben Ziel '''DLL'''s (Delay Locked Loop) ein. Mittels dieser Blöcke können aus einem Taktsignal weitere erzeugt werden. Typisch sind Taktverdopplung oder -vervielfachung. Ebenso kann der Takt geteilt werden oder ein Signal gleicher Frequenz, aber um eine halbe, viertel usw. Periode verschoben erzeugt werden. Typische Anwendungen sind die Ansteuerung von [[Speicher#DDR-RAM | DDR-RAMs]] oder die Kompensation von Laufzeitunterschieden zwischen Takt und mit diesem getakteten Steuersignalen. Meist sind 2 - 8 Taktnetzwerke und PLL/DLLs gleicher Anzahl integriert. Siehe auch [[Taktung FPGA/CPLD]].

=== CPU im FPGA ===

Programmierbare Prozessoren sind auch bei FPGA-Designs immer häufiger anzutreffen. CPUs sind zwar im Allgemeinen langsamer und weniger effizient, als eine vollständige Implementation aus Logik-Primitiven - aber bei komplexen Abläufen auch deutlich einfacher zu entwickeln. Insbesondere bei sequentiellen Aufgaben (Benutzerinterface, komplexe Steueraufgaben etc.) wird man gerne auf eine klassische CPU zurückgreifen.

Manche FPGAs integrieren dazu einen oder mehrere Prozessorkerne (z. B. [[AVR]] bei Atmels FPSLIC oder PowerPC bei Xilinx' Virtex) als ''HardCores'' auf einem IC.

Auf der anderen Seite gibt es auch [[FPGA Soft Core | SoftCores]] (z. B. ARM-Cortex-M1 bei IGLOO-FPGA von [http://www.actel.com ACTEL]), Prozessorkerne die als Quelltext oder als vorsynthetisierte Netzliste vorliegen. In Abhängigkeit von den zur Verfügung stehenden Ressourcen können diese ''SoftCores'' beliebig instanziiert werden. Es gibt eine Vielzahl verschiedener ''SoftCores''.

Teilweise kompatibel zu etablierten Prozessorarchitekturen (MIPS, SPARC, AVR), zum Teil optimiert auf die FPGAs einzelner Hersteller. Auch auf vergleichsweise
kleinen aktuellen FPGAs kann man problemlos eine 32bit-RISC-CPU integrieren.

Als Programmspeicher werden die FPGA-internen [[Speicher#BRAM | RAM-Blöcke]] oder externe [[Speicher]] (SDRAM, SRAM) genutzt. Für einige Prozessorkerne stehen Hochsprachen wie C, C++ etc. zur Verfügung, andere werden in Assembler programmiert.

== Eigenschaften ==

=== Geschwindigkeit ===

Die maximale „Geschwindigkeit“ eines FPGAs ist von der verwendeten Halbleitertechnologie (Prozess, Strukturgrößen), der internen Schaltungstopologie (Komplexität der LEs), Vorhandensein von harten Strukturen und vor allem vom Design abhängig. Dabei sind der sogenannte Datendurchsatz und die rein maximale Systemtaktfrequenz zu unterscheiden. Die erreichbare Taktfrequenz lässt sich ohne detaillierte Kenntnis des Designs nicht abschätzen, möglich sind je nach »Speed Grade« des ICs typischerweise Taktfrequenzen von 300-600 MHz für die Schaltgeschwindigkeit der reinen Logikelemente. Je nach der Anzahl und Komplexität der pro Takt durchzuführenden Operationen ergeben sich dann reale Systemtaktfrequenzen von meist 10-100 MHz für global operierende Einheiten und bis zu 300 MHz für schnelle lokale Module. Maßgeblich ist in wieweit das Design auf Fläche bzw. Geschwindigkeit hin optimiert und vom Tool synthetisiert wurde: Durch das Einbringen von zusätzlichen Registerstufen lassen sich z. B. zeitkritische Pfade entschärfen (Pipelining), sodass die Frequenz des Chips angehoben werden kann und somit der effektive Datendurchsatz erhöht wird, mit dem Nachteil der gesteigerten Latenz durch das Mehr an Takten. Der Datendurchsatz lässt sich darüber hinaus durch die Nutzung paralleler Architekturen verbessern.

Die Systemfrequenz kann-, muss aber nicht der Frequenz entsprechen, mit der Daten zyklisch eingetaktet und verarbeitet werden; zudem sind Schaltungsteile mit unterschiedlichen Taktfrequenzen zu unterscheiden: Mit einem Systemtakt von 20 MHz lassen sich z. B. 18-Bit AD-Wandler auslesen, die so z. B. alle 1 µs neue Daten liefern, die verarbeitet werden müssen. Bei der Nutzung von 5 solchen Wandlern, die sequentiell verarbeitet werden, lägen 5 MHz Datenfrequenz vor. Für andere Schaltungsteile, die z. B. asynchron an die Peripherie andocken, sowie reine »state machines« können Schaltungsteile auf der 2-4 fachen Frequenz betrieben werden.

Generell sind Fläche und Geschwindigkeit konkurrierende Größen, zwischen denen ein Optimum gefunden werden muss. Für die preiswerten FPGA-Serien wie Spartan (Xilinx) und Cyclone (Altera) sind aufgrund technologischer Randbedingungen etwa 10-30% weniger Taktgeschwindigkeit bei gleichem Design zu erwarten als bei den großen Brüdern der Virtex- (Xilinx) bzw. Stratix-Familie (Altera). Es muss mit mehr Verbrauch an Logikelementen und Taktzyklen gerechnet werden (weniger Routingreserven, geringere Zahl von LUT-Eingängen, langsamere Logikelemente). Dafür sind sie sehr preiswert.

Funktionstechnisch identische Chips werden oft in zwei oder mehr Geschwindigkeitsklassen (speed grades) angeboten, die sich meist durch Bauteilselektion bei der Produktion ergeben. Grob kann man ca. 5%-10% höhere Taktung zwischen zwei speed grades erwarten.

== Hersteller ==

Die größten Hersteller von FPGAs sind [http://www.altera.com Altera] und [http://www.xilinx.com Xilinx]. Weitere Hersteller sind [http://www.latticesemi.com/ Lattice], [http://www.actel.com Actel] und [http://www.atmel.com Atmel].

== Anwendung und Programmierung ==

Der Aufbau komplizierter, applikationsnaher Strukturen wird meist durch automatische Routing- und Synthesewerkzeuge erledigt, welche mit einer logischen, funktionellen Beschreibung der Architektur in einer Hardwarebeschreibungssprache wie z. B. VHDL "gefüttert" werden. Die Hardwarebeschreibung in [[VHDL]] gelingt ihrerseits z. B. mit VHDL-generierenden Werkzeugen, mittels derer zuvor Logikstrukturen, hardwarenahe Strukturen, Ablaufdiagramme und Zustandsautomaten formuliert wurden.

Durch die Standardisierung der Architektur einerseits und die Entkoppplung von applikationsorientierter Beschreibung sowie Chip- und Hersteller-spezifischer Synthese andererseits, wird die Hardware quasi als Software gebaut. Dies wiederum schafft alle Optionen der Wiederverwendung und Austausch von "Hardwareteilen". So stehen inzwischen komplett nutzbare Schaltungen wie serielle Bausteine, RAM-Controller und vieles mehr zur Verfügung - teilweis sogar in Form von Open Source Projekten.

== Entwicklungsboards und Starterkits ==
=== Boards für Xilinx-FPGAs ===

{| border="1" class="sortable" id="fpgaevalboards"
|-
! Bezeichn.
! Preis (€)
! FPGA
! RAM (MByte)
! Flash (MByte)
! USB
! Ethernet
! RS-232
! µC
! Eingabe
! sonst.
|-
| [http://www.knjn.com/board_Xylo.html Xylo-L]
| 130
| XC3S500E
| -
| -
| 2.0
| 10base-T
| -
| LPC213x
| -
|
|-
| [http://www.xilinx.com/s3estarter Spartan3e Starter Kit]
| 180
| XC3S500E
| 64 MB DDR-SDRAM
| 16
| (JTAG)
| 10/100
| 2x
| -
| 4 Taster, 1 Drehgeber, 4 Schalter
| Coolrunner CPLD, LCD, 3-Bit VGA, PS/2
|-
| [http://www.digilentinc.com/Products/Detail.cfm?Nav1=Products&Nav2=Programmable&Prod=S3BOARD Digilent Spartan-3]
| 100
| XC3S200 XC3S400 XC3S1000
| 1
| -
| -
| -
| 1x
| -
| 4 Taster, 8 Schalter
| VGA, PS/2, 7seg
|-
| [[Digilent Nexys]]
| 100
| XC3S200/400/1000
| 16
| 4
| 2.0
| -
| -
| -
| 4 Taster, 8 Schalter
| 7seg, Programmierung & Stromversorgung über USB
|-
| [[Digilent Nexys 2]]
| 121
| XC3S500E/1200E
| 16
| 16
| 2.0
| -
| 1x
| Cypress FX2
| 4 Taster, 8 Schalter, 8 LEDs
| 4x7Seg, Programmierung & Stromversorgung über USB oder über Netzteil (5V-15V)
|-
| [http://www.uxibo.de Uxibo]
| 88
| XC2S200E
| -
| -
| 1.1
| -
| -
| -
| 4 Taster, 8 Schalter
| VGA I/O, Videomux, dual PS/2, 7seg, Buzzer, IOs auf Pinleisten, dual-channel FTDI2232C, 48 MHz + prog. Oszillator, Programmierung & Stromversorgung über USB
|-
| [http://www.fpgaz.com/wiki/doku.php?id=fpgaz:usbp:hw FPGAz USBP]
| $135
| XC3S400
| -
| -
| 2.0
| -
| -
| Cypress FX2
| 2 Taster
| 8 LEDs, I2C-EEPROM
|-
| [http://www.cesys.com/fpga_produktmatrix.html USBS6] Cesys
| 399
| XC6SLX16
| 128
| 16
| 2.0
| -
| -
| FX-2
| Drehschalter, Leds.
|115 I/O signale, einstellbarer IO Standard, zweiter USB Port (FT232), WIN 32&64 Bit und LINUX Treiber
|-
| [http://www.cesys.com/fpga/spartan/efm01_de.html EFM 01] Cesys
| 145
| XC3S500E
| -
| 4
| 2.0
| -
| -
| FX-2
| -
| 28 x 44mm, 50 I/O auf 2.54mm Stiftleiste, WIN und LINUX Treiber
|-
| [http://shop.trenz-electronic.de/catalog/product_info.php?products_id=456 Avnet Spartan 3A Evaluation Kit]
| 50
| XC3S400A
| -
| 16
| 2.0
| -
| -
| -
| -
| WIN und LINUX Treiber
|-
| [http://www.ct-lab.de FPGA-Karte aus dem c´t-Lab]
| 92
| XC3S400
| -
| SD-Kartenslot (Bitstream-File wird über µC ins FPGA geladen, Dateiauswahl via Systembus oder Panel oder fest einstellbar)
| via IFP-Karte und Systembus an µC
| via IFP-Karte und Systembus an µC
| via IFP-Karte und Systembus an µC
| ATmega644
| optionales Bedienpanel mit LCD-Display, Drehgeber und Taster
| Bestandteil des Laborsystems c´t-Lab der Zeitschrift c´t.
VGA-Buchse, SD-Kartenslot (u.a. auch zum Laden des FPGA). Preis für FPGA-Platine mit verlöteten SMD-Bauteilen und Teilesatz. Optionale Erweiterungskarten mit schnellen DACs, Eingangskomparator, SRAM, Echtzeituhr, PS/2, RS232 (am FPGA). Optionaler JTAG-Adapter.
http://www.ct-lab.de, http://www.segor.de, http://thoralt.ehecht.com/phpbb
|}

==== Raggedstone 1 - Spartan-3 Development PCI-Karte ====
* Spartan-3 FPGA FG456-Package
* 32 bit, 33 MHz, 3.3/5V PCI interface
* 4Mbit Flash Memory
* 16KBit serielles EEprom
* 4 x 7 Segment Anzeigen LED, abnehmbar
* LM75 Temperatursensor
* viele DIL-Header für eigene Erweiterungen, verschiedene werden auch durch Hersteller angeboten
* 2 Drucktaster
* Mit dem PCI-Interface kann bei entsprechender Programmierung des FPGA auf den PCI-Bus eines Hostrechners zugegriffen werden, Beispieldesign unter http://projects.varxec.net/raggedstone1
* Webseite: http://www.enterpoint.co.uk/moelbryn/raggedstone1.html
* Preis mit XC3S400 ca. €165,- (inkl MwSt.)
* Preis mit XC3S1500 ca. €265,- (inkl. MwSt.)

==== LiveDesign Evaluation Board von Altium ====
* Kompatibel mit den LiveDesign-fähigen Entwicklungstools von Altium
* Die Altium-Software nutzt direkt die Programmier-Software des jeweiligen FPGA-Herstellers
* Xilinx XC3S1000-4FG456C, wahlweise aber auch mit Altera EP1C12F324C8 (s.u.)
* Mit Flachbandkabel für PC-Verbindung (Druckerport) sowie weiteren Kabeln und Verbindern, USB-Dongle (braucht man für NB2 und NB3000) ebenso verfügbar
* Peripherie: LEDs, Dip-Schalter, 6-stellige Siebensegmentanzeige, Taster, Stereo-DAC, zwei 256K x 16 RAMs
* ''kein'' on-board Flash RAM für FPGA-Konfiguration, diese muss nach dem Einschalten neu geladen werden
* Ports: PS2-Maus & -Tastatur, RS232, VGA (512 Farben), 2x18 IO-Pins für allgemeine Zwecke
* Board NB1 (LiveDesign), nicht mehr neu erhältlich; manchmal beim großen Versteigerer zu haben für ca. 100 EUR
* Board NB2, immer noch aktuell, mehrere Erweiterungskarten verfügbar, Kosten ca. 1.800 EUR
* Board NB3000, sehr gut ausgestattetes, kompaktes Board, Kosten ca. 340 EUR ~ 400 EUR, je nach FPGA-Familie. Erhältlich mit Altera, Xilinx oder Lattice-Chip
* NB3000 enthält sog "SoftDesign" Lizenz für Altium, gültig 1 Jahr. Sehr große Software-Bibliothek, inkl. verschiedener 8Bit- und einem 32Bit-Softcore. Per JTAG auch eigene Boards programmierbar

==== Trenz-Electronic ====
http://www.trenz-electronic.de/products.html
* Kleines FPGA Board mit ucLinux und Virtex-II PowerPC, optional: ucLinux und Microblaze Softprozessor im Spartan-3 FPGA
* Pal/Gal kompatible FPGA und CPLD Module
* Spartan-3 FPGA Mikromodul mit 200 bis 1000 Systemgattern
* Spartan-3A DSP Mikromodul mit bis zu 18000 / 34000 Systemgattern
* Spartan-6 DSP mit bis zu 34000 Gattern

==== Simple-Solutions ====
http://www.simple-solutions.de/de/products/index.php
Mehrere Spartan3-FPGAs - Boards

==== CESYS ====
http://www.cesys.com

Cesys ist Entwickler und Hersteller von FPGA-boards mit Sitz in Deutschland.

* Verschiedene FPGA boards mit USB, PCI und PCIe Schnittstellen im Lieferprogramm
* Je nach Ausführung mit Spartan-2/3/3E/6, Virtex2/2PRO/4
* verschiedene Speicherkonfigurationen (SO-DIMM, SRAM, SDRAM, DDR2)
* Auftragsentwicklungen nach Kundenwunsch möglich

==== ZTEX ====

http://www.ztex.de/

ZTEX ist Entwickler und Hersteller von FPGA-boards mit Sitz in Deutschland.

* Xilinx Spartan 6 FPGA, High-Speed USB interface, Cypress CY7C68013A EZ-USB Microcontroller, 90 GPIO ports, 15 SIO ports, 64 MByte DDR SDRAM, microSD socket, EEPROM.
* Xilinx Spartan 3 XC3S400 FPGA, High-Speed (480 MBit/s) USB interface, Cypress CY7C68013A EZ-USB Microcontroller, 60 GPIO ports, 20 SIO ports, EEPROM und optionally mit Flash memory
* High-Speed (480 MBit/s) USB interface, Cypress CY7C68013A/14A EZ-USB Microcontroller, microSD socket mit bis zu 2GB Flash memory, 36 GPIO ports, 28 SIO ports, EEPROM und on-board Schaltregler

* Open Source Firmware Kit zum Programmieren

=== Boards für Altera-FPGAs ===

==== Altera Cyclone II 2C20 ====
* Altera Cyclone II EP2C20F484C7N FPGA mit 20000 LEs
* USB-BlasterTM download cable (integriert)
* EPCS4 serial configuration Flash
* 8-Mbyte SDRAM, 512-Kb SRAM, 4-Mbyte flash
* externer SMA - Clock-Eingang
* 24-bit Audio coder/decoder (CODEC)
* 10 Schalter, 4 Druckknöpfe inkl Reset
* 4St. 7-Segmentanzeigen, 10 rote LEDs + 8 grüne LEDs
* VGA, RS-232, and PS/2 Stecker
* Zwei 40-pin expansion ports + SD/MMC socket
* USB-Kabel, externes Steckernetztteil, CD-Rom
* Reference designs
* Qartus II Web Edition + NIOS II Web Edition
* http://www.altera.com/products/devkits/altera/kit-cyc2-2C20N.html
* Listenpreis $150,-

==== Hpe Mini AC II - Cyclone II board von Gleichmann Research ====
* Altera Cyclone II EP2C35 FPGA (speed grade 6)
* Mit reprogrammierbarem Flash zur automatischen FPGA-Konfiguration
* 25 pin SUB-D connector (parallel) für direktes FPGA-Programmieren
* RS232 (9 pin SUB-D)
* VGA (15 pin SUB-D) mit 64 möglichen Farben
* Ethernet 10/100 Mbit/s, full/half duplex
* 1 USB 2.0 compatible full-speed target connector
* 3 USB 2.0 compatible full-speed host connectors
* Santa Cruz connector mit 40 nutzbaren I/Os
* Audio interface (line-in and line-out) mit CODEC
* SODIMM144 Sockel für (SDRAM) 256MB
* SDRAM-Speichersockel mit nur 32-Bit angebunden, die Hälfte des Speichers bleibt nicht nutzbar
* 25 MHz oscillator
* Prototyping area, Lötfläche
* 8 LEDs, grün, blau, 3x4 key matrix, 4-bit DIP switch
* LCD connector, 2-character 7-segment display
* Single step Knopf und Reset Knopf
* Parallelportkabel für PC
* Beispieldesign, Testprogramme, Datenblätter
* LEON3-CPU Design inkl. Source Code, Quartus IDE, SnapGear Linux
* Nicht mehr im Programm - war ca 399,-

==== Altera DE2 - Development and Education Board V2 ====
* Altera Cyclone II 2C35 FPGA mit 35000 LEs
* Altera Serial Configuration devices (EPCS16) für Cyclone II 2C35
* USB Blaster board zur Programmierung und User API
* 8 MB SDRAM, 4 MB Flash Memory, 512KB SRAM
* SD Card Sockel, RS-232, Ethernet, 10-bit VGA, 24-bit Audio CODEC
* TV Decoder (NTSC/PAL), IrDA, USB (Host + Slave)
* Viele Besipiel mit Source Code wie TV, SD Music Player)
* [http://www.fh-wedel.de/fileadmin/mitarbeiter/bos/files/VHDL/VhdlEinfuehrung.pdf Kleines aber nettes Tutorial zum Altera DE2 Dev. Board]
* Listenpreis US $495,-

==== Sasco Holz PABLO ====
* Altera Cyclone II EP2C20F484C6N
* EPCS16SI16N serial configuration Flash
* 2x32 MByte mDDR-333 RAM (unabhängige Daten-/Adressbusse)
* externer SMA-Clock-Eingang
* 25 MHz Oszillator
* 3 Taster, kleiner Joystick, 4 LEDs
* AD7843 SPI touch controller
* RS-232
* 2x Santa Cruz connector
* 60-Pin TFT, 14-Pin GPIO Wannenstecker
* 10-Pin JTAG & 10-Pin Passiv Seriell Wannenstecker
* Netzteil, CD-ROM
* [http://web.archive.org/web/20080907191153/http://www.sascoholz.com/designsupport/solutions/pablo http://www.sascoholz.com/designsupport/solutions/pablo]
* kein Programmierkabel, kein Kaltgerätekabel
* Restmengen hin und wieder günstig beim großen E

==== Altera DE2-115 - Development and Education Board V3 ====
* Altera Cyclone IV FPGA mit 115000 LEs
* Altera Serial Configuration device EPCS64
* USB Blaster zur Programmierung und für User API
* User-Applikations und Steuerungssoftware
* 128 MB SDRAM, 8 MB Flash Memory, 2 MB SRAM
* SD Card Sockel, RS-232, 2x GBit-Ethernet,
* 8-bit VGA, 24-bit Audio CODEC
* TV Decoder (NTSC/PAL), IrDA, USB (Host + Slave)
* 18 Schalter, 4 Drucktasten, PS2-Maus/Tastatur-Anschluss
* 27 LEDs, 16x2-LCD-Display, 8 7-Segment-Anzeigen
* IR-Fernsteuerung
* HSMC-Stecker
* Viele Besipiel mit Source Code wie TV, SD Music Player, Audiorecorder
* Listenpreis US $595,- (academic = $299,-)

==== Cyclone III Embedded Development Kit ====
* Altera Cyclone III EP3C25 FPGA
* 640x480 LCD Display mit Touchscreen-Function
* MiniSD-Card Sockel
* Audio Interface ADC CODEC
* 10/100 Mbit Fast Ethernet Schnittstelle
* FPGA-Konfiguration über USB
* NIOS II EVAL Lizenz
* IP LIB Altera
* Listenpreis US $495,- über Altera Webseite
* Bei EBV €349,- inkl. MwSt.

==== DE0-Nano ====
* Cyclone IV EP4CE22F17C6N
* 32MB SDRAM
* 2Kb I2C-EEPROM
* 3-Achsen-Beschleunigungssensor ADXL345 (Analog Devices)
* AD-Wandler ADC128S022 (National Semiconductor)
* Zwei 40-Pin-GPIO-Header mit 72 verfügbaren IO-Pins
* On-Board-USB-Blaster zum Programmieren/Debuggen
* Herstellerpreis (www.terasic.com.tw): $79,- (für Studenten: $59,-)
* erhältlich bei Digikey

=== Boards für Lattice-FPGAs ===
==== www.hardware-design.de ====
* bietet verschiedene einfache Boards mit Lattice-Bausteinen an
* FPGA-Board mit XP2-17/XP2-8/XP2-5 -> 113,- bis 101,- Euro
* CPLD-Boards u.a. mit MachXO640 -> 89,- Euro

== Debugging-Hilfen ==
Gerade beim [[Debugging]] größerer FPGA-Designs ist es oft notwendig, auf interne Signale und Busse zuzugreifen, die aus routing- oder Platzgründen nicht an Pins des FPGAs gelegt - und mit konventionellen Analysatoren beobachtet werden können. Nebst den einschlägigen Tools der Hersteller, welche Signal probing über JTAG gestatten (z. B. ChipsScope und SignalTap), werden in FPGAs oft mehr oder weniger komplexe [[Logic Analyzer]] integriert, welche die internen Signale in vielfältiger Weise aufzeichnen. Diese werden in Block-RAMs oder FIFOs gespeichert und durch externe Master ausgelesen. Hier kommen auf der Platine befindliche MCUs oder fremd zugreifende FPGAs / CPUs in Betracht, welche über unterschiedliche Kommunikationsverbindungen (seriell, parallel, LVDS) angeschlossen sind. Dazu werden in die FPGAs entsprechende Cores und state machines instanziiert und mit Software auf PC-Seite ausgelesen.

Nachfolgend einige Beispiele:

===Automatisch instanziierte Logic Analyzer ===
Praktisch alle FPGA-Hersteller bieten die Möglichkeit, mit einem internen Tool ein script zu erzeugen, welches der Synthese übergeben wird, welche dann anhand von Signallisten und diversen Randbedingungen einen LA automatisiert aufbaut und verdrahtet. SampleZeit und -Takt sind dabei genauso einstellbar, wie RAM-Tiefe und -Breite. Die so generierten Datenpakete können dann mittels JTAG ausgelesen werden. Im Continous-Betrieb können so sogar permanente Datenausgaben wie bei einem Oszilloskop vorgenommen werden.

===Proprietärer serieller Logic Analyzer ===

Die einfachste Möglichkeit ist die direkte Instanziierung eines Blockrams als FIFO mit "breitem" Busanschluss: Linksseitig besitzt das FIFO eine Breite von z. B. 256 Bit (Xilinx-Rams lassen sich ohne weitere Umbeschaltung über den Wizzard mit bis zu 1024 Bits deklarieren und nutzen). Rechtsseitig einen 16- oder 32 Bit breiten Busanschluss für einen Prozessor bzw Parallelinterface oder einen 1 Bit breiten Anschluss für ein serielles streaming interface. Mit einem FiFo-enable können die zu sampelnden Zeiten (Busphasen) festgelegt werden, z. B. anhand eines Kriteriums wie die Erfüllung einer bestimmten mathematischen Bedingung, die man in VHDL formuliert, oder es wird einfach ein Trigger gesetzt. Solange das FiFo nicht voll ist, kann geschrieben werden, was durch die interne FiFo-Verwaltung selbst bereits komplett geregelt wird.

Beim einfachen seriellen Logic Analyzer benötigt man nur noch einen kleinen Core, der permanent das FiFo liest, und den seriellen Overhead (Startbit, Stoppbit, Parity und gfs CRC) hinzufügt. Mit einem einfach Pegelwandler kann so ein PC direkt angeschlossen werden.

Auch denkbar ist die Anbindung an ein fremdes FPGA-board mit viel Speicher über (LV-)DS-Kommunikation. In komplexeren Systemen wird ein CAN- oder USB-Core eingesetzt.

Wenn mittels des Kriteriums nur ganz bestimmte kritische Phasen herausgesampelt werden (z. B. das Auftauchen eines bestimmten Rechenfehlers im FPGA) und so das Datenaufkommen je Zeiteinheit über längere Zeit betrachtet eher gering ist, kann bei geeignetem Datendurchsatz in Echtzeit dauerhaft mitprotokolliert werden.

=== BusProbe, der Debugging Core von abaxor engineering ===
Mit der BusProbe kann der Entwickler den Signalfluss im FPGA-Design auch über einen längeren Zeitraum überwachen und am PC aufzeichnen. Der Core verarbeitet an jedem Eingang einen kompletten Bus.

Die Daten werden gemultiplext zum PC geschickt und dort per Software demultiplext. Im PC erfolgt auch die Auswertung mit beliebigen Analyse-Tools.

Gegenüber dem Betriebssystem verhält sich die BusProbe wie eine Festplatte, von der die Daten mit gewöhnlichen Zugriffen gelesen werden können.

* Streaming der Daten zum PC mit mehr als 20 MByte/s
* keine Treiber im PC da Nutzung von Standardschnittstellen (USB oder IDE)
* Hot-Plugging
* Visualisierung mit beliebigen Programmen
* geringer Logikaufwand

[http://www.abaxor.de/produkte.html abaxor.de-Webseite]

=== open source Logikanalysator von sump.org ===
Ein einfacher, übersichtlicher Logikanalysator findet sich auf sump.org. Er liegt im Quelltext vor wird mit ins Design einsynthetisiert. Als Speicher dient wahlweise SRAM oder internes RAM. Es können 32 Kanäle mit 100 MHz (oder weniger) gesampelt werden. Die Bediensoftware läuft platformunabhängig unter Java und benötigt eine serielle Schnittstelle (auch über USB-seriell Wandler) zum Core.

[http://de.sump.org/projects/analyzer/ sump.org-Webseite]

== Siehe auch ==
* [[Hardwarebeschreibungssprachen]]
* [[Reset für FPGA/CPLD]]
* [[Taktung FPGA/CPLD]]
* Projekt [[Audio-DSP mit Spartan 3-FPGA]]
* Projekt [[FPGA Lab]]

== Weblinks ==
* [http://www.fpga4fun.com/index.html FPGA4Fun] - FPGA-Projekte, größtenteils mit Altera und Verilog
* [http://video.google.com/videoplay?docid=-4969729965240981475 Ein Vortrag, auf Englisch: General Purpose, Low Power Supercomputing Using Reconfiguration Logic]
* http://www.opencores.org - FPGA-Projekte, Opensource, jeder kann seine Eigenen einstellen und an anderen mitarbeiten. U.a. gibt es verschiedene CPUs für FPGAs.
* [http://members.optushome.com.au/jekent/FPGA.htm John's FPGA Page]
* [http://www.embedded.com/columns/whatsnew/197003073 More about designing with embedded FPGAs] by Bernard Cole, Embedded.com

[[Category:FPGA und Co| ]]

Taktung FPGA/CPLD

2011-08-25T10:50:50Z

Freiburger: /* Clock Skew */

== Einleitung ==

Von den drei Signalgruppen

* interne Signale
* IO Signale
* Takt (Clock)

ist letztere die mit den höchsten Anforderungen an Signalqualität und Laufzeit. Fehler im Taktnetzwerk führen zu ungewolltem, ja oft ''katastrophalem'' Verhalten der Schaltung. Um dies zu vermeiden sind besondere Aufbauregeln und Komponenten für die Taktverteilung in digitalen ICs entwickelt worden.

== Grundanforderungen Taktnetzwerk ==
Der Takt muss möglichst störungsfrei an alle getakteten Bauelemente (FlipFlops, RAMs) im IC geführt werden. Das Taktnetzwerk muss damit sehr viele Gatter-Eingänge treiben (einige Dutzend bis einige Hundertausend!). Dazu wird ein spezieller Takttreiber genutzt (Xilinx: BUFG). Die Laufzeit vom Eingang des Takttreibers zu jedem Endpunkt des Netzes muss gleich sein. Nur so ist gewährleistet, dass alle FlipFlops zum gleichen Zeitpunkt schalten und die Synchronität gewährleistet ist.

Der Laufzeitunterschied zwischen verschiedenen Endpunkten des Taktnetzes wird Skew genannt und muss sehr klein gehalten werden (bei modernen Digitalschaltkreisen kleiner 100 ps). Dazu wird das Taktnetzwerk als Baumstruktur gestaltet (gleiche Länge von der Baumwurzel zu jeder Astspitze). Man nennt diese Schaltungstechnik "Clock Tree".

[[Bild:clock_tree.png | 320px]]

In fast jeder Digitalschaltung kommt es nun vor, dass verschiedene Bereiche nicht bei jedem Takt eine Aktion ausführen sollen. Einige laufen sogar mit einer erheblich geringeren Taktrate als der Rest der Schaltung. Dazu muss aus dem relativ schnellen Systemtakt ein langsamer Takt gewonnen werden. Was auf den ersten Blick recht einfach aussieht, wird im Detail oft falsch gemacht.

== Geschaltete Takte (Gated Clock)==

Dieser Begriff bezieht sich auf geschaltete, also unterbrochene (engl. "gate"), Taktleitungen. Dies kann durch die Verwendung von:

*'''Multiplexern''' (Auswahl zwischen Taktquelle 1 und 2)
oder
*'''kombinatorischer Logik''' (Schaltungsteile werden unter bestimmten Bedingungen vom Takt getrennt)
geschehen.

===Taktmultiplexer===
Falls ein völliges Abschalten des Taktes wirklich erforderlich ist, z. B. um den Leistungsbedarf zeitweilig zu drosseln, sollte der Takttreiber selbst abgeschaltet werden. Bei Xilinx würde man statt eines BUFG einen BUFGMUX einsetzen. Dieser garantiert durch seinen speziellen Aufbau, daß während des Umschaltens keine [[Glitch]]es entstehen.

===Kombinatorik im Taktpfad===
Ein solches Design ist aus zwei Gründen problematisch:
* es entstehen neben den gewünschten Schaltflanken zusätzliche, ultrakurze Flanken (->Glitches)
* der langsame Takt hat eine Phasenverschiebung zum schnellen Takt (-> Skew).

Im ersten Fall können durch die Glitches unerwünschte Schaltaktivitäten an FlipFlops in folgenden Schaltungsteilen ausgelöst werden. Das ist fatal! Schon deshalb ist diese Variante nicht brauchbar. Sie wurde dennoch oft in der Vergangenheit angewendet, weil die relativ langsamen ICs die Glitches gefiltert bzw. ignoriert haben. Doch heute sind CPLDs und FPGAs extrem schnell, dass man mit dieser Methode schnell scheitert.

Im zweiten Fall erfolgt durch Skew eine Verschiebung der Schaltzeiten im langsam getakteten Schaltungsteil, die weniger Zeitreserve für Signale lässt, die aus dem langsamen Schaltungsteil wieder in den schnellen Schaltungsteil übergeben werden sollen. In der anderen Richtung, vom schnellen zum langsamen Schaltungsteil, kommt es gar zu sog. Race-Conditions, wobei die Daten vom schnellen Schaltungsteil eher an den FlipFlops des langsamen Schaltungsteils ankommen als der langsame Takt! Damit läuft ein Design "komisch" weil scheinbar ein Takt fehlt. Das ist alles andere als zuverlässig und akzeptabel.

=== Derived Clock ===

Eine geringfügige Verbesserung des Gated Clock erreicht man durch das Anfügen eines FlipFlops hinter den kombinatorischen Dekoder. Durch diese Zwischenspeicherung wird der Takt zumindest frei von Glitches. Wenn im FPGA/CPLD nur ein langsamer Takt gebraucht wird, oder der langsame Schaltungsteil keine logische Verbindung zum schnellen Schaltungsteil hat, dann ist diese Lösung akzeptabel und sicher. Wenn jedoch zwischen dem langsamen Schaltungsteil und schnellen Schaltungsteil Daten oder Steuersignale ausgetauscht werden, dann muss man zu einer anderen Entwurfsmethode greifen.

== Clock Enable ==
Jedes FlipFlop in FPGAs/CPLDs hat einen synchronen Steuereingang namens CE (Clock Enable). Damit kann man festlegen, ob das FlipFlop bei der nächsten Taktflanke neue Daten speichern oder die alten behalten soll. Da es sich um einen synchronen Eingang handelt, ist es vollkommen unkritisch, wenn diese Signal Glitches enthält. Es muss nur im Zeitraum beginnend kurz vor der Taktflanke (Setup Time, Aufbauzeit) bis kurz danach (Hold Time, Haltezeit) stabil anliegen. Eine Verschiebung dieses Signals zum Takt ist auch unkritisch, denn jedes normale Steuersignal ist phasenverschoben zum Takt (Schaltzeit der FlipFlops, Durchlaufzeit der Logik, Laufzeit der Verdrahtung (Routing)). Das CE-Signal kann von der Entwurfssoftware wie ein normales Steuersignal behandelt werden und vereinfacht damit erheblich die automatische Analyse der maximalen Schaltfreqeunz (Timing Analyses).

== Beispiele ==
Im nachfolgenden Bild sind alle drei Typen von Takt kurz skizziert. Der schnelle Takt treibt einen 4Bit Zähler (CNT1). Dessen Ausgänge werden über eine UND-Gatter (Gate1) kombinatorisch verknüpft. Der Ausgang des UND-Gatters ist nur dann HIGH, wenn alle Eingänge HIGH sind. Das ist nur einmal alle 16 Takte der Fall, wenn der Zählerstand binär 1111 erreicht ist. Dieses Signal als Takt zu verwenden wäre sträflich, denn es ist ein Gated Clock. Wenn er jedoch noch einmal mittels FlipFlop (FF1) zwischengespeichert wird ist es ein Derived Clock. Der beste und sinnvollste Weg ist jedoch die Verwendung des CE-Eingangs der FlipFlops (FF2) wie es ganz unten im Bild dargestellt ist.

[[bild:clock_types.png | thumb| left | 640px | verschiedene Taktteiler]]
{{clear}}

== Umsetzung in VHDL ==

<vhdl>
-- Die Verwendung von "Clock Enable" in VHDL
-- die Signale clk und ce sind hier natürlich nur Beispiele
-- es kann dafür jeder beliebige Signalname verwendet werden

-- Das hier muss in die Signaldeklaration zwischen
-- achitecture ... und begin

constant cnt_div: integer:=16; -- Teilerverhältnis
signal cnt: integer range 0 to cnt_div-1; -- Zähler für Teiler
signal ce: std_logic;

-- die Prozesse logischerweise nach begin der Achritecture

-- Prozess mit langsamen Clock Enable

process(clk)
begin
if rising_edge(clk) then
if ce='1' then

-- Aktionen hier einfügen, welche mit langsamen Takt laufen

end if;
end if;
end process;

-- Clock Enable Generator

process(clk)
begin
if rising_edge(clk) then
if cnt=cnt_div-1 then
ce <= '1';
cnt <= 0;
else
ce <= '0';
cnt <= cnt +1 ;
end if;
end if;
end process;

</vhdl>

== Clock Skew ==
Mithilfe der clock skew Einstellung kann ein Synthesewerkzeug angewiesen werden, den Zeitpunkt der Taktflanke entsprechend den Erfordernissen der Schaltungsverzögerungen einzustellen. Dies schafft mehr Reserven.

[[Category:FPGA und Co]]

== Phase Shift==
Innerhalb der FPGA-PLLs können mehrere Takte von demselben Eingangstakt abgeleitet werden, die eine feste Verschiebung aufweisen.

Diskussion:MSP430

2011-08-25T10:47:10Z

Freiburger:

Anmerkung 13.07.2011: die freie Version von CCE ist hinter dem Link nicht mehr verfügbar. Bitte verifizieren! --[[Spezial:Beiträge/92.76.10.126|92.76.10.126]] 10:05, 13. Jul. 2011 (UTC)

=Kommerzielle Compiler für MSP430=
Ist der mit dem Code Composer nicht programmierbar?

Diskussion:VHDL

2011-08-25T10:43:42Z

Freiburger:

=Programmiersprache=
Warum wird zwische Programmiersprache und Beschreibungssprache unterschieden, so als seien das zwei Anwendungen?

FPGA

2011-08-25T10:40:15Z

Freiburger: /* I/O Anschlüsse */ Takte

FPGA ist die Abkürzung für "'''F'''ield '''P'''rogrammable '''G'''ate '''A'''rray".

== Aufbau ==

=== Grundelemente ===

Ein FPGA besteht, ähnlich wie ein [[CPLD]], aus vielen Logikelementen, hauptsächlich [[FlipFlop]]s (FF) und davor geschalteten Logikelementen. Diese Logikelemente sind entweder Verschaltungen verschiedener Logikgatter (Actel) oder aber kleine LUTs (LUT = Lookup-Table), die über elektronische "Schalter" entsprechend der vom Entwickler gewünschten Funktion miteinander verknüpft werden können.

Eine '''LUT''' kann eine beliebige kombinatorische Funktion (NAND, XOR, AND, Multiplexer etc.) aus den Eingangssignalen realisieren. Die Anzahl der Eingangssignale pro LUT ist vom FPGA abhängig und liegt meist zwischen 4 und 6. Für Funktionen die mehr Eingänge erfordern als eine einzige LUT besitzt (hohes Fan-In), werden mehrere LUTs direkt miteinander verschaltet. Die [[FlipFlop]]s dienen dazu, Signalwerte zwischenzuspeichern, um sie im nächsten Takt weiterverarbeiten zu können. Das Verhältnis zwischen der Anzahl der LUTs und der Anzahl der Flip-Flops ist meist 1:1. Aktuelle FPGAs bestehen aus bis zu einigen zehntausend Logikelementen.

Die logischen Schalter und Speicher sind in den meisten FPGAs durch [[Speicher#SRAM | SRAM]]-Speicherzellen realisiert, welche beim Bootprozess passend geladen werden. Das Laden dieser Konfigurationsdaten bzw. Verknüpfungsregeln geschieht dabei in der Regel aus einem speziellen [[Speicher#Flash | Flash-ROM]]-Baustein heraus. Es kann aber auch ein Mikrocontroller benutzt werden. Die meisten FPGAs bieten daher für diesen Konfigurationsvorgang mehrere Modi an (seriell, parallel, Master/Slave). Da die SRAM-Zellen ihren Inhalt beim Abschalten der Versorgungsspannung verlieren, muss ein SRAM-basierter FPGA bei jedem Einschalten neu konfiguriert werden. Daher benötigt ein solcher FPGA einige Millisekunden bis zur Betriebsbereitschaft.

Eine FPGA-Familie beinhaltet Typen mit unterschiedlicher Anzahl und Komplexität von Logikzellen. So enthält ein Spartan3-1000 ca. 2,5 mal so viel Logik (FF, LUTs) wie ein Spartan3-400.

FPGAs mit nichtflüchtigem Speicher basieren auf [[Speicher#EEPROM | EEPROM]]-, [[Speicher#Flash | Flash]]-Speicher (einige Familien von Lattice und Actel) oder AntiFuse- Technologie (Actel). Die sogenannten AntiFuse FPGAs sind nur einmalig programmierbar.

=== I/O Anschlüsse ===

FPGAs unterstützen als universal einsetzbare Digital-ICs eine Vielzahl von Signalstandards. Üblich sind verschiedene TTL-Pegel (5V, 3,3V, 2,5V), differentielle Signalstandards (LVDS, GTL) und im Hochpreisbereich serielle Hochgeschwindigkeitsstandards mit bis zu 28 Gbit/s. Oftmals sind weitere Eigenschaften wie Treiberstärke und Flankensteilheit für jeden benutzerdefinierbaren Anschluss (User-IO) einstellbar. Meist sind die Pins zu Bänken mit gleichem I/O Standard zusammengefasst. Innerhalb einer solchen Bank arbeiten alle Pins im gleichen I/O Standard und mit der selben I/O Spannung.

Bei komplexeren FPGAs sind die Ein- und Ausgänge mit Delaygliedern versehen, die ein Anpassen des Timings bei Bussen wie z.B. schnellen Speichern ermöglichen.

Ebenso können je nach Hersteller und Typ interne Pull-Up und Pull-Down-Widerstände sowie Terminationswiderstände zugeschaltet werden, [[Wellenwiderstand | Terminierung]] wird ebenfalls unterstützt. Zudem befinden sich hinter vielen IO-Pads sog. [[Boundary_scan| Boundary Scan]] Zellen.

Das I/O Verhalten wird zusammen mit vielen anderen Parametern in einer Datei festgelegt (Xilinx *.ucf, Altera *.acf, Lattice *.lpf). Alternativ können diese auch als Syntheseoption im Kommentarfeld des [[Verilog]]/[[VHDL]] Codes mit angegeben werden.

[[Ausgangsstufen Logik-ICs | Tristatebuffer]] werden implizit über VHDL definiert, indem einem Ausgang zeitabhängig der Zustand "Z" zugewiesen wird. Alternativ kann er explizit als Komponente eingefügt werden.

Einige Pins übernehmen besondere Funktionen und sind somit vom Anwender nicht uneingeschränkt oder z.T. auch gar nicht nutzbar. Dazu zählen neben der [[JTAG]]-Schnittstelle z. B. die Pins zum Einlesen der Konfigurationsdaten.

Ferner sind einige wenige Pins (2 - 8) zum Einspeisen des Taktes für das Design vorgesehen. Für schnelle Schaltungen sollten diese reservierten Pins benutzt werden. Sie enthalten kein Eingangs-FF und wirken über instanziierbare buffer direkt auf Taktnetze / PLLs.

Die Hersteller bieten FPGAs mit gleicher Anzahl von Logikelementen in unterschiedlichen Gehäusen an. So kann der FPGA mit der passenden Anzahl von Pins eingesetzt werden. Das obere Ende markieren Chips mit über 1000 I/Os, die kleinsten bieten ca. 80 User-I/O. Oft werden nur [[IC-Geh%C3%A4useformen#BGA|BGA]] und [[IC-Geh%C3%A4useformen#QFP|QFP]] Gehäuse (bis ca. 240 Pins) angeboten.

=== Komplexe Funktionsblöcke ===

Neben den einfachen FlipFlops beinhalten FPGAs darüber hinaus komplexe Routing- und Speicherkonfigurationsoptionen innerhalb und außerhalb der logischen Elemente (LEs), die es gestatten, komplexe Schalt- und Rechenstrukturen aufzubauen. Für rechenintensive Designs, z. B. in der Signalverarbeitung, enthalten viele FPGAs '''Multiplizierer''' direkt auf dem Chip, die in einem einzigen Taktzyklus Multiplikationen durchführen können.

Ferner haben FPGAs oft einen von den LEs getrennt verfügbaren '''RAM'''-Bereich integriert, der sich in vielfältiger Weise ansprechen lässt. So können damit Single- oder Dualport-RAMs mit variabler Bitbreite erzeugt werden. Üblich sind mehrere (4 - 30) kleinere Dualport [[Speicher#BRAM | RAM-Blöcke]] von 4 - 16 kbit. Einige Familien besitzen einen größeren internen RAM, andere spezielle FIFO-Blöcke.

Zur Generierung spezieller Takte sind '''PLL'''s (Phase Locked Loop) auf dem FPGA integriert. Einige Hersteller setzen mit dem selben Ziel '''DLL'''s (Delay Locked Loop) ein. Mittels dieser Blöcke können aus einem Taktsignal weitere erzeugt werden. Typisch sind Taktverdopplung oder -vervielfachung. Ebenso kann der Takt geteilt werden oder ein Signal gleicher Frequenz, aber um eine halbe, viertel usw. Periode verschoben erzeugt werden. Typische Anwendungen sind die Ansteuerung von [[Speicher#DDR-RAM | DDR-RAMs]] oder die Kompensation von Laufzeitunterschieden zwischen Takt und mit diesem getakteten Steuersignalen. Meist sind 2 - 8 Taktnetzwerke und PLL/DLLs gleicher Anzahl integriert. Siehe auch [[Taktung FPGA/CPLD]].

=== CPU im FPGA ===

Programmierbare Prozessoren sind auch bei FPGA-Designs immer häufiger anzutreffen. CPUs sind zwar im Allgemeinen langsamer und weniger effizient, als eine vollständige Implementation aus Logik-Primitiven - aber bei komplexen Abläufen auch deutlich einfacher zu entwickeln. Insbesondere bei sequentiellen Aufgaben (Benutzerinterface, komplexe Steueraufgaben etc.) wird man gerne auf eine klassische CPU zurückgreifen.

Manche FPGAs integrieren dazu einen oder mehrere Prozessorkerne (z. B. [[AVR]] bei Atmels FPSLIC oder PowerPC bei Xilinx' Virtex) als ''HardCores'' auf einem IC.

Auf der anderen Seite gibt es auch [[FPGA Soft Core | SoftCores]] (z. B. ARM-Cortex-M1 bei IGLOO-FPGA von [http://www.actel.com ACTEL]), Prozessorkerne die als Quelltext oder als vorsynthetisierte Netzliste vorliegen. In Abhängigkeit von den zur Verfügung stehenden Ressourcen können diese ''SoftCores'' beliebig instanziiert werden. Es gibt eine Vielzahl verschiedener ''SoftCores''.

Teilweise kompatibel zu etablierten Prozessorarchitekturen (MIPS, SPARC, AVR), zum Teil optimiert auf die FPGAs einzelner Hersteller. Auch auf vergleichsweise
kleinen aktuellen FPGAs kann man problemlos eine 32bit-RISC-CPU integrieren.

Als Programmspeicher werden die FPGA-internen [[Speicher#BRAM | RAM-Blöcke]] oder externe [[Speicher]] (SDRAM, SRAM) genutzt. Für einige Prozessorkerne stehen Hochsprachen wie C, C++ etc. zur Verfügung, andere werden in Assembler programmiert.

== Eigenschaften ==

=== Geschwindigkeit ===

Die maximale „Geschwindigkeit“ eines FPGAs ist von der verwendeten Halbleitertechnologie (Prozess, Strukturgrößen), der internen Schaltungstopologie (Komplexität der LEs), Vorhandensein von harten Strukturen und vor allem vom Design abhängig. Dabei sind der sogenannte Datendurchsatz und die rein maximale Systemtaktfrequenz zu unterscheiden. Die erreichbare Taktfrequenz lässt sich ohne detaillierte Kenntnis des Designs nicht abschätzen, möglich sind je nach »Speed Grade« des ICs typischerweise Taktfrequenzen von 300-600 MHz für die Schaltgeschwindigkeit der reinen Logikelemente. Je nach der Anzahl und Komplexität der pro Takt durchzuführenden Operationen ergeben sich dann reale Systemtaktfrequenzen von meist 10-100 MHz für global operierende Einheiten und bis zu 300 MHz für schnelle lokale Module. Maßgeblich ist in wieweit das Design auf Fläche bzw. Geschwindigkeit hin optimiert und vom Tool synthetisiert wurde: Durch das Einbringen von zusätzlichen Registerstufen lassen sich z. B. zeitkritische Pfade entschärfen (Pipelining), sodass die Frequenz des Chips angehoben werden kann und somit der effektive Datendurchsatz erhöht wird, mit dem Nachteil der gesteigerten Latenz durch das Mehr an Takten. Der Datendurchsatz lässt sich darüber hinaus durch die Nutzung paralleler Architekturen verbessern.

Die Systemfrequenz kann-, muss aber nicht der Frequenz entsprechen, mit der Daten zyklisch eingetaktet und verarbeitet werden; zudem sind Schaltungsteile mit unterschiedlichen Taktfrequenzen zu unterscheiden: Mit einem Systemtakt von 20 MHz lassen sich z. B. 18-Bit AD-Wandler auslesen, die so z. B. alle 1 µs neue Daten liefern, die verarbeitet werden müssen. Bei der Nutzung von 5 solchen Wandlern, die sequentiell verarbeitet werden, lägen 5 MHz Datenfrequenz vor. Für andere Schaltungsteile, die z. B. asynchron an die Peripherie andocken, sowie reine »state machines« können Schaltungsteile auf der 2-4 fachen Frequenz betrieben werden.

Generell sind Fläche und Geschwindigkeit konkurrierende Größen, zwischen denen ein Optimum gefunden werden muss. Für die preiswerten FPGA-Serien wie Spartan (Xilinx) und Cyclone (Altera) sind aufgrund technologischer Randbedingungen etwa 10-30% weniger Taktgeschwindigkeit bei gleichem Design zu erwarten als bei den großen Brüdern der Virtex- (Xilinx) bzw. Stratix-Familie (Altera). Es muss mit mehr Verbrauch an Logikelementen und Taktzyklen gerechnet werden (weniger Routingreserven, geringere Zahl von LUT-Eingängen, langsamere Logikelemente). Dafür sind sie sehr preiswert.

Funktionstechnisch identische Chips werden oft in zwei oder mehr Geschwindigkeitsklassen (speed grades) angeboten, die sich meist durch Bauteilselektion bei der Produktion ergeben. Grob kann man ca. 5%-10% höhere Taktung zwischen zwei speed grades erwarten.

== Hersteller ==

Die größten Hersteller von FPGAs sind [http://www.altera.com Altera] und [http://www.xilinx.com Xilinx]. Weitere Hersteller sind [http://www.latticesemi.com/ Lattice], [http://www.actel.com Actel] und [http://www.atmel.com Atmel].

== Anwendung und Programmierung ==

Der Aufbau komplizierter, applikationsnaher Strukturen wird meist durch automatische Routing- und Synthesewerkzeuge erledigt, welche mit einer logischen, funktionellen Beschreibung der Architektur in einer Hardwarebeschreibungssprache wie z. B. VHDL "gefüttert" werden. Die Hardwarebeschreibung in [[VHDL]] gelingt ihrerseits z. B. mit VHDL-generierenden Werkzeugen, mittels derer zuvor Logikstrukturen, hardwarenahe Strukturen, Ablaufdiagramme und Zustandsautomaten formuliert wurden.

Durch die Standardisierung der Architektur einerseits und die Entkoppplung von applikationsorientierter Beschreibung sowie Chip- und Hersteller-spezifischer Synthese andererseits, wird die Hardware quasi als Software gebaut. Dies wiederum schafft alle Optionen der Wiederverwendung und Austausch von "Hardwareteilen". So stehen inzwischen komplett nutzbare Schaltungen wie serielle Bausteine, RAM-Controller und vieles mehr zur Verfügung - teilweis sogar in Form von Open Source Projekten.

== Entwicklungsboards und Starterkits ==
=== Boards für Xilinx-FPGAs ===

{| border="1" class="sortable" id="fpgaevalboards"
|-
! Bezeichn.
! Preis (€)
! FPGA
! RAM (MByte)
! Flash (MByte)
! USB
! Ethernet
! RS-232
! µC
! Eingabe
! sonst.
|-
| [http://www.knjn.com/board_Xylo.html Xylo-L]
| 130
| XC3S500E
| -
| -
| 2.0
| 10base-T
| -
| LPC213x
| -
|
|-
| [http://www.xilinx.com/s3estarter Spartan3e Starter Kit]
| 180
| XC3S500E
| 64 MB DDR-SDRAM
| 16
| (JTAG)
| 10/100
| 2x
| -
| 4 Taster, 1 Drehgeber, 4 Schalter
| Coolrunner CPLD, LCD, 3-Bit VGA, PS/2
|-
| [http://www.digilentinc.com/Products/Detail.cfm?Nav1=Products&Nav2=Programmable&Prod=S3BOARD Digilent Spartan-3]
| 100
| XC3S200 XC3S400 XC3S1000
| 1
| -
| -
| -
| 1x
| -
| 4 Taster, 8 Schalter
| VGA, PS/2, 7seg
|-
| [[Digilent Nexys]]
| 100
| XC3S200/400/1000
| 16
| 4
| 2.0
| -
| -
| -
| 4 Taster, 8 Schalter
| 7seg, Programmierung & Stromversorgung über USB
|-
| [[Digilent Nexys 2]]
| 121
| XC3S500E/1200E
| 16
| 16
| 2.0
| -
| 1x
| Cypress FX2
| 4 Taster, 8 Schalter, 8 LEDs
| 4x7Seg, Programmierung & Stromversorgung über USB oder über Netzteil (5V-15V)
|-
| [http://www.uxibo.de Uxibo]
| 88
| XC2S200E
| -
| -
| 1.1
| -
| -
| -
| 4 Taster, 8 Schalter
| VGA I/O, Videomux, dual PS/2, 7seg, Buzzer, IOs auf Pinleisten, dual-channel FTDI2232C, 48 MHz + prog. Oszillator, Programmierung & Stromversorgung über USB
|-
| [http://www.fpgaz.com/wiki/doku.php?id=fpgaz:usbp:hw FPGAz USBP]
| $135
| XC3S400
| -
| -
| 2.0
| -
| -
| Cypress FX2
| 2 Taster
| 8 LEDs, I2C-EEPROM
|-
| [http://www.cesys.com/fpga_produktmatrix.html USBS6] Cesys
| 399
| XC6SLX16
| 128
| 16
| 2.0
| -
| -
| FX-2
| Drehschalter, Leds.
|115 I/O signale, einstellbarer IO Standard, zweiter USB Port (FT232), WIN 32&64 Bit und LINUX Treiber
|-
| [http://www.cesys.com/fpga/spartan/efm01_de.html EFM 01] Cesys
| 145
| XC3S500E
| -
| 4
| 2.0
| -
| -
| FX-2
| -
| 28 x 44mm, 50 I/O auf 2.54mm Stiftleiste, WIN und LINUX Treiber
|-
| [http://shop.trenz-electronic.de/catalog/product_info.php?products_id=456 Avnet Spartan 3A Evaluation Kit]
| 50
| XC3S400A
| -
| 16
| 2.0
| -
| -
| -
| -
| WIN und LINUX Treiber
|-
| [http://www.ct-lab.de FPGA-Karte aus dem c´t-Lab]
| 92
| XC3S400
| -
| SD-Kartenslot (Bitstream-File wird über µC ins FPGA geladen, Dateiauswahl via Systembus oder Panel oder fest einstellbar)
| via IFP-Karte und Systembus an µC
| via IFP-Karte und Systembus an µC
| via IFP-Karte und Systembus an µC
| ATmega644
| optionales Bedienpanel mit LCD-Display, Drehgeber und Taster
| Bestandteil des Laborsystems c´t-Lab der Zeitschrift c´t.
VGA-Buchse, SD-Kartenslot (u.a. auch zum Laden des FPGA). Preis für FPGA-Platine mit verlöteten SMD-Bauteilen und Teilesatz. Optionale Erweiterungskarten mit schnellen DACs, Eingangskomparator, SRAM, Echtzeituhr, PS/2, RS232 (am FPGA). Optionaler JTAG-Adapter.
http://www.ct-lab.de, http://www.segor.de, http://thoralt.ehecht.com/phpbb
|}

==== Raggedstone 1 - Spartan-3 Development PCI-Karte ====
* Spartan-3 FPGA FG456-Package
* 32 bit, 33 MHz, 3.3/5V PCI interface
* 4Mbit Flash Memory
* 16KBit serielles EEprom
* 4 x 7 Segment Anzeigen LED, abnehmbar
* LM75 Temperatursensor
* viele DIL-Header für eigene Erweiterungen, verschiedene werden auch durch Hersteller angeboten
* 2 Drucktaster
* Mit dem PCI-Interface kann bei entsprechender Programmierung des FPGA auf den PCI-Bus eines Hostrechners zugegriffen werden, Beispieldesign unter http://projects.varxec.net/raggedstone1
* Webseite: http://www.enterpoint.co.uk/moelbryn/raggedstone1.html
* Preis mit XC3S400 ca. €165,- (inkl MwSt.)
* Preis mit XC3S1500 ca. €265,- (inkl. MwSt.)

==== LiveDesign Evaluation Board von Altium ====
* Kompatibel mit den LiveDesign-fähigen Entwicklungstools von Altium
* Die Altium-Software nutzt direkt die Programmier-Software des jeweiligen FPGA-Herstellers
* Xilinx XC3S1000-4FG456C, wahlweise aber auch mit Altera EP1C12F324C8 (s.u.)
* Mit Flachbandkabel für PC-Verbindung (Druckerport) sowie weiteren Kabeln und Verbindern, USB-Dongle (braucht man für NB2 und NB3000) ebenso verfügbar
* Peripherie: LEDs, Dip-Schalter, 6-stellige Siebensegmentanzeige, Taster, Stereo-DAC, zwei 256K x 16 RAMs
* ''kein'' on-board Flash RAM für FPGA-Konfiguration, diese muss nach dem Einschalten neu geladen werden
* Ports: PS2-Maus & -Tastatur, RS232, VGA (512 Farben), 2x18 IO-Pins für allgemeine Zwecke
* Board NB1 (LiveDesign), nicht mehr neu erhältlich; manchmal beim großen Versteigerer zu haben für ca. 100 EUR
* Board NB2, immer noch aktuell, mehrere Erweiterungskarten verfügbar, Kosten ca. 1.800 EUR
* Board NB3000, sehr gut ausgestattetes, kompaktes Board, Kosten ca. 340 EUR ~ 400 EUR, je nach FPGA-Familie. Erhältlich mit Altera, Xilinx oder Lattice-Chip
* NB3000 enthält sog "SoftDesign" Lizenz für Altium, gültig 1 Jahr. Sehr große Software-Bibliothek, inkl. verschiedener 8Bit- und einem 32Bit-Softcore. Per JTAG auch eigene Boards programmierbar

==== Trenz-Electronic ====
http://www.trenz-electronic.de/products.html
* Kleines FPGA Board mit ucLinux und Virtex-II PowerPC, optional: ucLinux und Microblaze Softprozessor im Spartan-3 FPGA
* Pal/Gal kompatible FPGA und CPLD Module
* Spartan-3 FPGA Mikromodul mit 200 bis 1000 Systemgattern
* Spartan-3A DSP Mikromodul mit bis zu 18000 / 34000 Systemgattern
* Spartan-6 DSP mit bis zu 34000 Gattern

==== Simple-Solutions ====
http://www.simple-solutions.de/de/products/index.php
Mehrere Spartan3-FPGAs - Boards

==== CESYS ====
http://www.cesys.com

Cesys ist Entwickler und Hersteller von FPGA-boards mit Sitz in Deutschland.

* Verschiedene FPGA boards mit USB, PCI und PCIe Schnittstellen im Lieferprogramm
* Je nach Ausführung mit Spartan-2/3/3E/6, Virtex2/2PRO/4
* verschiedene Speicherkonfigurationen (SO-DIMM, SRAM, SDRAM, DDR2)
* Auftragsentwicklungen nach Kundenwunsch möglich

==== ZTEX ====

http://www.ztex.de/

ZTEX ist Entwickler und Hersteller von FPGA-boards mit Sitz in Deutschland.

* Xilinx Spartan 6 FPGA, High-Speed USB interface, Cypress CY7C68013A EZ-USB Microcontroller, 90 GPIO ports, 15 SIO ports, 64 MByte DDR SDRAM, microSD socket, EEPROM.
* Xilinx Spartan 3 XC3S400 FPGA, High-Speed (480 MBit/s) USB interface, Cypress CY7C68013A EZ-USB Microcontroller, 60 GPIO ports, 20 SIO ports, EEPROM und optionally mit Flash memory
* High-Speed (480 MBit/s) USB interface, Cypress CY7C68013A/14A EZ-USB Microcontroller, microSD socket mit bis zu 2GB Flash memory, 36 GPIO ports, 28 SIO ports, EEPROM und on-board Schaltregler

* Open Source Firmware Kit zum Programmieren

=== Boards für Altera-FPGAs ===

==== Altera Cyclone II 2C20 ====
* Altera Cyclone II EP2C20F484C7N FPGA mit 20000 LEs
* USB-BlasterTM download cable (integriert)
* EPCS4 serial configuration Flash
* 8-Mbyte SDRAM, 512-Kb SRAM, 4-Mbyte flash
* externer SMA - Clock-Eingang
* 24-bit Audio coder/decoder (CODEC)
* 10 Schalter, 4 Druckknöpfe inkl Reset
* 4St. 7-Segmentanzeigen, 10 rote LEDs + 8 grüne LEDs
* VGA, RS-232, and PS/2 Stecker
* Zwei 40-pin expansion ports + SD/MMC socket
* USB-Kabel, externes Steckernetztteil, CD-Rom
* Reference designs
* Qartus II Web Edition + NIOS II Web Edition
* http://www.altera.com/products/devkits/altera/kit-cyc2-2C20N.html
* Listenpreis $150,-

==== Hpe Mini AC II - Cyclone II board von Gleichmann Research ====
* Altera Cyclone II EP2C35 FPGA (speed grade 6)
* Mit reprogrammierbarem Flash zur automatischen FPGA-Konfiguration
* 25 pin SUB-D connector (parallel) für direktes FPGA-Programmieren
* RS232 (9 pin SUB-D)
* VGA (15 pin SUB-D) mit 64 möglichen Farben
* Ethernet 10/100 Mbit/s, full/half duplex
* 1 USB 2.0 compatible full-speed target connector
* 3 USB 2.0 compatible full-speed host connectors
* Santa Cruz connector mit 40 nutzbaren I/Os
* Audio interface (line-in and line-out) mit CODEC
* SODIMM144 Sockel für (SDRAM) 256MB
* SDRAM-Speichersockel mit nur 32-Bit angebunden, die Hälfte des Speichers bleibt nicht nutzbar
* 25 MHz oscillator
* Prototyping area, Lötfläche
* 8 LEDs, grün, blau, 3x4 key matrix, 4-bit DIP switch
* LCD connector, 2-character 7-segment display
* Single step Knopf und Reset Knopf
* Parallelportkabel für PC
* Beispieldesign, Testprogramme, Datenblätter
* LEON3-CPU Design inkl. Source Code, Quartus IDE, SnapGear Linux
* Nicht mehr im Programm - war ca 399,-

==== Altera DE2 - Development and Education Board V2 ====
* Altera Cyclone II 2C35 FPGA mit 35000 LEs
* Altera Serial Configuration devices (EPCS16) für Cyclone II 2C35
* USB Blaster board zur Programmierung und User API
* 8 MB SDRAM, 4 MB Flash Memory, 512KB SRAM
* SD Card Sockel, RS-232, Ethernet, 10-bit VGA, 24-bit Audio CODEC
* TV Decoder (NTSC/PAL), IrDA, USB (Host + Slave)
* Viele Besipiel mit Source Code wie TV, SD Music Player)
* [http://www.fh-wedel.de/fileadmin/mitarbeiter/bos/files/VHDL/VhdlEinfuehrung.pdf Kleines aber nettes Tutorial zum Altera DE2 Dev. Board]
* Listenpreis US $495,-

==== Sasco Holz PABLO ====
* Altera Cyclone II EP2C20F484C6N
* EPCS16SI16N serial configuration Flash
* 2x32 MByte mDDR-333 RAM (unabhängige Daten-/Adressbusse)
* externer SMA-Clock-Eingang
* 25 MHz Oszillator
* 3 Taster, kleiner Joystick, 4 LEDs
* AD7843 SPI touch controller
* RS-232
* 2x Santa Cruz connector
* 60-Pin TFT, 14-Pin GPIO Wannenstecker
* 10-Pin JTAG & 10-Pin Passiv Seriell Wannenstecker
* Netzteil, CD-ROM
* [http://web.archive.org/web/20080907191153/http://www.sascoholz.com/designsupport/solutions/pablo http://www.sascoholz.com/designsupport/solutions/pablo]
* kein Programmierkabel, kein Kaltgerätekabel
* Restmengen hin und wieder günstig beim großen E

==== Altera DE2-115 - Development and Education Board V3 ====
* Altera Cyclone IV FPGA mit 115000 LEs
* Altera Serial Configuration device EPCS64
* USB Blaster zur Programmierung und für User API
* User-Applikations und Steuerungssoftware
* 128 MB SDRAM, 8 MB Flash Memory, 2 MB SRAM
* SD Card Sockel, RS-232, 2x GBit-Ethernet,
* 8-bit VGA, 24-bit Audio CODEC
* TV Decoder (NTSC/PAL), IrDA, USB (Host + Slave)
* 18 Schalter, 4 Drucktasten, PS2-Maus/Tastatur-Anschluss
* 27 LEDs, 16x2-LCD-Display, 8 7-Segment-Anzeigen
* IR-Fernsteuerung
* HSMC-Stecker
* Viele Besipiel mit Source Code wie TV, SD Music Player, Audiorecorder
* Listenpreis US $595,- (academic = $299,-)

==== Cyclone III Embedded Development Kit ====
* Altera Cyclone III EP3C25 FPGA
* 640x480 LCD Display mit Touchscreen-Function
* MiniSD-Card Sockel
* Audio Interface ADC CODEC
* 10/100 Mbit Fast Ethernet Schnittstelle
* FPGA-Konfiguration über USB
* NIOS II EVAL Lizenz
* IP LIB Altera
* Listenpreis US $495,- über ALtera Webseite
* Bei EBV €349,- inkl. MwSt.

==== DE0-Nano ====
* Cyclone IV EP4CE22F17C6N
* 32MB SDRAM
* 2Kb I2C-EEPROM
* 3-Achsen-Beschleunigungssensor ADXL345 (Analog Devices)
* AD-Wandler ADC128S022 (National Semiconductor)
* Zwei 40-Pin-GPIO-Header mit 72 verfügbaren IO-Pins
* On-Board-USB-Blaster zum Programmieren/Debuggen
* Herstellerpreis (www.terasic.com.tw): $79,- (für Studenten: $59,-)
* erhältlich bei Digikey

=== Boards für Lattice-FPGAs ===
==== www.hardware-design.de ====
* bietet verschiedene einfache Boards mit Lattice-Bausteinen an
* FPGA-Board mit XP2-17/XP2-8/XP2-5 -> 113,- bis 101,- Euro
* CPLD-Boards u.a. mit MachXO640 -> 89,- Euro

== Debugging-Hilfen ==
Gerade beim [[Debugging]] größerer FPGA-Designs ist es oft notwendig, auf interne Signale und Busse zuzugreifen, die aus routing- oder Platzgründen nicht an Pins des FPGAs gelegt - und mit konventionellen Analysatoren beobachtet werden können. Nebst den einschlägigen Tools der Hersteller, welche Signal probing über JTAG gestatten (z. B. ChipsScope und SignalTap), werden in FPGAs oft mehr oder weniger komplexe [[Logic Analyzer]] integriert, welche die internen Signale in vielfältiger Weise aufzeichnen. Diese werden in Block-RAMs oder FIFOs gespeichert und durch externe Master ausgelesen. Hier kommen auf der Platine befindliche MCUs oder fremd zugreifende FPGAs / CPUs in Betracht, welche über unterschiedliche Kommunikationsverbindungen (seriell, parallel, LVDS) angeschlossen sind. Dazu werden in die FPGAs entsprechende Cores und state machines instanziiert und mit Software auf PC-Seite ausgelesen.

Nachfolgend einige Beispiele:

===Automatisch instanziierte Logic Analyzer ===
Praktisch alle FPGA-Hersteller bieten die Möglichkeit, mit einem internen Tool ein script zu erzeugen, welches der Synthese übergeben wird, welche dann anhand von Signallisten und diversen Randbedingungen einen LA automatisiert aufbaut und verdrahtet. SampleZeit und -Takt sind dabei genauso einstellbar, wie RAM-Tiefe und -Breite. Die so generierten Datenpakete können dann mittels JTAG ausgelesen werden. Im Continous-Betrieb können so sogar permanente Datenausgaben wie bei einem Oszilloskop vorgenommen werden.

===Proprietärer serieller Logic Analyzer ===

Die einfachste Möglichkeit ist die direkte Instanziierung eines Blockrams als FIFO mit "breitem" Busanschluss: Linksseitig besitzt das FIFO eine Breite von z. B. 256 Bit (Xilinx-Rams lassen sich ohne weitere Umbeschaltung über den Wizzard mit bis zu 1024 Bits deklarieren und nutzen). Rechtsseitig einen 16- oder 32 Bit breiten Busanschluss für einen Prozessor bzw Parallelinterface oder einen 1 Bit breiten Anschluss für ein serielles streaming interface. Mit einem FiFo-enable können die zu sampelnden Zeiten (Busphasen) festgelegt werden, z. B. anhand eines Kriteriums wie die Erfüllung einer bestimmten mathematischen Bedingung, die man in VHDL formuliert, oder es wird einfach ein Trigger gesetzt. Solange das FiFo nicht voll ist, kann geschrieben werden, was durch die interne FiFo-Verwaltung selbst bereits komplett geregelt wird.

Beim einfachen seriellen Logic Analyzer benötigt man nur noch einen kleinen Core, der permanent das FiFo liest, und den seriellen Overhead (Startbit, Stoppbit, Parity und gfs CRC) hinzufügt. Mit einem einfach Pegelwandler kann so ein PC direkt angeschlossen werden.

Auch denkbar ist die Anbindung an ein fremdes FPGA-board mit viel Speicher über (LV-)DS-Kommunikation. In komplexeren Systemen wird ein CAN- oder USB-Core eingesetzt.

Wenn mittels des Kriteriums nur ganz bestimmte kritische Phasen herausgesampelt werden (z. B. das Auftauchen eines bestimmten Rechenfehlers im FPGA) und so das Datenaufkommen je Zeiteinheit über längere Zeit betrachtet eher gering ist, kann bei geeignetem Datendurchsatz in Echtzeit dauerhaft mitprotokolliert werden.

=== BusProbe, der Debugging Core von abaxor engineering ===
Mit der BusProbe kann der Entwickler den Signalfluss im FPGA-Design auch über einen längeren Zeitraum überwachen und am PC aufzeichnen. Der Core verarbeitet an jedem Eingang einen kompletten Bus.

Die Daten werden gemultiplext zum PC geschickt und dort per Software demultiplext. Im PC erfolgt auch die Auswertung mit beliebigen Analyse-Tools.

Gegenüber dem Betriebssystem verhält sich die BusProbe wie eine Festplatte, von der die Daten mit gewöhnlichen Zugriffen gelesen werden können.

* Streaming der Daten zum PC mit mehr als 20 MByte/s
* keine Treiber im PC da Nutzung von Standardschnittstellen (USB oder IDE)
* Hot-Plugging
* Visualisierung mit beliebigen Programmen
* geringer Logikaufwand

[http://www.abaxor.de/produkte.html abaxor.de-Webseite]

=== open source Logikanalysator von sump.org ===
Ein einfacher, übersichtlicher Logikanalysator findet sich auf sump.org. Er liegt im Quelltext vor wird mit ins Design einsynthetisiert. Als Speicher dient wahlweise SRAM oder internes RAM. Es können 32 Kanäle mit 100 MHz (oder weniger) gesampelt werden. Die Bediensoftware läuft platformunabhängig unter Java und benötigt eine serielle Schnittstelle (auch über USB-seriell Wandler) zum Core.

[http://de.sump.org/projects/analyzer/ sump.org-Webseite]

== Siehe auch ==
* [[Hardwarebeschreibungssprachen]]
* [[Reset für FPGA/CPLD]]
* [[Taktung FPGA/CPLD]]
* Projekt [[Audio-DSP mit Spartan 3-FPGA]]
* Projekt [[FPGA Lab]]

== Weblinks ==
* [http://www.fpga4fun.com/index.html FPGA4Fun] - FPGA-Projekte, größtenteils mit Altera und Verilog
* [http://video.google.com/videoplay?docid=-4969729965240981475 Ein Vortrag, auf Englisch: General Purpose, Low Power Supercomputing Using Reconfiguration Logic]
* http://www.opencores.org - FPGA-Projekte, Opensource, jeder kann seine Eigenen einstellen und an anderen mitarbeiten. U.a. gibt es verschiedene CPUs für FPGAs.
* [http://members.optushome.com.au/jekent/FPGA.htm John's FPGA Page]
* [http://www.embedded.com/columns/whatsnew/197003073 More about designing with embedded FPGAs] by Bernard Cole, Embedded.com

[[Category:FPGA und Co| ]]

AVR-GCC-Tutorial

2011-08-25T10:37:49Z

Freiburger: /* Die Nutzung von sprintf und printf */ komma

= Voraussetzungen =

Vorausgesetzt werden Grundkenntnisse der Progammiersprache C. Diese Kenntnisse kann man sich online erarbeiten, z. B. mit dem [http://www.schellong.de/c.htm C Tutorial von Helmut Schellong] ([[C|Liste von C-Tutorials]]). Nicht erforderlich sind Vorkenntnisse in der Programmierung von Mikrocontrollern, weder in Assembler noch in einer anderen Sprache.

= Vorwort =

Dieses Tutorial soll den Einstieg in die Programmierung von Atmel [[AVR]]-Mikrocontrollern in der Programmiersprache [[C]] mit dem freien C-Compiler [[AVR-GCC]] aus der [http://gcc.gnu.org/ GNU Compiler Collection] erleichtern.

In diesem Text wird häufig auf die Standardbibliothek avr-libc verwiesen, für die es eine [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Online-Dokumentation] gibt, in der sich auch viele nützliche Informationen zum Compiler und zur Programmierung von AVR Controllern finden (beim Packet WinAVR gehört die avr-libc Dokumentation zum Lieferumfang und wird mitinstalliert).

Der Compiler und die Standardbibliothek avr-libc werden stetig weiterentwickelt. Einige Unterschiede, die sich im Verlauf der Entwicklung ergeben haben, werden im Haupttext und Anhang zwar erläutert, Anfängern sei jedoch empfohlen, die aktuellen Versionen zu nutzen (für MS-Windows: aktuelle Version des [[WinAVR]]-Pakets; für Linux: siehe Artikel [[AVR und Linux]]).

Das ursprüngliche Tutorial stammt von Christian Schifferle, viele neue Abschnitte und aktuelle Anpassungen von Martin Thomas.

Dieses Tutorial ist in PDF-Form hier erhältlich (nicht immer auf aktuellem Stand):
[[Media:AVR-GCC-Tutorial.pdf]]

== Weiterführende Kapitel ==

Um dieses riesige Tutorial etwas überschaubarer zu gestalten, wurden einige Kapitel ausgelagert, die nicht unmittelbar mit den Grundlagen von avr-gcc in Verbindung stehen. All diese Seiten gehören zur [[:Kategorie:avr-gcc Tutorial]].
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Der UART|Der UART]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Der Watchdog|Der Watchdog]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Die Timer und Zähler des AVR|Die Timer und Zähler des AVR]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs Makefiles|Exkurs Makefiles]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/LCD-Ansteuerung|LCD-Ansteuerung]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Alte Quellen|Alte Quellen anpassen]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Assembler und Inline-Assembler|Assembler und Inline-Assembler]]

= Benötigte Werkzeuge =

Um eigene Programme für AVRs mittels avr-gcc/avr-libc zu erstellen und zu testen, wird folgende Hard- und Software benötigt:

* Platine oder Versuchsaufbau für die Aufnahme eines AVR Controllers, der vom avr-gcc Compiler unterstützt wird (alle ATmegas und die meisten AT90, siehe Dokumentation der avr-libc für unterstützte Typen). Dieses Testboard kann durchaus auch selbst gelötet oder auf einem Steckbrett aufgebaut werden. Einige Registerbeschreibungen dieses Tutorials beziehen sich auf den inzwischen veralteten AT90S2313. Der weitaus größte Teil des Textes ist aber für alle Controller der AVR-Familie gültig. Brauchbare Testplattformen sind auch das [[STK500]] und der [[AVR Butterfly]] von Atmel. Weitere Infos findet man in den Artikeln [[AVR#Starterkits|AVR Starterkits]] und [[AVR-Tutorial: Equipment]].

* Der avr-gcc Compiler und die avr-libc. Kostenlos erhältlich für nahezu alle Plattformen und Betriebssysteme. Für MS-Windows im Paket [[WinAVR]]; für Unix/Linux siehe auch Hinweise im Artikel [[AVR-GCC]] und im Artikel [[AVR und Linux]].

* Programmiersoftware und -[[AVR In System Programmer |hardware]] z. B. PonyProg (siehe auch: [[Pony-Prog Tutorial]]) oder [[AVRDUDE]] mit [[STK200]]-Dongle oder die von Atmel verfügbare Hard- und Software ([[STK500]], Atmel AVRISP, [[AVR-Studio]]).

* Nicht unbedingt erforderlich, aber zur Simulation und zum Debuggen unter MS-Windows recht nützlich: [[AVR-Studio]] (siehe Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|Exkurs: Makefiles]]).

* Wer unter Windows und Linux gleichermassen entwickeln will, der sollte sich die [http://www.eclipse.org/ IDE Eclipse for C/C++ Developers] und das [http://avr-eclipse.sourceforge.net/wiki/index.php/The_AVR_Eclipse_Plugin AVR-Eclipse Plugin ] ansehen, beide sind unter Windows und Linux einfach zu installieren. Hier gibt es auch einen [[AVR_Eclipse|Artikel AVR Eclipse]] in dieser Wiki. Ebenfalls unter Linux und Windows verfügbar ist die Entwicklungsumgebung [http://www.codeblocks.org/ Code::Blocks] (aktuelle, stabile Versionen sind als Nightly Builds regelmäßig im [http://forums.codeblocks.org/ Forum] verfügbar). Innerhalb dieser Entwicklungsumgebung können ohne die Installation zusätzlicher Plugins "AVR-Projekte" angelegt werden. Für Linux gibt es auch noch das [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=25220&postdays=0&postorder=asc&start=0 KontrollerLab].

= Was tun, wenn's nicht "klappt"? =

* Herausfinden, ob es tatsächlich ein avr(-gcc) spezifisches Problem ist oder nur die eigenen C-Kenntnisse einer Auffrischung bedürfen. Allgemeine C-Fragen kann man eventuell "beim freundlichen Programmierer zwei Büro-, Zimmer- oder Haustüren weiter" loswerden. Ansonsten: [[C]]-Buch (gibt's auch "gratis" online) lesen.

* Die [[AVR Checkliste]] durcharbeiten.

* Die '''[http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc]''' lesen, vor allem (aber nicht nur) den Abschnitt Related Pages/'''Frequently Asked Questions''' = Oft gestellte Fragen (und Antworten dazu). Z.Zt leider nur in englischer Sprache verfügbar.

* Den Artikel [[AVR-GCC]] in diesem Wiki lesen.

* Das [http://www.mikrocontroller.net/forum/gcc GCC-Forum auf www.mikrocontroller.net] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Das avr-gcc-Forum bei [http://www.avrfreaks.net AVRfreaks] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Das [http://lists.gnu.org/archive/html/avr-gcc-list/ Archiv der avr-gcc Mailing-Liste] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Nach Beispielcode suchen. Vor allem im ''Projects''-Bereich von [http://www.avrfreaks.net AVRfreaks] (anmelden).

* Google oder yahoo befragen schadet nie.

* Bei Problemen mit der Ansteuerung interner AVR-Funktionen mit C-Code: das Datenblatt des Controllers lesen (ganz und am Besten zweimal). Datenblätter sind auf den [http://www.atmel.com Atmel Webseiten] als pdf-Dateien verfügbar. Das komplette Datenblatt (complete) und nicht die Kurzfassung (summary) verwenden.

* Die Beispielprogramme im [[AVR-Tutorial]] sind zwar in AVR-Assembler verfasst, Erläuterungen und Vorgehensweisen sind aber auch auf C-Programme übertragbar.

* Einen Beitrag in eines der Foren oder eine Mail an die Mailing-Liste schreiben. Dabei möglichst viel Information geben: Controller, Compilerversion, genutzte Bibliotheken, Ausschnitte aus dem Quellcode oder besser ein [http://www.mikrocontroller.net/topic/72767#598986 Testprojekt] mit allen notwendigen Dateien, um das Problem nachzuvollziehen, sowie genaue Fehlermeldungen bzw. Beschreibung des Fehlverhaltens. Bei Ansteuerung externer Geräte die Beschaltung beschreiben oder skizzieren (z. B. mit [http://www.tech-chat.de/ Andys ASCII Circuit]). Siehe dazu auch: '''[http://www.tty1.net/smart-questions_de.html "Wie man Fragen richtig stellt"]'''.

= Erzeugen von Maschinencode =

Aus dem C-Quellcode erzeugt der avr-gcc Compiler (zusammen mit Hilfsprogrammen wie z. B. Präprozessor, Assembler und Linker) Maschinencode für den AVR-Controller. Üblicherweise liegt dieser Code dann im Intel Hex-Format vor ("Hex-Datei"). Die Programmiersoftware (z. B. [[AVRDUDE]], PonyProg oder AVRStudio/STK500-plugin) liest diese Datei ein und überträgt die enthaltene Information (den Maschinencode) in den Speicher des Controllers. Im Prinzip sind also "nur" der avr-gcc-Compiler (und wenige Hilfsprogramme) mit den "richtigen" Optionen aufzurufen, um aus C-Code eine "Hex-Datei" zu erzeugen. Grundsätzlich stehen dazu zwei verschiedene Ansätze zur Verfügung:

* Die Verwendung einer integrierten Entwicklungsumgebung (IDE = '''I'''ntegrated '''D'''evelopment '''E'''nvironment), bei der alle Einstellungen z. B. in Dialogboxen durchgeführt werden können. Unter Anderem kann AVRStudio ab Version 4.12 (kostenlos auf [http://www.atmel.com/ atmel.com]) zusammen mit WinAVR als integrierte Entwicklungsumgebung für den Compiler avr-gcc genutzt werden (dazu müssen AVRStudio und WinAVR auf dem Rechner installiert sein). Weitere IDEs (ohne Anspruch auf Vollständigkeit): [http://www.eclipse.org/ Eclipse for C/C++ Developers] (d.h. inkl. CDT) und das [http://avr-eclipse.sourceforge.net/wiki/index.php/The_AVR_Eclipse_Plugin AVR-Eclipse Plugin] (für diverse Plattformen, u.a. Linux und MS Windows, IDE und Plugin kostenlos), [http://sourceforge.net/projects/kontrollerlab KontrollerLab] (Linux/KDE, kostenlos). [http://www.atmanecl.com/EnglishSite/SoftwareEnglish.htm AtmanAvr] (MS Windows, relativ günstig), KamAVR (MS-Windows, kostenlos, wird augenscheinlich nicht mehr weiterentwickelt), [http://www.amctools.com/vmlab.htm VMLab] (MS Windows, ab Version 3.12 ebenfalls kostenlos). Integrierte Entwicklungsumgebungen unterscheiden sich stark in Ihrer Bedienung und stehen auch nicht für alle Plattformen zur Verfügung, auf denen der Compiler ausführbar ist (z. B. AVRStudio nur für MS-Windows). Zur Anwendung des avr-gcc Compilers mit IDEs sei hier auf deren Dokumentation verwiesen.

* Die Nutzung des Programms make mit passenden Makefiles. In den folgenden Abschnitten wird die Generierung von Maschinencode für einen AVR ("hex-Datei") aus C-Quellcode ("c-Dateien") anhand von "make" und den "Makefiles" näher erläutert. Viele der darin beschriebenen Optionen findet man auch im Konfigurationsdialog des avr-gcc-Plugins von AVRStudio (AVRStudio generiert ein makefile in einem Unterverzeichnis des Projektverzeichnisses).

Beim Wechsel vom makefile-Ansatz nach WinAVR-Vorlage zu AVRStudio ist darauf zu achten, dass AVRStudio (Stand: AVRStudio Version 4.13) bei einem neuen Projekt die Optimierungsoption (vgl. Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|AVR-GCC-Tutorial/Exkurs: Makefiles]], typisch: -Os) nicht einstellt und die mathematische Bibliothek der avr-libc (libm.a, Linker-Option -lm) nicht einbindet. (Hinweis: Bei Version 4.16 wird beides bereits gesetzt). Beides ist Standard bei Verwendung von makefiles nach WinAVR-Vorlage und sollte daher auch im Konfigurationsdialog des avr-gcc-Plugins von AVRStudio "manuell" eingestellt werden, um auch mit AVRStudio kompakten Code zu erzeugen.

= Einführungsbeispiel =

Zum Einstieg ein kleines Beispiel, an dem die Nutzung des Compilers und der Hilfsprogramme (der sogenannten ''Toolchain'') demonstriert wird. Detaillierte Erläuterungen folgen in den weiteren Abschnitten dieses Tutorials.

Das Programm soll auf einem AVR Mikrocontroller einige Ausgänge ein- und andere ausschalten. Das Beispiel ist für einen ATmega16 programmiert ([http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2466.pdf Datenblatt]), kann aber sinngemäß für andere Controller der AVR-Familie modifiziert werden.

Ein kurzes Wort zur Hardware: Bei diesem Programm werden alle Pins von PORTB auf Ausgang gesetzt, und einige davon werden auf HIGH andere auf LOW gesetzt. Das kann je nach angeschlossener Hardware an diesen Pins kritisch sein. Am ungefährlichsten ist es, wenn nichts an den Pins angeschlossen ist und man die Funktion des Programmes durch eine Spannungsmessung mit einem Multimeter kontrolliert. Die Spannung wird dabei zwischen GND-Pin und den einzelnen Pins von PORTB gemessen.

Zunächst der Quellcode der Anwendung, der in einer Text-Datei mit dem Namen ''main.c'' abgespeichert wird.

<c>
/* Alle Zeichen zwischen Schrägstrich-Stern
und Stern-Schrägstrich sind Kommentare */

// Zeilenkommentare sind ebenfalls möglich
// alle auf die beiden Schrägstriche folgenden
// Zeichen einer Zeile sind Kommentar

#include <avr/io.h> // (1)

int main (void) { // (2)

DDRB = 0xFF; // (3)
PORTB = 0x03; // (4)

while(1) { // (5)
/* "leere" Schleife*/ // (6)
} // (7)

/* wird nie erreicht */
return 0; // (8)
}
</c>

# In dieser Zeile wird eine sogenannte Header-Datei eingebunden. In <code>avr/io.h</code> sind die Registernamen definiert, die im späteren Verlauf genutzt werden. Auch unter Windows wird ein <code>/</code> zur Kennzeichnung von Unterverzeichnissen in Include-Dateinamen verwendet und kein <code>\</code>.
# Hier beginnt das eigentliche Programm. Jedes C-Programm beginnt mit den Anweisungen in der Funktion <code>main</code>.
# Die Anschlüsse eines AVR ("Beinchen") werden zu Blöcken zusammengefasst, einen solchen Block bezeichnet man als Port. Beim ATmega16 hat jeder Port 8 Anschlüsse, bei kleineren AVRs können einem Port auch weniger als 8 Anschlüsse zugeordnet sein. Da per Definition (Datenblatt) alle gesetzten Bits in einem Datenrichtungsregister den entsprechenden Anschluss auf Ausgang schalten, werden mit DDRB=0xff alle Anschlüsse des Ports B als Ausgänge eingestellt.
# stellt die Werte der Ausgänge ein. Die den ersten beiden Bits des Ports zugeordneten Anschlüsse (PB0 und PB1) werden 1, alle anderen Anschlüsse des Ports B (PB2-PB7) zu 0. Aktivierte Ausgänge (logisch 1 oder "high") liegen auf Betriebsspannung (VCC, meist 5 Volt), nicht aktivierte Ausgänge führen 0 Volt (GND, Bezugspotential). Es ist sinnvoll, sich möglichst frühzeitig eine alternative Schreibweise beizubringen, die wegen der leichteren Überprüfbarkeit und Portierbarkeit oft im weiteren Tutorial und in Forenbeiträgen benutzt wird. Die Zuordnung sieht in diesem Fall so aus, Näheres dazu im Artikel [[Bitmanipulation]]:<c>PORTB = (1<<PB1) | (1<<PB0);</c>
# ist der Beginn der sogenannte ''Hauptschleife'' (main-loop). Dies ist eine Endlosschleife, welche kontinuierlich wiederkehrende Befehle enthält.
# In diesem Beispiel ist die Hauptschleife leer. Der Controller durchläuft die Schleife immer wieder, ohne dass etwas passiert. Eine solche Schleife ist notwendig, da es auf dem Controller kein Betriebssystem gibt, das nach Beendigung des Programmes die Kontrolle übernehmen könnte. Ohne diese Schleife kehrt das Programm aus <code>main</code> zurück, alle Interrupts werden deaktiviert und eine Endlosschleife betreten.
# Ende der Hauptschleife und Sprung zur passenden, öffnenden Klammer, also zu 5.
# ist das Programmende. Die Zeile ist nur aus Gründen der C-Kompatibilität enthalten: <c>int main(void)</c> besagt, dass die Funktion einen int-Wert zurückgibt. Die Anweisung wird aber nicht erreicht, da das Programm die Hauptschleife nie verlässt.

Um diesen Quellcode in ein lauffähiges Programm zu übersetzen, wird hier ein Makefile genutzt. Das verwendete Makefile findet sich auf der Seite [[Beispiel Makefile]] und basiert auf der Vorlage, die in WinAVR mitgeliefert wird und wurde bereits angepasst (Controllertyp ATmega16). Man kann das Makefile bearbeiten und an andere Controller anpassen oder sich mit dem Programm MFile menügesteuert ein Makefile "zusammenklicken". Das Makefile speichert man unter dem Namen <code>Makefile</code> (ohne Endung) im selben Verzeichnis, in dem auch die Datei <code>main.c</code> mit dem Programmcode abgelegt ist. Detailliertere Erklärungen zur Funktion von Makefiles finden sich im Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|Exkurs: Makefiles]].

<pre>
D:\beispiel>dir

Verzeichnis von D:\beispiel

28.11.2006 22:53 <DIR> .
28.11.2006 22:53 <DIR> ..
28.11.2006 20:06 118 main.c
28.11.2006 20:03 16.810 Makefile
2 Datei(en) 16.928 Bytes
</pre>

Nun gibt man ''make all'' ein. Falls das mit WinAVR installierte Programmers Notepad genutzt wird, gibt es dazu einen Menüpunkt im Tools Menü. Sind alle Einstellungen korrekt, entsteht eine Datei <code>main.hex</code>, in welcher der Code für den AVR enthalten ist.
<pre>
D:\beispiel>make all

-------- begin --------
avr-gcc (GCC) 3.4.6
Copyright (C) 2006 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions. There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

Compiling C: main.c
avr-gcc -c -mmcu=atmega16 -I. -gdwarf-2 -DF_CPU=1000000UL -Os -funsigned-char -f
unsigned-bitfields -fpack-struct -fshort-enums -Wall -Wstrict-prototypes -Wundef
-Wa,-adhlns=obj/main.lst -std=gnu99 -Wundef -MD -MP -MF .dep/main.o.d main.c -
o obj/main.o

Linking: main.elf
avr-gcc -mmcu=atmega16 -I. -gdwarf-2 -DF_CPU=1000000UL -Os -funsigned-char -funs
igned-bitfields -fpack-struct -fshort-enums -Wall -Wstrict-prototypes -Wundef -W
a,-adhlns=obj/main.o -std=gnu99 -Wundef -MD -MP -MF .dep/main.elf.d obj/main.o
--output main.elf -Wl,-Map=main.map,--cref -lm

Creating load file for Flash: main.hex
avr-objcopy -O ihex -R .eeprom main.elf main.hex
</pre>

Der Inhalt der hex-Datei kann nun zum Controller übertragen werden. Dies kann z. B. über In-System-Programming ([[ISP]]) erfolgen, das im [[AVR-Tutorial: Equipment]] beschrieben ist. Makefiles nach der WinAVR/MFile-Vorlage sind für die Nutzung des Programms [[AVRDUDE]] vorbereitet. Wenn man den Typ und Anschluss des Programmiergerätes richtig eingestellt hat, kann mit ''make program'' die Übertragung mittels AVRDUDE gestartet werden. Jede andere Software, die hex-Dateien lesen und zu einem AVR übertragen kann<ref>z. B. [[Pony-Prog_Tutorial|Ponyprog]], yapp, AVRStudio</ref>, kann natürlich ebenfalls genutzt werden.

Startet man nun den Controller (Reset-Taster oder Stromzufuhr aus/an), werden vom Programm die Anschlüsse PB0 und PB1 auf 1 gesetzt. Man kann mit einem Messgerät nun an diesem Anschluss die Betriebsspannung messen oder eine [[LED]] leuchten lassen (Anode an den Pin, Vorwiderstand nicht vergessen). An den Anschlüssen PB2-PB7 misst man 0 Volt. Eine mit der Anode mit einem dieser Anschlüsse verbundene LED leuchtet nicht.

= Ganzzahlige (Integer) Datentypen =

Bei der Programmierung von Mikrokontrollern ist die Definition einiger ganzzahliger Datentypen sinnvoll, an denen eindeutig die Bit-Länge abgelesen werden kann.

Standardisierte Datentypen werden in der Header-Datei <code>stdint.h</code> definiert, die folgendermaßen eingebunden werden kann:
<c>#include <stdint.h></c>

{| {{Tabelle}}
|+ '''int-Typen aus <code>stdint.h</code> (C99)'''  
|- bgcolor="#d0d0ff"
!colspan="5"| Vorzeichenbehaftete int-Typen
|- bgcolor="#e8e8ff"
! Typname || Bit-Breite ||colspan="2"| Wertebereich
|align="center| '''C-Entsprechung''' (avr-gcc)
|-
|<code>int8_t</code> ||align="right"| 8 || −128 ⋯ 127 || −27 ⋯ 27−1 || <code>signed char</code>
|-
|<code>int16_t</code> ||align="right"| 16 || −32768 ⋯ 32767 || −215 ⋯ 215−1 || <code>signed short</code>, <code>signed int</code>
|-
|<code>int32_t</code> ||align="right"| 32 || −2147483648 ⋯ 2147483647 || −231 ⋯ 231−1 || <code>signed long</code>
|-
|<code>int64_t</code> ||align="right"| 64 || −9223372036854775808 ⋯ 9223372036854775807 || −263 ⋯ 263−1 || <code>signed long long</code>
|- bgcolor="#d0d0ff"
!colspan="5"| Vorzeichenlose int-Typen
|- bgcolor="#e8e8ff"
! Typname || Bit-Breite ||colspan="2"| Wertebereich
|align="center| '''C-Entsprechung''' (avr-gcc)
|-
|<code>uint8_t</code> ||align="right"| 8 || 0 ⋯ 255 || 0 ⋯ 28−1 || <code>unsigned char</code>
|-
|<code>uint16_t</code> ||align="right"| 16 || 0 ⋯ 65535 || 0 ⋯ 216−1 || <code>unsigned short</code>, <code>unsigned int</code>
|-
|<code>uint32_t</code> ||align="right"| 32 || 0 ⋯ 4294967295 || 0 ⋯ 232−1 || <code>unsigned long</code>
|-
|<code>uint64_t</code> ||align="right"| 64 || 0 ⋯ 18446744073709551615 || 0 ⋯ 264−1 || <code>unsigned long long</code>
|}

Neben den Typen gibt es auch Makros für die Bereichsgrenzen wie <code>INT8_MIN</code> oder <code>UINT16_MAX</code>. Siehe dazu auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__avr__stdint.html Dokumentation der avr-libc: Standard Integer Types].

= Bitfelder =

Beim Programmieren von Mikrocontrollern muss auf jedes Byte oder sogar auf
jedes Bit geachtet werden. Oft müssen wir in einer Variablen lediglich den
Zustand 0 oder 1 speichern. Wenn wir nun zur Speicherung eines einzelnen Wertes
den kleinsten bekannten Datentypen, nämlich '''unsigned char''', nehmen, dann
verschwenden wir 7 Bits, da ein '''unsigned char''' ja 8 Bits breit ist.

Hier bietet uns die Programmiersprache C ein mächtiges Werkzeug an, mit dessen
Hilfe wir 8 Bits in eine einzelne Bytevariable zusammenfassen und (fast) wie
8 einzelne Variablen ansprechen können. Die Rede ist von sogenannten Bitfeldern. Diese werden als Strukturelemente definiert. Sehen wir uns dazu doch am besten gleich ein Beispiel an:

<c>
struct {
unsigned bStatus_1:1; // 1 Bit für bStatus_1
unsigned bStatus_2:1; // 1 Bit für bStatus_2
unsigned bNochNBit:1; // Und hier noch mal ein Bit
unsigned b2Bits:2; // Dieses Feld ist 2 Bits breit
// All das hat in einer einzigen Byte-Variable Platz.
// die 3 verbleibenden Bits bleiben ungenutzt
} x;
</c>

Der Zugriff auf ein solches Feld erfolgt nun, wie beim Strukturzugriff bekannt,
über den Punkt- oder den Dereferenzierungs-Operator:

<c>
x.bStatus_1 = 1;
x.bStatus_2 = 0;
x.b2Bits = 3;
</c>

Bitfelder sparen Platz im RAM, zu Lasten von Platz im Flash, verschlechtern aber unter Umständen die Les- und Wartbarkeit des Codes. Anfängern wird deshalb geraten, ein "ganzes" Byte (uint8_t) zu nutzen, auch wenn nur ein Bitwert gespeichert werden soll.

= Grundsätzlicher Programmaufbau eines µC-Programms =

Wir unterscheiden zwischen 2 verschiedenen Methoden, um ein
Mikrocontroller-Programm zu schreiben, und zwar völlig unabhängig davon, in
welcher Programmiersprache das Programm geschrieben wird.

== Sequentieller Programmablauf ==

[[Image:Sequentielle Programme.gif|left]]
Bei dieser Programmiertechnik wird eine Endlosschleife programmiert, welche im
Wesentlichen immer den gleichen Aufbau hat. Es wird hier nach dem sogenannten EVA-Prinzip gehandelt. EVA steht für "Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe":
{{Absatz}}

== Interruptgesteuerter Programmablauf ==

[[Image:Interrupt Programme.gif|left]]
Bei dieser Methode werden beim Programmstart zuerst die gewünschten Interruptquellen aktiviert und dann in eine Endlosschleife gegangen, in welcher Dinge erledigt werden können, welche nicht zeitkritisch sind. Wenn ein Interrupt ausgelöst wird, so wird automatisch die zugeordnete Interruptfunktion ausgeführt.
{{Absatz}}

= Zugriff auf Register =

Die AVR-Controller verfügen über eine Vielzahl von Registern. Die meisten
davon sind sogenannte Schreib-/Leseregister. Das heißt, das Programm kann die
Inhalte der Register sowohl auslesen als auch beschreiben.

Register haben einen besonderen Stellenwert bei den AVR Controllern. Sie dienen dem Zugriff auf die Ports und die Schnittstellen des Controllers. Wir unterscheiden zwischen 8-Bit und 16-Bit Registern. Vorerst behandeln wir die 8-Bit Register.

Einzelne Register sind bei allen AVRs vorhanden, andere wiederum nur bei bestimmten Typen. So sind beispielsweise die Register, welche für den Zugriff auf den UART notwendig sind, selbstverständlich nur bei denjenigen Modellen vorhanden, welche über einen integrierten Hardware UART bzw. USART verfügen.

Die Namen der Register sind in den Headerdateien zu den entsprechenden AVR-Typen definiert. Dazu muss man den Namen der controllerspezifischen Headerdatei nicht kennen. Es reicht aus, die allgemeine Headerdatei ''avr/io.h'' einzubinden:

<c>
#include <avr/io.h>
</c>

Ist im Makefile der MCU-Typ z. B. mit dem Inhalt atmega8 definiert (und wird somit per -mmcu=atmega8 an den Compiler übergeben), wird beim Einlesen der io.h-Datei implizit ("automatisch") auch die iom8.h-Datei mit den Register-Definitionen für den ATmega8 eingelesen.


Intern wird diese "Automatik" wie folgt realisiert: Der Controllertyp wird dem Compiler als Parameter übergeben (vgl. ''avr-gcc -c -mmcu=atmega16 [...]'' im Einführungsbeispiel). Wird ein Makefile nach der WinAVR/mfile-Vorlage verwendet, setzt man die Variable ''MCU'', der Inhalt dieser Variable wird dann an passender Stelle für die Compilerparameter verwendet. Der Compiler definiert intern eine dem mmcu-Parameter zugeordnete "Variable" (genauer: ein Makro) mit dem Namen des Controllers, vorangestelltem ''__AVR_'' und angehängten Unterstrichen (z. B. wird bei ''-mmcu=atmega16'' das Makro ''__AVR_ATmega16__'' definiert). Beim Einbinden der Header-Datei ''avr/io.h'' wird geprüft, ob das jeweilige Makro definiert ist und die zum Controller passende Definitionsdatei eingelesen. Zur Veranschaulichung einige Ausschnitte aus einem Makefile:

<pre>
[...]
# MCU Type ("name") setzen:
MCU = atmega16
[...]

[...]
## Verwendung des Inhalts von MCU (hier atmega16) fuer die
## Compiler- und Assembler-Parameter
ALL_CFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. $(CFLAGS) $(GENDEPFLAGS)
ALL_CPPFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. -x c++ $(CPPFLAGS) $(GENDEPFLAGS)
ALL_ASFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. -x assembler-with-cpp $(ASFLAGS)
[...]

[...]
## Aufruf des Compilers:
## mit den Parametern ($(ALL_CFLAGS) ist -mmcu=$(MCU)[...] = -mmcu=atmega16[...]
$(OBJDIR)/%.o : %.c
@echo
@echo $(MSG_COMPILING) $<
$(CC) -c $(ALL_CFLAGS) $< -o $@
[...]
</pre>

Da --mmcu=atmega16 übergeben wurde, wird __AVR_ATmega16__ definiert und kann in avr/io.h zur Fallunterscheidung genutzt werden:

<c>
// avr/io.h
// (bei WinAVR-Standardinstallation in C:\WinAVR\avr\include\avr)
[...]
#if defined (__AVR_AT94K__)
# include <avr/ioat94k.h>
// [...]
#elif defined (__AVR_ATmega16__)
// da __AVR_ATmega16__ definiert ist, wird avr/iom16.h eingebunden:
# include <avr/iom16.h>
// [...]
#else
# if !defined(__COMPILING_AVR_LIBC__)
# warning "device type not defined"
# endif
#endif
</c>

Die Beispiele in den folgenden Abschnitten demonstrieren den Zugriff auf Register anhand der Register für I/O-Ports (PORTx, DDRx, PINx), die Vorgehensweise ist jedoch für alle Register (z. B. die des UART, ADC, SPI) analog.

== Schreiben in Register ==

Zum Schreiben kann man Register einfach wie eine Variable setzen.<ref>In Quellcodes, die für ältere Versionen des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, erfolgt der Schreibzugriff über die Funktion outp(). Aktuelle Versionen des Compilers unterstützen den Zugriff nun direkt, outp() ist nicht mehr erforderlich.</ref>

Beispiel:

<c>
#include <avr/io.h>

int main()
{
/* Setzt das Richtungsregister des Ports A auf 0xff
(alle Pins als Ausgang, vgl. Abschnitt Zugriff auf Ports): */
DDRA = 0xff;

/* Setzt PortA auf 0x03, Bit 0 und 1 "high", restliche "low": */
PORTA = 0x03;

// Setzen der Bits 0,1,2,3 und 4
// Binär 00011111 = Hexadezimal 1F
DDRB = 0x1F; /* direkte Zuweisung - unübersichtlich */

/* Ausführliche Schreibweise: identische Funktionalität, mehr Tipparbeit
aber übersichtlicher und selbsterklärend: */
DDRB = (1 << DDB0) | (1 << DDB1) | (1 << DDB2) | (1 << DDB3) | (1 << DDB4);

while (1);
}
</c>

Die ausführliche Schreibweise sollte bevorzugt verwendet werden, da dadurch die Zuweisungen selbsterklärend sind und somit der Code leichter nachvollzogen werden kann. Atmel verwendet sie auch bei Beispielen in Datenblätten und in den allermeisten Quellcodes zu Application-Notes. Mehr zu der Schreibweise mit "|" und "<<" findet man unter [[Bitmanipulation]].

Der gcc C-Compiler unterstützt ab Version 4.3.0 Konstanten im Binärformat, z. B. DDRB = 0b00011111. Diese Schreibweise ist jedoch nur in GNU-C verfügbar und nicht in ISO-C definiert. Man sollte sie daher nicht verwenden, wenn Code mit anderen ausgetauscht oder mit anderen Compilern bzw. älteren Versionen des gcc genutzt werden soll.

== Verändern von Registerinhalten ==

Einzelne Bits setzt und löscht man "Standard-C-konform" mittels logischer (Bit-) Operationen.

<c>
x |= (1 << Bitnummer); // Hiermit wird ein Bit in x gesetzt
x &= ~(1 << Bitnummer); // Hiermit wird ein Bit in x geloescht
</c>

Es wird jeweils nur der Zustand des angegebenen Bits geändert, der vorherige Zustand der anderen Bits bleibt erhalten.

Beispiel:
<c>
#include <avr/io.h>
...
#define MEINBIT 2
...
PORTA |= (1 << MEINBIT); /* setzt Bit 2 an PortA auf 1 */
PORTA &= ~(1 << MEINBIT); /* loescht Bit 2 an PortA */
</c>

Mit dieser Methode lassen sich auch mehrere Bits eines Registers gleichzeitig setzen und löschen.

Beispiel:
<c>
#include <avr/io.h>
...
DDRA &= ~( (1<<PA0) | (1<<PA3) ); /* PA0 und PA3 als Eingaenge */
PORTA |= (1<<PA0) | (1<<PA3); /* Interne Pull-Up fuer beide einschalten */
</c>

In Quellcodes, die für ältere Version den des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, werden einzelne Bits mittels der Funktionen sbi und cbi gesetzt bzw. gelöscht. Beide Funktionen sind nicht mehr erforderlich.

Siehe auch:
* [[Bitmanipulation]]
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Special Function Registers

== Lesen aus Registern ==

Zum Lesen kann man auf Register einfach wie auf eine Variable zugreifen. In Quellcodes, die für ältere Versionen des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, erfolgt der Lesezugriff über die Funktion inp(). Aktuelle Versionen des Compilers unterstützen den Zugriff nun direkt und inp() ist nicht mehr erforderlich.

Beispiel:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>

uint8_t foo;

//...

int main(void)
{
/* kopiert den Status der Eingabepins an PortB
in die Variable foo: */
foo = PINB;
//...
}
</c>

Die Abfrage der Zustände von Bits erfolgt durch Einlesen des gesamten Registerinhalts und ausblenden der Bits deren Zustand nicht von Interesse ist. Einige Beispiele zum Prüfen ob Bits gesetzt oder gelöscht sind:

<c>
#define MEINBIT0 0
#define MEINBIT2 2

uint8_t i;

extern test1();

// Funkion test1 aufrufen, wenn Bit 0 in Register PINA gesetzt (1) ist
i = PINA; // Inhalt in Arbeitsvariable
i = i & 0x01; // alle Bits bis auf Bit 0 ausblenden (logisches und)
// falls das Bit gesetzt war, hat i den Inhalt 1
if ( i != 0 ) { // Ergebnis ungleich 0 (wahr)?
test1(); // dann muss Bit 0 in i gesetzt sein -> Funktion aufrufen
}
// verkürzt:
if ( ( PINA & 0x01 ) != 0 ) {
test1();
}
// nochmals verkürzt:
if ( PINA & 0x01 ) {
test1();
}
// mit definierter Bitnummer:
if ( PINA & ( 1 << MEINBIT0 ) ) {
test1();
}

// Funktion aufrufen, wenn Bit 0 und/oder Bit 2 gesetzt ist. (Bit 0 und 2 also Wert 5)
// (Bedenke: Bit 0 hat Wert 1, Bit 1 hat Wert 2 und Bit 2 hat Wert 4)
if ( PINA & 0x05 ) {
test1(); // Vergleich <> 0 (wahr), also mindestens eines der Bits gesetzt
}
// mit definierten Bitnummern:
if ( PINA & ( ( 1 << MEINBIT0 ) | ( 1 << MEINBIT2 ) ) ) {
test1();
}

// Funktion aufrufen, wenn Bit 0 und Bit 2 gesetzt sind
if ( ( PINA & 0x05 ) == 0x05 ) { // nur wahr, wenn beide Bits gesetzt
test1();
}

// Funktion test2() aufrufen, wenn Bit 0 gelöscht (0) ist
i = PINA; // einlesen in temporäre Variable
i = i & 0x01; // maskieren von Bit 0
if ( i == 0 ) { // Vergleich ist wahr, wenn Bit 0 nicht gesetzt ist
test2();
}
// analog mit not-Operator
if ( !i ) {
test2();
}
// nochmals verkürzt:
if ( !( PINA & 0x01 ) ) {
test2();
}
</c>

== Warten auf einen bestimmten Zustand ==

Es gibt in der Bibliothek avr-libc Funktionen, die warten, bis ein bestimmter Zustand eines Bits erreicht ist. Es ist allerdings normalerweise eine eher unschöne Programmiertechnik, da in diesen Funktionen "blockierend" gewartet wird. Der Programmablauf bleibt also an dieser Stelle stehen, bis das maskierte Ereignis erfolgt ist. Setzt man den [[Watchdog]] ein, muss man darauf achten, dass dieser auch noch getriggert wird (Zurücksetzen des Watchdogtimers).

Die Funktion '''loop_until_bit_is_set''' wartet in einer Schleife, bis das definierte Bit gesetzt ist. Wenn das Bit beim Aufruf der Funktion bereits gesetzt ist, wird die Funktion sofort wieder verlassen. Das niederwertigste Bit hat die Bitnummer 0.

<c>
#include <avr/io.h>
...

/* Warten bis Bit Nr. 2 (das dritte Bit) in Register PINA gesetzt (1) ist */

#define WARTEPIN PINA
#define WARTEBIT PA2

// mit der avr-libc Funktion:
loop_until_bit_is_set(WARTEPIN, WARTEBIT);

// dito in "C-Standard":
// Durchlaufe die (leere) Schleife solange das WARTEBIT in Register WARTEPIN
// _nicht_ ungleich 0 (also 0) ist.
while ( !(WARTEPIN & (1 << WARTEBIT)) ) {}
...
</c>

Die Funktion '''loop_until_bit_is_clear''' wartet in einer Schleife, bis das definierte Bit gelöscht ist. Wenn das Bit beim Aufruf der Funktion bereits gelöscht ist, wird die Funktion sofort wieder verlassen.

<c>
#include <avr/io.h>
...

/* Warten bis Bit Nr. 4 (das fuenfte Bit) in Register PINB geloescht (0) ist */
#define WARTEPIN PINB
#define WARTEBIT PB4

// avr-libc-Funktion:
loop_until_bit_is_clear(WARTEPIN, WARTEBIT);

// dito in "C-Standard":
// Durchlaufe die (leere) Schleife solange das WARTEBIT in Register WARTEPIN
// gesetzt (1) ist
while ( WARTEPIN & (1<<WARTEBIT) ) {}
...
</c>

Universeller und auch auf andere Plattformen besser übertragbar ist die Verwendung von C-Standardoperationen.

Siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Special Function Registers
* [[Bitmanipulation]]

== 16-Bit Register (ADC, ICR1, OCR1x, TCNT1, UBRR) ==

Einige der Portregister in den AVR-Controllern sind 16 Bit breit. Im Datenblatt sind diese Register üblicherweise mit dem Suffix "L" (Low-Byte) und "H" (High-Byte) versehen. Die avr-libc definiert zusätzlich die meisten dieser Variablen die Bezeichnung ohne "L" oder "H". Auf diese Register kann dann direkt zugegriffen werden. Die ist zum Beispiel der Fall für Register wie ADC oder TCNT1.
<c>
#include <avr/io.h>
...
uint16_t foo;

/* setzt die Wort-Variable foo auf den Wert der letzten AD-Wandlung */
foo = ADC;
</c>

Bei anderen Registern, wie zum Beispiel Baudraten-Register, liegen High- und Low-Teil nicht direkt nebeneinander im SFR-Bereich, so dass ein 16-Bit Zugriff nicht möglich ist und der Zugriff zusammengebastelt werden muss:

<c>
#include <avr/io.h>

#ifndef F_CPU
#define F_CPU 3686400
#endif
#define UART_BAUD_RATE 9600

...
uint16_t baud = F_CPU / (UART_BAUD_RATE * 16L) -1;

UBRRH = (uint8_t) (baud >> 8);
UBRRL = (uint8_t) baud;
...
</c>

Bei einigen AVR-Typen wie ATmega8 oder ATmega16 teilen sich UBRRH und UCSRC die gleiche Speicher-Adresse. Damit der AVR trotzdem zwischen den beiden Registern unterscheiden kann, bestimmt das Bit7 (URSEL), welches Register tatsächlich beschrieben werden soll. ''1000 0011'' (0x83) adressiert demnach UCSRC und übergibt den Wert ''3'' und ''0000 0011'' (0x3) adressiert UBRRH und übergibt ebenfalls den Wert ''3''.

Speziell bei den 16-Bit-Timern und auch beim ADC ist es bei allen Zugriffen auf Datenregister erforderlich, dass diese Daten synchronisiert sind. Wenn z. B. bei einem 16-Bit-Timer das High-Byte des Zählregisters gelesen wurde und vor dem Lesezugriff auf das Low-Byte ein Überlauf des Low-Bytes stattfindet, erhält man einen völlig unsinnigen Wert. Auch die Compare-Register müssen synchron geschrieben werden, da es ansonsten zu unerwünschten Compare-Ereignissen kommen kann.

Beim ADC besteht das Problem darin, dass zwischen den Zugriffen auf die beiden Teilregister eine Wandlung beendet werden kann und der ADC ein neues Ergebnis in ADCL und ADCH schreiben will, wodurch High- und Low-Byte nicht zusammenpassen.

Um diese Datenmüllproduktion zu verhindern, gibt es in beiden Fällen eine Synchronisation, die jeweils durch den Zugriff auf das Low-Byte ausgelöst wird:
* Bei den Timer-Registern (das gilt für alle TCNT-, OCR- und ICR-Register bei den 16-Bit-Timern) wird bei einem ''Lesezugriff'' auf das Low-Byte automatisch das High-Byte in ein temporäres Register, das ansonsten nach außen nicht sichtbar ist, geschoben. Greift man nun ''anschließend'' auf das High-Byte zu, dann wird eben dieses temporäre Register gelesen.
* Bei einem ''Schreibzugriff'' auf eines der genannten Register wird das High-Byte in besagtem temporären Register zwischengespeichert und erst beim Schreiben des Low-Bytes werden ''beide'' gleichzeitig in das eigentliche Register übernommen.

Das bedeutet für die Reihenfolge:
* Lesezugriff: Erst Low-Byte, dann High-Byte
* Schreibzugriff: Erst High-Byte, dann Low-Byte

Des weiteren ist zu beachten, dass es für all diese 16-Bit-Register nur ein einziges temporäres Register gibt, so dass das Auftreten eines Interrupts, in dessen Handler ein solches Register manipuliert wird, bei einem durch ihn unterbrochenen Zugriff i.d.R. zu Datenmüll führt. 16-Bit-Zugriffe sind generell nicht atomar! Wenn mit Interrupts gearbeitet wird, kann es erforderlich sein, vor einem solchen Zugriff auf ein 16-Bit-Register die Interrupt-Bearbeitung zu deaktivieren.

Beim ADC-Datenregister ADCH/ADCL ist die Synchronisierung anders gelöst. Hier wird beim Lesezugriff (ADCH/ADCL sind logischerweise read-only) auf das Low-Byte ADCL beide Teilregister für Zugriffe seitens des ADC so lange gesperrt, bis das High-Byte ADCH ausgelesen wurde. Dadurch kann der ADC nach einem Zugriff auf ADCL keinen neuen Wert in ADCH/ADCL ablegen, bis ADCH gelesen wurde. Ergebnisse von Wandlungen, die zwischen einem Zugriff auf ADCL und ADCH beendet werden, gehen verloren!

Nach einem Zugriff auf ADCL muss grundsätzlich ADCH gelesen werden!

In beiden Fällen – also sowohl bei den Timern als auch beim ADC – werden vom C-Compiler 16-Bit Pseudo-Register zur Verfügung gestellt (z. B. TCNT1H/TCNT1L → TCNT1, ADCH/ADCL → ADC bzw. ADCW), bei deren Verwendung der Compiler automatisch die richtige Zugriffsreihenfolge regelt. In C-Programmen sollten grundsätzlich diese 16-Bit-Register verwendet werden! Sollte trotzdem ein Zugriff auf ein Teilregister erforderlich sein, sind obige Angaben zu berücksichtigen.

Es ist darauf zu achten, dass auch ein Zugriff auf die 16-Bit-Register vom Compiler in zwei 8-Bit-Zugriffe aufgeteilt wird und dementsprechend genauso nicht-atomar ist wie die Einzelzugriffe. Auch hier gilt, dass u.U. die Interrupt-Bearbeitung gesperrt werden muss, um Datenmüll zu vermeiden.

Beim ADC gibt es für den Fall, dass eine Auflösung von 8 Bit ausreicht, die Möglichkeit, das Ergebnis "linksbündig" in ADCH/ADCL auszurichten, so dass die relevanten 8 MSB in ADCH stehen. In diesem Fall muss bzw. sollte nur ADCH ausgelesen werden.

ADC und ADCW sind unterschiedliche Bezeichner für das selbe Registerpaar. Üblicherweise kann man in C-Programmen ADC verwenden, was analog zu den anderen 16-Bit-Registern benannt ist. ADCW (ADC Word) existiert nur deshalb, weil die Headerdateien auch für Assembler vorgesehen sind und es bereits einen Assembler-Befehl namens ''adc'' gibt.

Im Umgang mit 16-Bit Registern siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Related Pages/Frequently Asked Questions/Nr. 8
* Datenblatt Abschnitt ''Accessing 16-bit Registers''

== IO-Register als Parameter und Variablen ==

Um Register als Parameter für eigene Funktionen übergeben zu können, muss man sie als einen volatile uint8_t Pointer übergeben. Zum Beispiel:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

uint8_t key_pressed (volatile uint8_t *inputreg, uint8_t inputbit)
{
static uint8_t last_state = 0;

if (last_state == (*inputreg & (1<<inputbit)))
return 0; /* keine Änderung */

/* Wenn doch, warten bis etwaiges Prellen vorbei ist: */
_delay_ms(20);

/* Zustand für nächsten Aufruf merken: */
last_state = *inputreg & (1<<inputbit);

/* und den entprellten Tastendruck zurückgeben: */
return *inputreg & (1<<inputbit);
}

/* Beispiel für einen Funktionsaufruf: */

void foo (void)
{
uint8_t i = key_pressed (&PINB, PB1);
}
</c>

Ein Aufruf der Funktion mit call by value würde Folgendes bewirken: Beim Funktionseintritt wird nur eine Kopie des momentanen Portzustandes angefertigt, die sich unabhängig vom tatsächlichen Zustand das Ports nicht mehr ändert, womit die Funktion wirkungslos wäre. Die Übergabe eines Zeigers wäre die Lösung, wenn der Compiler nicht optimieren würde. Denn dadurch wird im Programm nicht von der Hardware gelesen, sondern wieder nur von einem Abbild im Speicher. Das Ergebnis wäre das gleiche wie oben. Mit dem Schlüsselwort volatile sagt man nun dem Compiler, dass die entsprechende Variable entweder durch andere Softwareroutinen (Interrupts) oder durch die Hardware verändert werden kann.

= Zugriff auf IO-Ports =

Jeder AVR implementiert eine unterschiedliche Menge an GPIO-Registern
(GPIO - General Purpose Input/Output). Diese Register dienen dazu:
* einzustellen welche der Anschlüsse ("Beinchen") des Controllers als Ein- oder Ausgänge dienen
* bei Ausgängen deren Zustand festzulegen
* bei Eingängen deren Zustand zu erfassen

Mittels GPIO werden digitale Zustände gesetzt und erfasst, d.h. die Spannung an einem Ausgang wird ein- oder ausgeschaltet und an einem Eingang wird erfasst, ob die anliegende Spannung über oder unter einem bestimmten Schwellwert liegt. Im Datenblatt Abschnitt Electrical Characteristics/DC Characteristics finden sich die Spannungswerte (V_OL, V_OH für Ausgänge, V_IL, V_IH für Eingänge).

Die Verarbeitung von analogen Eingangswerten und die Ausgabe von Analogwerten wird in Kapitel [[AVR-GCC-Tutorial#Analoge_Ein-_und_Ausgabe|Analoge Ein- und Ausgabe]] behandelt.

Alle Ports der AVR-Controller werden über Register gesteuert. Dazu sind jedem Port 3 Register zugeordnet:

{| class="wikitable"
|-
! DDRx
| Datenrichtungsregister für Port'''x'''.
'''x''' entspricht '''A''', '''B''', ''' C''', '''D''' usw. (abhängig von der Anzahl der Ports des verwendeten AVR). Bit im Register gesetzt (1) für Ausgang, Bit gelöscht (0) für Eingang.
|-
! PINx
| Eingangsadresse für Port'''x'''.
Zustand des Ports. Die Bits in PINx entsprechen dem Zustand der als Eingang definierten Portpins. Bit 1 wenn Pin "high", Bit 0 wenn Portpin low.
|-
! PORTx
| Datenregister für Port'''x'''.
Dieses Register wird verwendet, um die Ausgänge eines Ports anzusteuern. Bei Pins, die mittels DDRx auf Eingang geschaltet wurden, können über PORTx
die internen Pull-Up Widerstände aktiviert oder deaktiviert werden (1 = aktiv).
|}

Die folgenden Beispiele gehen von einem AVR aus, der sowohl Port A als auch Port B besitzt. Sie müssen für andere AVRs (zum Beispiel ATmega8/48/88/168) entsprechend angepasst werden.

== Datenrichtung bestimmen ==

Zuerst muss die Datenrichtung der verwendeten Pins bestimmt werden. Um dies zu erreichen, wird das Datenrichtungsregister des entsprechenden Ports beschrieben.

Für jeden Pin, der als Ausgang verwendet werden soll, muss dabei das
entsprechende Bit auf dem Port gesetzt werden. Soll der Pin als Eingang
verwendet werden, muss das entsprechende Bit gelöscht sein.

Beispiel:
Angenommen am Port B sollen die Pins 0 bis 4 als Ausgänge definiert werden, die noch verbleibenden Pins 5 bis 7 sollen als Eingänge fungieren. Dazu ist es daher notwendig, im für das Port B zuständigen Datenrichtungsregister DDRB folgende Bitkonfiguration einzutragen

+---+---+---+---+---+---+---+---+
| 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
+---+---+---+---+---+---+---+---+
7 6 5 4 3 2 1 0

In C liest sich das dann so:

<c>
// in io.h wird u.a. DDRB definiert:
#include <avr/io.h>

int main()
{
// Setzen der Bits 0,1,2,3 und 4
// Binär 00011111 = Hexadezimal 1F
// direkte Zuweisung - standardkonform */
DDRB = 0x1F; /*

// übersichtliche Alternative - Binärschreibweise, aber kein ISO-C
DDRB = 0b00011111;

// Ausführliche Schreibweise: identische Funktionalität, mehr Tipparbeit
// aber übersichtlicher und selbsterklärend:
DDRB = (1 << DDB0) | (1 << DDB1) | (1 << DDB2) | (1 << DDB3) | (1 << DDB4);
</c>

Die Pins 5 bis 7 werden (da 0) als Eingänge geschaltet. Weitere Beispiele:

<c>
// Alle Pins des Ports B als Ausgang definieren:
DDRB = 0xff;
// Pin0 wieder auf Eingang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB &= ~(1 << DDB0);
// Pin 3 und 4 auf Eingang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB &= ~((1 << DDB3) | (1 << DDB4));
// Pin 0 und 3 wieder auf Ausgang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB |= (1 << DDB0) | (1 << DDB3);
// Alle Pins auf Eingang:
DDRB = 0x00;
</c>

== Vordefinierte Bitnummern für I/O-Register ==

Die Bitnummern (z. B. PCx, PINCx und DDCx für den Port C) sind in den io*.h-Dateien der avr-libc definiert und dienen lediglich der besseren Lesbarkeit. Man muss diese Definitionen nicht verwenden oder kann auch einfach "immer" PAx, PBx, PCx usw. nutzen, auch wenn der Zugriff auf Bits in DDRx- oder PINx-Registern erfolgt. Für den Compiler sind die Ausdrücke (1<<PC7), (1<<DDC7) und (1<<PINC7) identisch zu (1<<7) (genauer: der Präprozessor ersetzt die Ausdrücke (1<<PC7),... zu (1<<7)). Ein Ausschnitt der Definitionen für Port C eines ATmega32 aus der iom32.h-Datei zur Verdeutlichung (analog für die weiteren Ports):

<c>
...
/* PORTC */
#define PC7 7
#define PC6 6
#define PC5 5
#define PC4 4
#define PC3 3
#define PC2 2
#define PC1 1
#define PC0 0

/* DDRC */
#define DDC7 7
#define DDC6 6
#define DDC5 5
#define DDC4 4
#define DDC3 3
#define DDC2 2
#define DDC1 1
#define DDC0 0

/* PINC */
#define PINC7 7
#define PINC6 6
#define PINC5 5
#define PINC4 4
#define PINC3 3
#define PINC2 2
#define PINC1 1
#define PINC0 0
</c>

== Digitale Signale ==

Am einfachsten ist es, digitale Signale mit dem Mikrocontroller zu erfassen bzw. auszugeben.

== Ausgänge ==
Will man als Ausgang definierte Pins (entsprechende DDRx-Bits = 1) auf Logisch 1 setzen, setzt man die entsprechenden Bits im Portregister.

Mit dem Befehl
<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB = 0x04; /* besser PORTB=(1<<PB2) */

// übersichtliche Alternative - Binärschreibweise
PORTB = 0b00000100; /* direkte Zuweisung - übersichtlich */

</c>
wird also der Ausgang an Pin PB2 gesetzt (Beachte, dass die Bits immer ''von 0 an'' gezählt werden, das niederwertigste Bit ist also Bitnummer 0 und nicht etwa Bitnummer 1).

Man beachte, dass bei der Zuweisung mittels '''=''' immer alle Pins gleichzeitig angegeben werden. Man sollte also, wenn nur bestimmte Ausgänge geschaltet werden sollen, zuerst den aktuellen Wert des Ports einlesen und das Bit des gewünschten Ports in diesen Wert einfließen lassen. Will man also nur den dritten Pin (Bit Nr. 2) an Port B auf "high" setzen und den Status der anderen Ausgänge unverändert lassen, nutze man diese Form:

<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB = PORTB | 0x04; /* besser: PORTB = PORTB | ( 1<<PB2 ) */
/* vereinfacht durch Nutzung des |= Operators : */
PORTB |= (1<<PB2);

/* auch mehrere "gleichzeitig": */
PORTB |= (1<<PB4) | (1<<PB5); /* Pins PB4 und PB5 "high" */
</c>

"Ausschalten", also Ausgänge auf "low" setzen, erfolgt analog:

<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB &= ~(1<<PB2); /* löscht Bit 2 in PORTB und setzt damit Pin PB2 auf low */
PORTB &= ~( (1<<PB4) | (1<<PB5) ); /* Pin PB4 und Pin PB5 "low" */
</c>
Siehe auch [[Bitmanipulation]]

In Quellcodes, die für ältere Version den des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, werden einzelne Bits mittels der Funktionen sbi und cbi gesetzt bzw. gelöscht. Beide Funktionen sind in aktuellen Versionen der avr-libc nicht mehr enthalten und auch nicht mehr erforderlich.

''Falls der Anfangszustand von Ausgängen kritisch ist, muss die Reihenfolge beachtet werden, mit der die Datenrichtung (DDRx) eingestellt und der Ausgabewert (PORTx) gesetzt wird:''

Für Ausgangspins, die mit Anfangswert "high" initialisiert werden sollen:
* zuerst die Bits im PORTx-Register setzen
* anschließend die Datenrichtung auf Ausgang stellen

Daraus ergibt sich die Abfolge für einen Pin, der bisher als Eingang mit abgeschaltetem Pull-Up konfiguriert war:
* setze PORTx: interner Pull-Up aktiv
* setze DDRx: Ausgang ("high")

Bei der Reihenfolge erst DDRx und dann PORTx kann es zu einem kurzen "low-Puls" kommen, der auch externe Pull-Up-Widerstände "überstimmt". Die (ungünstige) Abfolge: Eingang -> setze DDRx: Ausgang (auf "low", da PORTx nach Reset 0) -> setze PORTx: Ausgang auf high. Vergleiche dazu auch das Datenblatt Abschnitt ''Configuring the Pin''.

== Eingänge (Wie kommen Signale in den µC) ==

Die digitalen Eingangssignale können auf verschiedene Arten zu unserer Logik gelangen.

=== Signalkopplung ===

Am einfachsten ist es, wenn die Signale direkt aus einer anderen digitalen Schaltung übernommen werden können. Hat der Ausgang der entsprechenden Schaltung TTL-Pegel dann können wir sogar direkt den Ausgang der Schaltung mit einem Eingangspin von unserem Controller verbinden.

Hat der Ausgang der anderen Schaltung keinen TTL-Pegel so müssen wir den Pegel über entsprechende Hardware (z. B. Optokoppler, [[Widerstand#Spannungsteiler|Spannungsteiler]], "Levelshifter" aka [[Pegelwandler]]) anpassen.

Die Masse der beiden Schaltungen muss selbstverständlich miteinander verbunden werden. Der Software selber ist es natürlich letztendlich egal, wie das Signal eingespeist wird. Wir können ja ohnehin lediglich prüfen, ob an einem Pin unseres Controllers eine logische 1 (Spannung größer ca. 0,7*Vcc) oder eine logische 0 (Spannung kleiner ca. 0,2*Vcc) anliegt. Detaillierte Informationen darüber, ab welcher Spannung ein Eingang als 0 ("low") bzw. 1 ("high") erkannt wird, liefert die Tabelle DC Characteristics im Datenblatt des genutzten Controllers.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''Spannungstabelle''' (ca. Grenzwerte)
|
! Low || High
|-
! bei 5 V
| 1 V || 3,5 V
|-
! bei 3,3 V
| 0,66 V || 2,31 V
|-
! bei 1,8 V
| 0,36 V || 1,26 V
|}

Die Abfrage der Zustände der Portpins erfolgt direkt über den Registernamen.

{{Warnung|Dabei ist wichtig, zur Abfrage der Eingänge ''nicht'' etwa Portregister '''PORTx''' zu verwenden, sondern Eingangsregister '''PINx'''. Ansonsten liest man nicht den Zustand der Eingänge, sondern den Status der internen Pull-Up-Widerstände. Die Abfrage der Pinzustände über PORTx statt PINx ist ein häufiger Fehler beim AVR-"Erstkontakt".}}

Will man also die aktuellen Signalzustände von Port D abfragen und in eine Variable namens bPortD abspeichern, schreibt man folgende Befehlszeilen:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>
...
uint8_t bPortD;
...
bPortD = PIND;
...
</c>

Mit den C-Bitoperationen kann man den Status der Bits abfragen.

<c>
#include <avr/io.h>
...
/* Fuehre Aktion aus, wenn Bit Nr. 1 (das "zweite" Bit) in PINC gesetzt (1) ist */
if ( PINC & (1<<PINC1) ) {
/* Aktion */
}

/* Fuehre Aktion aus, wenn Bit Nr. 2 (das "dritte" Bit) in PINB geloescht (0) ist */
if ( !(PINB & (1<<PINB2)) ) {
/* Aktion */
}
...
</c>
Siehe auch [[Bitmanipulation#Bits_prüfen]]

=== Interne Pull-Up Widerstände ===

Portpins für Ein- und Ausgänge (GPIO) eines AVR verfügen über zuschaltbare interne Pull-Up Widerstände (nominal mehrere 10kOhm, z. B. ATmega16 20-50kOhm). Diese können in vielen Fällen statt externer Widerstände genutzt werden.

Die internen Pull-Up Widerstände von Vcc zu den einzelnen Portpins werden über das Register ''' PORTx''' aktiviert bzw. deaktiviert, wenn ein Pin als ''' Eingang''' geschaltet ist.

Wird der Wert des entsprechenden Portpins auf 1 gesetzt, so ist der Pull-Up Widerstand aktiviert. Bei einem Wert von 0 ist der Pull-Up Widerstand nicht aktiv. Man sollte jeweils entweder den internen oder einen externen Pull-Up Widerstand verwenden, aber nicht beide zusammen.

Im Beispiel werden alle Pins des Ports D als Eingänge geschaltet und alle Pull-Up Widerstände aktiviert. Weiterhin wird Pin PC7 als Eingang geschaltet und dessen interner Pull-Up Widerstand aktiviert, ohne die Einstellungen für die anderen Portpins (PC0-PC6) zu verändern.

<c>
#include <avr/io.h>
...
DDRD = 0x00; /* alle Pins von Port D als Eingang */
PORTD = 0xff; /* interne Pull-Ups an allen Port-Pins aktivieren */
...
DDRC &= ~(1<<PC7); /* Pin PC7 als Eingang */
PORTC |= (1<<PC7); /* internen Pull-Up an PC7 aktivieren */
</c>

=== Tasten und Schalter ===

Der Anschluss mechanischer Kontakte an den Mikrocontroller, ist zwischen zwei unterschiedliche Methoden zu unterscheiden: ''Active Low'' und ''Active High''.

<gallery widths="300" heights="300" caption="Anschluss mechanischer Kontakte an einen µC">
Image:Active Low.gif|'''Active Low:''' Bei dieser Methode wird der Kontakt zwischen den Eingangspin des Controllers und Masse geschaltet. Damit bei offenem Schalter der Controller kein undefiniertes Signal bekommt, wird zwischen die Versorgungsspannung und den Eingangspin ein sogenannter '''Pull-Up''' Widerstand geschaltet. Dieser dient dazu, den Pegel bei geöffnetem Schalter auf logisch 1 zu ziehen.
Image:Active High.gif|'''Active High:''' Hier wird der Kontakt zwischen die Versorgungsspannung und den Eingangspin geschaltet. Damit bei offener Schalterstellung kein undefiniertes Signal am Controller ansteht, wird zwischen den Eingangspin und die Masse ein '''Pull-Down''' Widerstand geschaltet. Dieser dient dazu, den Pegel bei geöffneter Schalterstellung auf logisch 0 zu halten.
</gallery>

Der Widerstandswert von Pull-Up- und Pull-Down-Widerständen ist an sich nicht kritisch. Wird er allerdings zu hoch gewählt, ist die Wirkung eventuell nicht gegeben. Als üblicher Wert haben sich 10 kOhm eingebürgert. Die AVRs verfügen an den meisten Pins über zuschaltbare interne Pull-Up Widerstände (vgl. Abschnitt [[AVR-GCC-Tutorial#Interne Pull-Up Widerstände|Interne Pull-Up Widerstände]]), welche insbesondere wie hier bei Tastern und ähnlichen Bauteilen (z. B. Drehgebern) statt externer Bauteile verwendet werden können. Interne Pull-Down-Widerstand sind nicht verfügbar und müssen daher in Form zusätzlicher Bauteile in die Schaltung eingefügt werden.

==== (Tasten-)Entprellung ====

Siehe: ''[[Entprellung#Warteschleifen-Verfahren|Entprellung: Warteschleifen-Verfahren]]

= Analoge Ein- und Ausgabe =

Analoge Eingangswerte werden in der Regel über den AVR Analog-Digital-Converter (AD-Wandler, ADC) eingelesen, der in vielen Typen verfügbar ist (typisch 10bit Auflösung). Durch diesen werden analoge Signale (Spannungen) in digitale Zahlenwerte gewandelt. Bei AVRs, die über keinen internen AD-Wandler verfügen (z. B. ATmega162), kann durch externe Beschaltung (R/C-Netzwerk und "Zeitmessung") die Funktion des AD-Wandlers "emuliert" werden.

Es gibt innerhalb der ATMega- und ATTiny-AVR Reihe keine Typen mit eingebautem Digital-Analog-Konverter (DAC) - diese Funktion ist erst ab der XMEGA-Reihe der AVR-Familie verfügbar, die aber wegen ihrer vielen Unterschiede im Umfang dieses Tutorials nicht behandelt wird.
Die Umsetzung zu einer analogen Spannung muss daher durch externe Komponenten vorgenommen werden. Das kann z. B. durch PWM und deren Filterung zu (fast) DC, oder einem sogenannten R2R-Netzwerk erfolgen.

Unabhängig davon besteht natürlich immer die Möglichkeit, spezielle Bausteine zur Analog-Digital- bzw. Digital-Analog-Wandlung zu nutzen und diese über eine digitale Schnittstelle (z.b. SPI oder I2C) mit einem AVR anzusteuern.

== AC (Analog Comparator) ==

Der Comparator vergleicht 2 Spannungen an den Pins AIN0 und AIN1 und gibt einen Status aus welche der beiden Spannungen größer ist. AIN0 Dient dabei als Referenzspannung (Sollwert) und AIN1 als Vergleichsspannung (Istwert). Als Referenzspannung kann auch alternativ eine interne Referenzspannung ausgewählt werden.

Liegt die Vergleichsspannung (IST) unter der der Referenzspannung (SOLL) gibt der Comperator eine logische 1 aus. Ist die Vergleichsspannung hingegen größer als die Referenzspannung wird eine logische 0 ausgegeben.

Der Comparator arbeitet völlig autark bzw. parallel zum Prozessor. Für mobile Anwendungen empfiehlt es sich ihn abzuschalten sofern er nicht benötigt wird, da er ansonsten Strom benötigt. Der Comparator kann Interruptgesteuert abgefragt werden oder im Pollingbetrieb.

Das Steuer- bzw. Statusregister ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''ACSR - Analog Comparator Status Register'''
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''ACD'''|| '''ACBG'''|| '''ACO'''|| '''ACI'''|| '''ACIE'''|| '''ACIC'''|| '''ACIS1'''|| '''ACIS0'''
|-
! R/W
| R/W|| R/W|| R|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| n/a|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

;Bit 7 ACD: Analog Comparator Disable: 0 = Comparator ein, 1 = Comparator aus. Wird dieses Bit geändert kann ein Interrupt ausgelöst werden. Soll dies vermieden werden muss das Bit 3 ACIE ggf. abgeschaltet werden.

;Bit 6 ACBG: Analog Comparator Bandgap Select: Ermöglicht das umschalten zwischen interner und externer Referenzspannung. 1 = interne (~1,3 Volt), 0 = externe Referenzspannung (an Pin AIN0)

;Bit 5 ACO: Analog Comparator Output: Hier wird das Ergebnis des Vergleichs angezeigt. Es liegt typischerweise nach 1-2 Taktzyklen vor.
:: IST < SOLL → 1
:: IST > SOLL → 0

;Bit 4 ACI: Analog Comparator Interrupt Flag: Dieses Bit wird von der Hardware gesetzt, wenn ein Interruptereignis, das in Bit 0 und 1 definiert ist, eintritt. Dieses Bit löst noch keinen Interrupt aus! Die Interruptroutine wird nur dann ausgeführt, wenn das Bit 3 ACIE gesetzt ist und global Interrupts erlaubt sind (I-Bit in SREG gesetzt). Das Bit 4 ACI wird wieder gelöscht, wenn die Interruptroutine ausgeführt wurde oder wenn es manuell auf 1! gesetzt wird. Das Bit kann für Abfragen genutzt werden, steuert oder konfiguriert aber nicht den Comparator.

;Bit 3 ACIE: Analog Comparator Interrupt Enable: Ist das Bit auf 1 gesetzt, wird immer ein Interrupt ausgelöst, wenn das Ereignis das in Bit 1 und 0 definiert ist, eintritt.

;Bit 2 ACIC: Analog Comparator Input Capture Enable: Wird das Bit gesetzt, wird der Comparatorausgang intern mit dem Counter 1 verbunden. Es könnten damit z.b. die Anzahl der Vergleiche im Counter1 gezählt werden. Um den Comparator an den Timer1 Input Capture Interrupt zu verbinden, muss im Timerregister das TICIE1 Bit auf 1 gesetzt werden. Der Trigger wird immer dann ausgelöst, wenn das in Bit 1 und 0 definierte Ereignis eintritt.

;Bit 1,0 ACIS1,ACIS0: Analog Comparator Interrupt select: Hier wird definiert, welche Ereignisse einen Interrupt auslösen sollen:
:* 00 = Interrupt auslösen bei jedem Flankenwechsel
:* 10 = Interrupt auslösen bei fallender Flanke
:* 11 = Interrupt auslösen bei steigender Flanke

Werden diese Bit geändert, kann ein Interrupt ausgelöst werden. Soll dies vermieden werden, muss das Bit 3 gelöscht werden.

== ADC (Analog Digital Converter) ==

Der Analog-Digital-Konverter (ADC) wandelt analoge Signale in digitale Werte um, welche vom Controller interpretiert werden können. Einige AVR-Typen haben bereits einen mehrkanaligen Analog-Digital-Konverter eingebaut. Die Feinheit, mit welcher ein analoges Signal aufgelöst werden kann, wird durch die Auflösung des ADC, d.h. durch die Anzahl der verwendeten Bits angegeben. So sind derzeit bspw. 8-Bit- oder 10-Bit-ADC im Einsatz. ADCs, die in AVRs enthalten sind, haben zur Zeit eine maximale Auflösung von 10-Bit.

Ein ADC mit 8 Bit Auflösung kann somit das analoge Signal in Abstufungen von 1/256 des Maximalwertes digitalisieren. Wenn wir nun mal annehmen, wir hätten eine Eingangspannung zwischen 0 und 5 Volt, eine Referenzspannung von 5 V und eine Auflösung von 3 Bit, dann könnten
Intervalle mit den Grenzen 0 V, 0.625 V, 1.25 V, 1.875 V, 2.5 V, 3.125 V, 3.75 V, 4.375 V, 5 V entsprechend folgender Tabelle unterschieden werden:

::{| class="wikitable" style="text-align:center"
! Eingangsspannung am ADC / V || Entsprechender Messwert
|-
| 0 – 0.625 || 0
|-
| 0.625 – 1.25 || 1
|-
| 1.25 – 1.875 || 2
|-
| 1.875 – 2.5 || 3
|-
| 2.5 – 3.125 || 4
|-
| 3.125 – 3.75 || 5
|-
| 3.75 – 4.375 || 6
|-
| 4.375 – 5 || 7
|}

Die Angaben sind natürlich nur ungefähr. Je höher nun die Auflösung des Analog-Digital-Konverters ist, also, je mehr Bits er hat, desto genauer kann der jeweilige Wert erfasst werden.

=== Der interne ADC im AVR ===

Oft sind auch mehrere Kanäle verfügbar. Kanäle heißt in diesem Zusammenhang, dass zwar bis zu zehn analoge Eingänge am AVR vorhanden sind, aber nur ein "echter" Analog-Digital-Wandler zur Verfügung steht. Vor der eigentlichen Messung ist also festzulegen, welcher Kanal ("Pin") mit dem Wandler verbunden und gemessen wird.

Die Umwandlung innerhalb des AVR basiert auf der schrittweisen Näherung. Beim AVR müssen die Pins '''AGND''' und '''AVCC''' beschaltet werden. Für genaue Messungen sollte AVCC über ein L-C Netzwerk mit VCC verbunden werden, um Spannungsspitzen und -einbrüche vom Analog-Digital-Wandler fernzuhalten. Im Datenblatt findet sich dazu eine Schaltung, die 10uH und 100nF vorsieht.

Das Ergebnis der Analog-Digital-Wandlung wird auf eine Referenzspannung bezogen. Aktuelle AVRs bieten drei Möglichkeiten zur Wahl dieser Spannung:

* Eine externe Referenzspannung von maximal '''Vcc''' am Anschlusspin '''AREF'''. Die minimale (externe) Referenzspannung darf jedoch nicht beliebig niedrig sein, vgl. dazu das (aktuellste) Datenblatt des verwendeten Controllers.

* Verfügt der AVR über eine interne Referenzspannung, kann diese genutzt werden. Alle aktuellen AVRs mit internem AD-Wandler sollten damit ausgestattet sein (vgl. Datenblatt: 2,56V oder 1,1V je nach Typ). Das Datenblatt gibt auch über die Genauigkeit dieser Spannung Auskunft.

* Es kann die Spannung AVcc als Referenzspannung herangezogen werden

Bei Nutzung von AVcc oder der internen Referenz wird empfohlen, einen Kondensator zwischen dem AREF-Pin und GND anzuordnen. Die Festlegung, welche Spannungsreferenz genutzt wird, erfolgt z. B. beim ATmega16 mit den Bits REFS1/REFS0 im ADMUX-Register. Die zu messende Spannung muss im Bereich zwischen '''AGND''' und '''AREF''' (egal ob intern oder extern) liegen.

Der '''ADC''' kann in zwei verschiedenen Betriebsarten verwendet werden:

; Einfache Wandlung (Single Conversion) : In dieser Betriebsart wird der Wandler bei Bedarf vom Programm angestoßen für jeweils eine Messung.

; Frei laufend (Free Running) : In dieser Betriebsart erfasst der Wandler permanent die anliegende Spannung und schreibt diese in das '''ADC Data Register'''.

==== Die Register des ADC ====

Der '''ADC''' verfügt über eigene Register. Im Folgenden die Registerbeschreibung eines ATMega16, welcher über 8 ADC-Kanäle verfügt. Die Register unterscheiden sich jedoch nicht erheblich von denen anderer AVRs (vgl. Datenblatt).

{| class="wikitable"
|-
| '''ADCSRA   '''
| '''ADC''' '''C'''ontrol and '''S'''tatus '''R'''egister A. 
In diesem Register stellen wir ein, wie wir den '''ADC''' verwenden möchten. 
Das Register ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''ADEN'''|| '''ADSC'''|| '''ADFR'''|| '''ADIF'''|| '''ADIE'''|| '''ADPS2'''|| '''ADPS1'''|| '''ADPS0'''
|-
! R/W
| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

'''ADEN''' ('''AD'''C '''En'''able)
:Dieses Bit muss gesetzt werden, um den ''' ADC''' überhaupt zu aktivieren. Wenn das Bit nicht gesetzt ist, können die Pins wie normale I/O-Pins verwendet werden.

'''ADSC''' ('''AD'''C '''S'''tart '''C'''onversion)
:Mit diesem Bit wird ein Messvorgang gestartet. In der frei laufenden Betriebsart muss das Bit gesetzt werden, um die kontinuierliche Messung zu aktivieren.
:Wenn das Bit nach dem Setzen des '''ADEN'''-Bits zum ersten Mal gesetzt wird, führt der Controller zuerst eine zusätzliche Wandlung und erst dann die eigentliche Wandlung aus. Diese zusätzliche Wandlung wird zu Initialisierungszwecken durchgeführt.
:Das Bit bleibt nun so lange auf 1, bis die Umwandlung abgeschlossen ist, im Initialisierungsfall entsprechend bis die zweite Umwandlung erfolgt ist und geht danach auf 0.

'''ADFR''' ('''AD'''C '''F'''ree '''R'''un select)
:Mit diesem Bit wird die Betriebsart eingestellt.
:Ist das Bit auf 1 gesetzt arbeitet der ADC im "Free Running"-Modus. Dabei wird das Datenregister permanent aktualisiert. Ist das Bit hingegen auf 0 gesetzt, macht der ADC nur eine "Single Conversion".

'''ADIF''' ('''AD'''C '''I'''nterrupt '''F'''lag)
:Dieses Bit wird vom ''' ADC''' gesetzt, sobald eine Umwandlung erfolgt ist und das '''ADC Data Register''' aktualisiert wurde. Das Bit wird bei lesendem Zugriff auf '''ADC(L,H)''' automatisch (d.h. durch die Hardware) gelöscht.
:Wenn das '''ADIE''' Bit sowie das '''I-Bit''' im AVR '''Statusregister''' gesetzt ist, wird der '''ADC Interrupt''' ausgelöst und die Interrupt-Behandlungsroutine aufgerufen.
:Das Bit wird automatisch gelöscht, wenn die Interrupt-Behandlungsroutine aufgerufen wird. Es kann jedoch auch gelöscht werden, indem eine logische '''1'''! in das Register geschrieben wird.

'''ADIE''' ('''AD'''C '''I'''nterrupt '''E'''nable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist und ebenso das ''' I-Bit''' im Statusregister '''SREG''', dann wird der ''' ADC-Interrupt''' aktiviert.

'''ADPS2...ADPS0''' ('''AD'''C '''P'''rescaler '''S'''elect Bits)
:Diese Bits bestimmen den Teilungsfaktor zwischen der Taktfrequenz und dem Eingangstakt des '''ADC'''.
:Der '''ADC''' benötigt einen eigenen Takt, welchen er sich selber aus der CPU-Taktfreqenz erzeugt. Der '''ADC'''-Takt sollte zwischen 50 und 200kHz liegen.
:Der Vorteiler muss also so eingestellt werden, dass CPU-Taktfrequenz dividiert durch den Teilungsfaktor einen Wert im Bereich '''(50-200)kHz''' ergibt.
:Bei einer CPU-Taktfrequenz von 4MHz beispielsweise rechnen wir

:<math>
\begin{matrix}
TF_{min}=\frac{CLK}{200\,\mathrm{kHz}}=\frac{4000000}{200000}=\mathbf{20}
\\
\\
TF_{max}=\frac{CLK}{50\,\mathrm{kHz}}=\frac{4000000}{50000}=\mathbf{80}
\end{matrix}
</math>

:Somit kann hier der Teilungsfaktor 32 oder 64 verwendet werden. Im Interesse der schnelleren Wandlungszeit werden wir hier den Faktor 32 einstellen.

:{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! '''ADPS2'''|| '''ADPS1'''|| '''ADPS0'''|| '''Teilungsfaktor'''
|-
| 0|| 0|| 0|| 2
|-
| 0|| 0|| 1|| 2
|-
| 0|| 1|| 0|| 4
|-
| 0|| 1|| 1|| 8
|-
| 1|| 0|| 0|| 16
|-
| 1|| 0|| 1|| 32
|-
| 1|| 1|| 0|| 64
|-
| 1|| 1|| 1|| 128
|}

|-
| '''ADCL''' 
'''ADCH'''
| '''ADC ''' Data Register 
Wenn eine Umwandlung abgeschlossen ist, befindet sich der gemessene Wert in
diesen beiden Registern. Von '''ADCH''' werden nur die beiden niederwertigsten Bits verwendet. Es müssen immer beide Register ausgelesen werden, und zwar immer '''in der Reihenfolge: ADCL, ADCH'''.
Der effektive Messwert ergibt sich dann zu:

<c>
x = ADCL; // mit uint16_t x
x += (ADCH<<8); // in zwei Zeilen (LSB/MSB-Reihenfolge und
// C-Operatorpriorität sichergestellt)
</c>

oder

<c>
x = ADCW; // je nach AVR auch x = ADC (siehe avr/ioxxx.h)
</c>

|-
| '''ADMUX  '''
| '''AD'''C '''Mu'''ltiple'''x'''er Select Register 
Mit diesem Register wird der zu messende Kanal ausgewählt. Beim 90S8535
kann jeder Pin von Port A als '''ADC'''-Eingang verwendet werden (=8 Kanäle). 
Das Register ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''REFS1'''|| '''REFS0'''|| '''ADLAR'''|| '''MUX4'''|| '''MUX3'''|| '''MUX2'''|| '''MUX1'''|| '''MUX0'''
|-
! '''R/W'''
| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

'''REFS1...REFS0''' ('''Ref'''erence'''S'''election Bits)
:Mit diesen Bits kann die Referenzspannung eingestellt werden. Bei der Umstellung sind Wartezeiten zu beachten, bis die ADC-Hardware einsatzfähig ist (Datenblatt und [http://www.mikrocontroller.net/topic/165513]):

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! '''REFS1'''|| '''REFS0'''|| '''Referenzspanung'''
|-
| 0|| 0|| Externes AREF
|-
| 0|| 1|| AVCC als Referenz
|-
| 1|| 0|| Reserviert
|-
| 1|| 1|| Interne 2,56 Volt
|}

'''ADLAR''' ('''ADC ''' '''L'''eft '''A'''djust '''R'''esult)
:Das ADLAR Bit verändert das Aussehen des Ergebnisses der AD-Wandlung. Bei einer logischen 1 wird das Ergebnis linksbündig ausgegeben, bei einer 0 rechtsbündig. Eine Änderung in diesem Bit beeinflusst das Ergebnis sofort, ganz egal ob bereits eine Wandlung läuft.

'''MUX4...MUX0'''
:Mit diesen 5 Bits wird der zu messende Kanal bestimmt. Wenn man einen einfachen 1-kanaligen ADC verwendet wird einfach die entsprechende Pinnummer des Ports in die Bits 0...2 eingeschrieben.
:Wenn das Register beschrieben wird, während dem eine Umwandlung läuft, so wird zuerst die aktuelle Umwandlung auf dem bisherigen Kanal beendet. Dies ist vor allem beim frei laufenden Betrieb zu berücksichtigen.

:Eine Empfehlung ist deswegen diese, dass der frei laufende Betrieb nur bei einem einzelnen zu verwendenden Analogeingang verwendet werden sollte, wenn man sich Probleme bei der Umschalterei ersparen will.
|}

==== Nutzung des ADC ====

Um den ''' ADC''' zu aktivieren, müssen wir das '''ADEN'''-Bit im '''ADCSR'''-Register setzen. Im gleichen Schritt legen wir auch die Betriebsart fest.

Ein kleines Beispiel für den "single conversion"-Mode bei einem ATmega169 und Nutzung der internen Referenzspannung (beim '169 1,1V bei anderen AVRs auch 2,56V). D.h. das Eingangssignal darf diese Spannung nicht überschreiten, gegebenenfalls muss es mit einem [[Spannungsteiler]] verringert werden. Das Ergebnis der Routine ist der ADC-Wert, also 0 für 0-Volt und 1023 für V_ref-Volt.

In der praktischen Anwendung wird man zum Programmstart den ADC erst einmal grundlegend konfigurieren und dann auf verschiedenen Kanälen messen. Diese beiden Dinge sollte man meist trennen, denn das Einschalten des ADC und vor allem der Referenzspannung dauert ein paar Dutzend Mikrosekunden. Außerdem ist das erste Ergebnis nach dem Einschalten ungültig und muss verworfen werden.

<c>

/* ADC initialisieren */
void ADC_Init(void) {

uint16_t result;

// ADMUX = (0<<REFS1) | (1<<REFS0); // AVcc als Referenz benutzen
ADMUX = (1<<REFS1) | (1<<REFS0); // interne Referenzspannung nutzen
ADCSRA = (1<<ADPS1) | (1<<ADPS0); // Frequenzvorteiler
ADCSRA |= (1<<ADEN); // ADC aktivieren

/* nach Aktivieren des ADC wird ein "Dummy-Readout" empfohlen, man liest
also einen Wert und verwirft diesen, um den ADC "warmlaufen zu lassen" */

ADCSRA |= (1<<ADSC); // eine ADC-Wandlung
while (ADCSRA & (1<<ADSC) ) {} // auf Abschluss der Konvertierung warten
/* ADCW muss einmal gelesen werden, sonst wird Ergebnis der nächsten
Wandlung nicht übernommen. */
result = ADCW;
}

/* ADC Einzelmessung */
uint16_t ADC_Read( uint8_t channel )
{
// Kanal waehlen, ohne andere Bits zu beeinflußen
ADMUX = (ADMUX & ~(0x1F)) | (channel & 0x1F);
ADCSRA |= (1<<ADSC); // eine Wandlung "single conversion"
while (ADCSRA & (1<<ADSC) ) {} // auf Abschluss der Konvertierung warten
return ADCW; // ADC auslesen und zurückgeben
}

/* ADC Mehrfachmessung mit Mittelwertbbildung */
uint16_t ADC_Read_Avg( uint8_t channel, uint8_t average )
{
uint32_t result = 0;

for (uint8_t i = 0; i < average; ++i )
result += ADC_Read( channel );

return (uint16_t)( result / average );
}

...

/* Beispielaufrufe: */

int main()
{
uint16_t adcval;
ADC_Init();

while( 1 ) {
adcval = ADC_Read(0); // Kanal 0
// mach was mit adcval

adcval = ADC_Read_Avg(2, 4); // Kanal 2, Mittelwert aus 4 Messungen
// mach was mit adcval
}
}

</c>

Im Beispiel läuft der ADC ständig. Für den Fall, dass man Strom sparen will, z.B. mittels Verwendung des [[Sleep Mode]]s, muss man den ADC nach jeder Messung abschalten und vor der nächsten Messung wieder einschalten, wobei auch dann wieder eine kleine Pause und Anfangswandlung nötig sind.



=== Analog-Digital-Wandlung ohne internen ADC ===

==== Messen eines Widerstandes ====

[[Image:Poti.gif|framed|right]]
Analoge Werte lassen sich ohne Analog-Digital-Wandler auch indirekt ermitteln. Im Folgenden wird die Messung des an einem Potentiometer eingestellten Widerstands anhand der Ladekurve eines Kondensators erläutert. Bei dieser Methode wird nur ein Portpin benötigt, ein Analog-Digital-Wandler oder Analog-Comparator ist nicht erforderlich. Es wird dazu ein Kondensator und der Widerstand (das Potentiometer) in Reihe zwischen Vorsorgungsspannung und Masse/GND geschaltet (sogen. RC-Netzwerk). Zusätzlich wird eine Verbindung der Leitung zwischen Kondensator und Potentiometer zu einem Portpin des Controllers hergestellt. Die folgende Abbildung verdeutlicht die erforderliche Schaltung.

Wird der Portpin des Controllers auf Ausgang konfiguriert (im Beispiel ''DDRD |= (1<<PD2)'') und dieser Ausgang auf Logisch 1 ("High", ''PORTD |= (1<<PD2)'') geschaltet, liegt an beiden "Platten" des Kondensators das gleiche Potential '''VCC''' an und der Kondensator somit entladen. (Klingt komisch, mit ''' Vcc''' entladen, ist aber so, da an beiden Seiten des Kondensators das gleiche Potential anliegt und somit eine Potentialdifferenz von 0V besteht => Kondensator ist entladen).

Nach einer gewissen Zeit ist der Kondensator entladen und der Portpin wird als Eingang konfiguriert (''DDRD &= ~(1<<PD2); PORTD &= ~(1<<PD2)''), wodurch dieser hochohmig wird. Der Status des Eingangspin (in PIND) ist Logisch 1 (High). Der Kondensator lädt sich jetzt über das Poti auf, dabei steigt der Spannungsabfall über dem Kondensator und derjenige über dem Poti sinkt. Fällt nun der Spannungsabfall über dem Poti unter die Threshold-Spannung des Eingangspins (2/5 Vcc, also ca. 2V), wird das Eingangssignal als LOW erkannt (Bit in PIND wird 0). Die Zeitspanne zwischen der Umschaltung von Entladung auf Aufladung und dem Wechsel des Eingangssignals von High auf Low ist ein Maß für den am Potentiometer eingestellten Widerstand. Zur Zeitmessung kann einer der im Controller vorhandenen Timer genutzt werden. Der 220 Ohm Widerstand dient dem Schutz des Controllers. Es würde sonst bei Maximaleinstellung des Potentionmeters (hier 0 Ohm) ein zu hoher Strom fließen, der die Ausgangsstufe des Controllers zerstört.

Mit einem weiteren Eingangspin und ein wenig Software können wir auch eine Kalibrierung realisieren, um den Messwert in einen vernünftigen Bereich (z.B: 0...100 % oder so) umzurechnen.



==== ADC über Komparator ====

[[Image:ADC ueber Komparator.gif|framed|right]]
Es gibt einen weiteren Weg, eine analoge Spannung mit Hilfe des
Komparators, welcher in fast jedem AVR integriert ist, zu messen. Siehe dazu
auch die Application Note AVR400 von Atmel.

Dabei wird das zu messende Signal auf den invertierenden Eingang
des Komparators geführt. Zusätzlich wird ein Referenzsignal an den nicht
invertierenden Eingang des Komparators angeschlossen. Das Referenzsignal wird
hier auch wieder über ein RC-Glied erzeugt, allerdings mit festen Werten für R
und C.

Das Prinzip der Messung ist nun dem vorhergehenden recht
ähnlich. Durch Anlegen eines LOW-Pegels an Pin 2 wird der Kondensator zuerst
einmal entladen. Auch hier muss darauf geachtet werden, dass der Entladevorgang
genügend lang dauert.
Nun wird Pin 2 auf HIGH gelegt. Der Kondensator wird geladen. Wenn die Spannung
über dem Kondensator die am Eingangspin anliegende Spannung erreicht hat,
schaltet der Komparator durch. Die Zeit, welche benötigt wird, um den
Kondensator zu laden, kann nun auch wieder als Maß für die Spannung an Pin 1
herangezogen werden.

Ich habe es mir gespart, diese Schaltung auch aufzubauen, und zwar aus mehreren Gründen:

# 3 Pins notwendig.
# Genauigkeit vergleichbar mit einfacherer Lösung.
# War einfach zu faul.

Der Vorteil dieser Schaltung liegt allerdings darin, dass damit direkt Spannungen gemessen werden können.

== DAC (Digital Analog Converter) ==

Mit Hilfe eines Digital-Analog-Konverters ('''DAC''') können wir nun auch Analogsignale ausgeben. Es gibt hier mehrere Verfahren. 

=== DAC über mehrere digitale Ausgänge ===

Wenn wir an den Ausgängen des Controllers ein entsprechendes
Widerstandsnetzwerk aufbauen haben wir die Möglichkeit, durch die Ansteuerung
der Ausgänge über den Widerständen einen Addierer aufzubauen, mit dessen
Hilfe wir eine dem Zahlenwert proportionale Spannung erzeugen können. Das
Schaltbild dazu kann etwa so aussehen:

[[Image:DAC R2R.gif]]

Es sollten selbstverständlich möglichst genaue Widerstände verwendet
werden, also nicht unbedingt solche mit einer Toleranz von 10% oder mehr.
Weiterhin empfiehlt es sich, je nach Anwendung den Ausgangsstrom über einen
Operationsverstärker zu verstärken.

=== PWM (Pulsweitenmodulation) ===

Wir kommen nun zu einem Thema, welches in aller Munde ist, aber viele
Anwender verstehen nicht ganz, wie [[PWM]] eigentlich funktioniert.

Wie wir alle wissen, ist ein Mikrocontroller ein rein digitales Bauteil.
Definieren wir einen Pin als Ausgang, dann können wir diesen Ausgang entweder
auf HIGH setzen, worauf am Ausgang die Versorgungsspannung ''' Vcc''' anliegt, oder aber wir setzen den Ausgang auf LOW, wonach dann ''' 0V''' am Ausgang liegt. Was passiert aber nun, wenn wir periodisch mit einer festen Frequenz zwischen HIGH und LOW umschalten? - Richtig, wir erhalten eine Rechteckspannung, wie die folgende Abbildung zeigt:

[[Image:PWM Theorie 1.gif]]

Diese Rechteckspannung hat nun einen arithmetischen Mittelwert,
der je nach Pulsbreite kleiner oder größer ist.

[[Image:PWM Theorie 2.gif]]

Wenn wir nun diese pulsierende Ausgangsspannung noch über ein RC-Glied filtern/"glätten", dann haben wir schon eine entsprechende Gleichspannung erzeugt.

Mit den AVRs können wir direkt PWM-Signale erzeugen.
Dazu dient der 16-Bit Zähler, welcher im sogenannten PWM-Modus betrieben werden kann.

;Hinweis: In den folgenden Überlegungen wird als Controller der 90S2313 vorausgesetzt. Die Theorie ist bei anderen AVR-Controllern vergleichbar, die Pinbelegung allerdings nicht unbedingt, weshalb ein Blick ins entsprechende Datenblatt dringend angeraten wird.

Um den PWM-Modus zu aktivieren, müssen im Timer/Counter1 Control
Register A TCCR1A die Pulsweiten-Modulatorbits PWM10 bzw. PWM11 entsprechend nachfolgender Tabelle gesetzt werden:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! PWM11 || PWM10 || Bedeutung
|-
| 0 || 0 || PWM-Modus des Timers ist nicht aktiv
|-
| 0 || 1 || 8-Bit PWM
|-
| 1 || 0 || 9-Bit PWM
|-
| 1 || 1 || 10-Bit PWM
|}

Der Timer/Counter zählt nun permanent von 0 bis zur Obergrenze
und wieder zurück, er wird also als sogenannter Auf-/Ab Zähler betrieben.
Die Obergrenze hängt davon ab, ob wir mit 8, 9 oder 10-Bit PWM arbeiten wollen:

{| class="wikitable"
|-
! Auflösung || Obergrenze || Frequenz
|-
| align="center" | 8
| align="center" | 255
| fTC1 / 510
|-
| align="center" | 9
| align="center" | 511
| fTC1 / 1022
|-
| align="center" | 10
| align="center" | 1023
| fTC1 / 2046
|}

Zusätzlich muss mit den Bits '''COM1A1''' und '''COM1A0''' desselben
Registers die gewünschte Ausgabeart des Signals definiert werden:

{| class="wikitable"
|-
! COM1A1 || COM1A0 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Keine Wirkung, Pin wird nicht geschaltet.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| Keine Wirkung, Pin wird nicht geschaltet.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Nicht invertierende PWM. 
Der Ausgangspin wird gelöscht beim Hochzählen und gesetzt beim
Herunterzählen.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Invertierende PWM. 
Der Ausgangspin wird gelöscht beim Herunterzählen und gesetzt beim
Hochzählen.
|}

Der entsprechende Befehl, um beispielsweise den Timer/Counter als
nicht invertierenden 10-Bit PWM zu verwenden, heißt dann:

alte Schreibweise (PWMxx wird nicht mehr akzeptiert)
<c>
TCCR1A = (1<<PWM11)|(1<<PWM10)|(1<<COM1A1);
</c>
neue Schreibweise
<c>
TCCR1A = (1<<WGM11)|(1<<WGM10)|(1<<COM1A1);
</c>

Damit der Timer/Counter überhaupt läuft, müssen wir im Control
Register B '''TCCR1B''' noch den gewünschten Takt (Vorteiler) einstellen und
somit auch die Frequenz des '''PWM'''-Signals bestimmen.

{| class="wikitable"
|-
! CS12 || CS11 || CS10 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Stop. Der Timer/Counter wird gestoppt.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| CK
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| CK / 8
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| CK / 64
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| CK / 256
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| CK / 1024
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Externer Pin 1, negative Flanke
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Externer Pin 1, positive Flanke
|}

Also um einen Takt von CK / 1024 zu generieren, verwenden wir
folgenden Befehl:

<c>
TCCR1B = (1<<CS12) | (1<<CS10);
</c>

Jetzt muss nur noch der Vergleichswert festgelegt werden. Diesen
schreiben wir in das 16-Bit Timer/Counter Output Compare Register '''OCR1A'''.

<c>
OCR1A = xxx;
</c>

Die folgende Grafik soll den Zusammenhang zwischen dem Vergleichswert und dem generierten '''PWM'''-Signal aufzeigen.

[[Image:PWM Theorie 3.gif]]

[[Image:PWM Theorie 4.gif]]

Ach ja, fast hätte ich's vergessen. Das generierte '''PWM'''-Signal
wird am Output Compare Pin '''OC1''' des Timers ausgegeben und leider können wir
deshalb auch beim AT90S2313 nur ein einzelnes '''PWM'''-Signal mit dieser Methode generieren. Andere AVR-Typen verfügen über bis zu vier PWM-Ausgänge. Zu beachten ist außerdem, das wenn der OC Pin aktiviert ist, er nichtmehr wie üblich funktioniert und z. B. nicht einfach über PINx ausgelesen werden kann.

Ein Programm, welches an einem ATmega8 den Fast-PWM Modus verwendet, den Modus 14, könnte so aussehen
<C>
#include <avr/io.h>

int main()
{
// OC1A auf Ausgang
DDRB = (1 << PB1 ); //ATMega8
// DDRD = (1 << PD5 ); //ATMega16
//
// Timer 1 einstellen
//
// Modus 14:
// Fast PWM, Top von ICR1
//
// WGM13 WGM12 WGM11 WGM10
// 1 1 1 0
//
// Timer Vorteiler: 1
// CS12 CS11 CS10
// 0 0 1
//
// Steuerung des Ausgangsport: Set at BOTTOM, Clear at match
// COM1A1 COM1A0
// 1 0

TCCR1A = (1<<COM1A1) | (1<<WGM11);
TCCR1B = (1<<WGM13) | (1<<WGM12) | (1<<CS10);

// den Endwert (TOP) für den Zähler setzen
// der Zähler zählt bis zu diesem Wert

ICR1 = 0x6FFF;

// der Compare Wert
// Wenn der Zähler diesen Wert erreicht, wird mit
// obiger Konfiguration der OC1A Ausgang abgeschaltet
// Sobald der Zähler wieder bei 0 startet, wird der
// Ausgang wieder auf 1 gesetzt
//
// Durch Verändern dieses Wertes, werden die unterschiedlichen
// PWM Werte eingestellt.

OCR1A = 0x3FFF;

while (1) {}
}
</C>

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''PWM-Mode Tabelle aus dem Datenblatt des ATmega8515'''
|-
!Mode || WGM13 || WGM12 || WGM11 || WGM10 || Timer/Counter Mode of Operation
! TOP|| Update of OCR1x at || TOV1 Flag set on
|-
! 0
| 0
| 0
| 0
| 0
| Normal
| 0xFFFF
| Immediate
| MAX
|-
! 1
| 0
| 0
| 0
| 1
| PWM, Phase Correct, 8-Bit
| 0x00FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 2
| 0
| 0
| 1
| 0
| PWM, Phase Correct, 9-Bit
| 0x01FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 3
| 0
| 0
| 1
| 1
| PWM, Phase Correct, 10-Bit
| 0x03FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 4
| 0
| 1
| 0
| 0
| CTC
| OCR1A
| Immediate
| MAX
|-
! 5
| 0
| 1
| 0
| 1
| Fast PWM, 8-Bit
| 0x00FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 6
| 0
| 1
| 1
| 0
| Fast PWM, 9-Bit
| 0x01FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 7
| 0
| 1
| 1
| 1
| Fast PWM, 10-Bit
| 0x03FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 8
| 1
| 0
| 0
| 0
| PWM, Phase an Frequency Correct
| ICR1
| BOTTOM
| BOTTOM
|-
! 9
| 1
| 0
| 0
| 1
| PWM, Phase an Frequency Correct
| OCR1A
| BOTTOM
| BOTTOM
|-
! 10
| 1
| 0
| 1
| 0
| PWM, Phase Correct
| ICR1
| TOP
| BOTTOM
|-
! 11
| 1
| 0
| 1
| 1
| PWM, Phase an Frequency Correct
| OCR1A
| TOP
| BOTTOM
|-
! 12
| 1
| 1
| 0
| 0
| CTC
| ICR1
| Immediate
| MAX
|-
! 13
| 1
| 1
| 0
| 1
| Reserved
| -
| -
| -
|-
! 14
| 1
| 1
| 1
| 0
| Fast PWM
| ICR1
| BOTTOM
| TOP
|-
! 15
| 1
| 1
| 1
| 1
| Fast PWM
| OCR1A
| BOTTOM
| TOP
|}

Für Details der PWM-Möglichkeiten muss immer das jeweilge Datenblatt des Prozessors konsultiert werden, da sich die unterschiedlichen Prozessoren in ihren Möglichkeiten doch stark unterscheiden. Auch muss man aufpassen, welches zu setzende Bit in welchem Register ist. Auch hier kann es sein, dass gleichnamige Konfigurationsbits in unterschiedlichen Konfigurationsregistern (je nach konkretem Prozessortyp) sitzen.

= Warteschleifen (delay.h) =

Der Programmablauf kann verschiedene Arten von Wartefunktionen erfordern:

* Warten im Sinn von Zeitvertrödeln
* Warten auf einen bestimmten Zustand an den I/O-Pins
* Warten auf einen bestimmten Zeitpunkt (siehe Timer)
* Warten auf einen bestimmten Zählerstand (siehe Counter)

Der einfachste Fall, das Zeitvertrödeln, kann in vielen Fällen und mit großer Genauigkeit anhand der avr-libc Bibliotheksfunktionen _delay_ms() und _delay_us() erledigt werden. Die Bibliotheksfunktionen sind einfachen Zählschleifen (Warteschleifen) vorzuziehen, da leere Zählschleifen ohne besondere Vorkehrungen sonst bei eingeschalteter Optimierung vom avr-gcc-Compiler wegoptimiert werden. Weiterhin sind die Bibliotheksfunktionen bereits darauf vorbereitet, die in F_CPU definierte Taktfrequenz zu verwenden. Außerdem sind die Funktionen der Bibliothek wirklich getestet.

Einfach!? Schon, aber während gewartet wird, macht der µC nichts anderes mehr. Die Wartefunktion blockiert den Programmablauf. Möchte man einerseits warten, um z. B. eine LED blinken zu lassen und gleichzeitig andere Aktionen ausführen z. B. weitere LED bedienen, sollten die Timer/Counter des AVR verwendet werden.

Die Bibliotheksfunktionen funktionieren allerdings nur dann korrekt, wenn sie mit zur Übersetzungszeit (beim Compilieren) bekannten konstanten Werten aufgerufen werden. Der Quellcode muss mit eingeschalteter Optimierung übersetzt werden, sonst wird sehr viel Maschinencode erzeugt, und die Wartezeiten stimmen nicht mehr mit dem Parameter überein.

Abhängig von der Version der Bibliothek verhalten sich die Bibliotheksfunktionen etwas unterschiedlich.

== avr-libc Versionen kleiner 1.6 ==

Die Wartezeit der Funktion _delay_ms() ist auf 262,14ms/F_CPU (in MHz) begrenzt, d.h. bei 20 MHz kann man nur max. 13,1ms warten. Die Wartezeit der Funktion _delay_us() ist auf 768us/F_CPU (in MHz) begrenzt, d.h. bei 20 MHz kann man nur max. 38,4us warten. Längere Wartezeiten müssen dann über einen mehrfachen Aufruf in einer Schleife gelöst werden.

Beispiel: Blinken einer LED an PORTB Pin PB0 im ca. 1s Rhythmus
<c>
#include <avr/io.h>
#ifndef F_CPU
/* Definiere F_CPU, wenn F_CPU nicht bereits vorher definiert
(z. B. durch Übergabe als Parameter zum Compiler innerhalb
des Makefiles). Zusätzlich Ausgabe einer Warnung, die auf die
"nachträgliche" Definition hinweist */
#warning "F_CPU war noch nicht definiert, wird nun mit 3686400 definiert"
#define F_CPU 3686400UL /* Quarz mit 3.6864 Mhz */
#endif
#include <util/delay.h> /* in älteren avr-libc Versionen <avr/delay.h> */

/*
lange, variable Verzögerungszeit, Einheit in Millisekunden

Die maximale Zeit pro Funktionsaufruf ist begrenzt auf
262.14 ms / F_CPU in MHz (im Beispiel:
262.1 / 3.6864 = max. 71 ms)

Daher wird die kleine Warteschleife mehrfach aufgerufen,
um auf eine längere Wartezeit zu kommen. Die zusätzliche
Prüfung der Schleifenbedingung lässt die Wartezeit geringfügig
ungenau werden (macht hier vielleicht 2-3ms aus).
*/

void long_delay(uint16_t ms)
{
for(; ms>0; ms--) _delay_ms(1);
}

int main( void )
{
DDRB = ( 1 << PB0 ); // PB0 an PORTB als Ausgang setzen

while( 1 ) // Endlosschleife
{
PORTB ^= ( 1 << PB0 ); // Toggle PB0 z. B. angeschlossene LED
long_delay(1000); // Eine Sekunde warten...
}

return 0;
}
</c>

== avr-libc Versionen ab 1.6 ==

_delay_ms() kann mit einem Argument bis 6553,5 ms (= 6,5535 Sekunden) benutzt werden. Wird die früher gültige Grenze von 262,14 ms/F_CPU (in MHz) überschritten, so arbeitet _delay_ms() einfach etwas ungenauer und zählt nur noch mit einer Auflösung von 1/10 ms. Eine Verzögerung von 1000,10 ms ließe sich nicht mehr von einer von 1000,19 ms unterscheiden. Ein Verlust, der sich im Allgemeinen verschmerzen lässt. Dem Programmierer wird keine Rückmeldung gegeben, dass die Funktion ggf. gröber arbeitet, d.h. wenn es darauf ankommt, bitte den Parameter wie bisher geschickt wählen.

Die Funktion _delay_us() wurde ebenfalls erweitert. Wenn deren maximal als genau behandelbares Argument überschritten wird, benutzt diese intern _delay_ms(). Damit gelten in diesem Fall die _delay_ms() Einschränkungen.

Beispiel: Blinken einer LED an PORTB Pin PB0 im ca. 1s Rhythmus, avr-libc ab Version 1.6
<c>
#include <avr/io.h>
#ifndef F_CPU
/* Definiere F_CPU, wenn F_CPU nicht bereits vorher definiert
(z. B. durch Übergabe als Parameter zum Compiler innerhalb
des Makefiles). Zusätzlich Ausgabe einer Warnung, die auf die
"nachträgliche" Definition hinweist */
#warning "F_CPU war noch nicht definiert, wird nun mit 3686400 definiert"
#define F_CPU 3686400UL /* Quarz mit 3.6864 Mhz */
#endif
#include <util/delay.h>

int main( void )
{
DDRB = ( 1 << PB0 ); // PB0 an PORTB als Ausgang setzen

while( 1 ) { // Endlosschleife
PORTB ^= ( 1 << PB0 ); // Toggle PB0 z. B. angeschlossene LED
_delay_ms(1000); // Eine Sekunde +/-1/10000 Sekunde warten...
// funktioniert nicht mit Bibliotheken vor 1.6

}
return 0;
}
</c>

Die _delay_ms() und die _delay_us aus '''avr-libc 1.7.0''' sind fehlerhaft. _delay_ms () läuft 4x schneller als erwartet. Abhilfe ist eine korrigierte Includedatei: [http://www.mikrocontroller.net/topic/196738#1943039]

= Programmieren mit Interrupts =

<div style="float:right; margin:2em;">
[[Image:Interrupt Programme.gif]]
</div>
Nachdem wir nun alles Wissenswerte für die serielle Programmerstellung
gelernt haben nehmen wir jetzt ein völlig anderes Thema in Angriff, nämlich
die Programmierung unter Zuhilfenahme der Interrupts des AVR.

Als erstes wollen wir uns noch einmal den allgemeinen Programmablauf bei der
Interrupt-Programmierung zu Gemüte führen.

Man sieht, dass die Interruptroutine quasi parallel zum Hauptprogramm
abläuft. Da wir nur eine CPU haben ist es natürlich keine echte Parallelität,
sondern das Hauptprogramm wird beim Eintreffen eines Interrupts unterbrochen,
die Interruptroutine wird ausgeführt und danach erst wieder zum Hauptprogramm
zurückgekehrt.

Siehe auch

* [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-1-235092.html#new Ausführlicher Thread im Forum]
* Artikel [[Interrupt]]
* Artikel [[Multitasking]]
{{Clear}}

== Anforderungen an Interrupt-Routinen ==

Um unliebsamen Überraschungen vorzubeugen, sollten einige Grundregeln bei der Implementierung der Interruptroutinen beachtet werden. Interruptroutinen sollten möglichst kurz und schnell abarbeitbar sein, daraus folgt:

* Keine umfangreichen Berechnungen innerhalb der Interruptroutine. (*)
* Keine langen Programmschleifen.
* Obwohl es möglich ist, während der Abarbeitung einer Interruptroutine andere oder sogar den gleichen Interrupt wieder zuzulassen, wird davon ohne genaue Kenntnis der internen Abläufe dringend abgeraten.

Interruptroutinen (ISRs) sollten also möglichst kurz sein und keine Schleifen mit vielen Durchläufen enthalten. Längere Operationen können meist in einen "Interrupt-Teil" in einer ISR und einen "Arbeitsteil" im Hauptprogramm aufgetrennt werden. Z.B. Speichern des Zustands aller Eingänge im EEPROM in bestimmten Zeitabständen: ISR-Teil: Zeitvergleich (Timer,RTC) mit Logzeit/-intervall. Bei Übereinstimmung ein globales Flag setzen (volatile bei Flag-Deklaration nicht vergessen, s.u.). Dann im Hauptprogramm prüfen, ob das Flag gesetzt ist. Wenn ja: die Daten im EEPROM ablegen und Flag löschen.

(*)
Hinweis:
Es gibt allerdings die seltene Situation, dass man gerade eingelesene
ADC-Werte sofort verarbeiten muss. Besonders dann, wenn man mehrere Werte sehr
schnell hintereinander bekommt. Dann bleibt einem nichts anderes übrig, als die
Werte noch in der ISR zu verarbeiten. Kommt aber sehr selten vor und sollte
durch geeignete Wahl des Systemtaktes bzw. Auswahl des Controllers vermieden werden!

== Interrupt-Quellen ==

Die folgenden Ereignisse können einen Interrupt auf einem AVR AT90S2313 auslösen, wobei die Reihenfolge der Auflistung auch die Priorität der Interrupts aufzeigt.

* Reset
* Externer Interrupt 0
* Externer Interrupt 1
* Timer/Counter 1 Capture Ereignis
* Timer/Counter 1 Compare Match
* Timer/Counter 1 Überlauf
* Timer/Counter 0 Überlauf
* UART Zeichen empfangen
* UART Datenregister leer
* UART Zeichen gesendet
* Analoger Komparator

Die Anzahl der möglichen Interruptquellen variiert zwischen den verschiedenen Microcontroller-Typen. Im Zweifel hilft ein Blick ins Datenblatt ("Interrupt Vectors").

== Register ==

Der AT90S2313 verfügt über 2 Register die mit den
Interrupts zusammen hängen.

{| class="wikitable"
|-
| '''GIMSK'''
| '''G'''eneral '''I'''nterrupt '''M'''ask '''R'''egister. 

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6|| 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''INT1''' || '''INT0''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-'''
|-
! R/W
| R/W || R/W || R || R || R || R || R || R
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''INT1''' (External '''Int'''errupt Request '''1''' Enable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist, wird ein Interrupt ausgelöst, wenn am '''INT1'''-Pin eine steigende oder fallende (je nach Konfiguration im '''MCUCR''') Flanke erkannt wird.
:Das Global Enable Interrupt Flag muss selbstverständlich auch gesetzt sein.
:Der Interrupt wird auch ausgelöst, wenn der Pin als Ausgang geschaltet ist. Auf diese Weise bietet sich die Möglichkeit, Software-Interrupts zu realisieren.

'''INT0''' (External '''Int'''errupt Request '''0''' Enable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist, wird ein Interrupt ausgelöst, wenn am '''INT0'''-Pin eine steigende oder fallende (je nach Konfiguration im '''MCUCR''') Flanke erkannt wird.
:Das Global Enable Interrupt Flag muss selbstverständlich auch gesetzt sein.
:Der Interrupt wird auch ausgelöst, wenn der Pin als Ausgang geschaltet ist. Auf diese Weise bietet sich die Möglichkeit, Software-Interrupts zu realisieren.

|-
| '''GIFR'''
| '''G'''eneral '''I'''nterrupt '''F'''lag '''R'''egister.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''INTF1''' || '''INTF0''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-'''
|-
! R/W
| R/W || R/W || R || R || R || R || R || R
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''INTF1''' (External '''Int'''errupt Flag '''1''')
:Dieses Bit wird gesetzt, wenn am '''INT1'''-Pin eine Interrupt-Kondition, entsprechend der Konfiguration, erkannt wird. Wenn das Global Enable Interrupt Flag gesetzt ist, wird die Interruptroutine angesprungen.
:Das Flag wird automatisch gelöscht, wenn die Interruptroutine beendet ist. Alternativ kann das Flag gelöscht werden, indem der Wert '''1(!)''' eingeschrieben wird.

'''INTF0''' (External '''Int'''errupt Flag '''0''')
:Dieses Bit wird gesetzt, wenn am '''INT0'''-Pin eine Interrupt-Kondition, entsprechend der Konfiguration, erkannt wird. Wenn das Global Enable Interrupt Flag gesetzt ist, wird die Interruptroutine angesprungen.
:Das Flag wird automatisch gelöscht, wenn die Interruptroutine beendet ist. Alternativ kann das Flag gelöscht werden, indem der Wert '''1(!)''' eingeschrieben wird.
|-
| '''MCUCR'''
| '''MCU''' '''C'''ontrol '''R'''egister.

Das MCU Control Register enthält Kontrollbits für allgemeine
MCU-Funktionen.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''-'''|| '''-'''|| '''SE'''|| '''SM'''|| '''ISC11'''|| '''ISC10'''|| '''ISC01'''|| '''ISC00'''
|-
! R/W
| R || R || R/W || R/W || R/W || R/W || R/W || R/W
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0

|}

'''SE''' ('''S'''leep '''E'''nable)
:Dieses Bit muss gesetzt sein, um den Controller mit dem '''SLEEP'''-Befehl in den Schlafzustand versetzen zu können.
:Um den Schlafmodus nicht irrtümlich einzuschalten, wird empfohlen, das Bit erst unmittelbar vor Ausführung des '''SLEEP'''-Befehls zu setzen.

'''SM''' ('''S'''leep '''M'''ode)
:Dieses Bit bestimmt der Schlafmodus.
:Ist das Bit gelöscht, so wird der '''Idle'''-Modus ausgeführt. Ist das Bit gesetzt, so wird der '''Power-Down'''-Modus ausgeführt. (für andere AVR Controller siehe Abschnitt "Sleep-Mode")

'''ISC11''', '''ISC10''' ('''I'''nterrupt '''S'''ense '''C'''ontrol '''1''' Bits)
:Diese beiden Bits bestimmen, ob die steigende oder die fallende Flanke für die Interrupterkennung am '''INT1'''-Pin ausgewertet wird.

:{| class="wikitable"
|-
! ISC11 || ISC10 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Low Level an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.

Der Interrupt wird getriggert, solange der Pin auf 0 bleibt.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| Reserviert
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Die fallende Flanke an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Die steigende Flanke an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.
|}

'''ISC01''', '''ISC00''' ('''I'''nterrupt '''S'''ense '''C'''ontrol '''0''' Bits)
:Diese beiden Bits bestimmen, ob die steigende oder die fallende Flanke für die Interrupterkennung am '''INT0'''-Pin ausgewertet wird.

:{| class="wikitable"
|-
! ISC01 || ISC00 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Low Level an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.

Der Interrupt wird getriggert, solange der Pin auf 0 bleibt.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| Reserviert
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Die fallende Flanke an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Die steigende Flanke an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.
|}

|}

== Allgemeines über die Interrupt-Abarbeitung ==

Wenn ein Interrupt eintrifft, wird automatisch das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register '''SREG''' gelöscht und alle weiteren Interrupts unterbunden. Obwohl es möglich ist, zu diesem Zeitpunkt bereits wieder das GIE-bit zu setzen, wird dringend davon abgeraten. Dieses wird nämlich automatisch gesetzt, wenn die Interruptroutine beendet wird. Wenn in der Zwischenzeit weitere Interrupts eintreffen, werden die zugehörigen Interrupt-Bits gesetzt und die Interrupts bei Beendigung der laufenden Interrupt-Routine in der Reihenfolge ihrer Priorität ausgeführt. Dies kann
eigentlich nur dann zu Problemen führen, wenn ein hoch priorisierter Interrupt ständig und in kurzer Folge auftritt. Dieser sperrt dann möglicherweise alle anderen Interrupts mit niedrigerer Priorität. Dies ist einer der Gründe, weshalb die Interrupt-Routinen sehr kurz gehalten werden sollen.



== Interrupts mit dem AVR GCC Compiler (WinAVR) ==


Funktionen zur Interrupt-Verarbeitung werden in den Includedateien ''interrupt.h'' der avr-libc zur Verfügung gestellt (bei älterem Quellcode zusätzlich ''signal.h'').

<c>
// fuer sei(), cli() und ISR():
#include <avr/interrupt.h>
</c>

Das Makro '''sei()''' schaltet die Interrupts ein. Eigentlich wird nichts anderes gemacht, als das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register gesetzt.

<c>
sei();
</c>

Das Makro '''cli()''' schaltet die Interrupts aus, oder anders gesagt, das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register wird gelöscht.

<c>
cli();
</c>

Oft steht man vor der Aufgabe, dass eine Codesequenz nicht unterbrochen werden darf. Es liegt dann nahe, zu Beginn dieser Sequenz ein cli() und am Ende ein sei() einzufügen. Dies ist jedoch ungünstig, wenn die Interrupts vor Aufruf der Sequenz deaktiviert waren und danach auch weiterhin deaktiviert bleiben sollen. Ein sei() würde ungeachtet des vorherigen Zustands die Interrupts aktivieren, was zu unerwünschten Seiteneffekten führen kann. Die aus dem folgenden Beispiel ersichtliche Vorgehensweise ist in solchen Fällen vorzuziehen:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <inttypes.h>

//...

void NichtUnterbrechenBitte(void)
{
uint8_t tmp_sreg; // temporaerer Speicher fuer das Statusregister

tmp_sreg = SREG; // Statusregister (also auch das I-Flag darin) sichern
cli(); // Interrupts global deaktivieren

/* hier "unterbrechnungsfreier" Code */

/* Beispiel Anfang
JTAG-Interface eines ATmega16 per Software deaktivieren
und damit die JTAG-Pins an PORTC für "general I/O" nutzbar machen
ohne die JTAG-Fuse-Bit zu aendern. Dazu ist eine "timed sequence"
einzuhalten (vgl Datenblatt ATmega16, Stand 10/04, S. 229):
Das JTD-Bit muss zweimal innerhalb von 4 Taktzyklen geschrieben
werden. Ein Interrupt zwischen den beiden Schreibzugriffen wuerde
die erforderliche Sequenz "brechen", das JTAG-Interface bliebe
weiterhin aktiv und die IO-Pins weiterhin für JTAG reserviert. */

MCUCSR |= (1<<JTD);
MCUCSR |= (1<<JTD); // 2 mal in Folge ,vgl. Datenblatt fuer mehr Information

/* Beispiel Ende */

SREG = tmp_sreg; // Status-Register wieder herstellen
// somit auch das I-Flag auf gesicherten Zustand setzen
}

void NichtSoGut(void)
{
cli();

/* hier "unterbrechnungsfreier" Code */

sei();
}

int main(void)
{
//...

cli();
// Interrupts global deaktiviert

NichtUnterbrechenBitte();
// auch nach Aufruf der Funktion deaktiviert

sei();
// Interrupts global aktiviert

NichtUnterbrechenBitte();
// weiterhin aktiviert
//...

/* Verdeutlichung der unguenstigen Vorgehensweise mit cli/sei: */
cli();
// Interrupts jetzt global deaktiviert

NichtSoGut();
// nach Aufruf der Funktion sind Interrupts global aktiviert
// dies ist mglw. ungewollt!
//...

}
</c>


Zu den aktivierten Interrupts ist eine Funktion zu programmieren, deren Code aufgerufen wird, wenn der betreffende Interrupt auftritt (Interrupt-Handler, Interrupt-Service-Routine). Dazu existiert die Definition (ein Makro) '''ISR'''.

=== ISR ===

(''ISR()'' ersetzt bei neueren Versionen der avr-libc ''SIGNAL()''. SIGNAL sollte nicht mehr genutzt werden, zur Portierung von SIGNAL nach ISR siehe den [[AVR-GCC-Tutorial#Anhang|Anhang]].)

<c>
#include <avr/interrupt.h>
//...
ISR(Vectorname) /* vormals: SIGNAL(siglabel) dabei Vectorname != siglabel ! */
{
/* Interrupt Code */
}
</c>

Mit ''ISR'' wird eine Funktion für die Bearbeitung eines Interrupts eingeleitet. Als Argument muss dabei die Benennung des entsprechenden Interruptvektors angegeben werden. Diese sind in den jeweiligen Includedateien IOxxxx.h zu finden. Die Bezeichnung entspricht dem Namen aus dem Datenblatt, bei dem die Leerzeichen durch Unterstriche ersetzt sind und ein ''_vect'' angehängt ist.

Als Beispiel ein Ausschnitt aus der Datei für den ATmega8 (bei WinAVR Standardinstallation in C:\WinAVR\avr\include\avr\iom8.h) in der neben den aktuellen Namen für ''ISR'' (*_vect) noch die Bezeichnungen für das inzwischen nicht mehr aktuelle ''SIGNAL'' (SIG_*) enthalten sind.

<c>
//...
/* $Id: iom8.h,v 1.13 2005/10/30 22:11:23 joerg_wunsch Exp $ */

/* avr/iom8.h - definitions for ATmega8 */
//...

/* Interrupt vectors */

/* External Interrupt Request 0 */
#define INT0_vect _VECTOR(1)
#define SIG_INTERRUPT0 _VECTOR(1)

/* External Interrupt Request 1 */
#define INT1_vect _VECTOR(2)
#define SIG_INTERRUPT1 _VECTOR(2)

/* Timer/Counter2 Compare Match */
#define TIMER2_COMP_vect _VECTOR(3)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE2 _VECTOR(3)

/* Timer/Counter2 Overflow */
#define TIMER2_OVF_vect _VECTOR(4)
#define SIG_OVERFLOW2 _VECTOR(4)

/* Timer/Counter1 Capture Event */
#define TIMER1_CAPT_vect _VECTOR(5)
#define SIG_INPUT_CAPTURE1 _VECTOR(5)

/* Timer/Counter1 Compare Match A */
#define TIMER1_COMPA_vect _VECTOR(6)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE1A _VECTOR(6)

/* Timer/Counter1 Compare Match B */
#define TIMER1_COMPB_vect _VECTOR(7)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE1B _VECTOR(7)

//...
</c>


Mögliche Funktionsrümpfe für Interruptfunktionen sind zum Beispiel:

<c>
#include <avr/interrupt.h>
/* veraltet: #include <avr/signal.h> */

ISR(INT0_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_INTERRUPT0) */
{
/* Interrupt Code */
}

ISR(TIMER0_OVF_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_OVERFLOW0) */
{
/* Interrupt Code */
}

ISR(USART_RXC_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_UART_RECV) */
{
/* Interrupt Code */
}

// und so weiter und so fort...
</c>

Auf die korrekte Schreibweise der Vektorbezeichnung ist zu achten. Der gcc-Compiler prüft erst ab Version 4.x, ob ein Signal/Interrupt der angegebenen Bezeichnung tatsächlich in der Includedatei definiert ist und gibt andernfalls eine Warnung aus. Bei WinAVR (ab 2/2005) wurde die Überprüfung auch in den mitgelieferten Compiler der Version 3.x integriert. Aus dem gcc-Quellcode Version 3.x selbst erstellte Compiler enthalten die Prüfung nicht (vgl. [[AVR-GCC]]).

Während der Ausführung der Funktion sind alle weiteren Interrupts automatisch gesperrt. Beim Verlassen der Funktion werden die Interrupts wieder zugelassen.

Sollte während der Abarbeitung der Interruptroutine ein weiterer Interrupt (gleiche oder andere Interruptquelle) auftreten, so wird das entsprechende Bit im zugeordneten Interrupt Flag Register gesetzt und die entsprechende Interruptroutine automatisch nach dem Beenden der aktuellen Funktion aufgerufen.

Ein Problem ergibt sich eigentlich nur dann, wenn während der Abarbeitung der aktuellen Interruptroutine mehrere gleichartige Interrupts auftreten. Die entsprechende Interruptroutine wird im Nachhinein zwar aufgerufen jedoch wissen wir nicht, ob nun der entsprechende Interrupt einmal, zweimal oder gar noch öfter aufgetreten ist. Deshalb soll hier noch einmal betont werden, dass Interruptroutinen so schnell wie nur irgend möglich wieder verlassen werden sollten.

=== Unterbrechbare Interruptroutinen ===

"Faustregel": im Zweifel '''ISR'''. Die nachfolgend beschriebene Methode nur dann verwenden, wenn man sich über die unterschiedliche Funktionsweise im Klaren ist.

<c>
#include <avr/interrupt.h>

ISR(XXX,ISR_NOBLOCK) /* veraltet: INTERRUPT(SIG_OVERFLOW0) */
{
/* Interrupt-Code */
}
</c>

Hierbei steht XXX für den oben beschriebenen Namen des Vektors (also z. B. ''TIMER0_OVF_vect''). Der Unterschied im Vergleich zu einer herkömmlichen ISR ist, dass hier beim Aufrufen der Funktion das '''Global Enable Interrupt''' Bit durch Einfügen einer SEI-Anweisung direkt wieder gesetzt und somit alle Interrupts zugelassen werden – auch XXX-Interrupts.

Bei unsachgemässer Handhabung kann dies zu erheblichen Problemen wie einem Stack-Overflow oder anderen unerwarteten Effekten führen und sollte wirklich nur dann eingesetzt werden, wenn man sich sicher ist, das Ganze auch im Griff zu haben.

Insbesondere sollte möglichst am ISR-Anfang die auslösende IRQ-Quelle deaktiviert und erst am Ende der ISR wieder aktiviert werden. Robuster als die Verwendung einer NOBLOCK-ISR ist daher folgender ISR-Aufbau:

<c>
#include <avr/interrupt.h>

ISR (XXX)
{
// Implementiere die ISR ohne zunaechst weitere IRQs zuzulassen

<<Dektiviere die XXX-IRQ>>

// Erlaube alle Interrupts (ausser XXX)
sei();

//... Code ...

// IRQs global deaktivieren um die XXX-IRQ wieder gefahrlos
// aktivieren zu koennen
cli();

<<Aktiviere die XXX-IRQ>>
}
</c>
Auf diese Weise kann sich die XXX-IRQ nicht selbst unterbrechen, was zu einer Art Endlosschleife führen würde.

Siehe auch: Hinweise in [[AVR-GCC]]

siehe dazu: http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__avr__interrupts.html

== Datenaustausch mit Interrupt-Routinen ==

Variablen, die sowohl in Interrupt-Routinen (ISR = Interrupt Service Routine(s)) als auch vom übrigen Programmcode geschrieben oder gelesen werden, müssen mit einem '''volatile''' deklariert werden. Damit wird dem Compiler mitgeteilt, dass der Inhalt der Variablen vor jedem Lesezugriff aus dem Speicher gelesen und nach jedem Schreibzugriff in den Speicher geschrieben wird. Ansonsten könnte der Compiler den Code so optimieren, dass der Wert der Variablen nur in Prozessorregistern zwischengespeichert wird, die nichts von der Änderung woanders mitbekommen.

Zur Veranschaulichung ein Codefragment für eine Tastenentprellung mit Erkennung einer "lange gedrückten" Taste.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <stdint.h>
//...

// Schwellwerte
// Entprellung:
#define CNTDEBOUNCE 10
// "lange gedrueckt:"
#define CNTREPEAT 200

// hier z. B. Taste an Pin2 PortA "active low" = 0 wenn gedrueckt
#define KEY_PIN PINA
#define KEY_PINNO PA2

// beachte: volatile!
volatile uint8_t gKeyCounter;

// Timer-Compare Interrupt ISR, wird z.B. alle 10ms ausgefuehrt
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
// hier wird gKeyCounter veraendert. Die übrigen
// Programmteile müssen diese Aenderung "sehen":
// volatile -> aktuellen Wert immer in den Speicher schreiben
if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
if (gKeyCounter < CNTREPEAT) gKeyCounter++;
}
else {
gKeyCounter = 0;
}
}

//...

int main(void)
{
//...
/* hier: Initialisierung der Ports und des Timer-Interrupts */
//...
// hier wird auf gKeyCounter zugegriffen. Dazu muss der in der
// ISR geschriebene Wert bekannt sein:
// volatile -> aktuellen Wert immer aus dem Speicher lesen
if ( gKeyCounter > CNTDEBOUNCE ) { // Taste mind. 10*10 ms "prellfrei"
if (gKeyCounter == CNTREPEAT) {
/* hier: Code fuer "Taste lange gedrueckt" */
}
else {
/* hier: Code fuer "Taste kurz gedrueckt" */
}
}
//...
}
</c>

Wird innerhalb einer ISR mehrfach auf eine mit volatile deklarierte Variable zugegriffen, wirkt sich dies ungünstig auf die Verarbeitungsgeschwindigkeit aus, da bei jedem Zugriff mit dem Speicherinhalt abgeglichen wird. Da bei AVR-Controllern ''innerhalb'' einer ISR keine Unterbrechungen zu erwarten sind, bietet es sich an, einen Zwischenspeicher in Form einer lokalen Variable zu verwenden, deren Inhalt zu Beginn und am Ende mit dem der volatile Variable synchronisiert wird. Lokale Variable werden bei eingeschalteter Optimierung mit hoher Wahrscheinlichkeit in Prozessorregistern verwaltet und der Zugriff darauf ist daher nur mit wenigen internen Operationen verbunden. Die ISR aus dem vorherigen Beispiel lässt sich so optimieren:

<c>
//...
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
uint8_t tmp_kc;

tmp_kc = gKeyCounter; // Uebernahme in lokale Arbeitsvariable

if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
if (tmp_kc < CNTREPEAT) {
tmp_kc++;
}
}
else {
tmp_kc = 0;
}

gKeyCounter = tmp_kc; // Zurueckschreiben
}
//...
</c>

Zum Vergleich die Disassemblies (Ausschnitte der "lss-Dateien", compiliert für ATmega162) im Anschluss. Man erkennt den viermaligen Zugriff auf die Speicheraddresse von ''gKeyCounter'' (hier 0x032A) in der ISR ohne "Cache"-Variable und den zweimaligen Zugriff in der Variante mit Zwischenspeicher. Im Beispiel ist der Vorteil gering, bei komplexeren Routinen kann die Zwischenspeicherung in lokalen Variablen jedoch zu deutlicheren Verbesserungen führen.

<pre>
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
86a: 1f 92 push r1
86c: 0f 92 push r0
86e: 0f b6 in r0, 0x3f ; 63
870: 0f 92 push r0
872: 11 24 eor r1, r1
874: 8f 93 push r24
if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
876: ca 99 sbic 0x19, 2 ; 25
878: 0a c0 rjmp .+20 ; 0x88e <__vector_13+0x24>
if (gKeyCounter < CNTREPEAT) gKeyCounter++;
87a: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A
87e: 88 3c cpi r24, 0xC8 ; 200
880: 40 f4 brcc .+16 ; 0x892 <__vector_13+0x28>
882: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A
886: 8f 5f subi r24, 0xFF ; 255
888: 80 93 2a 03 sts 0x032A, r24
88c: 02 c0 rjmp .+4 ; 0x892 <__vector_13+0x28>
}
else {
gKeyCounter = 0;
88e: 10 92 2a 03 sts 0x032A, r1
892: 8f 91 pop r24
894: 0f 90 pop r0
896: 0f be out 0x3f, r0 ; 63
898: 0f 90 pop r0
89a: 1f 90 pop r1
89c: 18 95 reti
</pre>

<pre>
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
86a: 1f 92 push r1
86c: 0f 92 push r0
86e: 0f b6 in r0, 0x3f ; 63
870: 0f 92 push r0
872: 11 24 eor r1, r1
874: 8f 93 push r24
uint8_t tmp_kc;

tmp_kc = gKeyCounter;
876: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A

if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
87a: ca 9b sbis 0x19, 2 ; 25
87c: 02 c0 rjmp .+4 ; 0x882 <__vector_13+0x18>
87e: 80 e0 ldi r24, 0x00 ; 0
880: 03 c0 rjmp .+6 ; 0x888 <__vector_13+0x1e>
if (tmp_kc < CNTREPEAT) {
882: 88 3c cpi r24, 0xC8 ; 200
884: 08 f4 brcc .+2 ; 0x888 <__vector_13+0x1e>
tmp_kc++;
886: 8f 5f subi r24, 0xFF ; 255
}
}
else {
tmp_kc = 0;
}

gKeyCounter = tmp_kc;
888: 80 93 2a 03 sts 0x032A, r24
88c: 8f 91 pop r24
88e: 0f 90 pop r0
890: 0f be out 0x3f, r0 ; 63
892: 0f 90 pop r0
894: 1f 90 pop r1
896: 18 95 reti
</pre>

=== volatile und Pointer ===

Bei '''volatile''' in Verbindung mit Pointern ist zu beachten, ob der Pointer selbst oder die Variable, auf die der Pointer zeigt, '''volatile''' ist.

<c>
volatile uint8_t *a; // das Ziel von a ist volatile

uint8_t *volatile a; // a selbst ist volatile
</c>

Falls der Pointer volatile ist (zweiter Fall im Beispiel), ist zu beachten, dass der Wert des Pointers, also eine Speicheradresse, intern in mehr als einem Byte verwaltet wird. Lese- und Schreibzugriffe im Hauptprogramm (außerhalb von Interrupt-Routinen) sind daher so zu implementieren, dass alle Teilbytes der Adresse konsistent bleiben, vgl. dazu den folgenden Abschnitt.

=== Variablen größer 1 Byte ===

Bei Variablen größer ein Byte, auf die in Interrupt-Routinen und im Hauptprogramm zugegriffen wird, muss darauf geachtet werden, dass die Zugriffe auf die einzelnen Bytes außerhalb der ISR nicht durch einen Interrupt unterbrochen werden. (Allgemeinplatz: AVRs sind 8-bit Controller). Zur Veranschaulichung ein Codefragment:

<c>
//...
volatile uint16_t gMyCounter16bit;
//...
ISR(...)
{
//...
gMyCounter16Bit++;
//...
}

int main(void)
{
uint16_t tmpCnt;
//...
// nicht gut: Mglw. hier ein Fehler, wenn ein Byte von MyCounter
// schon in tmpCnt kopiert ist aber vor dem Kopieren des zweiten Bytes
// ein Interrupt auftritt, der den Inhalt von MyCounter verändert.
tmpCnt = gMyCounter16bit;

// besser: Änderungen "außerhalb" verhindern -> alle "Teilbytes"
// bleiben konsistent
cli(); // Interrupts deaktivieren
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
sei(); // wieder aktivieren

// oder: vorheriger Status des globalen Interrupt-Flags bleibt erhalten
uint8_t sreg_tmp;
sreg_tmp = SREG; /* Sichern */
cli()
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
SREG = sreg_tmp; /* Wiederherstellen */

// oder: mehrfach lesen, bis man konsistente Daten hat
uint16_t count1 = gMyCounter16Bit;
uint16_t count2 = gMyCounter16Bit;
while (count1 != count2) {
count1 = count2;
count2 = gMyCounter16Bit;
}
tmpCnt = count1;
//...
}
</c>

Die avr-libc bietet ab Version 1.6.0(?) einige Hilfsfunktionen/Makros, mit der im Beispiel oben gezeigten Funktionalität, die zusätzlich auch sogenannte [http://en.wikipedia.org/wiki/Memory_barrier memory barriers] beinhalten. Diese stehen nach #include <util/atomic.h> zur Verfügung.
<c>
//...
#include <util/atomic.h>
//...

// analog zu cli, Zugriff, sei:
ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_FORCEON) {
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
}

// oder:

// analog zu Sicherung des SREG, cli, Zugriff und Zurückschreiben des SREG:
ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_RESTORESTATE) {
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
}

//...
</c>

* siehe auch [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__util__atomic.html Dokumentation der avr-libc zu atomic.h]

== Interrupt-Routinen und Registerzugriffe ==

Falls Register sowohl im Hauptprogramm als auch in Interrupt-Routinen verändert werden, ist darauf zu achten, dass diese Zugriffe sich nicht überlappen. Nur wenige Anweisungen lassen sich in sogenannte "atomare" Zugriffe übersetzen, die nicht von Interrupt-Routinen unterbrochen werden können.

Zur Veranschaulichung eine Anweisung, bei der ein Bit und im Anschluss drei Bits in einem Register gesetzt werden:

<c>
#include <avr/io.h>

int main(void)
{
//...
PORTA |= (1<<PA0);

PORTA |= (1<<PA2)|(1<<PA3)|(1<<PA4);
//...
}
</c>

Der Compiler übersetzt diese Anweisungen für einen ATmega128 bei Optimierungsstufe "S" nach:

<div class="code"><pre>
...
PORTA |= (1<<PA0);
d2: d8 9a sbi 0x1b, 0 ; 27 (a)

PORTA |= (1<<PA2)|(1<<PA3)|(1<<PA4);
d4: 8b b3 in r24, 0x1b ; 27 (b)
d6: 8c 61 ori r24, 0x1C ; 28 (c)
d8: 8b bb out 0x1b, r24 ; 27 (d)
...
</pre></div>

Das Setzen des einzelnen Bits wird bei eingeschalteter Optimierung für Register im unteren Speicherbereich in eine einzige Assembler-Anweisung (sbi) übersetzt und ist nicht anfällig für Unterbrechungen durch Interrupts. Die Anweisung zum Setzen von drei Bits wird jedoch in drei abhängige Assembler-Anweisungen übersetzt und bietet damit zwei "Angriffspunkte" für Unterbrechungen. Eine Interrupt-Routine könnte nach dem Laden des Ausgangszustands in den Zwischenspeicher (hier Register 24) den Wert des Registers ändern, z. B. ein Bit löschen. Damit würde der Zwischenspeicher nicht mehr mit dem tatsächlichen Zustand übereinstimmen aber dennoch nach der Bitoperation (hier ori) in das Register zurückgeschrieben.

Beispiel: PORTA sei anfangs 0b00000000. Die erste Anweisung (a) setzt Bit 0, PORTA ist danach 0b00000001. Nun wird im ersten Teil der zweiten Anweisung der Portzustand in ein Register eingelesen (b). Unmittelbar darauf (vor (c)) "feuert" ein Interrupt, in dessen Interrupt-Routine Bit 0 von PORTA gelöscht wird. Nach Verlassen der Interrupt-Routine hat PORTA den Wert 0b00000000. In den beiden noch folgenden Anweisungen des Hauptprogramms wird nun der zwischengespeicherte "alte" Zustand 0b00000001 mit 0b00011100 logisch-oder-verknüft (c) und das Ergebnis 0b00011101 in PortA geschrieben (d). Obwohl zwischenzeitlich Bit 0 gelöscht wurde, ist es nach (d) wieder gesetzt.

Lösungsmöglichkeiten:
* Register ohne besondere Vorkehrungen nicht in Interruptroutinen ''und'' im Hauptprogramm verändern.
* Interrupts vor Veränderungen in Registern, die auch in ISRs verändert werden, deaktivieren ("cli").
* Bits einzeln löschen oder setzen. sbi und cbi können nicht unterbrochen werden. Vorsicht: nur Register im unteren Speicherbereich sind mittels sbi/cbi ansprechbar. Der Compiler kann nur für diese sbi/cbi-Anweisungen generieren. Für Register außerhalb dieses Adressbereichs ("Memory-Mapped"-Register) werden auch zur Manipulation einzelner Bits abhängige Anweisungen erzeugt (lds,...,sts).

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Frequently asked Questions/Fragen Nr. 1 und 8. (Stand: avr-libc Vers. 1.0.4)

== Interruptflags löschen ==

Beim Löschen von Interruptflags haben AVRs eine Besonderheit, die auch im Datenblatt beschrieben ist: Es wird zum Löschen eine 1 in das betreffende Bit geschrieben.

Hinweis: Dazu '''nicht''' übliche bitweise VerODERung nehmen, sondern eine direkte Zuweisung machen ([http://www.mikrocontroller.net/topic/171148#1640133 Erklärung]).

== Was macht das Hauptprogramm? ==

Im einfachsten (Ausnahme-)Fall gar nichts mehr. Es ist also durchaus denkbar, ein Programm zu schreiben, welches in der main-Funktion lediglich noch die Interrupts aktiviert und dann in einer Endlosschleife verharrt. Sämtliche Funktionen werden dann in den ISRs abgearbeitet. Diese Vorgehensweise ist jedoch bei den meisten Anwendungen schlecht: man verschenkt eine Verarbeitungsebene und hat außerdem möglicherweise Probleme durch Interruptroutinen, die zu viel Verarbeitungszeit benötigen.

Normalerweise wird man in den Interruptroutinen nur die bei Auftreten des jeweiligen Interruptereignisses unbedingt notwendigen Operationen ausführen lassen. Alle weniger kritischen Aufgaben werden dann im Hauptprogramm abgearbeitet.

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Interrupts and Signals

= Sleep-Modes =

AVR Controller verfügen über eine Reihe von sogenannten [[Sleep Mode |''Sleep-Modes'']] ("Schlaf-Modi"). Diese ermöglichen es, Teile des Controllers abzuschalten. Zum Einen kann damit besonders bei Batteriebetrieb Strom gespart werden, zum Anderen können Komponenten des Controllers deaktiviert werden, die die Genauigkeit des Analog-Digital-Wandlers bzw. des Analog-Comparators negativ beeinflussen. Der Controller wird durch Interrupts aus dem Schlaf geweckt. Welche Interrupts den jeweiligen Schlafmodus beenden, ist einer Tabelle im Datenblatt des jeweiligen Controllers zu entnehmen.
Die Funktionen (eigentlich Makros) der avr-libc stehen nach Einbinden der header-Datei ''sleep.h'' zur Verfügung.

;set_sleep_mode (uint8_t mode): Setzt den Schlafmodus, der bei Aufruf von sleep() aktiviert wird. In sleep.h sind einige Konstanten definiert (z. B. SLEEP_MODE_PWR_DOWN). Die definierten Modi werden jedoch nicht alle von sämtlichten AVR-Controllern unterstützt.
;sleep_enable(): Aktiviert den gesetzten Schlafmodus, versetzt den Controller aber noch nicht in den Schlafmodus
;sleep_cpu(): Versetzt den Controller in den Schlafmodus .sleep_cpu wird im Prinzip durch die Assembler-Anweisung ''sleep'' ersetzt.
;sleep_disable(): Deaktiviert den gesetzten Schlafmodus
;sleep_mode(): Versetzt den Controller in den mit set_sleep_mode gewählten Schlafmodus. Das Makro entspricht sleep_enable()+sleep_cpu()+sleep_disable(), beinhaltet also nicht die Aktivierung von Interrupts (besser nicht benutzen).

Bei Anwendung von sleep_cpu() müssen Interrupts also bereits freigeben sein (sei()), da der Controller sonst nicht mehr "aufwachen" kann. sleep_mode() ist nicht geeignet für die Verwendung in ISR Interrupt-Service-Routinen, da bei deren Abarbeitung Interrupts global deaktiviert sind und somit auch die möglichen "Aufwachinterrupts". Abhilfe: stattdessen sleep_enable(), sei(), sleep_cpu(), sleep_disable() und evtl. cli() verwenden (vgl. Dokumentation der avr-libc).

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/sleep.h>

int main(void)
{
...

while (1) {
...
set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);
sleep_mode();

// Code hier wird erst nach Auftreten eines entsprechenden
// "Aufwach-Interrupts" verarbeitet
...
}
}
</c>

In älteren Versionenen der avr-libc wurden nicht alle AVR-Controller durch die sleep-Funktionen richtig angesteuert. Mit avr-libc 1.2.0 wurde die Anzahl der unterstützten Typen jedoch deutlich erweitert. Bei nicht-unterstützten Typen erreicht man die gewünschte Funktionalität durch direkte "[[Bitmanipulation]]" der entsprechenden Register (vgl. Datenblatt) und Aufruf des Sleep-Befehls via Inline-Assembler oder sleep_cpu():

<c>
#include <avr/io.h>
...
// Sleep-Mode "Power-Save" beim ATmega169 "manuell" aktivieren
SMCR = (3<<SM0) | (1<<SE);
asm volatile ("sleep"::); // alternativ sleep_cpu() aus sleep.h
...
</c>

== Sleep Modi ==
Zu beachten ist, dass unterschiedliche Prozessoren aus der AVR Familie unterschiedliche Sleep-Modi unterstützen oder nicht unterstützen. Auskunft über die tatsächlichen Gegebenheiten gibt, wie immer, das zum Prozessor gehörende Datenblatt. Die unterschiedlichen Modi unterscheiden sich dadurch, welche Bereiche des Prozessors abgeschaltet werden. Damit korrespondiert unmittelbar welche Möglichkeiten es gibt, den Prozessor aus den jeweiligen Sleep Modus wieder aufzuwecken.

;Idle Mode (SLEEP_MODE_IDLE): Die CPU kann durch SPI, USART, Analog Comperator, ADC, TWI, Timer, Watchdog und irgendeinen anderen Interrupt wieder aufgeweckt werden.

;ADC Noise Reduction Mode (SLEEP_MODE_ADC): In diesem Modus liegt das Hauptaugenmerk darauf, die CPU soweit stillzulegen, dass der ADC möglichst keine Störungen aus dem inneren der CPU auffangen kann. Aufwachen aus diesem Modus kann ausgelöst werden durch den ADC, externe Interrupts, TWI, Timer und Watchdog.

;Power-Down Mode (SLEEP_MODE_PWR_DOWN): In diesem Modus wird ein externer Oszillator (Quarz, Quarzoszillator) gestoppt. Geweckt werden kann die CPU durch einen externen Level Interrupt, TWI, Watchdog, Brown-Out-Reset

;Power-Save-Mode (SLEEP_MODE_PWR_SAVE): Power-Save ist identisch zu Power-Down mit einer Ausnahme: Ist der Timer 2 auf die Verwendung eines externen Taktes konfiguriert, so läuft dieser Timer auch im Power-Save weiter und kann die CPU mit einem Interrupt aufwecken.

;Standby-Mode (SLEEP_MODE_STANDBY, SLEEP_MODE_EXT_STANDBY): Voraussetzung für den Standby-Modus ist die Verwendung eines Quarzes oder eines Quarzoszillators (also einer externen Taktquelle). Ansonsten ist dieser Modus identisch zum Power-Down Modus. Vorteil dieses Modus ist eine kürzere Aufwachzeit.

Siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Power Management and Sleep-Modes
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/96369#832712 Forenbeitrag] zur "Nichtverwendung" von sleep_mode in ISRs.

= Zeiger =
Zeiger (engl. /pointer/), d.h. Variablen, die die Adresse von Daten oder Funktionen enthalten, belegen 16 bits. Das hängt mit dem addressierbaren Speicherbereich zusammen, und gcc reserviert dann den entsprechenden Platz.
Ggf. ist es also günstiger, Indizes auf Arrays (Listen) zu verwenden, so dass der GCC für die Zeigerarithmetik den erforderlichen RAM nur temporär benötigt.

Siehe auch: [[Zeiger]]

= Speicherzugriffe =

Atmel AVR-Controller verfügen typisch über drei Speicher:

* [[RAM]]: Im RAM (genauer statisches RAM/SRAM) wird vom gcc-Compiler Platz für Variablen reserviert. Auch der Stack befindet sich im RAM. Dieser Speicher ist "flüchtig", d.h. der Inhalt der Variablen geht beim Ausschalten oder einem Zusammenbruch der Spannungsversorgung verloren.

* Programmspeicher: Ausgeführt als FLASH-Speicher, seitenweise wiederbeschreibbar. Darin ist das Anwendungsprogramm abgelegt.

* [[EEPROM]]: Nichtflüchtiger Speicher, d.h. der einmal geschriebene Inhalt bleibt auch ohne Stromversorgung erhalten. Byte-weise schreib/lesbar. Im EEPROM werden typischerweise gerätespezifische Werte wie z. B. Kalibrierungswerte von Sensoren abgelegt.

Einige AVRs besitzen keinen RAM-Speicher, lediglich die Register können als "Arbeitsvariablen"
genutzt werden. Da die Anwendung des avr-gcc auf solch "kleinen" Controllern ohnehin selten sinnvoll ist und auch nur bei einigen RAM-losen Typen nach [http://lightner.net/avr/ATtinyAvrGcc.html "Bastelarbeiten"] möglich ist, werden diese Controller hier nicht weiter berücksichtigt. Auch EEPROM-Speicher ist nicht auf allen Typen verfügbar. Generell sollten die nachfolgenden Erläuterungen auf alle ATmega-Controller und die größeren AT90-Typen übertragbar sein. Für die Typen ATtiny2313, ATtiny26 und viele weitere der "ATtiny-Reihe" gelten die Ausführungen ebenfalls.

Siehe auch:
* [[Binäre Daten zum Programm hinzufügen]]
== RAM ==

Die Verwaltung des RAM-Speichers erfolgt durch den Compiler, im Regelfall ist beim Zugriff auf Variablen im RAM nichts Besonderes zu beachten. Die Erläuterungen in jedem brauchbaren C-Buch gelten auch für den vom avr-gcc-Compiler erzeugten Code.

Um Speicher dynamisch (während der Laufzeit) zu reservieren, kann '''malloc()''' verwendet werden. malloc(size) "alloziert" (~reserviert) einen gewissen Speicherblock mit '''size''' Bytes. Ist kein Platz für den neuen Block, wird NULL (0) zurückgegeben.

Wird der angelegte Block zu klein (groß), kann die Größe mit realloc() verändert werden. Den allozierten Speicherbereich kann man mit free() wieder freigeben. Wenn das Freigeben eines Blocks vergessen wird spricht man von einem "Speicherleck" (memory leak).

malloc() legt Speicherblöcke im '''Heap''' an, belegt man zuviel Platz, dann wächst der Heap zu weit nach oben und überschreibt den Stack, und der Controller kommt in Teufels Küche. Das kann leider nicht nur passieren wenn man insgesamt zu viel Speicher anfordert, sondern auch wenn man Blöcke unterschiedlicher Größe in ungünstiger Reihenfolge alloziert/freigibt (siehe Artikel [[Heap-Fragmentierung]]). Aus diesem Grund sollte man malloc() auf Mikrocontrollern sehr sparsam (am besten gar nicht) verwenden.

Beispiel zur Verwendung von malloc():
<c>
#include <stdlib.h>

void foo(void) {
// neuen speicherbereich anlegen,
// platz für 10 uint16
uint16_t* pBuffer = malloc(10 * sizeof(uint16_t));

// darauf zugreifen, als wärs ein gewohnter Buffer
pBuffer[2] = 5;

// Speicher (unbedingt!) wieder freigeben
free(pBuffer);
}
</c>

Wenn (wie in obigem Beispiel) dynamischer Speicher nur für die Dauer einer Funktion benötigt und am Ende wieder freigegeben wird, bietet es sich an, statt malloc() '''alloca()''' zu verwenden. Der Unterschied zu malloc() ist, dass der Speicher auf dem Stack reserviert wird, und beim Verlassen der Funktion automatisch wieder freigegeben wird. Es kann somit kein Speicherleck und keine Fragmentierung entstehen.

siehe auch:
* http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/malloc.html

== Programmspeicher (Flash) ==

Ein Zugriff auf Konstanten im Programmspeicher ist mittels avr-gcc nicht "transparent" möglich. D.h. es sind besondere Zugriffsfunktionen erforderlich, um Daten aus diesem Speicher zu lesen. Grundsätzlich basieren alle Zugriffsfunktionen auf der Assembler-Anweisung lpm (load program memory, bei AVR Controllern mit mehr als 64kB Flash auch elpm). Die Standard-Laufzeitbibliothek des avr-gcc (die avr-libc) stellt diese Funktionen nach Einbinden der Header-Datei pgmspace.h zur Verfügung. Mit diesen Funktionen können einzelne Bytes, Datenworte (16bit) und Datenblöcke gelesen werden.

Deklarationen von Variablen im Flash-Speicher werden durch das "Attribut" PROGMEM ergänzt. Lokale Variablen (eigentlich Konstanten) innerhalb von Funktionen können ebenfalls im Programmspeicher abgelegt werden. Dazu ist bei der Definition jedoch ein ''static'' voranzustellen, da solche "Variablen" nicht auf dem Stack bzw. (bei Optimierung) in Registern verwaltet werden können. Der Compiler "wirft" eine Warnung falls static fehlt.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/pgmspace.h>

/* Byte */
const uint8_t pgmFooByte PROGMEM = 123;

/* Wort */
const uint16_t pgmFooWort PROGMEM = 12345;

/* Byte-Array */
const uint8_t pgmFooByteArray1[] PROGMEM = { 18, 3 ,70 };
const uint8_t pgmFooByteArray2[] PROGMEM = { 30, 7 ,79 };

/* Zeiger */
const uint8_t * const pgmPointerToArray1 PROGMEM = pgmFooByteArray1;
const uint8_t * const pgmPointerArray[] PROGMEM = { pgmFooByteArray1, pgmFooByteArray2 };

void foo(void)
{
static const uint8_t pgmTestByteLocal PROGMEM = 0x55;
static const char pgmTestStringLocal[] PROGMEM = "im Flash";
// so nicht (static fehlt)
// char pgmTestStringLocalFalsch [] PROGMEM = "so nicht";
}
</c>

=== Byte lesen ===

Mit der Funktion pgm_read_byte aus pgmspace.h erfolgt der Zugriff auf die Daten. Parameter der Funktion ist die Adresse des Bytes im Flash-Speicher.

<c>
#include <avr/pgmspace.h>

const uint8_t pgmFooByte PROGMEM = 123;
const uint8_t pgmFooByteArray1[] PROGMEM = { 18, 3, 70 };

void foo (coid)
// Wert der Ram-Variablen myByte auf den Wert von pgmFooByte setzen:
uint8_t myByte;

myByte = pgm_read_byte (&pgmFooByte);
// myByte hat nun den Wert 123

// Schleife ueber ein Array aus Byte-Werten im Flash
uint8_t i;

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (&pgmFooByteArray1[i]);
// mach was mit myByte
}
</c>

=== Wort lesen ===

Für "einfache" 16-Bit breite Variablen erfolgt der Zugriff analog zum Byte-Beispiel, jedoch mit der Funktion <code>pgm_read_word</code>:

<c>
const uint16_t pgmFooWort PROGMEM = 12345;

uint16_t myWord = pgm_read_word (&pgmFooWort);
</c>

Zeiger auf Werte im Flash sind ebenfalls 16 Bits "groß".
Damit ist der mögliche Speicherbereich für "Flash-Konstanten" auf 64kB begrenzt.<ref>Einige avr-libc/pgmspace-Funktionen ermöglichen den Lesezugriff auf den gesamten Flash-Speicher, intern via Assembler Anweisung ELPM. Die Initialisierungswerte des Speicherinhalts jenseits der 64kB-Marke müssen dann jedoch auf anderem Weg angelegt werden, d.h. nicht per PROGMEM; evtl. eigene Section und Linker-Optionen. Alt und nicht ganz korrekt: Die avr-libc pgmspace-Funktionen unterstützen nur die unteren 64kB Flash bei Controllern mit mehr als 64kB.</ref>

<c>
const uint8_t *ptrToArray;

ptrToArray = (const uint8_t*) pgm_read_word (&pgmPointerToArray1);
// ptrToArray enthält nun die Startadresse des Byte-Arrays pgmFooByteArray1
// Allerdings würde ein direkter Zugriff mit diesem Pointer (z. B. temp=*ptrToArray)
// nicht den Inhalt von pgmFooByteArray1[0] liefern, sondern von einer Speicherstelle
// im RAM, die die gleiche Adresse hat wie pgmFooByteArray1[0]
// Daher muss nun die Funktion pgm_read_byte() benutzt werden, die die in ptrToArray
// enthaltene Adresse benutzt und auf das Flash zugreift.

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (ptrToArray+i);
// mach was mit myByte... (18, 3, 70)
}

ptrToArray = (const uint8_t*) pgm_read_word (&pgmPointerArray[1]);

// ptrToArray enthält nun die Adresse des ersten Elements des Byte-Arrays pgmFooByteArray2
// da im zweiten Element des Pointer-Arrays pgmPointerArray die Adresse
// von pgmFooByteArray2 abgelegt ist

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (ptrToArray+i);
// mach was mit myByte... (30, 7, 79)
}
</c>

=== Block lesen ===
In den Standard-Flash Funktionen ist keine der pgm_read_xxxx Nomenklatur folgenden Funktion enthalten, die einen kompletten Block ausliest. Die enstprechende Funktion ist eine Variante von memcpy und heißt memcpy_P().

Was diese Funktion im Prinzip macht, ist einfach in einer Schleife pgm_read_byte zu benutzen, um einen Speicherblock von der Quelladresse im Flash an eine Zieladresse im SRAM zu kopieren.

<c>
void pgm_read_block( uint8_t* pTarget, const uint8_t* pSource, size_t len )
{
size_t i;

for( i = 0; i < len; ++i )
*pTarget++ = pgm_read_byte( pSource++ );
}
</c>

Damit ist es dann natürlich kein Problem mehr ganze Arrays oder Strukturen aus dem Flash in das SRAM zu übertragen.

=== Strings lesen ===
Strings sind in C nichts anderes als eine Abfolge von Zeichen. Der prinzipielle Weg ist daher identisch zu "Bytes lesen", wobei allerdings auf die [http://www.mikrocontroller.net/articles/FAQ#Wie_funktioniert_String-Verarbeitung_in_C.3F Besonderheiten von Strings] wie 0-Terminierung geachtet werden muss, bzw. diese zur Steuerung einer Schleife über die Zeichen im String ausgenutzt werden kann

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char pgmString[] PROGMEM = "Hello world";

int main()
{
char c;
const char* addr;

addr = pgmString;
while (c = pgm_read_byte (addr++), c != '\0')
{
// mach was mit c
}
}
</c>

Zur Unterstützung des Programmierers steht das Repertoir der str-Funktionen auch in jeweils eine Variante zur Verfügung, die mit dem Flash-Speicher arbeiten kann. Die Funktionsnamen tragen den Suffix <tt>_P</tt>.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char pgmString[] PROGMEM = "Hallo world";

void foo (void)
{
char string[40];

strcpy_P (string, pgmString);
}
</c>

=== Float lesen ===

Auch um floats zu lesen gibt es ein Makros:

<c>
float pgmFloatArray[3] PROGMEM = {1.1, 2.2, 3.3};

void read_float (void)
{
int i;
float f;

for (i=0; i<3; i++)
{
// entspricht f = pgmFloatArray[i];
f = pgm_read_float (&pgmFloatArray[i]);
// mach was mit f
}
}
</c>

TODO: Beispiele für structs und pointer aus Flash auf struct im Flash (menues, state-machines etc.). Eine kleine Einleitung insbesondere auch in Bezug auf die auftretenden Schwierigkeiten liefert [http://www.mail-archive.com/avr-gcc-list@nongnu.org/msg05652.html].

=== Array aus Strings im Flash-Speicher ===

Arrays aus Strings im Flash-Speicher werden in zwei Schritten angelegt: Zuerst die einzelnen Elemente des Arrays und im Anschluss ein Array, in dem die Startaddressen der Strings abgelegt werden. Zum Auslesen wird zuerst die Adresse des i-ten Elements aus dem Array im Flash-Speicher gelesen, die im Anschluss dazu genutzt wird, auf das Element (den String) selbst zuzugreifen.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char str1[] PROGMEM = "first_A";
const char str2[] PROGMEM = "second_A";
const char str3[] PROGMEM = "third_A";

const char * const strarray1[] PROGMEM =
{
str1,
str2,
str3
};

static char work[20];

void read_strings (void)
{
size_t i;

for (i = 0; i < sizeof (strarray1) / sizeof (strarray1[0]); i++)
{
size_t j, len;

// setze Pointer auf die Addresse des i-ten Elements des
// Flash-Arrays (str1, str2, ...)
const char *pstrflash = (const char*) pgm_read_word (&strarray1[i]);

// kopiere den Inhalt der Zeichenkette von der
// in pstrflash abgelegten Adresse in das work-Array
// analog zu strcpy( work, strarray1[i]) wenn alles im RAM
strcpy_P (work, pstrflash);

// Gleichbedeutend damit:
strcpy_P (work, (const char*) pgm_read_word (&strarray1[i]));

// Zeichen-fuer-Zeichen
len = strlen_P (&strarray1[i]);

// <= da auch das Stringende-Zeichen kopiert werden soll
for (j = 0; j <= len; j++)
{
// analog zu work[j] = strarray[i][j] wenn alles im RAM
work[i] = (char) pgm_read_byte (pstrflash++);
}
}
}
</c>

Siehe dazu auch die avr-libc FAQ: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/FAQ.html#faq_rom_array How do I put an array of strings completely in ROM?]

=== Vereinfachung für Zeichenketten (Strings) im Flash ===

Zeichenketten können innerhalb des Quellcodes als "Flash-Konstanten" ausgewiesen werden. Dazu dient das Makro PSTR aus pgmspace.h. Dies erspart die getrennte Deklaration mit PROGMEM-Attribut.

<c>
#include <string.h>
#include <avr/pgmspace.h>

#define MAXLEN 30

char StringImFlash[] PROGMEM = "Erwin Lindemann";
char StringImRam[MAXLEN];

void read_string (void)
{
strcpy (StringImRam, "Mueller-Luedenscheidt");

if (!strncmp_P (StringImRam, StringImFlash, 5))
{
// mach was, wenn die ersten 5 Zeichen identisch - hier nicht
}
else
{
// der Code hier wuerde ausgefuehrt
}

if (!strncmp_P (StringImRam, PSTR("Mueller-Schmitt"), 5))
{
// der Code hier wird ausgefuehrt, wenn die ersten
// 5 Zeichen uebereinstimmen
}
else
{
// wird bei Nicht-Uebereinstimmung ausgefuehrt
}
}
</c>

Aber Vorsicht: Ersetzt man zum Beispiel
<c>
// Daten im "Flash"
const char flashText[] PROGMEM = "mit[]";
</c>
durch
<c>
// Hier wird "mit*" im RAM angelegt und flashPointer
// enthaelt die Adresse
const char* const flashPointer PROGMEM = "mit*";
</c>
dann kann es zu Problemen kommen.

Übergibt man Zeichenketten, die im Flash abglegt sind an eine Funktion – also die Adresse des ersten Zeichens – so muss die Funktion entsprechend programmiert sein. Die Funktion selbst hat keine Möglichkeit zu unterscheiden, ob es sich um eine Flash-Adresse oder ein RAM-Adresse handelt. Die avr-libc und viele andere avr-gcc-Bibliotheken halten sich an die Konvention, dass Namen von Funktionen, die Flash-Adressen erwarten, mit dem Suffix <code>_P</code> versehen sind.

Eine Funktion, die einen im Flash abgelegten String z. B. an eine UART ausgibt, würde dann so aussehen:

<c>
void uart_puts_p (const char *text)
{
char zeichen;

while ((zeichen = pgm_read_byte (text)))
{
// so lange, wie mittels pgm_read_byte nicht das Stringende
// gelesen wurde: gib dieses Zeichen aus

uart_putc (Zeichen);
text++;
}
}
</c>

Von einigen Bibliotheken werden Makros definiert, die "automatisch" ein PSTR bei Verwendung einer Funktion einfügen. Ein Blick in den Header-File der Bibliothek zeigt, ob dies der Fall ist. Ein Beispiel aus P. Fleurys lcd-Library:

<c>
// Ausschnitt aus dem Header-File lcd.h der "Fleury-LCD-Lib."
extern void lcd_puts_p (const char *progmem_s);
#define lcd_puts_P(__s) lcd_puts_p(PSTR(__s))

// in einer Anwendung
#include <avr/pgmspace.h>
#include <string.h>
#include "lcd.h"

const char StringImFlash[] PROGMEM = "Erwin Lindemann";

void my_write (coid)
{
lcd_puts_p (StringImFlash);
lcd_puts_P ("Dr. Kloebner");
}</c>

=== Flash in der Anwendung schreiben ===

Bei AVRs mit "self-programming"-Option – auch bekannt als [[Bootloader]]-Support – können Teile des Flash-Speichers vom Anwendungsprogramm beschrieben werden. Dies ist nur möglich, wenn die Schreibfunktion in einem besonderen Speicherbereich, der boot-section des Programmspeichers/Flash, abgelegt ist.

Bei einigen kleinen AVRs gibt es keine gesonderte Boot-Section, bei diesen kann der Flashspeicher von jeder Stelle des Programms geschrieben werden. Für Details sei hier auf das jeweilige Controller-Datenblatt und die Erläuterungen zum Modul boot.h der avr-libc verwiesen. Es existieren auch Application-Notes dazu bei atmel.com, die auf avr-gcc-Code übertragbar sind.

Siehe auch:
* Forumsbeitrag [http://www.mikrocontroller.net/topic/163632#1561622 Daten in Programmspeicher speichern]

=== Warum so kompliziert? ===

Zu dem Thema, warum die Verabeitung von Werten aus dem Flash-Speicher so kompliziert ist, sei hier nur kurz erläutert: Die Harvard-Architektur des AVR weist getrennte Adressräume für Programm(Flash)- und Datenspeicher(RAM) auf. Der C-Standard und der gcc-Compiler sehen keine unterschiedlichen Adressräume vor.

Hat man zum Beispiel eine Funktion string_an_uart(const char* s) und übergibt an diese Funktion die Adresse einer Zeichenkette, z. B. 0x01fe, weiß die Funktion nicht, ob die Adresse auf den Flash-Speicher oder den/das RAM zeigt. Allein aus dem Pointer-Wert, alse dem Zahlenwert, kann nicht auf den Ort der ABlage geschlossen werden.

Einige AVR-Compiler bilden die Harvard-Architektur ab, indem sie in einen Pointer nicht nur die Adresse speichern, sondern auch den Ablageort wie ''Flash'' oder ''RAM''. Aufruf einer Funktion wird dann bei Pointer-Parametern neben der Adresse auch der Speicherbereich, auf den der Pointer zeigt, übergeben. Dies hat jedoch auch Nachteile, denn bei jeden Zugriff über einen Zeiger muss zur ''Laufzeit'' entschieden werden, wie der Zugriff auszuführen ist und entsprechend länglicher und langsamer Code ausgeführt werden.

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitte Modules/Program Space String Utilities und Abschnitt Modules/Bootloader Support Utilities

== EEPROM ==

Man beachte, dass der EEPROM-Speicher nur eine begrenzte Anzahl von Schreibzugriffen zulässt. Beschreibt man eine EEPROM-Zelle öfter als die im Datenblatt zugesicherte Anzahl (typisch 100.000), wird die Funktion der Zelle nicht mehr garantiert.
Dies gilt für jede einzelne Zelle. Bei geschickter Programmierung (z. B. Ring-Puffer), bei der die zu beschreibenden Zellen regelmäßig gewechselt werden, kann man eine deutlich höhere Anzahl an Schreibzugriffen, bezogen auf den Gesamtspeicher, erreichen.

Schreib- und Lesezugriffe auf den EEPROM-Speicher erfolgen über die im Modul eeprom.h definierten Funktionen. Mit diesen Funktionen können einzelne Bytes, Datenworte (16bit) und Datenblöcke geschrieben und gelesen werden.

Bei Nutzung des EEPROMs ist zu beachten, dass vor dem Zugriff auf diesen Speicher abgefragt wird, ob der Controller die vorherige EEPROM-Operation abgeschlossen hat. Die avr-libc-Funktionen beinhalten diese Prüfung, man muss sie nicht selbst implementieren. Man sollte auch verhindern, dass der Zugriff durch die Abarbeitung einer Interrupt-Routine unterbrochen wird, da bestimme Befehlsabfolgen vorgegeben sind, die innerhalb weniger Taktzyklen aufeinanderfolgen müssen ("timed sequence"). Auch dies muss bei Nutzung der Funktionen aus der avr-libc/eeprom.h-Datei nicht selbst implementiert werden. Innerhalb der Funktionen werden Interrupts vor der "EEPROM-Sequenz" global deaktiviert und im Anschluss, falls vorher auch schon eingeschaltet, wieder aktiviert.

Um eine Variable im EEPROM anzulegen, stellt die avr-libc das Makro EEMEM zur Verfügung<ref>In älteren Versionen der avr-libc ist EEMEM noch nicht vorhanden, und man kann sich folgendermassen behelfen:
<c>
#include <avr/eeprom.h>

#ifndef EEMEM
#define EEMEM __attribute__((section (".eeprom")))
#endif
</c></ref>, das analog zu PROGMEM verwendet wird.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/eeprom.h>

/* Byte */
uint8_t eeFooByte EEMEM = 123;

/* Wort */
uint16_t eeFooWord EEMEM = 12345;

/* float */
float eeFooFloat EEMEM;

/* Byte-Array */
uint8_t eeFooByteArray1[] EEMEM = { 18, 3, 70 };
uint8_t eeFooByteArray2[] EEMEM = { 30, 7, 79 };

/* 16-bit unsigned short feld */
uint16_t eeFooWordArray1[4] EEMEM;
</c>

=== Bytes lesen/schreiben ===

Die avr-libc Funktion zum Lesen eines Bytes heißt eeprom_read_byte. Parameter ist die Adresse des Bytes im EEPROM. Geschrieben wird über die Funktion eeprom_write_byte mit den Parametern Adresse und Inhalt. Anwendungsbeispiel:

<c>
#define EEPROM_DEF 0xFF

void eeprom_example (void)
{
uint8_t myByte;

// myByte lesen (Wert = 123)
myByte = eeprom_read_byte (&eeFooByte);

// der Wert 99 wird im EEPROM an die Adresse der
// Variablen eeFooByte geschrieben
myByte = 99;
eeprom_write_byte(&eeFooByte, myByte); // schreiben

myByte = eeprom_read_byte &eeFooByteArray1[1]);
// myByte hat nun den Wert 3

// Beispiel zur "Sicherung" gegen leeres EEPROM nach "Chip Erase"
// (z. B. wenn die .eep-Datei nach Programmierung einer neuen Version
// des Programms nicht in den EEPROM uebertragen wurde und EESAVE
// deaktiviert ist (unprogrammed/1)
//
// Vorsicht: wenn EESAVE "programmed" ist, hilft diese Sicherung nicht
// weiter, da die Speicheraddressen in einem neuen/erweiterten Programm
// moeglicherweise verschoben wurden. An der Stelle &eeFooByte steht
// dann u.U. der Wert einer anderen Variable aus einer "alten" Version.

uint8_t fooByteDefault = 222;
if ((myByte = eeprom_read_byte (&eeFooByte)) == EEPROM_DEF)
{
myByte = fooByteDefault;
}
}
</c>

=== Wort lesen/schreiben ===

Schreiben und Lesen von Datenworten erfolgt analog zur Vorgehensweise bei Bytes:

<c>
// lesen
uint16_t myWord = eeprom_read_word (&eeFooWord);

// schreiben
eeprom_write_word (&eeFooWord, 2222);
</c>

=== Block lesen/schreiben ===

Lesen und Schreiben von Datenblöcken erfolgt über die Funktionen <code>eeprom_read_block()</code> bzw. <code>eeprom_write_block()</code>. Die Funktionen erwarten drei Parameter: die Adresse der Quell- bzw. Zieldaten im RAM, die EEPROM-Addresse und die Länge des Datenblocks in Bytes als <code>size_t</code>.
<c>
uint8_t myByteBuffer[3];
uint16_t myWordBuffer[4];

void eeprom_block_example (void)
{
/* Datenblock aus EEPROM lesen */

/* liest 3 Bytes ab der von eeFooByteArray1 definierten EEPROM-Adresse
in das RAM-Array myByteBuffer */
eeprom_read_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, 3);

/* dito mit etwas Absicherung betr. der Länge */
eeprom_read_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, sizeof(myByteBuffer));

/* und nun mit 16-Bit Array */
eeprom_read_block (myWordBuffer, eeFooWordArray1, sizeof(myWordBuffer));

/* Datenblock in EEPROM schreiben */
eeprom_write_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, sizeof(myByteBuffer));
eeprom_write_block (myWordBuffer, eeFooWordArray1, sizeof(myWordBuffer));
}
</c>

Ebenso lassen sich float-Variablen lesen und schreiben:

<c>
#include <avr/eeprom.h>

float eeFloat EEMEM = 12.34f;

float void eeprom_float_example (float value)
{
/* float in EEPROM schreiben */
eeprom_write_float (&eeFloat, value);

/* float aus EEPROM lesen */
return eeprom_read_float (&eeFloat);
}</c>

=== EEPROM-Speicherabbild in .eep-Datei ===

Mit den zum Compiler gehörenden Werkzeugen kann der aus den Variablendeklarationen abgeleitete EEPROM-Inhalt in eine Datei geschrieben werden. Die übliche Dateiendung ist .eep, Daten im Intel Hex-Format. Damit können Standardwerte für den EEPROM-Inhalt im Quellcode definiert werden.

Makefiles nach WinAVR/MFile-Vorlage enthalten bereits die notwendigen Einstellungen, siehe dazu die Erläuterungen im [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs Makefiles|Exkurs Makefiles]].

Der Inhalt der eep-Datei muss ebenfalls zum Mikrocontroller übertragen werden, wenn die Initialisierungswerte aus der Deklaration vom Programm erwartet werden. Ansonsten enthält der EEPROM-Speicher nach der Übertragung des Programmers mittels ISP abhängig von der Einstellung der EESAVE-Fuse<ref>vgl. Datenblatt Abschnitt Fuse Bits</ref> nicht die korrekten Werte:
; EESAVE = 0 (programmed): Die Daten im EEPROM bleiben erhalten. Werden sie nicht neu geschrieben, so enthält das EEPROM evtl. Daten, die nicht mehr zum Programm passen.
; EESAVE = 1 (unprogrammed): Beim Programmieren werden die Daten im EEPROM gelosch, also auf 0xff gesetzt.

Als Sicherung kann man im Programm nochmals die Standardwerte vorhalten, beim Lesen auf 0xFF prüfen und gegebenfalls einen Standardwert nutzen.

=== Direkter Zugriff auf EEPROM-Adressen ===

Will man direkt auf bestimmte EEPROM Adressen zugreifen, dann sind folgende Funktionen hilfreich, um sich die Typecasts zu ersparen:

<c>
#include <avr/eeprom.h>

// Byte aus dem EEPROM lesen
uint8_t EEPReadByte(uint16_t addr)
{
return eeprom_read_byte((uint8_t *)addr);
}

// Byte in das EEPROM schreiben
void EEPWriteByte(uint16_t addr, uint8_t val)
{
eeprom_write_byte((uint8_t *)addr, val);
}
</c>

oder als Makro:

<c>
#define EEPReadByte(addr) eeprom_read_byte((uint8_t *)addr)
#define EEPWriteByte(addr, val) eeprom_write_byte((uint8_t *)addr, val)
</c>

Verwendung:

<c>
EEPWriteByte(0x20, 128); // Byte an die Adresse 0x20 schreiben
...
Val=EEPReadByte(0x20); // EEPROM-Wert von Adresse 0x20 lesen
</c>

=== Bekannte Probleme bei den EEPROM-Funktionen ===

Vorsicht: Bei alten Versionen der avr-libc wurden nicht alle AVR Controller unterstützt. Z.B. bei der avr-libc Version 1.2.3 insbesondere bei AVRs "der neuen Generation" (ATmega48/88/168/169) funktionieren die Funktionen nicht korrekt (Ursache: unterschiedliche Speicheradressen der EEPROM-Register). In neueren Versionen (z. B. avr-libc 1.4.3 aus WinAVR 20050125) wurde die Zahl der unterstüzten Controller deutlich erweitert und eine Methode zur leichten Anpassung an zukünftige Controller eingeführt.

In jedem Datenblatt zu AVR-Controllern mit EEPROM sind kurze Beispielecodes für den Schreib- und Lesezugriff enthalten. Will oder kann man nicht auf die neue Version aktualisieren, kann der dort gezeigte Code auch mit dem avr-gcc (ohne avr-libc/eeprom.h) genutzt werden ("copy/paste", gegebenfalls Schutz vor Unterbrechnung/Interrupt ergänzen ''uint8_t sreg; sreg=SREG; cli(); [EEPROM-Code] ; SREG=sreg; return;'', siehe Abschnitt Interrupts). Im Zweifel hilft ein Blick in den vom Compiler erzeugten Assembler-Code (lst/lss-Dateien).

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/EEPROM handling

=== EEPROM Register ===
Um das EEPROM anzusteuern, sind drei Register von Bedeutung:
;EEAR: Hier werden die Adressen eingetragen zum Schreiben oder Lesen. Dieses Register unterteilt sich nochmal in EEARH und EEARL, da in einem 8-Bit-Register keine 512 Adressen adressiert werden können.
;EEDR: Hier werden die Daten eingetragen, die geschrieben werden sollen, bzw. es enthält die gelesenen Daten.
;EECR: Ist das Kontrollregister für das EEPROM

Das EECR steuert den Zugriff auf das EEPROM und ist wie folgt aufgebaut:

:{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''Aufbau des EECR-Registers'''
|-
!Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| - || - || - ||- || EERIE || EEMWE || EEWE || EERE
|-
! Read/Write
| R || R || R || R || R/W || R/W || R/W || R/W
|-
!Init Value
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''Bedeutung der Bits'''

;Bit 4-7: nicht belegt

;Bit 3 (EERIE): ''EEPROM Ready Interrupt Enable'': Wenn das Bit gesetzt ist und globale Interrupts erlaubt sind in Register SREG (Bit 7), wird ein Interrupt ausgelöst nach Beendigung des Schreibzyklus (EEPROM Ready Interrupt). Ist einer der beiden Bits 0, wird kein Interrupt ausgelöst.

;Bit 2 EEMWE): ''EEPROM Master Write Enable'': Dieses Bit bestimmt, dass, wenn EEWE = 1 gesetzt wird (innerhalb von 4 Taktzyklen), das EEPROM beschrieben wird mit den Daten in EEDR bei Adresse EEAR. Wenn EEMWE = 0 ist und EEWE = 1 gesetzt wird, hat das keine Auswirkungen. Der Schreibvorgang wird dann nicht ausgelöst. Nach 4 Taktzyklen wird das Bit EEMWE automatisch wieder auf 0 gesetzt. Dieses Bit löst den Schreibvorgang nicht aus, es dient sozusagen als Sicherungsbit für EEWE.

;Bit 1 (EEWE): ''EEPROM Write Enable'': Dieses Bit löst den Schreibvorgang aus, wenn es auf 1 gesetzt wird, sofern vorher EEMWE gesetzt wurde und seitdem nicht mehr als 4 Taktzyklen vergangen sind. Wenn der Schreibvorgang abgeschlossen ist, wird dieses Bit automatisch wieder auf 0 gesetzt und, sofern EERIE gesetzt ist, ein Interrupt ausgelöst. Ein Schreibvorgang sieht typischerweise wie folgt aus:
:# EEPROM-Bereitschaft abwarten (EEWE=0)
:# Adresse übergeben an EEAR
:# Daten übergeben an EEDR
:# Schreibvorgang auslösen in EECR mit Bit EEMWE=1 und EEWE=1
:# (Optional) Warten, bis Schreibvorgang abgeschlossen ist

;Bit 0 EERE: ''EEPROM Read Enable'': Wird dieses Bit auf 1 gesetzt wird das EEPROM an der Adresse in EEAR ausgelesen und die Daten in EEDR gespeichert. Das EEPROM kann nicht ausgelesen werden, wenn bereits eine Schreiboperation gestartet wurde. Es ist daher zu empfehlen, die Bereitschaft vorher zu prüfen. Das EEPROM ist lesebereit, wenn das Bit EEWE=0 ist. Ist der Lesevorgang abgeschlossen, wird das Bit wieder auf 0 gesetzt, und das EEPROM ist für neue Lese- und Schreibbefehle wieder bereit. Ein typischer Lesevorgang kann wie folgt aufgebaut sein:
:# Bereitschaft zum Lesen prüfen (EEWE=0)
:# Adresse übergeben an EEAR
:# Lesezyklus auslösen mit EERE = 1
:# Warten, bis Lesevorgang abgeschlossen EERE = 0
:# Daten abholen aus EEDR

= Die Nutzung von sprintf und printf =

Um komfortabel, d.h. formatiert, Ausgaben auf ein Display oder die serielle Schnittstelle zu tätigen, bieten sich '''sprintf''' oder '''printf''' an. Alle *printf-Varianten sind jedoch ziemlich speicherintensiv und der Einsatz in einem Mikrocontroller mit knappem Speicher muss sorgsam abgewogen werden.

Bei '''sprintf''' wird die Ausgabe zunächst in einem Puffer vorbereitet und anschließend mit einfachen Funktionen zeichenweise ausgegeben. Es liegt in der Verantwortung des Programmierers, genügend Platz im Puffer für die erwarteten Zeichen bereitzuhalten.

<c>
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

// ...
// nicht dargestellt: Implementierung von uart_puts (vgl. Abschnitt UART)
// ...

uint16_t counter;

// Ausgabe eines unsigned Integerwertes
void uart_puti( uint16_t value )
{
uint8_t puffer[20];

sprintf( puffer, "Zählerstand: %u", value );
uart_puts( puffer );
}

int main()
{
counter = 5;

uart_puti( counter );
uart_puti( 42 );
}
</c>

Eine weitere elegante Möglichkeit besteht darin, den STREAM stdout (Standardausgabe) auf eine eigene Ausgabefunktion umzuleiten. Dazu wird dem Ausgabemechanismus der C-Bibliothek eine neue Ausgabefunktion bekannt gemacht, deren Aufgabe es ist, ein einzelnes Zeichen auszugeben. Wohin die Ausgabe dann tatsächlich stattfindet, ist Sache der Ausgabefunktion. Im Beispiel unten wird auf UART ausgegeben. Alle anderen, höheren Funktionen wie z. B. '''printf''', greifen letztendlich auf diese primitive Ausgabefunktion zurück.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdio.h>

void uart_init(void);

// a. Deklaration der primitiven Ausgabefunktion
int uart_putchar(char c, FILE *stream);

// b. Umleiten der Standardausgabe stdout (Teil 1)
static FILE mystdout = FDEV_SETUP_STREAM( uart_putchar, NULL, _FDEV_SETUP_WRITE );

// c. Definition der Ausgabefunktion
int uart_putchar( char c, FILE *stream )
{
if( c == '\n' )
uart_putchar( '\r', stream );

loop_until_bit_is_set( UCSRA, UDRE );
UDR = c;
return 0;
}

void uart_init(void)
{
/* hier µC spezifischen Code zur Initialisierung */
/* des UART einfügen... s.o. im AVR-GCC-Tutorial */

// Beispiel:
//
// myAVR Board 1.5 mit externem Quarz Q1 3,6864 MHz
// 9600 Baud 8N1

#ifndef F_CPU
#define F_CPU 3686400
#endif
#define UART_BAUD_RATE 9600

// Hilfsmakro zur UBRR-Berechnung ("Formel" laut Datenblatt)
#define UART_UBRR_CALC(BAUD_,FREQ_) ((FREQ_)/((BAUD_)*16L)-1)

UCSRB |= (1<<TXEN) | (1<<RXEN); // UART TX und RX einschalten
UCSRC |= (1<<URSEL)|(3<<UCSZ0); // Asynchron 8N1

UBRRH = (uint8_t)( UART_UBRR_CALC( UART_BAUD_RATE, F_CPU ) >> 8 );
UBRRL = (uint8_t)UART_UBRR_CALC( UART_BAUD_RATE, F_CPU );
}

int main(void)
{
int16_t antwort = 42;
uart_init();

// b. Umleiten der Standardausgabe stdout (Teil 2)
stdout = &mystdout;

// Anwendung
printf( "Die Antwort ist %d.\n", antwort );
return 0;
}

// Quelle: avr-libc-user-manual-1.4.3.pdf, S.74
// + Ergänzungen
</c>

Sollen Fließkommazahlen ausgegeben werden, muss im Makefile eine andere (größere) Version der [[FAQ#Aktivieren_der_Floating_Point_Version_von_sprintf_beim_WinAVR_mit_AVR-Studio|printflib]] eingebunden werden.

= Anhang =

== Externe Referenzspannung des internen Analog-Digital-Wandlers ==

Die minimale (externe) Referenzspannung des ADC darf nicht beliebig niedrig sein, vgl. dazu das (aktuellste) Datenblatt des verwendeten Controllers. z. B. beim ATMEGA8 darf sie laut Datenblatt (S.245, Tabelle 103, Zeile "VREF") 2,0V nicht unterschreiten. HINWEIS: diese Information findet sich erst in der letzten Revision (Rev. 2486O-10/04) des Datenblatts.

Meiner  eigenen Erfahrung nach kann man aber (auf eigene Gefahr und natürlich nicht für Seriengeräte) durchaus noch ein klein wenig weiter heruntergehen, bei dem von mir unter die Lupe genommenen ATMEGA8L (also die Low-Voltage-Variante) funktioniert der ADC bei 5V Betriebsspannung mit bis zu VREF=1,15V hinunter korrekt, ab 1,1V und darunter digitalisiert er jedoch nur noch Blödsinn). Ich würde sicherheitshalber nicht unter 1,5V gehen und bei niedrigeren Betriebsspannungen mag sich die Untergrenze für VREF am Pin AREF ggf. nach oben'''(!)''' verschieben.

In der letzten Revision des Datenblatts ist außerdem korrigiert, dass ADC4 und ADC5 sehr wohl 10 Bit Genauigkeit bieten (und nicht bloß 8 Bit, wie in älteren Revisionen irrtümlich angegeben.)

= Anmerkungen =
<references/>
6. oben beim ADC steht dass ich den kanal bzw den pin mit den bits Mux0-MUX2 wähle....was ist mit MUX3 und MUX4?

7. im bsp Quellcode zum ADC steht nicht explixit drin dass es sich um die singleconversion handelt da das ADFR bit nicht gesetzt wurde und es per default auf 0 steht. Ist kein schlimmer Fehlero.ä aber ich denke es wäre ein guter Hinweis.

= TODO =
* Aktualisierung Register- und Bitbeschreibungen an aktuelle AVR
* stdio.h, malloc()
* "naked"-Funktionen
* Übersicht zu den C bzw. GCC-predefined Makros (__DATE__, __TIME__,...)
* Bootloader => erl. [[AVR Bootloader in C - eine einfache Anleitung]]
* [http://myweb.msoe.edu/~barnicks/courses/CE-2800/documents/Mixing%20C%20and%20assembly%20language%20programs.pdf Mixing C and assembly language programs] Copyright © 2007 William Barnekow (PDF).

[[Kategorie:avr-gcc Tutorial| ]]

Dithering

2011-08-25T10:33:43Z

Freiburger: /* Fazit */

Dithering bezeichnet eine Methode zur Reduzierung der negativen Auswirkungen von Quantisierungsrauschen, die beim digitalen Runden analoger Werte entsteht.

==Problem==
Wenn analoge Werte gesampelt werden, oder hochaufgelöste digitale Werte mit geringerer Auflösung weiterverarbeitet werden, ist das letzte Bit (LSB) naturgemäß gerundet. Der digitale Wert ist mit einem Fehler von bis zu 0,5 digit behaftet.

t.b.c.

==Lösung==
Anstatt wie üblich 0,5 zum Wert zu addieren und den Restvektor abzuschneiden, wird ein kontinuierliches Rauschen auf den Wert gegeben. Damit werden Werte > 0,5 statistisch eher aufgerundet und Werte unterhalb von 0,5 eher abgerundet. Bei der späteren Filterung entsteht damit, wie bei einer PWM, ein analoger Zwischenwert, den man nicht digital hätte abbilden können.

=== Beispiel 1 ===
Im einfachsten Fall nutzt man bei Aufnahmen eine Wechselspannung in der Größenordnung des letzten Bits, die der halben Abtastfrequenz entspricht. Die Quantisierung wird damit gewissermassen "durchtunnelt". Digital kann man vor der Ausgabe auf dem DAC einfach die Wertefolge {0 / 0,5} abwechselnd addieren. Der theoretische Zwischenwert 0,5 führt dann jeweils zu einem 01010101 Muster.

<gallery caption="Beispiel: Audiosignal vor DA-Wandlung mit simplem Exponentialfilter" widths="700" heights="255" perrow=1>
Datei:Example-nondithered-signal-js.gif|;Unbehandelt: Schematische Darstellung des Rekonstruktionsfilters. Im Bild erkennt man, wie sich das Rekonstruktionsfilter an die DAC-Vorgabe anpasst. Bei langsamen Änderungen deutlich unterhalb der Grenzfrequenz schwingt es auf den Endwert ein. Die Abstufung entspricht der des DACs.
Datei:Example-simple-dithering-js.gif|;Behandelt: Schematische Darstellung des Ditherns. Im Bild erkennt man, dass der analoge Verlauf nach dem Rekonstruktionsfilter glatter verläuft und Zwischenwerte annehmen kann. Die theoretische Form der Kurve, wie sie der DAC durch die Stützstellen vorgibt, wird besser angenähert.
</gallery>

===Beispiel 2===
Das nachfolgende Schaubild zeigt einen oberwellenbehafteten Sinus mit ca 1/100 der Abtastfrequenz, der infolge geringer Aussteuerung nur mit 4 Bit codiert wird. Das Rekonstruktionsfilter (hier sehr einfach gehalten) bildet Bögen und adaptiert auf die Treppen (Mehrfachausgabe desselben DAC-Wertes aufgrund geringer Frequenz). Mit künstlichem Verrauschen gelingt eine wesentlich bessere Rekonstruktion des Signals, obwohl es in der digitalen Repräsentation unsauberer aussieht. Mit einem guten Filter lässt sich das Rauschen fast perfekt eliminieren, während die Bögen links Signale weit unterhalb der Samplefrequenz bilden.

<gallery caption="Vergleich: Mit und ohne Dither" widths="800" heights="300" perrow=1>
Datei:Signalverarbeitung-verrauschen-beispiel-dithering.gif
|;Unbehandelt: Schematische Darstellung des Rekonstruktionsfilters.</gallery>

==Fazit==
Durch das Dithering lassen sich durch das letzte Bit (ähnlich der PWM) quasi analoge Zwischenwerte und Zeitverläufe darstellen. Je geringer die abzubildende Frequenz = Änderung des Wertes, desto besser wird sie dargestellt. Der Extremfall der Gleichspannung wird praktisch 100%ig richtig abgebildet.

Massgeblich ist, dass das Rauschen noch von der Filterbandbreite des Rekonstruktionsfilters erfasst wird. Dies ist anschaulich der Fall, da es sich um Rechteckimpulse handelt, deren grosser Oberwellenanteil weit jenseits der Filtergrenzfrequenz liegt. Beispiel: Audio-Dither@24kHz (48k/2). Gemäss LaPlace liegen 60% der Information jenseits von 48kHz, während die Grundwelle selber noch im Unhörbaren liegt.

Eine Erweiterung ist das noise shaping, bei dem nicht nur um 0,5 bit gedithert wird und auch Frequenzen im hörbaren Bereich mitverwendet werden. Dadurch verschlechtert sich die Signalqualität, da Rauschen injiziert wird, aber die höheren Frequenzen können dadurch ebenfalls besser abgebildet werden.

[[Kategorie:Signalverarbeitung]]

Dithering

2011-08-25T10:33:03Z

Freiburger: Bildzoom

Dithering bezeichnet eine Methode zur Reduzierung der negativen Auswirkungen von Quantisierungsrauschen, die beim digitalen Runden analoger Werte entsteht.

==Problem==
Wenn analoge Werte gesampelt werden, oder hochaufgelöste digitale Werte mit geringerer Auflösung weiterverarbeitet werden, ist das letzte Bit (LSB) naturgemäß gerundet. Der digitale Wert ist mit einem Fehler von bis zu 0,5 digit behaftet.

t.b.c.

==Lösung==
Anstatt wie üblich 0,5 zum Wert zu addieren und den Restvektor abzuschneiden, wird ein kontinuierliches Rauschen auf den Wert gegeben. Damit werden Werte > 0,5 statistisch eher aufgerundet und Werte unterhalb von 0,5 eher abgerundet. Bei der späteren Filterung entsteht damit, wie bei einer PWM, ein analoger Zwischenwert, den man nicht digital hätte abbilden können.

=== Beispiel 1 ===
Im einfachsten Fall nutzt man bei Aufnahmen eine Wechselspannung in der Größenordnung des letzten Bits, die der halben Abtastfrequenz entspricht. Die Quantisierung wird damit gewissermassen "durchtunnelt". Digital kann man vor der Ausgabe auf dem DAC einfach die Wertefolge {0 / 0,5} abwechselnd addieren. Der theoretische Zwischenwert 0,5 führt dann jeweils zu einem 01010101 Muster.

<gallery caption="Beispiel: Audiosignal vor DA-Wandlung mit simplem Exponentialfilter" widths="700" heights="255" perrow=1>
Datei:Example-nondithered-signal-js.gif|;Unbehandelt: Schematische Darstellung des Rekonstruktionsfilters. Im Bild erkennt man, wie sich das Rekonstruktionsfilter an die DAC-Vorgabe anpasst. Bei langsamen Änderungen deutlich unterhalb der Grenzfrequenz schwingt es auf den Endwert ein. Die Abstufung entspricht der des DACs.
Datei:Example-simple-dithering-js.gif|;Behandelt: Schematische Darstellung des Ditherns. Im Bild erkennt man, dass der analoge Verlauf nach dem Rekonstruktionsfilter glatter verläuft und Zwischenwerte annehmen kann. Die theoretische Form der Kurve, wie sie der DAC durch die Stützstellen vorgibt, wird besser angenähert.
</gallery>

===Beispiel 2===
Das nachfolgende Schaubild zeigt einen oberwellenbehafteten Sinus mit ca 1/100 der Abtastfrequenz, der infolge geringer Aussteuerung nur mit 4 Bit codiert wird. Das Rekonstruktionsfilter (hier sehr einfach gehalten) bildet Bögen und adaptiert auf die Treppen (Mehrfachausgabe desselben DAC-Wertes aufgrund geringer Frequenz). Mit künstlichem Verrauschen gelingt eine wesentlich bessere Rekonstruktion des Signals, obwohl es in der digitalen Repräsentation unsauberer aussieht. Mit einem guten Filter lässt sich das Rauschen fast perfekt eliminieren, während die Bögen links Signale weit unterhalb der Samplefrequenz bilden.

<gallery caption="Vergleich: Mit und ohne Dither" widths="800" heights="300" perrow=1>
Datei:Signalverarbeitung-verrauschen-beispiel-dithering.gif
|;Unbehandelt: Schematische Darstellung des Rekonstruktionsfilters.</gallery>

==Fazit==
Durch das Dithern lassen sich durch das letzte Bit (ähnlich der PWM) quasi analoge Zwischenwerte und Zeitverläufe darstellen. Je geringer die abzubildende Frequenz = Änderung des Wertes, desto besser wird sie dargestellt. Der Extremfall der Gleichspannung wird praktisch 100%ig richtig abgebildet.

Massgeblich ist, dass das Rauschen noch von der Filterbandbreite des Rekonstruktionsfilters erfasst wird. Dies ist anschaulich der Fall, da es sich um Rechteckimpulse handelt, deren grosser Oberwellenanteil weit jenseits der Filtergrenzfrequenz liegt. Beispiel: Audio-Dither@24kHz (48k/2). Gemäss LaPlace liegen 60% der Information jenseits von 48kHz, während die Grundwelle selber noch im Unhörbaren liegt.

Eine Erweiterung ist das noise shaping, bei dem nicht nur um 0,5 bit gedithert wird und auch Frequenzen im hörbaren Bereich mitverwendet werden. Dadurch verschlechtert sich die Signalqualität, da Rauschen injiziert wird, aber die höheren Frequenzen können dadurch ebenfalls besser abgebildet werden.

[[Kategorie:Signalverarbeitung]]

Benutzer Diskussion:Engineer

2011-08-25T10:29:44Z

Freiburger: /* Bebilderung */

== Bebilderung ==

Hi, ich habe gerade den Artikel [[Bebilderung]] angelegt, wo auch eineige hilfreiche Tipps im Hinblick auf [[Dithering]] drinne sind. --[[Benutzer:Gjlayde|Gjlayde]] 09:58, 25. Aug. 2011 (UTC))

: Das mit der Bildskalierung muss ich mir noch genauer ansehen, ok. Könnte aber bedeuten, dass ich meine Grafiken ändern müsste, wofür ich derzeit wenig Zeit habe. Ich schaue mal. Artikel sind ja was dynamisches.

:: Habe mal was geändert [[Benutzer:Freiburger|Freiburger]] 10:29, 25. Aug. 2011 (UTC)

Benutzer Diskussion:Engineer

2011-08-25T10:29:34Z

Freiburger: /* Bebilderung */

Benutzer Diskussion:Engineer

2011-08-25T10:24:53Z

Freiburger: /* Bebilderung */

Benutzer Diskussion:Engineer

2011-08-25T10:24:24Z

Freiburger: /* Bebilderung */

== Bebilderung ==

Hi, ich habe gerade den Artikel [[Bebilderung]] angelegt, wo auch eineige hilfreiche Tipps im Hinblick auf [[Dithering]] drinne sind. --[[Benutzer:Gjlayde|Gjlayde]] 09:58, 25. Aug. 2011 (UTC)
: Das mit der Bildskalierung muss ich mir noch genauer ansehen, ok. Könnte aber bedeuten, dass ich meine Grafiken ändern müsste, wofür ich derzeit wenig Zeit habe. Ich schaue mal. Artikel sind ja was dynamisches. [[Benutzer:Freiburger|Freiburger]] 10:24, 25. Aug. 2011 (UTC)

LED

2011-08-22T14:34:21Z

Freiburger: /* Parallelschaltung */

== Beschreibung ==

[[Bild:Ledrgb.jpg|thumb|right|246px|Detailfoto einer RGB-LED [http://www.mikrocontroller.net/topic/109784#990685]]]

Eine LED (engl. Light Emitting Diode, ''Leuchtdiode'') besteht aus einem [[Halbleiter]]-PN-Übergang, der durch seine Zusammensetzung Licht eines stark begrenzten Wellenbereiches emittiert, wenn er in Durchlassrichtung von Strom durchflossen wird. Die Helligkeit einer LED ist in erster Näherung proportional zum Strom.

Die Farbe des emittierten Lichts hängt vom verwendeten Halbleitermaterial ab. Es existieren [[Halbleiter | Halbleitermaterialien]] für den gesamten sichtbaren Bereich als auch für den Infrarotbereich und den nahen Ultraviolettbereich. Für kurze Wellenlängen (Blau bis Ultraviolett) ist ein Halbleitermaterial wie z. B. InGaN oder GaN erforderlich. Für die ersten blauen LEDs wurde SiC verwendet, welche aber eine schlechte Effizienz hat (Quelle:Wikipedia).

Weißes Licht oder andere Farbmischungen können erzeugt werden, indem man eine Blau- oder Ultraviolett-LED mit einem Phosphormaterial beschichtet, welches durch das Licht der LED zur Emission angeregt wird. Die entstehende Farbe wird dabei von der Beschichtung bestimmt.

== Durchlassspannung ==

LEDs haben im Vergleich zu gewöhnlichen [[Diode|Dioden]] eine vergleichsweise hohe, vom Halbleitermaterial abhängige [[Durchlass-Spannung]]. Bevor diese erreicht wird, fließt nur sehr wenig Strom und die LED leuchtet fast nicht. Oberhalb der Durchlassspannung (Flußspannung) steigt der Strom schnell an (Diodenkennlinie). Die Flußspannung reicht von ca. 1,2 V bei Infrarot-LEDs bis zu etwa 4 V bei Ultraviolett-LEDs.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Farbe || typ. Flußspannung [V]
|-
| Infrarot || 1,2
|-
| Rot || 1,8
|-
| Gelb || 2,0
|-
| Grün || 2,2
|-
| Grün (Ultrahell) || 3,3
|-
| Blau || 3,6
|-
| Weiss || 3,6
|-
| Ultraviolett || 4
|}

== Durchlassstrom ==

Da LEDs durch einen zu hohen Strom zerstört werden, muss der Strom begrenzt werden. Typische Maximalwerte liegen abhängig von der LED z. B. bei 2 mA (low current) oder 20 mA. Genaue Angaben dazu finden sich in entsprechenden Datenblättern.

=== Vorwiderstand ===

Im einfachsten Fall und bei relativ geringfügig variierender Betriebsspannung kann man dazu einen Widerstand einsetzen.

[[bild:led_rv.png|right]]
Bei 6 V Betriebsspannung, einer Durchlassspannung der LED von 2,4 V und einem gewünschten Strom von 20 mA braucht man nach dem ohmschen Gesetz einen Widerstand von 180 Ohm, bei 12 V Betriebsspannung sind es 480 Ohm. In der Praxis wird jeweils der nächstgrößere Standardwert gewählt (E-Reihen).

:<math>RV=\frac{Vcc-U_\text{LED}}{I_\text{LED}}</math>

* RV: Vorwiderstand in Ohm
* Vcc: Betriebsspannung in Volt
* <math>U_{LED}</math>: Durchlassspannung der LED in Volt
* <math>I_{LED}</math>: Strom durch die LED in Ampere

Mit einem 480-Ohm-Widerstand, welcher für 12 V Betriebsspannung passend ist, würden bei 6 Volt statt 20 mA nur noch 7,5 mA fließen. Mit einem 180-Ohm-Widerstand, welcher für 6 V Betriebsspannung passend ist, würden bei 12 V statt der gewünschten 20 mA allerdings schon 53 mA fließen.

Beachten muss man auch die als Wärme abgegebene '''Verlustleistung''' über dem Vorwiderstand, vor allem wenn man LEDs an eine recht hohe Betriebsspannung von 12 V oder gar 24 V anschließt. Die Verlustleistung berechnet sich einfach aus

:<math>P_{RV} = (Vcc-U_\text{LED}) \cdot I_\text{LED} = I_\text{LED}^2 \cdot RV</math>

In diesem Beispiel mit der 2,4-V-LED und einem Strom von 20 mA heißt das, dass an dem 480-Ohm-Widerstand eine Verlustleistung von 192 mW abfällt. Ein kleiner SMD-Widerstand der Größe 0805 hält das nicht mehr aus (1/8 W = 125 mW maximal).

Wie man aus dem Beispiel erkennt, ist bei stark variierender Betriebsspannung ein Vorwiderstand weniger geeignet. Es sei denn, man nimmt sehr unterschiedliche LED-Ströme und damit LED-Helligkeiten oder möglicherweise die Zerstörung der LED in Kauf.

=== Konstantstromquelle ===

Bei stark schwankender Versorgungsspannung oder Umgebungstemperatur heißt der Ausweg [[Konstantstromquelle]]. Kriterien für die Auswahl einer Schaltung für die Konstantstromquelle sind hierbei z. B. Betriebsspannungsbereich, erforderliche Genauigkeit und Kosten. Auch hier ist zu beachten, daß die Verlustleistung der Konstantstromquelle von den Bauteilen abgeführt werden muss, mit einer gewissen Ausnahme der Lösungen mit Schaltregler.

=== Betriebsstrom ===

In der Praxis werden LEDs oft mit einem weit geringeren als dem maximal zulässigen Durchlassstrom betrieben. Insbesondere im Entwicklungs- und Experimentierumfeld kann eine für maximal 20 mA ausgelegte LED auch mit lediglich 3-5 mA betrieben werden. Der subjektiv wahrgenommene Helligkeitsverlust ist deutlich geringer, als der prozentuale Unterschied der Stromstärke vermuten lässt, siehe Artikel [[LED-Fading]].

== Mehrere LEDs zusammenschalten ==

Diese Frage bewegt immer wieder die Gemüter. Wie schaltet man mehrere LEDs '''richtig''' zusammen?

=== Reihenschaltung ===

In einer Reihenschaltung ist der Strom durch alle Verbraucher gleich. Ideal für LEDs. Hat man eine ausreichend hohe Versorgungsspannung, kann man mehrere LEDs in Reihe schalten. Dann reicht ein einziger Widerstand bzw. eine [[Konstantstromquelle]]. Allerdings sollte man das nicht übertreiben. 100-150 LEDs direkt an die Netzspannung zu hängen ist nicht möglich, da die LEDs zu viel Sperrspannung abbekommen würden. Auch bei gleichgerichteter Spannung odbesteht ein Sicherheitsproblem. Als Hobbybastler sollte man sich auch hier auf Spannungen kleiner als 40V beschränken.

=== Parallelschaltung ===

Das direkte Parallelschalten von LEDs ist sehr kritisch und muss vermieden werden. Grund ist die exponentielle Diodekennlinie, welche bewirkt, dass eine kleine Spannungsänderung eine grosse Stromänderung hervorruft. Schaltet man nun zwei LEDs mit verschiedenen Durchlassspannung parallel, bekommt die mit der niedrigeren Durchlassspannung DEUTLICH mehr Strom ab, dadurch wird sie nicht nur deutlich heller sondern auch wärmer. Das führt zum 2. Problem, denn mit steigender Temperatur sinkt die Durchlassspannung zusätzlich, wodurch sich der Effekt weiter verstärkt! LEDs verschiedender Farben haben sehr unterschiedliche Durchlassspannungen, hier ist ein direktes Parallelschalten vollkommen unmöglich. Aber selbst LEDs mit gleicher Farbe und aus einem Produktionsdurchlauf (Lot) weisen herstellungsbedingt bisweilen erhebliche Streuungen der Durchlassspannung auf!

Richtig Parallelschalten kann man LEDs aber durch

* Vorwiderstand/Konstantstromquelle für jede einzelne LED
* Auswählen von ausgemessenen LEDs mit sehr ähnlicher Flußspannung

Letztere Methode wird von professionellen Herstellern verwendet, um bei grösseren Anzeigen LEDs direkt parallel schalten zu können. Die Unterschiede in der Flußspannung bei Nennstrom sollten dabei kleiner als 10mV(?) sein. Das gilt natürlich auch für das Parallelschalten von LED-Strängen, also Reihenschaltungen von LEDs.

=== Seriel-Parallelschaltung ===
Eine Kombination aus Serien- und Parallelschaltung ist weniger kritisch, da sich die unterschiedlichen Kennlinien statistisch mitteln. Z.B. kann man 20 LEDs in Serie und mehrere solcher Kombinationen parallel schalten. Eine einzelnde Diode mit geringer Durchlassspannung wird im Stom durch 9 andere limitiert. Der Stromanstieg infolge der Nicht-Balance der einzelnen Stränge erzeugt an allen Bahnwiderständen der Dioden einen Spannungsabfall, die den Strom in andere Zweige verteilt. Voraussetzung ist eine (eigentlich immer gegebene) nichtideale Quelle, die den Strom insgesamt limitiert.

== Siehe auch ==

* [[AVR-Tutorial: IO-Grundlagen#Hardware]]
* [[LED-Matrix]]
* [[LED-Fading]]
* [[Lichtsensor / Helligkeitssensor#LED]]
* [[Ambilight in Hardware]]
* [[Konstantstromquelle fuer Power LED]]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/goto_post/1553359 Forumsbeitrag]: LEDs an 230V Netzspannung mit Konstantstromquelle
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/219681#2197034 Forumsbeitrag]: Darstellung der Toleranzen von LEDs und deren Wirkung, oder "Warum man einen Vorwiderstand braucht"

== Weblinks ==
* [http://de.wikibooks.org/wiki/Arbeiten_mit_LEDs/_Grundlagen Wikibooks Arbeiten mit LEDs: Grundlagen] - Sehr gute Erklärung, auch für Anfänger
* [http://www.theledlight.com/technical.html www.theledlight.com] - LED Information and Technical Data (englisch)
* [http://forum.electronicwerkstatt.de/phpBB/faq/led/ LED FAQ für Anfänger]
* [http://members.misty.com/don/ledx.html Don Klipstein's LED Main Page (engl.)]
* [http://www.robotroom.com/LEDTester.html Selecting a LED] - LED Tester von David Cook (Beginnerprojekt)
* [http://www.evilmadscientist.com/article.php/throw Some thoughts on throwies] von Windell H. Oskay von www.evilmadscientist.com
*[http://www.led-rechner.de www.led-rechner.de]

[[Category:Bauteile]]
[[Category:Grundlagen]]
[[Category:Displays und Anzeigen| ]]

LED

2011-08-22T14:28:49Z

Freiburger: /* Reihenschaltung */

== Beschreibung ==

[[Bild:Ledrgb.jpg|thumb|right|246px|Detailfoto einer RGB-LED [http://www.mikrocontroller.net/topic/109784#990685]]]

Eine LED (engl. Light Emitting Diode, ''Leuchtdiode'') besteht aus einem [[Halbleiter]]-PN-Übergang, der durch seine Zusammensetzung Licht eines stark begrenzten Wellenbereiches emittiert, wenn er in Durchlassrichtung von Strom durchflossen wird. Die Helligkeit einer LED ist in erster Näherung proportional zum Strom.

Die Farbe des emittierten Lichts hängt vom verwendeten Halbleitermaterial ab. Es existieren [[Halbleiter | Halbleitermaterialien]] für den gesamten sichtbaren Bereich als auch für den Infrarotbereich und den nahen Ultraviolettbereich. Für kurze Wellenlängen (Blau bis Ultraviolett) ist ein Halbleitermaterial wie z. B. InGaN oder GaN erforderlich. Für die ersten blauen LEDs wurde SiC verwendet, welche aber eine schlechte Effizienz hat (Quelle:Wikipedia).

Weißes Licht oder andere Farbmischungen können erzeugt werden, indem man eine Blau- oder Ultraviolett-LED mit einem Phosphormaterial beschichtet, welches durch das Licht der LED zur Emission angeregt wird. Die entstehende Farbe wird dabei von der Beschichtung bestimmt.

== Durchlassspannung ==

LEDs haben im Vergleich zu gewöhnlichen [[Diode|Dioden]] eine vergleichsweise hohe, vom Halbleitermaterial abhängige [[Durchlass-Spannung]]. Bevor diese erreicht wird, fließt nur sehr wenig Strom und die LED leuchtet fast nicht. Oberhalb der Durchlassspannung (Flußspannung) steigt der Strom schnell an (Diodenkennlinie). Die Flußspannung reicht von ca. 1,2 V bei Infrarot-LEDs bis zu etwa 4 V bei Ultraviolett-LEDs.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Farbe || typ. Flußspannung [V]
|-
| Infrarot || 1,2
|-
| Rot || 1,8
|-
| Gelb || 2,0
|-
| Grün || 2,2
|-
| Grün (Ultrahell) || 3,3
|-
| Blau || 3,6
|-
| Weiss || 3,6
|-
| Ultraviolett || 4
|}

== Durchlassstrom ==

Da LEDs durch einen zu hohen Strom zerstört werden, muss der Strom begrenzt werden. Typische Maximalwerte liegen abhängig von der LED z. B. bei 2 mA (low current) oder 20 mA. Genaue Angaben dazu finden sich in entsprechenden Datenblättern.

=== Vorwiderstand ===

Im einfachsten Fall und bei relativ geringfügig variierender Betriebsspannung kann man dazu einen Widerstand einsetzen.

[[bild:led_rv.png|right]]
Bei 6 V Betriebsspannung, einer Durchlassspannung der LED von 2,4 V und einem gewünschten Strom von 20 mA braucht man nach dem ohmschen Gesetz einen Widerstand von 180 Ohm, bei 12 V Betriebsspannung sind es 480 Ohm. In der Praxis wird jeweils der nächstgrößere Standardwert gewählt (E-Reihen).

:<math>RV=\frac{Vcc-U_\text{LED}}{I_\text{LED}}</math>

* RV: Vorwiderstand in Ohm
* Vcc: Betriebsspannung in Volt
* <math>U_{LED}</math>: Durchlassspannung der LED in Volt
* <math>I_{LED}</math>: Strom durch die LED in Ampere

Mit einem 480-Ohm-Widerstand, welcher für 12 V Betriebsspannung passend ist, würden bei 6 Volt statt 20 mA nur noch 7,5 mA fließen. Mit einem 180-Ohm-Widerstand, welcher für 6 V Betriebsspannung passend ist, würden bei 12 V statt der gewünschten 20 mA allerdings schon 53 mA fließen.

Beachten muss man auch die als Wärme abgegebene '''Verlustleistung''' über dem Vorwiderstand, vor allem wenn man LEDs an eine recht hohe Betriebsspannung von 12 V oder gar 24 V anschließt. Die Verlustleistung berechnet sich einfach aus

:<math>P_{RV} = (Vcc-U_\text{LED}) \cdot I_\text{LED} = I_\text{LED}^2 \cdot RV</math>

In diesem Beispiel mit der 2,4-V-LED und einem Strom von 20 mA heißt das, dass an dem 480-Ohm-Widerstand eine Verlustleistung von 192 mW abfällt. Ein kleiner SMD-Widerstand der Größe 0805 hält das nicht mehr aus (1/8 W = 125 mW maximal).

Wie man aus dem Beispiel erkennt, ist bei stark variierender Betriebsspannung ein Vorwiderstand weniger geeignet. Es sei denn, man nimmt sehr unterschiedliche LED-Ströme und damit LED-Helligkeiten oder möglicherweise die Zerstörung der LED in Kauf.

=== Konstantstromquelle ===

Bei stark schwankender Versorgungsspannung oder Umgebungstemperatur heißt der Ausweg [[Konstantstromquelle]]. Kriterien für die Auswahl einer Schaltung für die Konstantstromquelle sind hierbei z. B. Betriebsspannungsbereich, erforderliche Genauigkeit und Kosten. Auch hier ist zu beachten, daß die Verlustleistung der Konstantstromquelle von den Bauteilen abgeführt werden muss, mit einer gewissen Ausnahme der Lösungen mit Schaltregler.

=== Betriebsstrom ===

In der Praxis werden LEDs oft mit einem weit geringeren als dem maximal zulässigen Durchlassstrom betrieben. Insbesondere im Entwicklungs- und Experimentierumfeld kann eine für maximal 20 mA ausgelegte LED auch mit lediglich 3-5 mA betrieben werden. Der subjektiv wahrgenommene Helligkeitsverlust ist deutlich geringer, als der prozentuale Unterschied der Stromstärke vermuten lässt, siehe Artikel [[LED-Fading]].

== Mehrere LEDs zusammenschalten ==

Diese Frage bewegt immer wieder die Gemüter. Wie schaltet man mehrere LEDs '''richtig''' zusammen?

=== Reihenschaltung ===

In einer Reihenschaltung ist der Strom durch alle Verbraucher gleich. Ideal für LEDs. Hat man eine ausreichend hohe Versorgungsspannung, kann man mehrere LEDs in Reihe schalten. Dann reicht ein einziger Widerstand bzw. eine [[Konstantstromquelle]]. Allerdings sollte man das nicht übertreiben. 100-150 LEDs direkt an die Netzspannung zu hängen ist nicht möglich, da die LEDs zu viel Sperrspannung abbekommen würden. Auch bei gleichgerichteter Spannung odbesteht ein Sicherheitsproblem. Als Hobbybastler sollte man sich auch hier auf Spannungen kleiner als 40V beschränken.

=== Parallelschaltung ===

Das direkte Parallelschalten von LEDs ist sehr kritisch und muss vermieden werden. Grund ist die exponentielle Diodekennlinie, welche bewirkt, dass eine kleine Spannungsänderung eine grosse Stromänderung hervorruft. Schaltet man nun zwei LEDs mit verschiedenen Durchlassspannung parallel, bekommt die mit der niedrigeren Durchlassspannung DEUTLICH mehr Strom ab, dadurch wird sie nicht nur deutlich heller sondern auch wärmer. Das führt zum 2. Problem, denn mit steigender Temperatur sinkt die Durchlassspannung zusätzlich, wodurch sich der Effekt weiter verstärkt! LEDs verschiedender Farben haben sehr unterschiedliche Durchlassspannungen, hier ist ein direktes Parallelschalten vollkommen unmöglich. Aber selbst LEDs mit gleicher Farbe und aus einem Produktionsdurchlauf (Lot) weisen herstellungsbedingt bisweilen erhebliche Streuungen der Durchlassspannung auf!

Richtig Parallelschalten kann man LEDs aber durch

* Vorwiderstand/Konstantstromquelle für jede einzelne LED
* Auswählen von ausgemessenen LEDs mit sehr ähnlicher Flußspannung

Letztere Methode wird von professionellen Herstellern verwendet, um bei grösseren Anzeigen LEDs direkt parallel schalten zu können. Die Unterschiede in der Flußspannung bei Nennstrom sollten dabei kleiner als 10mV(?) sein. Das gilt natürlich auch für das Parallelschalten von LED-Strängen, also Reihenschaltungen von LEDs.

== Siehe auch ==

* [[AVR-Tutorial: IO-Grundlagen#Hardware]]
* [[LED-Matrix]]
* [[LED-Fading]]
* [[Lichtsensor / Helligkeitssensor#LED]]
* [[Ambilight in Hardware]]
* [[Konstantstromquelle fuer Power LED]]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/goto_post/1553359 Forumsbeitrag]: LEDs an 230V Netzspannung mit Konstantstromquelle
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/219681#2197034 Forumsbeitrag]: Darstellung der Toleranzen von LEDs und deren Wirkung, oder "Warum man einen Vorwiderstand braucht"

== Weblinks ==
* [http://de.wikibooks.org/wiki/Arbeiten_mit_LEDs/_Grundlagen Wikibooks Arbeiten mit LEDs: Grundlagen] - Sehr gute Erklärung, auch für Anfänger
* [http://www.theledlight.com/technical.html www.theledlight.com] - LED Information and Technical Data (englisch)
* [http://forum.electronicwerkstatt.de/phpBB/faq/led/ LED FAQ für Anfänger]
* [http://members.misty.com/don/ledx.html Don Klipstein's LED Main Page (engl.)]
* [http://www.robotroom.com/LEDTester.html Selecting a LED] - LED Tester von David Cook (Beginnerprojekt)
* [http://www.evilmadscientist.com/article.php/throw Some thoughts on throwies] von Windell H. Oskay von www.evilmadscientist.com
*[http://www.led-rechner.de www.led-rechner.de]

[[Category:Bauteile]]
[[Category:Grundlagen]]
[[Category:Displays und Anzeigen| ]]