Um das Gebiet der eingebetteten Systeme leichter verständlich zu machen, wurden die Inhalte des Buches zusammengefasst, die sich mit der Fourier-Transformation, analogen und digitalen Signalen sowie grundlegenden Schaltungen befassen.
Es werden die Eigenschaften und Funktionsweisen von Bauelementen wie Widerständen, Kondensatoren, Induktivitäten und Transistoren erläutert und Konzepte wie Pull-up, Pull-down und Open-Collector vorgestellt.
Dieser Beitrag vermittelt grundlegende Kenntnisse, die für das Design und Verständnis von eingebetteten Systemen erforderlich sind, und hilft dabei, die Rolle und das Zusammenspiel der elektronischen Schaltungskomponenten zu verstehen.
Ich habe Elektrotechnik studiert, aber während meines Studiums habe ich nicht über den Sinn und die Notwendigkeit der einzelnen Fächer nachgedacht und sie nur belegt, um gute Noten zu bekommen. Natürlich war nach dem Ende des Semesters und den Ferien nichts mehr in meinem Kopf… ㅜ_ㅜ
Dieses Buch habe ich gefunden, als ich nach Büchern zum Thema Embedded Systems gesucht habe. Als ich es überflogen habe, fand ich die Struktur sehr gut. Es erklärt das schwierige Gebiet der Embedded Systems so einfach wie möglich, aber der Inhalt ist dennoch tiefgründig.
Diesmal möchte ich versuchen, mir das Wissen etwas besser einzuprägen, indem ich den Inhalt des Buches in meinem Blog zusammenfasse!!!
Los geht's!
Kapitel 1 Hardware Collage - Schaltplan lesen
1. Signal und Frequenz
Was ist die Fourier-Transformation?
Jedes Signal kann als Summe von Cosinus- oder Sinusfunktionen dargestellt werden!! → Letztendlich wird das Signal nach Frequenzen getrennt.
Nehmen wir zum Beispiel die Rechteckfunktion,
Betrachtet man die Rechteckfunktion aus Frequenzsicht, so erhält man die sinc-Funktion. Das bedeutet, dass die Rechteckfunktion aus einer unendlichen Anzahl von Sinuswellen zusammengesetzt ist, wobei die Sinuswellen mit einer niedrigen Frequenz in der Nähe von 0 eine größere Amplitude und Periode haben, während die Sinuswellen mit höheren Frequenzen eine kleinere Amplitude und Periode haben.
Wenn man es aus Frequenzperspektive betrachtet, kann man überprüfen, aus wie vielen Frequenzen ein Signal besteht und die Größe und Amplitude jedes Signals analysieren.
Auf dieser Website können Sie die Fourier-Transformation noch einfacher verstehen!!! (Es ist empfehlenswert, die Rechteckwelle zu wechseln!)
2. Analoges Signal & Digitales Signal & Masse
Analoge Signale bestehen in der Regel aus AC- und DC-Komponenten (Wechselstrom und Gleichstrom). ACstellt ein Signal mit wechselnder Polarität dar, während DCeinen stabilen Zustand bezeichnet. In Kapitel 1 haben wir gelernt, dass jedes Signal durch die Addition mehrerer Signale mit unterschiedlichen Frequenzen erzeugt werden kann. Das heißt jedes analoge Signal kann durch Addition mehrerer Frequenzkomponenten erzeugt werden.
Digitale Signale bestehen größtenteils aus Gleichstromkomponenten (DC). Das heißt, auch digitale Signale sind eine Art analoges Signal. Allerdings wird ein bestimmter Schwellenwert festgelegt, und wenn der Wert über diesem Schwellenwert liegt, wird er als High und wenn er darunter liegt, als Low interpretiert.
Wenn ein digitales Signal von 0 → 1 oder 1 → 0 wechselt, erzeugt es ein Bounce-Phänomen. Dieser Teil kann zu Problemen in digitalen Systemen führen (z. B. geringere Spannung oder Erkennungsfehler). Daher muss dies bei der Konstruktion berücksichtigt werden.
GND = GROUND bezeichnet die Referenzspannung von 0 V und kann auch als negativer Pol der Batterie angesehen werden. GND ist der Punkt, an dem sich der gesamte Strom sammelt und dient als Referenzpunkt zur Unterscheidung zwischen 0 und 1.
3. Einfache Schaltlehre
Widerstand : Der Widerstand kann die Stromstärke in einem Stromkreis begrenzen! Wenn der Strom durch den Widerstand fließt, fällt eine Spannung von Widerstand x Stromstärke ab. In Form einer Gleichung ausgedrückt: V=IR
Kondensator : Ein Kondensator ist ein Bauelement, das Wechselstromkomponenten (AC) durchlässt, aber Gleichstromkomponenten (DC) blockiert. Das bedeutet, dass der Widerstandswert je nach Frequenz der Wechselstrom- und Gleichstromkomponenten unterschiedlich ist. dV/dt = I / C, d. h. je größer die Änderungsrate der Spannung über die Zeit ist, desto besser wird sie durchgelassen und desto geringer ist der Widerstand. Wenn der Wert von C größer wird, fließt mehr Strom!!
Eine weitere Eigenschaft ist die Fähigkeit, Strom zu speichern und zu entladen.
Induktivität : Eine Induktivität verhindert eine Stromänderung. V = L dI/dt, d. h. nur niederfrequente Ströme können passieren. Das bedeutet, dass sie schnelle Signaländerungen blockieren kann. Das heißt, je größer L ist, desto geringer ist der Strom!!
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass für eine bestimmte Spannung die Stromstärke eingestellt werden kann, und zwar:
Bei R kann die Stromstärke durch Erhöhen von R verringert werden, bei C kann die Stromstärke durch Verringern von C verringert werden, bei L kann die Stromstärke durch Erhöhen von L verringert werden.
Aus Frequenzsicht gilt für vorgegebene RLC-Werte: R ist frequenzunabhängig, C hat bei höheren Frequenzen einen geringeren Widerstand (es fließt mehr Strom), L hat bei höheren Frequenzen einen höheren Widerstand (es fließt weniger Strom).
Filter!
Tiefpassfilter (TPF) : Ein Filter, der nur niederfrequente Komponenten durchlässt. Da Rauschen meist hochfrequent ist, werden oft TPFs verwendet.
Da der Kondensator Gleichstrom (DC) nicht durchlässt, wird er zu einer unterbrochenen, offenen Schaltung. Das heißt, VinDC = DoutDC.
Wenn der Kondensator Wechselstrom (AC) durchlässt, wird er kurzgeschlossen und bildet einen geschlossenen Kreislauf. Hier hängt die Stromstärke, d. h. die Wärmeentwicklung, vom Widerstandswert von R ab. Um die Stromstärke bzw. die Wärmeentwicklung zu reduzieren, kann der Widerstandswert von R erhöht werden.
Transistor
Die Funktion eines Transistors besteht darin, die Stromstärke beliebig zu regulieren!
B steht für Base, E für Emitter und C für Collector. Wenn B eingeschaltet wird, verbindet er E und C und lässt Strom fließen, andernfalls wird er unterbrochen. Wie wird nun die Stromstärke bestimmt? Das hängt von der Spannung ab, die zwischen B und E angelegt wird!!
Abhängig von der angelegten Spannung an der Basis entstehen ein Sättigungsbereich, ein Aktivbereich und ein Sperrbereich. Aktivbereich: Der Bereich, in dem der Strom zwischen C und E durch die Eingabe von B stark variiert! Sperrbereich: Der Bereich, in dem die Spannung an B zu niedrig ist, so dass kein Strom zwischen C und E fließt! Sättigungsbereich: Der Bereich, in dem die Spannung an B zu hoch ist, so dass zwischen C und E kein weiterer Strom fließen kann!
Die beiden Funktionen des Transistors sind hier zu sehen: Verstärkung und Schalten!
Schalten wird mit Hilfe des Sperr- und des Sättigungsbereichs dargestellt, und
die Verstärkungsfunktion kann mit Hilfe des Aktivbereichs dargestellt werden.
4. Pull-up, Pull-down & Open Collector
Low Active wird mit CS(Chip Select)_, / usw. bezeichnet und bedeutet, dass es bei einer niedrigen Spannung arbeitet. Umgekehrt wird 1 als High Active bezeichnet.
Wie in der Abbildung gezeigt, wird bei Low Active und einem großen Widerstand des digitalen Chips bei eingeschaltetem Schalter der Wert 0 an den digitalen Chip angelegt, und bei Pull-down wird bei ausgeschaltetem Schalter der Wert High an den Chip angelegt. Bei High Active ist es umgekehrt!!
Pull-up und Pull-down sind Funktionen, die davon abhängen, welcher Standardpegel eingestellt wird. Wenn der Chip in der realen Welt so aufgebaut wäre wie im obigen Beispiel, könnte der Motor auch durch kleine statische Aufladung in Betrieb genommen werden. Wenn man sich vorstellt, dass dieser Motor eine Kanone ist, wäre das ein großes Problem.
Ein Transistor erfüllt die gleiche Funktion wie Pull-up und Pull-down.