Archiv der Kategorie: BitBasics

BitBasics IT – 0x01 – Bits, Bytes & Binär

Stom an, Strom aus – diese zwei Zustände sind die Grundlage moderner Digitalsysteme. Doch wie kann man sich nur mit an und aus Zahlen merken oder gar damit rechnen?

Links zum Thema

Bit

Binär

 

Byte

Serie

Credits

BitBastics // BitBastelei
IT-Grundlagen
Florian „adlerweb“ Knodt · http://biba.adlerweb.info/ · CC-BY

Intro-Musik (verändert): Take a Chance Kevin MacLeod (incompetech.com) · Licensed under
Creative Commons: By Attribution 3.0 License http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/

Die-Fotografie: Pauli Rautakorpi · CC BY 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0)
via https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Intel_Pentium_P54C_die.jpg

 

BitBasics IT – 0x00 – Hallo Welt!

BitBasics IT ist eine neue Kurzserie, welche die Technik „im Computer“ erläutern soll. Von 1 und 0 über Logikgatter bis zum händischen Simulieren eines Prozessors werden wir uns die wichtigsten Techniken kurz anschauen und deren Funktion durchspielen. Ergänzt werden die Videos durch eine Linksammlung in der jeweiligen Videobeschreibung, welche einen tieferen Einstieg in das Themenfeld ermöglichen.


Teil 1: Bits, Bytes & Binär


BitBastics // BitBastelei

IT-Grundlagen
Florian „adlerweb“ Knodt · http://biba.adlerweb.info/ · CC-BY

Intro-Musik (verändert): Take a Chance Kevin MacLeod (incompetech.com) · Licensed under
Creative Commons: By Attribution 3.0 License http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/

Die-Fotografie: Pauli Rautakorpi · CC BY 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0)
via https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Intel_Pentium_P54C_die.jpg

BitBasics – Stromzangen & Zangenmultimeter

Mit einem Multimeter Strom zu messen ist nicht schwer – aber auch etwas nervig, denn hierzu muss man das Kabel zwischen Spannungsquelle und Last auftrennen. Spätestens wenn diese verlötet sind oder man das Kabel durchschneiden müsste, ist die Laune schnell im Keller. Mit Stromzangen bzw. Zangenmultimetern kann man den fließenden Strom auch ganz ohne dieses Auftrennen messen. Wie das funktioniert und was dahinter steht wollen wir uns hier kurz anschauen.

BitBasics: Funk-Datenübertragung per Mikrocontroller

Nicht immer kann ein ein Kabel legen um Daten eines Mikrocontrollers wie dem Arduino zu ihrem Ziel zu bringen. Hier zeige ich die bekanntesten Möglichkeiten um mit Mikrocontrollern Daten drahtlos zu übertragen.

BitBasics OLED: Unterschiede & Ansteuerung mit Arduino

OLEDs werden in letzter Zeit auch bei vielen Bastlern immer beliebter. Statt einer Pixelmatrix mit Flüssigkristallen und externer Beleuchtung sorgen hier organische Komponenten für selbstleuchtende Bildpunkte. Durch die Technologie erreichen sie einen hohen Kontrast und sind auch draußen gut lesbar. Wer sich nicht durch die geringe Lebensdauer abschrecken lässt wird meist bei einem der zahlreichen 0.96″-Modulen mit 124×64 Pixeln und SSD1306-Controller landen. Mit diesen muss man sich nicht mit den zahlreichen Pins des Displays abmühen, sondern erhält einen fertigen Datenanschluss wie z.B. I²C.
Für die Ansteuerung unter Arduino muss man sich dabei nicht erst in das Datenblatt des OLED-Controllers einlesen, sondern kann auf eine der zahlreichen Libraries zurückgreifen. Die vermutlich bekannteste ist U8G2, Nachfolger der beliebten U8GLib. Mit diesen lassen sich Texte und Grafiken mit nur wenig Zeilen ausgeben.

BitBasics – Netzwerk – VLAN

Netzwerke trennen kann aus Sicherheits- oder Verwaltungsgründen hilfreich sein, doch dutzende einzelne Switche zu verwenden ist spätestens bei größeren Netzwerken keine Option. Mit VLAN kann man in einer physikalischen Infrastruktur mehrere virtuelle Netzwerke schaffen und so Geräte voneinander abschotten – auch über mehrere Switche. Die Einrichtung ist dabei auf den meisten Systemen schnell erledigt.

Foto „T-Mobile“ von „WhisperToMe“ · CC0
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:TMobileHoustonTX.jpg

Foto „Ethernet switch“ von „Open Grid Scheduler / Grid Engine“ · CC0
https://flic.kr/p/r7jBEn

Foto „Hotspot“ von „Stefano Brivio“ · CC-BY
https://flic.kr/p/52trGy

Foto „Data Center“ von „Sean Ellis“ · CC-BY
https://flic.kr/p/6UDnWP

Foto „carter-111022-network-rack-cropped-dsc04727“ von „Patrick Finnegan“ · CC-BY
https://flic.kr/p/e4uJn5

Foto „Göteborg (Gothenburg), Västergötland, Sweden“ von „Swedish National Heritage Board“ · CC0
https://flic.kr/p/pgHdvg

Foto „More Cables“ von „Alan Levine“ · CC0
https://flic.kr/p/6h9ez

Foto „Cables“ von „Kansir“ · CC-BY
https://flic.kr/p/axzQ2

Screenshot Wikipedia 802.1Q · CC-BY-SA
http://de.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.1q

Screenshot OpenWRT LuCI Switch Config
System: http://www.openwrt.org
Bild: https://blog.doenselmann.com/dmz-fuer-cloudserver-mit-openwrt/ CC-BY-SA

BitBasics – Crashkurs Netzwerkprotokolle

PC-Netzwerke sind heutzutage überall. Alleine beim lesen dieses Artikels oder schauen des Videos sind vermutlich dutzende Netzwerke aktiv.

In diesem extrakompakten Crashkurs schauen wir uns an, welche Protokolle in einem einfachen Heimnetzwerk ineinandergreifen und welche Aufgaben sie Übernehmen.

Korrekturen / Ergänzungen

  • 15:32 DNS ist ein eigenständiges Protokoll, dessen Anfrage fängt also selbst wieder bei der Anwendungsschicht an
  • 16:20 LinkLocal, MAC, NDP und ARP werden zwar vom verwendeten Protokoll der Vermittlungsschicht ausgewählt, zählen selbst aber schon zur Übertragung
  • 21:42 Bei Switchen oder Hubs bezeichnet ein Port einen Anschluss – diese haben nichts mit den Ports auf der Transportschicht zu tun.

Grafiken

TCP-Modell: Aufgaben der Protokollschichten

ISO/OSI-Schichten

Weiterführende Erlkärungen

Ressourcen:

BitBasics – PPTC, die selbstrückstellende Sicherung

PPTCs (polymeric positive temperature coefficient) sind kleine Bauelemente, welche ähnlich einer Sicherung funktionieren: Wird der Strom zu hoch wird die Verbindung (nahezu) unterbrochen. Der Clou: Wird die Ursache der Überlast entfernt schaltet sie sich selbst wieder ein. Wermutstropfen: Sie sind nur für kleinere Spannungen erhältlich, der abschaltbare Strom ist limitiert und die Auslösung sehr träge. Bauteile mit diesem Prinzip werden auch unter den Namen PFRA, Polyswitch, Multifuse, Polyfuse oder Everfuse vertrieben.

BitBasics – Der Operationsverstärker

Operationsverstärker, kurz OpAmps oder OPVs, sind Grundschaltungen, welche in vielen Schaltungen und ICs als Bauteile vorkommen. Werfen wir einen Blick auf die Funktionsweise und Anwendungsmöglichkeiten dieser Geräte.

OpAmps werden in Schaltbildern meist als nach rechts zeigendes Dreieck gezeichnet, welche auf der linken Seite zwei Eingänge (einen positiven und einen negativen) besitzen. An der Spitze des Dreiecks befindet sich der Ausgang. Teilweise wird auch die Stromversorgung des ICs selbst eingezeichnet, dies geschieht üblicherweise oben und unten je in der Mitte.

Als Beispiel nutze ich den verbreiteten LM358, ein IC welcher gleich zwei OpAmps in einem Gehäuse unterbringt. Später werden wir mit dem TL081 eine andere Ausführung sehen, welche in einigen Bereichen eine bessere Leistung liefern kann.

Der Comparator

Der Comparator, auch Komparator oder Vergleicher, ist eine Anwendung, bei der zwei Eingangsspannungen gegeneinander geprüft und der Ausgang eine digitale Auswertung hiervon bereitstellt. Ist die Spannung am positiven Eingang größere als jene am negativen Eingang, so wird der Ausgang auf VCC geschaltet. Ist die Spannung kleiner findet sich GND am Ausgang.

Auch wenn die Schaltung mit OpAmps generell möglich ist: Es gibt spezielle ICs für diesen Anwendungsfall, welche bessere Eigenschaften aufweisen.

Der Voltage Follower

Der Voltage Follower, auch Buffer Amplifier oder auf Deutsch Spannungsfolger, ist immer dann interessant, wenn eine Impedanzwandlung erfolgen muss. Grob gesagt: Man hat eine Spannungsquelle, welche jedoch zur Wahrung der Spannung selbst nicht belastet werden darf. Über diese Schaltung erhalten wird die am Eingang angelegte Spannung 1:1 am Ausgang wieder ausgegeben. Hierbei hat der Eingang eine sehr hohe Impedanz, es fließt von der Spannungsquelle also nur sehr wenig Strom. Der Ausgang selbst kann hingegen, im Rahmen der Möglichkeiten des OpAmps, belastet werden – die Schaltung kümmert sich darum bei Belastung passend nachzuregeln.

Logisch gesehen beginnt der OpAmp immer wenn ein Feedback, also eine Verbindung zwischen dem Ausgang und einem Eingang, vorhanden ist zu rechnen: Die Ausgangsspannung wird so lange angepasst bis der positive und negative Eingang die gleiche Spannung zeigen. Da hier der positive Eingang unsere Referenzspannung ist und der negative Eingang direkt mit dem Ausgang verbunden ist muss der Ausgang also der positiven Eingangsspannung entsprechen um beide auszugleichen.

OpAmp mit Feedback: Der Positive und Negative Eingang müssen sich ausgleichen
OpAmp mit Feedback: Der Positive und Negative Eingang müssen sich ausgleichen

Der Non-Inverting Amplifier

Den zuvor beschriebenen Umstand, dass der OpAmp versucht beide Eingänge auszugleichen, können wir uns über die Kombination mit anderen Schaltungen zu Nutze machen: Wenn wir den Ausgang nicht direkt sondern über einen Spannungsteiler an den negativen Eingang führen entsteht der Non-Inverting Amplifier, auch nichtinvertrierender Verstärker genannt. In diesem Beispiel Nutzen wir einen Spannungsteiler mit je 10k? für Rg und Rf. Die Ausgangsspannung erscheint entsprechend nur zur Hälfte  (1 / (Rg+Rg) * Rf ) = 1 / (10+10) * 10 = 1 / 20 * 10 = 0.5) am negativen Eingang. Um beide Eingänge auszugleichen muss der Ausgang daher doppelt so hoch sein wie der Eingang. Legen wir 1V am positiven Eingang an, so erhalten wir 2V am Ausgang. Bei 2V Eingang wären es 4V Ausgang und so weiter. Das Verhältnis, wie stark die Verstärkung ausfällt, kann über die Auswahl der Widerstände des Spannungsteilers beeinflusst werden. Die direkte Berechnung kann über obige Formel erfolgen, man muss nur 1 / 0.5 (von Oben) rechnen um die 2x-Verstärkung zu erhalten.

Der Inverting Amplifier

Inverting Amplifier

Wo ein nichtinvertierter Verstärker ist kann der Invertierte nicht weit sein – hier legen wir den positiven Eingang auf GND und den Eingang über einen Spannungsteiler auf den negativen Eingang. Dies macht vor allem dann Sinn, wenn man den OpAmp nicht, wie hier gezeigt, mit VCC und GND („single Supply“) versorgt sondern statt GND eine negative Versorgungsspannung anlegt. In diesem Fall sieht der OpAmp, dass der negative Eingang höher ist als der Positive – um das auszugleichen muss er also am Ausgang eine negative Spannung ausgeben. Bedingt durch den Spannungsteiler kommt auch hier eine Verstärkung zustande – in diesem Fall würde bei 5V Eingang  am Ausgang eine Spannung von -10V notwendig werden.

Zu beachten ist, dass der Spannungsteiler hier nicht gegen GND referenziert ist, die Berechnung der Verstärkungs benötigt daher eine angepasste Formel: Rf/Ri = 20/10 = 2x.

Verstärkungsberechnung für OpAmps
Verstärkungsberechnung für OpAmps

Weitere Anwendungen

Natürlich sind die gezeigten Schaltungen nur die Spitze des Eisberges. Durch andere Beschaltungen oder Kombination der gezeigten Modi lassen sich OpAmps für viele andere Zwecke nutzen. Einige davon lassen sich z.B. in der Wikipedia finden.

Nobodys Perfect

Operationsverstärker sind nicht perfekt. Während ein Idealer OpAmp am Eingang eine unendliche, am Ausgang eine nicht vorhandene Impedanz zeigt und auch sonst alles ohne Einschränkungen funktioniert haben die real existierenden ICs in der Praxis natürlich einige Einschränkungen.

Eine haben wir beim Voltage Follower bereits gesehen: Am Eingang fließt eben doch Strom – nur wenige Nanoampere, aber er ist da.

Auch der Strom am Ausgang ist limitiert, der LM358 kann z.B. je nach Beschaltung ca. 10-30mA verkraften. Deutlich mehr als der Eingang, jedoch muss man für stromhungrige Abnehmer einen zusätzlichen Transistorverstärker einplanen.

Ebenfalls schon gehört haben wie die „Single Supply“-Funktion. Während klassische OpAmps zwingend eine Positive und Negative Spannungsversorgung benötigen können Geräte mit dieser Funktion auch mit GND und VCC betrieben werden.

Auch sonst muss man etwas aufpassen: Reguläre OpAmps können den Ausgang meist nicht komplett bis auf GND und VCC, bzw. VCC- und VCC+, aussteuern. Der LM358 kommt so z.B. zwar bis auf GND runter, der Ausgang kann jedoch nur VCC-1.5V erreichen. Wer bessere Werte benötigt sollte nach dem Feature „Rail-to-Rail“ bei der Auswahl seines OpAmp ausschau halten.

Zuletzt sei noch die Geschwindigkeit erwähnt. OpAmps können die Ausgangsspannung nicht sofort ändern, sondern geben eine maximale Spannungsänderung pro Zeit an. Diese so genante „Slew Rate“ oder Flankensteilheit  kann also dazu führen, dass der Ausgang des OpAmp deutlich langsamer Reagiert als der Eingang. Im Beispiel hier sehen wir in Blau den recht langsamen LM358, welcher – trotz schnellem Eingangssignal – etwa 4µS benötigt um von 0V auf 3V umzuschalten. Der deutlich schnellere TL081 in gelb schafft dies hingegen in 800ns, also einem Bruchteil der Zeit.