Art-of-Electronics

27.8.2024 MK

Wer häufig mit elektronischen Geräten oder Mikrocontrollern arbeitet, hat oft den ganzen Tisch voller Messgeräte. Auch für die Ausbildung oder für den Einsatz außer Haus wünscht man sich ein kompaktes, einfaches und doch leistungsfähiges Gerät. Es soll einfach zu bedienen sein, man möchte Messergebisse aufzeichnen können und allzu teuer sollte es auch nicht sein. 

Zugleich möchte man keine umfangreiche Dokumentation vorab studieren oder sich beim Einsatz vor Ort durch verschachtelte Menüs kämpfen müssen. Dafür ist man auch zu dem einen oder anderen Kompromiss bereit.

Erste Bekanntschaft
Mehr zufällig traf ich auf das MSR Messlabor, eine Entwicklung des Elektronik-Urgesteins Burkhard Kainka, der weithin für seine Websites www.b-kainka.de und www.elektronik-labor.de, sowie seine schier unüberschaubare Menge an Büchern und Veröffentlichungen z.B. auch in ELEKTOR, bekannt ist.

Herrn Kainka ist es gelungen, mit dem Arduino Nano ein Messlabor in einer Streichholzschachtel zu realisieren. Das war nur für den Preis der Programmierung mit „Bare-bone C++“ möglich, also unter direkter Nutzung des GCC-Compilers. Das ist schon herausfordernd, denn ein großer Teil des Komforts, den die Arduino IDE bietet, steht nicht mehr zur Verfügung. Dies ist nötig, weil die IDE Eingriffe in den Code vornimmt, die das Echtzeitverhalten des Nano V3 unkalkulierbar machen.

Er hat ein ganzes Buch allein dem MSR Messlabor gewidmet: Buch zum Arduino Messlabor (€14,95)  Dort entwickelt er Schritt für Schritt jede einzelne Funktion und erklärt sie bis in die Details. Dabei lernt man – auf Wunsch – eine Menge über C++ Programmierung ohne die IDE. Um es wirklich zu verstehen, benötigt man jedoch noch etwas mehr Information z.B. von Seiten wie: AVR-C (es gibt viele solcher Seiten!).

Ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie wichtig die Art der Programmierung ist, findet sich gleich auf Seite 10. Eine Programmschleife schaltet einen Port immer ein und wieder aus, ohne delay() oder irgend eine Anweisung dazwischen. Damit wird eine maximale Ausgangsfrequenz von ca. 150 kHz erreicht.

Das MSR Messlabor erreicht eine maximale Ausgabefrequenz von 8000 kHz- 8 MHz. Das entspricht der Frequenz eines Kurzwellensenders! Allein die Art der Programmierung bewirkt eine mehr als 50-fach schnellere Ausgabe! Ganz ähnlich verhält es sich mit fast allen anderen Funktionen in diesem Projekt.

Ein Blick auf das grundsätzliche Konzept

Dieses Projekt arbeitet mit zwei Komponenten. die als Open-Source Software zur Verfügung gestellt werden. Der Download kann hier erfolgen: www.elektronik-labor.de/AVR/ArduinoMSR.html 

Um ganz ehrlich zu sein: Es empfiehlt sich, das Buch zu erwerben und sich durch zu arbeiten. Das ist zwar etwas mühsam, aber lehrreich und bringt das notwendige Verständnis. Man sollte schon wissen, was die jeweilige Darstellung auf dem Bildschirm zeigt. Denn es gibt einige Fehlermöglichkeiten. Wie immer, wenn man misst: „Wer misst, misst Mist“. Und gerade dann, wenn man analoge Größen digital erfasst, gibt es einige Fallen, die man vom DSO her vermutlich kennt. Das hat mit dem Projekt nichts zu tun. Es geht um Grundsätzliches, nicht etwa um Fehler des Konzeptes.

Der Download liefert den Sketch NanoMSR2. Außerdem gibt es eine WIN-Anwendung ArduinoMSR2.exe sowie weitere Dateien, die im Verzeichnis liegen müssen. Das alles ist gut erklärt.

Der Arduino Nano kommuniziert mit 1.000.000 Baud (!) über seine serielle Schnittstelle mit dem PC. Der PC dient als Bildschirm für die Signaldarstellung und zeigt Bedienelemente für die Funktionen des MSR.

Selbstverständlich kann man statt der ArduinoMSR2.exe auch eine eigene Anwendung schreiben und das MSR über 2-Byte Befehle selbst bedienen bzw. die Daten abholen.

Wichtig: Bei dieser Anwendung ist es überhaupt nicht egal, welche Controller-Platine verwendet wird. Es muss schon der Arduino Nano sein – oder einer seiner echten Clone. Wenn eine andere Platine verwendet muss ggfls. der Code angepasst werden.

Möglichkeiten und Grenzen

Anzeige und Bedienelemente, jeweils mit Angabe des Anschlusses

In der Version NanoMSR2 werden folgende Funktionen geboten:

2-Kanal Oszilloskop mit einer Bandbreite von 31,5 kHz; Xt-Darstellung mit div. Ablenkzeiten; mit XY-Darstellung

2x DDS Sinusgeneratoren

2x DDS Rechteckgeneratoren (30 Hz – 8 MHz)

Frequenzmessung bis 8 MHz

2x Einstellbare Spannungsquelle

Mit ein wenig Peripherie stellt B. Kainka noch folgende Anwendungen vor:

• Kapazitätsmessung ab 1pF
• Widerstandsmessung ab 1 Ω bis 1 MΩ
• Transistor-Prüfschaltung mit Kennliniendarstellung
• Kennliniendarstellung anderer Halbleiter
• Rampenfunktion für alle möglichen Prüfaufgaben
• Filtermessung mit Sweep-Funktion
• Darstellung von Lissajous-Figuren
  
• Für viele Anwendungsbeispiele werden die Grenzen des MSR sauber ausgelotet und auch Beispiele für irreführende Anzeigen gegeben.  Fehler entstehen z.B., wenn die Sampling-Frequenz dem Messzweck nicht entspricht – wie bei jedem DSO.

Fazit

Wer sich vor Augen führt, dass hier mit einfachsten Mitteln und einem Aufwand < 10 € nicht nur die Grundlagen der Elektronik vermittelt werden können, sondern zugleich ein alltagstaugliches Minilabor entstanden ist, der kann nur seinen „virtuellen Hut“ vor dem Altmeister der Elektronik ziehen. Das hat wirklich echte Klasse. Es macht auch für den Neuling das Engagement in der Elektronik attraktiv.

Aktuell habe ich zwar einige Projekte in Arbeit und möchte mich auch nicht total verzetteln. Dennoch habe ich auf meine Liste gesetzt: „Peripherie für MSR Messlabor – Schaltung für höhere Spannungen etc.“

Die Schaltung will vom Steckbrett runter und noch alltagstauglicher werden.