Willkommen bei Elektor Lab Notes! Alle paar Wochen veröffentlichen unsere Ingenieure und engagierten Redakteure bei Elektor neue Notizen aus dem Labor sowie Updates zu aktuellen DIY-Elektronikprojekten, Branchennews und hilfreichen Technik-Tipps. In dieser Ausgabe der Lab Notes geht es um Sensoren, ESP32-Adapterplatinen, DIY-Audioübertragung, Frequenzreferenzen für das Labor und kommende Artikel des Elektor Magazins. Teilen Sie Ihre Gedanken gerne im Diskussionsbereich am Ende dieser Seite mit. Sie können auch eigene Lab Notes posten und uns wissen lassen, woran Sie an Ihrer Elektronikwerkbank gerade arbeiten!

Jean-François Simon (Ingenieur, Elektor)

Rubidium-Frequenzstandard-Adapter: Vor einigen Monaten erwähnte ich den Erwerb eines Rubidium-Frequenzstandards. In den 2010er-Jahren waren diese noch preisgünstig und in großen Stückzahlen auf eBay zu finden – diese Zeiten sind jedoch vorbei! Die Auswahl war daher eingeschränkt, und ich entschied mich für das Modell SA.22C von Symmetricom (jetzt Microchip), das in einem akzeptablen Preisrahmen lag. Diese Oszillatoren zeichnen sich durch eine hervorragende Frequenzstabilität aus. Zwar ist ihre absolute Genauigkeit nicht so hoch wie bei den besten GPS-disziplinierten Oszillatoren (GPSDOs), doch dienen Rubidium-Oszillatoren häufig als Backup bei Ausfällen der GPS-Hardware. Im Labor eignen sie sich ideal als Referenz für interessante Experimente, z. B. zur Stabilitätsmessung unterschiedlicher Oszillatoren. Eine passende Breakout-Platine ist unter der Marke BG7TBL erhältlich – unter Hobbyisten für Frequenzreferenzen gut bekannt.

Der SA.22C-Rubidiumoszillator und eine Adapterplatine.

Da der SA.22C für die Montage auf einer Leiterplatte vorgesehen ist, befindet sich der Anschluss auf der Unterseite. Die Platine muss groß genug sein und über ausreichend Kupferflächen verfügen, um als Wärmeableitung zu dienen; andernfalls empfiehlt der Hersteller zusätzliche Kühlmaßnahmen. Ich beabsichtige, einen alten, etwa 30 Jahre alten Kühlkörper aus einem PC dafür zu verwenden. Für schnelle Labortests wäre es jedoch praktischer, die warme Seite nach oben zu richten, um eine bessere natürliche Konvektion zu ermöglichen. Mit dem aktuellen Adapterplatinendesign wird dadurch jedoch der Zugang zu Anschlüssen, Status-LEDs und dem Abgleichpotentiometer erschwert.

Ich habe die Anschlüsse sowie die meisten bedrahteten Bauteile ausgelötet und auf der gegenüberliegenden Seite wieder eingelötet. Die Anschlüsse sind nun gut zugänglich, und die beiden Elektrolytkondensatoren befinden sich nun weiter entfernt vom Kühlkörper des 7805-Spannungsreglers – was der Zuverlässigkeit zugutekommt. Wichtig: Achten Sie bei einer solchen Umrüstung auf die korrekte Verdrahtung des 7805! Ich habe den Kühlkörper mit Unterlegscheiben leicht angehoben und die Pins darunter geführt. Vier Gummifüße unter dem SA.22C sorgen für einen stabilen Stand auf der Werkbank.

Modifizierte Adapterplatine.

Das 10-MHz-Ausgangssignal ist nicht perfekt rechteckig, erfüllt aber zuverlässig seine Aufgabe als Frequenzreferenz. Weitere Informationen zur Betriebszeit oder dem Verschleißzustand des Geräts können über die serielle Schnittstelle des SA.22C ausgelesen werden (siehe Handbuch). Alternativ kann auch die Software „Lady Heather“ von Mark Sims („texaspyro“) verwendet werden, die zahlreiche GPS-Empfänger und Frequenzstandards unterstützt. Ich plane, das Rubidium-Modul als Referenz einzusetzen und es mit dem bekannten GPSDO-Design von “lars” aus dem EEVBlog-Forum zu vergleichen – dafür muss ich mich jedoch noch intensiver mit der Theorie auseinandersetzen. Mehr dazu in einer der nächsten Ausgaben!

Diese Software wirkt zwar altmodisch, liefert jedoch nützliche Informationen.

Radar- und Time-of-Flight-Sensor-Tests: Für einen kommenden Artikel beschäftige ich mich aktuell mit verschiedenen Sensoren zur Bewegungs-, Abstands- und Geschwindigkeitsmessung. Vor einiger Zeit stieß ich auf den A121-Sensor von Acconeer und wollte ihn ausprobieren. Dabei handelt es sich um einen Radarsensor im 60-GHz-Band, der Bewegungen und Distanzen mit hoher Präzision erfassen kann. Der A121 kann zwischen bewegten und ruhenden Objekten unterscheiden, was u. a. Gestenerkennung ermöglicht. Für das Prototyping ist er als günstiges, lötbares Modul (XM125) verfügbar, das neben dem Sensor auch einen STM32L431CBY6-Mikrocontroller von ST enthält. Das Modul ist außerdem vormontiert auf einer kleinen Breakout-Platine mit Spannungsversorgung und seriellen Schnittstellen erhältlich – z. B. bei SparkFun.

From left to right: VL53L4CD, XM125, VL53L8CX and its companion Nucleo F401RE from ST.

Neben Radarsensoren sind auch Time-of-Flight-Sensoren sehr interessant. Auf dem beigefügten Foto ist ein Evaluierungsboard für den VL53L8CX von STMicroelectronics zu sehen – ein 8×8-Multizonen-Abstandssensor am oberen Ende der ToF-Serie von ST. Durch die Multizonentechnik ist auch hier Gestenerkennung möglich. Ebenfalls erwähnenswert ist der VL53L4CD – ein günstiger Sensor für kurze Distanzen. Die Tests laufen derzeit – bleiben Sie dran!

Jens Nickel (Chefredakteur, Elektor)

Vielseitige ESP32-Platine: In den Lab Notes 23 stellte ich einen Prototyp einer ESP32-basierten Platine vor, die Audio sowohl aufnehmen und ausgeben als auch über ein Nordic-nRF24-Funkmodul senden und empfangen kann. Inzwischen habe ich die ersten Platinen, deren Layout mein Kollege Saad in KiCad optimiert hat (insbesondere in Bezug auf Masseflächen), erhalten und bestückt. Auf dem Foto sind zwei der drei aufgebauten Platinen zu sehen, verwendet als Audio-Sender und -Empfänger. Überraschend war, dass der offizielle Footprint für das ESP32-S3-Devboard nicht zu den bei Amazon gekauften Boards passte – wie sich herausstellte, gibt es zwei Varianten des DevKitC mit 0,9 und 1 Zoll Breite. Einige Basisboards im Netz sind für beide Varianten ausgelegt (mittels doppelter Stiftleisten) – genau das planen auch Saad und ich für die nächste Version der Platine. Diese soll im nächsten „Schaltungs-Spezial“ vorgestellt werden. Unsere ESP32-Platine – mit weiteren Steckverbindern, zusätzlicher Spannungsversorgung und Aufsteckmodulen – wird dann nicht nur für Audio, sondern auch für viele IoT-Anwendungen einsetzbar sein. Weitere Updates folgen bald!
 
Prototyping mit ESP32.
Ein günstiger Trick: Damit verbunden ist mein Lieblingsprojekt, an dem ich gemeinsam mit einem Freund arbeite: unabhängige Lautsprecherstationen mit integriertem Akku, Verstärker, drahtlosem Audioempfänger und Fernsteuerung der Lautstärke. Wir steigen derzeit von analoger auf digitale Audioübertragung um, und nach einiger intensiver Bastelei gelang es mir, eine zuverlässige Verbindung mit sehr niedriger Latenz herzustellen – was für DJ-Anwendungen entscheidend ist (glauben Sie mir, mehr als einmal war ich kurz davor, aufzugeben). Ein kleiner Nachteil besteht darin, dass für jeden Audiokanal ein eigener Sender benötigt wird. Bei vier Empfängern bräuchte ich also sechs der oben beschriebenen „Vielseitigen ESP32-Platinen“. Das Pmod-I2S2-Sampling/Wiedergabemodul, das hierfür vorgesehen war, kostet etwa 35 Euro – allein diese Module würden sich auf eine beträchtliche Summe für ein vollständiges Soundsystem aufsummieren. Leider habe ich mit vielen günstigeren I2S-Ein- und Ausgabeboards schlechte Erfahrungen gemacht. Eine Platine eines chinesischen Herstellers erwies sich jedoch als lohnend, trotz des Aufwands, sie zum Laufen zu bringen: Das ESP32 Audio-Kit von AI Thinker basiert auf einem speziellen ESP32-SoC und integriert den Audiocodec ES8388 in einem Metallgehäuse. Das Board verfügt zudem über einen SD-Karten-Slot, zwei Mikrofone und einen kleinen Verstärkerchip – all dies benötigte ich zwar nicht, doch selbst unter Vernachlässigung dieser Funktionen war das gesamte Board deutlich günstiger als mein bevorzugtes I2S-Modul allein. Allerdings stehen nur wenige Pins für Erweiterungen zur Verfügung, da viele bereits für andere Funktionen auf dem Board genutzt werden. Um das Nordic-nRF24-Funkmodul anschließen zu können, musste ich einige SMD-Widerstände entfernen, um benötigte Pins freizulegen. Schließlich gelang es mir, das Board in Betrieb zu nehmen, und ich entwickelte zusätzlich eine kleine Adapterplatine zur Reduzierung von Störungen. Da diese modifizierte Low-Cost-Lösung auch die Lautstärkeregelung ermöglicht, konnten mein Freund und ich die Kosten pro Station von etwa 150 Euro auf rund 40 Euro senken – und das bei deutlich kompakterem Aufbau. Übrigens: In der aktuellen Ausgabe von Lab Talk sprechen meine Kollegen und ich über unsere Lieblingsprojekte – das sollten Sie sich unbedingt ansehen!
 
DIY-Funk-Audioempfänger.

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