Mikrocontroller: Wiederholung und Übungsaufgaben

Als Mikrocontroller-Grundlagen kann ich nach Durcharbeiten des Artikels…

• … die Bausteine eines Mikrocontrollers und die Aufgaben von Flash, SRAM und EEPROM benennen.

• … Takterzeugung mit Quarz, Reset-Beschaltung und Abblockkondensator erklären.

• … Vorwiderstände für LEDs und Basiswiderstände für Transistorstufen an Ausgangspins berechnen.

• … Eingänge mit Pull-up- und Pull-down-Widerständen beschalten und Pegel prüfen.

• … Auflösung und Umsetzwerte des Analogeingangs berechnen.

Darüber hinaus kann ich als Mikrocontroller-Expertenwissen…

• … 24-V-Signale an einen Mikrocontroller anpassen und die Grenzen eines Spannungsteilers beurteilen.

• … PWM-Frequenz, Tastgrad und Timer-Vergleichswerte berechnen.

• … Interrupt, Watchdog und Brown-out-Erkennung erklären.

• … einen Stromlaufplan mit Mikrocontroller analysieren und den Zustand nach dem Reset beurteilen.

Kopiere den Text in ein KI-Sprachmodell Deiner Wahl und passe Kompetenzstufe, Anzahl, Bearbeitungszeit und Szenario bei Bedarf an. Wie die Aufgaben aufgebaut sind, beschreibt der Artikel Wie sind die Aufgaben aufgebaut?. Prüfe die Ergebnisse mit dem Lehrartikel: KI-Sprachmodelle machen Fehler.

Erstelle neue Übungsaufgaben zum Thema „Mikrocontroller“.

Bauplan: Halte Dich an Aufbau, Kompetenzstufen, Operatoren,
Anforderungsbereiche, Punkte und Zeitschätzung, die im Artikel
https://oer-informatik.de/aufgaben-aufbau beschrieben sind.

Fachliche Grundlage:
- https://oer-informatik.de/mikrocontroller-uebungsaufgaben
- Stilbeispiel: https://oer-informatik.de/mikrocontroller-uebungsaufgaben

Die Aufgaben sollen Inhalte zu diesen Schlagwörtern abdecken:
- Mikrocontroller
- Flash
- SRAM
- EEPROM
- Pull-up-Widerstand
- AD-Umsetzer
- PWM
- Timer
- Watchdog

Kompetenzstufe: Kernkompetenz (alternativ: Basiskompetenz, Profilkompetenz, Expertise)
Anzahl: 1 Aufgabe mit Teilaufgaben
Bearbeitungszeit in Minuten ca.: <5 bis 30 min>
Szenario: eines der Szenarien aus dem Bauplan

Vorgehen:
1. Lies zuerst die verlinkten Artikel. Kannst Du keine Webseiten
   abrufen, sag mir das, statt zu raten.
2. Steht bei einer Angabe noch ein Platzhalter in <…>, frag mich
   zuerst danach. Richte Punkte und Zahl der Teilaufgaben nach der
   Bearbeitungszeit (ca. 0,9 min je Punkt).
3. Gib je Aufgabe Titel mit Kompetenzstufe, Ausgangssituation und
   Teilaufgaben mit Operator und Punktzahl aus, dazu die geschätzte
   Bearbeitungszeit.
4. Gib die Beispiellösungen mit Punkteverteilung erst aus, wenn ich
   danach frage.

Richtige Antwort: 3

Geg.: Kalibrierwert, im Betrieb änderbar, nichtflüchtig

Ges.: geeigneter Speicher

Das \underline{\underline{\text{EEPROM}}} ist nichtflüchtig und kann während des Betriebs byteweise beschrieben werden: Antwort 3. SRAM (Antwort 1), CPU-Register (Antwort 2), Stack (Antwort 4, ein Bereich im SRAM) und Cache (Antwort 5) verlieren ihren Inhalt beim Abschalten.

Richtige Antwort: 3

Geg.: 16 Adressleitungen, 1 Byte je Adresse

Ges.: adressierbarer Speicher

2^{16} = 65\,536\ \text{Byte} = \frac{65\,536}{1024}\ \text{KiB} = \underline{\underline{64\ \text{KiB}}}

Antwort 3. Antwort 1 und 2 entsprechen 14 bzw. 15 Adressleitungen, Antwort 4 entspricht 17. Antwort 5 verwechselt die Zahl der Leitungen mit der Speichergröße.

Geg.: 32 KiB Flash, 2 KiB SRAM, 1 KiB EEPROM; f = 16\ \text{MHz}; Schleife mit 1000 Taktzyklen

a) Ges.: Zuordnung zu den Speichern

b) Ges.: T, t_\mathrm{Schleife}

\begin{aligned} &\text{(I)} && T = \dfrac{1}{f} \\ &\text{(II)} && t_\mathrm{Schleife} = 1000 \cdot T \end{aligned}

I in II:

T = \frac{1}{16\ \text{MHz}} = \underline{\underline{62{,}5\ \text{ns}}} \qquad t_\mathrm{Schleife} = 1000 \cdot 62{,}5\ \text{ns} = \underline{\underline{62{,}5\ \text{µs}}}

c) Ges.: zwei Unterschiede

• \underline{\underline{\text{Speicher und Peripherie auf dem Chip}}}: Der Mikrocontroller enthält Ports, ADC, Timer und Schnittstellen selbst; der Mikroprozessor braucht dafür externe Bausteine.

• \underline{\underline{\text{Einsatzzweck}}}: Mikrocontroller sind auf Steuerungsaufgaben mit geringem Stromverbrauch und niedrigen Kosten ausgelegt, Mikroprozessoren auf hohe Rechenleistung mit großem externem Speicher.

Richtige Antwort: 5

Geg.: Quarz mit zwei 22-pF-Kondensatoren gegen 0 V

Ges.: Aufgabe der Kondensatoren

Die Kondensatoren bilden mit der Schaltungskapazität die vom Quarzhersteller angegebene \underline{\underline{\text{Lastkapazität}}}. Nur damit schwingt der Oszillator sicher und genau auf der Nennfrequenz: Antwort 5. Die Versorgung glättet der Abblockkondensator (Antwort 1). Die Kondensatoren ermöglichen das Schwingen, statt es zu verhindern (Antwort 2), und teilen keine Frequenz (Antwort 3). ESD-Schutz (Antwort 4) leisten Schutzdioden.

Geg.: Quarztoleranz \delta = \pm 50\ \text{ppm} = \pm 50 \cdot 10^{-6}; RC-Oszillator \pm 10\ \%; UART 9600 Bit/s, zulässige Abweichung etwa 2 %

a) Ges.: \Delta t nach einem Tag

\begin{aligned} &\text{(I)} && \Delta t = t \cdot \delta \\ &\text{(II)} && t = 24 \cdot 3600\ \text{s} = 86\,400\ \text{s} \end{aligned}

II in I:

\Delta t = 86\,400\ \text{s} \cdot 50 \cdot 10^{-6} = \underline{\underline{4{,}32\ \text{s}}}

b) Ges.: Eignung des RC-Oszillators

Mit \pm 10\ \% kann die Bitrate um bis zu 10 % abweichen. Zulässig sind etwa 2 %; die Abtastung des letzten Bits eines Zeichens läge außerhalb des Bits. Der unkalibrierte RC-Oszillator ist \underline{\underline{\text{nicht geeignet}}} (erst nach Kalibrierung auf etwa \pm 1\ \% oder mit Quarz).

c) Ges.: Aufgabe des 100-nF-Kondensators

Er ist ein \underline{\underline{\text{Abblockkondensator}}}: Er liefert die kurzen Stromspitzen beim Umschalten direkt am Chip und hält Störungen von der Versorgung fern.

Richtige Antwort: 2

Geg.: Bild b: LED mit Vorwiderstand zwischen +5 V und PB1

Ges.: Zustand, bei dem die LED leuchtet

Strom fließt nur, wenn zwischen +5 V und PB1 eine Spannung liegt, also bei \underline{\underline{\text{PB1 = Low}}}: Antwort 2. Bei High (Antwort 1) liegen beide Enden auf 5 V. Als Eingang (Antwort 3) ist der Pin hochohmig; es fließt nur ein vernachlässigbarer Strom. Antwort 4 trifft nicht zu, und die LED ist richtig gepolt (Anode zu +5 V), Antwort 5 ist falsch.

Geg.: U_\mathrm{OH} = 5\ \text{V}; U_\mathrm{OL} = 0\ \text{V}; U_\mathrm{BE} = 0{,}7\ \text{V}; -P_1: U_\mathrm{F} = 2{,}0\ \text{V}, I_\mathrm{F,max} = 10\ \text{mA}; I_\mathrm{ges,max} = 200\ \text{mA}; -Q_1: 12 V, 400 Ω; B_\mathrm{min} = 100; \ddot{u} = 3

a) Ges.: R_1, E12-Wert, I_\mathrm{F}

\begin{aligned} &\text{(I)} && U_\mathrm{OH} = U_\mathrm{F} + U_\mathrm{R1} \\ &\text{(II)} && U_\mathrm{R1} = R_1 \cdot I_\mathrm{F} \end{aligned}

II in I:

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} U_\mathrm{OH} & = & U_\mathrm{F} + R_1 \cdot I_\mathrm{F} & \color{gray}{-U_\mathrm{F}} \\ U_\mathrm{OH} - U_\mathrm{F} & = & R_1 \cdot I_\mathrm{F} & \color{gray}{:I_\mathrm{F}} \\ R_1 & = & \dfrac{U_\mathrm{OH} - U_\mathrm{F}}{I_\mathrm{F}} = \dfrac{5\ \text{V} - 2{,}0\ \text{V}}{10\ \text{mA}} = 300\ \Omega & \end{array}

Gewählt: \underline{\underline{R_1 = 330\ \Omega}} (nächster größerer E12-Wert).

I_\mathrm{F} = \frac{3{,}0\ \text{V}}{330\ \Omega} \approx \underline{\underline{9{,}09\ \text{mA}}}

b) Ges.: Summenstrom

I_\mathrm{ges} = 8 \cdot 9{,}09\ \text{mA} \approx \underline{\underline{72{,}7\ \text{mA}}} < 200\ \text{mA}

Mit gerundeten Zwischenergebnissen ergibt sich: I_\mathrm{ges} \approx 72{,}7\ \text{mA}
Ohne gerundete Zwischenergebnisse ergibt sich: I_\mathrm{ges} = 8 \cdot 3\ \text{V} : 330\ \Omega \approx 72{,}7\ \text{mA}

Die Belastung ist \underline{\underline{\text{zulässig}}}.

c) Ges.: R_3, E12-Wert

\begin{aligned} &\text{(I)} && I_\mathrm{C} = \dfrac{U_\mathrm{Sp}}{R_\mathrm{Sp}} \\ &\text{(II)} && I_\mathrm{B} = \ddot{u} \cdot \dfrac{I_\mathrm{C}}{B_\mathrm{min}} \\ &\text{(III)} && U_\mathrm{OH} = U_\mathrm{R3} + U_\mathrm{BE} \\ &\text{(IV)} && U_\mathrm{R3} = R_3 \cdot I_\mathrm{B} \end{aligned}

I in II:

I_\mathrm{C} = \frac{12\ \text{V}}{400\ \Omega} = 30{,}0\ \text{mA} \qquad I_\mathrm{B} = 3 \cdot \frac{30{,}0\ \text{mA}}{100} = 0{,}900\ \text{mA}

IV in III:

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} U_\mathrm{OH} & = & R_3 \cdot I_\mathrm{B} + U_\mathrm{BE} & \color{gray}{-U_\mathrm{BE}} \\ U_\mathrm{OH} - U_\mathrm{BE} & = & R_3 \cdot I_\mathrm{B} & \color{gray}{:I_\mathrm{B}} \\ R_3 & = & \dfrac{U_\mathrm{OH} - U_\mathrm{BE}}{I_\mathrm{B}} = \dfrac{5\ \text{V} - 0{,}7\ \text{V}}{0{,}900\ \text{mA}} \approx 4{,}78\ \text{k}\Omega & \end{array}

Gewählt: \underline{\underline{R_3 = 4{,}7\ \text{k}\Omega}} (nächster kleinerer E12-Wert, damit der Basisstrom nicht kleiner wird).

Damit wird I_\mathrm{B} = 4{,}3\ \text{V} : 4{,}7\ \text{k}\Omega \approx 0{,}915\ \text{mA}; der Pin wird kaum belastet.

d) Ges.: Aufgabe von -R_4

-R_4 ist die \underline{\underline{\text{Freilaufdiode}}}.

Beim Abschalten will die Spule den Strom aufrechterhalten und erzeugt eine hohe Gegenspannung. Die Diode übernimmt den Strom, der in Spule und Diode abklingt. Ohne sie würde die Spannung am Kollektor weit über 12 V steigen und -K_1 zerstören.

Richtige Antwort: 1

Geg.: interner Pull-up, Taster gegen 0 V gedrückt

Ges.: gelesener Wert an PD3

Der gedrückte Taster verbindet den Pin mit 0 V; der Pull-up kann dagegen nichts ausrichten. Das Programm liest \underline{\underline{0}}: Antwort 1. 1 (Antwort 2) gilt bei offenem Taster. Der Eingang ist durch den Pull-up nie offen (Antwort 3). Antwort 4 beschreibt kein reales Verhalten. Dauerhaftes Wechseln (Antwort 5) tritt nicht auf; nur beim Prellen wechselt der Wert für wenige Millisekunden.

Richtige Antwort: 4

Geg.: R_\mathrm{PU,min} = 20\ \text{k}\Omega; U_\mathrm{DD} = 5\ \text{V}

Ges.: I_\mathrm{max}

I_\mathrm{max} = \frac{U_\mathrm{DD}}{R_\mathrm{PU,min}} = \frac{5\ \text{V}}{20\ \text{k}\Omega} = \underline{\underline{0{,}250\ \text{mA}}}

Antwort 4. Antwort 1 verwechselt den Widerstand mit dem Strom, Antwort 2 rechnet mit 2 kΩ, Antwort 3 mit 50 kΩ (das ist der kleinste Strom). Antwort 5 teilt 20 durch 5.

Geg.: R_2 = 39\ \text{k}\Omega (in c: 56 kΩ); R_3 = 10\ \text{k}\Omega; U_\mathrm{DD} = 5\ \text{V}; U_\mathrm{IH,min} = 0{,}6 \cdot U_\mathrm{DD}; U_\mathrm{E,max} = U_\mathrm{DD} + 0{,}5\ \text{V}; High-Signal 15 V … 30 V

a) Ges.: U_\mathrm{PD4} bei 24 V

Spannungsteiler (unbelastet, der Eingang ist hochohmig):

\frac{U_\mathrm{PD4}}{U_\mathrm{S}} = \frac{R_3}{R_2 + R_3}

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} \dfrac{U_\mathrm{PD4}}{U_\mathrm{S}} & = & \dfrac{R_3}{R_2 + R_3} & \color{gray}{\cdot U_\mathrm{S}} \\ U_\mathrm{PD4} & = & U_\mathrm{S} \cdot \dfrac{R_3}{R_2 + R_3} = 24\ \text{V} \cdot \dfrac{10\ \text{k}\Omega}{49\ \text{k}\Omega} \approx \underline{\underline{4{,}90\ \text{V}}} & \end{array}

b) Ges.: U_\mathrm{PD4} bei 30 V; Beurteilung

U_\mathrm{PD4} = 30\ \text{V} \cdot \frac{10\ \text{k}\Omega}{49\ \text{k}\Omega} \approx \underline{\underline{6{,}12\ \text{V}}} > U_\mathrm{E,max} = 5{,}5\ \text{V}

Die Spannung ist \underline{\underline{\text{unzulässig}}}: Der Grenzwert U_\mathrm{DD} + 0{,}5\ \text{V} ist überschritten, die Schutzdiode des Eingangs leitet. Der Strom ist wegen des hochohmigen Teilers klein (unter 0,1 mA), der Betrieb ist aber nicht bestimmungsgemäß.

c) Ges.: Prüfung mit 56 kΩ

U_\mathrm{PD4,max} = 30\ \text{V} \cdot \frac{10\ \text{k}\Omega}{66\ \text{k}\Omega} \approx 4{,}55\ \text{V} \leq 5{,}5\ \text{V} \quad \text{(zulässig)}

U_\mathrm{PD4,min} = 15\ \text{V} \cdot \frac{10\ \text{k}\Omega}{66\ \text{k}\Omega} \approx 2{,}27\ \text{V} < U_\mathrm{IH,min} = 0{,}6 \cdot 5\ \text{V} = 3{,}0\ \text{V}

Der Eingang wird nicht überlastet, aber ein High-Signal von 15 V wird \underline{\underline{\text{nicht sicher erkannt}}}. Ein einfacher Spannungsteiler kann den großen Eingangsbereich nicht abdecken: Für den Überlastschutz bei 30 V wäre R_2 \geq 44{,}5\ \text{k}\Omega nötig, für die sichere Erkennung bei 15 V R_2 \leq 40\ \text{k}\Omega.

Das Diagramm zeigt beide Teiler über dem ganzen Signalbereich: Mit 39 kΩ überschreitet die Spannung an PD4 ab etwa 27 V die zulässigen 5,5 V, mit 56 kΩ bleibt sie unterhalb von 19,8 V unter der High-Schwelle von 3,0 V.

d) Ges.: bessere Lösung

Ein \underline{\underline{\text{Optokoppler}}} (mit Vorwiderstand oder Konstantstromeingang auf der 24-V-Seite und Pull-up am Mikrocontroller). Vorteile: galvanische Trennung zwischen 24-V-Anlage und Elektronik, Schutz vor Überspannung und Störungen, sichere Erkennung im ganzen Bereich von 15 V bis 30 V.

Richtige Antwort: 2

Geg.: n = 10; U_\mathrm{ref} = 5\ \text{V}

Ges.: U_\mathrm{LSB}

U_\mathrm{LSB} = \frac{U_\mathrm{ref}}{2^n} = \frac{5\ \text{V}}{1024} \approx \underline{\underline{4{,}88\ \text{mV}}}

Antwort 2. Antwort 1 rechnet mit 512 Stufen (9 Bit), Antwort 3 mit 256 Stufen (8 Bit). Antwort 4 teilt durch 10, Antwort 5 durch 4096 (12 Bit).

Geg.: Sensor 10 mV/°C, 0 V bei 0 °C; n = 10; U_\mathrm{ref} = 1{,}1\ \text{V}

a) Ges.: Auflösung in mV und K

U_\mathrm{LSB} = \frac{1{,}1\ \text{V}}{1024} \approx \underline{\underline{1{,}07\ \text{mV}}} \qquad \Delta\vartheta = \frac{1{,}07\ \text{mV}}{10\ \text{mV/K}} \approx \underline{\underline{0{,}107\ \text{K}}}

Mit gerundeten Zwischenergebnissen ergibt sich: \Delta\vartheta \approx 0{,}107\ \text{K}
Ohne gerundete Zwischenergebnisse ergibt sich: \Delta\vartheta = 1{,}074\ \text{mV} : 10\ \text{mV/K} \approx 0{,}107\ \text{K}

b) Ges.: \vartheta_\mathrm{max}

\vartheta_\mathrm{max} = \frac{U_\mathrm{ref}}{10\ \text{mV/°C}} = \frac{1100\ \text{mV}}{10\ \text{mV/°C}} \approx \underline{\underline{110\ \text{°C}}}

(genau: der größte Umsetzwert 1023 entspricht etwa 109,9 °C).

c) Ges.: Umsetzwert bei 25 °C

U_\mathrm{E} = 25\ \text{°C} \cdot 10\ \text{mV/°C} = 0{,}25\ \text{V} \qquad N = \frac{0{,}25\ \text{V}}{1{,}1\ \text{V}} \cdot 1024 \approx 232{,}7 \Rightarrow \underline{\underline{N = 232}}

d) Ges.: Begründung interne Referenz

Mit 5 V wäre U_\mathrm{LSB} = 4{,}88\ \text{mV}, also nur etwa 0,49 K je Stufe; der Sensor nutzt bis 110 °C nur ein Fünftel des Messbereichs. Mit 1,1 V wird der Bereich besser ausgenutzt, die Auflösung ist etwa \underline{\underline{\text{4,55-mal feiner}}}. Außerdem ist die interne Referenz unabhängig von Schwankungen der Betriebsspannung. Sie hat allerdings eine Toleranz von etwa \pm 10\ \% und sollte kalibriert werden.

Richtige Antwort: 2

Geg.: Impulsdauer t_\mathrm{i} = 2\ \text{ms}; höchstens 50 Impulse je Sekunde; Schleifendauer bis t_\mathrm{S} = 15\ \text{ms}

Ges.: Beurteilung von Abfrage (Polling) und Interrupt

Entscheidend ist nicht der Impulsabstand, sondern die Impulsdauer: Der Pin ist nur 2 ms lang high, zwischen zwei Abfragen vergehen bis zu 15 ms. Fällt ein Impuls ganz in diese Lücke, sieht die Hauptschleife ihn nie. Ein Flankeninterrupt unterbricht das Hauptprogramm dagegen sofort, die ISR erhöht nur den Zähler: \underline{\underline{\text{Antwort 2}}}. Antwort 1 vergleicht mit dem Impulsabstand statt mit der Impulsdauer. Antwort 3 ist falsch, denn die ISR läuft mitten im Durchlauf und nicht erst danach. Antwort 4 widerspricht der Regel „ISR kurz halten“: Die langsame Displayausgabe in der ISR würde weitere Interrupts verzögern. Antwort 5 verlängert die Schleife nur um 2 ms; die Lücke zwischen zwei Abfragen bleibt größer als der Impuls.

Das Zeitdiagramm zeigt ein Beispiel mit Abfragen im Abstand von 15 ms: Nur zwei von fünf Impulsen fallen zufällig auf einen Abfragezeitpunkt, der Flankeninterrupt zählt alle fünf.

Richtige Antwort: 5

Geg.: \hat{U} = 5\ \text{V}; t_\mathrm{ein} = 0{,}6\ \text{ms}; T = 0{,}8\ \text{ms}

Ges.: g, \overline{U}

g = \frac{t_\mathrm{ein}}{T} = \frac{0{,}6\ \text{ms}}{0{,}8\ \text{ms}} = \underline{\underline{75\ \%}} \qquad \overline{U} = g \cdot \hat{U} = 0{,}75 \cdot 5\ \text{V} = \underline{\underline{3{,}75\ \text{V}}}

Antwort 5. Antwort 1 setzt t_\mathrm{ein} in ms als Prozent ein, Antwort 2 nimmt die Ausschaltzeit 0{,}2\ \text{ms}, Antwort 3 nimmt T als Prozent. Antwort 4 hat den richtigen Tastgrad, gibt aber den Scheitelwert statt des Mittelwerts an.

Geg.: f_\mathrm{CPU} = 16\ \text{MHz}; 8-Bit-Fast-PWM; g = 40\ \%; 16-Bit-Timer mit N = 64, t = 10\ \text{ms}

a) Ges.: f_\mathrm{PWM} für N = 64 und N = 1; Wahl

f_\mathrm{PWM} = \frac{f_\mathrm{CPU}}{N \cdot 256}

N = 64{:}\ f_\mathrm{PWM} = \frac{16\ \text{MHz}}{64 \cdot 256} \approx \underline{\underline{977\ \text{Hz}}} \qquad N = 1{:}\ f_\mathrm{PWM} = \frac{16\ \text{MHz}}{256} = \underline{\underline{62{,}5\ \text{kHz}}}

Gewählt: \underline{\underline{N = 1}}. 977 Hz liegen im Hörbereich, der Lüfter würde pfeifen; 62,5 kHz liegen darüber.

b) Ges.: Vergleichswert

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} g & = & \dfrac{\text{OCR} + 1}{256} & \color{gray}{\cdot 256} \\ \text{OCR} + 1 & = & g \cdot 256 = 0{,}4 \cdot 256 = 102{,}4 & \color{gray}{-1} \\ \text{OCR} & = & 101{,}4 & \end{array}

Gewählt: \underline{\underline{\text{OCR} = 101}} (Tastgrad 102 : 256 \approx 39{,}8\ \%; mit 102 wären es 40,2 %, ebenfalls vertretbar).

c) Ges.: Vergleichswert für 10 ms

\begin{aligned} &\text{(I)} && f_\mathrm{Timer} = \dfrac{f_\mathrm{CPU}}{N} \\ &\text{(II)} && n = f_\mathrm{Timer} \cdot t \\ &\text{(III)} && \text{OCR} = n - 1 \end{aligned}

Nacheinander berechnet (I, II, III):

f_\mathrm{Timer} = \frac{16\ \text{MHz}}{64} = 250\ \text{kHz} \qquad n = 250\ \text{kHz} \cdot 10\ \text{ms} = 2500 \qquad \text{OCR} = \underline{\underline{2499}}

Der Wert passt in den 16-Bit-Timer (höchstens 65 535).

d) Ges.: Begründung PWM

Bei PWM ist der Transistor entweder voll durchgeschaltet (kleine Spannung) oder gesperrt (kein Strom); die Verlustleistung bleibt klein. Ein Vorwiderstand setzt die überschüssige Leistung dauerhaft in Wärme um. PWM ist deshalb \underline{\underline{\text{verlustärmer}}} und lässt sich vom Mikrocontroller direkt einstellen.

Richtige Antwort: 3

Geg.: Watchdog-Zeit t_\mathrm{WD} = 500\ \text{ms}; Schleifendauer im Normalbetrieb 40\ \text{ms}; Zurücksetzen nur am Schleifenende

Ges.: Verhalten, wenn das Programm in der Warteschleife hängt

Das Programm erreicht das Schleifenende nicht mehr, der Watchdog wird nicht mehr zurückgesetzt. Etwa 500 ms nach dem letzten Zurücksetzen \underline{\underline{\text{löst er einen Reset aus}}}, das Programm startet neu: Antwort 3. Hängt der Sensor weiter, wiederholt sich das; die Firmware sollte deshalb Neustarts zählen und eine Störung melden. Antwort 1 beschreibt die Brown-out-Erkennung. Antwort 2 verwechselt die übliche Schleifendauer mit der eingestellten Watchdog-Zeit. Antwort 4 beschreibt einen Zeitablauf (Timeout) im Programm, kein Reset. Antwort 5 ist falsch: Der Watchdog zählt unabhängig vom Programm weiter. Würde man ihn auch in der Warteschleife zurücksetzen, könnte er den Fehler gar nicht mehr erkennen.

Richtige Antwort: 1

Geg.: Brown-out-Erkennung

Ges.: Wirkung

Sie \underline{\underline{\text{hält den Mikrocontroller im Reset}}}, solange die Versorgungsspannung unter der Schwelle liegt: Antwort 1. Überspannungsschutz (Antwort 2), Kurzschlusserkennung an Pins (Antwort 3), Entprellen (Antwort 4) und Taktabsenkung (Antwort 5) sind andere Funktionen.

a) Ges.: Aufgaben von -G_1, -C_1, -C_2, -C_3, -R_6

• -G_1 mit -C_1, -C_2: \underline{\underline{\text{Takterzeugung}}}; Quarz mit Lastkondensatoren für den genauen Takt von 16 MHz.

• -C_3: \underline{\underline{\text{Abblockkondensator}}} an der Versorgung.

• -R_6: \underline{\underline{\text{Pull-up am RESET}}}; hält den low-aktiven Reset-Eingang im Betrieb auf High.

b) Ges.: Einstellung von PD2; Wert bei gedrücktem Taster

PD2 muss als Eingang mit eingeschaltetem internen Pull-up (\underline{\underline{\text{Eingang + Pull-up}}}) konfiguriert werden; sonst ist der Pin bei offenem Taster undefiniert. Gedrückt verbindet -S_1 den Pin mit 0 V, das Programm liest \underline{\underline{0}}.

c) Ges.: I_\mathrm{F}

Mit U_\mathrm{OH} \approx 5\ \text{V} (kleine Last):

I_\mathrm{F} = \frac{U_\mathrm{OH} - U_\mathrm{F}}{R_1} = \frac{5\ \text{V} - 2{,}0\ \text{V}}{330\ \Omega} \approx \underline{\underline{9{,}09\ \text{mA}}}

Der Wert liegt unter den zulässigen 20 mA je Pin.

d) Ges.: Aufgaben von -R_2, -R_3; Begründung Logic-Level

• -R_2: \underline{\underline{\text{Gate-Vorwiderstand}}}; begrenzt den Umladestrom der Gate-Kapazität beim Schalten (Schutz des Pins) und dämpft Schwingungen.

• -R_3: \underline{\underline{\text{Pull-down am Gate}}}; hält das Gate auf 0 V, solange PD6 hochohmig ist (nach dem Einschalten, während des Resets, beim Programmieren); der Lüfter bleibt sicher aus.

• Der Mikrocontroller liefert höchstens 5 V am Gate. Ein Standard-MOSFET ist erst bei etwa 10 V voll durchgeschaltet; ein \underline{\underline{\text{Logic-Level-MOSFET}}} hat schon bei 4 … 5 V einen kleinen R_\mathrm{DS(on)}.

Geg.: -B_1: 10 kΩ bei 25 °C, 2,49 kΩ bei 60 °C; g = 60\ \%

a) Ges.: Umsetzwerte N_{25}, N_{60}

Spannungsteiler mit -B_1 nach 0 V; I in II:

\begin{aligned} &\text{(I)} && U_\mathrm{PC0} = U_\mathrm{DD} \cdot \dfrac{R_\mathrm{NTC}}{R_5 + R_\mathrm{NTC}} \\ &\text{(II)} && N = \dfrac{U_\mathrm{PC0}}{U_\mathrm{ref}} \cdot 1024 \end{aligned}

25 °C:

U_\mathrm{PC0} = 5\ \text{V} \cdot \frac{10\ \text{k}\Omega}{20\ \text{k}\Omega} = 2{,}50\ \text{V} \qquad N_{25} = \frac{2{,}50\ \text{V}}{5\ \text{V}} \cdot 1024 = \underline{\underline{512}}

60 °C:

U_\mathrm{PC0} = 5\ \text{V} \cdot \frac{2{,}49\ \text{k}\Omega}{12{,}49\ \text{k}\Omega} \approx 0{,}997\ \text{V} \qquad N_{60} = \frac{0{,}997\ \text{V}}{5\ \text{V}} \cdot 1024 \approx 204{,}2 \Rightarrow \underline{\underline{204}}

Mit gerundeten Zwischenergebnissen ergibt sich: N_{60} = 204
Ohne gerundete Zwischenergebnisse ergibt sich: U_\mathrm{PC0} = 0{,}9968\ \text{V}, N_{60} = 204

b) Ges.: Richtung

Der NTC-Widerstand sinkt bei Erwärmung, damit sinkt die Spannung an PC0: Der Umsetzwert wird \underline{\underline{\text{kleiner}}}.

c) Ges.: \overline{U}_\mathrm{M}, \overline{I}_\mathrm{Q1} bei 60 %; Aufgabe von -R_4

Modell: Motor als ohmscher Widerstand R_\mathrm{M} = 12\ \text{V} : 0{,}25\ \text{A} = 48{,}0\ \Omega. Während der Einschaltzeit nimmt -Q_1 0,25 A aus der Versorgung auf, während der Ausschaltzeit nichts:

\overline{U}_\mathrm{M} = g \cdot U = 0{,}6 \cdot 12\ \text{V} = \underline{\underline{7{,}20\ \text{V}}} \qquad \overline{I}_\mathrm{Q1} = g \cdot I_\mathrm{N} = 0{,}6 \cdot 0{,}25\ \text{A} = \underline{\underline{0{,}150\ \text{A}}}

Durch den Motor selbst fließt wegen -R_4 auch in der Ausschaltzeit Strom weiter; sein mittlerer Strom ist deshalb größer als \overline{I}_\mathrm{Q1}.

-R_4 ist die Freilaufdiode. Bei jeder Ausschaltflanke der PWM führt sie den Motorstrom weiter und begrenzt die Spannung am Drain auf etwa 12,7 V.

d) Ges.: Wirkung des Watchdogs; Bedeutung von -R_3

Hängt die Firmware, wird der Watchdog nicht mehr zurückgesetzt und löst nach Ablauf einen Reset aus. Während des Resets und bis zur Neukonfiguration sind alle Pins hochohmige Eingänge. -R_3 zieht das Gate dann auf 0 V, -Q_1 sperrt und der Lüfter ist \underline{\underline{\text{definiert aus}}}, bis das Programm neu gestartet ist und ihn wieder ansteuert. Ob „aus“ für einen Kühllüfter der sichere Zustand ist, muss für die Anlage bewertet werden; bei kritischer Kühlung wäre ein Pull-up (Lüfter an) die sicherere Wahl.