View
10
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ
ΨΗΦΙΑΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 6
Συνοδευτικό Φυλλάδιο
Κ. Ευσταθίου Πάτρα 2010
Εργαστηριακή Άσκηση 6 Ψηφιακά Ηλεκτρονικά
Π
εριεχόμενα
Περιεχόμενα ..................................................................................................................................................1
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ..........................................................................................................................................3
2. ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ .......................................................................................................................3
3. ΜΕΛΕΤΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ......................................................................................................4
3.1. ΡΥΘΜΙΣΕΙΣ .........................................................................................................................................4 3.1.1. ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΤΟΥ ΉΧΟΥ.....................................................................................................................5 3.1.2. ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ. ...........................................................................................................5 3.1.3. ΣΗΜΕΙΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ.......................................................................................................5
4. ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ...................................................................................................6
4.1. ΜΕΤΡΗΣΗ ΚΑΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ .............................................................................................................6 4.2. ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΕΠΙΣΤΡΟΦΗΣ ΉΧΟΥ .....................................................................................................7 4.3. ΤΑ MONOSTABLES A ΚΑΙ Β...............................................................................................................8 4.4. ΤΟ MONOSTABLE C ΚΑΙ Ο ΠΟΜΠΟΣ................................................................................................9
5. ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ – ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ........................................................................................................10
Παράρτημα Α: Πλήρες Ηλεκτρονικό Σχέδιο ...............................................................................................12 Παράρτημα Β: Φυσική Κατασκευή ..............................................................................................................13 Βιβλιογραφία – links ...................................................................................................................................14
1
Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Εργαστηριακή Άσκηση 6
2
Εργαστηριακή Άσκηση 6 Ψηφιακά Ηλεκτρονικά
1. Εισαγωγή Στόχος της τελευταίας (6ης) εργαστηριακής άσκησης του μαθήματος των ψηφιακών
ηλεκτρονικών είναι η ανακεφαλαίωση του μεγαλύτερου ποσοστού της ύλης που διδαχτήκατε στο μάθημα και μελετήσατε στο εργαστήριο. Επιπλέον σημαντικός στόχος της άσκησης αυτής είναι να αποδείξει ότι με τις γνώσεις που έχετε ήδη αποκτήσει είναι δυνατόν ατασκευάσετε ηλε ν
να μελετήσετε, να σχεδιάσετε και να κ μέσης πολυπλοκότητας κτρο ικά κυκλώματα. Στην άσκηση αυτή μελετάται ένα σύστημα μέτρησης απόστασης βασισμένο στη
μέτρηση του χρόνου που απαιτείται για να διανύσει ο ήχος (στην προκείμενη περίπτωση ‘υπέρηχος 40kHz’) την προς μέτρηση απόσταση.
2. Αρχή Λειτουργίας Η λειτουργία του μετρητή απόστασης με υπερήχους βασίζεται στην μέτρηση του
χρόνου που απαιτείται για να διανύσει ο ήχος την προς μέτρηση απόσταση. Το σύστημά μας διαθέτει δύο αισθητήρες, ένα μεγάφωνο και ένα μικρόφωνο υπερήχων.
Για την μέτρηση της απόστασης εκπέμπουμε ένα burst (4‐5 περιόδους) στη συχνότητα συντονισμού των αισθητήρων (40kHz), και μετράμε σε πόσο χρόνο θα ‘ακούσει’ το μικρόφωνο την ηχώ. Θεωρώντας ότι η ταχύτητα του ήχου είναι u και η απόσταση που μετράμε είναι ℓ τότε ο χρόνος που απαιτείται για να ταξιδεύσει ο ήχος από το μεγάφωνο, να ανακλαστεί στο εμπόδιο και να επιστρέψει στο μικρόφωνο θα είναι:
2tu⋅
=
Ας υποθέσουμε τώρα ότι κατά τον χρόνο t μετράμε τον αριθμό των περιόδων (παλμών) μίας συχνότητας F. Ο αριθμός των περιόδων Ν που θα μετρήσουμε είναι:
2 FN t Fu⋅ ⋅
= ⋅ =
Προφανώς θα θέλαμε ο αριθμός των παλμών που μετράμε να έχει μία φυσική σημασία. Θα είναι λοιπόν πολύ βολικό να σχεδιάσουμε το σύστημα έτσι ώστε ο αριθμός των παλμών Ν να αντιστοιχεί σε cm, ή σε mm. Έτσι λοιπόν μπορούμε να ορίσουμε:
1 11 2 1
Fmm mm
= → = ⋅
Διαπιστώνουμε ότι η σωστή επιλογή της συχνότητας F θα μας δώσει μία ‘βολική’ αντιστοιχία μεταξύ μετρούμενης απόστασης και αριθμού παλμών. Για παράδειγμα, αν θεωρήσουμε ότι η ταχύτητα του ήχου είναι u=340m/sec τότε θέτοντας F=170kHz, και μετρώντας με έναν απαριθμητή τον αριθμό των παλμών της συχνότητας F κατά τον χρόνο t, θα διαπιστώσουμε ότι ο αριθμός αυτός συμπίπτει με την μετρούμενη απόσταση σε mm.
N u
3
Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Εργαστηριακή Άσκηση 6
3. Μελέτη του Συστήματος Το χονδρικό διάγραμμα του συστήματος δείχνεται στο Σχ. Στη καρδιά του
διαγράμματος υπάρχει ένας ταλαντωτής (Astable Multivibrator) με συχνότητα ταλάντωσης 170kHz. Ο ταλαντωτής οδηγεί τρείς δεκαδικούς απαριθμητές που καθ’ ένας απ’ αυτούς μετράν, μονάδες, δεκάδες και εκατοντάδες, αντίστοιχα. Κάθε 1000 παλμούς του ταλαντωτή των 170kHz (δηλαδή 170 φορές το δευτερόλεπτο) το σύστημα των τριών απαριθμητών παράγει ένα “Terminal Count” (TC). Το σήμα αυτό χρησιμοποιείται για να οδηγήσει δύο monostables (Mono A και Mono B). Το “Mono A” σταματά την λειτουργία των τριών απαριθμητών (κάνοντάς τους Reset) για χρόνο TA που επιλέγεται κατάλληλα. Το “Mono B” ενεργοποιεί μετά από χρόνο TB το “Mono C” που και αυτό στη σειρά του επιτρέπει τον ενισχυτή του πομπού υπερήχων να ενισχύσει το σήμα του ταλαντωτή των 40kHz για χρόνο TC.
Δέκτης Υπερήχων Ενισχυτής
Latch&
BCDDecoder
Latch&
BCDDecoder
Latch&
BCDDecoder
Δεκάδες
Ανιχνευτής Επιστροφής
Ήχου
ΜονάδεςΤαλαντωτήςF=170kHz Εκατοντ.
MonoB
MonoA
MonoC
ΤαλαντωτήςF=40kHz
Πομπός Υπερήχων Counter Reset
Ο ήχος από τον πομπό θα ανακλαστεί στην επιφάνεια και θα επιστρέψει στον δέκτη
μετά από χρόνο t. Το σήμα εξόδου του δέκτη υπερήχων θα ενισχυθεί και θα επεξεργαστεί κατάλληλα από τον «Ανιχνευτή Επιστροφής Ήχου» που σε περίπτωση θετικής ανίχνευσης δημιουργεί ένα σήμα και οδηγεί τα τρία Latches έτσι ώστε να αποθηκεύσουν την τρέχουσα τιμή των αντίστοιχων απαριθμητών. Η αποθηκευμένη τιμή στα Latches αντιστοιχεί στην απόσταση του σημείου ανάκλασης του ήχου από τον υπερηχητικό πομποδέκτη και εκφράζετε σε millimeters (mm).
4
3.1. Για την σωστή λειτουργία του συστήματος απαιτούνται ρυθμίσεις των παραμέτρων
λειτουργίας. Βασικές παράμετροι του συστήματος είναι η συχνότητα των 170kHz που σχετίζεται με την ταχύτητα του ήχου, η συχνότητα των 40kHz που σχετίζεται με την συχνότητα καλής λειτουργίας (συντονισμού) του πομπού και του δέκτη υπερήχων, τον χρόνο εκπομπής (burst) που σχετίζεται με τον χρόνο του monostable C, καθώς και τον
Ρυθμίσεις
Εργαστηριακή Άσκηση 6 Ψηφιακά Ηλεκτρονικά
μηδενισμό του offset της μέτρησης που σχετίζεται με τους χρόνους των monostables Α και Β. Επιπλέον ρυθμίσεις αφορούν στην ρύθμιση της ευαισθησίας του συστήματος.
3.1.1. Ταχύτητα του Ήχου Η ταχύτητα του ήχου εξαρτάται από την θερμοκρασία και με πολύ καλή προσέγγιση
είναι:
331.3 1273.15ou
C= +
Στη θερμοκρασία περιβάλλοντος (27οC) η ταχύτητα του ήχου είναι 347m/sec. Συνεπώς
θ
ο ταλαντωτής που οδηγεί τους απαριθμητές πρέπει να έχει συχνότητα 173.5kHz. Η ρύθμιση της συχνότητας μπορεί να γίνει και πειραματικά, χωρίς να χρειαστεί να
μετρήσουμε την συχνότητα του ταλαντωτή. Ας υποθέσουμε ότι θέτουμε το σύστημα σε απόσταση Χ από ένα εμπόδιο που ανακλάται ο ήχος. Στην θέση αυτή θα πάρουμε μία ένδειξη απόστασης. Μετά θέτουμε το σύστημα σε απόσταση Χ+ΔΧ, όπου ΔΧ γνωστή απόσταση (πχ 100mm) και ρυθμίζουμε τον ταλαντωτή ώστε η ένδειξη να είναι ίση με την προηγούμενη επαυξημένη κατά 100 μονάδες. Την διαδικασία αυτή την επαναλαμβάνουμε δύο τρείς φορές έτσι ώστε η συχνότητα να μην χρειάζεται άλλη ρύθμιση.
3.1.2. Συχνότητα Συντονισμού. Ο πομπός και ο δέκτης υπερήχων έχει τυπική συχνότητα συντονισμού 40kHz. μπορούμε
να ρυθμίσουμε την συχνότητα τα γ α τμεγ η
λάντωσης του συ κεκριμένου τ λαν ωτή με κριτήριο την ιστοποίηση τ ς εμβέλειας λειτουργίας. Εντοπίζουμε, κινώντας με μικρές κινήσεις μπρος‐πίσω την μέγιστη απόσταση
λει σ α υ χ η ντ εμεγ ί ητουργίας του υστήμ τος. Ρυθμίζο με την συ νότ τα ταλά ωσης μ στόχο την ιστοπο ηση τ ς απόστασης λειτουργίας του συστήματος. Ακόμη ένας τρόπος αύξησης της εμβέλειας του μετρητή είναι η αύξηση της
εκπεμπόμενης ενέργειας. Η ενέργεια αυτή καθορίζεται (είναι ευθέως ανάλογη) από τον χρόνο του monostable C. Στο πρωτότυπο της άσκησης ρυθμίστε τον χρόνο του burst εκπομπής έτσι ώστε να εκπέμπονται 5 με 6 παλμοί των 40kHz. Για μέγιστη εμβέλεια έχει βρεθεί ότι απαιτούνται γύρω στους 20 παλμούς
3.1.3. Σημείο Αναφοράς Μέτρησης Η τελευταία ρύθμιση αφορά στο σημείο που θα θεωρήσουμε σαν σημείο αναφοράς της
μέτρησης. Το σημείο αυτό κινείται προς την επιφάνεια ανάκλασης καθώς ο χρόνος του monostable A είναι μεγαλύτερος από αυτό του Β. Διαπιστώστε ότι όσο αυξάνεται ο χρόνος του monostable A οι απαριθμητές μένουν για περισσότερο χρόνο σε κατάσταση reset και συνεπώς μετρούν λιγότερους παλμούς, μειώνοντας έτσι την ένδειξη της μετρούμενης απόστασης.
5
Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Εργαστηριακή Άσκηση 6
4. Σχεδίαση του Συστήματος Το πλήρες ηλεκτρονικό σχέδιο του μετρητή απόστασης δίδεται στο Παράρτημα Α. Ο
μετρητής αποτελείται από τέσσερεις βασικές μονάδες που αναλύονται στο κεφάλαιο αυτό.
4.1. Μέτρηση και Απεικόνιση Το σύστημα μέτρησης και απεικόνισης του χρόνου που απαιτείται για την διαδρομή του
ήχου βασίζεται στον απαριθμητή 4029. Το σύστημα διαθέτει τρείς απαριθμητές (U3, U2 και U1) που μετρούν αντίστοιχα μονάδες, δεκάδες και εκατοντάδες. Καθ’ ένας από τους απαριθμητές οδηγεί ένα 4‐bits latch με ενσωματωμένο BCD to Seven Segment Decoder που
υλοποιείται στο ολοκληρωμένο 4511. Τέλος, κάθε 4511 οδηγεί ένα Seven Segment Display μέσα από επτά αντιστάσεις του 1kΩ που περιορίζουν το ρεύμα κάθε μίας από τις επτά διό
6
δους του Seven Segment Display. Το συνολικό σύστημ ξόδους: α μέτρησης – απεικόνισης έχει τρείς εισόδους και δύο ε
• Είσοδος CLK. Συνδέεται με την έξοδο του πολυδονητή των 170kHz. • Είσοδος RST. Συνδέεται με την έξοδο του monostable A και με την ενεργοποίησή
της (High) μηδενίζει το περιεχόμενο του απαριθμητή.
e1 d2
GND 3
c4
DP5
b6 a7 GND 8
f9
g10
U7
SEVEN SEGMENT
PSE1
Q4 2
JAM43
JAM14
CI5
Q1 6
CO 7B/D9
U/D10
Q2 11JAM212
JAM313
Q3 14
CLK15
U1
4029
VDD
PSE1
Q4 2
JAM43
JAM14
CI5
Q1 6
CO 7B/D9
U/D10
Q2 11JAM212
JAM313
Q3 14
CLK15
U2
4029
VDD
PSE1
Q4 2
JAM43
JAM14
CI5
Q1 6
CO 7B/D9
U/D10
Q2 11JAM212
JAM313
Q3 14
CLK15
U3
4029
VDD
IN A7
IN B1
IN C2
IN D6
LE/STB5
BLK4
LT3
SEG A 13
SEG B 12
SEG C 11
SEG D 10
SEG E 9
SEG F 15
SEG G 14
U4
4511VDD
e1 d2
GND 3
c4
DP5
b6 a7 GND 8
f9
g10
U8
SEVEN SEGMENT
IN A7
IN B1
IN C2
IN D6
LE/STB5
BLK4
LT3
SEG A 13
SEG B 12
SEG C 11
SEG D 10
SEG E 9
SEG F 15
SEG G 14
U5
4511VDD
e1 d2
GND 3
c4
DP5
b6 a7 GND 8
f9
g10
U9
SEVEN SEGMENT
IN A7
IN B1
IN C2
IN D6
LE/STB5
BLK4
LT3
SEG A 13
SEG B 12
SEG C 11
SEG D 10
SEG E 9
SEG F 15
SEG G 14
U6
4511VDD
CLKRST
Q0Q1Q2Q3
Q4Q5Q6Q7
Q8Q9Q10Q11
CR1
CR2
CR3
Store
Terminal Count
ΜΟΝΑΔΕΣ
ΔΕΚΑΔΕΣ
ΕΚΑΤΟΝΤΑΔΕΣ
Εργαστηριακή Άσκηση 6 Ψηφιακά Ηλεκτρονικά
• Είσοδος Store. Συνδέεται με την έξοδο της μονάδας ανίχνευσης της επιστροφής του ήχου και με την ενεργοποίησή της (Low) η τιμή των απαριθμητών αποθηκεύεται στα αντίστοιχα latches.
• Έξοδος TC. Η έξοδος αυτή (TC: Terminal Count) προέρχεται από την έξοδο CO (Carry out) του απαριθμητή των εκατοντάδων και παράγεται κάθε φορά που ο απαριθμητής τριών ψηφίων μετρήσει 1000 παλμούς της συχνότητας των 170kHz. Το σήμα αυτό παράγεται με συχνότητα περίπου 170Hz και σηματοδοτεί την έναρξη ενός κύκλου μέτρησης.
• Έξοδος στα Seven Segments άγνωση της μέτρησης είναι μια . Η οπτική ανσημαντική έξοδος του συστήματος.
Επιπλέον στο σύστημα μέτρησης και απεικόνισης ενσωματώνεται ο πολυδονητής που παράγει την συχνότητα αναφοράς των 170kHz. Ο πολυδονητής υλοποιείται με την χρήση δύο πυλών NOR (UC2A και UC2B), του πυκνωτή C5, της αντίστασης R32 και του τρίμμερ R34 που ρυθμίζοντάς το μπορούμε να μεταβάλουμε την συχνότητα εξόδου μέσα στα όρια 110kHz ως 190kHz.
CLK
1 23
UC2A4001
5
64
UC2B
4001R345k
R325k
C5220p
170 kHz
4.2. Ανίχνευση Επιστροφής Ήχου Το σύστημα ανίχνευσης της επιστροφής του ήχου χρησιμοποιεί με ‘ιδιαίτερο’ τρόπο τα
ψηφιακά κυκλώματα, δηλαδή τα αντιμετωπίζει σαν αναλογικά παρά σαν ψηφιακά κυκλώματα, γεγονός που έχει αναδειχθεί έντονα κατά την διάρκεια του μαθήματος. Η έξοδος του μικροφώνου υπερήχων (US2) οδηγεί την πύλη NOR (UC3A) που όχι μόνο
είναι συνδεδεμένη σαν ψηφιακός αναστροφέας, αλλά είναι ουσιαστικά συνδεδεμένη σαν αναστρέφων αναλογικός ενισχυτής πολύ υψηλού κέρδους. Πράγματι, με δεδομένο ότι η αντίσταση εισόδου του UC3A όπως και η αντίσταση εξόδου του μικροφώνου υπερήχων US2 είναι άπειρη, συνάγεται ότι η πύλη UC3A θα πρέπει να πολωθεί ώστε η DC τάση εισόδου να ισούται με την DC τάση εξόδου (η γνωστή τάση VIM στον CMOS αναστροφέα), δηλαδή στα VDD/2.
7
Μετά την μεγάλη ενίσχυση του σήματος εισόδου, το ενισχυμένο σήμα ενισχύεται ακόμη περισσότερο με ένα κύκλωμα Schmitt Τrigger που περιλαμβάνει τις αντιστάσεις R25 και R26, καθώς και τις NOR πύλες UC1D και UC1C που είναι συνδεδεμένες σαν δύο αναστροφείς σε σειρά. Η συνδεσμολογία αυτή ισοδυναμεί μ’ ένα μη αναστρέφοντα ενισχυτή πολύ υψηλού κέρδους με θετική ανάδραση (αντίσταση R25). Η έξοδος του
1
23
UC1A
4001
5
64
UC1B
4001
Rs11k
Cs1
1n
RST
Cs2
1nRs21k
Store
VDD
8
910
UC1C
4001
12
1311
UC1D
4001
1
23
UC3A
4001
R25
12k
R35
1M
R26
5k6
R3610k
R2712k
1 1
2 2
US2
SIP-2
RX1RX2
RX3 RX4
Δέκτης ΥπερήχωνΕνισχυτής Δέκτη
Ανιχνευτής Επιστροφής Ήχου
Ψηφιακά Ηλεκτρονικά ργαστηριακή Άσκηση 6 Ε
Schmitt Trigger είναι είτε high είτε low και μεταβάλλεται αν η είσοδος είναι μεγαλύτερη από VDD(R25/R26)≈VDD/2. Συνεπώς ο Schmitt Trigger προσφέρει πολύ μεγάλη ενίσχυση, εφ’ όσον η τάση εισόδου ξεπερνά ένα όριο. Η αντίσταση R37 σε συνδυασμό με το τρίμμερ R36 υποβαθμίζει το κέρδος τάσης των ενισχυτών, μειώνοντας έτσι την εμβέλεια του μετρητή. Την στιγμή που ανιχνευθεί ένας παλμός στην έξοδο του Schmitt Trigger το Latch που
υλοποιείται με τις NOR UC1A και UC1B παθαίνει Reset ‘μανταλώνοντας’ την κατάσταση αυτή. Η έξοδος του Latch περνά από ένα ανωδιαβατό φίλτρο που υλοποιείται με τον πυκνωτή Cs2 και την αντίσταση Rs2 δημιουργώντας έτσι ένα στενό παλμό στο Low όταν αυτή μεταβεί στη στάθμη Low (reset). Επιπλέον τo latch τίθεται σε κατάσταση SET όταν δέχεται το σήμα Reset που μηδενίζει τους απαριθμητές.
4.3. Τα Monostables A και Β Τα Monostables Α και Β υλοποιούνται με την χρήση
του ολοκληρωμένου κυκλώματος 555. Και τα δύο monostables (UT1 και UT2) ενεργοποιούνται με την πίπτουσα παρυφή του σήματος TC (Terminal Count) αφού φ (Re e
TRIG2
OUT3
4
CVOLT 5
THOLD 6
DISCHG 7
8
1
RESET VCC
GND
UT1
555 C15n
VDD
8
πρώτα ιλτραριστεί από ένα κατωδιαβατό φίλτρο C ). Ο χρόνος στο monostable Α καθορίζεται από την
αντίσταση R24, τον πυκνωτή C2 και το τρίμμερ R30 και μπορεί να ρυθμιστεί από 25μs ως και 90μs, καθορίζοντας έτσ ) απ
ι τον χρόνο (TRST που κάνουμε reset τους αριθμητές. Αντίστοιχα, Ο χρόνος στο monostable Β καθορίζεται
από την αντίσταση R23, τον πυκνωτή C1 και το τρίμμερ R29 και μπορεί να ρυθμιστεί και αυτός από 25μs ως και 90μs, καθορίζοντας έτσι τον χρόνο (T ) που θα αρχίσει Wait
η εκπομπή του burst των 40kHz. Αυξάνοντας τον χρόνο του monostable A κρατάμε το
reset των απαριθμητών μηδενίζοντας τους και αποτρέποντας τους να απαριθμήσουν. Συνεπώς με την ρύθμιση αυτή μειώνεται ο αριθμός τωσην παλμών που μετρά ο απαριθμητής και προωθούμε το σημείο αναφοράς προς το μείο μέτρησης. Αντιθέτως αυξάνοντας τον χρόνο του monostable Β καθυστερούμε την χρονική στιγμή
της εκπομπής του burst των 40kHz ενώ ο απαριθμητής μετρά. Συνεπώς με την ρύθμιση αυτή αυξάνεται ο αριθμός των παλμών που μετρά ο απαριθμητής και απομακρύνουμε το σημείο αναφοράς προς το σημείο μέτρησης.
Waitvc1
Re1k
TCs
Ce200p
TRIG2
OUT3
4
CVOLT 5
THOLD 6
DISCHG 7
8
1
RESET VCC
GND
UT2
555 C25n
VDD
TCs
RST
R2910k
R3010k
R24
4k7
R23
4k7
MONO A
MONO B
TC
Εργαστηριακή Άσκηση 6 Ψηφιακά Ηλεκτρονικά
4.4. Το Monostable C και ο Πομπός Το Monostable C και ο ενισχυτής πομπού δείχνονται στο διπλανό σχήμα. Το Monostable
υλοποιείται με τη χρήση ενός 555 (UT3) που ενεργοποιείται από την πίπτουσα παρυφή του σήματος Wait (έξοδος του Monostable B). Δείτε ότι η χρήση ενός ανωδιαβατού φίλτρου (RT – CT) επιτρέπει την ανίχνευση της πίπτουσας παρυφής του σήματος Wait, ενώ ταυτόχρονα επιτρέπει την τοποθέτηση του
TRIG2
OUT3
4
CVOLT 5
THOLD 6
DISCHG 7
8
1
RESET VCC
GND
UT3
555 C35n
VDD
9
σήματος εισόδου στο MONO C σε High. Πριν τη ενεργοποίηση του MONO C η
έξοδός του (TX) βρίσκεται σε Low, αποτρέποντας την ταλάντωση του πολυδονητή των 40kHz (UC2C και UC2D). Η πίπτουσα παρυφή του σήματος Wait
δημιουργεί ένα παλμό (TX) διάρκειας από 130μs ως και 190μs δίνοντας έτσι την δυνατότητα να ρυθμίσουμε τον αριθμό των εκπεμπόμενων περιόδων της συχνότητας τω 0kH ς 1ν 4 z από 5 έω 0. Η συχνότητα λειτουργίας του
πολυδονητή καθορίζεται από την αντίσταση R31, τον πυκνωτή C4 και το τρίμμερ R33 και καλύπτει την περιοχή από 33kHz έως 66kHz. Η έξοδος του πολυδονητή οδηγεί ένα push – pull ενισχυτή που αποτελείται από έξι αναστροφείς (UC4A‐F), ανά τρείς συνδεδεμένους παράλληλα, έτσι ώστε να έχουν τριπλάσια δυνατότητα παροχής ρεύματος εξόδου. Επιπλέον η συνδεσμολογία αυτή παράγει μεγάλο πλάτος εξόδου στο μεγάφωνο υπερήχων (US1), διπλάσιο από την τάση τροφοδοσίας. Με τον τρόπο αυτό τετραπλασιάζουμε την ισχύ εξόδου του συστήματος.
TX
RT
10KCT
1n
WAIT
vdd
TT
R2810k
12
1311
UC2D
4001
8
910
UC2C
4001C41n
R31
5k
R335k
8
910
UC3C
4001
5
64
UC3B
4001 3 2
UC4A
4049
5 4
UC4B
4049
7 6
UC4C
4049
9 10
UC4D
4049
11 12
UC4E
4049
14 15
UC4F
4049
11 22US1
SIP-2
R1
22k
MONO C
40kHz
Πομπός Υπερήχων
Ενισχυτής Πομπού
Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Εργαστηριακή Άσκηση 6
5. Υλοποίηση – Μετρήσεις Η σχεδίαση και η υλοποίηση του συστήματος έγινε χρησιμοποιώντας ειδικό πρόγραμμα
EDA (Electronic Design Automation). Το τυπωμένο κύκλωμα έγινε σε ειδικευμένη επιχείρηση αφού απαιτείται τυπωμένο κύκλωμα διπλής όψης με επιμεταλλωμένες οπές. Τέλος η συναρμολόγηση ικανού αριθμού συσκευών έγινε στο Εργαστήριο Ηλεκτρονικών Εφαρμογών από φοιτητές του Τμήματός μας. Έχουμε επιλέξει 10 σημαντικά σημεία που πρέπει να παρατηρηθούν με τον
παλμογράφο ώστε να γίνει κατανοητή η λειτουργία του συστήματος, να γίνουν οι απαραίτητες μετρήσεις και οι απαραίτητες ρυθμίσεις. Τα σημεία αυτά (TP1‐10) φαίνονται στο διπλανό σχήμα.
Πληροφορίες που αφορούν στα 10 test points δίδονται στον παρακάτω πίνακα:
10
TP Στ ίοοιχε Ακίδα Επεξήγηση Ρύθμιση
1 UT1 3 Έξοδος Mono A R29 2 UT2 3 Έξοδος Mono B R30 3 UT3 3 Έξοδος Mono C R28 4 Re 1 Terminal Count 5 UC2 8 ή 9 Burst 40kHz R33 6 UC2 1 ή 2 Clock 170kHz R34 7 UC3 3 1st stage microphone amplifier 8 UC1 10 Schmitt Trigger R36 9 UC1 3 Latch Out 10 Rs2 1 Store
Ερ ήγαστηριακ Άσκηση 6 Ψηφιακά Ηλεκτρονικά
Τέλος, οι κυματομορφές των παραπάνω σημάτων δείχνονται στα δύο επόμενα παλμογραφήματα.
Μέτρηση με ψηφιακό παλμογράφο της Agilent: D0: Mono A, D1: Mono B, D2: Mono C,
D3: Terminal Count, D4: 40kHz Burst
Μέτρηση με ψηφιακό παλμογράφο της Agilent: Ch1: 1
11
st Stage Mic‐Amp out, D0: Schmitt Trigger out, D1: Latch output, D2: Store, D3: 40kHz Burst
Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Εργαστηριακή Άσκηση 6
12
Παράρτημα Α: Πλήρες Ηλεκτρονικό Σχέδιο
12
34
ABCD
43
21
D C B AT
itle
Num
ber
Revis
ion
Size A
4
Date
:4-
May
-201
0 Sh
eet
of
File
:D
:\@M
yDoc
s\M
yDes
igns
\Pro
tel\L
mea
sure\
LMea
sure
-1.d
dbD
rawn
By:
e1
d2
GND
3
c4
DP
5
b6
a7
GND
8
f9
g10
U7
SEVE
N SE
GMEN
T
PSE
1
Q4
2
JAM
43
JAM
14
CI5
Q1
6
CO7
B/D
9
U/D
10
Q2
11JA
M2
12
JAM
313
Q3
14
CLK
15
U1
4029
VDD
PSE
1
Q4
2
JAM
43
JAM
14
CI5
Q1
6
CO7
B/D
9
U/D
10
Q2
11JA
M2
12
JAM
313
Q3
14
CLK
15
U2
4029
VDD
PSE
1
Q4
2
JAM
43
JAM
14
CI5
Q1
6
CO7
B/D
9
U/D
10
Q2
11JA
M2
12
JAM
313
Q3
14
CLK
15
U3
4029
VDD
IN A
7
IN B
1
IN C
2
IN D
6
LE/ST
B5
BLK
4
LT3
SEG
A13
SEG
B12
SEG
C11
SEG
D10
SEG
E9
SEG
F15
SEG
G14
U4 4511
VDD
e1
d2
GND
3
c4
DP
5
b6
a7
GND
8
f9
g10
U8
SEVE
N SE
GMEN
T
IN A
7
IN B
1
IN C
2
IN D
6
LE/ST
B5
BLK
4
LT3
SEG
A13
SEG
B12
SEG
C11
SEG
D10
SEG
E9
SEG
F15
SEG
G14
U5 4511
VDD
e1
d2
GND
3
c4
DP
5
b6
a7
GND
8
f9
g10
U9
SEVE
N SE
GMEN
T
IN A
7
IN B
1
IN C
2
IN D
6
LE/ST
B5
BLK
4
LT3
SEG
A13
SEG
B12
SEG
C11
SEG
D10
SEG
E9
SEG
F15
SEG
G14
U6 4511
VDD
CLK
RST
Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Q8
Q9
Q10
Q11
CR1
CR2
CR3
TRI
G2
OU
T3
4
CVO
LT5
TH
OLD
6
DIS
CHG
7
8
1
RESE
TVC
C
GND
UT
1
555
C1 5n
VDD
Wait
vc1
Re 1k
CR3x
Ce 200p
TRI
G2
OU
T3
4
CVO
LT5
TH
OLD
6
DIS
CHG
7
8
1
RESE
TVC
C
GND
UT
2
555
C2 5n
VDD
CR3x
TRI
G2
OUT
3
4
CVO
LT5
THOL
D6
DISC
HG
7
8
1
RESE
TVC
C
GND
UT3
555
C3 5n
VDD
RST
TXRT 10
KCT 1n
WAI
T
vdd
TT
R28
10k
R29
10k
R30
10k
1 23
UC1
A
4001
5 64
UC1
B
4001
Rs1
1k
Cs1
1n
RST
Cs2
1nRs
21k
Stor
e
VDD
8 910
UC1
C
4001
12 1311
UC1
D
4001
1
23
UC2
A40
01
5 64
UC2
B
4001
12 1311
UC2D
4001
8 910
UC2
C
4001
1 23
UC3
A
4001
R25
12k
R35
1M
R26
5k6
R36
10k
R27
12k
R34
5k R32
5kC5 22
0p
170
kHz
C4 1n R31
5k
R33
5k
8 910
UC3
C
4001
5 64
UC3
B
4001
32
UC4A
4049
54
UC4B
4049
76
UC4C
4049
910
UC4D
4049
1112
UC4E
4049
1415
UC4F
4049
11
22
US1
SIP-
2
11
22
US2
SIP
-2
R24
4k7R2
3
4k7
R1 22k
RX1
RX2
RX3
RX4
CB1
CAP
CB2
CAP
CB4
CAP
CB6
CAP
CB8
CAP
CB3
CAP
CB5
CAP
CB7
CAP
VDD
Εργαστηριακή Άσκηση 6 Ψηφιακά Ηλεκτρονικά
Παράρτημα Β: Φυσική Κατασκευή
13
Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Εργαστηριακή Άσκηση 6
Βιβλιογραφία – links
Datasheets 555: http://www.national.com/ds/LM/LM555.pdfDatasheets 4001: http://www.national.com/ds/CD/CD4001BC.pdfDatasheets 4029: http://www.national.com/ds/CD/CD4029BC.pdfDatasheets 4049: http://www.national.com/ds/CD/CD4049UBC.pdfDatasheets 4511: http://www.onsemi. om/pub_link/Collateral/MC14511B‐D.PDFc
14
Recommended