ΨΗΦΙΑΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ 6.pdf · Στην άσκηση αυτή μελετάται...

16
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΨΗΦΙΑΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 6 Συνοδευτικό Φυλλάδιο Κ. Ευσταθίου Πάτρα 2010

Transcript of ΨΗΦΙΑΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ 6.pdf · Στην άσκηση αυτή μελετάται...

Page 1: ΨΗΦΙΑΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ 6.pdf · Στην άσκηση αυτή μελετάται ένα σύστημα μέτρησης απόστασης ... μέτρηση του

ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ

ΨΗΦΙΑΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 6

Συνοδευτικό Φυλλάδιο

Κ. Ευσταθίου Πάτρα 2010

Page 2: ΨΗΦΙΑΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ 6.pdf · Στην άσκηση αυτή μελετάται ένα σύστημα μέτρησης απόστασης ... μέτρηση του
Page 3: ΨΗΦΙΑΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ 6.pdf · Στην άσκηση αυτή μελετάται ένα σύστημα μέτρησης απόστασης ... μέτρηση του

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

Page 4: ΨΗΦΙΑΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ 6.pdf · Στην άσκηση αυτή μελετάται ένα σύστημα μέτρησης απόστασης ... μέτρηση του

Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Εργαστηριακή Άσκηση 6

2

Page 5: ΨΗΦΙΑΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ 6.pdf · Στην άσκηση αυτή μελετάται ένα σύστημα μέτρησης απόστασης ... μέτρηση του

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

Page 6: ΨΗΦΙΑΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ 6.pdf · Στην άσκηση αυτή μελετάται ένα σύστημα μέτρησης απόστασης ... μέτρηση του

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

Page 7: ΨΗΦΙΑΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ 6.pdf · Στην άσκηση αυτή μελετάται ένα σύστημα μέτρησης απόστασης ... μέτρηση του

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

Page 8: ΨΗΦΙΑΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ 6.pdf · Στην άσκηση αυτή μελετάται ένα σύστημα μέτρησης απόστασης ... μέτρηση του

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

Page 9: ΨΗΦΙΑΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ 6.pdf · Στην άσκηση αυτή μελετάται ένα σύστημα μέτρησης απόστασης ... μέτρηση του

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

Page 10: ΨΗΦΙΑΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ 6.pdf · Στην άσκηση αυτή μελετάται ένα σύστημα μέτρησης απόστασης ... μέτρηση του

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

Page 11: ΨΗΦΙΑΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ 6.pdf · Στην άσκηση αυτή μελετάται ένα σύστημα μέτρησης απόστασης ... μέτρηση του

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

Page 12: ΨΗΦΙΑΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ 6.pdf · Στην άσκηση αυτή μελετάται ένα σύστημα μέτρησης απόστασης ... μέτρηση του

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

Page 13: ΨΗΦΙΑΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ 6.pdf · Στην άσκηση αυτή μελετάται ένα σύστημα μέτρησης απόστασης ... μέτρηση του

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

Page 14: ΨΗΦΙΑΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ 6.pdf · Στην άσκηση αυτή μελετάται ένα σύστημα μέτρησης απόστασης ... μέτρηση του

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

Page 15: ΨΗΦΙΑΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ 6.pdf · Στην άσκηση αυτή μελετάται ένα σύστημα μέτρησης απόστασης ... μέτρηση του

Εργαστηριακή Άσκηση 6 Ψηφιακά Ηλεκτρονικά

Παράρτημα Β: Φυσική Κατασκευή

13

Page 16: ΨΗΦΙΑΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ 6.pdf · Στην άσκηση αυτή μελετάται ένα σύστημα μέτρησης απόστασης ... μέτρηση του

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