Laboration: RC-oscillator och Step Up converter.

Transkript

1 Laboration: RC-oscillator och Step Up converter. Inbyggd Elektronik IE1206 Observera! För att få laborera måste Du ha: löst ditt personliga web-häfte med förkunskapsuppgifter som hör till laborationen. gjort alla förberedelser och förberedelseuppgifter som nämns i labbhäftet. bokat en laborationstid i bokningssystemet. (annars bara i mån av plats) Vid laborationen arbetar ni i grupper om två studenter, men båda studenterna ansvarar var för sig för förberedelserna och för genomförandet. Ha med er var sitt labbhäfte till laborationen. Framsidan används som ditt kvitto på att laborationen är genomförd. Spar kvittot tills Du fått hela kursen bokförd i Ladok. Eftersom detta är ditt labbkvitto måste Du fylla i tabellen med bläck. 1

2 Inledning Komparator en-bits AD-omvandlare En analog komparator är en känslig förstärkare för skillnaden mellan spänningar på två ingångar. Minsta skillnad åt ena eller andra hållet gör att utgången hamnar på max (1) eller min (0). Komparatorn kan användas för att med hög precision avgöra när en spänning på ena ingången passerar en viss referensspänning på den andra ingången. Detta är en enbitsomvandlare, men eftersom omslagsnivån är så exakt, så kan komparatorns upplösning i princip jämföras med en AD-omvandlare med många bitar. Komparatorn behöver mindre chipyta än en AD-omvandlare. Transienter: RC-oscillator En speciell komparatorkoppling med två skilda omslagsnivåer, Schmitt-triggern, gör komparatorn mindre känslig för störningar. Med Schmitt-triggern kan man enkelt göra en RC-oscillator. R eller C kan vara sensorer, och schmitt-triggerkopplingen omvandlar deras analoga värden till en digital signal med varierande frekvens. ( I en senare laboration kommer vi att mäta just frekvensen ). Transienter: Stepup Converter I elektronikkretsar behövs många olika spänningar höga som låga, men det är opraktiskt att behöva ha mer än en matningskälla. Övriga spänningar får man generera inuti utrustningen. Lägre spänningar kan man erhålla med resistiva spänningsdelare - men gäller det annat än obetydliga effekter så kan man då få besvärande effektförluster. Med en induktor kan man överföra energi från en högre emk till en lägre, Step Down, men även från en lägre emk till en högre, Step Up. Detta sker i teorin helt utan förluster. Målet med laborationen Lära dig att beräkna RC och LR transienter. Orientera dig om hur man konfigurerar en inbyggd Komparator. Visa skillnaden mellan Komparator och Schmitt-trigger. Orientera dig om hur man konfigurerar en PWM-enhet. Visa hur en StepUp converter kan omvandla spänning till tex. en glimlampa. Praktisera mätningar med digitaloscilloscop Observera! Det kan hända att din laborationstid ligger före det att alla kursmoment som kan behövas för laborationen har förelästs. Du måste i så fall själv läsa på i förväg - det finns länkar till alla föreläsningar och övningar. 2

3 PIC-processorns komparatorer Läs i Microchip s PIC16F690-manual om hur komparatorerna konfigureras. comparator.c comp_value.c Programmet comparator.c gör de inställningar som behövs för att koppla in komparator 2 som i figuren. PIC-processorn gör sedan för övrigt inget mer. Vi använder komparatorn som en självständig komponent. Förberedelseuppgift 1 (görs innan labb) Komparatorn behöver konfigureras med registren TRISC och CM2CON0. Tag reda på hur, och fyll i värden nedan. Var beredd på att kunna förklara inför dina kamrater vid laborationen. 3

4 Beräkna omslagsnivåerna för en Schmitt-trigger med tre resistor 1kΩ. Se figuren. Var beredd på att kunna förklara inför dina kamrater vid laborationen. Labbuppgift 1 Kompilera och ladda ned programmet comparator.c. Koppla en ledning mellan potentiometern POT och PIC-processorns C2IN-, pinne 14. Vrid på potentiometer-ratten och iakta lysdioden ( röd lysdiod ) för att se när omslaget sker. Hur distinkt är omslaget - kan Du hitta något läge på potentiometern då lysdioden lyser halvt? ( Nej, inte en chans ). 4

5 Koppla upp schmitt-triggern. Det gör Du genom att ansluta C2OUT till den fria ändan av 1kΩ motståndet ( från C2IN+ ingången ). Vrid på potentiometer-ratten fram och tillbaka och iakta lysdioden för att se när omslaget sker. Hur skiljer sig schmitt-triggern från komparatorn? Försök komma på någon situation då schmitt-triggern är att föredra framför komparatorn. Diskutera med labassistenten. Kompilera och ladda ned programmet comp_value.c. Komparatorn och ADomvandlaren är fristående enheter. Ett program kan AD-omvandla spänningen på komparatoringången utan att "störa" denna. Tryck på knappen för att göra en mätning. Vrid på potentiometern och mät spänningarna, omslagsnivåerna, med PICKit2 UART-Tool. Hur stämmer de uppmätta värdena med de framräknade i förberedelseuppgift 1? Förberedelseuppgift 2 (görs innan labb) Antag att Schmitt-triggern har ett varierande motstånd R mellan utgången och minus-ingången, och dessutom en kondensator 150 nf mellan minus-ingången och jord. Då har vi en RC-oscillator. Antag att R = 5 kω, beräkna frekvensen f. Var beredd på att kunna förklara beräkningen inför dina kamrater vid laborationen. Labbuppgift 2 NTC-Termistor FSR-sensor LDR-sensor Kondensatorn, 150 nf, har suttit med under hela laborationen, men det är först nu som den kommer att inverka på funktionen. Tag bort anslutningen mellan potentiometern, POT, och komparatorns C2IN- ingång. Potentiometern ska inte användas nu. Anslut hörlurens fria ända till komparatorns utgång C2OUT, så att RC-oscillatorfrekvensen kan höras. Sensorerna FSR NTC och LDR ska anslutas en i taget mellan C2IN- och C2OUT. 5

6 Prova LDR Light Depending Resistor. Den ändrar resistans med belysningen. Från 1 MΩ vid mörker ner till 100 Ω vid stark belysning. Tycker Du att den reagerar snabbt? ( Man hade problem med tidkonstanten hos denna sensor i exponeringsmätaren till kameror ). Prova NTC Negative Temperature Coefficient resistor. Värm upp pärlan med fingrarna - hur snabbt reagerar "termometern"? ( Detta är nog den snabbaste NTCtermistor man kan hitta ). Prova FSR Force Sensitive Resistor. Kläm på sensorn för att komma underfund med hur användbar den kan vara, men till vad? Försök komma på någon användning för sensorn. Diskutera med labbassistenten. Step Up converter och PWM-enhet duty_value.c StepUp.c Med en induktans kan man överföra energi från en lägre spänning till en högre ( eller tvärtom ), i teorin, sker detta utan effektförluster - och i praktiken med åtminstone en bra verkningsgrad. Styrsignalen till induktorn är en pulsbreddsmodulerad PWM-signal, Pulse Width Modulation. Spänningsomsättningen ges av pulskvoten, Dutycycle'n. Att omvandla matningsspänningen till en annan nivå är bara en av inbyggnadsprocessorns uppgifter - den omvandlade spänningen används ofta till något som processorn också har att handha. PIC-processorn har därför en inbyggd PWM-enhet, så att all processorkraft kan användas till annat än spänningsgenereringen. Förberedelseuppgift 3 (görs innan labb) Läs i Microchip s PIC16F690-manual om hur CCP-enheten konfigureras för PWM ( vi kommer att återkomma till detta i en senare laboration ). 6

7 Det kan finnas många överväganden att göra vid val av PWM-frekvens. Frekvensen kan därför ställas in inom ett brett område. Antag att f OSC = 4 MHz och att TMR2 prescaler är 1:1 samt att PR2 = 255. Beräkna vilken frekvens PWM-signalen får med dessa inställningar? ( Högsta möjliga frekvens med bibehållen högsta upplösning ). Var beredd på att kunna förklara beräkningen inför dina kamrater vid laborationen. Antag att PR2 = 99. Vilket värde ska CCPR1L ha för att DutyCycle ska bli 50%? Hur ställer man då in Dutycycle 50,75% ( de två extrabitarna i CCP1CON )? Var beredd på att kunna förklara beräkningen inför dina kamrater vid laborationen. Labbuppgift 3 Anslut åter potentiometerns mittuttag POT till PIC-processorns C2IN-/IN2/RC2, vi ska nu använda potentiometern igen. Kompilera och ladda ned programmet duty_value.c. Programmet "kopierar" potentiometerinställningen till DutyCycle för PWM-enheten. När man trycker på knappen skrivs Dutycycle i % och värde i CCPR1L ut med PICKit2 UART Tool. Studera hur ljusstyrkan på PWM-utgången varierar med DutyCycle ( grön lysdiod ). Förberedelseuppgift 4 (görs innan labb) Beräkna vilken DutyCycle som krävs för att omvandla en 5V USB-spänning till en 60 V likspänning. Var beredd på att kunna förklara beräkningen inför dina kamrater vid laborationen. Labbuppgift 4 Glimlampa Ett exempel på en komponent som kräver högre spänning än 5V är glimlampan/neonlampan. 7

8 När en tillräckligt hög spänning ( cirka 60V ) läggs över neongasen, slås elektroner bort från neonatomerna och växer till en lavinartad urladdning, med utsändande av ljus. Neonlampan har precis som Schmitt-triggern två omslagsnivåer, en högre spänning då gasen "tänds", och en lägre brinnspänning som man måste underskrida för att gasen ska "släckas". Under elektronikens "barndom" användes glimlamporna som "schmitttrigger" i RC-oscillatorer. Anslut en ledning mellan PIC-processorns PWM och Step Up omvandlarens transistor Base. Vrid potentiometern tills glimlapan tänds! Akta fingrarna! Detta är en labutrustning som saknar isolering av de delar som från och med nu bär hög spänning! Blinka som på farfars tid! Anslut en ledning mellan blinkkondensatorn Cblink och neonlampan NeLamp. Justera PWM-DutyCycle med potentiometern till en blinkhastighet om c:a två blinkningar i sekunden. Tryck på knappen och läs av DutyCyclen. Komplettera programmet StepUp.c genom att lägga in den DutyCycle som ger två blink/sek. Programmet innehåller bara kod för spänningsgenereringen. Kompilera, och notera från kompilatorraporten hur många procent av programminnet som används av detta program. Finns det utrymme kvar för mer programkod? Provkör Old-style-flash programmet. Mäta med oscilloskop Om digitaloscilloskop digitaloscilloskop.pdf 8

9 Mätprober Till oscilloskop använder man mätprober. De ansluts till oscilloskopets kanaler CH1 och CH2 (fäst genom att trycka och vrida). Kläm fast proberna på kopplingstrådar. Det behövs bara en gemensam jord (till krokodilklämman) för båda kanalerna. Se figuren för inkopplingen av kopplingstrådarna på kopplingsdäcket. OBSERVERA! proberna dämpar spänningarna 10 ggr. Detta får man ta hänsyn till om man läser av spänningsvärden på oscilloskopskärmen. (Det går också att ställa in mätledningarnas dämpning 10:1 på oscilloskopet. I så fall kommer de korrekta värdena att visas på skärmen.) Slå på oscilloskopet Grundinställningar Ett oscilloskop i en labbsal i en skola används till många olika mätningar. Inställningarna från när oscilloskopet senast använts behålls, så därför brukar man börja med att trycka på knappen Default Setup för att säkerställa vilka inställningar det är som gäller. Automatiska inställningar Oscilloskopet har många rattar och knappar och med dem kan man göra väldigt måmga inställningar, men många gånger kan det räcka med att låta oscilloskopet göra inställningarna automatiskt. 9

10 Mät på RC-Schmitt-trigger oscillatorn Använd programmet comparator.c. Koppla upp RC-Schmitt-trigger oscillatorn med NTC-motståndet på kopplingsdäcket (om kopplingen inte är kvar från tidigare). Hörluren behövs nu inte. Koppla in komparatorns ingång C2IN- (med kondensatorn) till oscilloskopets CH1, och komparatorns utgång C2out till CH2, samt en av probernas GND. Tryck på AUTO-knappen. Se figuren. Stämmer kurvorna med vad Du förväntar dig? Studera också RC-Schmitt-trigger oscillatorn med LDR och FSR resistorerna. Manuella inställningar Övningar med träningssignaler TrainingDSO2014A.pdf Vill man kunna göra manuella inställningar med oscilloskopet behöver man träna. Oscilloskopet har inbyggda träningssignaler för detta. 10

11 Prova att justera signalerna i vertikalled och i horisontalled med kontrollerna - inget kan gå sönder, och med AUTO-knappen kan man alltid återställa. Har Du tid över? Om Du är väl förberedd inför laborationen, så har Du förmodligen nu tid över för en "frivillig" uppgift. Scmitt-triggern, Step Up convertern, och blink-kopplingen med glimlampan, kan också simuleras med LT-spice. Du kan packa upp LTspiceIV.zip på ditt H:, skapa tex. mappen H:\LTspiceIV\. Simulera med LT-Spice Ett färdigritat schema finns som Ett färdigritat schema finns som Ett färdigritat schema finns som schmitt.asc Simulera kretsen. StepUp_ideal.asc Simulera kretsen. neonbulb.asc Simulera kretsen. Lycka till! När Du är klar. Återställer Du utrustningen inför nästa labbgrupp. Se bilden vid Laborationsuppgift 1. Städa labbplatsen. 11

12 Material-lista Om Du någon gång skulle behöva bygga en liknande experimentutrustning, kan Du här se vilka komponenter vi använt. Kopplingsdäck GL-23F ELFA Microcontroller 8 Bit DIL-20, PIC16F690-I/P ELFA Trimpot cermet 10 k Linjär 500 mw, 72PTR10KLF ELFA Resistor 2st 10k. Resistorer 3 st 1k, 1 st 270 ohm. resistorer 1 st Meg, 1 st 500 k. 1 st Lysdiod med seriemotstånd 5V röd ELFA st Lysdiod med seriemotstånd 5V grön ELFA Kretskortsströmställare 24 VDC 50 ma, 3CTL9 ELFA C 100 nf L 10 mh 100 ma C 0,12 uf, 1,2 uf Keramisk hörlur 20 MOhm Fotomotstånd 2-5 kohm Electrokit Givare för klämtryck Electrokit NTC-motstånd pärla 5 ko, B57861-S502-F40 ELFA Transistor TO-92 NPN 300 V 500 ma, MPSA42G ELFA Likriktardiod DO V 1 A, 1N4007GP ELFA Glimlampa ELFA Byglar: 11 orange, 6 gul, 9 grön, 1 röd, 1 blå. William Sandqvist william@kth.se 12