X-NUCLEO-IKA01A1 + NUCLEO-F103RB- wprowadzenie i pierwsze testy

Tutaj zamieszczamy wyniki i recenzje z testowanych zestawów / podzespołów, jakie będą dostępne dla użytkowników forum
Awatar użytkownika
matty24
User
User
Posty: 328
Rejestracja: sobota 31 paź 2015, 20:11
Lokalizacja: Małopolska

X-NUCLEO-IKA01A1 + NUCLEO-F103RB- wprowadzenie i pierwsze testy

Postautor: matty24 » wtorek 20 wrz 2016, 03:17

Dzięki uprzejmości firmy Kamami użytkownicy naszego forum mięli okazję do nieodpłatnego przetestowania kilkunastu modułów elektronicznych. Więcej informacji na ten temat w temacie kącik testera

Ja zgłosiłem się do przetestowania modułu o roboczej nazwie X-NUCLEO-IKA01A1. Jednym słowem jest to płytka z trzema wzmacniaczami operacyjnymi które realizują siedem podstawowych konfiguracji. Szerzej będziemy je omawiać w kolejnych częściach tej recenzji. Są to:
  • struktura wzmacniacza pomiarowego
  • Pomiar prądu urządzenia USB
  • Pomiar prądu fotodiody
  • Bufor
  • Prostownik dwupołówkowy
  • Stałoprądowy sterownik LED
  • Komparator okienkowy
Zanim zaczniemy się zastanawiać co z nią można zrobić rzućmy okiem jak wygląda. W opakowaniu znajduje się sam moduł widoczny poniżej:

20160919_213355.jpg

20160919_213327.jpg


Jak sama nazwa wskazuje jest to shield (ekspander) dla płytek STM32 Nucleo. Warto dodać, że jest kompatybilna ze złączem Arduino UNO R3.
Co można powiedzieć na pierwszy rzut oka? Dla mnie plusem są dobrze oddzielone sektory na PCB realizujące poszczególne funkcje. Czytelnie wykonana warstwa opisowa i wyróżniające się złącza na sygnały wejściowe i wyjściowe pozwolą uniknąć pomyłem w trakcie eksperymentów.

Na początku chciałem testować ów shield na kolnie Arduino Uno, jednak właśnie wtedy pojawił się pewien problem. Płytka nie pasuje bezpośrednio jako nakładka, gdyż gniazdo USB na Arduino zwiera się z gniazdem na X-Nucleo przez co nie jest możliwe dociśnięcie obu modułów. Rozwiązaniem mogłaby być dodatkowa listwa goldpin włożona między nie.

20160919_213520.jpg

20160919_213602.jpg


Nie mając takiej pod ręką postanowiłem użyć NUCLEO-F103RB - czyli dedykowanej do tego rozszerzenia zestawu. Oczywiście całość pasuje idealnie.

20160919_213922.jpg

20160919_213810.jpg


Skoro mamy już połączony sprzęt pora zabrać się za pierwsze uruchomienie. Na stronie producenta (http://www.st.com/content/st_com/en/pro ... a01a1.html) mamy do dyspozycji wszelakie dokumentacje i narzędzia. Pierwszym moim krokiem będzie użycie przykładowego projektu ze strony ST i przetestowanie czy płytka w ogóle działa. Do tego będziemy potrzebować:
  • komputera
  • 2xkabla USB-miniUSB
  • kabla USB-micro USB
  • dwóch przewodów połączeniowych męsko-żeńskich
  • konwertera USB-UART

Ja użyję konwertera opartego na chipie FT232RL. Można je nabyć np. tutaj: https://kamami.pl/konwertery-usb-uart-r ... results=23
U mnie sygnały RX i TX znajdują się pinach opisanych poniżej:

rxtx.jpg


Zanim zaczniemy wszytko podłączać musimy pobrać trzy pliki ze strony ST. Najpierw paczka z gotowym projektem dla naszego Nucleo. W tym celu przechodzimy tutaj: http://www.st.com/content/st_com/en/pro ... alog1.html i na samym dole kilkamy "Get Software"
get.jpg

Jak ktoś nie ma konta na stronie ST może wpisać swoje imie i nazwisko oraz adres email i bez rejestracji pobierać pliki. Na maila dostaniemy odpowiedni link do kliknięcia.
Dalej potrzebujemy aplikacji STM32 ST-LINK utility do wgrania gotowego pliku .hex na naszą płytkę STM32. Klikamy tutaj: http://www.st.com/content/st_com/en/pro ... nk004.html i analogicznie jak wyżej:
get1.jpg

Ostatnim plikiem są sterowniki do naszego Nucleo. W moim przypadku, tj. NUCLEO-F103RB można je pobrać tutaj: http://www.st.com/content/st_com/en/pro ... nk009.html

Mając rozpakowane pliki podłączamy kablem miniUSB STM32 Nucleo do komputera. Jeżeli robimy to pierwszy raz wyskaczą nam w menadżerze urządzeń dwie pozycje.
Screenshot 2016-09-19 22-24-34.jpg

W systemie Windows 7 wyszukujemy dla nich sterownik w folderze który pobraliśmy dla naszego Nucleo. W Windows 8/8.1/10 trzeba najpierw wyłączyć wymuszanie podpisów sterowników. Jak to zrobić można wygooglować.
Jeżeli zrobimy wszystko jak trzeba będziemy mieć dwie nowe pozycje:
Screenshot 2016-09-19 22-26-22.jpg

Screenshot 2016-09-19 22-25-43.jpg

Teraz nadszedł czas na wgranie wsadu do naszego SMT32. W tym celu rozpakowujemy plik pobrany jako pierwszy i przechodzimy do następującej lokalizacji:
en.x-cube-analog1_software\STM32CubeExpansion_ANALOG1_V1.4.0\Projects\Multi\Examples\OpAmp\Binary\STM32F103RB-Nucleo

Tam znajdziemy plik o rozszerzeniu .bin oraz .hex. Może taki wsad wgrać na dwa sposoby. Jeżeli mamy Windows 7 to po podłączeniu płytki pojawi nam się dysk przenośny i do niego wystarczy skopiować plik .bin.
kopia.jpg

Można też zainstalować pobrany wcześniej STM32 ST-LINK utility. Po uruchomieniu wejść w ustawienia i wybrać jak na screenie:
Screenshot 2016-09-19 22-49-36.jpg

Screenshot 2016-09-19 22-49-49.jpg

Następnie klikamy Target -> Connect. Po udanym połączeniu wybieramy File -> Open File i wybieramy nasz plik .hex bądź .bin. Następnie Target -> Programm & Verify.
Screenshot 2016-09-19 22-50-45.jpg

W kolejnym okienku zaznaczamy jak na screenie i klikamy start.
Screenshot 2016-09-19 22-51-03.jpg

Po tej operacji zamykamy program i mamy już gotowy i działający zestaw. Teraz wystarczy podłączyć się pod UART w naszym shieldzie i sprawdzić jakie dane odbierzemy i czy nasza płytka działa. Pierwszą oznaką poprawnego działania, jeszcze przed transmisją danych, będzie świecąca coraz mocniej pomarańczowa dioda na ekspanderze.
20160920_015347.jpg

Przejdziemy teraz do podłączenia konwertera USB-UART do komputera za pomocą kabla miniUSB. Przed tym łączymy pinu RX i TX na X-Nucleo z odpowiednio TX i RX na konwerterze. Gdyby ktoś nie mógł znaleźć:
rx.jpg

Jeżeli nie mamy zainstalowanych sterowników do konwertera to dla chipu FT232RL są one dostępne na tej stronie: http://www.ftdichip.com/Drivers/D2XX.htm. Jeżeli poprawnie zainstalowaliśmy to pojawi nam się taki urządzenie:
Screenshot 2016-09-19 22-33-01.jpg

Zapamiętujemy numer COM gdyż przyda się on do dalszej pracy. Teraz pobieramy dowolny program typu terminal, np. Putty, Tera Term czy Termite. Ja pokaże na przykładzie tego ostatniego. Pobieramy go ze strony http://www.compuphase.com/software_termite.htm. Następnie po instalacji klikamy na Settings i wybieramy
Screenshot 2016-09-19 22-41-17.jpg

Oczom naszym powinien się teraz ukazać taki oto obraz:
Screenshot 2016-09-19 23-11-08.jpg

Jest to pięć odczytów z testowanej przez nas X-Nucleo-IKA01A1 wysyłanych okresowo. Teraz wyjaśnię po krótce co one oznaczają i jak sprawdzić z grubsza ich poprawność. Zacznijmy od ostatniej
Setting duty cycle to x percent
.
Jest to nic innego jak sterowanie sygnałem PWM z płytki SMT32 i wyświetlanie wypełnienia sygnału na UART. Im niższa wartość tym dioda świeci słabiej. Istnieje też możliwość podłączenia własnej LED gdyż mamy wyprowadzone dwa złącza na pytce:
led.jpg

Ktoś może pomyśleć, że po co używać do tego op-ampa. Do jednej diody faktycznie jest to strzelanie do muchy z armaty. Jednak chodzi tutaj o to, aby poznać działanie wzmacniaczy w różnych konfiguracjach. W tym przypadku obrazuje to krótko mówiąc sterowanie diody stałą wartością prądu, który przy większym obciążeniu na wyjściu (np. kilka diod czy jakiś układ zewnętrzny) musi być odpowiednio wzmocniony. Więcej o tym w innej części.
Kolejna linijka to
PhotoDiode output Voltage

Jak się można domyślić po nazwie chodzi tutaj o fotodiodę. Mamy na płytce rezystor połączony z fotodiodą przez który płynie prąd zależny od oświetlenia tej diody. Taki prąd może przyjmować bardzo małe wartości dlatego używany wzmacniacza który prócz wzmocnienia oferuje również możliwość reagowania na niewielkie zmiany tego prądu. Na wyjściu jest mierzone napięcie na pinie A4 płytki oraz wyświetlane po UART. Jeżeli poświecimy na diodę to napięcie wzrośnie. Więcej w odpowiedniej części poradnika. Na screenie sytuacja po oświetleniu oraz ulokowanie
Screenshot 2016-09-19 23-25-34.jpg

foto.jpg

Następna linijka
Win_Cmp D2:1 Win_Cmp D4:1

Jest to wynik działania tzw. komparatora okienkowego. D2 i D4 są wyjściami i mogą się na nich pojawiać stany niskie lub wysokie (0 lub 1). Ale po kolei. Najpierw odpowiednio dobierając wartości rezystorów (u nas mamy od tego potencjometr) ustalamy korzystając z odpowiednich wzorów dwie wartości napięcia. Następnie podajemy jakieś zmienne napięcie na wejście komparatora i sprawdzamy w którym przedziale napięć się znajduje. Przed, w środku, czy za naszym "okienkiem napięcia". W zależności od tego na obu wyjściach mamy stan wysoki jeżeli mieści się w przedziale, lub wysoki i niski jeżeli napięcie wykracza poza ustalone ramy. Więcej i dokładniej będzie w dalszej części. Na screenie miejsce do podawania napięcia:
comp.jpg

Kolejna linijka jest chyba najłatwiejsza do sprawdzenia:
Current sensing Output Current

Jest to pomiar pobieranego prądu przez urządzenie podpięte do USB na X-Nucleo podany w mA. Aby go zmierzyć należy najpierw podłączyć do komputera X-Nucleo kablem microUSB a następnie wpiąć do gniazda dowolne urządzenie. Op-amp służy do pomiaru prądu bardzo blisko zasilania w tzw. konfiguracji high-side. Więcej opiszę w kolejnych częściach. Ja po wpięciu pendrive otrzymałem taki wynik:
Screenshot 2016-09-19 23-45-17.jpg


Na tym zakończę pierwszą część moich testów. Kolejne pojawią się niebawem. Jeżeli ktoś ma sugestie jakie kwestie powinny zostać poruszone to proszę o komentarz. Temat wzmacniaczy operacyjnych jest tak szeroki, że ciężko poruszać wszystkie aspekty danych konfiguracji. Liczę również na wyrozumiałość, gdyż nie jestem ekspertem i cały czas poznaję temat op-ampów. Ten test traktuję bardziej jako sposób nauczenia się czegoś nowego a nie tworzenie merytorycznego poradnika. Dzięki wszystkim którym chciało się to czytać :)
Nie masz wymaganych uprawnień, aby zobaczyć pliki załączone do tego posta.

Awatar użytkownika
matty24
User
User
Posty: 328
Rejestracja: sobota 31 paź 2015, 20:11
Lokalizacja: Małopolska

Re: X-NUCLEO-IKA01A1 + NUCLEO-F103RB- wprowadzenie i pierwsze testy

Postautor: matty24 » niedziela 30 paź 2016, 22:51

Na początku przetestujemy najprostszą funkcję dostępną na naszej płytce a mianowicie układ bufora. Jest on zrealizowany za pomocą układu TSV734 i ukazuje nam jedną z najprostszych konfiguracji op-ampa czyli wtórnik napięciowy - specjalny przypadek wzmacniacza nieodwracającego.
Najpierw rzućmy okiem na umiejscowienie interesujących nas wyprowadzeń:
20160919_213327.jpg

Na żółto zaznaczyłem Buff_in czyli wejście bufora a na niebiesko Buff_out czyli wyjście.
Zacznijmy jednak od serca czyli zaznaczonego na zielono TSV734. Układ posiada 4 wzmacniacze operacyjne i posiada kilka ciekawych zalet:
  • może być zasilany w przedziale od 1.5 do 5.5V dzięki czemu świetnie sprawdzi się w urządzeniach przenośnych, zasilanych bateriami
  • cechuje się bardzo niskim poborem prądu - nawet do 60uA
  • posiada niskie wejściowe napięcie niezrównoważenia (Input offset voltage) - kilkaset uA. Jest to napięcie stałe, które należy podać na wejście wzmacniacza aby na jego wyjściu otrzymać 0V. Wartość ta (im niższa tym lepsza) jest szczególnie pożądana w układach, gdzie liczy się duża dokładność dla prądu stałego.
  • niska wartość prądu polaryzacji wejścia (input bias current) - typ. 1pA - jest to średnia wartość prądu wpływającego do obu wejść przy utrzymaniu stałego napięcia na wyjściu. Im niższa wartość tym lepiej, ponieważ dobry op amp cechuje się bardzo dużą wartością rezystancji wejściowej a niską rezystancji wyjściowej.
  • wejścia i wyjścia typu rail-to-rail - jest to bardziej cecha a niżeli zaleta. Oznacza to jedynie, że napięcia wejściowe i wyjściowe są zbliżone do napięcia zasilania wzmacniacza

W naszej konfiguracji wykorzystamy jeden op amp zasilany napięciem 3.3V. Schemat poniżej:
Screenshot 2016-10-30 21-57-08.jpg

Jak widać wejście odwracające (-) jest połączone bezpośrednio z wyjściem. Jak wiadomo, wzmacniacze dążą do tego aby wyrównać napięcia na obu wejściach. Jeżeli wiec na nieodwracające (+) będziemy podawać jakieś napięcie w zakresie 0-Vcc to aby na (-) również takie się pojawiło to na wyjściu musimy otrzymać dokładnie tę samą wartość napięcia. Krótko mówiąc: Vin=Vout czyli wzmocnienie k=1. Taki układ nazywamy właśnie wtórnikiem napięciowym. Nie zmienia on również fazy sygnału.
Jakie jest jego zastosowanie? Otóż korzystamy z tego, iż pobór prądu na wejściu jest znikomy, natomiast na wyjściu może być dużo większy (kilkadziesiąt mA w naszym wypadku). Dzięki temu taki układ może służyć jako bufor miedzy stopniami jakiegoś układu. Odciąża on źródło sygnału wejściowego które może mieć niską wydajność prądową. Potem taki sygnał może być dalej przetwarzany lub badany bez wpływu na jego źródło. Taki separator może więc być wykorzystany np.:
  • do oddzielenia czujników od układu odczytującego (uC)
  • w układach próbkujących z pamięcią
  • przy tworzeniu wielostopniowych filtrów
  • do separacji wejść ADC w uC od źródła napięcia (np. dzielnika)

Warto też dodać, że niektóre układy nie będą działać z bezpośrednio połączonym wejściem odwracającym z wyjściem. Należy zastosować w nich odpowiedni rezystor dopasowany do obciążenia.

Koniec teorii - czas na praktykę. Do wejścia Buff_in podłączyłem regulowane napięcie w zakresie 0-3.3V zrealizowane za pomocą potencjometru i wykorzystując napięcie z shieldu. To napięcie podłączyłem również do oscyloskopu (kolor żółty). Wyjście Buff_out również podłączyłem pod oscyloskop. Można to było prościej zmierzyć dwoma miernikami, jednak nie miałem takich w domu.
20161030_204210.jpg

Teoretycznie napięcia powinny być takie same. Oto wyniki przy pomiarze 500mV/działkę - wygodny zakres i widać zmiany w tej samej skali. Napięcia zmieniał od max do min jakie mogłem otrzymać.

DS1Z_QuickPrint27.png
DS1Z_QuickPrint28.png
DS1Z_QuickPrint29.png
DS1Z_QuickPrint30.png
DS1Z_QuickPrint31.png
DS1Z_QuickPrint32.png
DS1Z_QuickPrint33.png
DS1Z_QuickPrint34.png
DS1Z_QuickPrint35.png
DS1Z_QuickPrint36.png


Jak widać przy takim ustawieniu aparatury pomiarowej różnica napięć wejściowych do wyjściowych jest rzędu dziesiątek mV. Nie jest to jednak wina wzmacniacza operacyjnego a jedynie przeprowadzonego pomiaru.

Zmieniając odczyt przebiegu na 50mV na działkę:

DS1Z_QuickPrint39.png
DS1Z_QuickPrint38.png
DS1Z_QuickPrint37.png

widać, że napięcia są niemal identyczne co do rzędu jedności mA.

Podsumowując układ działa zgodnie z założeniami. Ten sam scalak będziemy wykorzystywać w następnej części w konfiguracji prostownika i sterownika LED.
Nie masz wymaganych uprawnień, aby zobaczyć pliki załączone do tego posta.

Awatar użytkownika
matty24
User
User
Posty: 328
Rejestracja: sobota 31 paź 2015, 20:11
Lokalizacja: Małopolska

Re: X-NUCLEO-IKA01A1 + NUCLEO-F103RB- wprowadzenie i pierwsze testy

Postautor: matty24 » niedziela 08 sty 2017, 15:42

Po bardzo długiej przerwie zajmiemy się kolejnym zastosowaniem wzmacniacza operacyjnego umieszczonego na X-Nucleo. Tym razem będziemy sprawdzać działanie jednego z najprostszych czujników natężenia światła – fotodiody.

Najpierw przyjrzyjmy się jaki tym razem op-amp zastosował projektant płytki.
20170108_124144.jpg

Jak widać jest to TSU104. Przeglądając datasheet dostępny tutaj: DS możemy poznać główne cechy tego scalaka i porównać je z omawianym wcześniej TSV734. Na uwagę zasługuje:
  • podobnie jak w poprzednim, szeroki zakres napięcia zasilania (od 1.5 do 5.5V)
  • ekstremalnie niski pobór prądu na kanał, który wynosi zaledwie 580nA na kanał
  • wyjścia i wejścia typu rail-to-rail (wytłumaczenie w poprzednim poście)
  • niska wartość prądu polaryzacji wejścia (input bias current) – typ. 5pA
  • odporny na wyładowania elektrostatyczne do 2kV HBM (Human Body Model – czyli pochodzące z ciała człowieka, np. poprzez dotyk)
  • Iloczyn wzmocnienia i pasma – czyli tzw. Gain bandwidth product (GBP lub GBW) na poziomie 8kHz. Parametr ten jest w miarę stały dla danego wzmacniacza operacyjnego i w praktyce oznacza dokładnie to, na co wskazuje nazwa. Im większe będziemy chcieć wzmocnienie tym nasze pasmo użyteczne będzie węższe. Analogicznie jeżeli będzie potrzeba wykorzystać szerokie pasmo to wzmocnienie będzie niższe. W omawianym przykładzie wartość 8kHz jest niska co oznacza, że świetnie nadaje się on do pracy z układami niskiej częstotliwości. Kosztem niskiego poboru prądu znacząco ograniczone zostało pasmo pracy tego op-ampa.
  • producent wśród potencjalnych zastosowań wymienia właśnie czujniki natężenia światła, UV oraz m.in. czujniki gazu, czytniki RFID, układy zasilane bateryjne.
Rzućmy okiem na schemat badanego układu:
Screenshot 2017-01-08 12-45-26.jpg

Widzimy tutaj wzmacniacz odwracający. Wejście nieodwracające jest podłączone do masy, więc na wejściu odwracającym napięcie będzie utrzymywane na poziomie masy pozornej. Zatem prąd płynący przez fotodiodę będzie taki sam jak przez pętlę sprzężenia. Wzmocnienie zatem będzie zależne jedynie od oporu czujnika oraz gałęzi sprzężenia. Będzie oczywiście odwrócone w fazie.
ffiltr.jpg

Ciekawostką jest, że sam układ zaznaczony powyżej na czerwono to aktywny filtr dolnoprzepustowy odwracający pierwszego rzędu wprowadzający przesunięcie fazy o 180 stopni pomiędzy wejściem a wyjściem. Na wyjściu wzmacniacza również widzimy zaznaczony na zielono filtr dolnoprzepustowy, tym razem RC. Zatem wyższe częstotliwości będą skutecznie obcinane a jedynie interesujący na wolnozmienny sygnał z sensora będzie wypuszczany na wyjście.
Fotodioda została użyta w sposób, w którym pracuje podobnie jak bateria słoneczna. Pod wpływem światła wytwarza się tzw. fotoprąd którego wartość jest zależna od natężenia światła. Innym zastosowaniem fotodiody jest spolaryzowanie jest zaporowo. Wtedy zachowuje się podobnie jak fotorezystor. Zmiana natężenia światła powoduje zmianę rezystancji.
W momencie gdy nasza fotodioda będzie maksymalnie oświetlona na wyjściu powinniśmy otrzymać napięcie wyjściowe poziomu wysokiego Voh 3.27V. Natomiast w całkowitej ciemności napięcie wyjściowe poziomu niskiego Vol 33mV.
Skoro wiemy już jak teoretycznie zachowuje się układ czas na pomiary praktyczne. Wyjście podłączone jest do pinu A4 zgodnego z Arduino. Wpinam się wiec multimetrem w ten pin i rozpoczynam obserwacje.

Napięcie przy zakrytej fotodiodzie zgodnie z planem 33mV
33m.jpg
331m.jpg

Napięcie przy lampce biurkowej z żarówką 20W 12V G4 na mniejszą jasność 480mV
lampka480.jpg

Na większą jasność 630mV
lampka630.jpg

Latarka LED maksymalnie zbliżona 268mV
latarka268.jpg

Żarówka LED 12W 1.21V
zarowkaled121.jpg

Żarówka 25W zwykła zbliżona do czujnika zgodnie z założeniami 3.22V
zarowka3v22.jpg

Żarówka 25W oddalona trochę daje 2.78V a dalej 1.97V
zarowka2v78.jpg
zarowka1v97.jpg

Jeszcze przebieg na wyjściu podczas przełączania źródła światła:
przelaczanie.png


Za wszelkie pomyłki merytoryczne przepraszam i czekam na korekty. Sam się dopiero uczę i mogłem gdzieś się pomylić.
Nie masz wymaganych uprawnień, aby zobaczyć pliki załączone do tego posta.

Awatar użytkownika
matty24
User
User
Posty: 328
Rejestracja: sobota 31 paź 2015, 20:11
Lokalizacja: Małopolska

Re: X-NUCLEO-IKA01A1 + NUCLEO-F103RB- wprowadzenie i pierwsze testy

Postautor: matty24 » niedziela 08 sty 2017, 18:59

Tuż obok omawianej wyżej fotodiody znajduje się układ komparatora okienkowego zrealizowany na tym samym wzmacniaczu operacyjnym. Jednak zaczniemy go testować należy wyjaśnić czym jest prawdziwy komparator i czym się różni od komparatora zrealizowanego za pomocą op-ampa.

Komparator jest układem, który posiada identyczny symbol jak wzmacniacz operacyjny. Jest on jest jednak jednobitowym przetwornikiem analogowo-cyfrowym. Posiada różnicowe wejście analogowe i cyfrowe wyjście. Działa on z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego i ma za zadanie porównywanie poziomu napięcia podawanego na wejście nieodwracające (+) z poziomem napięcia na wejściu odwracającym (-). Na wyjściu otrzymujemy stan niski L lub wysoki H zgodny ze standardami TTL/CMOS. Ogólna zasada działania:

Jeżeli na (+) napięcie jest wyższe niż na (-) to na wyjściu otrzymamy stan wysoki.
Jeżeli na (+) napięcie jest niższe niż na (-) to na wyjściu otrzymamy stan niski.

Screenshot 2017-01-08 18-58-13.jpg

Wzmacniacz operacyjny natomiast posiada różnicowe wejście analogowe i wyjście analogowe. Jest zaprojektowany do pracy ze sprzężeniem zwrotnym i nie można przewidzieć jego zachowania w układzie bez sprzężenia. Drugi problem to wyjście zaadaptowane do przenoszenia sygnału analogowego co przenosi się na duży zakres liniowej pracy. Czas opadania i narastania sygnału wyjściowego jest więc dłuższy niż w przypadku komparatora. Prócz tego może dojść do zatrzymania się pewnego nieustalonego poziomu na wyjściu a czas powrotu do normalnej pracy nie jest nigdzie określony (może równie dobrze nie wyjść z tego stanu). Dodatkowo poziom napięcia na wyjściu zależy od napięcia zasilania i nie jest ustandaryzowana.
My zajmiemy się połączeniem dwóch op-ampów w celu utworzenia komparatora okienkowego.

Screenshot 2017-01-08 18-51-41.jpg

Działanie takiego układu jest następujące: ustawiamy dwa poziomy napięć Vth_low i Vth_high za pomocą potencjometru. Jeżeli sygnał wejściowy będzie się zawierać pomiędzy nimi to na obu wyjściach będzie stan wysoki. Gdy będzie niższy od Vth_low to wyjście D2 będzie wysokie a D4 niskie. Odwrotnie w przypadku gdy będzie wyższe niż Vth_high – wtedy D2będzie niskie a D4 wysokie.

Screenshot 2017-01-08 18-52-03.jpg

Zasada ustalania napięć krańcowych okienka opiera się na prostym dzielniku napięcia zrealizowanym na rezystorach R27, R28, R29 i potencjometrze P2. 4 rezystory szeregowe z dwoma odczepami na wejście (+) dwóch op-ampów. Górny ustala poziom Vth_high a dolny Vth_low. Wzory są następujące:

Screenshot 2017-01-08 18-51-55.jpg
Screenshot 2017-01-08 18-51-47.jpg

W mianowniku suma wszystkich rezystancji a w liczniku suma rezystancji od danego odczepu do masy.

Czas teraz na testy. Potencjometr ustawiłem na wartość ok. 7.8kOhm więc napięcia krańcowe „okienka” powinny wynosić 0.87V oraz 2.61V. Podłączam oscyloskop i sprawdzam. Różowy przebieg to napięcie wejściowe zmieniane w granicach 0-3.3V natomiast żółte to wyjście D4 a niebieskie wyjście D2.

Najpierw zbadamy górne napięcie Vth_high. Jak widać wynosi 2.58V więc zgadza się z obliczeniami. Powyżej tej wartości D2 niebieski powinno mieć stan niski a D4 żółte stan wysoki co zgadza się z wykresem. (strzałka biała trzy obrazki niżej)
obliczone1.png

Teraz wartość dolna Vth_low. Wynosi ona 800mV więc również mniej więcej się zgadza. Napięcie wejściowe niższe oznacza D2 niebieski w stanie wysoki a D4 żółte w stanie niskim co też się zgadza. (strzałki niebieski dwa obrazki niżej)
obliczone2.png

Jeżeli poziom sygnału wejściowego znajduje się pomiędzy tymi wartościami na wyjściach mamy stan wysoki (strzałki zielone poniżej). Okno zaznaczyłem na czerwono.
wizualizacja.png


Teraz troszkę przebiegów do wizualizowania zależności dla innych ustawień napięć granicznych oraz położenia wykresów względem siebie:
roll4.png
roll3.png
roll2.png
roll1.png


Pokusiłem się o zmierzenie czasu narastania sygnału wyjściowego który wyniósł 2.77ms (licząc od 100% wysokiego do 100% niskiego to 4.1ms).
rise4k1ms.png
rise2k77ms.png


Czas opadania 4.82ms (licząc od 100% wysokiego do 100% niskiego to 7.28ms)
fall.png


Pokażę jeszcze dlaczego op-amp jako komparator to nie jest najlepszy pomysł. Poniżej widać, jak na wyjściu nie mógł się ustabilizować stan krańcowy i w pewnym momencie przyjął wartość pośrednią, czego nie otrzymamy w przypadku prawdziwego komparatora. Wszystko przez liniowy zakres pracy na wyjściu wzmacniacza.
anomalia3.png
anomalia.png
anmalia2.png
Nie masz wymaganych uprawnień, aby zobaczyć pliki załączone do tego posta.

Awatar użytkownika
matty24
User
User
Posty: 328
Rejestracja: sobota 31 paź 2015, 20:11
Lokalizacja: Małopolska

Re: X-NUCLEO-IKA01A1 + NUCLEO-F103RB- wprowadzenie i pierwsze testy

Postautor: matty24 » niedziela 08 sty 2017, 20:16

Kolejnym zastosowanie wymienianego już wyżej wzmacniacza operacyjnego TSV734 jest prostownik dwupołówkowy. Posiada jedno wejście Rect_in i Rect_out oraz jeden potencjometr do ustawienia napięcia odniesienia.

20170108_194955.jpg

Schemat układu jest następujący:

schemat.jpg

Jego działanie polega na tym, że ustawimy potencjometrem pewne napięcie odniesienia Vref. Na wejście układu podajemy sygnał którego napięcie porównywane jest do napięcia referencyjnego. Jeżeli jest większe lub równe to zostaje przekazane na wyjście. Natomiast w przypadku wartości niższej na wyjściu pojawia się różnica podwojonej wartości napięcia odniesienia i napięcia wejściowego. Innymi słowy przebieg zostaje odbity względem poziomu Vref. Wzory:

wzory.jpg

Poniżej kilka przebiegów na których widać sens tego układu. Niestety nie posiadam generatora funkcyjnego żeby móc wygenerował ładną sinusoidę więc musiałem ręcznie manipulować napięciem wejściowym.

DS1Z_QuickPrint52.png
DS1Z_QuickPrint46.png
DS1Z_QuickPrint44.png

Dokonałem pomiaru napięcia Vref i porównałem z obliczonym ręcznie (zmierzyłem rezystancje na potencjometrze i obliczyłem z dzielnika napięcia). Wyniki się mniej więcej pokrywają (1.43V)

143v.png
143v2.png

Problemem może być ograniczenie napięcia wyjściowego do ok. 3.2V zgodnie z napięciem zasilania op-ampa. Przez to, gdy ustawimy wysoki poziom Vref to przebieg na wyjściu będzie obcinany gdy Vin będzie dużo niższe niż Vref. Widać to ładnie na oscylogramie:

obcina.png
Nie masz wymaganych uprawnień, aby zobaczyć pliki załączone do tego posta.


Wróć do „Jak to działa – czyli kącik testera”

Kto jest online

Użytkownicy przeglądający to forum: Obecnie na forum nie ma żadnego zarejestrowanego użytkownika i 1 gość