Nekorektní blog Petra Kubáče na Blog.cz

Dneska už je mezi blondýnami a brunetami minimální rozdíl - blondýny mají růžový iPhone a brunety bílý, ale ještě před pár lety, kdy se nosily obyčejné telefony se občas stalo, že telefon spadl na zem a rozskočil se na tisíc kousků. Většinou z něho vypadla i základní deska, která byla hustě ozázená miniaturními součástkami přibližně v tomto stylu :

Ano robotici už tuší, že dneska budeme probírat SMD alias Surface mount devices - tedy výrobu elektrických obvodů ze součástek pro povrchovou monáž.

Kdysi byly součástky (elektronky, tranzistory) obrovské, rádio bylo kus nábytku a konstruktéři neměli žádné pochybnosti. Dnes - sedím nad prázdnou obrazovkou editoru plošných spojů a mořím se - udělat desku z "klasiky" - nebo z "blešek" alias SMD ?

Po desítách hodin trápení se s "klasikou" i SMD, jsem konečně došel k jistým zásadám, které si dovolím zmínit

- ačkoliv by to Einstein slyšel nerad - náš svět má jenom 3 rozměry : čas, prostor a peníze.

- pro každou věc je součet Čas+Prostor+Peníze konstantní. za MNOHO peněz - můžete RYCHLE stavět MALINKATÉ roboty (z koupených modulů). Za MÁLO peněz si můžete MALINKATÉ moduly vyrobit, ale to bude trvat DLOUHO, nebo je můžete vyrobit RYCHLE, ale to zase budu buď DRAHÉ, nebo VELKÉ - nic nelze ošidit pouze lze jednu komoditu směňovat za druhé dvě.

- Poslední zásada - relativní cena jednotlivých komodit: Čas je dražší nežli peníze, které jsou dražší než prostor - a to proto, že na jedné straně všichni umřeme s penězi nebo bez. Na druhé straně - dneska jsou i velké součástky tak malé, že nehrozí, že se s robotem nevejdeme do bytu.

Filosofické otázky tedy máme za sebou a stále z nich nevyplývá žádný závěr ? Takže budiž řečena zásada, která je de facto jenom jedna :

NIKDY nestavějte z SMD součástek NIC pokud k tomu není VÁŽNÝ důvod. Veškeré vaše obvody stejně budou něco mezi pokusem, prototypem a sérií pár kusů. Tudíž budete mít tendenci používat jenom JEDNOVRSTEVNÉ plošné spoje, které se dají mnohem RYCHLEJI a SNÁZE navrhnout z klasických součástek - pod odporem klasické velikost můžete vést až 7 cestiček v rozteči 1,27mm pod SMD odporem - jednu. SMD tranzistory - hrůza - Běda běda když musíte od jejich elektrody vést dvě cestičky opačným směrem. Navíc kasické součástky jsou vzájemně kompatibilní, - různé velikosti přizpůsobíte ohýbáním vývodů. U SMD máte několik rozměrových rodin a v podstatě byste měli od každého odporu mít doma všechny rozměry - pro amatéra (téměř) nezvládnutelné.

Kdysi jsem si myslel, že výhoda SMD je v tom, že se nemusí vrtat. To je pravda, druhá pravda však je, ze že čas ušetřený vrtáním desky strávíte osazováním "Blešek"

1. Rozměr robota a jeho komponent - pokud máte pro SUMO daný půdorys 100x100 mm a chcete postavit "Ferdíka" vysokého jen 35mm nic jiného nez UVÁŽLIVÉ použití SMD součástek vám nezbyde. Pozor ale - buďte realisti a pokud stavíte "robota velikosti dvojkoruny" nestavte jej na obvodech které jste v životě nestavěli ve velké verzi.

2. Vlastnosti SMD součástek - například některé vysokofrekvenční obvody nebudou fungovat bez SMD protože drátové vývody všech klasických součástek jsou vlastně miniaturní cívky roztažené do přímky. Nebo filtrační kondenzátory - přímo volají po SMD protože pak se dají připájet maximálně blízko k vývodům součástek.

3. Součástky dostupné jen v SMD verzích. Nedostupnost surčité součástky ve vývodové verzi je jasný argument, ale i zde se řiďtě rozumem, QFN nebo BGA pouzdra se jen velice těžko dají pájet a do doma udělaného plošného spoje vůbec ne - pokud opravdu není zbytí kupte hotový modul a zapájejte jej "jako součástku".

4. Součástky výrazně dražší ve vývodových verzích - někteří výrobci drží klasická pouzdra jenom jako náhradní díly - a podle toho pak vypadají ceny. Takže někdy v rámci výměny času za peníze stojí za to koupit a používat SMD. Příklad - procesory Atmel AtMega8 v SMD kolem 30 kč v DIL 80 kč - když už tu to riziko je - je lepší spálit SMD nebo DIL?

5. Kombinovaná montáž. - pokud používáte jenovrstevné desky je někdy výhodné použít součástky "z obou světů" - s touhle kombinací často vyjde deska nejmenší možná a přitom "navrhnutelná" Příklad na obrázku - v malé elipse jsou 4 odporové děliče udělané tak že "horní" odpor je klasický vývodový a spodní který vede k zemi je pod ním a SMD na jednovrstevné desce prakticky nelze tuhle konstrukci více stěsnat. Nebo - ve velké elipse - tranzistory jsou pěkně v řadě a jsou vývodové a mezi nimi (ve skutečnosti na druhé straně desky) jsou SMD odpory. Smíšené obvody se sice špatně osazují robotem - ale budete je snad takto vyrábět ?

No a na závěr pro opravdové rýpaly - když máte nějaký komponent robota vyrobený z klasických součástek a chcete aby byl krom dokonalé funkce i dokonale COOL - co vám brání předělat jej na 6 vrstevnou desku v té nejmenší verzi SMD a pak si jej nechat někde robotem osadit ?

Na závěr oblíbená rada pro blondýny - všimněte si, že rovnice Čas+Prostor+Peníze = konstanta platí i v shopping parku - hygienické prádlo bavlněného typu a bombarďákového střihu seženete klidně za 80 kč - černá tanga typu "tri niti v riti" však nejméně za 800 - je jenom na vás jestli s bombarďáky na sobě - zaujmete chlapa svou šetrností a finační samostatností, nebo budete "na tanga" lovit jeho peněženku ....

Tento díl původně nebyl v plánu, ale pak jsem se jenou v noci vzbudil hrůzou - co když někdo opravdu postaví dle mého návodu filtrovaný zdroj - a rušení stále obrovské - budě mě mít za blba, bude mě žalovat, co když ten asertivní muž v AGELU co má za úkol o mně informovat pana předsedu se popálí při stavbě trafopájkou a ještě mu to nebude fungovat a mně pak vyhodí z práce - ó hrůzo....

Takže se k celé věci vracím ještě jednou a obávám se, že ne naposledy.

Pokud si představíme, že všechny odpory vlastně nejsou odpory, ale jednotlivé moduly robota, které vyžadují napájení z baterek tak na horní polovině obrázku vidíme jak se to nemá dělat. Všechny cívky naznačují parazitní indukčnost (a i odpor) drátů uvnitř robota. a pokud si představíme, že všechny moduly visí na jednom drátu, a že R3 je obrovským zdrojem rušení a obrovským žroutem proudu - tím zanáší do napájení pulsy, které pak kmitají s napájením R2 i R1. Když už takovou zrůdnost musíme použít tak alespoň dejte největší zdroje rušení a největší žrouty proudu co nejblíže k baterce.

Správné řešení je ovšem na obrázku dole všechny napájecí linky se mají hvězdicovitě sbíhat směrem k baterce, + a - jdoucí do stejného modulu mají jít těsně u sebe, aby nedělaly "anténu". V takovém případě je rušení přenesené z modulu do modulu mininální možné. Dokonce parazitní indukčnosti, které mán nahoře škodily nám teď pomáhají oddělit jednotlivé zdroje rušení od sebe, protože cesta od R4 k baterce vede přes jednu sérii parazitních indukčností, ale do R5 přes dvě - a tudíž je rušení způsobené R4 na R5 nenší než na svorkách baterky !!!

Stejná pravidla platí na každé úrovni, takže i jednotlivé moduly tvořící trávoměr zapojte takhle paprsčitě kolem společných svorek a dokonce i na desce tahejte napájecí cestičky blízko sebe a paprsčitě - hlavně tam kde na jedné desce jsou obvody rušící a obvody na rušení citlivé - mají mít obě poloviny své + a své - které se spojí v jediném bodě - na napájecícch svorkách.

Opět oblíbená rada pro blondýny podruhé výjimečně elektronická - pochopitelně, že když napíšu dělejte to tak i uvnitř modulů neznamená to že od každé LEDky máte vést dráty přes celého robota až k baterce - stačí když napájení zapojíte "stromovitě" tedy společné moduly do jednoho bodu a ten pak k baterce - výhodné je ale do každého společného bodu umístit "svatou trojici" kondenzátorů - určitě už víte proč.

Doufám, že jste si za domácí úkol přečetli článeček od Analogu, který jsem vám minule doporučoval. Už minule jsme se zabývali vlastnostmi kondenzátorů a jejich "vlastní rezonancí" ktará způsobí že od určité frekvence nehraje roli kapacita, ale parazitní indukčnost kondenzátoru a ten pak funguje jako cívka.

Ještě jednou si dáme obrázek s "Ideálním zdrojem", který jak jsem minule psal, je monstrum, a bereme to postupně proti toku proud zprava doleva.

C10 - je keramický kondenzátor, který nemá mnoho společného s filtrací, ale slouží pro stabilizaci stabilizátoru 78L05, aby se nám nerozkmital. doporučuje se keramika obvyklé hodnoty 100n - 3uF. Varuju před začátečníckou hyperaktivitou a snahou dělat věci "lepší než je možné". Každý má nutkání dát na výstup 7805 nějaký obrovský kond 1000u třeba aby měl "dokonale vyfiltrováno" - problém tohoto řešení je že na tak velkou kapacitu na výstupu není 7805 stavěná a často to dopadne tak, že ve snaze takový kondenzátor nabít, se v ní aktivuje ochrana proti proudovému přetížení a naopak se rozkmitá. To že C1 musí být na DPS co nejblíže 7805 ani nepíšu - držet cestičky co nejkratší je úplně automatické všude, kde to jde. kromě C10 je vhodné rozmístit blokovací kondenzátory po plošném spojí tak aby u každého integrovaného obvodu (co nejblíže ) byl jeden a i na "význačných odbočkách" napájecích cest byl taky jeden.

Jenom drobné upozornění - na schémátkách se kreslí + nahoře a - dole - pokud podle schémátka naroutujete desku + na jenom kraji a - na druhém a spojíte + a - kondenzátory vznikne vám krásná smyčková anténa, která bude přijímat rušení jako divá, proto v praxi se napájení a zem vedou po desce co nejblíže u sebe - v takovém připadě dokonce parazitní kapacita plošného spoje pracuje v náš prospěch jako malinkatý blokovací kondenzátor.

Pak máme stabilizátor 78L05, který zdánlivě nedělá pro filtraci napájení nic, ale ve skutečnosti může být pro filtraci zásadní - doporučuju hledat v katalovém listu RIPPLE REJECTION - tedy stabilizátor v rámci své stabilizační funkce se snaží zpětnou vazbou vyrovnávat i rušení na napájení. Nahlédneme - li do datasheetu 78L05 tak tam najdeme Ripple rejection 60db při 120Hz - tedy 1000x při 120Hz - protože stabilizace proti kmitání je u 78L05 udělána jako u operačních zesilovačů - je podobná i frekvenční charakteristika - čím je frekvence rušení vyšší tím je schopnost 7805 jej utlumit menší - a zcela končí na frekvenci 120 Hz x 1000 x - 120 kHZ rušení nad touto frekvencí projde stabilizátorem jako nic a musí se odfiltrovat vnějšími součástkami.

Pak máme 3 trojice kondenzátorů C1, 2, 3 - C4, 5, 6 - a C7, 8, 9, všechny jsou stejné a je v nich elektrolyt 100u , Keramika 100n a keramika 1N. Později probereme, že napájení nemusí mít všech 9 kondenzátorů, ale alespoň jednu takovou "svatou trojici" byste na desce mít měli.

Elektrolyt by měl být alespoň 10 uF, 100uf je až moc a souvisí s "protiresetovací funkcí" magické diody o které už jsem kdysi psal. Dbejte na to , aby keramický kondenzátor 1nF byl z keramiky typu NP0 - někdy jsou keramické kondezátory z této hmoty o velikosti 1N těžko dostupné, pak vemte z této hmoty největší jaký seženete 330pF taky udělá dobrou práci. Pokud se jedná o umístění na plošném spoji je třeba "uvažovat takticky" - moje oblíbené řešení - 1n kondy dám kolem tlumivky L1 co nejblíže, aby zadržely vysoké frekvence a ostatní poněkud dále.

Pak máme odpor R1 - to je první část, kterou za určitých okolností i s jednou trojicí kondenzátorů můžeme vynechat - to je tehdy pokud nám "Ripple rejection" ve stabilizátoru stačí. nebo jsme vybrali tak velkou hodnotu tlumivky, že její filtrace zasahuje až hluboko pod 12 kHz o kterých byla řeč. Jak zvolit hodnotu R1 - co největší jakou si můžeme dovolit.

78L05 pustí 100mA a potřebuje na vstupu alespoň 7V takže pri napájení 12V je to

Necháme si nějakou rezervu = a jdeme do mé oblíbené řady E2 tedy 33 ohm. Odpor spolu s kondenzátory okolo fitlruje do vysokých frekvencí, které jsou omezeny až jeho parazitní kapacitou tedy do stotvek MHz (na rozdíl od 78L05) - proto tam taky je. A pokud nepotřebujeme stailizaci můžeme odpor nechat a 78L05 naopak vyhodit i s kondenzátory okolo.

Pak máme cívku L1 - použítí cívek (tlumivek) v napájení je vždy poněkud ošemetné ze 3 důvodů

1. Cívka sama přijímá magnetické rušení - jako vinutí transformátoru nebo anténa. Proti tomu lze bojovat použitím toroidní tlumivky, která je zase pro veliké proudy poněkud velká na plošný spoj, nebo stíněním - jaké to je si jste si zkusili u výroby Mini Trávoměru.

2. Cívka je svinutý drát, takže s rostoucí indukčností roste i odpor tohoto drátu - pak vyplývá, že žádná cívka nemá tu ideální hodnotu - příklad pokud potřebujete opravdu dobrou filtraci a zvolíte třeba 100uH zjistíte že má odpor 26ohm a že snese třeba jenom 100mA. pokud jako cívku vyberete jenom feritovou perlu na přívodním drátu zjistíte, že účinně filtruje až od (třeba) 10MHz což pro projití testy ve státní zkušebně stačí, ale pro citlivý obvod je to málo. A pochopitelně všechny varianty mezi těmito dvěma. A to už vůbec nemluvím o cívce na 5A - to už je obrovská tlumivka jak v PC zdroji.

3. Zákeřnou vlastností cívky, je , že kromě rušení se snaží potlačovat i prudké výkyvy proudu. Pokud vaše zapojení spíná nějaké velké proudy - cívka při zapnutí zátěže způsobí prudký pokles napětí a po vypnutí zátěže zase opačně - napěťovou špičku. Proti obojímu se dá částečně bojovat velkým kondenzátorem (svatou trojicí) za cívkou ale někdy se prostě nedá vybrat ideální hodnota ani cívky ani kondenzátorů.

Takže pokud mohu doporučit nikoliv dokonalý, ale pokud možno univerzální a slušně použitelný zdroj tak je na obrázku.

Drobným rozborem zjistíme, že C2, C5 a L1 odříznou většinu frekvenci nad 1 MHZ a že L1 spolu s velikým C3 tvoří dolní proust až do frekvence 8KHz kde už částečně funkuje Ripple rejection 78L05. C3 je tak veliý, protože spolu s "magickou diodou" D1 tvoří "protiresetovací obvod" dioda D1 navíc chrání celé zapojení proti přepólování napájení.

Záhadou je jenom smysl diody D2 ? Pokud připojíme na výstup baterii, nebo velký kondenzátor a vypneme napájení - baterie nám přepóluje 7805 a spálí jej. D2 tedy způsobí že na vstupu 7805 je jen o 0,7 V menší napětí než na výstupu - což 7805 přežije. Zapojení je tedy "blbuvzdorné" jak jen umím postavit a dá se použít i jako laboratorní zdroj s pevným 5V napětím.

Zbývá už jenom oblíbená rada pro blondýny : Andrea Verešová, pokud chce přivést svého manžela do varu, přijde k bazénu v rodinném sídle nahá jenom ve 20 cm jehlách, levou rukou si pohazuje vlasy a pravou rukou stydlivě zakrývá "kožešinku" - vy to dělejte stejně - jenom musíte vyřešit otázku kterou rukou se vyzout abyste se v lodičkách nezačala topit.

Když jsem posledně psal o mini-trávoměru opakovaně jsem tam psal, že pokud jej chcete vyrobit musíte konstrukčně vyřešit "dokonalé napájení". Jako převážná většina analogové elektroniky je tohle pro amatérské stavitele robotů často velmi bolestivý problém, kterého jsem se dotkl už v článku o "Magické diodě" takže bych mohl považovat věc za vyřešenou a dále se tím nezabývat.

Jenomže už při konstrukci Trávoměru modulu A, který bliká 8 ledkami na 10.7 MHz a špičkové proudy v něm jsou 0,5A jsem zjistil, že po TTL signálových vodičích mi lítá rušení až 200 mV, které sice obvod nepřeklopí, ale je to varovný prst zdvižený. řešením v mém případě bylo přeroutovat desku na větší rozměr, který by se zase nevešel do mechanické konstukce, nebo naopak použít vše v SMD a přeroutovat kritickou část na co nejmenší rozměr - což je zase práce navíc v době kdy času není nazbyt - obojí je těžká volba. Tedy za určitých okolností je i pro mně těžké dosáhnout čistoty signálu jaké by si situace zasloužila.

Takže pokud nechcete číst mé výplody tak TEĎ skončete a místo toho si dejte tento výživný článeček od ANALOGU. Jenom abych vás naladil tak tady je malinkatý obrázek,

který naznačuje jak vypadá obvod na schémátku a jaké je "Hidden schematic" tedy jak obvod reálně vypadá i s parazitními parametry.

Takže začneme od konce a předvedeme monstrózní schémátko "jak se to má dělat"

Jestli máte pocit že na schémátku je "překondenzátorováno" máte pravdu, ale dobré mravy elektronické říkají, že napájení má být zkratováno na zem na všech frekvencích kromě 0HZ (stejnosměrného proudu). Protože konenzátory mají různé vlastnosti nedá se zkratu na zem dosáhnout jedním, ale vždy aspoň 3 kondenzátory.

Když si totiž rozkireslíme kondenzátor i s jeho parazitními parametry najednou zjistíme, že kondnezátor má svodový odpor RL (není úplně nevodivý pro stejnosměrný proud), má i ESR Ekvivalentní sériový odpor - tedy není dokonale vodivý ani pro střídavý proud. A navíc ač kapacita má i svoji parazitní indukčnost.

Tedy školská teorie říká, že kapacitní reaktance alias zdánlivý odpor klesá podle vzorečku

Ale reálně klesá impedance kondenzátoru jenom do bodu "vlastní rezonance" kdy se spolu s parazitní indukčnosí chová jako sériový rezonanční obvod a pak začne impedance díky sériové indukčnosti zase růst.

Frekvence od které kondenzátor přestává fungovat pro střídavé napěti jak zkrat závisí na typu kondenzátoru, proto pokud spojíme alespoň 3 různé typy a různé kapacity paralelně má výslená kombinace lepší vlastnosti, než každý z nich sólo.

Musím připustit že jsem psaním zase už poněkud unaven, takže předpokládám, že blonďaté čtenářky, které udrží pozornost jen po dobu 30 sekund už taky - takže zatím si za domácí úkol přečtěte článeček od Analog Devices na který je link nahoře a s mými poznámkami pokračujeme opět za týden.

Ještě obligátní rada blondýnám, nebo tentokrát spíše dávná osobní zkušenost z ošetřování jedné Ostravské lehké děvy - Jehlové kozačky až pod zadek jsou dokonale sexy i v nejparnějším létě, jenom se nesmí sundávat za žádných okolností nejlépe ani v posteli - "panu božskému" by se pak mohlo udělat nevolno ze smradu vašich zapařených nohou.

Už při psaní posledního příspěvku o trávoměru mě napadlo, že třeba nejen "blonďatým čtenářkám, co dočetly až sem" by mohlo být líto, že jsem Trávoměr uťal uprostřed slova a začal vrtat díry pro "Šrouby a matice".

Tak jsem ctěnému čtenářstvu, sobě i dalším "půlnočním inženýrům" vymyslel maximálně simplistickou variantu - přesně ve stylu extrémního programování "most simplistic thing that could possibly work"

Co tedy máme na obrázku ? (omlouvám se za velikost i kvalitu)

V rámečku označném TX je vysílač, který je pojatý zvláštně - buď svítí IR ledka nebo svítí červená LEDka. Takže pokud odrazná plocha má úplně stejnou odrazivost pro červenou i pro IR fotodiody nezachytí nic. Aby tomu tak skutečně bylo máme potenciometr RV1, kterým nastavíme nulový signál na bílém papíře. To je svérázná forma jak se obejít bez dvou kanálů a bez rozdílového zesilovače. Vysílač VELICE ruší a vašim úkolem bude udělat mu extra napájení stačí nestabilizované 5V-20V s dokonalou flitrací a zapájet ho do plechové (ocelové ne měděné, nebo hliníkové) kovové krabice do které půjdou jen napájecí dráty a ven půjde jen (dírkami v plechu) světlo LEDek. Ve velkém trávoměru je tohle ekvivalent "modulu C"

V rámečku označeném RX a Transimpedance jsou fotodiody, které jsou naopak EXTRÉMNĚ citlivé na rušení - vašim úkolem bude udělat jim dokonale filtrované napájení (čím vyšší napětí tím lépe ideálně 24V, ale v nouzi postačí i 5V). Běda Běda Běda jestli budete líní a napadne vás napájet modul ze stejného stabilizátoru jako modul C !!!! Pak musíte udělat optiku a to tak, že použijete čočku alespoň 2cm v průměru a diody rozmístíte do ohniskové roviny čočky, tak aby jedna označená CESTA trvale koukala tam, kde bude cesta a druhá označená TRÁVA zase koukala tam kde bude tráva - musíte to sami vymyslet vzhledem ke tvaru robota poloze čidla atd. V mém případě bude minitrávoměr na boku robota kanál cesta bude pod úhlem 60stupňů dolů koukat těsně vedle robota a kanál tráva pod úhlem 30 stupňů bude koukat kousek dále, fotodiody pochopitelně musí koukat do oblasti kam LEDky svítí zejo ? I zde je krom čočky plechová ocelová a uzemněná !!! krabička nutností - fotodiody koukají dírami v plechu, vnitřek modulu, kudy jde světlo je natřen matnou černí, z venku je výhodnější neprůsvitná ale světlejší barva (černá vede k přehřívání) - tato část je ekvivalent "Modulu A" z minulého dílu.

Zbytek schémátka jsou logaritmické zesilovače udělané z jedné 4069 - pro ty vyrobíte stejně dokonale filtrované napájení na 5V-20V jako pro modul C a taky plechovou ocelovou uzemněnou krabičku !!! Běda Běda Běda jestli budete líní a napadne vás napájet tento ekvivalent "modulu B" ze stejného stabilizátoru jako modul C !!!!

Plechové krabičky buď kupte pocínované, nebo stavějte z rozsříhaných plechovek - dá se na ně pájet

Pokud budete snímat napětí multimetrem můžete jej připojit pířímo mezí výstupy Tráva a Cesta na, pokud budete chtít digitalizovat musíte mezi výstupy a piny procesoru připojit ještě ochranné odpory 1K - které zachrání procesor, pokud by napětí překmitlo nad 5V.

Jak to celé funguje? Už jsem zmínil že bílý (šedý) povrch by měl dávat nulový signál. naopak tráva bude mít mnohem větší odrazivost v IR než v červené, takže čidlo které bude koukat na trávu bude mít relativně vysoký vstupní střídavý signál a tím vyšší výstup než kanál koukající na cestu.

Pak platí následující tabulka:

úrovně LOW a HIGH berte relativně klidně to může být 100 a 200 mV nebo 20 a 150 mV nebo 3 a 5 V ... záleží na konstrukci optiky a vzdálenosti od čidla na zem atd. Nejsou to digitální úrovně 0 a 5V (a my nejsme blondýny žejo?)

Pokud chcete komunikaci s čidlem ještě jednodušší je možné oba výstupy od sebe Přístrojovým zesilovačem odečíst a získat tak signál "rozdílu trávovitosti" mezi kanálem 1 a 2. Pokud přidáte ještě komaprátor můžete mít jako výstup jen dvoustavový signál "DOBŘE / ŠPATNĚ" - vše je námět pro další experimentování.

Předem upozorňuju, že všechny komponenty jsem měl už postavené sólo, ale za celkovou funkčnost neberu žádné záruky, proto nejste "stavěči návodů z Amára" ale robotici - samostatně myslící hardwaroví konstruktéři - nejvyšší kasta bastlířů, která existuje, abyste drobné problémky vyřešili.

Takže Trafopájku do ruky a JEDEM (jsem zvědavý jestli to někdo postaví dříve než já ;-)

Ještě tradiční rada pro blondýny, které snad ani sem dočíst nemohly - když kočka prchá - pes ji honí, když kočka honí - pes prchá ...

Mladým chemikům v práci říkám, že nejdůležitější v laboratoři je udržet pořádek na stole a pořádek v hlavě. S tím je ve zdánlivém rozporu minule zmíněných 37 verzí trávoměru a jeho komponent. Takže pokusím se zdůvodnit přoč složitý obvod může projít až desítkou verzí aníž by autor byl schisofrenik, nebo magor, a zároveň to berte to trochu jako vložku do rozjíždějícího se seriálu o navrhování analogové elektroniky.

Takže máte půl roku na postavení čidla, jehož schema nenajdente ani v náznaku nikde na internetu, protože jediné co se vašemu čidlu blíží jsou laserové dálkoměry typu "SICK" které používají lasery, lavinové fotodiody, a optiku s úzkopásmovými interferenčními filtry, zatímco vy v rámci sama sobě daných "pravidel hry" máte jenom co dalo "Gé Emko" a hypermarkety v dojezdu autem z Frýdku -Místku : to jest LEDka, fotodioda a čočky z lupy, plexisklo a 5 minutový epoxid jsou základem "SICKu chudých"

Čidlo by mohlo být pasivní a využívat denního světla, - a dokonce takové čidlo dva roky staré už máte doma, ale je k ničemu kvůli nepravidelnostem osvětlení v parku - tedy čidlo musí být aktivní "samo si svítit" a aby se dalo odfiltrovat okolní světlo tak na docela vysoké frekvenci, protože samotná frekvence měření dat z čidla bude kolem 1 KHZ na každý kanál musíte použít frekvenci, která bude alespoň o řád výše - 10kHz - je k ničemu kvůli inteferenci úsporných zářivek, 1 MHZ - je k ničemu pro nedostupnost vhodného frekvenčního filtru takže zbývají některé mezifrekvenční kmitočty z rádií a televizorů pro které jsou keramické filtry 455kHz 5,5MHz 6,5 MHz a 10.7 MHz pro frekvenci 455kHz a 10.7 MHz jsou i krystaly, takže tyto dvě mají zjevně přednost takže kterou? nakonec volím 10,7 MHZ protože fitr pro ni je "široký" 150 kHz - což mi dává rezervu pro vysokou frekvenci snímání každého kanálu (platí Nyquistovo kritérium, tedy pokud chceme na 10,7 MHz měřít se vzorkovací frekvencí 50kHZ měla by šířka filtru být aspoň 2x tolik tedy 10,7 MHz +- 100 kHz)

Nakonec se v bolestech a po první desitce prototypů zrodí alespoň relativně realistické technické specifikace které je potřeba nějak obalit do součástek z GM. A tím nastává mela. Příklad :

Chci použít 74HC04 jako analogový zesilovač jenomže bez perfektního stínění blokování a Bucherotova členu na každém výstupu některé kusy zoufale kmitají. Bucherotův člen je RC filtr, který zazíží zesilovač na vysoké frekvenci aby nekmital - jenomže s nimi je zapojení monstrum, tak zvolíte CMOS 4069 - pinově kompatibiní pomalou CMOS Součástku ta ale na 10MHz už moc nezesiluje takže je třeba ustoupit na 455 kHZ - jak to udělat - předělat celou frekvenci na 455 kHZ nebo vyrobit směšovač a mixovat dolů ? Nakonec volím druhou variantu, protože to mi stále umožňuje zkusit měření vzdálenosti světlem. k tomu detaily, jakože mám pracně zjištěno, že oscilátory je zase lepší dělat se 74HC04 - a máme druhou desitku malinkatých prototypů ....

Mám ještě psát dále, nebo už jsou VIP hoši z Agelu unaveni ?

Takže abych alespoň částečně dodržel elektronické dobré mravy, které doporučují stavět z malých odzkoušených bloků rozdělil jsem trávoměr na 4 části označované mnou A-D.

Tak a jsme u meritu věci - proč rozdělané čidlo, kterému chybí jen jeden (zato nejsložitější) blok odkládat do šuplíku'? Obávám se, že jsem k tomu nucen organizátory Robotour, protože o Vánocích 2011 "tichou dušou" změnili podmínky registrace, a to tak že se registruje o měsíc dříve a přílohou je video s pojízným robotem jak de facto projíždí homologačním kolečkem .... Jelikož tuto indormaci napsali jen jako ideu, na kterou nikdo nereagoval, považuju to za "výdup jako hrom" a taky jsem v tomto smyslu psal organizátorům. Kluci mi odpověděli, že to je proto, že naslibují do médií účast mnoha robotů a pak je to děs, protože třetina vůbec nepřijde a třetina má elementární problémy, třeba aby jim neupadlo kolo. To je bohužel pravda, a přestože moji Roboti takovými problémy netrpí musím stáhnout ocas mezi nohy a začít dělat podvozek. Ten musí být hotový do 30.6. 2012 takže pokračování trávoměru nejpozději potom ....

Naštěstí mám drivery motorů hotové, motory i s převodovkami koupené, vhodnou bednu taky - ultrazvuky vezmu z parkovacího automatu od auta (jsou levnější než ceny komponent) takže by to mohlo jít celkem rychle.

No a na závěr ještě tradiční rada pro blondýny, co dočetly až sem : Za můj život poprvé, a možná naposledy, se outfity prostitutek dostaly do normální módy - takže šup do Shoppinu pro ultra-minisukně a ultra-podpatky - ať si to vyzkoušíte taky, dokud to jde - ať jako báby máte co vykládat vnoučatům - i s fotkami aby padly na prdel - jaká byla bába kočka.

Opět se musím odkázat na minulé blogy - jelikož jsem bohatý muž - mám až 3 kontaktní pole z nichž 1 (to prostřední ) nestojí za nic.

V poslední době však pracuju s CMOS obvody a jejich (v podstatě nekonečný) vstupní odpor mě láká používat i na "obvody okolo" vyšší odpory než jsem byl v minulosti zvyklý.

Takže představte si tu romantiku - je 2.30 ráno, měsíc svítí, cikády cikají, hrajete si s obvody v naprosto neškodném frekvenčním pásmu pár desítek kHz - najednou píchnete drát do kontaktního pole a vidíte tohle :

Co tedy vidíme - pravoúhlý signál 12.7 kHZ má být zapojený přes odpor 2.2 MegaOhmů na zesilovač (který je z CMOS hradla - a navíc transimpedanční - tedy jako by druhý konec odporu byl uzemněn). Jenomže omylem jsem signál nepřipojil přímo na odpor ale do sousední řádky na kontaktním poli tedy co vidíme je de-facto proud RC obvodem kde R je 2,2 Mega a C je neznámé - ale asi bude nezanedbatelně vysoké - zkusíme spočítat ....

Vidíme že osciloskop ne nastaven na 20uSec na dílek - přechodový děj trvá přibližně 40 uSec. My chemici víme, chemická rekace s kinetikou prvního řádu (což je divte se i nabíjení konednzátoru) se ustálí přibližně za 4 časové konstanty tedy

No a pak už je to jednoduché jako facka v hodině matematiky na gymplu.

4.5 pikoFaradů mezi sousedními řádky - je to moc nebo málo ? Na mé oblíbené (mezi) frekvenci 10.7 MHz je to kapacitní reaktance (tedy zdánlivý odpor) 3300 ohmů - takže už je trochu jasnější proč zesilovače na kontaktním poli nechtějí zesilovat - poučné doufám že nejenom pro mně.

Jenom pro šťouraly - tohle bylo na mém oblíbeném horním kontaktním poli - abych získal argumetny vyhodit mé neoblíbené prostřední kontaktní pole, které je celé plastové bez kovové základní desky - udělal jsem stejné měření i na něm - vyšlo to jen o pohlavek hůře - odhadem 6-7 pF. Takže nechte ho někdo? Vždyť je moderní - jen do něho součástky nejdou zastrčit a pak samy vyskakují ?

No na závěr ještě oblíbená rada pro blondýny, co dočetly až sem - radši si na nic nehrajte, aby se vám nestalo, že po usilovném předstírání, že jste chytrá - sbalíte chlapa, který stejně usilovně předstírá, že je bohatý ....

Dnešní reklama vám bez výčitek svědomí prodá i zvratky bezdomovce jako - "kvalitní organický materiál s přirozeně kyselým pH" - proto si pořád dokola opakuju citát z fejetonu Karla Čapka - "dobrý je lepší než nejlepší" - v souvislosti s elektronikou by se dalo poněkud modifikovat na "jednoduchý je složitejší než složitý" aneb - není problém vyrobit šílený řetěz, kde notebook přes USB port a FTDI a ARM a AVR a Solid state relay nahrazuje tlačítko - a dokonce to můžete přihlásit jako diplomku a stát se stímhle bazmekem inženýrem, ale mého obdivu tím získáte právě tolik jako ten zvracející bezdomovec, protože osciloskop kde jeden tranzistor slouží jako vertikální zesilovač i jak generátor pily pro horizontální zesilovač - ten vyšel v amaru v 70 letech kdy inženýři ještě uměli více než jen klikat a lepit k sobě katalogová zapojení ....

Tedy pro ty co nečtou tento román na pokračování - vyrábím refelexní spektrofotometr, který na 4 vlnových délkách bude velice přesně a nezávisle na okolním osvětlení měřit odrazivost materiálu na který bude namířen. Abych nezastrašil blonďaté čtenářky a taky protože hlavním smyslem této konstrukce bude rozlišit trávu od cesty v parku nazval jsem tu věc Trávoměr ....

V předminulém díle jsem řešil otázku jak udělat logaritmický zesilovač který bude schopen pracovat na 10.7 MHz a nepoužít přitom nic co se nedá koupit do 10 kč v GM Electronicu. Nakonec to dopadlo takto:

vysvětlení si přečtěte v předminulém díle - kaskáda zesilovačů přechází postupně do saturace a sečtením jejich signálu vzniká potřebná logaritmická odezva - na obrázku je to docela pěkně vidět.

Takže jsem zahájil obvyklou proceduru - to jest "postavení obvodu v simulátoru"

A pak i na desce. Ne že by fungoval tak špatně, ale přece jenom "dobrý je lepší než nejlepší" a temhle zase tak dobrý nebyl celkem ze 3 důvodů

1. Abyste měli logaritmickou odezvu aspoň trochu slušnou musíte mít docela přesně nastavené zesílení každého stupně - mně vycházelo 6.1 a už s 6.8 se mi poslední stupeň dostával do saturace dříve než měl - tudíž jakoby tam nebyl - že bych zrovna kvůli toho kupoval odpory v řadě E24 - neodpovídá mé filosofii "vše koupím v GME"

2. povšimněte si že sudé a liché stupně - tedy ty které jsou vzájemně neinvertující (se stejnou fází) jsou přes odpory R11 až 16 vlastně spojeny napříč zesilovačem - tak jsem horoval proti špatnému oddělení jednotlivých invertorů a teď je musím pospojovat odpory - tudíž i vzhledem k obrovskému zesílení a nepřesnosti fází jednotlivých stupňů, mělo zapojení tendenci kmitat - a navíc dosti nevypočitatelně - s jedním IO z krabičky bylo stabilní jako skála a s druhým vůbec (a to byly oba 74HC04)

3. A to je vlastně nejzávažnější - tato logaritmická kaskáda je přece jenom trošku monstrum - na jeden kanál 30 pasivních součástek - protože potřebuju postavit minimálně 3 ale lépe 4-8 kanálů dostávám se k dosti velkému pytlíku součástek - za pár šupů - ale zejména k velké ploše DPS a velké šanci nějakého "blonďatého radioamatéra" to zmršit až to bude stavět "podle Amára".

Takže jsem potřeboval extrémně citlivý, extrémně nízkošumový, extrémně laciný, obvod ze součástek co má každý doma v šuplíku a navíc blbuvzdorný - asi jako když strýc František ze Saturnina vařil mýdlo. Po dlaším týdnu porodních bolestí jsem nakonec vytlačil tohle :

Zdá se vám to složité - ale to není jen logaritmický zesilovač to je celý trávoměr od transimpedančního zesilovače U1, přes keramický filtr X1, logaritmický zesilovač, který má dva stupně U2 a U4 a oba jdou do směšovače (není zakreslen), kde se pak od sebe na nízké frekvenci odečtou normálním operačním zesilovačem - tím se signály obou stupňů de facto sečtou a navíc se potlačí zbytky spínací frekvence při mixování.

Linearita tohodle zapojení zdaleka není taková jako u zesilovací kaskády, ale 80 dB se značným přimhouřením zvládne (tedy proudy fotodiodou od 1 nA do 10 uA). Další stupeň bude osvědčený mixér se 4066 - takže úplný kamarád s diodami ještě nejsem.

V dalších odstavcích měla následovat óda nad vlastnostmi logaritmického zesilovače s diodami, ale nebude - problém diod a obecně problém logaritmických zesilovačů, které používají PN přechod je to že fáze výstupního signálu se nepatrně mění s amplitudou. To nevadí u měření síly signálu, ale je to smrtelné pro měření vzdálenosti na principu zpoždění odraženého světelného signálu - a na já si mezitím na tuto "vedlejší featuru" trávoměru zvykl natolik, že ji nechci jen tak opustit.

Nechávám čtenáře v napětí - příští díl bude relativně pozdě, ale o to bude zajímavější.

Tradiční rada blondýnám, co dočetly až sem? Muži jsou naivní a většina bude opravdu věřit, že neslušné pyžamko jste si koupila, abyste mu mohla udělat striptýz - takže hrr s jeho kartou do Orsay.

Těšte se děcka - ještě 100 dílů a máme hotovo ;-)))....

Obávám se že dosáhnutí 99 dílu telenovely jménem trávoměr je zcela reálné - skoro se chce mi napsat - kdo dočetl až sem ať napíše komentář - podle počtu komentářů zvážím jestli budu čtenářům platit sodovku, pivo, ferneta nebo whisky ;-)

Jen pro rekapitulaci co je to Trávoměr

Chybí nám v seznamu něco? Jak se měří AMPLITUDA signálu ?

Těžko, právě proto jsem kdysi u ultrazvuku raději digitalizoval přimo neusměrněný signál a "usmerňoval" až numericky. na frekvenci 10,7 MHz něco takového nepadá do úvahy, je tedy třeba usměrňovat.

Zdánlivě není nic jednoduššího - prostě signál proženeme přes usměrňovací diody, které budou nabíjet kondenzátor a napětí na něm bude měřit procesor....

Problém 1. Pro malé signály je dioda zatraceně nelineární (proto slouží jako součástka logaritmických zesilovačů)

Problém 2. Pro rychlé signály funguje většina diod jako kondenzátor (propouští v obou směrech skoro stejně) ne jako dioda. (teď nepočítám mikrovlnné diody typu "kus za 300").

Problém 3. Co si počít s malým a rychlým signálem ?

Oběsit se !!!!

Není to tak zlé ale je to dost zlé.

Existuje učebnicové zapojení, které "jako obvykle" nelze použít, protože je v něm operační zesilovač, který je pro 10.7 MHZ (prakticky) nedostupný. Pak existuje celá řada zapojení s diodami, které prostě špatné vlastnosti diod ignorují - vlastně všechna rádia pro střední vlny to tak dělají - konec konců něco nakonec z repráku vyleze. Potíž trávoměru je v tom, že signál je logaritmický tedy chyba změřeného napětí 10% znamená chybu destítky procent odraženého signálu...

Takže dioda ne - ještě stále lze použít nějakou exotickou konstrukci typu tohoto zapojení s tranzistory - což je vlastně kuriózní zapojení 4 tranzistorů jako zesilovačů se společnou bází, které však též fungují jako diody (ve směru šipeček na schémátku tranzistoru)

Nebo použít poslední stupeň logaritmické kaskády z minulého dílu. Ten je (téměř vždy) v saturaci a je to relativně pěkný pravoúhlý signál - tímto signálem lze řídit směšovaš a pokud směšujeme signál se sebou samým dostaneme signál s rekvenci F-F = 0 Hz - stejnosměrnou úroveň signálu - sláva. Nejbolíbenější směšovač je SAA612 - hurá pro něj.

Problém č. 1. před SAA612 všichni varují pro signály silnější než pár milivoltů - což se u trávoměru může klidně stát.

Problém 2 SAA612 očekává že na výstupu bude kondenzátor - není stavěn pro nulovou (stejnosměrnou) výstupní frekvenci

Problém č. 3 SAA612 je další součástka z kategorie "všichni ji mají v katalogu, ale nikdo ji nemá na skladě"

Oběsit se 2 ???

Stále to ještě není tak zlé - po přečtení tohoto článku jsem se zamiloval do 74HC4066 což je CMOS spínač - představa je taková:

Další důkaz že analogová elektronika je na odůmrť a brzy budou už jenom různě pokřivená zapojení s digitálními obvody.

P.S. už poté co jsem měl všechno spočítané jsem četl poznámku od Linearu, kde je toto schéma - kompletního přijímače signálu pro fotodiodu Q1 - Q4 v něm slouží jako detektory amplitudy signálu - vše to funguje na principu proudového zdroje, který nabíjí kondenzátory - takže diodové usměrňovače jsou opravdu na nic, ale tohle třeba zkusím pokud mixéry se 4066 vybouchnou.

Obvyklá rada pro blondýny co dočetly až sem - Andrea Verešová prý umývá nádobí oděná jen do jehlových lodiček a JARové pěny - zkuste to taky tak - chlap to určitě ocení...

Nejprve k divnému nadpisu - dnešní MP3 přehrávače, mobily a celá řada další elektroniky se tváří že v nich je aspoň kousek analogové elektroniky - ale není - dneska je i rádio postavené na DSP - numerickém zpracování analogového signálu.

Moje oblíbená otázka pro lidi od elektra je, jestli jim není divné, že když přiloží mobíl k televizoru nebo rádiu tak slyší vysílání mobilu jako "cvrčení" v reproduktoru, ale v mobilu nic takového neslyší, ačkoliv tam je rušení největší. Povrchní vysvětlení je v tom, že mobil je udělaný tak aby byl proti vlastnímu rušení odolný. Hlubší vysvětlení je v tom, že žádná analogová elektronika v něm není - i to sluchátko je napojeno na zesilovač třídy "D" který místo sinusovky posílá do repráčku pravoúhlé pulsy vysoko nad slyšitelnou frekvencí (PWM signál), které až setrvačnost membrány reproduktoru promění zpátky na sinusovku.

Tento blog tedy bude o tom jak "odrbat" jednu z královen analogové elektroniky a analogového computingu - logaritmický zesilovač. A jak to z finančních důvvodů udělat lacinými digitálními CMOS čipy.

Na obrázku vidíte logarimický zesilovač verze pro střední školy - tranzistor ve zpětné vazbě funguje jako dvě diody, čím je napětí na diodě (v propustném směru) větší tím je impedance (zdánlivý vnitřní odpor) diody menší a tím je zpětná vazba silnější a tím je zesílení celé soustavy menší. Takhle je to v učebnici, můžete si to postavit na kontaktním poli ale kvalita tohoto obvodu bude relativně mizerná, pro naprosto nevyřešenou stabilizaci pracovního bodu tranzistoru. (ještě jednodušší je zapojení s holou diodou, ale to se snad používá jen jako usměrňovač.

Takže tady máme něco co by již mohlo fungovat ale jak vidíte je to monstrum a navíc to využívá operační zesilovače, tedy bychom se dostali do stejného problému jako minule - "táto kup mi místo mobilu 5kusů LT1223 - za 300 kus".

Takže jsem zkoumal jak se vlastně zapojují logaritmické zesilovače - jinak a došel jsem až k šokujícím výsledkům. Když stavíte rádio musíte si poradit s obrovskými rozdíly síly signálu, proto rádia tradiční konstrukce mají AGC - Automatické řízení zesílení - to jest usměrňují přijatý signál a pokud je příliš silný tak jeho napětím "přivřou" zesilovače v signálové cestě. AGC nutně vyžaduje kondenzátor, který v provedení na čipu zabere spoustu křemíku, proto dnešní radiové moduly, zejména ty co pracují s frekvenční, nebo fázovou modulací (GSM, GPS, WIFI, Bluetooth ZIGBEE atd atd...) spíše než se signálem samotným pracují s logaritmem signálu - takže jak už jsem psal dříve se jim mění síla signálu o 5 voltů ne o 5 řádů ...

Kondenzátor je tak veliký že se na čipu vyplatí vyleptat třeba 10 analogových zesilovačů než 1 kond takže logaritmické zesilovače se dnes dělají takto :

Co to je ? Je to kaskáda zesilovačů a výstup každého z nic se sčítá s výstupy ostatních stupňů. Co to má společného s logaritmy ? Jak síla signálu postupně roste tak se poslední stupně zesilovače dostávají postupně do saturace a jejich amplituda se už nezvyšuje (stále si ale kmitají od 0 do 5V). Přebuzené poslední stupně už dále nezesilují, takže celkové zdánlivé zesílení celé kaskády je s rostoucím signálem menší a menší. Zde je pokus o matematickou simulaci v Excelu :

Na svislé ose je součet napětí všech zesilovačů (v lineární stupnici ) na vodorovné jsou decibely síly signálu (decibely samy o sobě jsou logaritmická jednotka. Jak vidíte tak už pro zesilovače s 4 stupni vychází docela pěkná přímka (logritmická křivka se v tomto zobrazení jeví jako přímka) jen trochu rozhoupaná, protože se vlastně skládá z jednotlivých úseček odpovídajících tomu jak další a další zesilovače přecházejí do saturace.

Kdysi se takto dělaly jen měříče síly signálu. Dneska jsou elektroničí inženýři "oprsklejší" tak takhle zpracovávají signál samotný a existuje spouta více i méně známých integrovaných obvodů jejichž schemata jsou přinejmenším podezřelá :

Problémy tohoto způsobu práce jsou minimálně 2.

1. Stabilita takového zesilovače, je výhodné mít co nejvíce stupňů za sebou, ale každý stupeň vnáší krom zesílení do signálu i zpoždění až při určitém počtu stupňu nastane neodvratné - signál z výstupu posledního zesilovače se dostane nějakou parazitní cestou na vstup a zesilovač se rozkmitá.

2. Zesilovače ještě předtím než jdou do saturace mají oblast nelinearity kde fungují jako směšovače, které s vlastním signálem směšují všelijaké elektronické smetí. Proto na vstupu musí být co nejčistší signál a navíc se toto řešení používá spíše uvnitř čipů kde je na nepatrném prostoru křemíku snazší "udržet kázeň".

Tedy jsem se rozhodl použít logaritmický zesilovač tohoto střihu jak vidíte z ruční čmáranice - doporučuji vaší pozornosti jednak fitlr na vstupu logaritmické kaskády a ještě výstup zvaný fáze odrazu. Trávoměr totiž bude pracovat na rádiové mezifrekvenci 10.7 MHz (ne 8 jako je na starším obrázku) a tudíž bude intezita signálu záviset i na vzdálenosti cíle, ( na 10 MHZ už se projevuje vliv rychlosti světla - maminko moje !!!) neboli možná bde trávoměr fungovat i jako primitivní LIDAR (světelný radar) a tak by mohl být jediným čidlem, který moji roboti budou mít.

Tradiční doporučení pro blondýny které dočetly až sem - pokud vystačíte celý rok s 3 kalhotami a 3 mikinami - nesmíte se divit že ten váš se točí za "kurvičkami na jehlách" ;-)))