Nekorektní blog Petra Kubáče na Blog.cz

Už Josef Švejk říkal,že jsou těžké chvíle v životě lidském. A jednou z těch těžkých chvil, je když obvod, o kterém jsme měsíce snili, přemýšleli, kreslili, počítali, simulovali, routovali , leptali, vrtali, osazovali a oživovali stále kmitá a stále kmitá, nebo stále šumí a stále šumí.

V takovém případě je nutné situaci nějak rozetnout ve smyslu, jestli dělat filtraci napájení ještě dokonalejší, plošný spoj ještě sofitistikovanější, stínění ještě mohutnější, nebo jestli šlápnout na pedál odpadkového koše - šup - a vydat se jiným směrem....

Pomůcky k touto rozhodnutí, kupodivu, najdeme v kuchyni, a jestli jste geek takového stupně, že nevíte co to je, tak to tam, kde vám maminka vařila, když jste byli malí (a možná vaří dodnes).

Takže, každý ví, že zoufalí lidé dělají zoufalé věci, proto ani vám není zakázáno v těžké chvíli vstoupit do kuchyně a najít si čistý nerezový hrnec s nerezovou pokličkou odpovídajícího průměru.

Upozorňuju výslovně, že ne smaltovaný hrnec se smaltovanou pokličkou a ani moderní nerezový hrnec se skleněnou pokličkou. Pak ještě budete potřebovat baterky - buď alkalickou 9V, nebo tužkové, nebo NiMh nabíjecí a to tolik, aby daly napětí, na které je stávkující obvod stavěný, pak budete (možná) potřebovat ještě kousek koaxiálního kabelu, k vyvedení signálu ven z hrnce a patřičný měřič, který už zjevně máte, protože vám doposud ukazoval fatálně špatný signál vašeho obvodu.

Tušíte kam mířím ?

Svět je zamořen elektromagnetickým smogem, 50 Hz brumem ze sítě, signálem mobilů, WIFI, Mikrovlnné trouby, rušení spínaných zdrojů, úsporných zářivek a miliónů jiných bazmeků, proto je potřeba vašemu obvodu vytvořit ideální podmínky, bez elektromagnetického rušení a s dokonale nešumícím, nebrumícícím a nezvlněným napájením.

Pak samožejmě jsou dvě možnosti - vlastnosti obvodu se za těchto okolností zlepší - pak má smysl bádat, nebo nezlepší pak je na místě odpadkový koš a hluboká kontemplace, kde se stala chyba.

Jak zajistit prostor bez elektromagnetických vln ? Ve Faradayově kleci ! Kde doma najít dokonalou Faradayovu klec ? Uzmout jí mamince / milence / manželce / snoubence dříve než ji zprzní nějakým vařením.

Takže máme nerezový hrnec s nerezovou pokličkou, které pokud se dají k sobě vodivě se spojí a utvoří dokonalou Faradayovu klec - zkouška dokonalosti - dáte do hrnce (suchého !!!!) mobil, přiklapnete poklici a prozvoníte jej - zvoní - chyba - hledejte lepší hrnec a lepší poklici. Operátoři nás v poslední době ozařují takovými výkony, že se dá telefonovat i v plechovém výtahu, ale v dobrém hrnci to prostě nesmí jít !

Druhá zkouška na jiném pásmu - dáte do hrnce ječící tranzistorák a přiklapnete poklici - tranzistorák přestane hrát, a protože dnes se vysílá ve FM začne místo hraní šumět, což z venku uslyšíte.

Vše OK - nastává okamžík pravdy - místo z laboratorního zdroje budete svůj obvod napájet z baterek a i s baterkami jej strčíte do hrnce. Místo dušení do zlatova připojíte na výstupní svorky kabely multimetru / osciloskopu / PC / reproduktoru (prostě toho, co jste používali předtím) a ty prostrčíte co nejužší štěrbinkou ve víku. Opravdu odvážní si do poklice mohou navrtat dírky, (ale alimenty Vaší rozvádějící se manželce platit nebudu!!) a pak to uděláte tak aby měřák byl co nejblíže k hrnci a kousky drátů, co jsou venkem byly co nejkratší.

Mimochodem - jako měřák doporučuju multimetr - a pokud to lze tak ručkový, nebo alespoň bateriově napájený. PC s USB osciloskopem je v tomto případě tou nejhorší volbou. Naopak ideální, je když se signál dá měřit "osciloskopem chudých" - telefonním sluchátkem, které se nechá uvnitř - pískat přes hrnec.

Ještě k otázce baterií - Běžné alkalické tužky mají větší vnitřní odpor - což někdy může přispívat ke kmitání, proto pokud potřebujete extrémně nízký odpor zdroje použijte NiMh nebo dokonce malinkatou "olověnku". S "olověnkou" ale pozor, protože zkratovat její kontakty o kovový hrnec - - proud je tak vysoký, že to může vést ke svaření kontaktů a hrnce a pak k "plamennným efektům". Pokud je na trase napájení stabilizátor (a ten sám nekmitá) je to ale skoro jedno, protože jeho vnitřní odpor (daný jeho vnitřní zpětnou vazbou) rozhoduje.

Doufám, že princip "měření v hrnci" jste pochopili, a že nemusím zabíhat do detailů, které mě teď ani nenapadají. Možná odpovědi na otázky, které se vnucují.

Proč ne smaltovaný hrnec ? Není vodivé spojení hrnce a pokličky !

Proč ne skleněné víko ? - Musím na to odpovídat ?

Proč nerezový (ne třeba hliníkový) ? Ocel je feromagnetická a lépe stíní magnetické pole. Ideální je když je hrnec nerezový, ale magnet na něm drží - což je vzácnost, protože dneska jsou hrnce vyráběny spíše z nemagnetické - austenitické - dřezoviny.

Takže jasné ?

Zbývá už jenom rada pro brunety, která bude spíše radou pro Vás. Nemá vaše manželka / milenka / maminka / snoubenka / babička vhodný hrnec - Co kdybyste jí dali "překvapivý dárek" k nejbližší příležítosti ?

Zdálo by se, že slovem "fotodioda" se můj blog jenom hemží, ale přesto jsme neprobrali všechno. Představte si, že existuje velice jednoduchá metoda jak jednou fotodiodou v logaritmické stupnici změřit intenzitu světla - počínaje světlem hvězd v temném lese a konče lupou soustředěným slunečním světlem.

Všichni, kteří jste sledovali můj zápas s Trávoměrem a logaritmickými zesilovači jste teď patrně strnuli hrůzou - zase nás čeká 10 dílů blogu a na konci - zapojení, které kdoví jestli bude vůbec fungovat, ale ne - podobně jako jsme minule probrali primitivně jednoduchý (a fungující) světelný komparátor - dnes probereme - "zapojení nezapojení" - fotodiody, které má skutečně v úvodu řečené magické vlastnosti.

Takže jestli nevěříte - nemusíte ani nic zapojovat - sežeňte si moji milovanou fotodiodu BPW34 a připojte ji k digitálnímu multimetru nastaveném na měření napětí "2 volty" vystavíte - li fotodiodu slunci bude na ní kolem 900 mV, v úplné tmě na ní pořád bude 2-3 mV - mezi tím se pohybuje měřená světelná intenzita - přesně v logaritmické stupnici.

Protože dioda připojená k multimetru je robotům na nic "obestavěl" jsem ji malinkým obvodem s LM324 který zesiluje přibližně 5x aby se signál od úplné tmy po sluneční světlo dal digitalizovat v MCU jako napětí 0-5V.

Jenom pro zopakování, jako ve škole - vlevo je fotodioda zapojená v závěrném - tzv proudovém neboli "photocoductive" režimu. Takto je dioda zapojena v Trávoměru, v CD, DVD optických kabelech a vůbec skoro všude. Proud fotodiodou je lineárně závislý na intenzitě světla a fotodioda je schopna takto pracovat až do gigahertzových frekvencí.

Vpravo je dioda zapojena v propustném směru - funguje jako zdroj napětí - odtutd napěťový, neboli "Photovoltaic" režim. Ano - BPW34 se od fotovoltaických panelů, podvodníky namontovaných všude na pole, liší jenom velikostí a tím pádem proudem, který je schopna vyrobit.

Ve fotovoltaickém režimu závisí napětí diody na logaritmu světelné intenzity, fotodioda je v tomto režimu pomalá - 10 bliknutí za vteřinu je pro BPW34 absolutní maximum. R2, R3 spolu s LM324 tvoří zesilovač pro procesor. R4 je ochraný odpor, který chrání pin AD převodníku. Úloha R5 je trochu záhadná - tvoří zátěž fotodiody a vlastně je to "spotřebič" vyrobeného proudu. Můžete jej vynechat, nebo zvětšit na 1M - v tom případě bude logaritnická odezva diody lepší, ale bude podstatně pomalejší - 1-2 měření za sekundu. Teoreticky je možné snížit jej i na 10K ale to už je dioda "přetížená" a nemá tak pěknou logaritmickou závislost napětí na osvitu.

Tím bylo o tomto velice šikovném obvodu řečeno vše - snad jenom dodatek, že úplně stejný obvod - bez zesilovače - jenom s velikou fotodiodou a ručičkovým milivoltmetrem fungoval v expozimetrech Sovětských fotoaparátů - ty pracovaly bez baterie - a jak byli všichni sovětští soudruzi spokojení.....

Zbývá už jenom tradiční rada pro brunety. Nebuďte blbé, jako blondýny, a vyhýbejte se soláriím širokým obloukem - jednak blondýny ze solárka vypadají po třicítce jako usmažené tresky a navíc muže nejvíce rajcují brunety z indického podhůří Himaláje - sice černovlasé, ale bledé a modrooké - ježiš to je žrádlo ...

Od složitých teoretických článků se vracíme k denním jednoduchoučkým návodům....

Představte si, že stavíte klasického beam robota bez procesoru, který pojede za světlem a k tomu potřebujete vědět, jestli na něj svítí více zprava, nebo více zleva.

Takže by to chtělo něco jako "světelný komaprátor". Tudíž by se dal ten komparátor postavit "školně a naivně" tak, že postavíte dva transimpedanční zesilovače a jejich signál porovnáte komparátorem. Dokonce kdybych chtěl být ironický, tak bych napsal, že výstup obou fotodiod digitalizujeme AD převodníkem a porovnáme v MCU, ale co by to byl za beam robot s MCU?

Tudíž je zjevné, že mám v kapse nějaké "vidlácké řešení" a taky že ano - viz schémátko. Jedna fotodioda tvoří jeden kanál a druhá fotodioda tvoří druhý kanál. Vzhledem k tomu, že reverzně pólované fotodiody mají opravdu velice vysoký vstupní odpor. tak je komparátor velmi citilivý na rozdíl v osvětlení a prakticky necitlivý na absolutní hodnotu světelné intenzíty. Čím to je ? Představme si že na horní diodu dopadne 100 fotonů a na dolní 101 - tudíž dolní dioda bude mít nepatrně vyšší vodivost než horní, ale vzhledem k tomu jak vysoký vnitřní odpor fotodiody mají bude se rozdíl mezi 100 a 101 fotony jevit operačnímu zesilovači už jako "zkrat dolní diody". Ano přesně tak to funfguje - jako komparátor.

Vzniká otázka č. 1. Proč je tam operační zesilovač - zrovna JFETový TL072 - to je proto, že komparátor finguje i v takřka černočerné tmě kdy mají fotodiody pravdu velký vstupní odpor - tak velký, že by neutáhly ani pin procesoru.

A ještě otázka č. 2 - proč tam jsou ty dva odpory - ty jsou ochranné, kdybyste komparátor zamířili oběma diodami na opravdu jasný zdroj světla. Pokud je tato možnost vyloučena - a máte "na to žaludek" - můžete je bez újmy na funkci vynechat.

Poslední otázka č. 3 - může se takto zapojený komparátor někdy ustálit uprostřed ? Teoreticky ano - pravděpodobnost je asi stejná jako když se "vejce usadí na ostří nože" - takže v konstrukci robota s tím radějí nepočítejte - což znamená, že beam robot točící se za sluncem bude kolem "ideální polohy" poněkud kmitat.

K čemu to použít jinému ? Měl jsem pokušení použít takový obvod k detekci trávy (přes fitlry různých barev), ale je opravdu moc citlivý a rozdíly v intenzitě osvětlení u něho hrály větší roli než rozdíly v barvě.

Poslední poznámka - fotodiody jsou celkem drahé - zkuste stejný obvod s reverzně zapojenými IR LEDdkami - IR ledka funguje jako docela slušná fotodioda - za pár kaček - a ještě má často použitelnou optiku (světelný kužel v režimu LED je identický s kuželem citlivosti v režimu fotodiody).

Poslední poznámka před závěrem - vnitřní odpor fotodiod je opravdu veliký a proudy v obvodu jsou opravdu malé - není proto vyloučeno, že budete muset použít filtrované napájení a dokonce stínění. V případě, ve kterém jsem teto obvod používal já, byla kovová krabička - držící optiku - součástí celého řešení.

Dnes už nám zbývá jenom tradiční rada pro brunety. - Blondýnám bych to nikdy neradil, ale nechoďte lovit chlapa na diskotéku - pěkně oblečte mikinu nasaďte brejle a vyrazte ulovit "Geeka" na robotickou soutěž - my jsme sice povrchním pohledem "divní" ale většinou jsme inteligentní, dost vydělávající, nechlastající, nezákeřní až naivní a když si nás některá sbalí tak i věrní a milující ...

P.S. mně z této rady zatím vynechte - budu se ženit - měl bych průser - leda až po svatbě ;-))

Už jsme je tu nakousli v kapitole o Radiokompasu, ale proberme všechno znovu: Jak vypadá typické "aktivní" (tedy něco vysílající) robotické čidlo.

Dovolil bych si podtrhnout dvě věci - Robot umí generovat signál který vysílá a to i jako referenčšní signál pro dekódování odrazu. Elektronika musí usměrnit a filtrovat přijatý signál.

To je přímo ideální situace pro Lock-In zesilovač, který jak je v elektronice zvykem vlastně není zesilovač, ale mixér, usměrňovač a filtr v jednom.

Takže si představme modelovou situaci - blikáme LEDkou a fotodiodou chytáme odraz, který je tak zašumělý, že v něm signál LEDky ani nevidíme. Jak na to ? Procesor přece ví, kdy ledka svítí a kdy nesvítí. Takže takový jednoduchý Lock-In zesilovač signál zesílí a pak je vede do mixéru alias analogového přepínače, kde signálem nabíjí "paměťový'" kondenzátor a to takto - při zapnuté LEDce nabíjí kondenzátor č. 1. Při vypnuté LEDce nabíjí kondenzátor č. 2 - po mnoha cyklech s tím přestane a změří napětí na kondenzátoru 1 a 2 a rozdíl v napětí na nich bude "příspěvek LEDky k celkovému signálu"

Vtip je v tom, že LEDKa může blikat na 40 KHz ale pokud nám stačí nové měření jenom 10x za sekundu - necháme kondenzátory nabíjet 4000 cyklů a hotovo. I velikost kondenzátorů volíme tak aby jejich kapacita spolu s odpory kolem pracovala jako dolní propust na 20 HZ.

Vtip je v tom, že šum není synchronní s blikáním LEDky, takže se jeho hodnota bude náhodně přičítat i odečítat od napětí na obou kondenzátorech. pouze příspěvěk svítíci LEDky se bude systematicky přičítat k napětí jenom jednoho z nich a tudíž se projeví vzestupem napětí i když bude hluboko pod úrovní šumu.

Příkladem jak to udělat - budiž vám můj dvojitě vyvážený mixér. Jenom C4 a C6 by se hodilo zvětšit - pro 10 měření za sekundu na 2,7 uF.

Pokud potřebujeme znát nejenom amplitudu, ale i fázi. Nebo pokud známe frekvenci přijatého signálu, ale neznáme jeho fázi musíme udělat kvadraturní detekci - tedy to samé jenom potřebujeme 2 kanály mixéru se 4 kondenzátory jeden signál mixujeme s komponentou ve fázi a druhý kanál mixujeme s komponentou o 90 stupňů posunutou. Pak nám změříme dvě napětí, která leží na obvodu fázorového kruhu. A pomocí jednoduhé matematiky typu

Se dopracujeme k informaci o amplitudě.

Jak funguje takový kvadraturní lock-in zesilovač vidíme na obrázku. Jenom, abyste nebyli spletení, proti mojí ideji "nabíjení čtyř kondenzátorů" přímým signálem - tento zesilovač nabíjí jenom dva, ale zato vždy střídavě přímým a invertovaným signálem - nezatěžujte si tím hlavu - výsledek vyjde úplně nastejno.

Doufám, že mi začínáte věřit, že v elektronice "tak nějak všechno souvísí se vším" i bez marijány, nebo jiného fetu. Lock-In zesilovače, stejně jako mixéry budeme probírat i nadále, tam, kde jsou k užitku.

Dneska už zbývá jenom tradiční rada pro brunety, co dočetly až sem - Pokud máte nutkání řídit svého miláčka jako procesor robota - od rána do večera od kolébky do hrobu - očekávejte brzký pláč a pak samotu - nedá se nic dělat muži potřebují nadechnout, alespoň občas ....

Minule jsem nastínil jak vyrábím kmitočtovou ústřednu pro Trávoměr, která má generovat následující kmitočty:

Ano - takže probereme tři stejné oscilátory na jedné desce a možná se trochu zarazíme u generování fázově posunutého signálu 455 kHz a hotovo, ale bohužel tak snadné to není.

I přesto že signál 2x mixuju a to s frekvencí 10,245 MHz a s frekvencí 455 kHz potřebuju aby až do konce byl výstupní signál 455 kHz ve stejné fázi s referenčním signálem 455 kHz jako byl signál vyslaného světla na frekvenci 10,7 MHz s dopadajícím světlem. Všimněte si že už z tohoto popisu je jasné, že kmitočtová ústředna musí být udélaná tak aby nestabilita frekvence směšovacího oscilátoru 10,245 MHz se na výstupním signálu vůbec neprojevila.

Z minule zveřejněného schémátku je vám jasné, že toho dosahuju tak, že přijatý kmitočet se mixuje s gfrekvenci 10,245 MHz na mezifrekvenci 455 kHz, a i referenční kmitočet 455 kHz se generuje mixováním stejných dvou signálů - pracovního oscilátoru 10,7 a "lokálního oscilátoru" 10,245 MHz. Potom posun frekvence oscilátoru 10,245 MHz se projeví stejně na přijatém i na referenčním signálu a vzájemně se vyruší. Mám k tomu psát vzorečky ?????!!!!! ;-)

Takže teď už bude popis schémátku prajednoduchý (bohužel jej musím otisknout opět). Ba dokonce je tam všechno už napsáno. Dual Oscillators - jsou dva Pierceho oscilátory ze CMOS invertorů - které svůj signál jednak posílají konektorem ven a jednak přes druhé oddělovací hradlo do Mixéru, který je popsaný jako Mixer and IF stage.

Mixér pracuje se dvěma obdélníkovými signály s amplitudovu 5V a má vyrobit další obdélníkový signál 5V - takže mixér můžře být toho nejprimitivnějšího druhu. Klidně by to zvládlo digitální XOR hradlo, ale to bych musel na desku dávat celu integrovaný obvod se 4 takovými hradly - takže jsem vyrobil primitivní OR hradlo - tak jak se dělaly digitální obvody do počítačů 60 let minulého století - pěkně z tranzistorů. Jenom Vaší pozornosti doporučuju RC člen složený z R8 a C12 - tento filtr brání průniku rušení z mixéru do zbytku systému.

Pak následuje keramický filtr 455 kHz, který má v zapojení dvojí úlohu, jednak filtruje žádoucí "rozdílový kmitočet" a jednak zavádí do signálu zpoždění identické se zpožděním v analogové větvi, které používá stejné filtry.

Následuje U3A oddělovací zesilovač, který nemůže mít příliš velké zesílení, protože následující stupeň potřebuje na vstupu "sinusovku"

Další je tzv. RCCR člen, což je jedna z možností jak z jedné vstupní "sinusovky" generovat dva signály posunuté o 90 st. Vtip je v tom, hodnota R i C je navržena tak, že na 455 kHz ma odpor i kapacita stejnou impedanci takže větev RC i větev CR dělí signál na polovinu. Díky záměně R a C v obou větvích však větev která má nejprve C -posouvá signál o 45 st dopředu, a větev která má nejprve R signál o 45 st brzdí. výsledkem jsou tedy dva signály stejné amplitudy posunuté o 90 st.

Pak už následují jenom dva zesilovače, které oba signály zesílí zase až "do limitace" a vytvoří z nich zpátky pravoúhlý signál, který jde na konektor.

Ze schématu nevypadla ani "dokonalá filtrace napájení" zde životně nutná, ne aby obvod nebyl rušen zvenku, ale aby sám nerušil navenek.

Jednoduché jako facka ne? V SMD provedení má deska 28 x 50 mm. Pokud máte pocit, že to je něco jak shrnutí dosavadního "Vidlákova elektra" máte pravdu - proč bych taky vymýšlel něco jiného - pěkně malé obvody, které dokonale znám lepím dohromady - jak jsem to doporučová i vám.

Zbývá už jenom tradiční rada pro brunety - jsou chlapi, kteří na vaší hlavě snesou i 5 milimetrový sestřih "na lesbu" ale cop tlustý jako ruka sahající až k zadku stejně otřese i s nimi.

Jestli jste na loni touhle dobou četli mé výplody o Trávoměru tak víte, že jsem přes pracovní frekvenci v desítkách KHz dostal až k frekvenci 10,7 MHz, na té je ale těžké se signálem pracovat, a zejména je těžké na této frekvenci postavit v primitivních podmínkách logaritmický zesilovač, takže jsem se rozhodl mixovat pracovní signál na mezifrekvenci 455 kHz, ale protože pořád doufám v měření vzdálenosti na principu fázového zpoždění tak musím mixér použít jako fázový komparátor a mixovat ještě jednou a to s frekvencí 455 kHz, kterou si musím generovat.

U výstupního signálu mě zajímá jak amplituda tak fáze. Konvenčním "klasickým" způsobem bych obě informace získal tak že bych

Usměrňování je ekvivalentní mixování signálu se sebou samým, porovnávání na XOR hradle je taky - jen jiný typ - mixování signálu se sebou samým, takže proč to nevyřešit dvojitým mixováním. Přesně takhle na to jdu, ale má to háček, abych byl schopen měřit amplitudu i fázi musím k mixování použít dvě referenční frekvence fázově posunuté o 90st.

Taky jsem se o tom zmiňoval, že tím dostaneme tzv I neboli In phase komponentu - která je jako COSINUS výstupního signálu a Q neboli Quadrature komponentu, která je jako SINUS výstupního signálu.

Amplitudu a fází pak zjistíme jednoduchými trigonometrickými výpočty, které nebudu psát vzorečkem, abych matematicky negramotné nevystrašil, ale tentokrát jsem je naznačil obrázkem. Podstatná výhoda dvojitého mixování proti usměrňování a zesilování a limiterům a XOR hradlům atd. je v jednoduchosti a "blbuvzdornosti" - stejný mixér ve dvou kopiích vám vyrobí I i Q komponentu, jenom musíte získat dva o 90 st. posunuté referenční signály. Sekundární výhoda tohoto přístupu je v tom, že se neotravujete s diodami, můžete signál daleko jednodušeji filtrovat, každý posun parametrů zapojení se na dvou stejných kanálech projeví stejně a tím se částečně kompenzuje. Ani AD kanály v procesoru nespotřebujete navíc, neboť jestli 2 kanály snímáte amplitudu a fázi, nebo I a Q komponentu je jedno.

Takže pro celé zapojení potřebuju tyto frekvence

Protože oscilátory výrazně ruší - už staří radioamatéři zaveli kuturu "kmitočtových ústředen" - všechny oscilátory dát co nejblíže někam do "rohu desky" a pokud možno ještě do stínící krabičky a ven vést jenom hotový "čistý signál" a to nejlépe co nejkratším a stíněným kablíkem.

Inu udělal jsem to stejně a zde máte schémátko - pro tentokrát jenom "k zamyšlení" protože k probrání je toho více než jsem si původně myslel, takže nemohu jinak než pokračovat příště.

Zbývá už jenom tradiční rada pro brunety, co dočetly až sem - uvádím na rozkaz "skoromanželky", která má v práci nějakou neuváženě ostříhanou nešťastnici: Jestli máte dlouhé a kvalitní vlasy - neblbněte se stříhámím - kupte si krátkou paruku (třeba i blond) tu týden noste a pokud se vám to nerozleží - pak se stříhejte.

Jenom rekapituluju: Na vstup mixéru vedeme dva signály, které se nám násobí a mezi sebou a na výstup jdou "produkty" tohoto násobení. Proto je nezbytné filtrovat signály na vstupu, abychom násobili jen co potřebujeme, a taky je nutné filtrovat signál na výstupu, protože přes veškerou snahu i ten nejlepší mixér produkuje nějaké nežádoucí signály.

Probrali jsme "křížové modulace" kdy na vstupu není jeden, ale dva signály a ty se mixují navzájem a produkují "virtuální" další signály. Neprobrali jsme "zrcadlový příjem" rádia, který probereme teď - posloucháme rádio na 100 MHz. Frekvence keramického mezifrekvenčního filtru v tranzistoráku je 10.7 MHz takže lokální oscilátor kmitá většinou 10,7 MHz nad přijímaným signálem na frekvenci 110,7 MHz. frekvence 10,7MHz pak vznikne jako 110,7 -100 MHz. Mixér ovšem funguje i pro tzv "zrcadlový kmitočet" na frekvenci 121,4 MHZ, kde platí 121,4 - 110,7 = 10,7 MHz. Přijímá tedy dvě frekvence najednou. Tomu se dá odpomoci filtrováním vstupu kdy 121,4 MHz do tranzistoráku prostě nepronikne.

Aniž bych předpokládal, že ode dneška budou vaši roboti přetékat mixéry probereme opět jednotlivé možnosti :

1. Signál ve stovkách MHz - až "nekonečno" - což zároveň znamená amplitudu v mili a ž mikrovoltech - jediné použitelné mixéry jsou jednoduché diody, připadně vysokofrekvenční tranzistory z prvního dílu .

2. Signál od 0 HZ do několika set MHz - amplituda v milivoltech - Gilbert cell mixer.

3. Signál od 0 HZ do několika desítek MHz (max kolem 100 MHz) a amplituda od mikrovoltů po volty - spínané mixéry se 4066.

U spínaných oscilátorů jsou celkem 4 možnosti

1. Nevyvážený mixér - je nejjednodušší ale do výstupu proniká jak RF tak LO, což zejména u LO, které je de facto 5V digitální signál poměrně nepříjemné - lze použít tam kde amplituda RF je dosti vysoká, nebo není problém frekvence RF i LO odfiltrovat. (horní schémátko)

2. Jednoduše vyvážený mixér potlačující LO - je můj nejoblítenější (dolní schémátko) dva spínače 4066 se spínají stejným kmitočtem LO, tím je rušení LO na obou vstupech operačního zesilovače ve fázi a odečtou se.

Existuje dokonce "nečestná a nesportovní" finta jak udělat "polovyvážený" mixér - k jednoduše vyváženému mixéru přidáme druhý kanál jenom místo na RF napojíme vstupní oddělovací kondenzátor na zem. - Tím nám vznikne kanál, kde nemáme užitečný signál, jenom rušení od LO, které můžeme odečíst operačním zesilovačem stejně jako u vyváženého mixéru. Dá se tím ušetřit diferenciální zapojení s Q1 a Q2, ale podle mně ušetřit pár součástek za to nestojí.

3. Jednoduše vyvážený mixér potlačující RF - dá se teoreticky postavit, ale proč bychom potlačovali nepatrné napětí RF a daleko vyšší rušení lokálního oscilátoru nechávali ?

4. Dvojitě vyvážený mixér - potlačuje jak signál RF tak signál LO - je už známé složité schémátko se 4 spínačí.

Všechny mixéry, které jsem se 4066 stavěl byly jednoduše vyvážené jako v bodě 2. což je podle mně optimální kombinace "ceny a výkonu".

Mixéry jsou mimořádně zajímavá kapitola analogové elekroniky - prakticky jediná, která je robotikem využitelná a přitom to ještě není dokonale probádaná "mrtvá oblast" takže ač mnoho přemýšlení a troška matematiky budeme se k mixování pravidelně vracet, kde to bude potřeba.

Zbývá nám už jenom tradiční rada pro brunety, které dočetly až sem : zkušenost říká, že pokud chlap "rozbaluje" zmalovanou blondýnu očekává "pod tím" krajkové prádlo v divoké barvě. Pokud rozbaluje brunetu s brejlema očekává bílé "hygienické prádlo". Pokud zapadáte do tohoto schématu není se za co stydět, ale promyslete, jestli by se občas nevyplatilo "vyplout proti proudu".

Dostáváme se k tomu co mělo být jako kapitola 1 a to je smysl mixérů. Takže podám drobný výčet použití.

1. Porovonání frekvence dvou signálů : Příklad policejní radar vysílá na 25 GHz signál se odráží od jedoucího auta. Frekvence se změní dopplerovým posuvem, je v radaru mixována s původním vysílaným signálem, rozdílový signál leží v akustickém pásmu - jeho frekvenci měří mikrokontrolér a zobrazuje zda dostanete pokutu, nebo ne. Výpočet rozdílové frekvence

F0 - základní frekvence vysílání , V - rychlost auta, C rychlost světla, Zkusíme vypočíst pro 1 metr/sec. Delta F = 25*10⁹ / 3*10⁸ = 83.3 Hz. Docela málo - pro auto jedoucí 50 km/h je to 1157 Hz a to už se dá.

2. Porovnání fáze dvou signálů - příklad - Trávoměr bliká na 10.7 MHZ a stejný signál řídí spínaný směšovač a to tak, že kdykoliv dioda svítí je směšovač vypnut. Pokud se signál vrátí od blízké překážky okamžitě - narazí na vypnutý směšovač a výstup je 0V - čím dále je překážka tím se signál vrací více zpožděný a tím více jej pronikne směšovačem, takže napětí za směšovčem je úměrné vzdálenosti překážky ... (hrubě zjednodušeno)

3. Plynulé řízení zesílení - příklad - jakýkoliv procesing analogového signálu (třeba ultrazvuk) - pokud chcete opravdu jednoduče řiditelný zesilovač - kupte si IO s Gillbert cell směšovačem (NE602, NE612, SA602, SA612, MC1496) do vstupu pro RF pustťte zesilovaný signál a do vstupu pro LO stejnosměrné napětí - které vám určí celkové zesílení - ultralineární s minimem šumu jediným broučkem s 8 nožičkami - podle mně lepší než se patlat s "výdobytkem moderní doby" jako je digitální potenciometr.

4. Změna frekvence signálu - to už je klasika - posloucháte FM rádio na frekvenci 100 MHz a to tak, že v tranzistoráku kmitá oscilátor na 110.7 MHZ signál z antény se jen po minimálním zpracování míchá s 110.7MHz a rozídl 10.7MHz tzv. mezifrekvence - se žene do keramického filtru a k demodulaci. u dobrého směšovače je amplituda i fáze výsledného signálu stejná jako původního - mění se jen frekvence. Nebo příklad z robotů - chcete digitalizovat ultrazvuk na 40 kHz - ale váš AD převodník takové frekvence nezvládá - tak si jej zmixujete se signálem 36 KHz na rozdíl 4 kHz, který už nebude dělat problémy.

5. Usměrňování signálu - je totéž co změna frekvence - jen je to směšování stejné frekvence stejnou frekvencí - kde rozdíl frekvencí nakonec je 0 Hz - příklad - ultrazvuk - víme jakou frekvenci jsme vyslali, a není problém ji z mikrokontroléru dodat do směšovače, který je na konci řetězce zesilovačů - vyhneme se tak zmršení signálu usměrňovacími diodami ...

Vzhledem k tomu, že mixování je násobemí - vyskytuje se mixování i v digitálním světě - logická operace XOR nad dvěma bitovými proudy je ekvivalent vyváženého mixování a OR, nebo AND nevyváženého. Takže analogové mixéry se používají i u demodulace celé řady digitálních modulací - jelikož jsem tuto možnost (až na generování frekvence XORování dvou jiných) nikdy nepoužil - nechal bych to inženýrům.

Příště se budu snažit celý miniseriál ukončit. Nyní nám zbývá už jenom rada pro brunety : Všimněte si že tchýně, děti, kočáry, plíny, ba ani kapesníky a menstruační vložky se v pornofilmech nevyskytují, berte to jako poučení a nejméně do svatby svého miláčka těmto věcem nevystavujte, aby náhodou "necuknul".

NEpochybuju a tom, že jsem v blondýnách, které studují mixéry na mém blogu vzbudil dojem, že je to "průda" plná problémů a matematiky. Jenom pro rekapitulaci, probírali jsme chaos, který umí mixéry udělat v signálech a taky to, že je problém postavit mixér, který zpracuje stejně dobře silné i slabé signály.

Skončíli jsme u pasivního diodového mixéru, který je považován za "krále mezi směšovači". Taky jej firmy zaměřené na "luxusní zboží" pro radioamatéry vyrábějí a prodávají za ceny, ze kterých by pod vámi klesla židle.

Takže si rozebereme v čem se skrývá zázrak. Všimněte si těch opravdu divně zapojených diod. není to tak složité - pokud je na vstupu Local Oscillator - kladná půlvlna - tato se trafem přenese a otevře diody D1 a D4. Záporná ppůlvlna zase otevře D2 a D3, které jsou zapojeny "do kříže". Na výstup mixéru - se tak dostává střídavě radiová vlna v původní a v převrácené polaritě.

A světe div se ideální výstupní signál z mixéru vypadá jako na obrázku. Doufám, že tam vidíte původní sinusovku, doufám že tam vidíte i přepólování signálem lokálního oscilátoru, a doufám taky, že už chápete proč jsem tvrdil, že mixéry umí signál "rozsekat". Jestli si myslíte, že tento signál má co dělat s nelinearitou diod, kterou jsem popisoval v prvním díle - tak se pletele. Smyslem diod v tomto mixéru je být buď zcela otevřené, nebo zcela zavřené a oblastí jejich vlastní nelinearit projít pokud možno co nejrychleji. Diody fungují jako vypínače a taky v aglosasské literatuře se tomu říká switched mixer - spínaný mixér.

Když se vybere správná dioda 1N4007 třeba, která vydrží až 1000V a správná vysoká amplituda lokálního oscilátoru - zvládá tento mixér bez pottíží signály od mikrovoltů po desítky voltů. Kdyby se v tomto mixéru nebylo nutné otravovat s cívkami - už bych vám psal návod i s DPS. Jenomže otravovat se v robotech s cívkami, které akorát "chytají rušení" od motorů ???

Nicméně, když ideálního směšování se dá dosáhnout prostým spínámím jednoho signálu jiným a ideálně lineární mixér je ten, který si s linearitou "nedělá hlavu" což takhle použít v analogových obvodech CMOS spínače známé z digitální techniky ?

Takže za první války v Jugoslávii tamnější radioamatéři odříznutí od světa hospodářským embargem vymysleli jak stavět směšovače z CMOS spínačů, zejnéma z mého milovaného 74HC4066.

Takže zde na obrázku vidíte orientační schémátko takového dvojitě vyvážešného "digitálního" směšovače. V1 je zdroj signálu, který jde do diferenciální dvojice tranzistorů - kde se původní signál tranzistorem Q1 zesílí a navíc se z tranzistoru Q2 získá i jeho identická kopie v opačné polaritě. Pak vidíme zmatek spínačů 4066. Princip je v tom, že máme původní a invertovaný vstupní signál (RF) a původní a invertovaný signál lokálního oscilátoru (LO) a musíme každý spínat každým - proto potřebujeme 4 spínače - pak dvojice ve stejné fázi sečteme na odporech R10-R13 výslednou dvojici v opačné fázi odečteme operačním zesilovačem, který je jenom naznačen. Díky sčítání a odčítání nám na výstup pronikne jenom "rozsekaná sinusovka" a nepronikne ani původní nerozsekaná, ani signál lokálního oscilátoru.

Asi to vypadá složitě, ale světe div se - radioamatéři takhle vyráběji celé přijímače a dokonce kluci z MLABU takhle postavili přijímač pro amatérský radioteleskop.

Tím, že se nepoužívají cívky a tranzistorů se dneska djí natlačit do čipu miliardy, takže si pište, že cokoliv co má u vás doma něco společného s radiovými vlnami, - mobil, televize, WIFI -je uděláno právě takto.

Samozřejmě vzniká otázka k čemu směšovače ve vašich robotech, kteří nic na radiové frekvenci nepoužívají. Probereme v budoucnnosti, třeba zpracování ultrazvuku směšovačem. Jen tak pro inspiraci a pro poučení uvádím schémátko Japonských studentů, kteří si z 4066 vyrobili odposlouchávací zařízení pro netopýry, kde mixér mixuje signál z ultrazvukového mikrofonu se signálem místního oscilátoru. Rozdílová frekvence je ve slyšitelné oblasti, takže se netopýři dají poslouchat uchem. Povšimněte si jak se to celé podobá mému ukázkovému schémátku, včetně použití digitálních invertorů jako analogových zesilovačů.

Nemám sil pokračovat dále, proto zbývá už jenom tradiční rada pro brunety:

Když vyrazíte v novém outfitu, který jste dostala pod stromeček a ženy se vás budou ptát "za kolik" - je to v pořádku, protože tím míní cenu outfitu. Pokud vám stejnou otázku budou klást muži - je to průšvih, protože si váš outfit vyložili, jakože se živíte prostitucí...

Minule jsme článek plný matematiky předčasně ukončili konstatováním, že mixéry jsou zákeřné, protože dovnitř jdou jenom dvě sinusovky a ven leze pěkný bordel. Mohli bychom se spokojit s učebnicovým tvrzením, že proto se musí vhodná výstupní frekvence vybrat filtrem na výstupu, ale to je poněkud málo, zejména v době kdy se keramické filtry ideální pro naše použití brzy už nebudou vyrábět.

Takže malá rekapitulace mixéry využívají nelinearity součástek, které popisuje nelineární vztah mezi napětím a proudem tohoto typu

Tím, že se v rovnici vyskytují druhé, třetí, čtvrté mocniny tak se nám kromě násobení jednoho signálu druhým vyskytují i produkty umocňování signálů - neboli násobení signálu sebou samým. To vede k tomu, že do mixéru pustíme dvě frekvence RF a LO a ven nám leze

A tak dále - můžete si vymýšlet ceolčíselné násobky obou frekvencí, a jejich rozdíly a součty až do nekonečna.

Když si to nakreslíme jako spektrum tak to bude to les spektrálních čar - jako na obrázku. Vypadá to jako akademické matematické cvičení, ale pokud jste třeba radioamatér, který poslouchá na frekvenci 10,00 MHZ a máte druhou silnou stanici na frekvenci 10,01 MHZ tak se vám najednou objeví záhadná stanice i na frekvenci 10,02 MHz protože to je 2* 10,01 -10,00 a taky na frekvenci 9,99 MHz protože to je zase 2* 10,00 - 10,01 atd... Radioamatéři to znají a říkají tomu křížové modulace.

Pokud potřebujete pomocí mixování usměrnit signál z ultrazvuku - tak vás nějaké detaily kolem mixérů nemusí zajímat, pokud ovšem těsně vedle frekvence, která vás zajímá nemáte nějakou "křížovku" která je 1000x silnější, což se někdy stává, protože lokální oscilátor má amplitudu ve voltech, ale výstup z čidla může mít amplitudu jen v milivoltech.

Aby se problémy s "bordelem" co leze z mixérů trochu omezily žačaly se dělat tzv. "vyvážené" mixéry. U vyvážených mixérů se na výstup nedostávají původní frekvence RF a LO, protože se během procesu mixování vzájemně odečtou. vyvážené oscilátory jsou buď "jednoduše vyvážené" - na výstup neproniká (většinou mnohem silnější LO) nebo "dvojitě vyvážené" na výstup neproniká ani RF ani LO. To poněkud omezí frekvenční zmatek na výstupu a za určitých okolností to usnadní filtrování výstupního signálu.

Příkladem takového směšovače je Gilbert cell mixer, který jak vidíte je trojice diferenciálních zesilovačů, kde Q1 a Q2 řídí zesílení ostatních čtyř a zároveň se na dvakrát dvojitém diferenciálním zapojení odečítají všechny nežádoucí produkty.

Gilber cell mixer je skvělý pro radioamatéry a taky se prodává jako hotový integrovaný obvod řady NE602, NE612, nebo SA 602, SA612, nebo MC1496.

Přesto má tento mixér problém - má až příliš velké zesílení a snadno se přesytí silným signálem, což vede k tomu že ze sinusovky se stane obdélník se spoustou vyšších harmonických kmitočtů, které se vzájemně násobí a jsme tam kde jsme byli s nevyváženými mixéry.

Proto radioamatéři téměř zbožštili pasivní diodový mixér, terý vypadá jako "divně zapojený" graetzův usměrňovač, navíc plný cívek. Vtip tohoto mixéru je v tom, že nevyužíváme nelinearit diod, ale snažíme se naopak aby byly buď zcela otevřené, nebo zcela zavřené. Tím tento můstek patří do kategorie tzv. Spínaných mixérů, které probereme zase příště.

Dnešní rada pro brunety zní : jste protivná, nevaříte, neperete, neuklízíte, nesexujete a jste bruneta jenom protože se vám ke kadeřnici nechce ? Divíte se, že poslední chlap vám utekl s blondýnou ?