SC-piireihin perustuvan virta-jännitemuuntimen jatkokehitys ja testaus

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Elektroniikan, tietoliikenteen ja automaation tiedekunta MIKES TKK Mittaustekniikka SC-piireihin perustuvan virta-jännitemuuntimen jatkokehitys ja testaus 9.12.2008 Lassi Viitala lassi.viitala@tkk.fi Mittaustekniikan erikoistyö kurssiin S-108.3120 Erikoistyö Opintopisteet (ECTS): Arvosana (1 5): Ohjaajan allekirjoitus: TkL Pasi Manninen

Sisällysluettelo Sisällysluettelo... 2 1 Johdanto... 3 2 Prototyyppi versio 2... 5 2.1 Piirilevy... 5 2.2 Maatasot... 6 2.3 Alumiinikotelointi... 8 2.4 Sarjaliikenneohjaus... 9 2.5 Sallen-Key-alipäästösuodin... 10 2.6 Ohjelmakoodi mikrokontrollerille... 11 3 Laitteen testaus... 13 3.1 Mittausjärjestelyt... 13 3.2 Mittaustulosten analysointi... 13 4 Yhteenveto ja jatkokehitys... 16 5 Liitteet... 17 Liite A - Mittaustulokset... 17 Liite B - Piirikaavio... 23 Liite C - Piirilevy-layout... 24 Liite D - Osasijoittelu... 25 Liite E - Ohjelmakoodin listaus... 26 6 Viitteet... 35 2

1 Johdanto Tässä työssä on tarkoitus jatkokehittää Jussi Mäkysen suunnittelemaa virta-jännitemuunninta. Mäkynen suunnitteli kandityössään [1] SC (Switched Capacitor)-piireihin perustuvan virta-jännite-muuntimen, jonka hän myöhemmin erikoistyössään [2] rakensi. Mäkynen teki muuntimesta prototyypin, jolle tehtiin myös alustavia mittauksia. Tarkoitukseni oli muunnella ja parantaa prototyyppiä ja korjata siinä havaittuja puutteita ja ongelmia. Laitetta on tarkoitus käyttää valodiodin virtasignaalin mittaamiseen. Valodiodi antaa ulos heikkoja nano- ja mikroampeeri-luokan virtoja, jotka pitää pystyä muuttamaan jännitteeksi mahdollisimman lineaarisesti ja kohinattomasti. Laite perustuu transimpedanssivahvistinkytkentään, jossa takaisinkytkentävastus on korvattu kondensaattorilla, jota ladataan ja puretaan vuorotellen kytkimillä. Kytkimiä ohjataan PIC-mikrokontrollerilla. Kondensaattorin kytkeminen saa sen näyttämään efektiivisesti vastukselta. Mikrokontrollerilla voidaan säätää kondensaattorin kytkentätaajuutta, jolloin sen efektiivinen resistanssi muuttuu. Näin ollen säätämällä kytkentätaajuutta, voidaan säätää piirin vahvistusta [1]. Kuvassa 1 on esitetty tavallinen transimpedanssivahvistin. Kuva 1. Perinteinen transimpedanssivahvistin. [2] Rakennetussa laitteessa takaisinkytkentävastus R f on korvattu SC-piirillä. Mäkysen erikoistyössään tekemissä testeissä kävi ilmi että takaisinkytkentä kondensaattori C haittasi piirin toimintaa, joten se jätettiin pois. Kuvassa 2 on esitetty käytetty SCpiirikytkentä. Kondensaattorin arvoa testataan 100 pf ympäristössä. Kytkimet ovat toteutettu MOSFET-transistoreilla. Todellisuudessa takaisinkytkennässä on kaksi kuvan 2 kaltaista SC-piiriä rinnakkain ja niiden transistoreja ohjataan vastakkaisissa vaiheissa. Näin saadaan molemman puolijaksot hyödynnettyä. 3

Kuva 2. Takaisinkytkennässä käytetty SC-piiri. Kytkimet ovat totetutettu MOSFET-transistoreilla. 4

2 Prototyyppi versio 2 2.1 Piirilevy Mäkysen tekemässä prototyypissä esiintyi ongelmia, joiden arveltiin johtuvan piirilevytoteutuksesta. Prototyypissä oli paljon hyppylankoja ja jälkeenpäin juotettuja erillisiä komponentteja, joiden arveltiin keräävän häiriötä. Kaikki komponentit muutettiin pintaliitoskomponenteiksi ja BNC-liitin, johon virtasisääntulo kytketään, juotettiin suoraan piirilevylle. Katsottiin myös, että olisi tarpeellista erottaa analogia-maareferenssi omakseen muusta maatasosta, jottei digitaalielektroniikan suuritaajuiset paluuvirrat pääse häiritsemään herkkää analogiaelektroniikkaa. Näin ollen päädyttiin tekemään kokonaan uusi piirikaavio ja piirilevy-layout. Kuvassa 3 on esitetty valmis piirilevy kasattuna molemmilta puolilta. Kuva 3. Valmis piirilevy ala- ja yläpuolelta pintaliitoskomponentteineen. Vasemmanpuoleisessa kuvassa vasemmassa alanurkassa näkyy erotettu analogiapuoli. Eri maatasojen rajapinnan yli ei olisi järkevää vetää kuparivetoja, sillä impedanssi muuttuu tässä kohtaa. Tässä tapauksessa operaatiovahvistimien käyttöjännitteet ±12 volttia ja vedot operaatiovahvistimen ja SC-piirin välillä olivat kuitenkin pakko viedä tämän rajan yli. Operaatiovahvistimien käyttöjännitteet nostettiin ±6 voltista ±12 volttiin, jotta saataisiin suurempi dynamiikka ulostuloon. Tämä toteutettiin vain vaihtamalla vanhat 7806 ja 7906 jänniteregulaattorit uusiksi 7812 ja 7912 malleiksi [3] [4]. Regulaattorit näkyvät kuvassa 3 oikealla alanurkassa. Piirilevyn komponentit ryhmiteltiin muutenkin uudestaan levylle paremmin toiminnallisiksi lohkoiksi. 5

Kuvassa 4 on esitetty komponenttien sijoittelu piirilevyllä. Vasemmalla ylänurkassa on kaikki mikrokontrolleriin liittyvät komponentit. Vasemmassa alanurkassa on käyttöjännitteiden regulaattorit oheiskomponentteineen. Oikealla ylhäällä on sarjaliikenteelle liitin. Oikealla keskellä on kaikki SC-piirin osat. Oikealla alhaalla on analogiaelektroniikka. Kuva 4. Komponenttien ryhmittely piirilevyllä. 2.2 Maatasot Koska MOSFETtien ohjauslinjassa kulkee suuritaajuista (max. 1 MHz) kanttiaaltoa, on se erittäin suuri häiriölähde piirilevyllä. Kanttiaallossa on lähes kaikki virran suuritaajuiset harmoniset taajuuskomponentit, jotka käyttävät luonnollisesti paluutienään piirin maatasoa. Analogiaelektroniikka on hyvin herkkää tälläisille häiriöille, varsinkin jos puhutaan nano- ja mikroampeerien suuruusluokista. Näin ollen piiriin tehtiin erillinen maataso analogiaelektroniikalle. Maatasojen täytyy kuitenkin olla samassa potentiaalissa, joten ne yhdistettiin yhdestä pisteestä piirilevyllä. 6

Kuvassa 5 on esitetty uuden piirilevyn maatasot. Vasemmalla on piirilevyn alapuoli (bottom, huom. peilikuvana) ja oikealla yläpuoli (top). Molemmissa levyn alanurkissa on nähtävissä n. ¼ levyn kokoinen erotettu analogiamaataso. Se yhdistetään muuhun maatasoon samasta kohtaa sekä ala-, että yläpuolelta 0 ohmin vastuksella. Kaikki analogia elektroniikka levyllä käyttää siis tätä maatasoa referenssinään, eli kaikki analogiakomponentit ovat sijoitettuna tälle alueelle piirilevyllä. Kuva 5. Analogiaelektroniikan maataso erotettuna muusta maatasosta. 7

2.3 Alumiinikotelointi Prototyyppiä ei myöskään oltu koteloitu, joten kytkeytyvien häiriöiden minimoimiseksi päätettiin koteloida uusi versio alumiinikoteloon. Piirilevyn mitat ovat 80 x 80 mm. Kustannusten säästämiseksi ei lähdetty teettämään jyrsimällä sopivaa koteloa, vaan päätettiin ostaa tukkurilta valmiina sopiva valukotelo. Farnellin verkkokaupassa lähimmät sopivat mitat olivat 110 x 85 x 55 mm (ulkomitat). Kuvassa 6 on esitetty laite valmiiksi koteloituna. Kuva 6. SC-virtajännitemuunnin koteloituna. Kuvaan ei vielä ole merkitty koteloon liittimille nimiä. Oikealla ylänurkassa on käyttöjännitteille banaaniliittimet järjestyksessä sininen -14 V, musta 0 V, punainen +14 V. Keskellä alhana on sininen ja keltainen liitin jänniteulostulolle. Sininen on analogiamaa ja keltainen virtajännitemuuntimen ulostulo. Kuvassa näkyvällä kiertokytkimellä voidaan säätää laitteen toimintamoodia. Vasemmalta alkaen 5 ensimmäistä tilaa säätää kytkentätaajuutta (eli vahvistusta). Valittavat taajuudet ovat 1 Mhz, 100 khz, 10 khz, 1 khz ja 100 Hz. Kiertokytkimen oikeanpuoleisin kuudes tila on sarjaporttiohjausta varten. Kuvassa näkyy myös sarjaliikenneyhteydelle liitäntä. Kotelon toisella puolella on BNC-liitin valodiodin virtaa varten. Koteloinnista ei tullut avian täyellinen, piirilevyä suunniteltaessa olisi pitänyt ottaa huomioon, että BNC-liitintä ja RS-232-liitintä ei voi sijoittaa printille, mikäli halutaan hyvin suljettu kotelo. Nyt molempien liittimien ympärille jäi raot koteloon. Tämä heikentää huomattavasti kotelon häiriösuojausta. Oikea tapa olisi ollut käyttää asianmukaisia läpivientiin tarkoitettuja BNC- ja RS-232-liittimiä. 8

2.4 Sarjaliikenneohjaus Piirikortille suunniteltiin myös RS-232 sarjaporttivalmius, jotta vahvistusta voidaan ohjata myös tietokoneelta sarjaliikenteen välityksellä. Kuvassa 7 on esitetty sarjaporttiliittimen ja PICin välinen kytkentä. Sarjaporttiliittimen nastat 2 ja 3 (RX ja TX) on kytketty suoraan mikrokontrollerin I/O-linjoihin. Kuva 7. RS-232-liitäntä piirilevyllä. Sarjaliikennettä ei kuitenkaan koskaan saatu toimimaan. Osasyynä tähän on ajanpuute, mutta suurempi syy on todennäköisesti yllä olevan kuvan kytkennässä. Vaikka kytkentä onkin periaatteessa oikein, se ei mitä suurimmalla todennäköisyydellä toimi ollenkaan. Tietokoneen sarjaportin jännitetasot ovat tietokoneesta riippuen noin ±13 voltin luokkaa. PIC:in I/O linjojen jännitetasot ovat 0-5 volttia. Jos sarjaportista yritetään kirjoittaa nollaa, se vastaa suurinpiirtein jännitetasoa -13 volttia. Näin ollen on melko tuurista kiinni hajoaako mikrokontrolleri vai onnistuuko se tulkitsemaan jännitetason nollaksi. Mikäli jatkossa halutaan sarjaporttiliikenne toimimaan, kannattaa piiriin laittaa mikrokontrollerin ja RS-232-liittimen väliin tasonmuunnin. Esimerkiksi Maxim IC:n MAX232 [5] piiri soveltuu tähän tarkoitukseen. Kuvassa 8 on esitetty yksinkertainen esimerkkikytkentä piiriä käyttäen. Kytkentään tarvitaan muutama ulkoinen kondensaattori ja +5 voltin käyttöjännite. 9

Kuva 8. Esimerkkikytkentä MAX232 piirille. [5] 2.5 Sallen-Key-alipäästösuodin Mäkynen oli todennut, että ulostulojännitettä pitää suodattaa alipäästösuodattimella. Prototyypin 1-asteinen RC-alipäästösuodin korvattiin hieman jyrkemmällä toisen asteen aktiivisella Sallen-Key-alipäästösuodattimella. Kuvassa 9 on esitetty piirissä käytetty ja mitoitettu kytkentä. Sallen-Key suodattimen -3 db rajataajuus voidaan laskea kaavalla f = 1 2π R 18 R 19 C 15 C 14. [6] (1) Kuvan 9 mukaisilla komponenttiarvoilla päädytään rajataajuuteen 1 Hz. Tämä on sopiva, sillä tarkoituksena on päästää vain DC läpi suodattimesta. 10

Kuva 9. Sallen-Key-alipäästösuodin. Rajataajuus 1 Hz. Suodatinta ei ehditty testata, mutta sen oikeellisuus voidaan varmentaa vielä simuloimalla se LT/Spicellä. Alla olevassa kuvassa 10 on esitetty simuloinnin tulos. Herätteenä oli 1 voltin sinimuotoinen vaihtojännite. Kuvasta ei tarkkoja lukuja erota, mutta huomataan että -3 db rajataajuus on lähellä 1 hertsiä. Kuva 10. Sallen-Key-alipäästösuodattimen simulointi. 2.6 Ohjelmakoodi mikrokontrollerille Myös PIC-mikrokontrollerin ohjelmakoodia muutettiin, jotta sarjaportti-ohjaus olisi mahdollista. Ideana on että tietokoneelta voi HyperTerminalilla tai Labview:llä antaa ohjauskäskyjä mikrokontrollerille, joka vaihtaa kytkentätaajuutta vastaavasti. Koodista ei 11

tullut valmista, sillä sarjaporttiyhteyttä ei saatu toimimaan ollenkaan. Tämä ongelma voi tosin poistua lisäämällä väliin aikaisemmin mainittu MAX232 jännitteenmuunnin. Liittenä E olevassa täydellisessä ohjelmakoodi listauksessa on esitetty tähän asti tehty koodi. Mikrokontrolleri menee sarjaporttiohjaus-tilaan, jos kiertokytkin on äärioikella kun laitteeseen laitetaan virrat päälle. Tämän jälkeen ohjelma jää kuuntelemaan sarjaporttiväylää. Kun se tunnistaa starttibitin, se ottaa vastaan seuraavan 8 bitin sanan. Tämä sana sisältää informaation halutusta taajuudesta. 8 bittinen sana voi olla mikä tahansa, kunhan mikrokontrollerin koodi tehdään niin että se osaa tulkita mikä kytkentätaajuus kulloinkin halutaan. Kun bittisana on tulkittu, mikrokontrolleri menee haluttua kytkentätaajuutta vastaavaan silmukkaan. Jos kytkentätaajuutta halutaan muuttaa, on laite resetoitava. Tämän hetkisessä koodissa ei siis ole vielä tehty 8 bittisen sanan tulkintaa. 12

3 Laitteen testaus 3.1 Mittausjärjestelyt Laitteesta testattiin vain käyttöjännitteet, mikrokontrollerin toiminta ja SCvirtajännitemuuntimen toiminta. Sarjaporttiliikennettä ei testattu, sillä sen kehitys on vielä kesken. Myöskään piirille mukaan rakennettua erillistä jännitevahvistinta ei testattu, eikä Sallen-Key-alipäästösuodatinta. Kuvassa 11 on esitetty testijärjestelyt. Virtakalibraattorilla syötettiin sisään virtaa ja oskilloskoopilla tarkkailtiin jännitettä ulostulossa. Kuva 11. Testimittauksia. Käytössä Keithley 263 virtakalibraattori, Mascotin säädettävä jännitelähde (tarvitaan ±14 V) ja Tektronixin TDS640A digitaalioskilloskooppi. Tärkeimmässä roolissa testeissä olivat vahvistuksen lineaarisuus kohina. Testejä tehtiin yhteensä 6 kappaletta. Testatut kytkentätaajuudet olivat 1 MHz (pienin vahvistus), 10 khz ja 100 Hz (suurin vahvistus). Jokaisella taajuudella kokeiltiin 100 pf ja 47 pf kondensaattoriarvoja takaisinkytkennässä. 3.2 Mittaustulosten analysointi Mittauksissa havaittiin, että piiri ei toimi odotetulla tavalla. Sisään menevän virran kasvaessa ulostulojännite näytti saturoituvan poikkeuksetta 0.8 voltin paikkeille. Tämä voisi aiheutua piirissä käytössä olleiden MOSFET-transistorien [7] nielu-lähde (drainsource) diodista. Datalehden mukaan kyseisen diodin kynnysjännite on 0.8-1.2 volttia. Päätelmää tukee myös se, että vahvistus alkaa muuttua epälineaariseksi lähestyttäessä saturaatiota. Tämä voisi johtua diodin epälineaarisuudesta. Näin ollen mittaukset jäivät melko suppeiksi, sillä läheskään kaikkia vaihtoehtoisia vahvistuksia ei voitu mitata koko dynamiikan alueella. 13

Käytetty operaatiovahvistin LMC662 [8] on rail-to-rail-tyyppinen, joten ulostulon täysi dynamiikka olisi teoriassa ollut ±12 volttia. (Käyttöjännitteet ±12 volttia.) Nyt päästiin kuitenkin vain ±0.8 voltin dynamiikkaan, josta siitäkin alku- ja loppupäät muuttuivat vahvasti epälineaarisiksi diodin ominaisuuksien vuoksi. Jatkossa olisikin tärkeä testata piiriä kokonaan toisentyyppisillä kytkimillä, esimerkiksi releillä tai JFET-transistoreilla, jotka eivät sisällä nielu-lähde-diodia. Mikäli kyseinen diodi on saturaatioilmiön aiheuttaja, eivät MOSFET-transistorit sovellu laisinkaan kytkimiksi tähän sovellukseen, sillä kaikilla MOSFETeillä on valmistustapansa vuoksi sisäinen nielu-lähde-diodi. Kaikesta huolimatta suuntaa-antavia mittauksia saatiin tehtyä tällä suppealla dynamiikan alueella. Liitteessä A on esitetty kuvaajat kaikkista mittaustilanteista. Kuten kuvaajista huomataan, vahvistin on melko lineaarinen ulostulojännitteen 0 V tuntumassa. Lähestyttäessä ±0.8 volttia alkaa tulokset mennä epälineaarisiksi. Jokaisesta kuvaajasta on tehty myös versio, jossa diodin aiheuttamaa saturaation vaikutusta on pyritty poistamaan. Näin asetelma kuvaisi paremmin tilannetta, jossa käytössä olisivat fetit ilman diodia ja dynamiikkaa riittäisi. Jokaiselle mittaustapaukselle on myös laskettu teorian mukainen vahvistus. Vahvistus voidaan laskea kaavalla G = 1 2fC, (2) jossa f on kytkentätaajuus ja C on takaisinkytkennässä käytetyn kondensaattorin suuruus. Kytkentätaajuuden ollessa 1 MHz ja kondensaattorien ollessa 47 pf näyttäisi vahvistus olevan melko lineaarinen. Jos yritetään eliminoida saturaation vaikutusta, saadaan regressiokertoimeksi lineaariselle sovitukselle 0,9843. Muutenkin lähes kaikki mittaustulokset antavat näyttöä siitä että vahvistin voisi hyvinkin toimia lineaarisesti tarkoitetussa käytössä. Tulosten suurempi analysointi tässä vaiheessa on melko turhaa, sillä erot ovat kovin pieniä ja piirin käyttäytymistä on vaikea arvioida mikäli kytkimet vaihdetaan. Kuvassa 12 on meneillään mittaustapahtuma 100 Hz kytkentätaajuudella. Oskilloskoopilla mitattiin ulostulojännitettä ja siitä kirjattiin ylös jännitteen keskiarvo käyttäen oskilloskoopin measure-toimintoa. 14

Kuva 12. Ylhäällä MOSFET-transistorien hilaohjausjännite, alhaalla piirin suodattamaton ulostulojännite. Kytkentätaajuus 100 Hz, käytössä olevat kondensaattorit 2 x 100 pf. Mittaushetkellä sisään syötettiin 2 na virtaa. Ulostulojännitteen keskiarvo oli -177 ma. 15

4 Yhteenveto ja jatkokehitys Kaikenkaikkiaan mittaustulokset olivat melko positiivisia. Piiri näytti periaatteessa toimivan ja se oli hyvinkin lineaarinen rajatulla alueella. Koteloinnista tuli melko hyvä ja käytännöllinen, lukuunottamatta muutamia turhia aukkoja. Kuten jo aikaisemmin mainittiin, piirin loputkin toiminnot pitäisi testata. Näihin kuuluvat erillinen jännitevahvistin ja Sallen-key-alipäästösuodatin. Sarjaliikenneohjauksen kehittäminen jäi kesken. Seuraavaksi pitäisi esimerkiksi piiriä MAX232 käyttäen rakentaa sarjaporttiliittimen ja mikrokontrollerin väliin yksinkertainen tasonmuunnin. Myös ohjelmakoodi pitäisi tehdä loppuun sarjaportin osalta. Piirin kaikki 8 kytkinfettiä pitäisi vaihtaa toisentyyppisiin kytkimiin ja piiri pitäisi testata tämän jälkeen uudestaan. Jos piiri saadaan toimimaan hyvin, kannattaa myös miettiä kytkeytyykö piiriin ulkoisia häiriöitä kotelossa olevien aukkojen kautta. Siinä tapauksessa myös koteilointia pitää tiivistää, esimerkiksi kupariteipillä. Piirin ulostulossa näkyi välillä outoja oskillointeja ja kohinankaltaista häiriötä, mutta nämä voivat hyvinkin korjautua fettien vaihdolla. Kun piiri saadaan toimimaan halutulla tavalla, olisi syytä tehdä yksityiskohtaiset kohina ja lineaarisuusmittaukset tarkasti. Myös vahvistuksen lämpötilakäyttäytymistä tulisi tutkia. 16

U / mv U / mv 5 Liitteet Liite A - Mittaustulokset 100 Hz, 2 x 100 pf 500 400 300 200 100 0-100 -15-200 -10-5 0 5 10 15-300 -400-500 -600-700 -800-900 -1 000 I / na 100 Hz, 2 x 100 pf y = -58,011x - 187,41 R² = 0,9379 Kuva 13. Ulostulojännite virran funktiona, kytkentätaajuus 100 Hz, kondenstaattorit 2 x 100 pf, teorian mukainen vahvistus 5*10^7. 100 Hz, 2 x 100 pf, Saturaation vaikutus poistettu 500 400 300 200 100 0-100 -15-10 -5 0 5 10 15-200 -300-400 -500 I / na 100 Hz, 2 x 100 pf y = -44,962x - 105,15 R² = 0,9513 Kuva 14. Kytkentätaajuus 100 Hz, kondensaattorit 2 x 100 pf, Saturaation vaikutus poistettu 17

U / mv U / mv 1 MHz, 2 x 100 pf 900 800 700 600 500 400 300 200 100-100 0-200 -200-150 -100-50 0 50 100 150-300 -400-500 -600-700 -800-900 -1 000 I / na 1 MHz, 2 x 100 pf y = -5,3949x - 158,36 R² = 0,9369 Kuva 15. Kytkentätaajuus 1 MHz, kondensaattorit 2 x 100 pf, teorian mukainen vahvistus 5000. 1 MHz, 2 x 100 pf, Saturaation vaikutus poistettu 800 700 600 500 400 300 200 100 0-100 -200-200 -150-100 -50 0 50 100-300 -400-500 -600-700 I / μa 1 MHz, 2 x 100 pf y = -4,6493x - 93,065 R² = 0,9667 Kuva 16. Kytkentätaajuus 1 MHz, kondensaattorit 2 x 100 pf, saturaation vaikutus poistettu. 18

U / mv U / mv 10 khz, 2 x 100 pf 600 500 400 300 200 100 0-100 -200-1 500-1 000-500 0 500 1 000 1 500-300 -400-500 -600-700 -800-900 -1 000 I / na 10 khz, 2 x 100 pf y = -0,5696x - 219,83 R² = 0,904 Kuva 17. Kytkentätaajuus 10 khz, kondensaattorit 2 x 100 pf, teorian mukainen vahvistus 5*10^5. 400 10 khz, 2 x 100 pf, Saturaation vaikutus poistettu 300 200 100 0-1 200-1 000-800 -600-400 -200 0 200 400 600-100 -200-300 -400-500 I / na 10 khz, 2 x 100 pf y = -0,4573x - 121,52 R² = 0,9579 Kuva 18. Kytkentätaajuus 10 khz, kondensaaattorit 2 x 100 pf, saturation vaikutus poistettu. 19

U / mv U / mv 400 300 200 100 0-100 -200-300 -400-500 -600-700 -800-900 100 Hz, 2 x 47 pf -6-4 -2 0 2 4 6 I / na 100 Hz, 2 x 47 pf y = -110,89x - 281,75 R² = 0,7942 Kuva 19. Kytkentätaajuus 100 Hz, kondensaattorit 2 x 47 pf, teorian mukainen vahvistus 1,06*10^8. 300 200 100 0-100 -200-300 -400-500 -600 100 Hz, 2 x 47 pf, Saturaation vaikutus poistettu, piikki poistettu -6-5 -4-3 -2-1 0 1 2 I / na 100 Hz, 2 x 47 pf y = -105,96x - 283,21 R² = 0,9366 Kuva 20. Kytkentätaajuus 100 Hz, kondensaattorit 2 x 47 pf, saturaation vaikutus poistettu. 20

U / mv U / mv 800 600 400 200 0-200 -80-60 -40-20 0 20 40 60-400 -600-800 -1 000 1 MHz, 2 x 47 pf I / μa 1 MHz, 2 x 47 pf y = -13,266x - 275,99 R² = 0,952 Kuva 21. Kytkentätaajuus 1 MHz, kondensaattorit 2 x 47 pf, teorian mukainen vahvistus 11000. 700 600 500 400 300 200 100 0-100 -80-70 -60-50 -40-30 -20-10 0 10 20-200 -300-400 1 MHz, 2 x 47 pf, Saturaation vaikutus poistettu I / μa 1 MHz, 2 x 47 pf y = -10,09x - 145,81 R² = 0,9843 Kuva 22. Kytkentätaajuus 1 MHz, kondensaattorit 2 x 47 pf, saturation vaikutus poistettu. 21

U / mv U / mv 1 000 800 600 400 200 0-200-1 200-1 000-800 -600-400 -200 0 200 400-400 -600-800 -1 000 10 khz, 2 x 47 pf I / na 10 khz, 2 x 47 pf y = -1,1076x - 371,48 R² = 0,944 Kuva 23. Kytkentätaajuus 10 khz, kondensaattorit 2 x 47 pf, teorian mukainen vavistus 1,06*10^6. 10 khz, 2 x 47 pf, Saturaation vaikutus poistettu 1 000 800 600 400 200 0-1 200-200 -1 000-800 -600-400 -200 0 200-400 -600 I / na 10 khz, 2 x 47 pf y = -0,9972x - 294,21 R² = 0,9706 Kuva 24. Kytkentätaajuus 10 khz, kondensaattorit 2 x 47 pf, saturation vaikutus poistettu. 22

Liite B - Piirikaavio 23

Liite C - Piirilevy-layout Kuva 25. Piirilevy-layout yläpuoli. Kuva 26. Piirilevy-layout alapuoli. 24

Liite D - Osasijoittelu Kuva 27. Osasijoittelukuva, alapuoli. Kuva 28. Osasijoittelukuva, yläpuoli. 25

Liite E - Ohjelmakoodin listaus ;************************************* ; Filename: CVC_program.asm ; Date: 19.11.2008 ; File Version: 1.2 ; Author: Original version was made by Jussi Mäkynen. Various modifications by Lassi Viitala ;********************************************* ; Files required: P18F242.INC ;********************************************* LIST P=18F242 ; Directive to define processor #include <P18F242.INC> ; Processor specific variable definitions #DEFINE incom PORTA, 1 #DEFINE outcom PORTA, 2 ; Define input port to RA1 ; Define output port to RA2 Apu EQU 0x080 bitcount EQU 0x081 ; holds count of bits when transmitting rxreg EQU 0x082 ; holds byte received txreg EQU 0x083 ; holds byte to be transmitted char EQU 0x084 ; holds character to be transmitted ;********************************************** ; Configuration bits ; Microchip has changed the format for defining the configuration bits, please ; see the.inc file for futher details on notation. CONFIG OSC = HSPLL ; HS + PLL CONFIG OSCS = OFF CONFIG PWRT = OFF CONFIG BOR = OFF CONFIG WDT = OFF CONFIG CCP2MUX = OFF CONFIG STVR = OFF CONFIG LVP = ON CONFIG DEBUG = OFF CONFIG CP0 = OFF CONFIG CP1 = OFF 26

CONFIG CPB = OFF CONFIG CPD = OFF CONFIG WRT0 = OFF CONFIG WRT1 = OFF CONFIG WRTB = OFF CONFIG WRTC = OFF CONFIG WRTD = OFF CONFIG EBTR0 = OFF CONFIG EBTR1 = OFF CONFIG EBTRB = OFF ;****************************************************************************** cblock 0x20 Delay1 Delay2 endc ;****************************************************************************** ; Reset vector ORG 0x0000 GOTO Main ;****************************************************************************** ; Start of main program Main: SETF TRISC ; Set IO PortC all input MOVLW 0x3A ; Set RA0 & RA2 output. RA1, RA3, RA4 & RA5 input. MOVWF TRISA ; 0x3A = '0011 1010' ; 0 is output, 1 is input Loop: CLRF PORTC ; Check the position of the switch BTFSC PORTC, 0 GOTO Switch0 BTFSC PORTC, 1 GOTO Switch1 BTFSC PORTC, 2 GOTO Switch2 BTFSC PORTC, 3 GOTO Switch3 27

BTFSC PORTC, 4 GOTO Switch4 BTFSC PORTC, 5 GOTO RS232_ohjaus GOTO Loop ;***************************************************************************** Switch0: ; Switching frequency is set to 1MHz BCF PORTA, 0 BSF PORTA, 0 GOTO Switch0 ;****************************************************************************** Switch1: ; Switching frequency is set to 100kHz BCF PORTA, 0 CALL wait4500 BSF PORTA, 0 CALL wait4500 GOTO Switch1 ;******************************************************************************* Switch2: ; Switching frequency is set to 10kHz BCF PORTA, 0 28

CALL wait45000 CALL wait4500 BSF PORTA, 0 CALL wait45000 CALL wait4500 GOTO Switch2 ;******************************************************************************* Switch3: ; Switching frequency is set to 1kHz BCF PORTA, 0 ; 495us + (CALL-RETURN) 400ns CALL wait4500 ; + 4500ns = 499,9us BSF PORTA, 0 ; 495us + (CALL-RETURN) 400ns CALL wait4100 ; + 4100ns = 499,5us GOTO Switch3 ;******************************************************************************* Switch4: ; Switching frequency is set to 100Hz BCF PORTA, 0 ; Calling wait495us takes actually 495,4us ; and 4,9999ms = 495,4us * 10 + 45,9us CALL wait45000 29

BSF PORTA, 0 CALL wait45000 GOTO Switch4 RS232_ohjaus: CALL rx ; Reads 8 bits from serial port, result is in W after this MOVWF char ; Moves received byte from WREG to char register TSTFSZ char ; Test if char is 0 GOTO freq_test ; If char was not 0, goes to freq_test GOTO RS232_ohjaus ; If char was 0, read another byte from serial port freq_test: DCFSNZ char ; Substracts 1 from char GOTO Switch0 ; If char was D'1' goes to frequency 1 MHz DCFSNZ char ; Substracts 1 from char 30

GOTO Switch1 ; If char was D'2' goes to frequency 100 khz DCFSNZ char ; Substracts 1 from char GOTO Switch2 ; If char was D'3' goes to frequency 10 khz DCFSNZ char ; Substracts 1 from char GOTO Switch3 ; If char was D'4' goes to frequency 1 khz DCFSNZ char ; Substracts 1 from char GOTO Switch4 ; If char was D'5' goes to frequency 100 Hz GOTO RS232_ohjaus ; If char wasn't any number between 1-5 ; reads a new byte from serial port ;----------------------------------------------------------------------; ; Receive byte at 4800 baud from PC, put in W ; ;----------------------------------------------------------------------; rx startbit: BTFSS incom ; goes high for start, (reversed) GOTO startbit ; not yet wait some more MOVLW D'24' ; wait half a bit time CALL micro4 ; BTFSS incom ; check if still high GOTO startbit ; no, start again MOVLW D'8' ; 8 bits MOVWF bitcount ; into counter CLRF rxreg ; clear out register receive: MOVLW D'49' ; makes CALL micro4 = 199 usec CALL micro4 ; wait one bit length (- instr.) BSF STATUS, C ; start with high to shift in BTFSC incom ; if pin low, shift in high (rev) BCF STATUS, C ; else change to low RRCF rxreg, f ; shift bit in DECFSZ bitcount, f ; last bit collected? GOTO receive ; not yet, get more, 8 usec+call CALL bitdelay ; stop bit MOVF rxreg, W ; result into W RETURN 31

;----------------------------------------------------------------------; ; Transmit byte in W at 4800 baud to PC ; ;----------------------------------------------------------------------; ; normal rs232 is -V for a high, +V for a low ; this would translate to 0V for high +5 for low ; a bit length at 4800 baud is 208 microseconds ; this is made up of a delay of 199 microseconds, (CALL micro4), plus ; 9 or 10 microseconds taken up with instructions in each txloop tx MOVWF txreg ; put W into transmit register MOVLW D'08' ; eight bits of data MOVWF bitcount ; a counter for bits BSF outcom ; start bit (flipped remember) txloop MOVLW D'49' ; delay time CALL micro4 ; wait 48*4+5+2 = 199 microsec RRCF txreg, f ; roll rightmost bit into carry BTFSC STATUS, C ; if carry 0, set bit (a low) GOTO clrbit ; else clear bit, (a high) BSF outcom ; +5V on output pin GOTO testdone ; are we finished? clrbit BCF outcom ; 0 volts on output pin testdone DECFSZ bitcount, f ; one less data bit, skip when 0 GOTO txloop ; more bits left, delay this one CALL bitdelay ; delay for last data bit BCF outcom ; 0V, ( a high ) for stop bits CALL bitdelay ; 2 stop bits CALL bitdelay RETURN ;******************************************************************************* 32

; Delays wait4100: ; 100ns MOVLW D'12' ; 100ns MOVWF Delay1 ; 100ns wait4100loop: DECFSZ Delay1, f ; 12 * 300ns = 3900ns GOTO wait4100loop RETURN wait4500: ; 100ns ; 100ns MOVLW D'13' ; 100ns MOVWF Delay1 ; 100ns wait4500loop: DECFSZ Delay1, f ; 13 * 300ns = 4300ns GOTO wait4500loop RETURN wait45000: ; 100ns ; 100ns MOVLW D'148' ; 100ns MOVWF Delay1 ; 100ns wait45000loop: DECFSZ Delay1, f ; 148 * 300ns = 44800ns GOTO wait45000loop RETURN wait495us: CALL wait45000 CALL wait45000 CALL wait45000 CALL wait45000 CALL wait45000 ; 11 * 45000ns = 495us 33

CALL wait45000 CALL wait45000 CALL wait45000 CALL wait45000 CALL wait45000 CALL wait45000 RETURN micro4: addlw H'FF' ; subtract 1 from 'W' BTFSS STATUS,Z ; skip when you reach zero GOTO micro4 ; more loops RETURN bitdelay: MOVLW D'51' ;****************************************************************************** ; End of program END 34

6 Viitteet [1] Mäkynen Jussi, Virta-jännitemuuntimen suunnittelu valonlähteen monitorointiilmaisimelle, kandidaatintyö, TKK, 12.12.2007, Viitattu 10.12.2008 [2] Mäkynen Jussi, SC-piireihin perustuvan virta-jännitemuuntimen rakentaminen ja testaus, erikoistyö, TKK, 6.5.2008, Viitattu 10.12.2008 [3] National Semiconductor, LM78XX Series Voltage Regulators, datalehti, saatavilla: http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/150/44435_ds.pdf, Viitattu 10.12.2008 [4] National Semiconductors, LM79XX Series 3-Terminal Negative Regulators, datalehti, saatavilla: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/nationalsemiconductor/lm7912.pdf, Viitattu 10.12.2008 [5] Maxim IC, +5V-Powered, Multichannel RS-232 Drivers/Receivers, datalehti, saatavilla: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/maxim/max220-max249.pdf, Viitattu 10.12.2008 [6] Verkkosivu, Sallen-Key filter, saatavilla: http://en.wikipedia.org/wiki/sallen_key_filter, Viitattu 10.12.2008 [7] Fairchild Semiconductors, FDV301N Digital FET, N-Channel, datalehti, saatavilla: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/fairchild/fdv301n.pdf, Viitattu 10.12.2008 [8] National Semiconductor, LMC662 CMOS Dual Operational Amplifier, datalehti, saatavilla: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/nationalsemiconductor/ds009763.pd F, Viitattu 10.12.2008 35