SC-piireihin perustuvan virta-jännitemuuntimen rakentaminen ja testaus

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osasto MIKES TKK Mittaustekniikka SC-piireihin perustuvan virta-jännitemuuntimen rakentaminen ja testaus 6.5.2008 Jussi Mäkynen jhmakyne@cc.hut.fi Mittaustekniikan erikoistyö kurssiin S-108.3130 Opintopisteet (ECTS): Arvosana (1 5): Ohjaajan allekirjoitus: DI Pasi Manninen

Sisällysluettelo 1. Johdanto... 3 2. Virta-jännitemuuntimen kehitys... 4 2.1 Piirin modifiointi... 4 2.2 Ohjelman kehitys...8 3. Virta-jännitemuuntimen testaus... 10 4. Yhteenveto... 14 5. Liitteet... 16 A- Suunniteltu piirikaavio... 16 B- Piirikaavion pohjalta suunniteltu piirilevy... 17 C- Mittaustulokset... 18 D- Mikrokontrollerin ohjelmakoodi... 21 E- Seuraavan toteutettavan muuntimen piirikaavio mallipohja... 26 6. Viitteet...27

1. Johdanto Tämän työn tarkoituksena oli toteuttaa kandintyössä suunnittelemani virtajännitemuunnin [1]. Laitetta voidaan käyttää valodiodin virtasignaalin mittaamiseen. Kyseessä on tavanomaiseen transimpedanssivahvistinkytkentään perustuva laite, jossa takaisinkytkentävastus on korvattu kytkimiin ja kondensaattoreihin perustuvalla kytkennällä (SC, Switched-capasitor). Kytkimien ohjaus hoidettiin PICmikrokontrollerin avulla. Mikrokontrollerilla voidaan ohjelmallisesti muuttaa SCpiirien kytkentätaajuutta ja tällä tavoin toteutettiin virta-jännitemuunnin, jonka vahvistus on säädettävissä. Ohjelmoitavuuden ansiosta vahvistuksen kalibrointi voidaan tehdä yksinkertaisesti ohjelman ajoituksia muuttamalla. Työssä suunniteltiin PIC18F242 [2] mikrokontrollerille ohjelma, joka hoitaa kytkimien ohjaussignaalien tuottamisen. Työssä toteutettiin kaksi eri SC-piireihin perustuvaa virtajännitemuunninta. Näiden avulla tutkittiin eri SC-piirien soveltuvuutta transimpedanssivahvistimen takaisinkytkentävastuksen korvaamiseen. Kandityön suunnitelmaa käytettiin pohjana piirin toteutukselle, mutta joitain pieniä muutoksia tehtiin ennen piirikortin teettämistä. Muun muassa muuntimien operaatiovahvistimet vaihdettiin toisen tyyppisiksi. Piiriin tehtiin jonkin verran muutoksia myös piirin testausvaiheessa. Tavoitteena oli siis pienten muutosten jälkeen toteuttaa kandintyössä suunnittelemani virta-jännitemuunnin ja todentaa sen toiminta testaamalla. Työn tarkoituksena oli osoittaa SC-piirien toimivuus virta-jännitemuuntimessa. Tarkoituksena oli samalla kerätyn mittadatan ja kokemusten avulla miettiä mahdollisia kehityskohteita ja jatkotoimia piirin osalta.

2. Virta-jännitemuuntimen kehitys 2.1 Piirin modifiointi Kandityössä suunniteltuun piiriin tehtiin muutamia modifiointeja piirin toiminnan parantamiseksi. Tämän vuoksi myös suunniteltua piirilevyä muokattiin jonkin verran ennen piirilevyn tilaamista. Alkuperäisenä tarkoituksena oli käyttää AD795 operaatiovahvistinta, mutta työssä päädyttiin lisävertailujen jälkeen käyttämään LMC662 operaatiovahvistinta [3]. LMC662 piirillä on datalehtien mukaan AD795 piiriä pienempi tulon biasvirta, mikä on muuntimen toiminnan kannalta todella tärkeää. Suurilla vahvistuksen arvoilla jo pienikin biasvirta aiheuttaa muuntimen läpi kuljettuaan suuren virheen lähtöjännitteeseen. Myös kohinaominaisuuksiltaan LMC662 on AD795 piiriä parempi. Piirille lisättiin jännitevahvistuksen omaava alipäästösuodatin piirillä olevan RCalipäästösuodattimen lisäksi. Tämä mahdollistaa tarvittaessa suurempien vahvistusten toteuttamisen. Piirille lisättiin myös jännitteenjako kytkentä, jolla voidaan muuttaa näytölle menevä jännitetaso valolähteen intensiteettiä vastaavaksi. Mikrokontrollerin osalta todettiin, että se ei toimi 40MHz kiteellä, kuten alunperin oli oletettu. Datalehdessä luvattu 40MHz käyttötaajuus saavutetaan käyttämällä mikrokontrollerin pll-osiota, joka kertoo kidetaajuuden neljällä. Tämän vuoksi piirille vaihdettiin 10MHz kide ja kontrolleri konfiguroitiin käyttämään kyseistä pll-lohkoa. Myös toinen piirillä olevista muuntimista muutettiin SC-kytkennän osalta toisenlaiseksi kuin se alkuperäisen suunnitelman mukaan oli. Kuvassa 1 näkyy molempien toteutettujen muunninten kytkennät. Lisäksi liitteinä A ja B löytyvät suunniteltu piirikaavio sekä sitä vastaava piirilevykaavio. Kuva 1 Työssä toteutetut virta-jännitemuuntimet Tässä dokumentaatiossa eri muuntimista käytetään nimityksiä piiri A ja piiri B. Piiri A on kuvassa 1 vasemmalla puolella ja piiri B oikealla.

Muunninten testausvaiheessa havaittiin piirin toiminnassa joitain ongelmia, minkä johdosta piiriin tehtiin vielä tässä vaiheessa eräitä muutoksia. Vahvistuksen valintaan käytetyn kiertokytkimen mikrokontrollerille meneviin liitäntöihin jouduttiin lisäämään 10kΩ alasvetovastukset, jotta vahvistuksen valinta toimisi. Käyttämättömien pinnien jännite asettuu tällöin maa potentiaaliin ja vain kulloinkin valittuna oleva pinni on 5V jännitteessä. Tämä estää virheellisten tilojen lukemisen, kun tarkistetaan kytkimen asentoa. Piirissä havaittiin myös muita ongelmia. Piirin rakenteesta ja mikrokontrollerin ohjaustavasta johtuen muuntimen vahvistimen lähtö oli kytkettynä pelkän takaisinkytkentäkondensaattorin kautta vahvistimen negatiiviseen tuloon piirin B tapauksessa noin 100ns ajan ja piirin A tapauksessa puolet yhden kytkentäjakson ajasta. Kuvassa 2 on esitettynä tilannetta vastaava kytkentä. Kuva 2 Piirien takaisinkytkennässä havaittu ongelma Jos oletetaan kytkentätaajuuden olevan esimerkiksi 10kHz, jolloin vahvistuksen tulisi 1 teorian mukaisesti olla =10 6 (V/A) [1]. Mikäli halutaan, että 3 12 10 10 100 10 lähtöjännite olisi noin 1V suuruinen voidaan olettaa tällöin tulovirran olevan noin 1µA. Piirin B tapauksessa tulovirta menee 15pF kondensaattorin lataamiseen noin 100ns ajan, kun siirrytään ohjauksen tilasta toiseen. Vastaavasti piirin A tapauksessa 15pF kondensaattoria ladataan noin 50µs ajan, kun kytkimet Q2 ja Q5 ovat avoinna. Lasketaan nyt tänä aikana kondensaattoriin latautuva jännite piirin A tapauksessa. Q I t 1µ A 50µ s U C = + U C0 = + U C0 = + U C0 3, 33V + U C0 C C 15pF missä U C on kondensaattoriin latautuva jännite, Q on aikana t kondensaattoriin menevä varaus, I on virta, jolla kondensaattoria ladataan, C on kondensaattorin kapasitanssi ja U C0 on kondensaattorin yli oleva jännite ajanhetkellä, jolloin kytkimet avautuvat. Kuten myös testausvaiheessa huomattiin, tämä ilmiö aiheutti mittaustuloksiin ei toivottuja ilmiöitä.

Piirin B tapauksessa kokeiltiina parantuisivatko tulokset lyhentämällä aikaa, jonka kytkimet ovat yhtäaikaisesti avoinna. Tämä tapahtui lisäämällä piiriin 74HC02 logiikka piiri, joka kostuu neljästä NOR portista. NOR portit kytkettiin yhteen kuvan 3 b) piiriksi, joka mahdollistaa kytkimien ohjauksen käyttäen vain yhtä mikrokontrollerin ohjauslinjaa. Tässä piirissä C kuvaa mikro-ohjaimelta tulevaa ohjauslinjaa. A ja B kuvaavat vastaavasti piirin lähtölinjoja, jotka toimivat samalla kytkimille menevinä ohjauslinjoina. Ohjauksen C muuttuessa tilasta toiseen piiri muuttaa lähtöjään siten, että ensin molemmat kytkinten ohjaukset käyvät tilassa 0 ja tämän jälkeen toinen linjoista menee tilaan 1. Tämä on esitetty myös tilakaavion avulla kuvan 3 kohdassa c). Molemmat ohjaukset eivät ole milloinkaan yhtäaikaisesti tilassa 1. Lisäksi tilasta AB='00' siirrytään nopeasti joko tilaan AB='01' tai tilaan AB='10' riippuen ohjauslinjan C tilasta. Tämä poistaa myös kahden eri ohjauslinjan käytöstä aiheutuvan ongelman, jonka vuoksi molempien kytkimien ohjaus on nolla tilassa aina vähintään yhden käskyn suorittamiseen kuluvan ajan. Kytkennällä saatiin pienennettyä aikaa, jonka kytkimet ovat yhtäaikaisesti avoinna noin 10ns:iin. Muutoksen avulla saatiin vähennettyä käytettävien ohjauslinjojen määrää, lyhennettyä ohjauksen yhtäaikaisten nolla tilojen kestoa ja samalla yksinkertaistettua ohjelmaa. Nyt mikrokontrollerin tarvitsee muuttaa vain yhden ohjauslinjan tilaa sekvenssillä 010101010... Tämä vähentää tarvittavien käskyjen määrää ja mahdollistaa taajuuden f kasvattamisen hieman entistä suuremmaksi. Kuva 3. a) NOR-portin totuustaulu b) SC-piirin kytkinten ohjauspiiri c) Ohjauspiirin tilakaavio

Yllä kuvattu ohjaustapa otettiin piirille käyttöön kytkemällä PIC18F242 piirin A1 linja 74HC02 piirille. 74HC02 piiri oli kytketty kuvan 3 b) mukaisesti, jolloin molemmat kytkimet olivat yhtäaikaisesti avoimen enää noin 10 ns entisen 100 ns sijasta. Tämä osoittautui erittäin tärkeäksi ominaisuudeksi, koska sen ajan, kun molemmat ohjaukset ovat nolla tilassa alkaa vahvistimen lähtö pyrkiä kohti toista käyttöjännitettä. Tämä muodostaa teräviä piikkejä muuntimen lähtöön. Tämän kytkennän käyttö paransi jonkin verran tuloksia piirin B tapauksessa. Piirin A kohdalla kytkimet Q2 ja Q5 (kuva 2) olivat kuitenkin edelleen pitkän aikaa avoinna sallien 15pF takaisinkytkentä kondensaattorin latautumisen, mikä aiheutti edelleen ongelmia. Alkuperäinen muunnin perustui perinteiseen transimpedanssivahvistimeen, joka koostuu kuvan 4 mukaisesti vahvistimesta, takaisinkytkentävastuksesta ja sen rinnalla olevasta kondensaattorista, jonka avulla signaalin kaistaa rajoitetaan. Kuva 4 Transimpedanssivahvistin Tässä työssä transimpedanssivahvistimen takaisinkytkentävastus korvattiin SC-piirillä. Mittaustulokset eivät olleet odotetun kaltaisia, joten takaisinkytkentäkondensaattori päätettiin poistaa. Tämä paransi muuntimen lineaarisuutta ja samalla vahvistusarvoissa päästiin lähelle teorian avulla laskettuja arvoja piirin A tapauksessa. Piirin B käytöstä päätettiin luopua testausvaiheessa kokonaan, kun piiri A alkoi vaikuttaa paremmalta suunniteltuun käyttötarkoitukseen. Piirin A ohjausta ja rakennetta muutettiin vielä siten, että toisen takaisinkytkentähaaran 10pF:n kondensaattori korvattiin 100pF:n kondensaattorilla ja molempia haaroja ohjattiin samanaikaisesti. Ohjaus toteutettiin siten, että aina kun toisen haaran kondensaattoria ladataan, niin toista puretaan. Tällä saavutetaan parempi mittaustarkkuus, kun molemmat kytkentäjakson puolikkaat käytetään hyödyksi. Tosin samalla myös saavutettava vahvistus putosi noin puoleen, siitä mitä se olisi käytettäessä vain toista takaisinkytkentähaaraa. Syy tähän on verrattavissa tilanteeseen, jossa transimpedanssivahvistimen takaisinkytkentävastuksen rinnalle kytketään toinen saman arvoinen vastus. Tämä puolittaa takaisinkytkentäresistanssin ja samalla pienentää vahvistuksen puoleen siitä, mitä se aiemmin oli. Myös SC-piirien tapauksessa todettiin vahvistuksen olevan puolet siitä, mitä teorian mukaan oli laskettu saavutettavan käytettäessä yhtä takaisinkytkentähaaraa. Ohjauksen muutos toteutettiin yhdistämällä eri haarojen ohjauslinjat johtimien avulla toisiinsa. Nyt saatava vahvistus on siis

1 G = 2 fc missä G on vahvistus, f on kytkentätaajuus ja C on kondensaattoreiden kapasitanssi. Kuvassa 5 on esitetty lopullinen muunnin konfiguraatio, missä on hyödynnetty kuvan 3 b) mukaista ohjauskytkentää. Kuva 5 Lopullinen muunnin kofiguraatio, jossa käytetään hyödyksi molempia takaisinkytkentähaaroja samanaikaisesti 2.2 Ohjelman kehitys Ohjelmaa suunniteltaessa törmättiin ongelmaan, jota ei alkuperäisessä suunnitelmassa ollut otettu huomioon. PIC18F242 mikrokontrollerin yhden käskyn suorittamiseen menee 4 kellojaksoa. Tästä pääteltiin alunperin maksimitaajuudeksi 10MHz. Tämä pitää paikkansa käskyjen suorittamisnopeudelle, mutta tarvittavien ohjaussignaalien muodostaminen tällä taajuudella ei kuitenkaan onnistu. SC-piirit tarvitsevat tässä työssä käytetyllä kytkennällä kaksi ohjauslinjaa yhtä vahvistusasetusta varten. Molemmat ohjauslinjat eivät saa olla yhtäaikaisesti tilassa yksi vaan toinen ohjauslinjoista täytyy tuoda tilaan nolla ennen toisen ohjauslinjan tilan asettamista ykköseksi. Käytetään tässä eri ohjauslinjoille tunnuksia A ja B sekä vastaavasti niiden tiloille tunnuksia 0 ja 1. Nyt siis kytkin on suljettuna, kun sen ohjauslinja on tilassa 1 ja vastaavasti avoinna ohjauslinjan ollessa tilassa 0. Mikrokontrollerin suorittama konekielinen käskysekvenssi muodostui alkuperäisellä kytkennällä yksinkertaistetusti seuraavalla tavalla.

ALKU Aseta B=0 Aseta A=1 Aseta A=0 Aseta B=1 Palaa kohtaan ALKU Viimeinen kohta ohjelmassa kuvaa tapaa, jolla ohjelman suorituksessa siirrytään haluttuun kohtaan koodia. Kuten huomataan yhden ohjaussekvenssin suorittaminen vie aikaa useamman käskyn verran. Tämä asettaa vastaavasti käytetylle ohjaimelle rajoituksia saavutettavaan maksimitaajuuteen f, jolla kytkimiä ohjataan. Lisäksi käytetyn mikrokontrollerin tapauksessa käsky, jolla siirrytään ohjelmassa takaisin sekvenssin alkuun, vie kaksinkertaisen ajan verrattuna muiden käskyjen suoritusaikaan. Lisäämällä viiveitä käskyjen väliin sopiviin kohtiin saadaan muodostettua kytkimille jatkuva ohjaussekvenssi, jossa A:n ja B:n pulssisuhteet ovat lähes samat. Testausvaiheessa muuntimien ohjaustapaa muutettiin lisäämällä piiriin kuvan 4 b) mukainen kytkentä. Tämä mahdollistaa kytkinten ohjaussignaalien tuottamisen käyttämällä yhtä mikrokontrollerin ulostuloa. Nyt käskysekvenssi voitiin muokata seuraavan kaltaiseksi Alku Aseta A=0 Aseta A=1 Palaa kohtaan ALKU Lisäksi käskyjen väliin täytyy jälleen lisätä sopiva määrä viiveitä, jotta kytkimet olisivat yhtäsuuren ajan suljettuina ja avoimina. Kuten huomataan, nyt kytkimien ohjaukseen tarvittava käskysekvenssi on lyhentynyt huomattavasti. Tämä mahdollistaa samalla suuremman kytkentätaajuuden käytön. Kytkentätaajuutta voidaan pienentää lisäämällä sopivasti viiveitä tilanvaihtojen väliin. Tässä työssä muuntimen vahvistuksen valinta toteutettiin kiertokytkimen avulla. Kiertokytkimen asento tarkastetaan ohjelman alussa, minkä jälkeen siirrytään suorittamaan sitä vastaavaa osiota ohjelmassa. Kuhunkin osioon on muodostettu haluttua vahvistusta vastaava kytkentätaajuus. Taajuutta hienosäätämällä voidaan vahvistus kalibroida kohdalleen. Nykyisellä toteutustavalla kytkimen asento tarkistetaan vain ohjelman alussa. Tämä puolestaan aiheuttaa sen, että vaihdettaessa kytkimen asentoa mikrokontrolleri joudutaan resetoimaan erillisen painokytkimen avulla. Lisäämällä kytkimen asennon tarkistus jokaiseen vahvistusosioon ohjelmassa voitaisiin tämä ongelma poistaa ja laitteen käyttöä yksinkertaistaa. Nykyinen ohjaustapa kuitenkin mahdollistaa suurimman mahdollisen dynamiikan valittavaan vahvistusalueeseen, koska sen avulla saavutetaan suurin mahdollinen kytkentätaajuus. Lopullinen listaus ohjelmakoodista on liitteenä D.

3. Virta-jännitemuuntimen testaus Kun piiri oli saatu koottua, aloitettiin testaaminen. Virtajännitemuuntimelle kytkettiin ±12 V käyttöjännitteet ja virran syöttöön käytettiin kalibrointivirtalähdettä. Muuntimien ulostuloa ja suodatettua signaalia tutkittiin oskilloskoopin avulla. Suodatetusta signaalista mitattiin oskilloskoopin measure-toiminnon avulla ulostulojännitteen keskiarvo V avg ja jännitteen huipusta huippuun arvo V pp. V pp arvot olivat melko suuria johtuen muuntimen lähdön jännitepiikeistä. Suodatusta parantamalla tätä ongelmaa kuitenkin voitaisiin vielä huomattavasti parantaa. Muuntimien 15pF takaisinkytkentä kondensaattoreiden poistamisen jälkeen piirin A toiminta oli halutun kaltainen. Piirin B tapauksessa ei juuri parannusta huomattu ja sen käytöstä päätettiin tässä vaiheessa luopua. Kuvassa 6 on kaksi eri mittaushetkeä piirin A tapauksessa, jotka poikkeavat toisistaan vain sisääntulevan virran suuruuden osalta. Kuva 6 a) Piiri A, virta -0,7µA b) Piiri A, virta -1,5µA Kuvassa 6 toisella kanavalla mitattiin kytkimen ohjaussignaalia (keltainen) ja toisella kanavalla mitattiin virta-jännitemuuntimen suodattamatonta lähtösignaalia (vihreä). Kuvista huomataan virran suuruuden vaikutus suodattamattoman lähtöjännitteen muotoon. Kuvassa 7 on esitetty piirin A virta-jännite riippuvuus taulukon 2 asetuksilla. Taulukko 2 Mittauksissa käytetyt asetukset Kytkin asennossa 1 4 Teorian mukainen vahvistus 10^4 10^7 Kytkimien ohjaustaajuus 1MHz 996Hz Kondensaattori 100pF 100pF Käytössä 74hc02 piiri kyllä kyllä

7 a) 1400 1200 1000 U/mV 800 600 400 200 0-120 -100-80 -60-40 -20 0 I/µA 7 b) 800 700 600 500 U/mV 400 300 200 100 0-1000 -900-800 -700-600 -500-400 -300-200 -100 0 I/nA Kuva 7 Piirin A virta-jänniteriippuvuus ilman 15 pf takaisinkytkentäkondensaattoria a) Muuntimen kytkimiä ohjattu taajuudella 1MHz b) ohjaustaajuus 996Hz Kuten kuvasta 7 huomataan virta-jännite riippuvuus on jo melko lineaarinen tietyillä virta-alueilla. Tässä vaiheessa muutettiin piirin A rakennetta ja ohjaustapaa siten, että molempia takaisinkytkentähaaroja käytetään samanaikaisesti. Myös toisen takaisinkytkentähaaran kondensaattori vaihdettiin tässä vaiheessa 100pF:n suuruiseksi. Kuvassa 8 olevassa mittaustilanteessa on käytetty kahta takaisinkytkentähaaraa rinnakkain, jolloin saatu ulostulosignaali on kuvan mukainen. Kuvassa 5 on esitettynä kuvan 8 tilannetta vastaava kytkentä.

Kuva 8 Piiri A, käytössä kaksi 100pF takaisinkytkentäkondensaattoria, joita ladataan ja puretaan vuorotellen Tässä vaiheessa tarkastettiin myös jokaiselle vahvistusasetukselle järkevä tulovirran mittausalue. Tämä tehtiin tarkastelemalla muuntimen suodattamatonta lähtösignaalia eri tulovirran arvoilla. Signaalimuodosta huomataan helposti suurin virta, jonka jälkeen piirin lähtöjännite ei enää merkittävästi muutu tulovirran kasvaessa. Näiden avulla mitattiin viimeinen mittaussarja, jonka kuvaajat löytyvät liitteenä C. Näistä viidestä kuvaajasta huomataan vahvistuksen olevan tällä piirikytkennällä huomattavan paljon lineaarisempi kuin aiemmilla konfiguraatioilla. Myös vahvistusarvot olivat tässä vaiheessa hyvin likellä tavoiteltuja arvoja. Kytkentätaajuutta muuttamalla vahvistukset olisi ollut mahdollista säätää vielä tarkemmin kohdalleen. Kuvissa 9 a) ja 9b) on taulukon 3 asetuksilla mitattu virta-jännitekuvaaja ja siihen sovitettu suora. Taulukko 3 Käytetyt mittausasetukset Kytkin asennossa 1 4 Teorian mukainen vahvistus 5*10^3 5*10^6 Kytkimien ohjaustaajuus 1MHz 996Hz Kondensaattorit 2x100pF 2x100pF Käytössä 74hc02 piiri kyllä kyllä

9 a) 600 500 400 U/mV 300 200 y = -4,147x + 121,79 100-120 -100-80 -60-40 -20 0 I/µA 0 9 b) U/mV 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 y = -4,5897x - 20,236-100 -90-80 -70-60 -50-40 -30-20 -10-50 0-100 Kuva 9 a) Muuntimen kytkimiä ohjattu 1MHz taajuudella b) ohjaustaajuus 996Hz Kuten kuvista 9 a) ja b) huomataan virta-jänniteriippuvuudet ovat nykyisellä kytkennällä melko lineaarisia. Myös saavutettu vahvistus mittausalueella on hyvin lähellä teorian mukaista arvoa. Kuvista 9 a) ja b) huomataan myös, että muuntimen lähdössä on jonkin verran offset-jännitettä myös 0 virralla. Pelkän RC-suodatuksen tilalla testattiin myös konfiguraatiota, missä piirikortilla olevat suodattimet kytkettiin peräkkäin. Tällöin lähtösignaalia vahvistettiin kertoimella -10 ja suodatin on tässä tapauksessa myös jyrkkäreunaisempi. Lähtösignaalit olivat tässä tapauksessa hyvin samankaltaisia kuin aiemmin, tosin -10:llä kerrottuja kuten odotettua. Tässä tapauksessa häiriötaso oli lähtösignaaliin verrattuna aiempaa pienempi, kun lähdön piikitystä saatiin paremmin suodatettua. I/nA

4. Yhteenveto Piirin viimeisin versio antoi hyviä tuloksia piirin toimivuuden suhteen. Tulokset olivat melko lineaarisia, mutta jonkin verran parannettavaa olisi. Saadut tulokset vahvistavat oletuksen, että SC-piirejä voidaan käyttää säädettävävahvistuksisen virtajännitemuuntimen toteuttamiseen. Viimeisintä versiota piiristä testattiin myös 10pF kondensaattoreilla, mutta tällöin muunnin ei enää toiminut lineaarisesti piirin hajakapasitanssien vuoksi. Piirin toimintaa voitaisiinkin tutkia eri kapasitanssi arvoilla. Pienillä kapasitanssi arvoilla piirin hajakapasitanssit vaikuttavat piirin toimintaan ja vastaavasti suurilla kapasitanssiarvoilla ei saavuteta suuria vahvistusarvoja. Piiri voitaisiin tosin toteuttaa tarvittaessa siten, että muuntimen lähtöä vahvistetaan erillisellä jännitevahvistimella halutulle tasolle, jos suuret kapasitanssiarvot muuten parantavat piirin ominaisuuksia. Piirin testauksen osalta olisi hyvä suorittaa mittauksia piirin mittaustulosten toistettavuuden ja kohinaominaisuuksien osalta. Myös vahvistuksen lämpötilakäyttäytymistä olisi hyvä tutkia sekä tehdä tarkemmat lineaarisuus mittaukset. Kuten jo aiemmin mainittiin piiriin tehtiin pieniä muutoksia eri testausvaiheissa. Esimerkiksi 74HC02 piiri lisättiin piirille PIC18F242 piirin yläpuolelle kuvan 10 mukaisesti. Kuvassa näkyy myös kiertokytkimen läheisyyteen lisätyt alasvetovastukset, jotka lisättiin estämään virheellisten tilojen lukeminen tarkistettaessa kytkimen asentoa. Kuva 10 Piirin viimeisin versio Muuntimen lähdön piikitys voi osittain johtua myös signaalilinjojen ylikuulumisesta. Piirin tulovirran ja muuntimen suodattamattoman lähdön sijoittaminen lähekkäin saattaa tältä osin aiheuttaa ongelmia. Häiriöiden välttämiseksi piirin digitaaliselle osiolle tulisi varata oma maatasonsa, joka on yhdistetty vain yhdestä kohtaa muun piirin maatasoon. Kuten aiemmin mainittiin myös paremman suodatuksen toteuttaminen parantaisi piirin suorituskykyä. Tällä hetkellä suodatuksen rajataajuudeksi on asetettu noin 10Hz, mutta tätä rajataajuutta olisi hyvä laskea matalammalle taajuudelle. Myös jyrkempireunaisen suodatuksen toteuttaminen voisi olla tarpeen. Myös piirille myöhemmin lisätyt komponentit olisi hyvä liittää suoraan piirille. Tämä pienentäisi samalla piirille kytkeytyviä häiriöitä. Kytkiminä käytettyjen transistoreiden kanavaresistanssi saattaa osaltaan myös vaikuttaa piirin epälineaarisuuteen.

Piirin seuraavaa versiota on tämän työn ohessa jonkin verran työstetty poistamalla piiriltä toinen muunnin. Samalla sijoitettiin tulovirran BNC-liitin suoraan piirille ilman väliin sijoitettavaa muuntimen valintakytkintä. Muuntimen lähtösignaali sijoitettiin nyt kulkemaan jonkin verran kauemmas tulovirran kulkureitistä. Samalla sijoitettiin piirille kiertokytkimen alasvetovastukset sekä 74HC02 logiikkapiiri. Lopuistakin IC-piireistä otettiin tässä vaiheessa käyttöön pintaliitosmallit. Muuntimen SC-osio toteutettiin nyt siten, että kytkimet sijoitettiin levyn pohjapuolelle ja kondensaattorit yläpuolelle. Tämä mahdollistaa helpomman komponenttien vaihdon kapasitanssiarvojen vaikutusta testattaessa. Tätä piiriä voidaan käyttää lähtökohtana piirin jatkokehitykselle. Viimeisin piirikaavio löytyy liitteenä E.

5. Liitteet A- Suunniteltu piirikaavio

B- Piirikaavion pohjalta suunniteltu piirilevy

C- Mittaustulokset Kytkin asennossa 1 Teorian mukainen vahvistus käytettäessä yhtä takaisinkytkentähaaraa Haluttu kytkentätaajuus Mitattu kytkentätaajuus Kondensaattori Käytössä 74HC02 piiri Takaisinkytkentäkondensaattori poistettu piiri A 10^4 1MHz 1MHz 2x100pF 2x100pF+74HC02 piiri mv 600 500 400 300 200 y = -4,147x + 121,79 100 0-120 -100-80 -60-40 -20 0 ua Series1 Linear (Series1) 0-100uA vahvistus -4,14E+03 V/A Kytkin asennossa 2 Teorian mukainen vahvistus käytettäessä yhtä takaisinkytkentähaaraa Haluttu kytkentätaajuus Mitattu kytkentätaajuus Kondensaattori Käytössä 74HC02 piiri Takaisinkytkentäkondensaattori poistettu 10^5 100kHz 98.04kHz 2x100pF piiri A 2x100pF 74hc02 mv 450 400 350 300 250 200 150 100 50 y = -50,598x + 0 46,676-8 -6-4 -2-50 0 2-100 ua Series1 Linear (Series1) vahvistus -5,06E+04 V/A

Kytkin asennossa 3 Teorian mukainen vahvistus käytettäessä yhtä takaisinkytkentähaaraa Haluttu kytkentätaajuus Mitattu kytkentätaajuus Kondensaattori Käytössä 74HC02 piiri Takaisinkytkentäkondensaattori poistettu piiri A 10^6 10kHz 9,96kHz 2x100pF 2x100pF mv 600 500 400 300 200 100 0-1000 -800-600 -400-200-100 0 200 400 600 800-200 -300-400 y = -0,5961x - 7,8107-500 na Series1 Linear (Series1) vahvistus -5,96E+05 V/A Kytkin asennossa 4 Teorian mukainen vahvistus käytettäessä yhtä takaisinkytkentähaaraa Haluttu kytkentätaajuus Mitattu kytkentätaajuus Kondensaattori Käytössä 74HC02 piiri Takaisinkytkentäkondensaattori poistettu piiri A 10^7 1kHz 996,0kHz 2x100pF 2x100pF mv 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 y = -4,5897x - 20,236-100 -80-60 -40-20 -50 0-100 na Series1 Linear (Series1) vahvistus -4,59E+06 V/A

Kytkin asennossa 5 Teorian mukainen vahvistus käytettäessä yhtä takaisinkytkentähaaraa Haluttu kytkentätaajuus Mitattu kytkentätaajuus Kondensaattori Käytössä 74HC02 piiri Takaisinkytkentäkondensaattori poistettu 10^8 100Hz 99,6Hz 2x100pF piiri A 2x100pF 300 mv -12-10 -8-6 -4-2 -100 0 2 4 6 200 100 0-200 -300-400 y = -50,659x - 259,64-500 na Series1 Linear (Series1) vahvistus -5,07E+07 V/A

D- Mikrokontrollerin ohjelmakoodi ;********************************************* ; * ; Filename: CVC_PROGRAM.asm * ; Date: 20.4.2008 * ; File Version: 1.1 * ; * ; Author: Jussi Mäkynen * ; * ; * ;********************************************* ; * ; Files required: P18F242.INC * ; * ;********************************************* LIST P=18F242 ;directive to define processor #include <P18F242.INC> ;processor specific variable definitions ;****************************************************************************** ;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 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 goto 0x0000 Main ;****************************************************************************** ;Start of main program Main: Loop: clrf TRISA ; make IO PortA all output clrf PORTA 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 btfsc PORTC, 4 goto Switch4 btfsc PORTC, 5 goto Switch5 goto Loop ;***************************************************************************** Switch0: bcf PORTA, 0 bsf PORTA, 0 goto Switch0 ;Switching frequency is set to 1MHz ;******************************************************************************

Switch1: bcf PORTA, 0 call wait4500 bsf PORTA, 0 call wait4500 goto Switch1 ;Switching frequency is set to 100kHz ;******************************************************************************* Switch2: bcf PORTA, 0 call wait4500 bsf PORTA, 0 call wait4500 goto Switch2 ;Switching frequency is set to 10kHz ;******************************************************************************* 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: bcf PORTA, 0 ;Switching frequency is set to 100Hz ;calling wait495us takes actually 495,4us ; and 4,9999ms=495,4us*10+45,9us bsf PORTA, 0 goto Switch5 ;*******************************************************************************

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

E- Seuraavan toteutettavan muuntimen piirikaavio mallipohja

6. Viitteet [1] J.Mäkynen,Virta-jännitemuuntimen suunnittelu valonlähteen monitorointi-ilmaisimelle, kandintyö,tkk, 12.12.2007, Viitattu 20.04.2008 [2] Microchip Technology Inc, PIC18FXX2 Data Sheet, Saatavissa <http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39564c.pdf>, Viitattu 20.04.2008 [3] National Semiconductor, LMC662 CMOS Dual Operational Amplifier, Saatavissa <http://www.national.com/ds/lm/lmc662.pdf>, Viitattu 20.04.2008