RX a 4 canali a raggi infrarossi

Istituto Professionale di Stato per l'Industria e l'Artigianato
MORETTO
Via Luigi Apollonio, 21 BRESCIA
LX818
RICEVITORE 4 CANALI A RAGGI INFRAROSSI
a cura di :
COMELLI
MONTAGNESE
VILLANI
della classe 5AI TIEE
CORSO DI LABORATORIO MISURAZIONI
a. s. 1992-93
RICEVITORE 4 CANALI A RAGGI INFRAROSSI
Il ricevitore a raggi infrarossi a quattro canali può essere utilizzato se accoppiato con un
trasmettitore. tramite la pressione sui tasti del trasmettitore, possiamo controllare 4 diversi circuiti,
che a loro volta possono controllare diverse apparecchiature. Questo dispositivo deve essere
sintonizzato alla stessa frequenza del trasmettitore; se ciò non avviene, il dispositivo rimane
inattivo non rilevando i segnali inviati dalla decodifica.
trasduttore
stadio C.C
max.trasfer.
di tensione
doppio
stadio
selettivo
rivelatore
squadratore
decodifica
darlington
max.trasf.
corrente
STRUTTURA
CIRCUITALE
Il ricevitore può essere suddiviso in due parti fondamentali:
lo stadio RICEVITORE e quello di DECODIFICA E POTENZA.
RICEVITORE :
Questo blocco é formato da più componenti con caratteristiche di impiego differenti che studieremo
ed analizzeremo approfonditamente. Per la trasmissione dei dati si sfruttano raggi infrarossi modulati in ampiezza dal circuito trasmettitore, il quale è il circuito complementare al nostro ricevitore
in esame. Notiamo che nel circuito del ricevitore é presente un fotodiodo (D1) che é polarizzato
inversamente. Quando questo fotodiodo é colpito da un fascio di raggi infrarossi, questi raggi (che
sono raggi luminosi, pur non essndo visibili all'occhio umano)agiscono sulla giunzione del diodo
creando numerosi portatori liberi, i quali determinano una corrente inversa di sensibile valore, proporzionale all' intensità luminosa che colpisce il componente , ma soprattutto quello che ci
interessa, é che la corrente inversa é dipendente dalla lunghezza d'onda della radiazione luminosa.
Nel nostro caso, come già detto, usiamo i raggi infrarossi per ricevere i dati, dunque tutte le
lunghezze d'onda al di fuori di quelle corrispondenti all'infrarosso non ci interessano. Dunque é per
questo che il fotodiodo ha una particolarità molto importante:è totalmente schermato alla luce
normale, e capta i soli raggi infrarossi, ciò per non avere delle anomalie nel funzionamento;
poichè se il foto diodo fosse normale, una esposizione alla luce naturale potrebbe anche dare dei
falsi comandi che non desideriamo. Il fotodiodo presenta una resistenza elevata ai suoi capi perchè
è polarizzato inversamente; inoltre, il fatto che "butta fuori" corrente, fa sì che possiamo
paragonarlo ad un generatore di corrente, di cui la corrente generata è una funzione dell'intensità
luminosa che colpisce il fotodiodo. Sulla resistenza R4 abbiamo una caduta di tensione dovuta al
fatto che la tensione ai capi di R3 , sommata alla VCE, non è uguale alla tensione di alimentazione. Secondo il secondo principio di Kirchoff:
VCC = VR 3 + VCE + VR 4
dunque
VR 4 = VCC − VCE − VR 3
(1.1)
2
La resistenza R2 mette il fotodiodo in condizione di polarizzazione inversa. La variazione di
corrente nel nodo dove il fotodiodo si collega alla R2 , dovuta al fascio di luminosità che colpisce lo
stesso fotodiodo, arriva in base al transistor, dato che il condensatore C2 ad una frequenza
elevata, come quella corrispondente alla variazione della corrente inversa del diodo, si comporta
da cortocircuito, dunque lascia passare la variabile e blocca la componente continua che polarizza
il transistor. Lo stadio in cui è inserito il TR1 è un collettore comune, dunque il segnale in uscita
all'emettitore, si può pensare che non amplifichi in tensione, perchè come noto il guadagno in
tensione dello stadio a collettore comune è circa uguale ad 1, ma funzionando come adattatore di
impedenza, fa sì che vi sia il massimo trasferimento di tensione.
Se schematizziamo il circuito trasduttore di ingresso (fotodiodo) come un generatore di corrente ad
alta impedenza di ingresso, e lo colleghiamo al successivo stadio selettivo senza interporre uno
stadio a collettore comune, avremo un collegamento con un generatore ad alta impedenza ed una
resistenza (quella di ingresso complessiva dello stadio) molto più bassa; vedi schema:
Se ragioniamo a grandi linee, possiamo affermare che se Ri>>Rstadio poichè Rstadio è nell'ordine
di Ω -centinaia di Ω, la tensione che cadrà ai suoi capi sarà una minima parte di quella totale generata, dunque la restante parte di questa tensione, la quale è maggiore rispetto a quella
precedente, cadrà ai capi della resistenza interna al generatore.
Se interponiamo uno stadio collettore comune, in questo modo:
risulta esservi il massimo adattamento di impedenza e quindi il massimo trasferimento di tensione.
Questo stadio oltre che amplificare la corrente adatta l'impedenza molto elevata del fotodiodo alla
bassa impedenza di ingresso dei successivi stadi amplificatori.
A questo punto i condensatori che sono posti tra uno stadio ed il successivo (C4, C7, C10)
fungono da condensatori di accoppiamento e quindi fanno passare la variabile che ci interessa. Lo
stadio successivo, composto dal TR2 e da i relativi dispositivi ad esso collegati, é uno stadio
amplificatore selettivo, poiché al collettore vi é collegato un carico risonante. Questo carico, é il
parallelo tra una resistenza, un condensatore ed un'induttanza. La resistenza R5 serve per allargare
un pò la banda passante. Senza questa resistenza rischieremmo di non riuscire a catturare la
frequenza che ci interessa. La frequenza di centro banda si calcola in questo modo:
1
f0 =
(1.2)
2⋅π L⋅C
sostituendo i valori nella formula, rirulta che la frequenza in questione è circa uguale a 46KHZ. A
questo punto, ci calcoliamo la banda passante B
B = f TS − f TI
(fts indica la frequenza di taglio superiore, fti mentre indica la frequenza di taglio inferiore ) la
banda passante B può essere anche calcolata tramite la seguente formula:
f
B= 0
(1.3)
ε
dove ε è il rapporto tra la potenza reattiva e quella attiva, e indica il coefficente di bontà del
circuito risonante:
Potenza Reattiva Immagazzinata
ε=
(1.4)
Potenza Attiva Dissipata
3
Sappiamo che l'induttanza è un componente molto più scadente del condensatore per cui il suo Q è
maggiore di quello del condensatore; poi vi è la condizione QL << QC, che fa si di trascurare la Q
del condensatore, in quanto il condensatore è un componente molto più affidabile dell'induttanza,
dunque il suo fattore di bontà sarà sicuramente elevato. Noi prendiamo l' ε più basso per potere
approssimare i calcoli; quindi sapendo che il rapporto tra Pr e Pa è uguale a ε risulta che:
V2 R
R
R
ε=
⋅ 2 =
=
≅ 3,46
(1.5)
XL V
X L ω0 L
di conseguenza calcoliamo la banda passante:
f 0 46 ⋅ 103
B=
=
= 13, 3 KHz
ε
3, 46
(1.6)
questa corrisponde alla distanza delle due frequenze di taglio. Essendo 46kHz la frequenza di centro
banda e conoscendo la banda passante, si puo' facilmente ricavare:
⎛ B⎞
f TI = f 0 − ⎜ ⎟ ≅ 40 KHz
(1.7)
⎝2⎠
⎛ B⎞
f TS = f 0 + ⎜ ⎟ ≅ 52 KHz
(1.8)
⎝2⎠
Il trasmettitore, LX ABC ^**** un circuito che deve essere abbinato al nostro ricevitore a raggi
infrarossi, trasmette i dati su di una frequenza portante di 50kHz, dunque possiamo notare che è
una frequenza compresa nella banda passante del circuito amplificatore selettivo. Tutte le
armoniche che non sono comprese in questa fascia di frequenze vengono attenuate dal circuito.
Lo stadio successivo è identico a quello appena analizzato, infatti è anch'esso un amplificatore
selettivo ed ha il compito di attenuare ulteriormente le frequenze che non ci interessano, oltre che
risaltare la frequenza portante la quale contiene i dati trasmessi.
Il blocco successivo è denominato RIVELATORE; esso è formato dal diodo D3 e il transistor Q4,
il diodo e la giunzione base emettitore del BJT sono collegati in antiparallelo e quindi la tensione ai
loro capi non può superare il valore di 0.6V e non può diventare minore di -0.6V (vedi il circuito
sotto riportato):
dunque la tensione è tutta ai capi di R13 quando il transistor Q4 è
R12
JBE
saturo. Questa tensione è squadrata dalle due porte logiche
IC2(A-B) triggerate, la seconda, di queste porte,
oltre a
C R11
C10
squadrare il segnale lo rimette in fase per farlo arrivare
correttamente alla decodifica.
Infatti tale operazione di squadratura è necessaria, poichè l'integrato contiene un circuito digitale
che riconosce solo livelli logici alti o bassi, 1 o 0 (Vcc o massa) e non livelli intermedi.
STUDIO DELLA DECODIFICA MC145027
Passiamo ora ad analizzare quello che può essere definito il cuore del nostro circuito: il DECODER.
Questo integrato è costruito con tecnologie CMOS, esso riceve i dati in modo seriale
dall'ENCODER; quando questi sono validi li trasmette in uscita.
La trasmissione dei dati consiste nel comunicare identiche parole-dati che vengono confrontate tra
di loro bit a bit. I primi cinque bit sono gli indirizzi della decodifica che dovranno essere uguali a
quelli dell'encoder, verranno quindi confrontati. Le combinazioni possibili che entrano nel nostro
decoder sono calcolabili tramite la seguente relazione matematica:
35 (il numero 3 rappresenta il numero degli stati possibili, cioè 1, 0 o APERTO; mentre l'esponente
5, indica il numero degli indirizzi disponibili). Svolgendo l'operazione risulta 35=729.
4
Il dato trasmesso è costituito da due identiche parole dati, le quali vengono esaminate bit a bit al
momento della ricezione. Ogni singolo bit è interpretato in logica di tipo trinario (0, 1, open). Il
trasmettitore MC 145026 ha la caratteristica di fornire in uscita una parola dati costituita da 9 bit
(che possono essere interpretati come indirizzi o come dati).
Il nostro ricevitore MC 145027 ha la particolare caratteristica di interpretare e suddividere l'intera
parola dati in tal modo:
- i primi 5 bit vengono tradotti dal decoder come indirizzi;
- i restanti 4 bit vengono tradotti come dati.
Siccome gli ultimi 4 indirizzi sono costituiti da un codice trinario, affinchè in uscita della
decodifica vi sia il livello alto o basso, il nostro decoder é in grado di tradurre come livello logico
alto in uscita, l'eventuale stato di open fornito dall' encoder.
Il decoder, se l'informazione é valida, memorizza gli ultimi 4 bit ricevuti (traducendoli come databit). Al momento della ricezione della seconda parola-dati, gli ultimi 4 bit vengono confrontati con i
bit precedentemente memorizzati, se non vi sono disugualianze si ha all'uscita del decoder l'informazione di dati che verrà inviata ai dispositivi esterni. Per realizzare ciò, é necessario che il
messaggio d'ingresso sia ricevuto per intero, questo é possibile grazie al collegamento ai morsetti
RC, R, C di resistenze e condensatori che consentono l'identificazione dei bit d'ingresso. Il codice
del decoder verrà anticipatamente imposto tramite i contatti A1---A5 (ogni contatto AX corrisponde
quindi a un bit). Il modo in cui vengono presentati i livelli agli ingressi AX, viene eseguito
mediante dei ponti(collegamenti ellettrici)tra i morsetti S-B per il livello alto, alternativamente B-D
per il livello basso, mentre se non si esegue nessun collegamento il decoder tradurrà il livello come
stato di open.
Riportiamo ora il blocco del decoder con i relativi dispositivi ad esso connessi:
Tramite le formule prese sui data sheet possiamo calcolare tre diversi tipi di costanti di tempo:la
prima corrisponde al tempo "morto"(_3), cioè il tempo che intercorre tra una prima serie di 9 bit
ed un'altra, il tempo necessario affinchè il decoder confronti l'intera parola di bit è calcolabile
tramite la seguente relazione:
τ1 = 3, 95 ⋅ R15C14 ≅ 612 , 6ms
(2.0)
La costante di tempo che indica la fine trasmissione è uguale a:
τ 2 = 77 ⋅ R14 C13 ≅ 11, 94 ms
(2.1)
All'interno del decoder vi è un comparatore capace di riconoscere il tempo morto; teoricamente
esso è calcolabile nel modo seguente:
τ 3 = 0 , 4 ⋅ τ 2 ≅ 4 , 78ms
(2.2)
5
Proseguendo l'analisi del funzionamento degli altri dispositivi possiamo vedere che il diodo D2 è di
protezione al piedino 11 del decoder, in tal modo non rischiamo che il condensatore, C15, si
scarichi sulle porte CMOS della decodifica. Le due porte triggerate IC2(C-B) vengono utilizzate
anch'esse da squadratori. Quando sul pin 11 (Vt) c'è il livello logico 1,
anche sulle porte
triggherate vi è lo stesso segnale in tal modo il led si accende. Il diodo led non è altro che un
visualizzatore del perfetto funzionamento del decodificatore. Se tramite il confronto dei bit risulta
un errore, Vt è a livello logico basso quindi il led è spento.
CONSIDERAZIONI FINALI
In considerazione a quello da noi studiato, possiamo senz'altro constatare che se il fascio di raggi
infrarossi non raggiungesse il fotodiodo non vi potrà essere passaggio di corrente. Per verificare il
funzionamento del nostro circuito, abbiamo posto il trasmettitore a qualche metro dal ricevitore,
premendo uno o più dei suoi pulsanti abbiamo notato l'eccitazione di uno dei quattro relè(in
corrispondenza del pulsante premuto). Il relè rimarrà eccitato per tutto il tempo in cui il pulsante
viene premuto, viceversa non appena lasciamo il pulsante immediatamente il relè si disecciterà. Di
seguito riportiamo i grafici che esemplificano il funzionamento del circuito:
- Grafico A:
rappresenta il segnale presente sull'uscita dello stadio a collettore comune.
- Grafico B e C:
rappresentano i segnali presenti sull'uscita dei singoli stadi selettivi, come si può notare i segnali a
bassa frequenza vengono eliminati.
- Grafico D:
rappresenta il segnale sull'uscita del rivelatore. Come si può notare il seguente segnale risulta essere
non perfettamente sinusoidale.
- Grafico E:
rappresenta il segnale sull'uscita delle due porte logiche triggherate, il verrà poi inviato alla
decodifica. Dal grafico risulta evidente come il segnale sia perfettamente suadrato, con livello
logico alto e basso.
Di seguito riportiamo l'equivalente diagramma a blocchi della nostra decodifica;
Il diagramma del decoder MC 145027, come possiamo notare, é costituito in linea generale da
un blocco di confronto e da un blocco di memorizzazione dei bit.
Il blocco di confronto è costituito dalla comparazione tra i bit trasmessi dal trasmettitore (A1---A5)
e il codice da noi prefissato (Sequencer circuit).
Attraverso degli interruttori analogici (di tipo bilaterale) vengono confrontati in sequenza i cinque
indirizzi (A1---A5); la comparazione di ogni indirizzo viene poi,
tramite una porta EXOR,
confrontata con un data bit; se gli ingressi della porta sono uguali, in uscita della EXOR avremmo
il livello logico basso, cosicché il blocco CONTROL LOGIC, attivato con livello logico 0, attiverà
il piedino VT convalidando la trasmissione.
Riportiamo ora la caratteristica intensità luminosa-corrente del nostro trasduttore d'ingresso: il
FOTODIODO.
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