docPrzetwornik napięcie-częstotliwość - WFiIS
download 
Reklamacja Transkrypt
Przetwornik napięcie-częstotliwość - WFiIS
Przetwornik napięcie-częstotliwość Czytnik TLD Fizyka Medyczna, studia II stopnia, Dozymetria i elektronika w medycynie Elektroniczna Aparatura Dozymetryczna, WFiIS, AGH 1 Czytnik TLD RA’94 Elektroniczna Aparatura Dozymetryczna, WFiIS, AGH 2 Czytnik TLD RA’94 FOT Fotopowielacz PIF Przetwornik prąd napięcie ZWN Zasilacz wysokiego napięcia (1kV) PLT Element Peltiera do chłodzenia FOT (opcjonalnie) PTW Moduł przetworników cyfrowo‐analogowych DAC Elektroniczna Aparatura Dozymetryczna, WFiIS, AGH 3 Czytnik TLD RA’94 Elektroniczna Aparatura Dozymetryczna, WFiIS, AGH 4 Czytnik TLD RA’94 10pA → 1Hz 20µA → 2MHz ZWN FOT DAC 2 MHz 120 ns PIF Licznik 24 bity DAC Pozycja kalibracyjna Pozycja pomiarowa U/f Akwizycja i sterowanie Licznik 12 bitów Szuflada pomiarowa DAC Czytnik zawiera dwa układy ADC zbudowane w oparciu o przetwornik napięcie‐częstotliwość. Elektroniczna Aparatura Dozymetryczna, WFiIS, AGH 5 Przetwornik napięcie-częstotliwość Vs = + 15V Rt = 6 6,8kΩ 8kΩ 1,9 V 2 CL= 1µF 100kΩ RL = 100kΩ VL = + 5V Przetwornik napięcie‐prąd 3 1 wyjście uniwibrator 6 wejście j 5 10kkΩ RS = 15kΩ 8 Ct = 10nF T komparator 7 KA331 T = 1,1 1 1 · R t · Ct Elektroniczna Aparatura Dozymetryczna, WFiIS, AGH 4 6 Przetwornik napięcie-częstotliwość Wejście Wyjście Uin fout Zasada działania polega na równowadze między średnim prądem ładowania i rozładowania kondensatora CL: I ład = I rozłoz Przełączenie ą komparatora p p powoduje j wygenerowanie yg impulsu p o szerokości T,, któryy jest j imnpulsem wyjściowym. Przez czas T kondesator CL jest ładowany powyżej napięcia wejściowego Uin ładunkiem Q=I·T. Średni prąd ładowania: 1,9V I ład = ⋅1,1 ⋅ Rt ⋅ Ct ⋅ f out RS Po zakończeniu czasu T kondesator CL rozładowuje się poprzez rezystor RL: Vin I rozłoz = RL Gdy napięcie na CL osiągnie wartość Uin, komparator zadziała ponownie i rozpocznie się nowy cykl. f out 1 RS 1 = U in ⋅ ⋅ ⋅ 2 ,09 RL Rt Ct 2, Elektroniczna Aparatura Dozymetryczna, WFiIS, AGH 7 Przetwornik napięcie-częstotliwość Zmontuj układ według rysunku na slajdzie 6. 6 Obserwuj przebiegi napięcia na wejściu 1 i wyjściu 3. Przeprowadź pomiar zależności częstotliwości fout wyjściowego przebiegu od stałego napięcia Uin na wejściu. Uin [V] fout [Hz] Wyznacz liniowość tej charakterystyki w zakresie do 10Hz do 11kHz. 11kHz Pomiary powtórz dla trzech wartości rezystancji RS = 10, 15, 20 kΩ Dla wartości RS = 15 kΩ wykonaj pomiary dwa razy dla Rt =6,8 i 15 kΩ . Elektroniczna Aparatura Dozymetryczna, WFiIS, AGH 8 Przetwornik napięcie-częstotliwość Zaobserwuj na oscylskopie przebiegi napiecia na nóżce 3 i 1 układu dla częstotliwości bliskiej częstotliwości maksymalnej, przy której układ działa poprawnie. Na tej podstawie spróbuj odpowiedzieć na pytanie: dlaczego układ przestaje działać ? Elektroniczna Aparatura Dozymetryczna, WFiIS, AGH 9 Przetwornik napięcie-częstotliwość Podłącz wyjście przetwornika do wejścia licznika BCD z wyświetlaczem LCD przygotowanym na płycie FPGA. +3.3V LCD U/f 3 V14 FPGA Implementacja licznika Elektroniczna Aparatura Dozymetryczna, WFiIS, AGH 10 Przerzutnik D Qn+1 = D CLK D Qn Qn+1 ↑ 0 x 0 kasowanie ↑ 1 x 1 ustawianie n+1 oznacza nstępny stan wyjścia Q tzn. po narastającym zboczu zegara ↑ WSTiE, Sucha Beskidzka, Informatyka ‐ Elektronika 11 Przerzutnik J-K CLK J K Qn Qn+1 ↓ 0 0 x Qn trzymanie ↓ 0 1 x 0 kasowanie ↓ 1 0 x 1 ustawianie ↓ 1 1 x Q’n ↑ x x x Qn 0 1 00 0 1 01 0 0 11 1 0 10 1 1 Q JK zamiana Qn+1 JQ’n + K’Q K Qn +1 = JQ WSTiE, Sucha Beskidzka, Informatyka ‐ Elektronika 12 Przerzutnik T T CLK T Qn Qn+1 ↑ 0 x Qn trzymanie ↑ 1 x Q’n zamiana i ↓ x x Qn 0 1 0 0 1 1 1 0 Q T Alternatywa wykluczająca y ją Qn+1 = QnT’ + Q’nT = Qn⊕T WSTiE, Sucha Beskidzka, Informatyka ‐ Elektronika 13 Licznik asynchroniczny 1 T D1 clk clk D1 D2 1 T D1 1 T D2 clk Elektroniczna Aparatura Dozymetryczna, WFiIS, AGH 14 Licznik asynchroniczny T T T Elektroniczna Aparatura Dozymetryczna, WFiIS, AGH T 15 Licznik synchroniczny 1 T D1 clk clk D1 D2 1 T D1 T D2 clk Elektroniczna Aparatura Dozymetryczna, WFiIS, AGH 16 Licznik synchroniczny T T T Elektroniczna Aparatura Dozymetryczna, WFiIS, AGH T 17 Blok wejściowo‐ wyjściowy Pionowy kanał łączeniowy ą y (I/O Block – IOB) (Vertical Routing Channel) Konfigurowalny blok logiczny Element kluczujący (Configurable Logic Block – CLB) (Switch Box ‐ SB) Element łączący (Connection Box ‐ CB) Poziomy kanał łączeniowy (Horizontal Routing Channel) Siatkowe FPGA składa się z matrycy konfigurowalnych bloków logiki (Configurable Logic Blocks ‐ CLBs), z Elektroniczna Aparatura Dozymetryczna, których każdy składa się z klastra podstawowych elementów logicznych (Basic Logic Elements ‐BLEs)., które 18 WFiIS, AGH składają się z pamięci podręcznej (Look‐Up Table) i przerzutnika (Flip‐Flop). Architektura FPGA Siatkowe FPGA składa sięę z matrycy y y konfigurowalnych g y bloków logiki (Configurable Logic Blocks ‐ CLBs), z których każdy składa się z klastra podstawowych elementów logicznych (Basic Logic Elements ‐BLEs), BLEs) które składają się z pamięci podręcznej (Look‐Up (Look Up Table) i przerzutnika (Flip‐Flop). Elementy El t kluczujące kl j (S i h boxes (Switch b ‐ SB) łączą ł poziome i i pionowe i ścieżki sieci połączeniowej. Elementy łączące (Connection Boxes – CB) łączą bloki logiczne CLB i bloki wejścia‐wyjścia IOB z sąsiadującymi ścieżkami sieci połączeniowej. Sieć połączeniowa FPGA zajmuje 80‐90% powierzchni układu. Powierzchnia logiki zajmuje 10‐20%. Elastyczność FPGA zależy głównie od jego programowalnej sieci połączeniowej. Dl Dlatego mówi ó i się i teżż o architekturze hi k wyspowejj – „wyspy”” llogiki iki w „morzu”” zasobów bó połączeniowych. Elektroniczna Aparatura Dozymetryczna, WFiIS, AGH 19 Switch Box Switch Box Connection Box Switch Box Switch Box Zasoby połączeniowe wokół jednego bloku CLB z segmentami śćieżek długości 1 Elektroniczna Aparatura Dozymetryczna, WFiIS, AGH 20 Spartan‐3AN System Gates Equivalent Logic Cells CLBs Slices Maksymalna liczba linii I/O XC3S700AN 700k 13248 1472 5888 372 V14 GND Elektroniczna Aparatura Dozymetryczna, WFiIS, AGH Źródło impulsów 21 XC3S700AN Liczba CLB: nCLB = 1 472 szt. szt Jeden CLB składa się z czterech SLICE‐ów: Liczba SLICE: nSLICE = nCLB ·4 = 5 888 szt. Jeden SLICE składa się z dwóch komórek logicznych LC: Liczba LC: nLC = nSLICE ·2 = 11 776 szt. Równoważna komórka logiczna ELC jest obliczana ze współczynnikiem 1,125: Liczba ELC: nELC = 1,125· nLC = 13 248 szt. Liczba bramek systemowych wynika ze skomplikowanych przeliczeń poszczególnych elementów układu na dwuwejściowe bramki NAND i ma charakter raczej marketingowy. Spartan‐3AN System Gates Equivalent Logic Cells CLBs Slices Maksymalna liczba linii I/O XC3S700AN 700k 13248 1472 5888 372 AGH, WFiIS, IS, st.I, HDL 22 Model RTL w HDL Przebieg konfiguracji Synteza logiczna Mapowanie technologii Klastrowanie Rozmieszczanie Wyznaczania tras połączeń Generacja strumienia bitowego strumień bitowy Elektroniczna Aparatura Dozymetryczna, WFiIS, AGH 23 Automatyczna synteza licznika BCD Narzędzie: Synplify Elektroniczna Aparatura Dozymetryczna, WFiIS, AGH 24 8 Ct = 330pF VL = + 3,3V Rt = 6,8kΩ 3,3kkΩ Vs = + 15V Przetwornik intensywność światłaczęstotliwość ę 5 3 wyjście RL = 10kΩ 6 uniwibrator komparator 7 LTR‐4206 CL= 1nF 2 RS = 10 0kΩ λ Przetwornik napięcie‐prąd 1 Elektroniczna Aparatura Dozymetryczna, WFiIS, AGH 4 25 Fototranzystor LTR-4206 Elektroniczna Aparatura Dozymetryczna, WFiIS, AGH 26
