Генератор с оптической обратной связью и его практическое применение

Texas Instruments CD4093B

М.П. Басков, О.Д. Левашов

В статье рассматривается КМОП-генератор на триггере Шмитта, в котором наряду со стандартной схемой положительной обратной связи имеется дополнительная оптическая обратная связь (ОС), оказывающая существенное влияние на параметры генерируемой импульсной последовательности. Эффект, возникающий при подключении оптической обратной связи, может быть использован в практических целях.

Как это работает

Блок-схема генератора представлена на Рисунке 1. Генератор собран по классической схеме с использованием одного из элементов микросхемы CD4093BE, представляющей собой сборку из четырех двухвходовых элементов «И-НЕ». Отличие данной микросхемы от аналогичной по логическому функционалу микросхемы CD4011BE заключается в том, что каждый вход является триггером Шмитта, позволяющим работать с медленно изменяющимся входным сигналом.

Блок-схема генератора с оптической ОС.
Рисунок 1. Блок-схема генератора с оптической ОС.

Оптическая обратная связь осуществляется с выхода генератора (точка «b») через светодиод VD2 и цифровой фотоприемник DD2, выполненный на микросхеме ТSOP4838, выход которого подсоединен к свободному входу элемента DD1. При разорванной оптической связи, например, при наличии непрозрачного препятствия между VD2 и DD2, в точке «с» присутствует логическая «1», что позволяет генератору на DD1 формировать импульсную последовательность, частота которой определяется резистором R2, а длительность положительного импульса – резистором R1.

Это состояние иллюстрируется Рисунком 2.1.

Оптическая обратная связь: 2.1 - разомкнута, 2.2 - замкнута.
Рисунок 2. Оптическая обратная связь: 2.1 – разомкнута, 2.2 – замкнута.

При возникновении оптической обратной связи напряжение в точке «с» уменьшается до нуля, что принудительно поддерживает высокий потенциал в точке «b». Такое состояние продолжается до тех пор, пока внутренние временные ограничения микросхемы DD2 вновь не установят на выходе логическую единицу.

Конденсатор С1 за время принудительной остановки генератора заряжается до напряжения питания и разряжается до нижнего порога триггера Шмитта существенно дольше, что объективно снижает частоту генератора. Это отражено на Рисунке 2.2.

В граничных условиях при недостаточной освещенности фотоприемника TSOP сигнал на его выходе носит случайный характер по частоте возникновения, длительности импульса и его задержке относительно фронта возбуждающего светового импульса. При приеме цифровых сигналов это приводит к ошибке принятого кода; при приеме управляющего импульса в устройствах охранной автоматики – к ошибкам срабатывания сигнализации. Эти недостатки присутствуют и в рассматриваемом генераторе. На Рисунке 3.1 представлен случай недостаточной освещенности фотоприёмника DD2. Выходной импульс в точке «с» короче возбуждающего импульса и сдвинут относительно его фронта на случайную величину.

Выходной сигнал фотоприемника DD2: 3.1 - при недостаточной освещенности, 3.2 - при достаточной освещенности.
Рисунок 3. Выходной сигнал фотоприемника DD2: 3.1 – при недостаточной освещенности,
3.2 – при достаточной освещенности.

На Рисунке 3.2 показана осциллограмма стационарного процесса, когда освещенность фотоприемника DD2 достаточна и фронт выходного импульса сдвинут относительно фронта возбуждающего импульса на фиксированную величину, равную примерно 380 мкс. Этот факт дает возможность построения импульсного дискриминатора для фиксации факта корректной работы фотоприемника. Справедливости ради нужно отметить, что для случая, показанного на Рисунке 3.2, в эти 380 мкс входит еще время включения генератора несущей частоты, составляющее в самом худшем случае половину периода несущей частоты 38 кГц, то есть примерно 13 мкс.

Практическое применение

На основе генератора с оптической обратной связью нами были изготовлены несколько устройств, реализующих обнаруженный эффект, например, локатор заднего обзора для самоката или велосипеда, показанный на Рисунке 4.1. В приложении к статье есть видео с испытанием этого устройства. Его практическая полезность заключается в том, что при маневре влево можно столкнуться с обгоняющим велосипедистом или с гражданином на мощном самокате.

Оптическая обратная связь: 2.1 - разомкнута, 2.2 - замкнута.
Рисунок 4. Практическое применение генератора с оптической обратной связью. 4.1 – локатор
заднего обзора для самоката. 4.2 – фотодатчик для шлагбаума.

Второе устройство – это фотодатчик для шлагбаума, исключающий опускание стрелы, если под ней находится человек или автомобиль. Стандартно для этой цели применяются датчики типа «световой барьер», приемная часть которых устанавливается на стойке шлагбаума, а передающая – на опоре для стрелы. В нашем дворе передатчики (иногда вместе с опорами) регулярно сносятся девушками за рулем и спецтехникой ЖКХ. Поэтому был изготовлен датчик локаторного типа, показанный на Рисунке 4.2.

Двухнедельная эксплуатация фотодатчика при пропуске 80-100 машин в день показала, что такое устройство вполне работоспособно. Принципиальная схема фотодатчика для шлагбаума показана на Рисунке 5. Локатор для самоката отличается лишь тем, что вместо реле в качестве нагрузки используется буззер (пищалка).

Схема содержит генератор с оптической обратной связью на элементе D1.1, управляемый кварцевый генератор несущей частоты на элементах D1.2 и D1.3, преобразователь длительности импульса в напряжение на элементе D1.4 и два усилителя мощности на транзисторах VT1 и VT2, нагрузкой которых служат светодиод VD3 и реле К1, соответственно.

Принципиальная схема фотодатчика для шлагбаума.
Рисунок 5. Принципиальная схема фотодатчика для шлагбаума.

Кварцевый генератор применён, поскольку датчик должен работать в широком температурном диапазоне.

Остановимся подробнее на работе преобразователя длительности импульса в напряжение. В исходном состоянии генератор D1.1 с указанными на схеме номиналами компонентов генерирует положительные импульсы длительностью 600-800 мкс с частотой 40-50 Гц. Эти импульсы заряжают конденсатор С2 (точка «с») примерно до 0.5-0.8 В, что существенно ниже верхнего порога срабатывания триггера Шмитта на элементе D1.4. При появлении оптической обратной связи длительность положительного импульса возрастает до 8-10 мс, что приводит к резкому росту напряжения на конденсаторе С1 и срабатыванию триггера Шмитта.

Низкий уровень на выходе элемента D1.4 будет сохраняться до тех пор, пока существует оптическая обратная связь. Как только эта связь разорвется, конденсатор С2 начнет разряжаться через R5. Цикл завершен. Применение такого преобразователя длительности импульса в напряжение обеспечивает эффективное подавления состояния неопределенности, возникающего на выходе фотоприемника DD2 при недостаточной освещенности.

Наличие полезного сигнала фиксируются четко, без промежуточных состояний.

При пассивных элементах, указанных на схеме, устройство гарантированно работоспособно в диапазоне напряжения питания 3.7-5.2 В. Однако для постоянства настроек рекомендуем использовать стабилизированный источник питания. Ток потребления в режиме ожидания составляет 2 мА, а при обнаружении препятствия ток потребления определяется нагрузкой – реле или буззером.

Дальность обнаружения препятствия при использовании 10-градусных объективов, которые можно приобрести за копейки на AliExpress, зависит от тока через светодиод VD3, который, в свою очередь, определяется величиной резистора R8. При сопротивлении резистора R8, равном 1 кОм, максимальная дальность обнаружения препятствия составляет около 80 см. Если величина резистора R8 равна 20 Ом, дальность обнаружения человека в одежде нейтральных цветов составляет более 10 метров. Доступ к резистору R8 должен быть выполнен с учетом эксплуатации изделия вне помещения.

Несмотря на неоспоримые достоинства, изделиям на основе описанного генератора свойственны некоторые недостатки. Датчик для шлагбаума нежелательно устанавливать в узких проездах, когда стена здания отстоит от конца стрелы всего на несколько метров, так как в этом случае возникает паразитное отражение от стены, работа датчика становится неустойчивой и критично зависит от настройки устройства резистором R8.

Локатор заднего обзора для самоката реагирует на прохожих, оказавшихся в зоне обзора, поэтому крепление локатора на руль должно предусматривать изменение угла локации в горизонтальной плоскости для выбора оптимального положения.

Где еще может быть применен описанный генератор? Например, в качестве датчика наличия автомобиля или мотоцикла в «слепой зоне». Такие датчики, установленные под зеркалами заднего вида, помогут предотвратить ситуации, когда при начале маневрирования помеха неожиданно телепортируется из параллельной вселенной.

Чтобы исключить ложные сигналы от машин, движущихся через полосу, индикацию наличия препятствия в «слепой зоне» можно включать синхронно с указателем поворотов. Увеличить дальность обнаружения можно, применив в качестве VT1 мощный полевой транзистор или транзистор Дарлингтона средней мощности и, соответственно, уменьшив величину резистора R8 до 3-5 Ом.

Более подробно о конструировании ИК-локаторов можно прочитать в авторских статьях [1, 2].

Заключение

В статье описан генератор с оптической обратной связью, возникающей в моменты обнаружения отраженного от препятствий светового потока. Полезный сигнал обрабатывается преобразователем длины импульса в напряжение с устранением зоны неопределенности. Приведены примеры практического применения такого генератора и видеоматериалы испытаний конкретного образца.

 
Практическое использование КМОП-генератора на триггере Шмитта с оптической обратной связью.

Источники

  1. Басков М.П., Левашов О.Д. Некоторые вопросы конструирования любительских инфракрасных локаторов. Часть 1
  2. Басков М.П., Левашов О.Д. Некоторые вопросы конструирования любительских инфракрасных локаторов. Часть 2

Материалы по теме

  1. Datasheet Texas Instruments CD4093B
  2. Datasheet Vishay TSOP48xx
  3. Datasheet ON Semiconductor BC516

JLCPCP: 2USD 2Layer 5PCBs, 5USD 4Layer 5PCBs

CD4093B Купить ЦенаКупить CD4093B на РадиоЛоцман.Цены — от 10,18 до 70,23
5 предложений от 5 поставщиков
CMOS QUAD 2-INPUT NAND SCHMITT TRIGGERS
Варта
Россия
CD4093B
Texas Instruments
10,18 ₽
Триема
Россия
CD4093B, (HCF4093M013TR) SO14
STMicroelectronics
13,00 ₽
T-electron
Россия и страны СНГ
CD4093B
Texas Instruments
по запросу
ЭлектроПласт- Екатеринбург
Россия
CD4093B----CALLREP
Texas Instruments
по запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя