Projekt ELEKTRONIČKA META

Mjerenje brzine projektila na meti

Jedna od nadogradnji elektroničke mete bilo bi dodavanje još jedne svjetlosne zavjese koja bi služila samo za mjerenje brzine projektila na meti. To bi bio temelj za automatski izračun balističkog koeficijenta korištenog projektila (metak, dijabola ili slag).

U objavi Kronometar za mjerenje brzine metka vidjeli smo jednu od najjeftinijih kineskih izvedbi komercijalnog kronometra (cijena oko 50 eura). Svjetlosne zavjese su trapeznog oblika, a aktivna površina je visine 20 cm, širine 5-10 cm. Zavjese sadrže po 12 IC emitera i 12 IC senzora (foto-dioda) vezanih paralelno. Deklarirana najveća brzina detekcije je 1000 m/s.

Jeftini kineski kronometar, kao što se vidi na shemi, ima dva stupnja naponskog pojačanja i komparator za dobivanje čistog digitalnog impulsa kojim se okida MCU. Prvi stupanj se bazira na jeftinom operacijskom pojačalu opće namjene LM258 koje radi kao neinvertirajuće naponsko pojačalo, manjeg pojačanja. Drugi stupanj je praktično tranzistorska sklopka sa S8050 i on daje impuls za komparator. Komparator je u specifičnom spoju gdje ulazni napon ne uspoređuje sa nekim referentnim naponom, nego reagira na razliku napona koja nastaje vremenskim kašnjenjem ulaznog signala kod promjene stanja. Detaljni opis možete naći u objavi Kronometar.

Odmah treba reći da pojačala za foto-diode u većini primjena nisu naponska, već strujna. Takva pojačala se zovu transimpedancijska pojačala (TIA). Ona ulaznu struju (reda µA) pretvaraju u proporcionalnu vrijednost napona na svojem izlazu (obično reda nekoliko desetaka ili stotina mV). TIA pojačala su bolje rješenje za foto-diode od naponskih pojačala jer mogu biti vrlo brza. Međutim, TIA pojačala su za razliku od naponskih pojačala vrlo sklona oscilacijama, tako da moraju biti pažljivo izvedena i oklopljena.

Strujno ili naponsko pojačalo

Izbor između TIA i naponskog pojačala za naš kronometar zapravo se svodi na borbu protiv kapaciteta 16 paralelno spojenih foto-dioda, koji u najboljem slučaju doseže 150-200 pF.

Glavna prednost TIA pojačala je što omogućuju veću brzinu odziva. Budući da pojačalo održava napon na diodama konstantnim (0V), kapacitet dioda se ne mora puniti i prazniti. To teoretski omogućuje najbrži mogući odziv. Također, izlazni napon je izravno proporcionalan struji svjetla, što olakšava detekciju malih promjena (sjene od metka).

Međutim, TIA pojačala koriste operacijsko pojačalo u konfiguraciji koja prirodno teži oscilacijama. Stoga su TIA pojačala vrlo osjetljiva na povećan kapacitet na ulazu te spajanjem velikog kapaciteta na invertirajući ulaz zapravo radimo “savršen recept” za oscilator, a ne pojačalo. Morat ćemo precizno naći vrijednost kondenzatora za kompenzaciju u povratnoj vezi (kojim zapravo gušimo brzinu pojačala) i pažljivo izvesti ulazne linije da se maksimalno smanji parazitski kapacitet.

Kod naponskog pojačala diode rade s otpornikom prema masi, a pojačalo samo pojačava napon koji se stvori na tom otporniku. Pojačalo je u standardnoj neinvertirajućoj konfiguraciji i “izolirano” je od kapaciteta dioda otpornikom. Gotovo nikada ne oscilira. Stoga ga je lakše dizajnirati na običnoj pločici ili s čipovima u DIP-8 kućištima.

Međutim, problem kod naponskih pojačala je spori odziv. Kapacitet dioda i otpornik tvore filtar. Ako imamo kapacitet 200 pF i otpornik od 100 kΩ kako bi dobili što veći naponski signal, onda je granična frekvencija svega 8 kHz što bi moglo biti presporo za puščane metke brzine 1000 m/s ili male dijabole brzine 300 m/s. Da bi odziv bio dovoljno brz, moramo smanjiti otpornik na 1 kΩ, ali tada bi napon „sjene“ mogao biti utopljen u šumu.

Kineski dizajn ili vlastiti dizajn

Kineski dizajn kronometra koristi naponsko pojačalo i otpornik od 10 kΩ te prema mojim testovima dobro funkcionira do brzina 300 m/s (dijabole 6,35 mm). Naponsko pojačalo je puno lakše i jeftinije izvesti, posebno kad se radi o velikim serijskim proizvodnjama, gdje se doslovno svaki cent uštede računa. U Kini postoji filozofija “Cha bu duo” (u prijevodu: “skoro isto” ili “dovoljno blizu”). Ako uređaj radi dovoljno dobro ili čak na granici upotrebljivosti, on ispunjava svoju svrhu za 90% kupaca.

Kinezi naprave uređaj koji cijenom nema konkurenciju i razlika u cijeni između njihovog proizvoda i najjeftinijeg proizvoda renomiranog proizvođača, mora biti što je moguće veća. Stoga Kinezi nemaju motivaciju raditi uređaje da budu imalo bolji od nekog minimuma. To bi povećalo cijenu, a čak i da je to povećanje minimalno, već se bliže ulazi u opasnu zonu gdje se kupac počne pitati da li je bolje dodati još malo novaca pa kupiti brendirani model, nego riskirati sa ovim kineskim.

Meni je uvijek zanimljivo proučavati kineske elektroničke sklopove široke potrošnje jer se često koriste izuzetno jednostavna i jeftina rješenja koja na prvi pogled izgledaju posve netipično, nerazumljivo, da ne kažem i besmisleno. No kada se doista ide proučavati kako taj sklop radi, otkrivaju se vrlo promišljena i pametna rješenja kakva nećete naći opisana ni u jednom elektroničkom udžbeniku.

Neosporna je činjenica da kineski jeftini kronometar doista radi „dovoljno dobro“. Međutim, njihova zavjesa je veličine samo 20×5-10 cm i meci uglavnom lete kroz sredinu. Moja zavjesa je 26×26 cm i ne želim nigdje imati „mrtva područja“. Uz to stalno ganjam balans između brzine, osjetljivosti, pouzdanosti i točnosti, a nemoguće je izvući iz svega najbolje. U relativno kompleksnom projektu poput našeg, gdje postoje različiti brzi signalni i komunikacijski krugovi te razni bežični protokoli (WiFi, Lo-Ra), dakle puno izvora potencijalnih VF smetnji, bolje bi bilo koristiti naponska pojačala.

TIA je teža za “ukrotiti”, međutim, ako se TIA pojačalo uspije dobro podesiti i kompenzirati, onda dobivamo puno brži i oštriji brid signala za kasnije precizno mjerenje. Što su ulazni senzorski krug i upotrijebljena pojačala sporija i tromija, to će izlazni impuls biti blaži i razvučeniji. Najgore je kad vrijeme porasta signala i vrijeme pada signala nije jednako za svaki impuls iz pojačala (jitter). Tada komparator okida na različitim vremenima trajanja impulsa što izravno unosi pogrešku u mjerenju. Kod sporih naponskih pojačala ovo može biti prilično izraženo.

Odabir komponenti

Da bi mogli početi razvijati shemu našeg kronometra, treba prvo vidjeti koje komponente i po kojoj cijeni uopće možemo nabaviti.

FOTO-DIODE

Za našu primjenu najbolje bi odgovarale foto diode promjera 3 mm, sa ravnim vrhom i sa tamnim (crnim) tijelom koje filtrira vidljivo svjetlo. Svakako nam trebaju foto-diode što manjeg unutrašnjeg kapaciteta i što veće maksimalne foto-struje. S obzirom da nam treba 64 foto-dioda, moramo naći neki balans između specifikacija i cijene.

Najmanji kapacitet (često ispod 2 pF) imaju SMD foto-diode za brze komunikacije. Tako primjerice foto-dioda TEMD7100X01 (Vishay) ima na 0 V i u potpunom mraku kapacitet 4 pF, a na 5 V (1 MHz) taj kapacitet pada na 1,3 pF. Kapacitet dioda inače pada sa naponom napajanja i raste sa osvjetljenjem. Takve SMD diode bi koštale preko 100 eura (64 komada), a osim toga trebalo bi spretnosti da se uredno zaleme jedna do druge na pločicu u duljini od 26 cm.

Da ne opisujem puno pretrage, u konačnici sam našao foto-diode oznake PD3060BP. Ove diode imaju kapacitet 12 pF (3 V) i koštaju oko 7 eura (64 komada). Promjera su 3 mm, imaju ravni vrh i crno tijelo. Foto-struje je 18 µA. Ulazni kapacitet 16 paralelno spojenih dioda na 5 V će biti oko 150-200 pF. To mogu smanjiti povećanjem napona (10 V) ili smanjenjem grupe na primjerice 8 dioda. I jedno i drugo prilično komplicira izvedbu detektorske elektronike, a najgore je što ne mogu donijeti odluku bez praktičnih testova.

Vjerojatno ću napraviti PCB za 8 grupa po 8 foto-dioda, ali za prvi prototip ću povezati 4 grupe po 16 foto-dioda.

OPERACIJSKA POJAČALA

Kinezi su u opisani Kronometar ugradili operacijsko pojačalo LM258 koje radi kao naponsko pojačalo. LM258 je klasa općih (general-purpose) bipolarnih (BJT) operacijskih pojačala. U usporedbi s modernim JFET pojačalima, LM258 je svakako znatno sporije pojačalo sa lošijim specifikacijama, ali ima jednu prednost u jeftinim uređajima: može raditi na jednom napajanju i detektirati signale blizu mase (0 V). Ovo pojačalo je odabrano jer je „dovoljno dobro“ za naponsku detekciju u jeftinom kronometru.

Usporedba BJT i JFET operacijskih pojačala

LM258 (BJT) ima vrlo nizak Slew Rate od oko 0,3 V/µs što znači da mu treba puno vremena da “podigne” napon kad metak prođe, što rezultira “tupim” i sporim impulsom. JFET pojačala poput TL072 ili OPA2134 s druge strane imaju Slew Rate od 13-20 V/µs što zači da su 40 do 60 puta brži od LM258. To omogućuje detekciju vrlo kratkotrajnih sjena koje bacaju brzi projektili.

Operacijska pojačala TL072 i OPA2134 imaju isto kućište i raspored nožica kao LM258, no to su pojačala puno boljih karakteristika.

Budući da foto-diode daju vrlo slabu struju, važno je da je pojačalo ne potroši na samom ulazu. LM258 troši oko 45 nA struje sa svojih ulaza, dok JFET operacijska pojačala imaju ulaznu struju u rangu pikoampera: 60 pA (TL072) ili 5 pA (OPA2134). To je praktički nula, pa se sav signal iz foto-diode koristi za detekciju, bez gubitaka.

Što se čine frekvencijskog opsega LM258 je ograničen na oko 1 MHz, dok JFET pojačala imaju širinu od 3 MHz (TL072) do 8 MHz (OPA2134). To osigurava da signal ostane oštar čak i uz visoko pojačanje.

Što ako se na kineskom kronometru zamijeni LM258 sa nekim boljim JFET operacijskim pojačalom

Iz svega što smo naveli čini se da bi zamjena „tromog“ LM258 sa nekim JFET operacijskim pojačalom poboljšala pouzdanost i osjetljivost detekcije signala sa foto-dioda. Iako teorija govori u prilog tome, u praksi bi se moglo pojaviti niz problema sa ugradnjom „brzog“ operacijskog pojačala.

Čim se podiže brzina ili frekvencija nekog elektroničkog kruga, sve više dolaze do izražaja parazitski kapaciteti i induktiviteti, odnosno općenito sve kompleksne impedancije u električnom krugu. To znači da dizajn same tiskane pločice, raspored komponenti i filtarski krugovi moraju pratiti tu brzinu. U suprotnom, lako se izazovu neželjene pojave poput saooscilacija (VF šumova) i RC konstante koje potpuno nadjačavaju ili prigušuju koristan signal. Također, ako smo povećali brzinu ulaznog pojačala, onda i svi naredni stupnjevi moraju slijediti tu brzinu. To znači ugradnju bržih komparatora i bržih mikrokontrolera.

Osim problema sa povećanjem brzine, treba računati i na probleme sa povećanjem osjetljivosti koja se dobije ugradnjom JFET pojačala. Čim se poveća osjetljivost elektroničkih krugova, povećava se i osjetljivost na vanjske smetnje. Kod kineskog kronometra glavni izvor takvih smetnji bio bi WiFi modul, a kod naše elektroničke mete imamo i Lo-Ra modul. Trebalo bi izvesti dobro elektromagnetsko oklapanje tih komponenti, dok je spori LM258 prirodno ignorirao takve VF smetnje.

Ovdje neću ulaziti u dublju analizu kineskog kronometra, no kad bi se išlo na poboljšanje tog dizajna vjerojatno bi bila dobra zamjena “Rail-to-Rail” pojačala poput TLV2372 ili MCP6002 koja su brža od LM258, ali su dizajnirana za rad na niskim naponima i jednostrukom napajanju, pa bi se puno bolje uklopila u originalni dizajn. Time bi se dobila brža detekcija jer bi signal na izlazu pojačala bi bio oštriji. Vjerojatno bi se pouzdanije detektirali brži i manji projektili. Međutim, moguće da bi pouzdanost detekcije pala zbog veće osjetljivosti na šum (lažne detekcije).

“Rail-to-Rail” operacijska pojačala TLV2372 i MCP6002 su pin-kompatibilna sa LM258 ali izrađena u naprednijoj tehnologiji i puno boljih karakteristika.

Namjenska operacijska pojačala za foto-diode

Za strujno (TIA) pojačalo, gdje se izravno pretvara slaba struja foto-diode u napon, trebate operacijsko pojačalo koje ima što nižu ulaznu struju polarizacije (Input Bias Current) i veliku brzinu (Slew Rate). Najbolji odabir su svakako JFET pojačala koja imaju vrlo visoku ulaznu impedanciju i nisku struju polarizacije (u rangu pA). To su široko korištena operacijska pojačala poput TL072, TL082, LF353 ili pak moderna visoko kvalitetna namjenska operacijska pojačala poput OPA2134, OPA2132 s Burr-Brown tehnologijom, odnosno AD8605, AD8606 ili MCP6002, MCP602 sa “Rail-to-Rail” izlazom. Takva operacijska pojačala imaju vrlo nisku razinu šuma, vrlo brz odziv i zanemarivu struju polarizacije. Obično rade na niskim naponima, a neka čak ne trebaju ni simetrično napajanje. Cijena im je vrlo niska (ispod 1 eura).

Gotova rješenja

Kako i kod svakog drugog sklopa i ovdje sam potražio moguća gotova rješenja TIA pojačala koja bi mogao izravno povezati sa svojim foto-diodama. Postoje čipovi koji sadrže isključivo TIA ili slična namjenska pojačala za foto-diode, poput MAX3658, MAX3806 ili LTC6268.

MAX3658

MAX3658 je namjenski napravljen isključivo za primanje podataka putem optičkih vlakana do brzina 622 Mbps (optički Internet). Dizajniran je da se montira u malo TO-46 kućište zajedno s vanjskom foto-diodom. Ima fiksno pojačanje i vrlo širok frekvencijski pojas od 580 MHz. Međutim, problem je što ima ugrađen “low-frequency cutoff” na oko 30 kHz što znači da bi mogao potpuno ignorirati spore projektile. Za MAX3658 postoje SFP Breakout ploče, no tu je sve specijalizirano za optičke kablove i bilo bi komplicirano prilagoditi za foto-diode.

MAX3806

MAX3806 je dizajniran za mjerenje udaljenosti laserom (Lidar). Radi s AC spregnutom vanjskom foto-diodom. Ima podesivo pojačanje i ugrađeni atenuator. Dizajniran je da ostane linearan čak i s vrlo jakim signalima, što je dobro ako bi sjena velikih projektila kroz zavjesu dala toliko jak signal koji bi obična pojačala bacio u zasićenje. Za ovaj čip nisam našao razvojnu pločicu.

LTC6268

LTC6268 nije samo TIA čip, već operacijsko pojačalo s ekstremno niskom strujom polarizacije od svega 3 fA (femto-ampera). Koristi se s vanjskim foto-diodama u TIA spoju. Najčešće je primjenjuje u preciznim mjernim instrumentima. Ima vrlo širok propusni opseg od 500 MHz i “Rail-to-Rail” izlaz. Ima vrlo mali ulazni kapacitet, što uvelike smanjuje šum koji nastaje zbog paralelnog spoja više foto-dioda.

LTC6268 djeluje kao vrlo moćno rješenje, međutim, za ovaj čip je potrebno dizajnirati vrhunsku pločicu sa zaštitnim prstenovima (Guard Rings) kako bi se spriječio curenje struje po površini PCB-a. Za LTC6268 proizvođač izričito preporučuje poseban layout pločice bez laka preko kritičnih vodova kako bi se zadržala ta ekstremna osjetljivost.

Razvojne pločice sa LTC6268 čipom mogu se naći po cijenama od oko 50 eura na više. Cijena nije mala ali za tu cijenu dobivate savršen layout, ugrađene SMA konektore i eliminirane parazitske kapacitete. Sam čip inače košta negdje 10-20 eura.

AD8015

AD8015 je dizajniran specifično za optičke komunikacije. Ima diferencijalni izlaz i fiksno pojačanje. Vrlo je brz (240 MHz), ali ga je teže prilagođavati (mijenjati otpornike) jer je čip visoko integriran. Pločice sa ovim čipom imaju širok raspon cijena, od 15-70 eura, ovisno o dodanim elementima i layoutu.

Nešto za (skromije) DIY uvjete: OPA350, OPA380, OPA657, OPA847, OPA855

Nisam siguran koliko sam spreman u svojim DIY uvjetima upuštati se u rad sa SMD čipovima i preciznim VF dizajnima za frekvencije reda GHz, a nisam baš ni raspoložen za module koji koštaju blizu 100 eura jer ih trebam više komada. Potražio sam stoga gotove TIA pločice sa operacijskim pojačalima serije OPA.

Po cijeni od 15 eura na više mogu se naći gotova TIA pojačala sa raznim operacijskim pojačalima poput OPA350 (38 MHz), OPA380 (90 MHz), OPA657 (1,6 GHz), OPA847 (3,9 GHz), OPA855 (8 GHz) i sličnima. Svako operacijsko pojačalo ima neke svoje specifičnosti pa se tako bira optimalan tip za određeni projekt. Nama bi za svjetlosnu zavjesu bila i više nego dovoljna pojačala OPA350 ili OPA380 jer su zbog nižeg GBW-a stabilnija i lakša za rad u DIY uvjetima. OPA380 je posebno dizajniran za foto-diode i bio bi možda najbolji izbor. Pojačalo sa OPA657 je vjerojatno najbrže pojačalo koje bi se možda još moglo nekako „ukrotiti“, dok su super brza pojačala OPA847 i OPA855 previše za naših 16 foto-dioda (150-200 pF). Ta pojačala bi sigurno prooscilirala čim bi ih upalio, čak i uz jaku kompenzaciju u povratnoj vezi.

Realno, za pouzdan rad s 16 paralelnih dioda, OPA380 je vjerojatno najbolji “high-end” izbor koji bi se još uvijek mogao kontrolirati bez prevelikog rizika. Međutim, s 16 paralelnih foto-dioda (cca 150–200 pF), vremenska konstanta ulaza je ta koja će odrediti stvarnu brzinu, a ne sirovi GBW čipa. Čak i da odaberem pojačalo od 1,6 GHz, morao bi ga toliko “ugušiti” kondenzatorom u povratnoj vezi da ne oscilira, da bi mu efektivna brzina pala na razinu mnogo sporijeg pojačala.

Koliko god brzi čipovi izgledaju primamljivo, mislim da je OPA350 najbolji izbor. Pruža ogroman napredak u odnosu na kineski LM258, a moguće mu je osigurati pouzdanost u DIY uvjetima. Super-brza pojačala poput OPA855 zahtijevaju četveroslojnu pločicu, kritične razmake vodova i specifične dielektrike. OPA350 će raditi pouzdano i na običnoj dvoslojnoj pločici, pa čak i na kvalitetnoj prototipnoj, bez straha da će “podivljati” na svaku i najmanju promjenu električnih uvjeta.

Samostalni čip OPA350 košta manje od 1 eura, dobavljiv je čak i u klasičnom DIP-8 kućištu, no modul TIA pojačala sa tim čipom košta 30-50 eura. Zbog ovakve cijene pretpostavljam da su korištene četveroslojne pločice sa posebnim slojevima za masu i napajanje kako bi se minimizirao šum, te posebnim dizajnom kako bi se smanjio parazitski kapacitet. Vjerojatno su ugrađeni precizni i kvalitetni otpornici i kondenzatori s niskim temperaturnim koeficijentom. Skuplji moduli dolaze i sa metalnim oklopom.

RJEŠENJA KOJA KOMBINIRAJU FOTO-DIODU I TIA POJAČALO

Postoje komponente (čipovi) koje sadrže foto-diodu i TIA pojačalo u jednom kućištu. Primjer su OPT101, S6986 (Hamamatsu) ili TSL serije od Osrama (TSL250, TSL251, TSL252). Kod takvih komponenti sprega između foto-diode i pojačala može biti maksimalno optimizirana za najbolje moguće performanse.

Ipak, za našu primjeni niti jedno od ovih rješenja nije pogodno. Foto-diode sa TIA pojačalima bi bile prevelike i preskupe za slaganje niza od 64 takve komponente. Također, ne možemo ih električki jednostavno paralelno spajati, nego bi trebalo izlaze razdvojiti barem otpornicima za sumiranje, a to bi opet oslabilo signal.

Tu su zatim i različiti optički senzorski moduli namijenjeni za detekciju gesti (prepoznaje pokrete ruke), boja (može razlikovati boje objekata ili osvjetljenja), ambijentalnog svjetla (mjeri ukupnu količinu svjetla) i proksimiteta ili blizine (detektira koliko je objekt blizu). Jedan takav primjer je APDS-9960.

Na pločici se nalaze IC emiter (IC dioda), fotodiode, ADC i digitalni procesor za obradu signala i komunikaciju. Takvi senzori se često se koriste u mobilnim uređajima, za beskontaktne prekidače, pametne lampe, robotiku i za DIY projekte na raznim interaktivnim sustavima kao što je Arduino.

Međutim, ovo nisu pogodni moduli za našu primjenu, najviše zato jer sadrže integrirane optičke parove (IC emiter i prijemnik) koji rade samo na malim udaljenostima (oko 10 cm) i nisu dovoljno brzi.

U kineskim trgovinama možete naći najrazličitije gotove izvedbe (module) foto-senzora, foto-prekidača i foto-detektora, no gotovo nigdje nećete naći na kojem čipu se baziraju kao ni specifikacije glede osjetljivosti, pouzdanosti ili brzine odziva. Ipak, gotovo je sigurno da se takvi moduli koji koštaju 1-3 eura ne mogu uspoređivati sa TIA pojačalima od 50 eura. Moje pretrage nisu svedene isključivo na Kinu, međutim u većini slučaja kada sve zbrojim upravo kineska rješenja su ona koja nude najbolji omjer cijene i kvalitete.

IC prijemnik za daljinske upravljače

Za cijenu ispod 1 eura možete kupiti univerzalni IC prijemnik za daljinske upravljače poput popularnih TSOP31238, HS0038 ili VS1838. Iako izgledaju kao obična IC dioda sa tri izvoda, to je zapravo cijeli integrirani sklop u jednom kućištu, koji uključuje PIN foto-diodu, TIA pojačalo, automatsku kontrolu pojačanja (AGC), pojasni filtar (obično 38 kHz), demodulator i oblikovač signala (shaper).

Zvuči odlično, no ovo je posve neupotrebljivo za našu primjenu. Budući da je ugrađen filtar na 38 kHz, elektronika će potpuno ignorirati jedan impuls koji stvori prelet metka. Prolazi samo serija impulsa frekvencije 38 kHz. Ovi senzori su jednostavno dizajnirani da ignoriraju nemodulirane “DC promjene”. Za njih je signal koji stvara prolazak metka samo smetnja koju treba filtrirati.

KOMPARATORI

Danas većina čipova dolazi u SMD kućištima tako da je uvijek dobra ideja istražiti gotova rješenja, odnosno gotove module sa operacijskim pojačalima i komparatorima. Najbolje bi zapravo bilo naći modul koji kombinira naponsko pojačalo za foto-senzore i komparator za dobivanje čistog digitalnog signala. Ovakav „2 u 1“ čip nisam uspio naći, međutim, mogu se potražiti komparatori koji imaju nešto osjetljivije ulaze.

Od gotovih jeftinih modula sa komparatorima (ispod 5 eura) najrašireniji i najjeftiniji su moduli sa dvostrukom komparatorom LM393, koji se također prodaju i kao gotovi IC senzori ili prijemnici. Na takvim modulima je jedan komparator obično spojen tako da pojačava signal, a drugi ga uspoređuje. Modul ima potenciometar za fino namještanje praga okidanja (osjetljivosti).

Međutim, problem je što je LM393 relativno spori čip. Vrijeme odziva (propagirajuće kašnjenje) kod LM393 iznosi tipično oko 1,3 µs. Međutim, to vrijeme ovisi i o tome koliko je ulazni napon veći od referentnog praga (tzv. input overdrive). Ako je razlika mala (5 mV) kašnjenje može biti i preko 2 µs. U najboljem slučaju uz overdrive iznad 100 mV kašnjenje može biti 600-700 ns u idealnim uvjetima. Mi svakako težimo kašnjenju manjem od 600 ns.

Slični komparatoru LM393 su i moduli sa komparatorima LM339 (300 ns – 1,3 µs) i LM2903 (500 ns – 1 µs). To su također prilično spori komparatori.

„Stara škola“ brzih komparatora poput LM161/361 (8-20 ns), LM160/360 (12-25 ns), LM119/219/319 (80 ns), LM306 (28-40 ns) se danas već teže nabavlja, cijena im zna biti prilično visoka, a sa kineskih trgovina lako dobijete neke lažnjake po naizgled povoljnoj cijeni.

Moderni brzi komparatori su obično ultra-brzi (nekoliko ns, ili ispod ns) ali i prilično skupi. Od povoljnijih, to je primjerice TLV3501 (4,5-12 ns) ili LT1719 (4,5-8 ns). Nama bi odgovarali i nešto sporiji komparatori poput MCP6561, MCP6562, MCP6564 (34-80 ns). MCP6564 ima četiri komparatora u jednom kućištu i košta oko 2 eura po komadu. S druge strane, cijena bržeg TLV3501 je isto tu negdje, oko 0,5 eura po komadu tako da ni to nije neki problem.

Moduli sa komparatorima TLV3501 ili TLV3502

Čipovi serije TLV (npr. TLV3501 ili TLV3502) su ultra-brzi komparatori koji u sebi već imaju određeno “pred-pojačanje” i histerezu. Imaju kašnjenje od samo 4,5 ns i direktno daju digitalni izlaz. Iako nisu klasična pojačala, dovoljno su osjetljivi da mogu okinuti na mali impuls koji prođe kroz kondenzator, naravno pod uvjetom da im se dobro namjesti prag napona na referentnom ulazu.

Mogu se kupiti zalemljeni na module sa potenciometrom i SMA konektorima. Cijena modula je 5-20 eura, a cijena pojedinačnog čipa je ispod 1 euro.

SAMOSTALNI NAMJENSKI ČIPOVI

MAX903, MAX907 i MAX908 su namjenski čipovi dizajnirani da pretvaraju slabe analogne signale izravno u TTL/CMOS logičke razine. Izuzetno su stabilni i imaju ugrađenu zaštitu od lažnih okidanja. Često se koriste u optičkim prijemnicima.

Druga opcija su vrlo precizna operacijska pojačala koja se nazivaju instrumentacijska pojačala. Ona mogu biti konfigurirana na više načina kao invertirajuća, neinvertirajuća ili diferencijalna pojačala. Obično imaju ugrađene komparatore, a pojačanje im se može vrlo fino programirati. To može biti kompletno rješenje, međutim to su već dosta skupe komponente i teže dobavljive u malim količinama. Čipovi za takva pojačala su na primjer LT199x serija ili AD8237.

Što na kraju odabrati

Naša senzorska zavjesa 260×260 mm bi morala imati 64 foto-diode (kao i u laserskom dizajnu) i te foto-diode bi trebale biti spojene paralelno. Spajanje svih 64 dioda paralelno bi stvorilo ogroman ulazni kapacitet kako za TIA tako i za naponska pojačala, stoga diode moramo spajati u manje grupe. Teoretski maksimum bi bilo spajanje po 16 foto-dioda u grupu (150-200 pF), no svakako bi se veća brzina i stabilnost dobili spajanjem po 8 foto-dioda u grupu (80-100 pF). To znači da nam treba 4 ili 8 kanala zasebnih pojačanja, što svakako uvjetuje odabir. Treba računati i sa cijenom elemenata i sa kompleksnosti praktične izvedbe.

U svakom slučaju trebaju nam dva operacijska pojačala i jedan komparator po kanalu. Za operacijska pojačala smo našli OPA350 kao optimalan izbor glede brzine odziva i pouzdanosti (mogućnosti stabiliziranja), a komparator nije toliko kritičan glede oscilacija te možemo pronaći neki sa najboljim odnosom cijene i brzine odziva, što bi svakako bio TLV3501 ili TLV3502.

PRVI PROTOTIP

Uzmimo da je konačna odluka glede komponenti 2 x OPA350 i TLV3501 po kanalu. Ostaje samo odlučiti da li će prvo pojačalo OPA350 biti TIA ili naponsko.

Ako prvi stupanj konfiguriram kao TIA (diode su spojene izravno na invertirajući ulaz, koji je na virtualnoj masi) dobivam najbržu moguću konfiguraciju i signal metka prolazi praktično trenutno. Izlazni signal je također vrlo čist jer TIA stupanj ima nisku impedanciju i manje skuplja okolne elektromagnetske smetnje (EMI). Problem je osigurati stabilnost takvog pojačala da ne uđe u oscilacije jer veliki kapacitet dioda uzrokuje fazni pomak. Stabilnost mogu osigurati dobrim dizajnom ulaznih vodova tako da ne stvaram dodatne kapacitete te dodavanjem odgovarajućeg kondenzatora u povratnoj vezi 10-22 pF.

Ako prvi stupanj konfiguriram kao naponsko pojačalo (diode su spojene na otpornik prema masi, a pojačalo pojačava napon s tog otpornika) dobivan vrlo dobru stabilnost. Pojačalo je u neinvertirajućem spoju, potpuno je stabilno i ne može prooscilirati zbog dioda. Međutim, brzina odziva i čistoća signala će biti lošiji. Ovdje kapacitet dioda i otpornik stvaraju “usko grlo” (nisko-propusni filtar). Ako želim iole mjerljiv napon (npr. s otpornikom 10 kΩ kao u kineskom dizajnu), odziv će biti sporiji od 5-10 µs. Također, visoka impedancija na ulazu (otpornik) djeluje kao antena za šum iz okoline (WiFi, Lo-Ra i digitalni šum iz CPLD-a).

Odlučio sam se za rješenje koje se bazira na TIA pojačalu. Evo elektroničke sheme.

Ulazni spoj foto-dioda

Odabir su jeftine foto-diode PD3060BP (12 pF) i za početak spajam 16 komada paralelno. Ako TIA pojačalo bude nestabilno na ovom kapacitetu, smanjiti ću grupu na 8 foto-dioda po kanalu.

U većini shema TIA pojačala vidjeti ćemo da je anoda foto-diode na masi, a katoda na invertirajućem ulazu pojačala. To je najčešći spoj jer je najjednostavniji za stabilizaciju, ali ima jednu veliku manu za našu primjenu: diode rade u foto-naponskom režimu (bez vanjskog napona, same proizvode napon/struju). U tom režimu do izražaja dolazi unutrašnji kapacitet dioda što izravno utječe na brzinu odziva.

Nama puno više odgovara foto-konduktivni režim rada gdje su foto-diode reverzno polarizirane na vanjski napon. Kada spojimo katode na +5 V, a anode na ulaz pojačala (koji je na 0 V), dioda je pod zapornim naponom od 5 V. Zaporni napon “širi” zaporni sloj u diodi, što drastično smanjuje kapacitet (često 3 do 5 puta). Manji kapacitet znači puno brži odziv i lakšu stabilizaciju OPA657. U foto-konduktivnom režimu se istina pojavljuje mala (stalna) struja mraka i šum, ali za detekciju metka (gdje tražimo brzu promjenu, a ne apsolutnu preciznost intenziteta svjetla) to je potpuno zanemarivo.

Otpornik od 220 Ω koji spaja katode na Vcc određuje bias foto-dioda u reverznom spoju. Ovaj otpornik ima dvije uloge: on je limitator istosmjerne struje i dio RC filtra za napajanje.

Kada 16 dioda obasja jako sunce, one vuku znatnu struju. Taj otpornik uzrokuje pad napona prije nego što struja dođe do dioda. Ako koristimo otpornik malog otpora (100-470 Ω) čak i uz jaku struju na diodama ostaje visok zaporni napon (blizu 5V). To održava njihov kapacitet niskim, što je ključno za brzinu od 500 ns. Kad bi stavili veliki otpornik (10-100 kΩ), onda bi kod porasta struje dioda pad napona na otporniku biti toliki da će diodama preostati vrlo mali zaporni napon (npr. pasti će s 5V na 0.5V). Tada im kapacitet naglo raste, a odziv postaje trom i spor.

Također, u kombinaciji s kondenzatorom od 100 nF koji sam stavio prema masi, taj otpornik tvori nisko-propusni filtar za napajanje. S 220 Ω i 100 nF filtriraju se sve smetnje iz napajanja iznad cca 7,2 kHz. To je odlično jer filtrira VF smetnje iz DC-DC pretvarača prije nego uđu u osjetljivi TIA stupanj. Kondenzator od 100 nF prema masi je također ključan jer osigurava da je katoda “čvrsta” točka za brze impulse.

U svakom slučaju, želimo da na diodama uvijek ostane barem 3V do 4V zapornog napona, čak i pri najjačem očekivanom ambijentalnom svjetlu, pa ćemo tome prilagoditi vrijednost otpornika. Teoretske vrijednosti u rasponu 220-470 Ω bi ovdje trebale funkcionirati jer je to dovoljno mali otpor da zadrži diode “brzima” (nizak kapacitet) i pod jakim svjetlom, a dovoljno velik da u kombinaciji s kondenzatorom učinkovito filtrira šum napajanja.

Kapacitivna sprega između foto-dioda i TIA

U kineskom dizajnu kronometra vidjeli smo kapacitivnu spregu odmah između foto-dioda i naponskog pojačala. Međutim, u slučaju kada koristimo TIA pojačalo, taj kondenzator bi izazvao više problema nego koristi. Naime, OPA657 je ultra-brzo pojačalo koje je izrazito osjetljivo na kapacitet na invertirajućem ulazu. Dodavanjem serijskog kondenzatora između dioda i ulaza, stvara se kompleksna rezonantna mreža s parazitskim kapacitetima samog pojačala. To bi gotovo sigurno dovelo do divljih oscilacija koje bi bilo vrlo teško smiriti bez drastičnog usporavanja cijelog sustava.

Osim toga, operacijsko pojačalo treba DC put za struju polarizacije (bias current) na ulazu. Kondenzator bi odvojio ulaz od DC razine dioda i blokirao povratnu vezu koja drži ulaz na virtualnoj masi. Ulaz bi stoga počeo “lutati” (driftati) dok se ne stabilizira na jednom od napona napajanja (zasićenje). Da bi se ro riješilo, morao bi dodati otpornik od ulaza prema masi, međutim, taj otpornik bi postao ogroman izvor šuma i drastično bi degradirao performanse OPA657.

Nama je primarna svrha TIA stupnja postići što brže vrijeme odziva. TIA pojačalo će bez kondenzatora linearno pojačati i DC (ambijentalno svjetlo) i AC (metak), i jedini problem može nastati ako ambijentalno svjetlo bude toliko jako da posve zasiti TIA pojačalo. U tom slučaju mogu smanjiti pojačanje TIA pojačala ili zasjeniti senzore od izravnog ambijentalnog svjetla.

TIA pojačalo

Sa anoda signal ide na invertirajući ulaz TIA pojačala sa OPA350 (38 MHz). Ako se pojave oscilacije zbog ulaznog kapaciteta, serijski otpornik od 22–50 Ω će ih prigušiti tako što će izolirati ulazni kapacitet dioda od invertirajućeg ulaza pojačala.

Povratna veza je preko otpornika 10 kΩ – 22 kΩ koji određuje pojačanje. Paralelno spojeni kondenzator 2,2pF – 4,7pF sprječava oscilacije (zvonjenje) signala.

Kod TIA pojačala (strujno-naponskog pojačala), pojačanje se ne izražava kao omjer napona (V/V), već kao transimpedancija u jedinicama otpora (Ω ili V/A). Izračun izlaznog je jednostavan i on je umnožak struje foto-diode i otpora otpornika u povratnoj vezi. To znači da će uz otpornik 10 kΩ, svaki µA struje iz foto-dioda stvoriti napon od 10 mV na izlazu iz TIA pojačala. Ako se koristi 22 kΩ oda svaki µA stvara 22 mV napona na izlazu.

Ono što je ovdje za nas jako bitno, to je opet utjecaj veličine otpornika u povratnoj vezi na brzinu odziva. Što je otpornik veći, veći je izlazni napon, ali je i pojačalo sporije. Ako ciljamo na brzinu 500 ns ili bolje, onda otpornik veći od 47 kΩ ovdje ne dolazi u obzir. Isto tako, s obzirom da imamo 16 dioda u paraleli, one skupljaju puno ambijentalnog svjetla. Preveliko pojačanje TIA pojačala moglo bi generirati preveliki izlazni napon tako da se blagi pad napona koji napravi sjena metka ne bi ni primijetio. U konačnici, koristiti ćemo još jedan stupanj pojačanja (naponsko pojačalo) tako da je TIA pojačalo najbolje držati na minimalnom pojačanju što osigurava najstabilniji rad.

Naponsko pojačalo

Izlaz TIA stupnja je preko AC sprege (100 nF kondenzator) spojen na ulaz naponskog pojačala u neinvertirajućem spoju. Ovo pojačalo mora izlazni naponski impuls iz TIA pojačati na dovoljnu visoku amplitudu za komparator. Pojačanje bi trebalo biti 10-20 puta (10 kΩ / 1 kΩ) kako bi se dobila potrebna amplituda signala. U ovom stupnju se ne gubi brzina, jer OPA350 sada nema teret kapaciteta dioda na svom ulazu.

Komparator

Koristimo brzi TLV3501 i „trik“ sa diodom kao u kineskom dizajnu. Signal iz naponskog pojačala se preko AC sprege od 100 nF vodi na (+) ulaz komparatora. Kondenzator drži signal u mirovanju oko nule. Kad proleti metak dogodi se skok u negativni napon (npr. s 0V na -3V).

Pošto TLV3501 radi u pozitivnom rasponu 0-5V, signal moramo “podignuti” u pozitivno područje. Tome služi djelitelj napona 10 kΩ / 10 kΩ koji napon na (+) ulazu centrira na 2,5V. Time signal ne skače više oko nule, već oko 2,5 V (npr. s 2,5 V padne na 1,5 V) što je u radnom opsegu komparatora. Dioda će reagirati na pad napona u odnosu na “zapamćeni” prosjek od 2,5V. Čim napon na pinu (+) padne za cca 0.2V (napon barijere Schottky diode), komparator će okinuti.

TLV3501 ima push-pull izlaz (ne treba pull-up otpornik) i iznimno je osjetljiv. Ako koristim običnu silicijsku diodu (0,6 V), razlika napona između ulaza će biti prevelika, pa će trebati “velika sjena” da bi komparator prekinuo. Stoga je najbolje rješenje Schottky dioda poput BAT54 jer ima manji pad napona (0,2-0,3 V) od običnih dioda. To znači da će komparator okinuti na puno manji signal (manju promjenu svjetla ili manju sjenu metka).

Za svaki slučaj, budući da OPA350 može imati izlazne napone do +5V ili do -5V, između kondenzatora i pina (+) komparatora stavljen je otpornik od 1kΩ. On će limitirati struju kroz zaštitne diode unutar samog TLV3501 ako dođe do prenapona.

RC član 100 kΩ / 1 nF (100 µs) je referenca za brzinu promjene stanja komparatora. To je dovoljno dugo da i najsporiji metak proleti kroz zavjesu i dovoljno kratko za ponovnu stabilizaciju ulaza. Kada metak prođe i napon na (+) ulazu padne, (-) ulaz će ostati viši dovoljno dugo da TLV3501 prebaci stanje.

TLV3501 je toliko brz da može “podivljati” (oscilirati) ako je signal na ulazu spor ili šuman (što može biti slučaj kod 16 paralelnih dioda). Zato je dodana pozitivna povratna veza (histereza) preko otpornika od 1 MΩ. To će osigurati “čisto” okidanje bez treperenja signala na rubovima.

Na kraju, na izlaznu liniju iz komapratora je dodan mali serijski otpornik od 47–100 Ω kako bi spriječio “zvonjenje” (ringing) na vezi koja vodi na magnetski izolator ili level-shifter za CPLD (5 V / 3,3 V).

Evo što se točno događa sa signalom na komparatoru:

U stanju mirovanja signal na (+) ulazu je stabilan na 2,5 V. Napon na (-) ulazu je također 2,5 V jer se kondenzator od 1 nF napunio kroz diodu ili otpornik na isti napon. S obzirom da nema razlike napona, izlaz komparatora je u mirovanju.

U trenutku preleta metka napon na (+) ulazu naglo padne (npr. s 2,5 V na 2,0 V). Kondenzator od 1 nF na (-) ulazu zadržava stari napon (2,5 V) jer se ne može trenutno isprazniti kroz otpornik od 100 kΩ. Dioda BAT54 je u ovom trenutku zaporno polarizirana i ne provodi. Komparator vidi da je (+) ulaz postao niži od (-) ulaza i trenutno mijenja stanje.

Dioda također služi za brzi oporavak. Čim napon na (+) ulazu opet poraste (metak je prošao), dioda se otvara i trenutno “dopuni” kondenzator na (-) ulazu. Bez diode, komparatoru bi dugo trebalo da se vrati u početno stanje, sve dok se kondenzator ne napuni kroz spori otpornik od 100 kΩ.

Rezime

Kada mali projektil proleti kroz IC svjetlosnu zavjesu, on stvori brzu i u većini slučaja blijedu sjenu na foto-diodama. Takva sjena će generirati vrlo mali naponski ili strujni impuls, često tek nešto veći od razine šuma. Detektorska elektronika mora detektirati taj mali signal, odnosno izdvojiti ga iz šuma i pojačati te oblikovati u čisti digitalni impuls.

Pošto je ovdje bitna što brža detekcija vrlo slabih signala, RC konstantu senzorskog kruga treba držati na što nižoj vrijednosti. To znači da svi otpori i kapaciteti (unutrašnji, vanjski, parazitski) moraju imati što je moguće manje vrijednosti.

Unutrašnji kapacitet foto-dioda je konstantan i njega ne možemo mijenjati. Štoviše, kod svjetlosnih zavjesa za kronometre prisiljeni smo više foto-dioda vezati paralelno čime se ukupni kapacitet dioda zbraja. Jednostavno bi bilo preskupo i nepotrebno ugrađivati pojačalo za svaku foto-diodu pojedinačno. Stoga možemo samo birati komponente sa što manjim internim i ulaznim kapacitetima, a parazitske kapacitete poveznih vodova pravilnim dizajnom tiskane pločice svesti na najmanju moguću vrijednost.

U praksi, kod naponske i strujne detekcije zapravo možemo najviše utjecati na otpor (R) i njega držati na što manjoj vrijednosti. Tako kod naponske detekcije pull-up ili pull-down otpornik držimo na što manjoj vrijednosti. Problem je u tome da što je taj otpornik manji, to je sustav i manje osjetljiv. Treba stoga naći balans između vremena odziva i osjetljivosti sustava. Također, što je odabrani otpornik manji to moramo više pojačati osvjetljenje foto-dioda da se nadvlada ta niska impedancija. To znači veću potrošnju struje i veće opterećenje IC emitera. U praksi, taj otpornik obično mora imati otpor u rasponu cca 1-10 kΩ.

Strujno pojačalo (TIA) je konstruirano tako da ima vrlo malu ulaznu impedanciju čime je otpor (R) sveden na minimum, idealno na nulu. To je upravo i najveća prednost pred naponskim pojačalom. Međutim, strujno pojačalo je i vrlo osjetljivo, što je s jedne strane dobro, no s druge strane veća osjetljivost na korisni signal znači i veću osjetljivost na šumove. Strujna pojačala imaju brže vrijeme odziva pa lakše ulaze u VF samooscilacije. Potrebno je dakle osigurati adekvatne pojasne filtre i čitavu izvedbu tako da je najviše osjetljiva samo na korisni signal.

Oba tipa pojačala, strujno i naponsko, obično se temelje na integriranim operacijskim pojačalima. U većini slučajeva isto operacijsko pojačalo će dobro raditi u oba načina rada. Ipak, dok se za naponsko pojačalo može iskoristiti praktično bilo koji najjeftiniji čip sa operacijskim pojačalima dostupan na tržištu, za strujno pojačalo treba ipak odabrati nešto kvalitetnije i brže operacijsko pojačalo.

Brže ne znači i bolje

Kod odabira komponenti za ovakve projekte treba biti vrlo pažljiv. Brza operacijska pojačala (preko 1 GHz) djeluju vrlo primamljivo (cijena tek nešto veća od „sporih“ pojačala reda 10 MHz), no takva pojačala su izuzetno osjetljiva na parazitske kapacitete na ulazima i vrlo lako ulaze u nekontrolirane oscilacije (divljanje) ako fizičke veze nisu vrlo kratke i dobro projektirane i ako čitavo pojačalo nije dobro oklopljeno i zaštićeno od VF smetnji. Stoga su i moduli sa takvim pojačalima višestruko skuplji od samog čipa, iako sadrže nekoliko otpornika i kondenzatora. Pojedinačni OPA čipovi koštaju oko 0,5-4 eura, a gotovi moduli sa ovim čipovima dosežu i 80 eura, ovisno o dodanim vanjskim komponentama na pločici.

Za naš projekt dakle ne možemo ići na „najbrže što novac može kupiti“ jer to može biti dvosjekli mač. Što je brzina veća, to je teže održati stabilnost te brzine. Svakako želimo nešto brže od kineske kombinacije LM258/LM393, no opet ne pretjerano brzo gdje će biti vrlo teško zadržati stabilnost čitavog sustava.

Primjerice, OPA657 sa nekoliko stotina pF na ulazu je “tempirana bomba” za stabilnost. To pojačalo ima GBW od 1,6 GHz i dizajnirano je za optičke komunikacije gdje su kapaciteti dioda obično ispod 1-2 pF. Sa kapacitetom 16 paralelno spojenih dioda, OPA657 će se boriti s faznim pomakom koji je gotovo nemoguće potpuno smiriti bez dovoljno velikog kondenzatora u povratnoj vezi koji će usporiti sustav. Čak i ako se pojačalo smiri kondenzatorom, opet ostaje osjetljivost na layout pločice, blizinu ruke ili bilo kakvu promjenu šuma u napajanju. To su jednostavno „teško ukrotiva“ pojačala za terenski uređaj poput naše elektroničke mete. Osim toga, to bi vjerojatno bilo nepotrebno pretjerano rješenje za ovaj projekt (overkill).

Možda je i odabrana kombinacija OPA350/TLV3501 malo „prejaka“ za naš projekt i dovoljna bi bila nešto sporija ali još uvijek vrlo brza kombinacija OPA4134/MCP6564 posebice jer su to su čipovi koji sadrže po 4 operacijskih pojačala i komparatora pa bi bila dovoljna samo 2 ili 4 čipa (4 ili 8 kanala) za cijeli detektor. Ipak, iako OPA350 i OPA4134 imaju slični Slew Rate od 20 V/µs, i OPA4134 je vrhunski audio čip s FET ulazom, vrlo malim šumom i izvrsnom stabilnošću, njegova propusnost od 8 MHz je puno manja od 38 MHz kod OPA350. To znači da će impuls kod OPA350 biti oštriji, a kod OPA4134 malo “zaobljeniji” što može utjecati na preciznost detekcije.

Što se tiče komparatora MCP6564 ima odziv od 80 ns što je 20 puta sporije od 4,5 ns kod TLV3501. Za metak od 1000 m/s (gdje metak prođe 1 mm za 1000 ns), ovih 80 ns unosi malo veću nesigurnost.

Na kraju, s obzirom na da koristim CPLD na 50 MHz (takt od 20 ns), onda je TLV3501 (4,5 ns) brži od jednog takta CPLD-a. To znači da je elektronika “nevidljiva” za mjerenje. S druge strane, MCP6564 (80 ns) troši 4 takta CPLD-a samo na preklapanje. Ako to kašnjenje nije identično na start i stop senzoru (a nije), gubi se na preciznosti. Stoga ostajem na OPA350/TLV3501 i dizajnu koji će maksimalno smanjiti ulazni kapacitet.

Projekt elektronička meta – Mjerenje brzine