klocka, interface, sensorer · •astabil vippa (multivibrator) r 1 r 2 v dd r 3 r 4 c 1 c 2 q 1 q...

Mikrokontroller

Klocka, interface, sensorer

Lunds universitet / Fakultet / Institution / Enhet / Dokument / Datum

Synkronisering

• Alla operationer på digitala signaler måste ske synkront

C= 1

1

10

0

0

00 0 0

C= 1

1

10

0

00

0??

synkroniserat

osynkroniserat


Synkronisering

• Synkronisering i en mikrokontroller sker ofta med någon

form av extern klockpuls. Denna klockpuls består oftast av

en fyrkantvåg med en mycket preciserad frekvens (klock-

hastighet), som är individuell för varje typ av mikro-

processor.


Synkronisering

• Astabil vippa (Multivibrator)

R1 R2

Vdd

R3 R4

C1

C2

Q1 Q2


Synkronisering

• Astabil vippa

R1 R2

Vdd

R3 R4

C1

C2

Q1 Q2

R2

Vdd

R4

Q1 Q2

R1R3 C1C2


Synkronisering

R2

Vdd

R4

Q1 Q2

R1R3 C1C2


Synkronisering

• Bistabil vippa

– Stabil i båda tillstånden

R2

Vdd

R4

Q1 Q2

R1R3


Synkronisering

• Astabil vippa

R3

Q1

Vdd


Synkronisering

• Astabil vippa

R1 R2

Vdd

R3 R4

C1

C2

Q1 Q2

Vdd

Digital oscillator

(”klock-puls” generator)

R1

C1

R2

C2


Synkronisering

• ”Klock-puls”-generering

– Temperatur och variationer i komponentvärden ger

stora ”timing”-fel.

– Kan åtgärdas genom att låsa oscillatorns frekvens med

hjälp av en kristall.

Vdd

R1

C1

R2

C2


Synkronisering

• Piezo-elektrisk kristall

Bergskristall (kvartskristall, ”Quartz crystal”)

f = 1

2¼pL1C1


Synkronisering

• Digital Kristall-oscillator

• Finns i lite olika varianter

– Om man vill ha puls-tåg med arbetsfaktor 50%

– ”Pierce”-oscillator.

Vdd

R1

C1

R2

C2

X


Digital klock-krets

• Exempel

http://www.electronics-lab.com/projects/test/021/Digital_Radar_Speedometer.gif


INTERFACE

Mikrokontroller


Interface

• Open Drain (Open Collector vid BJT)

– Kan styra andra spänningar än den interna spänningen

för IC.

GND

ICVdd

Output

”Pull-Up”-resistor


Interface

• Open Drain används ofta då man behöver en högre

spänning som representerar logisk ’1’, än de 5 V som

vanligtvis används.

• I schemat så betecknas en ”open-drain/collector” med en

asterisk på utgången,

¤

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b9/AND_ANSI_Labelled.svg


Interface

• Tristate:

– Avsikten med ”Tristate” är att avlägsna all påverkan av

en krets. D.v.s, att det ska verka som om kretsen inte

fanns närvarande.

– Detta betyder att kretsens utgång kan inte vara jordad

eftersom det betyder logisk ’0’, och den kan inte vara

ansluten till matningsspänningen eftersom det är en

logisk ’1’.

– Ett tredje tillstånd behövs, som kopplar bort kretsen


Interface

• Tristate

– Typisk användning är vid ”Chip-select” CS signal

– När ”Chip-select” är inaktiv så är kretsen bortkopplad

från alla andra kretsar

– T. ex., minneskretsar och mikrokontrollers använder

den här tekniken för att aktiveras.

– Tristate-utgången markeras med en upp och ned vänd

triangel

5> 1


Mikrokontroller


SENSOR / AKTUATOR

Mikrokontroller


Sensorer

• Sensorer

– Definition:

• ”En sensor är en anordning

som omvandlar en specifik

form av energi till elektrisk

energi”

• De flesta sensorer utnyttjar

någon form av

fysikalisk/kemisk effekt eller

påverkan för att skatta och

känna av omgivande miljö

Light Zeeman

Stark

Doppler

Raman

Brillouin

Nonlinear

Optical parametric

Sound wave Doppler

Acoustoelectric

Acoustomagnetic

Masking

Diffraction

Semiconductor Tunnel

Zener

Electric field

Gun

Josephson

Magnetism Superconduction

Barkhausen

Thermal Seebeck

Peltier

Thomson

Photovoltaic Photovoltaic

Photoconductive

Photoelectron emission

Photoelectromagnetic

Pockels

Kerr

Piezoelectricity Piezoelectric


Sensorer

• Om man istället omvandlar elektrisk energi till någon annan

form av energi för att påverka den omgivande miljön, så

kallas en sådan enhet för en ”Aktuator”

• Så en aktuator är motsatsen till en sensor .

• En givare kan vara aktiv eller passiv.

– En aktiv givare genererar sin egen utsignal, t.ex.,

fototransistor

– En passiv givare styr en signal som matas utifrån, t. ex.

Fotoresistor (vars resistans ändras av mängden ljus)


Sensorer

• Kapacitiva sensorer– Använder det elektriska fältet mellan objekt för att

mäta mekanisk påverkan

– Så, om avståndet mellan plattorna ändrar sig så kommer kapacitansen att ändra sig och eftersom strömmen genom kondensatorn är

– När kapacitansen ändras, så ändras strömmen

• T. ex., mikrofoner, ”touch”-knappar, tryck-sensor

C = " ¢ Ad

i(t) =dq(t)

dt= C ¢ du(t)

dt


Sensorer

• Induktiva givare

– Spolen känner av förändringar i magnetfält

Spolens induktans kan också skrivas

Så genom att påverka spolens längd, area, antal varv

eller det magnetiska materialet i spolen, så kan vi

överföra mekaniska förändringar till

spänningsförändringar.

T. ex., generator/motor, lägesgivare/aktuator,

magnetfältsavkännare, varvräknare, flödesmätare.

u(t) = L ¢ di(t)dt

L = ¹ ¢ N2A`


Sensorer

• Peltier-element

– (Aktuator) Om en elektrisk ström rör sig från ett

ämne till ett annat så kommer värme att produceras

eller avges.

– (Sensor) Om man värmer det ena ämnet och kyler

ner det andra så kommer det att generera en ström


Sensorer

• Electrokemiska sensorer

– Syre sensor

• Zirkoniumoxid är känsligt för syre i en gasblandning

• Arbetstemperatur på 640 Celcius. Vid den här

temperaturen så fungerar zirkonium som en elektrolyt

• Syrejoner rör sig genom sensorn och genererar en

elektrisk ström

– Används t. ex., som lambda-sensor i bilar, för att mäta

förbränningen.


Sensorer

• Halvledare

– (Givare) Fotodioder, fototransistorer

– (Aktuator) LED, IR, UV, Laser

• Kan tillverkas för att känna av/generera olika

våglängder på ljus

– (Givare) Hall-effekt, halvledare som känner av

magnetfält.


Avancerade sensorer

• Attityd-sensor (Gyroskop)

– En sensor som kan känna av om ett objekt roteras i

någon riktning genom att mäta rotation runt x, y och z

axlarna

– Den mekaniska metoden är att använda ett roterande

hjul som referens när man mäter lutningsvinklarna


Avancerade sensorer

– Dagens attitydsensorer är optoelektroniska och

använder laserljus

– Om laserljus skickas genom två stationära lika långa

optiska kablar, så kommer signalen från dem att vara

identiska. Om kablarna roteras så kommer laserljuset i

den ena kabeln att färdas en kortare väg och ljuset i

den andra att färdas en längre väg, vilket ger upphov

till en fasskillnad mellan signalerna.


Avancerade sensorer

• Piezo-elektriskt gyro

– En vibrerande kristall tenderar att, oavsett vridande

rörelser, vibrera i samma plan

– T.ex., finns i iPhone4, iPad2, radiostyrda helikoptrar,

bildstabilisering i kameror, i många moderna bilar

klocka, interface, sensorer · •astabil vippa (multivibrator) r 1 r 2 v dd r 3 r 4 c 1 c 2 q 1 q...

Documents