ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ 6 ΚΥΚΛΩΜΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΑΠΟΣΤΑΣΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΩΝ ΦΟΙΤΗΤΩΝ ΚΩΣΤΑ ΓΙΑΝΝΑΚΙΔΗ και ΣΤΕΛΙΟΥ ΚΟΡΚΟΤΣΙΔΗ ΠΑΤΡΑ 2010
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στην εργαστηριακή αυτή άσκηση θα μελετήσουμε ένα κύκλωμα μέτρησης της απόστασης (το οπίο φαίνεται στο παράρτημα) με εμβέλεια ενός μέτρου. Κατά τη διάρκεια κατασκευής του κυκλώματος αυτού θα δούμε διαφορετικές χρήσεις του απλού inverter. Η λειτουργία του κυκλώματος είναι αρκετά απλή και βασίζεται στην παρακάτω λογική. Αρχικά με ένα υπερηχητικό μεγαφωνάκι παράγουμε ένα παλμικό ήχο (πολλά beep ) με συχνότητα που θα δούμε παρακάτω και επιπλέον γνωρίζουμε ότι η ταχύτητα του ήχου στον αέρα είναι περίπου 340 m/sec. Τώρα εάν αυτός ο παλμικός ήχος προσκρούσει σε ένα εμπόδιο ένα μέρος του θα ανακλαστεί και θα γυρίσει πίσω. Χρησιμοποιώντας ένα μικρόφωνο συντονισμένο με το μεγαφωνό μας (ώστε να αντιλαμβάνονται τις ίδιες ηχητικές συχνότητες), μπορούμε να ανιχνεύσουμε το beep αυτό. Στη συνέχεια εάν με κάποιο τρόπο μπορέσουμε να μετρήσουμε το χρόνο που έκανε ο ήχος να γυρίσει πίσω, τότε με απλή φυσική μπορούμε να υπολογίσουμε την απόσταση που διύνησε. Ο τρόπος για να το πετύχουμε αυτό είναι να χρησιμοποιήσουμε BCD counters, οι οποίοι θα ξεκινούν τη μέτρηση καταστάσεων περίπου τη στιγμή που το μεγάφωνο θα στέλνει τα beep, ενώ την ώρα που τα beep αυτό θα ανιχνευτεί από το μικρόφωνο, η τρέχουσα τιμή τους θα εμφανιστεί σε seven segment οθόνες. Για να αντιστοιχήσουμε σωστά τις καταστάσεις που οι counters έχουν μετρήσει στο χρόνο που ο ήχος χρειάστηκε για να επιστρέψει θα πρέπει να υπολογίσουμε την κατάλληλη συχνότητα για τους counters. Επιπλέον για τον υπολογισμό της συχνότητας αυτής θα πρέπει να λάβουμε υπόψη ότι η απόσταση που έχει διανύσει ο ήχος στο μετρούμενο χρονικό διάστημα είναι η διπλάσια από αυτή που εμείς θέλουμε να μετρήσουμε. Επομένως σύμφωνα με τα παραπάνω και δεδομένου ότι θέλουμε ακρίβεια χιλιοστού, η συχνότητα με την οποία θα λειτουργούν οι counters θα είναι: Θα σκεφτόταν κανείς ότι σύμφωνα με αυτή την απλή λογική θα χρειαζόμαστε μόνο κάποια βασικά blocks. Όμως,πέρα από αυτά χρειαζόμαστε και κάποια βοηθητικά προκειμένου να πετύχουμε και κάποιες επιπλέον, αλλά απαραίτητες λειτουργίες της συσκευής, όπως για παράδειγμα το συγχρονισμό του πομπού και του δέκτη, την ενίσχυση ορισμένων σημάτων, την παραγωγή διαφόρων συχνοτήτων κ.α. Για τους σκοπούς αυτούς θα χρησιμοποιήσουμε 555 monostables, ring oscillators καθώς και απλές πύλες και inverters σε διάφορες συνδεσμολογίες. Τη λειτουργία του κυκλώματος, αλλά και των επιμέρους στοιχείων του θα εξηγήσουμε αναλυτικά αμέσως παρακάτω. Κατά τη διάρκεια της άσκησης για την ευκολότερη κατανόηση του σχηματικού, θα πρέπει αυτό να αναλυθεί σε επιμέρους blocks, τα οποία φαίνονται σε γκρι κουτάκια στο σχηματικό που φαίνεται στην τελευταία σελίδα-παράρτημα.
Επεξήγηση βασικών στοιχείων του κυκλώματος Ring Oscillator Σχήμα 1 Σχηματικό ενός ring oscillator Το κύκλωμα αυτό αποτελεί ένα ασταθή πολυδονητή. Οι δύο NOR πύλες είναι συνδεδεμένες έτσι ώστε να λειτουργούν σαν αντιστροφείς. Υποθέτουμε αρχικά ότι η έξοδος της UC2A είναι High (στο λογικό 1 ), οπότε η είσοδός της θα είναι Low (στο λογικό 0 ), όσο δηλαδή και η έξοδος της UC2B. Ο C5 είναι συνδεδεμένος από τη μία πλευρά στην έξοδο της UC2A και από την άλλη στο λογικό 0 μέσω της αντίστασης. Συνεπώς θα αρχίσει να φορτίζεται με ρυθμό που καθορίζεται από τη σταθερά χρόνου των RC. Όσο φορτίζεται ο πυκνωτής, η τάση της επαφής μεταξύ του πυκνωτή και της αντίστασης μειώνεται μέχρι την κατώτερη τιμή του threshold του UC2B και στο σημείο αυτό το UC2B αλλάζει κατάσταση με την έξοδό του να γίνεται Ηigh. Εξαιτίας αυτού, αλλάζει κατάσταση και το UC2A, αφού η είσοδός της έχει γίνει 1, οπότε πλέον η έξοδός της θα είναι 0. Ο πυκνωτής τώρα θα είναι ανάστροφα πολωμένος και θα εκφορτίζεται μέσω της εισόδου του UC2B. Στη συνέχεια, φορτίζεται με αντίθετη φορά μέχρι να φτάσει η τάση του την πάνω τιμή threshold της UC2B. Αυτό προκαλεί την αλλαγή της κατάστασης της UC2B και ο κύκλος επαναλαμβάνεται συνεχώς. Η περίοδος ταλάντωσης αυτού του astable πολυδονητή προσεγγίζεται από τη σχέση T = 2.2RC. Σημείωση: Στην πραγματικότητα, η περίοδος δίνεται από τον τύπο. Παρατηρούμε ότι εκτός από τον πυκνωτή και την αντίσταση, η περίοδος εξαρτάται και από την τάση τροφοδοσίας και την τάση threshold. Αυτό είναι ένα μειονέκτημα αυτού του πολυδονητή (ειδικά σε περιπτώσεις που το κύκλωμά μας τροφοδοτείται από μπαταρία, στο τέλος της ζωής της οποίας η τάση μειώνεται). Αντίθετα, αν χρησιμοποιήσουμε ένα 555 σε συνδεσμολογία astable, η περίοδος
ταλάντωσης εξαρτάται μόνο από τις δύο αντιστάσεις και τον πυκνωτή που θα χρησιμοποιήσουμε και όχι από την τάση τροφοδοσίας. Ας δοκιμάσουμε τώρα να κάνουμε μία παραλλαγή αυτού του κυκλώματος. Έστω ότι την είσοδο 6 του UC2B δεν την συνδέουμε στην 5. Αντί αυτού, βάζουμε στην 5 τάσεις που αντιστοιχούν στο λογικό 0 και στο λογικό 1. Από τον πίνακα αληθείας της πύλης NOR εύκολα παρατηρούμε ότι όταν στη μία είσοδο μιας NOR βάλουμε λογικό 1, η έξοδος θα είναι πάντα 0 ανεξάρτητα της άλλης εισόδου. Όταν όμως βάλουμε 0 η NOR θα αντιστρέφει την άλλη είσοδο. Κοιτώντας το σχήμα 2, όταν το σήμα In γίνεται 0 το κύκλωμα λειτουργεί ακριβώς όπως το κύκλωμα του σχήματος 1. Όταν όμως το In είναι high, η έξοδος του UC2D θα μένει σταθερά στο low και δε θα έχουμε φόρτιση και εκφόρτιση του πυκνωτή. Με αυτό τον τρόπο μπορούμε εύκολα να ελέγξουμε πότε και για πόση ώρα θα ταλαντώνεται ο πολυδονητής. Σχήμα 2 Ενισχυτής με αντιστροφέα Μέχρι τώρα έχουμε συνηθίσει τους αντιστροφείς CMOS και γενικά όλες τις CMOS πύλες να τις συνδέουμε με τις ψηφιακές τιμές των σημάτων. Εκτός των μεταβάσεων μεταξύ των καταστάσεων, οι τιμές των εισόδων και των εξόδων είναι κοντά στη γη ή στην τροφοδοσία. Και στο διάστημα αυτό δεν έχουμε ροή ρεύματος στα drains (Ι D =0).
Σχήμα 3 a) Κύκλωμα του CMOS inverter, b) Η χαρακτηριστική Vo Vi του CMOS inverter, όπως προέκυψε από simulation στο Spice. Η τάση τροφοδοσίας ήταν Vcc=5V. Ο αντιστροφέας CMOS όμως, έχει κάποιες ενδιαφέρουσες ιδιότητες όταν χρησιμοποιείται με αναλογικά σήματα. Ας προσέξουμε λίγο το σχήμα 3a. Μπορούμε να θεωρήσουμε ότι το Qp είναι ένα ενεργό φορτίο του αντιστρέφοντος ενισχυτή Qn και αντίστροφα. Όταν η είσοδος είναι κοντά στην τροφοδοσία (ή στη γη), ο ενισχυτής είναι στον κόρο (ή στην αποκοπή) και η έξοδος στη γη ή στην τροφοδοσία αντίστοιχα. Αυτή είναι, φυσικά, η κανονική λειτουργία των ψηφιακών σημάτων. Όμως, όταν η είσοδος είναι κοντά στο μέσο της τάσης τροφοδοσίας, υπάρχει μια μικρή περιοχή όπου τα ρεύματα Ι D των Qp και Qn είναι σχεδόν ίσα. Σε αυτή την περιοχή το κύκλωμα είναι ένας αναστρέφων γραμμικός ενισχυτής με ψηλό κέρδος (το οποίο φαίνεται εύκολα και από τη μεγάλη κλίση της χαρακτηριστικής του σχήματος 3b). Αυτό το κύκλωμα δεν είναι καλός ενισχυτής. Έχει το μειoνέκτημα της πολύ μεγάλης αντίστασης εξόδου (ειδικά όταν λειτουργεί σε χαμηλή τάση), μικρή γραμμικότητα και απρόβλεπτο κέρδος. Παρόλ αυτά, είναι απλός και μικρού κόστους και χρησιμοποιείται για ενίσχυση μικρά σήματα που η κυματομορφή τους δεν είναι σημαντική. Για να χρησιμοποιήσουμε ένα CMOS αντιστροφέα σαν γραμμικό ενισχυτή, πρέπει να πολώσουμε την είσοδο έτσι ώστε ο ενισχυτής να είναι στην ενεργό περιοχή. Η κλασική μέθοδος για να γίνει αυτό είναι με μια μεγάλη αντίσταση από την έξοδο στην είσοδο. Αυτή τοποθετεί το σημείο λειτουργίας του ενισχυτή στο Vi=Vo στη χαρακτηριστική μεταφοράς (σχήμα 3b). Αυτή η συνδεσμολογία μειώνει ταυτόχρονα και την αντίσταση εισόδου μέσω shunt ανάδρασης, οπότε σε περιπτώσεις που θέλουμε μεγάλη αντίσταση εισόδου αναζητούμε άλλες συνδεσμολογίες.
Σχήμα 4 Κύκλωμα ενός απλού SR latch Οι είσοδοι S και R χρησιμοποιούνται ως είσοδοι σκανδαλισμού. Οι έξοδοι ονομάζονται Q και Q και είναι συμπληρωματικές. Ο μανδαλωτής θεωρούμε ότι έχει λογικό 1 όταν η έξοδος Q είναι υψηλή και η έξοδος Q χαμηλή. Αντίστροφα, για το λογικό 0. Latch Το κύκλωμα του σχήματος 4 αποτελεί ένα μανδαλωτή. Ο μανδαλωτής είναι ένα είδος δισταθούς πολυδονητή, ένα κύκλωμα που έχει δύο ευσταθείς καταστάσεις και συνεπώς μπορεί να κρατήσει πληροφορία ενός bit. Συνήθως, η διαφορά του μανδαλωτή από το flip flop είναι ότι στο τελευταίο υπάρχει είσοδος ρολογιού, αν και συχνά χρησιμοποιούνται και οι δύο όροι για να περιγράψουν το ίδιο πράγμα. Ο απλούστερος τύπος μανδαλωτή είναι ο SR (Set-Reset) και σχηματίζεται με τη χιαστί σύνδεση δύο πυλών NOR. Για να εξηγήσουμε τη λειτουργία του latch θα ξεκινήσουμε από ένα απλούσ τερο κύκλωμα. Έστω η περίπτωση όπου έχουμε δύο πύλες NOR συνδεδεμένες διαδοχικά, με τις εισόδους τους συνδεδεμένες, λειτουργώ ντας σαν αντιστροφείς, όπως φαίνεται στο σχήμα 5a. Στο σχήμα 5b φαίνεται η συνάρτηση μεταφοράς V o,uc1b Vi, UC1A. Η διαδρομή της ανάδρασης που έχουμε στο σχήμα 4, περιορίζει την είσοδο του UC1A να Σχήμα 5 Πάνω: κύκλωμα διαδοχικών αντιστροφέων, είναι ίση με την έξοδο του UC1B και Κάτω: Χαρακτηριστική μεταφοράς διαδοχικών αυτό φαίνεται με την κόκκινη αντιστροφέων (πράσινη συνεχής γραμμή). Η διακεκομμένη γραμμή στο σχήμα 5b. ανάδραση εισάγει τον περιορισμό Vo=Vi και φαίνεται Στο κύκλωμα SR Latch πρέπει να με την κόκκινη (διακεκομμένη γραμμή) ικανοποιούνται και η χαρακτηριστική μεταφοράς (πράσινη συνεχής γραμμή) και ο περιορισμός τάσης που δημιουργεί η ανάδραση. Κατά συνέπεια η λειτουργία του κυκλώματος περιορίζεται στις τομές αυτών των καμπυλών, δηλαδή απ ό,τι φαίνεται στο σχήμα 5b υπάρχουν τρεις δυνατές καταστάσεις A, B και C. Αυτό φαίνεται να έρχεται σε αντίθεση με το γεγονός ότι αναφερόμαστε σε δισταθές κύκλωμα, όμως μόνο οι καταστάσεις που αντιστοιχούν στα Α και C είναι δυνατές.
Στο σημείο Β, η κλίση της χαρακτηριστικής μεταφοράς (πράσινη συνεχής γραμμή) είναι πολύ μεγαλύτερη από 1. Έτσι, αν το κύκλωμα βρεθεί σε αυτή την κατάσταση, οποιοδήποτε επιπλέον σήμα (πχ. θόρυβος), θα οδηγήσει την έξοδο είτε στο Α είτε στο C. Είναι προφανές λοιπόν ότι το σημείο Β αντιστοιχεί σε σημείο αστάθειας του συστήματος αυτού, ενώ τα Α και C είναι ευσταθή σημεία. Πώς όμως σκανδαλίζεται το κύκλωμα έτσι ώστε να αλλάζει κατάσταση; Επανερχόμαστε στο κύκλωμα του σχήματος 4. Έστω ότι το flip-flop αποθηκεύει το λογικό 0. Το Q θα είναι 0 και το ίδιο και οι δύο είσοδοι της πύλης UC1A. Η έξοδός της συνεπώς θα είναι 1. Η τιμή αυτή εφαρμόζεται στην είσοδο της UC1B κάνοντας το Q ίσο με 0. Για κάνουμε Set το flip flop, πρέπει να εφαρμόσουμε λογικό 1 στην είσοδο S και αφήνουμε την R στο λογικό 0. Συνεπώς το Q θα γίνει 0 και έτσι οι δύο είσοδοι της UC1B θα είναι 0 κάνοντας την έξοδό της Q ίση με 1. Τώρα, ακόμα κι αν το S γίνει ξανά 0 το Q θα παραμείνει 1, εξαιτίας της ανάδρασης. Για να επαναφέρουμε το κύκλωμα σε κατάσταση Reset πρέπει να ενεργοποιήσουμε την είσοδο R με το S να είναι στο low. Τέλος, να αναφέρουμε ότι όταν και το S και το R γίνουν ταυτόχρονα 1 το flip flop θα βρεθεί σε μια απροσδιόριστη κατάσταση και συνεπώς δεν ξέρουμε πού θα βρεθεί η έξοδός του. Γι αυτό το λόγο λέμε ότι ο αυτός ο συνδυασμός εισόδων δεν επιτρέπεται. Στο κύκλωμά μας, για να αποφύγουμε αυτό τον συνδιασμό, χρησιμοποιούμε ένα διαφοριστή πριν την είσοδο R. Ο διαφοριστής θα βγάλει στιγμιαία στην έξοδό του μόνο τις παρυφές του σήματος εισόδου του και μετά θα μηδενιστεί. Πίνακας 1 Πίνακας αληθείας του SR flip flop R S Q n+1 0 0 Q n 0 1 1 1 0 0 1 1-1 Schmit t Trigger To Schmitt trigger είναι ένα κύκλωμα που λειτουργεί ως εξής: Όταν η είσοδος είναι ψηλότερη από ένα δεδομένο επιλεγμένο threshold, τότε η έξοδος γίνεται high, ενώ όταν η είσοδος είναι κάτω από ένα διαφορετικό και μάλιστα χαμηλότερο επιλεγμένο threshold η έξοδος είναι low. Αυτό φαίνεται παραστατικά στο σχήμα 6 όπου δημιουργείται ένας βρόχος υστέρησης γύρω από το σημείο 0. Βλέπουμε ότι τα thresholds (T και Τ) είναι συμμετρικά ως προς το 0. Στο κύκλωμα του σχήματος 7a, φαίνεται ένα απλό Schmitt trigger, ο βρόχος του οποίου θα είναι γύρω από το V DD /2. Για πολύ μικρές εισόδους η έξοδος θα είναι low, ενώ για πολύ θετικές high. Για μεσαίες εισόδους όμως, η έξοδος εξαρτάται και από την κατάσταση της εισόδου και από της εξόδου. Για παράδειγμα, εάν το Schmitt trigger είναι στο high κάποια 1 Υπενθυμίζουμε ότι η κλίση της χαρακτηριστικής μεταφοράς ισούται με το κέρδος του κυκλώματος
στιγμή, η έξοδος θα είναι στο V DD. Η είσοδος του UC1D, θα είναι τότε ένας διαιρέτης τάσης μεταξύ του In και της εξόδου του UC1C. Για να μεταβάλλουμε το σημείο γύρω από το οποίο θα είναι ο βρόχος, προσθέτουμε μια μεταβλητή αντίσταση, δημιουργώντας έτσι ένα διαιρέτη τάσης στην είσοδο, όπως φαίνεται στο σχήμα 7b. Μειώνοντας την αντίσταση αυτή, μετατοπίζουμε το σημείο λειτουργίας προς τα δεξιά. Σχήμα 6 Βρόχος υστέρησης του Schmitt trigger Σχήμα 7 a) Απλό κύκλωμα Schmitt trigger, b) Κύκλωμα Schmitt trigger με τη χρήση αντιστάσεων R36 και R27, με τη χρήση των οποίων ελέγχουμε το σημείο γύρω από το οποίο θα κινείται ο βρόχος
Μονοσταθής πολυδονητής Σχήμα 8 Μονοσταθής πολυδονητής Στο σχήμα 8 φαίνεται ένας πολυδονητής σε συνδεσμολογία μονοσταθής, ένα κύκλωμα χρονισμού που έχει την ιδιότητα να ταλαντούται μεταξύ δύο καταστάσεων. Στην συγκεκριμένη συνδεσμολογία η μία εκ των δύο καταστάσεων είναι ευσταθής, ενώ η άλλη δεν είναι. Όταν το κύκλωμα αυτό σκανδαλιστεί από ένα παλμό εισόδου, θα μεταβεί στην ασταθή του κατάσταση και θα παράξει έναν απλό παλμό για μια περίοδο του χρόνου και μετά θα μεταβεί και πάλι στη σταθερή του κατάσταση όπου και ηρεμεί. Έχουμε τη δυνατότητα να καθορίσουμε το χρονικό διάστημα που ο πολυδονητής θα παραμείνει στην ασταθή του κατάσταση, δηλαδή να καθορίσουμε την περίοδο του παλμού που θα παραχθεί, επιλέγοντας κατάλληλα την αντίσταση R και τον πυκνωτή C. Στο κύκλωμα του οργάνου μέτρησης χρησιμοποιήσαμε έναν 555 multivibrator, ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα με 8 pins, στην προαναφερθείσα συνδεσμολογία. Για τον υπολογισμό των τιμών των R και C χρησιμοποιήσαμε έναν πρακτικό τρόπο. Αρχικά επιλέξαμε μια βολική τιμή για τον πυκνωτή και στη συνέχεια κάναμε δοκιμές με διάφορες τιμές αντιστατών, προκειμένου να πετύχουμε την επιθυμητή περίοδο παλμού, σύμφωνα με τη σχέση. Η αναφερθείσα λειτουργία του κυκλώματος βασίζεται στη σύγκριση της τάσης στα άκρα του πυκνωτή C. Όταν η είσοδος του 555 pin2 είναι μικρότερη του ενός τρίτου της τροφοδοσίας, ο πυκνωτής C φορτίζεται μέσω της αντίστασης R και ο πολυδονητής μεταβαίνει στην ασταθή του κατάσταση. Αυτό συνεχίζεται έως ότου η τάση στα άκρα του πυκνωτή φτάσει στα δύο τρίτα της τροφοδοσίας, οπότε και ο πυκνωτής αρχίζει να εκφορτίζεται. Τότε ο 555 έχει μεταβεί και πάλι στη σταθερή του κατάσταση και είναι έτοιμος για τον επόμενο παλμό σκανδαλισμού. Επεξήγηση κυκλώματος Τώρα που είδαμε ξεχωριστά τη λειτουργία του κάθε block, είμαστε σε θέση να δούμε το κύκλωμα στο σύνολό του. Ξεκινάμε παράγοντας το ηχητικό σήμα στο μεγάφωνό μας (Σχήμα 9c). Εάν οι συνθήκες ήταν ιδανικές, τότε ένας παλμός θα ήταν αρκετός. Όμως, εξαιτίας των αποσβέσεων και για να
διευκολύνουμε το δέκτη να αναγνωρίσει το beep, θα στείλουμε πολλούς παλμούς συχνότητας 40kHz η οποία παράγεται από τον Ring oscillator 2 όταν ο Monostable C παράξει το σήμα Tx. Η συχνότητα επιλέχτηκε σύμφωνα με τα στοιχεία του κατασκευαστή του υπερηχητικού μικροφώνου μεγαφώνου για το συντονισμό τους. Για να ενισχύσουμε το σήμα πριν το δώσουμε στο μεγάφωνο, στο ένα ποδαράκι βάζουμε την κυματομορφή που φαίνεται στο σχήμα 9c, ενώ στο άλλο βάζουμε την ανεστραμμένη της. Αυτό το κάνουμε με τους 4049 inverters. Βάλαμε παράλληλα τρεις αντιστροφείς, έτσι ώστε να μπορέσουν να δώσουν όσο ρεύμα απαιτήσει το μεγαφωνάκι. Στη συνέχεια, περνάμε στο κύκλωμα του δέκτη ο οποίος θα πρέπει αφού λάβει το ανακλώμενο σήμα, να το ενισχύσει (λόγω των αποσβέσεων) με τον inverter amp, η έξοδος του οποίου φαίνεται στο σχήμα 9f. Το ενισχυμένο πλέον σήμα γίνεται είσοδος του block Schmitt trigger το οποίο θα μετατρέψει το αναλογικό σήμα UC3 σε παλμούς και μη λαμβάνοντας υπόψη το θόρυβο παρεμβολής 2 (σχήμα 9g) από τον πομπό ώστε να μπορέσει να αναγνωριστεί από το latch ως τέλος της μέτρησης (end of count) (σχήμα 9h κατιούσα παρυφή). Με τη βοήθεια του latch, η τρέχουσα τιμή των counters εμφανίζεται στην οθόνη ενεργοποιώντας την είσοδο LatchEnable των ολοκληρωμένων 4511. Μέχρι τώρα έχουμε περιγράψει τη διαδρομή του σήματος από το μεγάφωνο στο δέκτη μέχρι να εμφανιστεί η τιμή των counters στην οθόνη. Πώς όμως θα καταλάβει ο δέκτης ποιά είναι η αρχή της μέτρησης αφού έχουμε στείλει πολλούς παλμούς μαζί; Για το σκοπό αυτό, θα πρέπει να συγχρονίσουμε τον πομπό και το δέκτη με την παρακάτω διαδικασία. Πρώτ απ όλα, η συχνότητα που αντιστοιχεί στην ταχύτητα του ήχου παράγεται από το block του ring oscillator και σε αυτή λειτουργούν οι counters, οι οποίοι μετρούν συνεχώς. Κάθε φορά που τερματίζουν και οι τρεις (τιμή 999) παράγεται σήμα Carry out από τον CR3 (σχήμα 9a), το οποίο σκανδαλίζει τους Monostable A και Β. Ο monostable B παράγει το σήμα RST (start of count, σχήμα 9c) το οποίο κάνει set το latch και ταυτόχρονα μηδενίζει τους counters. Ο Monostable A παράγει το σήμα Wait (σχήμα 9b) στην κατερχόμενη παρυφή του οποίου ξεκινούν να παράγονται οι παλμοί που θα δώσουμε στο μεγαφωνάκι. Τώρα με τον συνδυασμό των σημάτων RST και Wait, μπορούμε να δείξουμε στο δέκτη σε ποιό σημείο της παλμοσειράς που στέλνει ο πομπός είναι η αρχή της μέτρησης. Ρυθμίσεις κυκλώματος Προκειμένου να πάρουμε ακριβείς ρυθμίσεις, πρέπει να κάνουμε κάποιες ρυθμίσεις στο κύκλωμα. Πρώτ απ όλα, θα πρέπει να ρυθμίσουμε σωστά τη συχνότητα στην οποία λειτουργούν οι counters, έτσι ώστε ο ring oscillator να βγάζει το μισό της ταχύτητας του ήχου. Για να το κάνουμε αυτό, θα πρέπει να καταγράψουμε τις μετρήσεις από δύο σημεία γνωστής απόστασης (πχ. να μετρήσουμε με ένα χάρακα 10cm και 20cm και να καταγράψουμε τις δύο ενδείξεις) και στη συνέχεια να μεταβάλουμε την αντίσταση R34 2 Το μεγαφωνάκι είναι δίπλα ακριβώς στο μικρόφωνο στο κύκλωμά μας. Εξαιτίας αυτού το μικρόφωνο, εκτός από το ανακλώμενο σήμα ακούει και το μεγάφωνο που είναι δίπλα του. Όμως επειδή έχει μια μικρή γωνία ακοής το ανακλώμενο σήμα (που βρίσκεται μέσα σ αυτή τη γωνία) θα το καταλάβει καλύτερα.???
μέχρις ότου η διαφορά των δύο ενδείξεών μας να είναι ίση με τη διαφορά των μετρήσεων με το χάρακα. Ακόμα και όταν το κάνουμε αυτό, θα πρέπει να υπάρχει μια σταθερή απόκλυση μερικών εκατοστών, καθώς δεν έχουμε ορίσει ακόμα την αρχή της μέτρησης. Θα πρέπει λοιπόν να μεταβάλουμε κατάλληλα το συνδυασμό των αντιστάσεων R28 και R29, προκειμένου να ελέγξουμε πότε θα παραγχθούν τα σήματα Wait και RST και άρα την αρχή της μέτρησης. Τέλος, αν παρατηρήσουμε ότι σε κάποια μικρή απόσταση το κύκλωμα δεν μπορεί να καταγράψει τιμές, θα πρέπει να αυξήσουμε τον αριθμό των παλμών που δίνουμε στο μεγάφωνο. Αυτό γίνεται με τη μεταβλητή αντίσταση R28, με τη βοήθεια της οποίας αυξάνουμε ή μειώνουμε το πλάτος του παλμού εξόδου του Monostable C. To latch ουσιαστικά δημιουργεί ένα παλμό με ανιούσα παρυφή όταν έρχεται το σήμα Rst (που είναι το start of count) και κατιούσα όταν έρχεται το ηχητικό σήμα στο δέκτη. Στην οθόνη θα δούμε πόσες περίοδοι του ring oscillator χώρεσαν σ αυτόν τον παλμό Σχήμα 9 Κυματομορφές του κυκλώματος