Sähkötekniikan koulutusohjelma
Diplomityö
Tuomas Hakkarainen
KITEEN MEKAANISTEN VÄRÄHTELYJEN VAIMENTAMINEN TAKAISINKYTKENNÄLLÄ
Tarkastajat: Professori Pertti Silventoinen Professori Tuure Tuuva Ohjaaja: Prof. Tuure Tuuva
Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunta
Sähkötekniikan koulutusohjelma Tuomas Hakkarainen
Kiteen mekaanisten värähtelyjen vaimentaminen takaisinkytkennällä
Diplomityö
2013
59 sivua, 10 kuvaa, 1 taulukko ja 25 liitettä.
Tarkastajat: Professori Pertti Silventoinen Professori Tuure Tuuva
Hakusanat: pulseri, vahvistin, takaisinkytkentä, kide, membraani, lähetin, ultraääni, sen- sori, membraanisuodatus
Keywords: pulser, amplifier, feedback, crystal, membrane, transmitter, ultrasound, sensor, filtration
Pulseri on laite, joka tuottaa noin 10 MHz:n taajuudella olevan sähköisen pulssin, joka ohjataan kiteeseen. Kide lähettää korkeataajuuksisen ääniaallon ja toimii samalla vastaa- nottimena kaikuna heijastuneille ääniaalloille. Kide ja membraanikalvo ovat vedessä. Ää- niaalto heijastuu takaisin suodatusmembraanikalvosta, jolla on tarkoitus erotella epäpuh- tauksia. Membraanikalvo ja kide ovat millimetrin etäisyydellä toisistaan ja ääniaalloilla kestää noin 1,3 mikrosekuntia kulkea kiteestä membraanikalvon pinnalle ja siitä kaikuna takaisin kiteeseen. Saadaksemme luotettavia tuloksia ääniaallon kulkuajasta, kiteen tulee olla värähtelemättömässä tilassa silloin, kun kaikuna palaava pulssi saapuu takaisin. Työs- sä keskitytään kiteen vaimentamiseen mahdollisimman nopeasti lähetetyn pulssin jälkeen ja siihen liittyviin ongelmiin.
Lappeenranta University of Technology School of technology
Degree Program in Electrical Engineering Tuomas Hakkarainen
Damping crystal’s mechanical vibrations with feedback
Master’s Thesis
2013
59 pages, 10 figures, 1 table, and 25 appendices.
Examiners: Prof. Pertti Silventoinen Prof. Tuure Tuuva
Keywords: pulser, amplifier, feedback, crystal, membrane, transmitter, ultrasound, sensor, filtration
A pulser is a device which produce an electric pulse at 10 MHz frequency. Electric pulse is directed to a piezoelectric crystal. The crystal sends a high frequency acoustic wave which is echoed from a membrane filtration plate and return back to the crystal. The crystal and the membrane filter is in the water. The crystal is supposed to act as a receiver when the echo is coming back. Distance between the membrane filter and the crystal is 1 millimeter and the time between acoustic wave goes from the crystal to the membrane filter and back takes approximately 1,3 micro seconds. To be able to reliable measure the travel time we must ensure that crystal which is used to send the pulse is already damped before echo comes back and whole process must happened in 1,3 micro seconds. In this work main focus was to damp crystal vibrations in such way that measuring is possible.
Työ on kirjoitettu Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa Matematiikan ja fysiikan lai- toksella. Haluan kiittää ohjaajaani ja toista tarkastajaa Tuure Tuuvaa, sekä työn toista tarkastajaa Pertti Silventoista. Haluan myös esittää kiitokset työn valmistumisen mahdol- listaneelle Elektroniikan suunnittelukeskuksen henkilökunnalle. Kiitokset myös ystäville, vanhemmille sekä veljelle tuesta työn aikana.
Diplomityön tekemisen pitkä ja osittain kivinenkin tie on tullut päätökseen. Kaikista vir- heistä on kuitenkin saatu oppia tulevia koitoksia varten
Lappeenranta, Lokakuun 28.
Tuomas Hakkarainen
Sisältö
1 JOHDANTO 7
1.1 Tausta . . . 7
1.2 Tavoitteet ja rajoitukset . . . 7
1.3 Työn rakenne . . . 8
2 PULSERI JA MEMBRAANIPUHDISTUS 9 2.1 Kide . . . 9
2.2 Takaisinkytkennän vahvistin . . . 13
2.3 Pulseri . . . 13
2.4 Ääniaallon eteneminen väliaineessa . . . 15
2.5 Membraanipuhdistus . . . 15
3 PIIRILEVYN TOTEUTUS 17 3.1 Piirilevy . . . 17
3.2 Piirilevyn valmistus . . . 19
3.3 Ohjelmoitavat logiikkapiirit . . . 19
3.3.1 Kytkennässä käytetty CPLD . . . 20
3.3.2 ispLEVER Classic . . . 20
3.4 Koejärjestelyn testaus . . . 22
4 TULOKSET 24 4.1 Simulointi . . . 24
4.2 Mittaustulokset . . . 27
5 POHDINTA JA TULEVAISUUS 29 5.1 Tulevaisuus . . . 30
6 YHTEENVETO 32
LÄHTEET 34
LIITTEET
Liite 1: Pulserin kytkentäkaavio Liite 2: Kiteen ominaisuudet Liite 3: Kiteen matemaattinen malli Liite 4: Simulointi kytkennät Liite 5: Simuloinnin tulokset
Liite 6: Oskilloskoopin mittaustulokset
SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO
C Kapasintanssi
L Induktanssi
R Resistanssi
fs Resonanssitaajuus
Q Hyvyysluku (Quality factor)
X Reaktanssi
LCR Induktanssin, kapasitanssin ja resistanssin sarjakytkentä
ω Kulmataajuus
RF Radiotaajuus (Radio Frequencies)
Hz Hertsi
MOSFET Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor ESK Elektroniikan suunnitelukeskus
PLD Programmable Logic Device
CPLD Complex Programmable Logic Device PROM Programmable Read-Only Memory PAL Programmable Array Logic
SPLD Simple Programmable Logic Device FPGA Field-Programmable Gate Array I/O Input / Output
SMA SubMiniature version A
LUT Look-Up-Table
1 JOHDANTO
1.1 Tausta
Membraanisuodatus on nestemäisten aineiden erottelumenetelmä, jolla suurimolekyyli- set komponentit erotellaan nesteestä pois. Erottelu tapahtuu membraanikalvolla, jonka pinnalle suurimolekyyliset komponentit jäävät. Neste, esimerkiksi vesi, pienet molekyy- lit ja ionit pääsevät membraanikalvosta läpi. Membraanisuodatuksessa käytettävä kalvo likaantuu ajan myötä lisäten kalvon paksuutta. Kalvon pinnalle kertynyt lika tulisi ha- vaita jollain keinoilla, ennen kuin suodatin tukkeentuu. Paksuuden muutos tukkeutuneen ja toimivan kalvon välillä on muutamia mikrometrejä, joten paksuutta mittaavan laitteen tarkkuus asettaa haasteita. [1]
Käyttämällä ultraääneen perustuvaa mittausta voidaan haluttu tarkkuus saavuttaa. Etäi- syys ja siinä tapahtuvat muutokset lasketaan äänennopeuden ja pulssin kulkuajan avulla.
Ultraäänen lähetyksessä käytetään kidettä, jolla sähköinen energia voidaan muuttaa liike- energiaksi. Kiteen ollessa lähellä kalvon pintaa, muodostuu ongelmaksi kaiun havaitse- minen kiteen vaimenevasta värähtelystä, koska anturin sisäinen liike-energia jää resonoi- maan vaimentuen pulssin lähetyksen jälkeen. Tämä resonoiminen pitää poistaa tarpeeksi nopeasti, jotta kalvon pinnalta palaava pulssi voidaan havaita samalla anturilla. Resonans- si poistetaan syöttämällä kiteeseen resonanssille vastavaiheista pulssia, jolloin kiteeseen varastoitunut energia saadaan poistettua. Vastavaiheen aikaan saaminen edellyttää, että pulssin sisäinen resonanssi tunnetaan tarpeeksi hyvin.
Resonanssin tarkan taajuuden ja vaiheen ennustaminen ei ole suurilla taajuuksilla ko- vin luotettavaa, joten resonanssin havainnointi tehdään reaaliaikaisesti kiteelle meneväs- tä syöttöjohdosta ja se syötetään samaan vahvistimeen, millä alkuperäinen pulssikin on luotu. Kiteen fyysisestä luonteesta johtuen vastavaiheen tulee olla riittävän voimakas ja oikea-aikainen alkuperäisen resonanssin kanssa.
1.2 Tavoitteet ja rajoitukset
Työn tavoitteena on tehdä sellainen laite, jolla pystytään lähettämään ja vastaanottamaan noin 10 MHz:n sähköistä signaalia. Laitteen tulee pystyä myös huomioimaan sähköises- tä signaalista äänisignaaliksi muuttavan kiteen dynaamiset ominaisuudet, jotka rajoittavat lähetyksen ja vastaanoton välistä lyhintä aikaa. Laitteen tulee kompensoida kiteen dynaa-
miset ominaisuudet sellaisiksi, että kide saadaan vastaanottamaan signaalia nopeammin, kuin mitä se pystyisi luonnollisesti vaimetessaan vastaanottamaan. Värähtelyjen tulee ol- la niin pieniä, että kaiku pystytään havaitsemaan helposti värähtelyn joukosta. Kompen- sointi tehdään, joko aktiivisesti tai passiivisesti sähköisillä komponenteilla. Lähetyksen ja vastaanoton välinen aika on oltava alle 1,3 mikrosekuntia.
1.3 Työn rakenne
Aluksi työssä käydään läpi pulserin eri komponentteja ja taustaa eri komponenttien omi- naisuuksille. Seuraavaksi tulevat käytännön toteutus piirilevylle ja sen toteuttamiseen liit- tyviä vaiheita. Sitten tulevat simuloinnin ja mittausten tulokset. Viimeiseksi käydään läpi pohdintaa työssä esiintyneistä ongelmista ja mahdollisista korjauksista tulevaisuudessa sekä yhteenveto.
Selite työn lukemista varten on kuvassa 1. Työssä puhutaan pulssista ja värähtelystä. Ku-
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
x 10−6
−5
−4
−3
−2
−1 0 1 2 3 4 5
Pulssin positiivinen puoli
Pulssin negatiivinen puoli Värähtelyä
Kuva 1.Esimerkkipulssi työssä käytettyjä käsitteitä varten.
vasta 1 nähdään, että pulssin kesto on noin 100 nanosekuntia ja värähtely vaihtelee kyt- kennästä riippuen 100 nanosekunnista 800 nanosekuntiin. Vastaavanlainen pulssin ja vä- rähtelyjen yhdistelmä toistuu 10 mikrosekunnin välein. Muuna aikana kide joko vastaa- nottaa signaalia tai pulseri on lepotilassa.
2 PULSERI JA MEMBRAANIPUHDISTUS
2.1 Kide
Kide on sähkömekaaninen komponentti, jolla sähköistä värähtelyä voidaan muuttaa me- kaaniseksi värähtelyksi ja vastaavasti mekaanista värähtelyä sähköiseksi värähtelyksi.
Tällaista tapahtumaa kutsutaan pietsosähköiseksi ilmiöksi. Kiteessä atomit ovat järjes- täytyneet kidemäiseen muotoon, josta tulee myös kiteen nimi. Kiderakenteen pinnalle on asetettu elektrodit, joita pitkin sähkö johdetaan kiteeseen ja kide on suljettu hermeettisesti suojakuoren sisään.
Kiteen mekaanisia ominaisuuksia pystytään kuvaamaan kolmen mekaanisen suuren avul- la. Jousi, massa ja vaimennin sarjakytkettynä ovat matemaattisesti samalla tavalla käyt- täytyviä, kuin sähköiset komponentit kondensaattori, kela ja vastus. Näin saadaan mate- maattisesti yhdistettyä kiteen mekaaninen ja sähköinen käyttäytyminen. Sen lisäksi mal- liin voidaan lisätä kondensaattori edellä mainittujen komponenttien rinnalle kuvaamaan energiaa, joka varastoituu mekaaniseksi, tai sähköiseksi energiaksi muutoksen yhteydes- sä. Kiteen sähköinen sijaiskytkentä näkyy kuvassa 2.
R
L C2 C1
Kuva 2.Kiteen mekaniikkaa kuvaava sähköinen sijaiskytkentä. KondensaattoriC1kuvaa sähköi- sen ja mekaanisen energian muutoksessa varastoituvaa energiaa.
Kuvasta 2 voidaan todeta piirin alemmassa haarassa olevanLCR-sarjakytkentä. Näin ol- len kiteen sähköisen sijaiskytkennän arvojen etsiminen on mahdollista jos tunnetaan ki- teen sisäisen resistanssin arvo R sekä kiteen Q-arvo, eli hyvyysluku. Kapasitanssi C2 saadaan tällöin kaavasta
C2 = 1
2πfsRQ (1)
ja induktanssi kaavasta
L= 1
ω2sC2 (2)
KondensaattoriC1:n arvo voidaan mitata seuraamalla kiteen reaktanssin muutosta taajuu-
den suhteen, koska kondensaattoriC1vaikuttaa reaktanssin kasvunopeuteen kaavan X(f) = 1
2πf C1 (3)
mukaan, jossaf on muuttuva taajuus. [2]
Kiteen sijaiskytkennästä 2 nähdään, että LCR-kytkennässä resistanssi R on 11 ohmia.
Tämä resistanssi kuvaa kiteen mekaanista värähtelyä vaimentavaa ominaisuutta. LCR- kytkennässä resistanssi määrää kiteen Q-arvon yhdessä induktanssin kanssa. Q-arvo taas vaikuttaa kiteen resonanssin ylläpitämiseen tarvittavaan energiaan. Toisin sanoen suurem- pi Q-arvo tarkoittaa hitaampaa aikavakiota ja toisaalta taas pienempää kaistanleveyttä vä- rähtelytaajuuden molemmin puolin. Koska vastus kuuluu kiteen rakenteellisiin ominai- suuksiin, sitä ei voida ohittaa kytkemällä kidettä ennen resistanssia maahan. Kiteen vai- menemiseen vaikuttaa myös osaltaanLCR-sarjakytkennän rinnalla oleva kondensaattori, joka kuvaa kiteen mekaanisen ja sähköisen kytkennän kerrointa. Näin ollen vaikka sähköi- nen ominaisuus kiteestä saataisiinkin vaimennettua, ei vaimennus ole mekaanisesti niin suuri. [3] [4]
Kiteenä työssä käytettiin Ferropermin Pz26-kidettä, jonka ominaisuudet sopivat vedena- laiseen lähetykseen, hydrofoneihin ja korkeussensoreihin. Kiteen ominaisuudet näkyvät liitteessä A2.1
Kiteen värähtelytaajuus ja värähtelyn vaimenemisen aikavakio täytyy tuntea, ennen kuin kiteen vaimenemista voidaan alkaa mallintamaan ja takaisinkytkentää suunnittelemaan.
Siirtofunktio mallintaa matemaattisesti kiteen dynaamisia ominaisuuksia taajuuden funk- tiona. Tästä taajuustasotarkastelusta nähdään esimerkiksi kiteen resonanssitaajuus.
Kiteen siirtofunktio mallinnettiin MATLAB:in Simulink ohjelmalla. Malliin on myös li- sätty kiteen rinnalle 50 ohmin vastus tasoittamaan kiteen värähtelyä. Mallinnettu kytkentä näkyy liitteessä A3.1. Mallinnuksen jälkeen kytkentä linearisoitiin MATLAB:in Control Design Toolboxin avulla ja siirtofunktioksi saatiin kaavassa 4 näkyvä funktio. Siirtofunk- tion avulla voidaan esimerkiksi tutkia
H(s) = s2+ 9,313·10−10s
s2+ 6,471·106s+ 3,676·1015 (4) kiteen energian absorboitumista eri taajuuksilla. Tätä tarkoitusta varten MATLAB:ssa piirrettiin bode-diagrammi, josta käy ilmi taajuuden vaikutus kiteen sisään menevän tehon funktiona. Käytännössä kuvaajasta nähdään millä taajuudella kide on resonanssitaajuu- della. Kuvasta 3 nähdään resonanssitaajuuden olevan noin 10 MHz:n taajuudella. Siirto-
−40
−30
−20
−10 0 10 20
Voimakkuus (dB)
106 107 108
0 45 90 135 180
Vaihe (aste)
Bode diagrammi
Taajuus (Hz)
Kuva 3.Kiteeen taajuusvaste piirrettynä matemaattisen kiteen mallin siirtofunktiota hyväksi käyt- täen. Korkeimman huipun kohdalla on resonanssitaajuus.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
x 10−6
−5
−4
−3
−2
−1 0 1 2 3 4 5
Askelvaste
Aika (sek)
Amplitudi
Kuva 4.Värähtelyjä kiteessä askelfunktion jälkeen. Kuvaaja on piirretty ideaalisilla komponen- teilla. Värähtelyt jatkuvat yli 1,3 mikrosekunnin.
funktion askelvasteesta voidaan katsoa myös kiteen aikavakio ja vaimenemisaika. Askel- vastekuvaaja tarkoittaa sitä miten dynaaminen malli reagoi signaalin äkkinäiseen muutok- seen äärettömän pienessä ajassa. Signaali näyttää toisin sanoen muuttuvan porrasmaisesti esimerkiksi nollatilasta ykköstilaan.
Askelvasteen kuvaajasta 4 nähdään piirin aikavakion olevan noin 220 nanosekuntia. Aika- vakio lasketaan siitä, kun signaali on pudonnut 1-exp(-1) = 63.2 % alkuperäisestä arvos- taan. Kuvaajasta nähdään myös, että värähtely jatkuu pitempään, kuin 1,3 mikrosekuntia.
2.2 Takaisinkytkennän vahvistin
Erilaisia simulointeja läpikäydessä päädyttiin värähtelyn vaimentamiseksi kytkennän rin- nalla käyttämään takaisinkytkentää. Vahvistimeksi takaisinkytkentään ajateltiin operaa- tiovahvistinta, RF-vahvistinta, MOSFET-driveria sekä multiplexeriä.
Operaatiovahvistimen ongelmaksi muodostui liian hidas nousunopeus. Operaatiovahvis- timen nousunopeudet ovat yleensä suurimmillaan noin 6000 V/s suuruusluokassa, joka tarkoittaa sitä, että vahvistuksen arvolla 10 nopeus on enää luokkaa 600 V/s. Nanosekun- nin aikana tällä nopeudella jäädään nousunopeuteen 6 mikrovolttia, joka on riittämätön.
Lisäksi operaatiovahvistimien vaihevaste muuttuu 10 MHz taajuudella arvaamattomasti, jolloin takaisinkytkennän sovitus käy mahdottomaksi.
RF-vahvistimien taajuusalue on yleensä annettu datalehdissä 50 MHz:stä ylöspäin. Käy- tettäessä vahvistinta alemmilla taajuuksilla jouduttaisiin vahvistus- ja vaihekäyriä ekstra- poloimaan, joka saattaa aiheuttaa yllättäviä tuloksia käytännön komponentissa. Ennen kaikkea vaihevasteen puutteellinen tieto aiheuttaa ongelmia piirin suunnittelussa. Vaiheen ollessa muuta kuin 0 tai 180 astetta signaali vaimenee joko huonosti, tai joillakin vaihei- den arvoilla jopa kasvattaa värähtelyä.
Myös MOSFET-driver piirejä katsottiin vahvistimiksi takaisinkytkentään. Näiden piirien suurimmaksi ongelmaksi tulivat kuitenkin liian hitaat nousuajat, laskuajat tai näiden yh- distelmät.
Lopuksi työssä päädyttiin käyttämään multiplexeriä, johon on yhdistetty vahvistin. Mul- tiplexeripiirissä on kaksi sisääntulokanavaa ja yksi ulostulokanava. Kahden sisääntuloka- navan avulla multiplexerin lähtö voidaan maadoittaa kytkemällä toinen sisääntulokanava maahan silloin, kun vahvistusta ei tarvita. Näin multiplexeri ei häiritse kytkentää olles- saan poissa päältä. Multiplexeripiirissä on myös vahvistin, jolla voidaan vahvistaa tulevaa signaalia.
2.3 Pulseri
Pulseri on kaksiasteinen push-pull tyyppinen vahvistin. Ensimmäisessä asteessa ohjaus- signaalia ohjaa P- ja N-tyypin MOSFET:ja, joista N-tyypin syöttöjännitteenä on 4,5 volt- tia ja P-tyypin MOSFET:llä -4,5 volttia. MOSFET:ksi kytkentään valikoitui NXP:n NX3008CBKV komplementaariset tehofetit. Pulserin kytkentä näkyy liitteessä A1.1. Jän-
nite on molemmilla puolilla noin puoli volttia käyttöjännitettä matalampi, koska jännittee- nä käytetään vahvistimen toisen asteen biasointi-jännitettä. Ensimmäinen aste ei tarvitse erillistä biasointia, koska ohjauksessa käytettävältä mikropiiriltä tuleva pulssi on digitaa- linen, joten MOSFET:en ei tarvitse olla aktiivialueella.
Pulserin toinen aste on toteutettu samoilla P- ja N-tyypin MOSFET:llä, kuin ensimmäi- nen aste. MOSFET:it on biasoitu niin, että kumpikin MOSFET on aktiivialueella. P- tyypin MOSFET tarvitsee suuremman bias jännitteen saman bias-virran saamiseksi, kuin N-tyypin, joten vastusten jännitteenjako on P-tyypin MOSFET:lle suurempi, kuin N- tyypille. Toinen aste on invertoiva, eli P-tyypin MOSFET on kytketty positiiiviseen- ja N-tyyppi negatiiviseen käyttöjännitteeseen.
Vahvistimelle tuleva takaisinkytkentä on toteutettu Texas Instrumentsin LMH6570MA multiplexerivahvistimella. LMH6570MA-piirissä on kaksi tulonastaa, joista toinen on päällä halutun ajan ja toinen on kytkettynä maahan. Maahan kytkennällä vahvistin saa- daan pysymään nollajännitteessä silloin kun takaisinkytkentä ei ole toiminnassa ja näin ollen voidaan estää takaisinkytkennän aiheuttamia häiriöitä silloin, kun se ei ole käytös- sä. LMH6570MA-piirissä on kytkinominaisuutensa lisäksi myös vahvistin, jolla voidaan nostaa tulevan signaalin jännitettä. LMH6570MA käyttöjännitealue on tässä kytkennässä -5V:sta +5V:iin, jolloin jännite voi vaihdella 10 voltin sisällä. Piirin suurin tulojännitealue on -2.6V:sta +2.6V:iin. Tästä syystä tulojännitettä on rajoitettu erillisellä jännitteenjaolla noin yhteen viidesosaan alkuperäiseen jännitteeseen.
Takaisinkytkennän vahvistukseksi on valittu noin 5, koska tulojännite on vahvistimen käyttöjännitteen asettamien rajoitteiden takia, vain muutaman kerrannaisen päässä läh- töjännitteestä. Suurempi vahvistus aiheuttaa amplitudin leikkautumista ja vaihesiirtymää, joka aiheuttaa ongelmia takaisinkytkentään.
Koska kiteen sisäisiin ominaisuuksiin ei voida vaikuttaa, jää värähtelyn vaimentamisek- si melko vähän keinoja. Värähtelyä voidaan vaimentaa esimerkiksi syöttämällä kiteeseen kiteen generoiman värähtelyn vastavaihetta. Vastavaihe syötetään negatiivisella takaisin- kytkennällä samalla piirillä, kuin millä pulssikin on generoitu. Takaisinkytkennän aikaan- saamiseksi tarvitaan referenssijännitettä sitä syöttävälle vahvistimelle, LMH6570MA- piirille. Referenssijännite saadaan kiteen ja pulserin liityntäkohdasta juuri ennen siirto- johtoa, jolloin pystytään syöttämään oikeassa vaiheessa olevaa vastavaihetta kiteelle.
Kiteen vaimennuksessa on olennaista, että ensimmäiset pulssit vastavaiheen syötössä ovat mahdollisimman suuria amplitudiltaan. Näin ollen kiteen värähtely saadaan nopeasti pie- nennettyä. Koska takaisinkytkennän referenssijännite on sama, kuin mitä takaisinkytken-
nän vahvistin vaimentaa, täytyy vahvistimen myös pystyä nopeaan vaimentamiseen, että takaisinkytkennän vahvistimelle riittää käyttökelpoista referenssisignaalia. Jos amplitudi on vain muutamia satoja millivoltteja, vahvistin ei tuota riittävän suurta ulostulojännitettä pienen vahvistuskertoimensa takia.
Aikaisemmissa pulserin versioissa värähtelyä oli koetettu poistaa ali- ja ylipäästösuoda- tinta käyttäen oskilloskoopille menevän proben yhteydessä. Kaistanpäästösuodatus ei kui- tenkaan riittänyt vaimentamaan tarpeeksi kiteen vaimentuessa aiheutuviin ylimääräisiin värähtelyihin, että lähetetty pulssi olisi erotettavissa, koska värähtelyt ovat samalla taa- juudella, kuin pulssikin.
2.4 Ääniaallon eteneminen väliaineessa
Äänennopeus vedessä normaalipaineessa ja huoneenlämpötilassa on noin 1500 m/s. Riit- tävän tarkkuuden äänennopeudelle puhtaassa vedessä ja normaalipaineessa lämpötilan suhteen voidaan laskea esimerkiksi käyttämällä Lubbersin ja Graaffin yksinkertaistettua kaavaa. Kiteen ja membraanikalvon välissä on 1 millimetrin suuruinen väli, jolloin 1500 m/s nopeudella ääniaallolla kestää välimatkan kulkemiseen noin 0,6747 mikrosekuntia.
Edestakainen matka kestää siis noin 1,3494 mikrosekuntia, josta saadaan raja-arvo sille miten pitkään kide saa värähdellä pulssin lähettämisestä pulssin vastaanottamiseen. Ki- teen matemaattisen mallin aikavakio värähtelyn vaimenemiselle on 220 nanosekuntia, jo- ten kide ei vaimene luonnollisesti 1,3494 mikrosekunnissa nollaan volttiin. [5]
Kuten jo aiemmin todettiin paine ja lämpötila vaikuttavat äänennopeuteen. Tästä syystä äänennopeuden jatkuva seuraaminen on välttämätöntä, että kalvon paksuuden muutosten tunnistaminen on tarpeeksi tarkkaa. Äänennopeutta voidaan mitata esimerkiksi laitamal- la kaksi ultraäänianturia eri etäisyyksille toisistaan niin, että niiden välimatka toisiinsa ja heijastumispisteeseen on tiedossa. Mittaamalla eri pulserien äänien kulkema aika lähetti- mistä heijastuspisteeseen ja takaisin ja vertaamalla pulssien kulkuaikoja saadaan lopputu- lokseksi todellinen äänennopeus.
2.5 Membraanipuhdistus
Membraanipuhdistusta käytetään muuan muassa veden tai muun nesteen puhdistuksessa paperiteollisuudessa tai juomaveden valmistuksessa. Membraanipuhdistukselle on tilaus-
ta, koska likaisen veden puhdistamista tarvitaan maailmassa yhä enemmän. Helppo, hal- pa ja tehokas vedenpuhdistus ei ole ennen onnistunut ilman kemikaaleja. Kemikaalit ovat myös kalliita ja niitä joudutaan lisäämään jatkuvasti. Membraanipuhdistuksessa tarvitaan ainoastaan vaihtaa kalvo sen likaantuessa.
Membraanikalvon läpäisee noin 0,001-0,02 mikrometrin läpimitaltaan olevat molekyy- lit. Membraanikalvona voidaan käyttää esimerkiksi polymeeri- tai keraamista suodatin- kalvoa. Membraanikalvon paksuus on noin 250 mikrometriä, ennen kuin sitä aletaan pai- neistaa. Membraanikalvo puristuu paineen vaikutuksesta, joka täytyy ottaa huomioon mit- tauksissa, ennen kuin kalvon pinnalle kertynyttä likaa aletaan mitata. [1] [6]
3 PIIRILEVYN TOTEUTUS
3.1 Piirilevy
Piirilevyn suunnitelman pohjana käytettiin Kimmon Tolsan tekemää pulserin piirilevyn mallia. Kimmo Tolsan tekemässä piirilevyssä käyttöjännitteenä oli ±15V, mutta LMH6570MA piirin käyttöjännite ja sisääntulojännitteen rajoitukset asettivat piirissä käy- tetyn käyttöjännitteen ±5V:iin. Piirilevyn yläpuoli kuvassa 5 on lähes identtinen edel- lisen levyn kanssa. Piirilevyn komponenteista takaisinkytkennän vahvistimeen liittyvät
Kuva 5.Piirilevyn yläpuoli.
komponentit laitettiin pääsääntöisesti piirilevyn alapuolelle (kuva 6) ja piirilevyssä jo en- nestään olleet komponenttien annettiin olla samoilla paikoilla, kuin ne olivat ennenkin.
Aikaisemmasta suunnitelmasta poistettiin maadoituskytkin, joka maadoittaa siirtolinjan pulssin jälkeen noin mikrosekunniksi sekä kytkentä, josta signaali lähtee ulkoiselle vah- vistimelle. Sen sijaan vahvistimelle lähtevä signaali ohjattiin levylle rakennettuun takai- sinkytkennän vahvistimeen.
Piirilevyn valmistuksen rajoitteet ovat ESK:en (Elektroniikan suunnittelukeskus) jyrsin-
Kuva 6.Piirilevyn alapuoli.
täkoneen asettamia. Piirilevyn viivanleveytenä on käytetty 0,3 millimetriä ja poraukset on tehty 0,85 millimetrin poralla. Jännitteen syötöt on tehty 0,5 millimetrin viivanleveydellä.
Piirilevyn maadoitus on tehty kuuparikaadoin levyn kummallakin puolella. Ensimmäisen piirilevyn suunnittelussa oli joitakin virheitä kuten se, että oskillaattorin maadoituskyt- kentä ei ollut kiinni suunnitelmaa tehtäessä, sekä takaisinkytkennän vahvistimen jännite- nastojen väärä järjestys.
Tehon syöttö hoidetaan erillisellä muuntajalla. Teholähteeltä saadaan +24, -24, ja +5 vol- tin jännitesyötöt. Muuntajalta eri jännitteet siirretään piirilevylle, jossa +24- ja -24 vol- tin lähdöistä tehdään hakkurivirtalähteen avulla +5 ja -5 voltin lähdöt takaisinkytkennän vahvistimelle ja ensimmäisen ja toisen asteen lähdöille. Sen lisäksi +24 voltin syötöstä tehdään erillinen +5 voltin syöttö muille piirillä +5V:a tarvitseville komponenteille. Te- holähteeltä tuleva erillinen +5 voltin tulo muunnetaan 3.3V:in jännitteeksi logiikkapiirille ja liipaisinpulssin vahvistimelle.
Piirilevyn ulostulona on oskilloskoopin triggerille menevä pulssi. Pulssi syötetään BNC- liittimeen, josta pulssin saa helposti kytkettyä BNC-johdolla yleisimpiin oskilloskooppei- hin. Kiteelle menevä pulssi menee SMA-liittimellä, josta sitä monitoroidaan oskilloskoo- pin probe-johdon avulla. SMA-johdon etuna on kierrettävä liitos, jolla signaali saadaan
luotettavasti liitettyä. SMA-johto yritettiin pitää mahdollisimman lyhyenä, koska aikai- semmin mainituista syistä pitkä liitosjohto saattaa aiheuttaa värähtelyä kiteeseen.
3.2 Piirilevyn valmistus
Piirilevystä tehtiin koekappale, johon oli lisätty edelliseen versioon verrattuna takaisin- kytkentä, jolla syötettiin pulssiin vastavaiheista pulssia. Piirilevy valmistettiin ESK:lla ja komponentit siihen ostettiin Farnell:lta. Piirilevyksi valittiin kaksipuoleinen levy koska
Kuva 7.Pulserin piirilevy. Kuvassa näkyy myös kiteen siirtolinjan pulssia mittaava mittaprobe.
sellainen pystyttiin tekemään ESK:en laitteistoilla. Komponentit olivat suurimmalta osal- ta pintaliitoskomponentteja pois lukien liittimet ja signaalien reititykset sekä läpiviennit.
Lopullinen pulseri näkyy kuvassa 7.
3.3 Ohjelmoitavat logiikkapiirit
Ohjelmoitavat integroidut piirit ovat joko kombinatorisia tai sekventiaalisia PLD-piirejä.
Kombinatoriset piirit muodostuvat AND- ja OR-piireistä, joiden välisiä reittejä yhdistää niin sanotut sulakkeet. Ohjelmoitaessa piiriä sulakkeet joko katkaistaan tai jätetään pai- kalleen riippuen halutusta toiminnallisuudesta. Kombinatoriset piirit jakautuvat kolmeen yleisesti käytössä olevaan piirin PROM, PAL ja PLA. Näitten piirien erot ovat piirin
AND- ja OR-porttien ohjelmoinnin mahdollisuuksissa. Kombinatoristen piirien käyttö- kohteet ovat lähinnä kertaohjelmoitavissa sovelluksissa, koska yhdistävät sulakkeet ovat yleensä kertakäyttöisiä. Kombinatoristen piirien tarvitsemat tehot ovat pieniä ja piirien fyysiset mitat ovat vain muutamien senttien luokkaa.
Sekventtiaaliset piirit sisältävät AND- ja OR-verkon lisäksi myös kiikkuja. Kiikut ovat lo- giikkapiirejä suunniteltaessa tärkeitä osia, koska niillä saadaan muutettua tarvittaessa sig- naalin kulun ajoitusta ja niitä voidaan käyttää rekistereinä. Sekvenssilogiikkapiirejä ovat SPLD, CPLD ja FPGA. SPLD on käytännössä PAL-piirin ja rekisterin yhdistelmä laitet- tuna yhteen piiriin. CPLD-piirissä on useita SPLD-piirejä joiden välille voidaan ohjel- moida takaisinkytkentöjä. Lisäksi piirin sisään- ja ulosmenoja ohjaa erillinen I/O-lohko.
CPLD-piirin sisällä olevia lohkoja kutsutaan makrosoluiksi. CPLD-piirit ovat uudellee- nohjelmoitavia ja niillä voidaan suorittaa monimutkaisia loogisia ongelmia. Ne ovat myös nopeita ja pienitehoisia, koska ne perustuvat PLA-piireihin ja kiikkuihin. FPGA-piirit pe- rustuvat LUT(Look-Up-Table) lohkojen käyttämiseen. LUT:ta yhdistelemällä saadaan ra- kennettu monimutkaistakin logiikkaa. [7]
3.3.1 Kytkennässä käytetty CPLD
CPLD-piiriä käytetään tarvittaessa nopeata ohjelmoitavaa logiikkaa. CPLD-piiriksi oli valittu Latticen LC4064V-75TN44C. Piirin käyttöjännite on 3,3 volttia, joka aiheuttaa sen, että piirilevylle tulee lisätä myös 3,3 voltin tehosyöttö. Piirissä on 32 ohjelmoitavaa makrosolua ja 32 I/O lohkoa joista 2 on sisääntulolohkoja. Signaalin läpikulkuaika piiris- sä on 7.5 nanosekuntia. Piirin viiveet tulevat sisääntulojen ja ulostulojen viiveistä, reititys- viiveistä, ohjauksen viiveistä sekä rekisterien ja kiikkujen viiveistä. CPLD-piiri ohjelmoi- daan Latticen USB-ohjelmointiadapterilla, jossa on pinnit ohjelmiston syöttämiseen, sekä käyttöjännitteen tunnistamiseen. Piiriksi valittiin sama logiikkapiiri, kuin Kimmo Tolsan alkuperäisessä toteutuksessa oli. Näin ollen pystyttiin hyödyntämään valmiiksi edelliseen kytkentään tehtyä ohjelmaa, johon ei tarvinnut muuttaa muuta, kuin kytkennät maadoi- tuskytkimille sekä vahvistimelle. Maadoituskytkinten poistuessa myös piirin makrosoluja vapautui muuhun käyttöön.
3.3.2 ispLEVER Classic
Latticen logiikkapiirit voidaan ohjelmoida esimerkiksi Latticen valmistamalla ispLEVER Classic –ohjelmistolla. Ohjelmointi voidaan suorittaa graafisesti asettelemalla logiikka-
porttien symboleita haluamaansa järjestykseen. Symboleista löytyy myös laskureita, kiik- kuja rinnakkaisväyliä, muxereita ja muita AND, OR ja NOT piireistä rakennettuja isom- pia kokonaisuuksia. Vaihtoehtoisesti ohjelman voi myös kirjoittaa VHDL tai Verilog oh- jelmointikielellä. Kirjoitettaessa ohjelmaa tulee ymmärtää esimerkiksi laskurin toiminta sekä ohjelmassa käytettävä syntaksi alustuksineen ja määrittelyineen. Graafisesti tehdessä vain logiikan toiminnan ymmärtäminen on tarpeen.
Ohjelman valmistuttua se syntetisoidaan ja muutetaan binaarimuotoiseksi koodiksi. Syn- tetisoinnin yhteydessä koodia myös optimoidaan automaattisesti mahdollisimman yksin- kertaiseksi ja tehokkaaksi. Syntetisointi pyrkii myös minimoimaan piirin viiveajat mah- dollisimman pieniksi. Ennen ohjelmointia valitaan piiri, jota halutaan ohjelmoida. Näin ollen ohjelmiston osaa valita valmiit piirikohtaiset sulakekartat ja tiedon makrosolujen määrästä. Siten ohjelman syöttäminen syntetisoinnin jälkeen Latticen USB- ohjelmoin- tiadapterilla CPLD-piireille on melko yksinkertaista.
Työssä käytetyn ohjelman kuvaus perustuu 16-bittiseen laskuriin, jonka jokaisesta bitis- tä on ulostulo. Näitä ulostuloja yhdistelemällä saadaan aikaan halutun pituisia pulsseja, joiden alkamis- ja loppumisaikaa voidaan säädellä. Oskillaattorin taajuus on 200 MHz:ä.
Kellotaajuus on puolitettu 100 Mhz:iin piirin logiikka varten ja siitä on tehty myös 100 MHz:n käänteispulssi, jonka amplitudi on puolitetun kellon komplementti. Käyttämällä 16-bittistä laskuria saadaan 100 MHz:n taajuudella logiikka muuttamaan tilaansa aikana, joka on 100 MHz:n käänteisluku. Näin ollen vähiten merkitsevän bitin muuttamiseen kes- tää vähimmillään 10 nanosekuntia. Mentäessä kohti enemmän merkitseviä bittejä voidaan havaita, että laskurin jaksonaika on aina kaksi kertaa suurempi, kuin edellisen bitin jak- sonaika. Tämä nähdään kaavastaT = 2n
f1
2kello
, jossaf1
2kelloon puolitettu kellotaajuus 100 MHz janon ulostulon bitti välillä 0-15.T on jaksonaika.
Ohjelmistolla voidaan simuloida piirin toimintaa ilman signaalin läpikulkuviivettä sekä sen kanssa. Piiriä simuloitiin laittamalla piirin herätteeksi kellopulssi, joka saadaan oskil- laattoripiiristä. Simulaattorin avulla voidaan tarkastaa signaalien oikea aikainen toiminta, sekä se ettei signaalit kytke pulserin toisen asteen MOSFET:jä yhtä aikaa päälle aiheut- taen oikosulun. Simulointi paljastaa myös ajatusvirheet, pulssien päällä oloajat ja logiikan toiminnan.
Kytkentää simuloitaessa tarkistettiin lähtevän pulssin ala- ja yläpuoleinen osa, oskillos- koopille menevän triggeripulssin ajoitus sekä sen pituus ja vahvistimen päälle kytkemi- saika sekä sen pituus. Simulointien jälkeen valmiin ohjelman tulisi toimia piirissä simu- loinnin mukaisesti, mutta toteutettuun kytkentään tulee piiristä ja muista komponenteista
johtuen lisää viivettä.
3.4 Koejärjestelyn testaus
Kytkentää testattiin käytännössä laittamalla piirilevyn ulostulo noin 40 senttimetrin mit- taisella johdolla SMA-liittimeen, joka on kiinnitetty koneistettuun metallisuojukseen. Ki- de on kiinnitetty metallisuojuksen alaosaan(kuva 8). Metallisuojus on kiinnitetty korkeus- säädettävään metallirunkoon. Likakerroksen muodostumista kalvon pinnalle mallinnettiin millimetriruuvilla, joka on kiinni metallirungossa. Näin ollen oskilloskoopin näytöltä voi- daan lukea millimetriruuvilla tehdyt korkeuden muutokset. Membraanikalvo on petrimal- jassa veden peittämänä ja kide on upotettuna kokonaan veteen joten kiteen ja membraa- nikalvon välissä on vain vettä. Koejärjestely on esitetty kuvassa 9. Kuvassa vasemmalla
Kuva 8.Kiteen koneistettu metallisuojus ja petrimalja.
ylhäällä näkyy kiteen metallirunko ja kirjan päällä petrimalja. Vasemmassa alalaidassa näkyy pulseri ja oikealla oskilloskooppi.
Kuva 9.Pulserin koekytkentä. Kuvassa näkyvät myös korkeussäädettävä metallirunko, kiteen run- ko, oskilloskooppi ja pulseri.
4 TULOKSET
4.1 Simulointi
Erilaisia simulointikytkentöjä oli useita. Suurin osa niistä ei vaikuttanut lopulliseen puls- siin tai ne huononsivat sitä alkuperäisestä. Pulserin simulointimallissa oli aluksi ideaali- nen takaisinkytkentä, jolla kiteen värähtelyä saatiin pienennettyä. Tarkoituksena oli saada toteutettua sama ilmiö myös käytännön komponenteilla. Vahvistimen valinnassa huomioi- tiin sen nopeus sekä vahvistuksen suuruus.
Takaisinkytkentää yritettiin tehdä liitteen A4.1 mukaisesti vastuksen ja kapasitanssin sar- jaresonanssilla suoraan syöttöjohdosta erillisen vahvistimen rinnalle. Simuloitaessa yk- sittäisiä pulsseja tulokset näyttivät lupaavilta, mutta ongelmaksi tässä kytkennässä tuli kytkennän ajautuminen hallitsemattomaan värähtelyyn, koska kytkennän vastus ja kapa- sitanssi toimivat kuten positiiviseen takaisinkytkentään kytketty oskillaattori.
Kiteen värähtelyjä yritettiin saada poistettua myös asentamalla vahvistimen toiseen astee- seen sekä positiiviselle, että negatiiviselle puolelle kaksi saman tyypin MOSFET:iä yhtei- sillä lähteillä ja hiloilla. Kytkentä on kuvattu liitteessä A4.2. Ohjaussignaalin tulessa hilal- le toinen MOSFET:stä aukeaa ja virta pääsee kulkemaan läpi. Koska toinen MOSFET:stä on kytketty estosuuntaan, ei virta pääse kulkemaan suoraan sen läpi, vaan se joutuu kul- kemaan nielun ja lähteen välillä olevan runkodiodin kautta. Kytkennän tarkoituksena oli katkaista syöttävän johdon yhteys jännitelähteeseen MOSFET:n runkodiodin kautta. Vir- ran kulkiessa toisen MOSFET:n ja ja runkodiodin läpi runkodiodi aiheuttaa syöttölinjan jännitteeseen laskun joten vahvistimen dynamiikka pienentyy kahden MOSFET:in push- pull vahvistimen kytkentään nähden. Vaikka pulssin muoto siirtolinjassa onkin melko lä- hellä ideaalista pulssia ja siinä ei ole ylimääräistä värähtelyä, ei kide pääse purkautumaan mitenkään muuten kuin sisäisen vastuksensa kautta ja näin ollen aiheuttaa kiteen sisällä pitkään värähtelyjä. Tilanne voidaan todeta liitteestä A5.1, jossa jännite kiteen sisäisen induktanssin yli kestää yli mikrosekunnin.
MOSFET:in runkodiodi on valmistusteknisistä syistä aina mukana MOSFET:ssä. Runko- diodin palautumisnopeus ei ole kovinkaan nopea verrattuna esimerkiksi Schottky-diodiin.
Eräässä simuloinnista yritettiin laittaa runkodiodin rinnalle schottky-diodi nopeuttamaan runkodiodin palautumista niin, että pulssin jälkeiset värähtelyt eivät viivästyisi MOS- FET:sta johtuvista syistä ja näin ollen vääristäisi takaisinkytkentään syötettävää sisään- menosignaalia. Tämä ei kuitenkaan nopeuttanut juurikaan MOSFET:in ja schottky-diodin
kokonaispalautumisaikaa, koska MOSFET:in runkodiodin ja schottky-diodin yhdistelmä ei voi palautua nopeammin, kuin hitaamman komponentin fyysiset ominaisuudet sallivat.
Liitteessä A5.2 näkyvä vahvistimen lähtö värähtelee vielä satoja nanosekunteja pulssin jälkeen. Lisäksi kiteen sisäinen resonanssi ei ole vaimentunut juuri ollenkaan.
Eräs simulointimalli oli tehty niin, että takaisinkytketty signaali palaisi noin kymmenker- taisella vahvistuksella. Vahvistus olisi kytketty niin myöhään, että värähtely kiteessä oli- si kerinnyt laskea satojen millivolttien suuruusluokkaan. Takaiskytkennän vahvistimena oli LMH6570MA, jonka vahvistuksen dynamiikka olisi pystynyt vahvistamaan signaa- lin ilman vaihesiirtoa. Kytkentä on esitetty liitteessä A4.4 ja simuloitu pulssi sekä kiteen induktanssi liitteessä A5.3. Simuloinnin tuloksesta nähdään, että vahvistimen ulostulo vä- rähtelee pitkään ja voimakkaasti pulssin jälkeen ja ei näin ollen sovellu käytännön sovel- lukseen.
Värähtelyjä pyrittiin myös kumoamaan laskemalla kiteen ideaaliselle mallille reaktanssi 10 MHz:n taajuudella. Ajatuksena oli kiteen ominaisinduktanssin aiheuttaman induktii- visen reaktanssin kumoaminen kapasitiivisella reaktanssilla. Kondensaattori oli asetettu kiteen ja sen maadoituksen väliin. Kapasitanssin lisääminen pienensi värähtelyjä, mutta se pienensi myös pulssin dynamiikkaa. Liitteessä A4.3 nähdään kytkentäkaavio, johon on myös lisätty takaisinkytkentä kiteen sisäisen induktanssin purkamiseksi. Lisäksi kytken- nässä on ajoitetut maakytkimet, jolla pystytään tarvittaessa vetämään siirtolinja maihin.
Vaikutus pulssin dynamiikkaan nähdään liitteestä A5.4.
Simulointeja tehdessä päädyttiin lopulta kytkentään, jossa käytettiin±5V:in käyttöjänni- tettä, takaisinkytkentää, jossa on LMH6570MA piiri sekä induktanssien ja kondensaatto- rien sarjakytkentä. Kytkentä on esitetty liitteessä A4.5. Sarjakytkennällä takaisinkytken- nän kaistanleveys saatiin pieneksi ja aseteltua oikeaan kohtaan hieman yli 10 MHz:iin.
Simuloinnin tuloksissa(liite A5.5) nähdään, että vahvistimen lähdössä näkyy itse asias- sa kaksi pulssia peräkkäin. Toisen pulssin aiheuttaa takaisinkytkentä, jolla saadaan kiteen sisäiselle värähtelylle vastakkaisvaiheinen pulssi. Tämän pulssin takia kiteen sisäinen vä- rähtely putoaa lähes nollaan nopeasti. Liitteessä A5.5 vaiheet näyttävät olevan samoin päin, mutta tämä johtuu siitä, että kiteen yli olevaa jännitettä on mitattu väärin päin ole- villa probeilla.
Pulserin alkuperäisessä simulointi kytkennässä oli myös siirtojohto, jonka mitta on noin 40 senttimetriä. Tämä siirtojohto aiheutti kytkentään myös ongelmia, koska johto ei ole pelkästään resistiivinen suurilla taajuuksilla. Suurilla taajuuksilla johdon induktiiviset ja kapasitiiviset ominaisuudet alkavat nousta resistanssia suuremmaksi sähköisen vastuksen
aiheuttajaksi. Johdon sähköisiä ominaisuuksia kuvataan suurilla taajuuksilla siirtolinja- mallilla(kuvassa 10), eli niin sanotulla lennätinyhtälöllä (telegraph equation).
R G
L C
Kuva 10.Lennätinyhtälön sijaiskytkentä. Sijaiskytkentä kuvaa siirtojohtoa korkeilla taajuuksilla.
Johtoa mallinnettaessa havaittiin, että johdon suurilla taajuuksilla johtuvista ominaisuuk- sista se aiheuttaa värähtelyjä kytkentään. Värähtely syntyy resistanssin, kapasitanssin ja induktanssin seurauksena ja synnyttää RLC-piirin. Värähtelyyn osallistuu siirtojoh- don lisäksi myös kide, josta löytyy myös sekä induktiivisia, että kapasitiivisia osia. Joh- don resistanssi on noin 2.61 ohmia sadalle metrille. Sen kapasitanssi on 67.5 pF:a met- rille ja kaapelin impedanssi on 75 ohmia. Resistanssin ollessa pieni verrattuna impe- danssiin voidaan heti päätellä, että suurin osa kaapelin impedanssista on reaktiivista.
Laskemalla Pythagoraan lauseella reaktiivinen osa impedanssille saadaan reaktanssiksi p(75Ω2−2.61Ω2) = 74.95457Ω. Lisäämällä kokonaisreaktanssiin kapasitiivinen osa saadaan induktiivinen reaktanssi.
74.95457Ω + 1
(2·π·10MHz·67.5Ω) = 235.79Ω (5) Myös siirtolinjan ja kiteen kokonaisreaktanssia pyrittiin kompensoimaan lisäämällä ka- pasitiivista reaktanssia. Lopputulos ei kuitenkaan ollut toivotunlainen, koska siirtolinjan induktiivinen resistanssi on niin suuri, että sen kumoamiseen tarvitaan suuri kapasitanssi.
Kapasitanssi vaikuttaa pulssin dynamiikkaan niin paljon, ettei sen käyttö ollut järkevää kytkennässä. Lisäksi kapasitanssilla ei saatu poistettua täysin johdon aiheuttamaa väräh- telyä.
Värähtelyn kumoaminen osoittautui siinä määrin vaikeaksi, että passiiviset komponen- tit eivät riittäneet vaimennuksen aikaan saamiseksi. Eräs vaihtoehto vaimennukselle oli laittaa vahvistinta ohjaava logiikkapiiri uudelleen päälle pulssin jälkeen niin, että sen po- sitiivinen heräte tulisi vastavaiheeseen värähtelyjen ensimmäisen ja suurimman huipun kanssa vaimentaen värähtelyn heti alusta saakka mahdollisimman pieneksi. Käytännös-
sä vastavaiheisen pulssin ajoitus on lähes mahdotonta saada osumaan juuri värähtelyn suurimman amplitudin kohtaan, koska värähtelyn muoto ei ole joka pulssilla aina saman- lainen eikä myöskään ole ajallisesti tarkasti ennustettavissa. Siitä huolimatta tarpeeksi nopealla pulssilla näytti olevan vaikutusta värähtelyn suurimpien amplitudien poistossa, mutta sitä ei voitu tarkasti sanoa vaikuttiko pulssi ensimmäiseen vai toiseen värähtelyn amplitudi huippuun.
Push-pull vahvistimen biasoinnin nollatasoa koetettiin myös kytkeä sekä maahan, että läh- töön. Maata vasten biasoitu kytkentä pitää jännitteen MOSFET:in kannalla tasaisena ja se muuttuu vain esivahvistimen virran muutoksen seurauksena. Kytkemällä lähtö biasoinnin keskipisteeksi saadaan värähtelyn amplitudia pienennettyä, koska MOSFET:in kantajän- nite muuttuu lähdön jännitteen mukaan ja aiheuttaa lähtöön negatiivista takaisinkytken- tää. Toisaalta haittapuolena kytkennässä on se, että se vaimentaa myös pulssin amplitudia.
Simuloitaessa kaksinkertaisilla MOSFET:en kytkennällä biasointi oli toteutettava kytke- mällä se maata vasten, että kiteestä pulssin jälkeen tuleva virta ei pääse biasointi vastusten kautta takaisin toisen asteen vahvistimen kannalle.
4.2 Mittaustulokset
Toteutetun piirin ulostulo mitattiin oskilloskoopilla kiteen kanssa niin, että kide oli ve- den peitossa ja kaiku tuli vesiastian pohjasta takaisin kiteeseen. Koska valitut MOSFET:it olivat edelleen liian hitaita 10 MHz:n taajuudelle, muutettiin signaalin taajuutta koejär- jestelyä varten pienemmäksi. Tuloksissa keskitytään enemmän pulssiin ja sitä seuraavien värähtelyjen tarkastelemiseen, kuin kaikuun.
Pulseria ohjataan logiikkapiirin tuottamilla ohjaussignaaleilla, joiden kuvaajat näkyvät liitteissä A6.1 ja A6.2. Ohjaussignaalit ovat leveydeltään ohjelmallisesti määrätyn pitui- sia. Kuitenkaan ohjaussignaali ei ole teoreettisen signaalin näköinen, jossa on äärettömän nopeat nousu- ja laskuajat, vaan signaalin amplitudi on huippuarvossaan muutaman na- nosekunnin ajan.
Ensimmäisen vahvistinasteen jälkeiset pulssit näkyvät liitteen kuvissa A6.3 ja A6.4. Näi- hin pulsseihin on myös summautunut takaisinkytkennän vahvistimelta tuleva signaali, jo- ka näkyy kuvissa suurimman pulssin jälkeisenä värähtelynä. Kuvassa A6.3 takaisinkyt- kennän värähtelyn amplitudit ovat suuremmat, kuin kuvassa A6.4. Ero johtuu siitä, että pulssi jää negatiiviselle puolelle värähtelemään, kuten kuvasta A6.10 nähdään.
Vertailemalla kuvia A6.5 ja A6.9 nähdään, että pulssin jälkeinen kiteen resonanssitaajuu- della värähtelevä värähtely on kuvassa A6.5 suurempaa kuin kuvassa A6.9. Laskemal- la pulssien amplitudien eron samalla aikajaksolla saadaan amplitudien eroksi noin viisin kertainen ero ilman vahvistinta olevaan kytkentään verrattuna. Lisäksi pulssi jää värähte- lemään hieman nollan alapuolelle vahvistimen kanssa.
Liitteen kuvissa A6.7 ja A6.8 nähdään negatiivisen puolen herätesignaalin ja pelkälle 50 ohmin vastukselle ilman kidettä lähtevän signaalin viive. Kuvan A6.7 herätepulssin ja ki- teelle menevän pulssin käynnistymisviive on noin 20 nanosekuntia. Toisaalta MOSFET:in sammutus viive on huomattavan suuri verrattuna sytytysviiveeseen. Sammutus viive 90 prosentista 10 prosenttiin on noin 70 nanosekuntia.
Positiivisen puolen herätesignaali ja 50 ohmin vastukselle menevän signaalin kuvaajat ovat liitteessä A6.8. Herätepulssi on 20 nanosekuntia, koska positiivinen puoli nousee no- peammin, kuin negatiivinen puoli. Positiivisella puolella käynnistymisviive on noin 15 nanosekuntia ja sammumis viive noin 70 nanosekuntia. Sekä positiivisella että negatiivi- sella puolella nähdään herätesignaalissa pientä värinää varsinaisen pulssin lisäksi, mutta nämä värinät eivät vaikuta ulostuloon merkittävästi.
Oskilloskoopin kuvista liite A6.10 voidaan todeta, että vahvistimelle menevässä pulssissa ei näy kahta peräkkäistä pulssia, kuten simulaatiossa A4.5. Liitteestä A6.5 voidaan myös todeta, että kiteen värähtelyjen jälkeen kuvassa on myös muuta värähtelyä, joka esiintyy kahtena piikkinä alaspäin noin 1,6 mikrosekunnin välein. Piikit ovat alle 100 millivol- tin suuruisia amplitudiltaan ja niitä esiintyy myös myöhemmin, mutta ne häviävät kai- un värähtelyjen sekaan, vaimentuen lopulta pois. Lisäksi kuvassa on vesimaljan pohjasta heijastunut kaiku ajassa 4 mikrosekuntia. Kaiun alkukohta voidaan nähdä melko selkeästi kuvasta, mutta mikäli kaiku olisi noin 1,5 tai 3 mikrosekunnin kohdalla erottaminen kaiun ja ylimääräisen värähtelyn välillä voisi olla vaikeaa.
Liitteen A6.6 alemmasta kuvassa on kiteelle lähtevän pulssin lisäksi myös teholähteiden lähtöjen kuvaajat. Niiden kuvaajissa näkyy myös sinimuotoista värähtelyä pulssin aikana ja sen jälkeen kertoen sen, että teholähde ei pysty pitämään tasaista jännitettä kuormituk- sen aikana. Negatiivinen jännitelähde värähtelee suuremmalla amplitudilla ja kauemmin, kuin positiivinen teholähde, joka tarkoittaa, että negatiivinen teholähde on suuremmissa vaikeuksissa tehontuoton kanssa kuin positiivinen teholähde.
5 POHDINTA JA TULEVAISUUS
Aikaisemmissa pulsereisssa oli havaittu ylimääräisiä värähtelyjä pulssin jälkeisessä osas- sa. Näille värähtelyille ei ollut keksitty selvää aiheuttajaa. Eräs teoria värähtelyjen aiheut- tajaksi oletettiin olevan kiteen yli- tai aliharmoniset värähtelyt, jotka summautuessaan aiheuttavat liitteen 3 kuvissa näkyviä piikkejä. Tätä teoriaa tukee myös se, että samanlai- silla kiteillä on samanlaiset värähtelyn osat, sekä se, että ilman kidettä pulssin jälkeisiä värähtelyjä ei ole.
Siirtojohdon pituutta tai johdon laatua epäiltiin myös värähtelyjen aiheuttajaksi. Siirto- johdon väärä pituus voi aiheuttaa RF-taajuuksilla heijastumisia siirtojohdossa väärän so- vituksen takia, joka vaimentaa johdossa kulkevaa hyötysignaalia. Toisaalta johdon omi- naisuudet muuttuvat signaalin kulkemisen osalta taajuuden kasvaessa kuten kappaleessa 4 käsiteltiin. Siirtojohdon pituus ei kuitenkaan juurikaan vaikuttanut mitattuihin signaalin muotoihin tai voimakkuuksiin. Siirtojohdon pituus muutettiin noin 3 sentin mittaiseksi, jolloin havaittiin tulosten olevan samankaltaisia kuin 40 sentin siirtojohdolla.
Teholähteestä tuleva ylimääräinen värähtely voi myös summautua pulssin kanssa aiheut- taen ali- tai yliharmonisia värähtelyjä jotka eivät ole kuitenkaan lähtöisin kiteen reso- nanssitaajudesta. Hakkuriteholähteissä on aina sisäinen oskillaattori, joka toimii jollain kiinteällä värähtelytaajuudella. Värähtelytaajuuden tulisi teoriassa vaimentua pois ulos tulevasta jännitteestä riippuen suotokondensaattoreiden kyvystä suodattaa tämä värähte- lytaajuus, mutta käytännössä lievä epäsovitus kondensaattoreilla kytkennässä on mahdol- linen. Oskilloskoopin ruudulla näkyi myös ylimääräinen "vaeltava"taajuus, joka ei liipaise oskilloskoopin triggeriä. Tämä ylimääräinen värinä voi olla lähtöisin hakkuriteholähteen oskillaattorista.
Pulseria simuloitaessa huomattiin, että paras vaimennus saavutetaan, kun takaisinkytken- nässä on kiteen sähköisen mallin mukainen kondensaattorin ja kelan sarjaresonanssi. Voi- daan myös olettaa, että simulointimallin ollessa todenmukainen, takaisinkytkennän väräh- telyt vastaavat kiteen sisäisiä värähtelyjä. Kiteen antiresonanssia ei ole otettu huomioon tässä kytkennässä, vaan sen ei oletettu aiheuttavan häiriöitä kytkentään. Kaikesta huoli- matta takaisinkytkennän sarjaresonanssikaan ei poistanut jo aikaisemmissa kytkennöissä esiintyneitä satunnaisia taajuuksia, joita tuli pulssin jälkeen. Kiteen sähköinen sijaiskyt- kentä on tehty kiteelle, joillakin tietyillä parametreilla, jotka ovat vakioita. Käytännössä parametrit kuitenkin saattavat muuttua tilanteiden mukaan ja esimerkiksi paine ja lämpö- tila voivat muuttaa kiteen ominaisuuksia.
Piirissä oleva kytkentäviive on yläpulssilla noin 15 nanosekuntia ja alapulssilla noin 20 nanosekuntia. Vaikka sekä ylä- että alapuolella on P- ja N-tyypin MOSFET:en sarjaankyt- kentä eivät viiveajat ole kuitenkaan kaksinkertaiset, kuten nähdään kuvista A6.7 ja A6.8.
Tämä johtuu siitä, että ensimmäinen aste toimii kytkimenä, eikä sitä ole biasoitu miten- kään. Toinen aste taas on biasoitu aktiivialueelle, joten kytkentäviivettä ei tule kuin en- simmäisestä asteesta.
Logiikkapiirin ohjauksessa käytettyjä aikoja pyrittiin sovittamaan MOSFET:lle sopivak- si, niin, että komplementaariset MOSFET:it vetää auki olevan MOSFET:in kiinni ja näin ollen lyhentävät MOSFET:ssä olevaa viivettä, jonka sammumis viive on liian pitkä 10 MHz:n taajuudelle. Syttymisviiveitä ennakoiden voidaan MOSFET:en kytkemisajat ajoit- taa niin, että ainakin toisesta pulssista tulee oikean mittainen. Syttymisviive on aika, joka kuluu MOSFET:n kantakapasitanssin täyttämiseen, tästä aiheutuu viivettä MOSFET:in syttymisessä. Ohjaavan pulssin pituus vaikuttaa myös siihen miten suuren amplitudin pulssi saavuttaa, mikäli ohjaavan pulssin pituus on lyhyempi, kuin MOSFET:n nousuaika.
Nousuaika kuvaa sitä miten nopeasti MOSFET saavuttaa nielun ja lähteen välisen käyttö- jännitteen. Sammumis viive taas kertoo miten pitkään MOSFET on auki ohjaussignaalin katkaisemisen jälkeen.
5.1 Tulevaisuus
Työn tarkoituksena oli vähentää kiteen aiheuttamia värähtelyjä, jotka värähtelivät kiteen resonanssitaajuudella. Resonanssitaajuuden lisäksi kide värähtelee myös resonanssitaa- juuden kerrannaistaajuuksilla, joita suunniteltu takaisinkytkentä ei pysty käsittelemään.
Kerrannaistaajuuksien poistoon voitaisiin käyttää maadoituskytkentää, jolla usein pie- niamplitudiset kerrannais värähtelyt saataisiin mahdollisesti poistettua.
Maadoituskytkimen käyttö saattaisi vaikuttaa myös MOSFET:en hitaaseen toimintaan, joka aiheuttaa sen ettei pulssia saada resonanssitaajuudelle. Maadoituskytkimellä voitai- siin oikosulkea pulserin lähtö, jolloin MOSFET:en päällä olo ei muuttaisi kiteelle lähte- vän signaalin arvoja vaan se pysyisi nollassa. Maadoituskytkimen käyttö auttaisi myös piiriä testattaessa, jolloin positiivisen ja negatiivisen puolen toimintaa voitaisiin todentaa maatasoa vasten.
Kaksiasteisen vahvistimen käyttö ei käytännössä tuo kovin suurta muutosta parempaan, koska logiikkapiiriltä tuleva signaali on riittävä jännitetasoltaan ja nopeudeltaan, että se pystyisi ohjamaan pääteastetta ilman vahvistustakin. Tulevissa versioissa logiikkapiirin
ohjaussignaalin voisi laittaa suoraan pääteasteelle. Lisäksi MOSFET:en valintaan tulisi kiinnittää huomiota vielä tarkemmin, että syttymis- ja sammumis viivet olisivat mahdol- lisimman lyhyet.
Pulserin teholähteiden virransyöttökykyä voisi myös lisätä tulevissa pulserin versioissa.
Tehonsyöttökyky ei todennäköisesti riitä, koska tuloksissa nähtiin jännitteen huojumista pulssin aikana. Hakkurivirtalähteen lähdössä olevaa kapasitanssia ei voida muutella ko- vin paljon datalehdessä annetusta arvosta, koska hakkuriteholähteen jännitteen luominen perustuu kapasitanssin tai induktanssin ja resistanssin aikavakioon, jolla jännite määri- tellään oikeaan arvoon kuormalle suunnitellulla tavalla. Teholähteen huojuminen omal- la taajuudellaan saattaa myös osaltaan vaikuttaa kiteen soimiseen resonanssitaajuudesta poikkeavilla taajuuksilla. Teholähteiden muuttaminen hakkurijännitelähteistä regulaatto- rityyppisiksi jännitelähteiksi saattaisi myös muuttaa värähtelyjen muotoa ja mahdollisesti poistaa häiriövärähtelyn.
Pulserin siirtojohtoa voitaisiin myös koettaa vaihtaa toisenlaiseen. Tämän hetkisessä siir- tojohdossa ei ole kovin hyvät ominaisuudet signaalin siirtämisen kannalta. Todennäköisin häiriön aiheuttaja on kuitenkin itse lähetin/vastaanotin kide. Verrattaessa pulssin muotoa kiteen kanssa ja ilman kidettä havaitaan, että kide aiheuttaa ainakin välillisesti häiriöitä pulssiin, jotka näkyvät kahtena peräkkäisenä alaspäin piikkinä, joita seuraa kaksi ylöspäin suuntautuvaa piikkiä.
Pulseria voitaisiin myös koitella niin sanotussa oikeassa ympäristössään membraanikal- von etäisyyden mittaamisessa. Silloin myös kiteeseen kohdistuva paine sekä väliaine vesi olisivat sitä mitä tutkimuksella tavoitellaan. Edellisillä pulsereilla testattujen tulosten li- säksi nähtäisiin myös vahvistimen vaikutus muuttuneeseen signaaliin.
6 YHTEENVETO
Simuloitaessa kiteen ominaisuudet tunnettiin joiltakin osin sähköisen mallin avulla, mutta ilmeisesti ei tarpeeksi hyvin, että kaikki kiteen ominaisuudet olisivat tulleet esille. Pulse- rin malli taas oli odotetun kaltainen teholähteitä lukuun ottamatta, mutta muutoin pulse- rin komponentit toimivat kuten simuloinnissa. Takaisinkytkentä sen sijaan toimi kokolail- la suunnitelman mukaan ja sillä saatiin vaimennettua signaalia viidenteenosaan vahvis- tuksen ollessa asetettuna noin viisinkertaiseksi, kuten oli tarkoituskin. Värähtelyt kiteen resonanssitaajuudella saatiin siltä osin vaimennettua tarpeeksi pieneksi, että membraani- kalvosta heijastuneen signaalin erottaminen onnistuu. Käytännön toteutuksessa havaitut oletetut yli- ja aliharmonisten värähtelyjen summa-aallot eivät vaimentuneet vahvistimel- la ollenkaan. Kiteen mallia pitäisi todennäköisesti vielä tulevaisuudessa korjata niin, et- tä yli- ja aliharmoniset värähtelyt tulisivat myös simulaatioon mukaan, jolloin niitä olisi helpompi pienentää.
MOSFET:en simulointimallit toimivat ajoituksia ja viiveitä lukuun ottamatta moitteetto- masti ja pulssin erilaiset variaatiot takaisinkytkennän ajoituksen suhteen näyttivät simu- laatioissa samankaltaisille, kuin mitä ne näyttivät oskilloskoopin ruudulla. Simuloinneis- sa MOSFET:en viiveet olivat huomattavasti lyhyempiä, kuin käytännön toteutuksessa. Si- mulaatioissa keskityttiin aluksi pienentämään kiteen syöttävän linjan jännitevärähtelyjä mahdollisimman pieneksi, mutta työn edetessä, painopistettä siirrettiin enemmän kiteen sisäisen induktanssin pienentämiseen mahdollisimman nopeasti. Syy tähän on oletukses- sa, että kide värähtelee mekaanisesti vaikka syöttölinja olisikin täysin maissa, koska kide muodostaa oman sisäisen virtapiirin, jonka vaimenemisen määrittää piirin resistanssi.
Käytännön sovelluksessa veden äänennopeuden mittaus tulisi toteuttaa kahdella pulseril- la. Työssä ei kuitenkaan päätetty keskittyä kahden erillisen pulserikortin rakentamiseen, vaan saada ensin yhdestä kytkennästä toimiva. Pulssi olisi myös tarkoitus havaita eril- lisillä sensoreilla ilman ihmisen havainnointia, joten kortin tulisi olla luotettava ennen laajempien kokonaisuuksien yhteen kytkemistä.
Piirilevyn valmistuksessa oli muutamia ongelmia. Ensimmäinen piirilevy oli MOSFET:en kytkennöiden osalta väärä ja komponenttien pienen koon takia päätettiin tehdä uusi pii- rilevy. Toinen piirilevy toimi ilman ongelmia ja sillä päästiin testaamaan simuloinnin tu- loksia käytännössä. Lopullisessa piirilevyn versiossa piirilevyn johdotuksiin tulee vielä kiinnittää huomiota mahdollisimman lyhyiden johdinlinjojen aikaansaamiseksi.
Logiikkapiirin ohjelmoimista varten olleet ohjelmistot ja valmis ohjelmapohja oli nopeas-
ti käyttöönotettavissa ja edellisessä pulserissa käytetyn ohjelman muuntaminen uuden pii- rilevyn tarpeisiin oli nopeaa. Ohjelman rakentaminen kiikuilla ja loogisilla piireillä graa- fisesti oli hyvin havainnollista ja ohjelman aikaisempi versio oli dokumentoitu hyvin.
Koejärjestelyjen teko millimetriruuvilla ja veteen upotetulla anturilla antoi melko tarkasti suuntaan antavan kuvan kiteen toiminnasta käytännössä. Millimetriruuvia pyöritettäessä kaiku näkyi selvästi aika-akselilla muuttuvana värähtelynä oskilloskoopin näytöllä. Mil- lin osat siis pystyttiin lukemaan ainakin silmämääräisesti, joten pienet membraanikalvon paksuuden muutokset tulisi havaita. Toisaalta membraanikalvon sivuttaissuuntaiset muu- tokset antavat helposti vääriä tuloksia, mikäli kalvo ei likaannu tasaisesti.
Työn aikana opittiin, että simulaatiossa näkymättömät ylimääräiset värähtelyt tulevat to- dennäköisesti kiteestä. Lisäksi työ antoi allekirjoittaneelle laajaa oppia koko sähköteknii- kan osa-alueilta simuloinneista, RF-tekniikasta, piirilevyn suunnittelusta, logiikkapiirien ohjelmoinnista sekä käytännön laitteiston suunnittelusta ja toteutuksesta. Työn alkupe- räinen tehtävänanto kiteen soimisen poistamisesta onnistui takaisinkytkennällä kuitenkin melko hyvin. Kiteen soiminen ei todennäköisesti häiritse kaiun tunnistamista. Automaat- tinen membraanikalvon likaantumisen havaitseva laite vaati vielä kuitenkin jatkokehitystä ja lisälaitteita pulserin rinnalle.
Viitteet
[1] Ahti Karjalainen.Online Ultrasound Measurements of Membrane Compaction. 2010.
ISBN 978-952-265-007-8.
[2] John R. Vig. Introduction to Quartz Frequency Standards. http:
//www.ieee-uffc.org/frequency-control/learning-vig.asp, 1992. [Chapter:Crystal Unit Equivalent Circuit].
[3] Giancoli. Physics for scientists. Pearson Education, Inc, 4th edition, 2009. ISBN 978-0-13-157849-4.
[4] M.A. C. F. FLOYD and Associate Members R. L. CORKE. Measurement of the electrical behaviuour of piezo-electric resonators. http://ieeexplore.ieee.
org/stamp/stamp.jsp?arnumber=05241382, 1950. [(3) Equivalent circuit of a resonator with secondary modes.].
[5] Justin Ablitt. Technical Guides - Speed of Sound in Pure Water. resource.npl.
co.uk/acoustics/techguides/soundpurewater/content.html.
[Lubbers and Graaff’s simplified equations].
[6] M.Y. Jaffrin L. Defrance. Comparison between filtrations at fixed transmembrane pressure and fixed permeate flux: application to a membrane bioreactor used for was- tewater treatment. http://www.ieee-uffc.org/frequency-control/
learning-vig.asp, 1998.
[7] Jero Ahola. Luentomoniste. Digitaalielektroniikka A/B. https://noppa.lut.
fi/noppa/opintojakso/bl40a1710/luennot/ohjelmoitavat_
logiikkapiirit.pdf. [ohjelmoitavat logiikkapiirit].
[8] Ferroperm. Pz26. http://www.ferroperm-piezo.com/.
54321 DD CC BB AA
0
+VCC -VCC-VCC
0
+VCC 0 0
00
0 0
KIDE ENSIMMÄINEN ASTETOINEN ASTE
R45 15
R45 15 R76 113R76 113
V4TD = 240ns TF = 1ns PW = 20ns PER = 10us
V1 = 2.8 TR = 1nsV2 = 0.2V V4TD = 240ns TF = 1ns PW = 20ns PER = 10us V1 = 2.8 TR = 1nsV2 = 0.2V
C5 10n IC = 2.8V
C5 10n IC = 2.8V
M4 NX3008CBKV_NM4 NX3008CBKV_N R11 2.2
R11 2.2 R95 50R95 50
R67 1k
R67 1k R2 0.001R2 0.001
V2 5Vdc
V2 5Vdc C4 160pFC4 160pF
R93 4.7k
R93 4.7k M3 NX3008CBKV_PM3 NX3008CBKV_P
R6 15
R6 15 R10 11R10 11 R68 1kR68 1k
C3 690pF
C3 690pF L1 1700nHL1 1700nH12
C6 10n
IC = 200mV C6 10n
IC = 200mV R92 4.7kR92 4.7k
TD = 200ns TF = 1ns PW = 40ns PER = 10us
V1 = 0.2V TR = 1nsV2 = 2.8 V3
TD = 200ns TF = 1ns PW = 40ns PER = 10us
V1 = 0.2V TR = 1nsV2 = 2.8 V3 R15 2.2R15 2.2
R75 91
R75 91 R73 2.2R73 2.2
M6 NX3008CBKV_PM6 NX3008CBKV_P R1 0.001R1 0.001 V1 5Vdc
V1 5Vdc M5 NX3008CBKV_NM5 NX3008CBKV_NR74 2.2R74 2.2
Kuva A1.1.Pulserin kytkentä ilman takaisinkytkentää tai muuta lisälaitteistoa. Vahvistimen eri asteet on rajattu havainnollistamaan pulserin kytkentää. (takaisin kappaleeseen: Pulseri)
(jatkuu)
Taulukko A2.1.Kiteen sähköiset ja mekaaniset ominaisuudet. [8] (Takaisin kappaleeseen Kide) Electrical Properties Symbol Unit Pz26
Relative dielectric permittivity at 1 kHz K33T 1300 Dielectric dissipation factor at 1 kHz tanλ 10−3 3
Curie temperature TC> ◦C 330
Max. recommended working range ◦C 230
Electromechanical Properties Symbol Unit Pz26
Coupling factors kp 0,57
kt 0,47
Piezoelectric charge coefficient d33 pCN 290 Mechanical Properties Symbol Unit Pz26
Mechanical Quality Factor Qm,t >1000
Density ρ cmg3 7,70
Säädettävä jännitelähde Simulaattorin alkuarvon asetus nollaan
f(x)=0
Matemaattisen signaalin muunnos fysikaaliseksi
PSS Maataso2 Maataso1
Maataso Jännitemittari
+V − Fysikaalisen signaalin muunnos matemaattiseksi
PSS Askelvasteen kuvaaja
Askelfunktio
690pF +− 50 ohm
+ −
1700nH +−
160pF +−
11 ohm +−
Kuva A3.1.Kiteeen simulaatiokytkentä MATLAB:in Simulinkissä. Kytkennässä näkyy myös si- mulointia varten käytetyt muuntimet fysikaalisen ja matemaattisen signaalin välillä.(takaisin kap- paleeseen: Kide)
(jatkuu)
5 5
4 4
3 3
2 2
1 1
DD CC BB AA
AMP_LO
AMP_HI
AMP_IN
AMP_HI AMP_LO AMP_IN
0
+VCC -VCC
+VCC -VCC
0
0 0
0
0
0
00 Title SizeDocumentNumberRev Date:Sheetof
<Doc>A3.0
LUT / Electronics Design Centre A4 11Thursday, April 04, 2013
KIDE AMP
AMP
C6 10n IC = 0.2V
C16 430p
R11 2.2 R87 0.001 C19 4n
R5 84.7 + -
+ - Sbreak
S2
+ -
+ - Sbreak
S1
R3 50
C5 10n IC = 2.8V R15 2.2 C17 430p
C4 160pF R46 1k V4TD = 240ns TF = 1ns PW= 20ns PER = 10us
V1 = 2.8 TR = 1ns
V2 = 0.2V M2 NX3008CBKV_N
C7 10n IC = 13.6V D14 BAS70 R1 0.001
L1 1700nH
12 2V -2V
R7 2.2
M4 NX3008CBKV_N R8 2.2
TD = 200ns TF = 1ns PW= 40ns PER = 10us V1 = 0.2V TR = 1ns
V2 = 2.8 V1 15Vdc
R6 5R10 11
R4 100 V7TD =280ns TF =1ns PW = 1us PER = 10us
V1 = -1V TR =1ns
V2 = 1V
R36 10 D15 BAS70 R2 0.001
M3 NX3008CBKV_PR45 5 10 GAIN1
C3 690pF C8 10nIC = 13.9V V2 15Vdc
R12 1k M1 NX3008CBKV_P
C18 4n R37 10
Kuva A4.1. Pulseri takaiskytketty sarjareaktanssilla. Sarjareaktanssit ovat kuvassa toisen asteen ja kiteen välissä olevat resistanssien ja kapasitanssien sarjakytkennät. (takaisin kappaleeseen: TU- LOKSET)
(jatkuu)
