Transoptor odbiciowy: Pasmo przenoszenia (czas odpowiedzi)

Autor: Dondu

Artykuł jest częścią cyklu: Transoptory

Pozostał nam do omówienia istotny dla przebiegów szybkozmiennych parametr dot. pasma przenoszenia, czyli szybkości pracy transoptora odbiciowego zwany w dokumentacji czasem odpowiedzi (ang. response time).

W przypadku używania transoptorów odbiciowych do detekcji przebiegów szybkozmiennych można nie docenić istotnych parametrów, od których może zależeć, czy nasz transoptor będzie w stanie rozpoznać prawidłowo obserwowaną powierzchnię.

Po lekturze poprzednich artykułów tego cyklu, zapewne jesteś świadomy, że w przypadku przebiegów szybkozmiennych, należy w szczególności wybierać taki punkt pracy transoptora, który będzie generował strome zbocza sygnału. Niestety to kosztuje,a kosztem jest praca z dużymi prądami.

Podstawowym omawianym przez nas w tym cyklu artykułów transoptorem jest CNY70. Niestety w jego przypadku, na próżno szukalibyśmy szczegółowych informacji w tym zakresie poza wykresem, który szczegółowo omówiłem w artykule: Wpływ ruchu powierzchni na odpowiedź transoptora

Sprawdźmy więc co w tym zakresie znajdziemy w drugim z naszych transoptorów, czyli KTIR0711S.

Po pierwsze znajdujemy tam układ testowy wraz z wykresem:

Transoptor odbiciowy KTIR0711S - Układ testowy czasu odpowiedzi.

Schemat układu testowego jest oparty o podstawowy schemat podłączania transoptora odbiciowego.

Nas jednak interesuje przede wszystkim wykres. Widzimy na nim impuls prądowy (input) dostarczony do emitera (diody LED) oraz wykres odpowiedzi po stronie wyjścia detektora.

Zapewne spodziewałeś się, że odpowiedź, musi mieć jakieś opóźnienia. Na wykresie znajdujemy cztery czasy: td, tr, ts oraz tf. Szukamy więc w dokumentacji i znajdujemy tabelkę:

Transoptor odbiciowy KTIR0711S.
Wartości czasów odpowiedzi w dokumentacji (datasheet).

Mamy więc informacje, co to są za czasy tr oraz tf:

• tr - czas narastania sygnału wyjściowego (ang. rise time),
• tf - czas opadania sygnału wyjściowego (ang. fall time).

Ustaliliśmy także że dla warunków testowych określonych w kolumnie Conditions:

• napięcie kolektor-emiter VCE=2V, 
• prąd kolektora IC=100µA, 
• obciążenia w postaci rezystancji RL=1kΩ, 
• oraz odległości czujnika od obserwowanej powierzchni d=1mm, 

czasy te trwają typowo 20µs, a maksymalnie 100µs. To spory rozrzut parametrów, który należałoby wziąć pod uwagę.

Powinniśmy poszukać pozostałych dwóch parametrów. Niestety na próżno szukać ich w tabelach.

Co określają w takim układzie te dwa nieopisane czasy?

Skoro układ testowy zakłada podanie impulsu wejściowego (input) włączającego diodę, a na wykresie czas td zaczyna biegnąć od zbocza narastającego impulsu wejściowego i kończy się w momencie rozpoczęcia narastania sygnału wyjściowego, to możemy w uproszczeniu przyjąć, że jest to czas reakcji diody, czyli opóźnienie emisji światła od momentu podania prądu na diodę.

Podobnie wnioskujemy z czasem ts, tylko w tym przypadku rozpoczyna się on w momencie wyłączenia prądu diody (opadające zbocze sygnału input), która jeszcze przez moment świeci.

A co w przypadku, gdy dioda jest na stałe wysterowana, a nie impulsowo jak w przypadku układu testowego opisanego w dokumentacji?

W takim przypadku należy przyjąć, że czasy td oraz ts są równe zero. Dlatego też, często w dokumentacji różnych transoptorów odbiciowych, nie znajdziesz tych dwóch parametrów ponieważ dokumentacja przyjmuje, że dioda świeci światłem ciągłym, a nie impulsowym.

Skoro nie ma tych dwóch parametrów w tabelkach szukamy wśród wykresów i znajdujemy je na najistotniejszym wykresie dotyczącym zależności czasów odpowiedzi od wartości obciążenia na wyjściu transoptora:

Transoptor odbiciowy KTIR0711S.
Wykres wartości czasów odpowiedzi w dokumentacji.

Wykres ten jest podstawą do określania pasma przenoszenia transoptora.

Na powyższym wykresie dodałem strzałki, by nie było wątpliwości, która linia wykresu należy do którego parametru. Zwróć także uwagę, ze obie osie wykorzystują skalę logarytmiczną.

Jak więc policzymy nasze pasmo przenoszenia?

W sumie jest to proste. Najpierw odczytamy z wykresu poszczególne czasy dla ustawionego obciążenia wyjścia, a następnie dodamy czas, który chcemy, aby nasz sygnał miał wartość zera na wyjściu transoptora. Czas ten zawiera się pomiędzy końcem czasu tr, a początkiem ts. Nazwiemy do sobie roboczo to (czas oczekiwany):

Do kompletu potrzebne jest nam określenie ile czasu powinno trwać przerwa między takimi impulsami i w ten sposób uzyskujemy łączny czas trwania jednego okresu sygnału i w zależności od naszego projektu możemy policzyć maksymalną częstotliwość graniczną pasma przenoszenia.


Przykład

Przyjmijmy, że mamy dość prosty przypadek:

• transoptor obserwuje przesuwające się przed nim na przemian czarne i białe pola powierzchni o równomiernej szerokości 10mm każde,
• sygnał transoptora jest podłączony do pinu przerwania mikrokontrolera reagującego na zbocze opadające, 
• dioda transoptora świeci światłem ciągłym,
• rezystancja podłączona do wyjścia transoptora może wynosić 1kΩ lub 50kΩ (gdy rozpatrujemy wykorzystanie jako RL wewnętrznego rezystora mikrokontrolera tzw. pull-up - wartość 50kΩ przyjęta na podstawie dokumentacji mikrokontrolera ATmega8).

Interesuje nas jaką maksymalną częstotliwość może nam generować przesuwająca się przed transoptorem powierzchnia.


Wnioski wstępne

Na początek zgodnie z naszymi założeniami ustalamy, że :

• skoro wykorzystujemy przerwanie od zbocza, nie musimy się więc martwić o czas to i możemy przyjąć, że może trwać 0s (nie będzie opóźnienia),
• skoro dioda świeci światłem ciągłym, to czasy td i ts, także będą równe 0s, 

czyli nie uwzględniamy w/w czasów opóźnień w obliczeniach, pozostają nam więc tylko czasy tr oraz tf.


Maksymalna prędkość przesuwu powierzchni (czyli pasmo przenoszenia)

Zastanówmy się jak szybko może poruszać się nasza powierzchnia przed czujnikiem?

Skoro pole ma szerokość 10mm, a dioda świeci światłem ciągłym, to pojedyncze pole nie może przesuwać się szybciej niż czas tr potrzebny na opadnięcie sygnału na wyjściu transoptora. Podobnie z polem czarnym, którego czas przesuwu nie może być krótszy niż czas tf. Wniosek jest więc prosty:

Skoro pola są równej szerokości, jako graniczny czas przesuwu pojedynczego pola (białego lub czarnego) należy wybrać dłuższy z czasów tr lub tf.

Ponieważ w założeniach mamy dwa przypadki dla obciążenia 1kΩ lub 50kΩ, stąd odczytajmy dla nich niezbędne nam czasy:

Transoptor odbiciowy KTIR0711S.
Wykres wartości czasów odpowiedzi w dokumentacji
dla wybranych wartości obciążenia RL.

Odczytujemy wartości czasów dla poszczególnych przypadków:

	RL=1kΩ	RL=50kΩ
tr	20µs	150µs
tf	20µs	140µs

Jak widzisz różnice pomiędzy przypadkami różnych obciążeń wyjścia transoptora kolosalnie wpływają na czasy opóźnień. Jest to związane z parametrami prądowymi, o czym pisałem w artykułach:

• Zależności prądów diody i kolektora oraz powierzchni
• Wpływ ruchu powierzchni na odpowiedź transoptora

Zgodnie z zasadą napisaną wyżej wybieramy czasy dłuższe dla obu przypadków, czyli:

• dla 1kΩ będzie to czas 20µs,
• a dla 50kΩ będzie to 150µs.

Czyli pojedyncze pole o szerokości 10mm musi być widziane przez transoptor przez wyżej określone czasy lecz nie krócej. Ponieważ cykl (okres) składa się z pola czarnego i białego, to okres trwania przesuwania się obu pól musi wynosić dwukrotną wartość przyjętych czasów:

• dla 1kΩ będzie to czas 40µs,
• a dla 50kΩ będzie to 300µs.

Stąd już łatwo obliczymy częstotliwość graniczne dla obu obciążeń:

Obliczenia pasma przenoszenia dla dwóch
przypadków wartości obciążenia wyjścia transoptora.

Częstotliwości powyższe oznaczają, że przed transoptorem w ciągu jednej sekundy dla obciążenia 1kΩ może przesunąć się, 25tys par pół białych i czarnych.

Gdyby więc transoptor obserwował taśmę o założonych parametrach, to mogła by się ona przesuwać przed transoptorem z prędkością maksymalną:

Teoretyczna maksymalna prędkość poruszania się taśmy (o założonych parametrach) przed transoptorem.

To sporo :-)

Ale dla obciążenia wynoszącego 50kΩ to już zaledwie 3,3 tys par pól białych i czarnych, czyli 7,5 raza mniej.



Świat realny

Powyższe obliczenia są tylko teoretyczne, ponieważ na faktyczne pasmo przenoszenia transoptora ma wpływ szereg czynników, które opisałem w pozostałych artykułach niniejszego cyklu oraz sposób widzenia sygnału cyfrowego przez mikrokontroler. Dlatego też:

W sytuacjach, w których pracujesz z transoptorem na jego parametrach granicznych należy bezwzględnie sprawdzić empirycznie pracę transoptora tym bardziej, że jak pokazuje tabelka z parametrami, czasy tr i tf mogą się znacznie różnić od typowych w takich samych transoptorach!