-
Notifications
You must be signed in to change notification settings - Fork 0
/
Copy pathprojekt.lyx
1334 lines (1070 loc) · 39.9 KB
/
projekt.lyx
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409
410
411
412
413
414
415
416
417
418
419
420
421
422
423
424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
453
454
455
456
457
458
459
460
461
462
463
464
465
466
467
468
469
470
471
472
473
474
475
476
477
478
479
480
481
482
483
484
485
486
487
488
489
490
491
492
493
494
495
496
497
498
499
500
501
502
503
504
505
506
507
508
509
510
511
512
513
514
515
516
517
518
519
520
521
522
523
524
525
526
527
528
529
530
531
532
533
534
535
536
537
538
539
540
541
542
543
544
545
546
547
548
549
550
551
552
553
554
555
556
557
558
559
560
561
562
563
564
565
566
567
568
569
570
571
572
573
574
575
576
577
578
579
580
581
582
583
584
585
586
587
588
589
590
591
592
593
594
595
596
597
598
599
600
601
602
603
604
605
606
607
608
609
610
611
612
613
614
615
616
617
618
619
620
621
622
623
624
625
626
627
628
629
630
631
632
633
634
635
636
637
638
639
640
641
642
643
644
645
646
647
648
649
650
651
652
653
654
655
656
657
658
659
660
661
662
663
664
665
666
667
668
669
670
671
672
673
674
675
676
677
678
679
680
681
682
683
684
685
686
687
688
689
690
691
692
693
694
695
696
697
698
699
700
701
702
703
704
705
706
707
708
709
710
711
712
713
714
715
716
717
718
719
720
721
722
723
724
725
726
727
728
729
730
731
732
733
734
735
736
737
738
739
740
741
742
743
744
745
746
747
748
749
750
751
752
753
754
755
756
757
758
759
760
761
762
763
764
765
766
767
768
769
770
771
772
773
774
775
776
777
778
779
780
781
782
783
784
785
786
787
788
789
790
791
792
793
794
795
796
797
798
799
800
801
802
803
804
805
806
807
808
809
810
811
812
813
814
815
816
817
818
819
820
821
822
823
824
825
826
827
828
829
830
831
832
833
834
835
836
837
838
839
840
841
842
843
844
845
846
847
848
849
850
851
852
853
854
855
856
857
858
859
860
861
862
863
864
865
866
867
868
869
870
871
872
873
874
875
876
877
878
879
880
881
882
883
884
885
886
887
888
889
890
891
892
893
894
895
896
897
898
899
900
901
902
903
904
905
906
907
908
909
910
911
912
913
914
915
916
917
918
919
920
921
922
923
924
925
926
927
928
929
930
931
932
933
934
935
936
937
938
939
940
941
942
943
944
945
946
947
948
949
950
951
952
953
954
955
956
957
958
959
960
961
962
963
964
965
966
967
968
969
970
971
972
973
974
975
976
977
978
979
980
981
982
983
984
985
986
987
988
989
990
991
992
993
994
995
996
997
998
999
1000
#LyX 2.0 created this file. For more info see http://www.lyx.org/
\lyxformat 413
\begin_document
\begin_header
\textclass paper
\use_default_options true
\maintain_unincluded_children false
\language swedish
\language_package default
\inputencoding auto
\fontencoding global
\font_roman default
\font_sans default
\font_typewriter default
\font_default_family default
\use_non_tex_fonts false
\font_sc false
\font_osf false
\font_sf_scale 100
\font_tt_scale 100
\graphics default
\default_output_format default
\output_sync 0
\bibtex_command default
\index_command default
\paperfontsize default
\spacing single
\use_hyperref false
\papersize default
\use_geometry false
\use_amsmath 1
\use_esint 1
\use_mhchem 1
\use_mathdots 1
\cite_engine basic
\use_bibtopic false
\use_indices false
\paperorientation portrait
\suppress_date false
\use_refstyle 1
\branch 3.1
\selected 0
\filename_suffix 0
\color #faf0e6
\end_branch
\index Index
\shortcut idx
\color #008000
\end_index
\secnumdepth 3
\tocdepth 3
\paragraph_separation indent
\paragraph_indentation default
\quotes_language english
\papercolumns 1
\papersides 1
\paperpagestyle default
\tracking_changes false
\output_changes false
\html_math_output 0
\html_css_as_file 0
\html_be_strict false
\end_header
\begin_body
\begin_layout Title
Syskonretaren
\end_layout
\begin_layout SubTitle
Projekt i Elektronik, ESS010.
\end_layout
\begin_layout Author
Gustav Berg
\begin_inset Newline newline
\end_inset
Erik Engman
\begin_inset Newline newline
\end_inset
Linus Hellman
\begin_inset Newline newline
\end_inset
Cornelia Kramer
\begin_inset Newline newline
\end_inset
Alexander Najafi
\end_layout
\begin_layout Address
2013-02-22
\end_layout
\begin_layout Standard
\begin_inset Newpage newpage
\end_inset
\end_layout
\begin_layout Standard
\begin_inset CommandInset toc
LatexCommand tableofcontents
\end_inset
\end_layout
\begin_layout Standard
\begin_inset Newpage newpage
\end_inset
\end_layout
\begin_layout Section
Teori
\end_layout
\begin_layout Subsection
Wien-brygga
\end_layout
\begin_layout Standard
Max Wiens uppfinning från 1891, wienbryggan, är en sinus-oscillator som
idag används som ett av de enklaste sätten att omvandla en DC-spänning
till en klar sinusvåg.
En förenkling av denna skrev Wilam R.
Hewlet om i sitt mastersarbete från Stanford 1939.
När en wienbrygga senare nämns i denna text syftas det på den senare som
Hewlet beskrev.
En wienbrygga kan med hjälp av endast två kondensatorer och fyra resistorer
samt en OP-förstärkare konstrueras.
Wienbryggan kan användas för att på ett mycket enkelt sätt generera en
klar sinusvåg inom ett mycket brett frekvensband.
Wienbryggan som beskrevs av Hewlet var dock inte fullt så enkel som den
som synes i Figur
\begin_inset CommandInset ref
LatexCommand ref
reference "fig:wienbridge"
\end_inset
.
Hewlet använde en lampa för att stabilisera kretsen samt få en finare sinusvåg,
med lampan fås nämligen en sinusvåg ut med en distortion på ca 0,0025%.
Anledningen till att han valde att använda en helt vanlig glödlampa var
att dess resistans är direkt proportionell mot värmen i glödtråden.
Även om lampan aldrig lyser hjälper den till att stabilisera kretsen.
Tar man bort lampan blir effekten att topparna på sinusvågen blir kapade
samt att vågen inte håller samma stabilitet.
I Figur 1 syns en krets utan användningen av en lampa.
I kretsen är Motstånden dimensionerade så att R2=R1.
Detta villkor samt att C1=C2 måste alltid behållas för en fungerande krets.
Med hjälp av potentiometern kan frekvensen finjusteras.
Frekvensen påverkas även väldigt mycket av storlekarna på R1, R2, C1 och
C2.
\end_layout
\begin_layout Subsection
Vippor
\end_layout
\begin_layout Standard
Begreppet vippor används för att gruppera de kretsar som med hjälp av två
olika lägen kan användas för att lagra digital data, samt utföra en eller
flera enkla operationer beroende på det lagrade värdet.
\end_layout
\begin_layout Subsubsection
SR-vippa
\end_layout
\begin_layout Standard
SR-vippan är den enklaste av alla vippor.
Dess konstruktion tillåter den att lagra ett digitalt värde, ett eller
noll.
Dess funktioner är dock få.
Med två ingångar (se Figur
\begin_inset CommandInset ref
LatexCommand ref
reference "fig:srlatch"
\end_inset
, S och R) och två utgångar (se Figur
\begin_inset CommandInset ref
LatexCommand ref
reference "fig:srlatch"
\end_inset
, Q1 och Q2) kan SR-vippan endast utföra de två operationerna som innebär
att lagra ett värde och återställa det lagrade värdet till noll.
När en digital signal skickas på ingången S, samtidigt som R är en digital
nolla, sparas en digital etta i SR-vippan.
Skulle sedan istället en digital etta skickas på S-ingången återställs
\begin_inset Quotes eld
\end_inset
minnet
\begin_inset Quotes erd
\end_inset
och återgår till sitt ursprungsläge.
Så länge som båda ingångarna tar emot digitala nollor händer inget med
vippan, den är i ett vänteläge.
Det bör nämnas att utgången som det lagrade värdet kan hämtas på både är
Q1 och Q2.
Q2 är invers till Q1.
\end_layout
\begin_layout Standard
Genom en återkoppling från utgången till R-ingången kan man få vippan att
återställa sig själv.
I återkopplingen laddas en kondensator upp genom en resistans.
När spänningen över kondensatorn blir tillräckligt stor, återställs SR-vippan
till sitt ursprungsläge.
Sambandet mellan spänningen över kondensatorn och tiden beskrivs med formeln
\begin_inset Formula $V_{c}=V_{s}(1-e^{-\frac{t}{rc}})$
\end_inset
, där
\begin_inset Formula $V_{s}$
\end_inset
är spänningen över RC-nätet, t är uppladdningstiden, R är resistansen och
C är kapacitansen.
Spänningen
\begin_inset Formula $V_{c}$
\end_inset
är den spänning som ligger över kondensatorn.
\end_layout
\begin_layout Subsubsection
JK-vippa
\end_layout
\begin_layout Standard
JK-vippan är den mest mångsidiga av de enklare vipporna, se Figur
\begin_inset CommandInset ref
LatexCommand ref
reference "fig:jklatch"
\end_inset
.
Man kan på ett enkelt sätt beskriva den som en SR-vippa med fler funktioner.
Den kan precis som SR-vippan lagra ett värde.
Detta gör den då en digital etta skickas på J-ingången samtidigt som K-ingågen
är en nolla.
På samma sätt som SR-vippan, kan JK-vippan återställas om en digital etta
skickas på K samtidigt som J är noll.
Till skillnad från SR-vippan kan däremot JK-vippan skifta sitt lagrade
värde.
Detta görs då både K och J är en digital etta.
På så sätt kan J- och K-ingången kopplas samman och fungera som en T-vippa.
En T-vippa skiftar värde mellan ett och noll varje gång en digital etta
skickas på ingången.
JK-vippan används vanligen mycket flitigt vid byggen av binära räknare.
\end_layout
\begin_layout Subsection
Fototransistor
\end_layout
\begin_layout Standard
En fototransistor är i huvudsak uppbyggd som en vanlig transistor med skillnaden
att ljus kan falla in över kollektor-bas-övergången som fungerar som en
bakspänd diod.
Backströmmen är beroende av mängden ljus som faller in och ljusets våglängd.
Desto större mängd ljus som faller in, ju större blir backströmmen.
Unikt för fototransistorn är att den genererar en ström och en spänning,
där strömmen är mycket högre än vad andra fotokomponenter klarar av.
En nackdel med fototransistorer är att de jämfört med likartade komponenter
är långsam.
Detta beror på att kollektor-bas-övergången har fått stort utrymme för
att kunna fånga upp så mycket ljus som möjligt.
\end_layout
\begin_layout Subsection
Slumpgenerator
\end_layout
\begin_layout Standard
När projektet påbörjades var tanken att en elektronisk slumpgenerator skulle
användas för att bestämma hur ofta högtalaren skulle pipa då kretsen befann
sig i mörker.
\end_layout
\begin_layout Standard
Den första slumpgeneratorn som kom på tal var en brusfiltrerande krets.
Denna krets skulle bestå av en del där ett brus uppstår, en del som filtrerade
bort hela den ursprungliga signalen så att bara bruset återstod.
Sedan ett bandpassfilter så att bara de önskvärda frekvenserna kom igenom
och vidare ut till en förstärkare som förstärkte amplutiden på det återstående
bruset; detta för att med större säkerhet kunna jämföra brusets amplituder
i en schmitt-trigger och på så sätt få en någorlunda slumpmässig följd
av ettor och nollor.
Dessa ettor och nollor skulle användas som gate-source-spänning till en
transistor för att släppa igenom en signal till högtalaren som då på gränsen
till slumpmässigt borde pipa med en bestämd frekvens.
\end_layout
\begin_layout Standard
Det visade sig dock ganska snabbt att det var mycket svårt att filtrera
ut brus på det sätt det var tänkt, och att den absolut största delen av
alla brusfiltrerande kretsar som undersökts hade som mål att filtrera bort
brus, och inte tvärt om.
Detta gjorde det problematiskt att använda någon form av brus över huvud
taget.
\end_layout
\begin_layout Standard
Då påbörjades en sökning för att hitta en annan sorts slumpgenerator eller
pseudo-slumpgenerator.
Även dessa typer av slumpgeneratorer visade sig väldigt komplicerade, och
de flesta av dem bestod av väldigt många komponenter.
Däremot hittades en artikel på internet om ett projekt som genomfördes
1960 som tydligt visar hur man skulle kunna skapa en elektrisk slumpgenerator.
Detta var den krets med minst komponenter som gav i från sig ett statistiskt
sett slumpmässigt brus som hittades.
Även denna krets slopades då den ansågs vara för komplicerad och för stor
för att appliceras på våra kopplingsplattor.
Detta eftersom även denna krets hade behövt tillägg i form av en filterkrets
för att få rätt frekvensomfång och rätt logiska funktion för distinkta
pip i högtalaren vid slumpmässiga tillfällen.
\end_layout
\begin_layout Standard
Det finns även andra elektroniska pseudo-slumpgeneratorer som inte ger ifrån
sig brus, utan som ger ifrån sig signaler i form av pulser.
Efter att viss efterforskning gjorts insågs det dock att dessa kretsar
innehöll ännu fler komponenter och var desto svårare att förstå och inte
minst att räkna på.
Dessutom var det en komplicerad konstruktion.
Ett exempel på en sådan slumpgenerator är Richard Leo Galbraiths patenterade
\begin_inset Quotes eld
\end_inset
Electrical pulse generator using pseudo-random pole distribution
\begin_inset Quotes erd
\end_inset
som ofta används som tändstift i interna förbränningsmotorer eftersom den
ger en såpass kraftfull puls.
\end_layout
\begin_layout Standard
Det sista som diskuterades var en logisk klocka i form av en operationsförstärka
re som komparator, ett RC-filter samt en potentiometer för att ställa tiden.
En transistor på utgången med en transientskyddsdiod kunde även användas
för att möjligöra påkoppling av ett relä.
I slutet av kretsen kunde även en resistans och en diod adderats till för
att ladda ur RC-filtret som använts, detta för att återställa tidsfördröjningen
efter att spänningen bryts.
Denna upptäckt skedde dock för sent för att den krets som byggts skulle
hinna ändras, däremot har kretsen redan från början varit byggd för att
en slump- eller tidsfördröjningskrets skulle kunna kopplas på, något som
diskuteras senare i denna text.
\end_layout
\begin_layout Standard
\begin_inset Newpage newpage
\end_inset
\end_layout
\begin_layout Section
Utförande
\end_layout
\begin_layout Standard
Det första som gjordes var att dela upp kretsen i mindre delar så att dessa
kunde byggas och testas separat för att sedan sammanfogas.
Den första skissen på hur kretsen väntades se ut bestod av en del som gav
en slumpmässig insignal (Insignal), en ljuskänslig del (Ljuskänslig givare),
en del som begränsade ljudets längd (Vippa) samt en del som producerade
och emmiterade ett högfrekvent ljud (Ljud).
Den första skissen på en eventuell krets kan ses i Figur
\begin_inset CommandInset ref
LatexCommand ref
reference "fig:firstsketch"
\end_inset
.
Det bestämdes tidigt att kretsbyggnadsprocessen skulle fokusera på att
leda till en krets som producerar ett kort högfrekvent ljud då den placeras
i en mörk omgivning; slumpmässigheten ansågs vara en sekundär prioritering.
Processen för varje del i den större kretsen beskrivs under respektive
underrubrik nedan.
\end_layout
\begin_layout Subsection
Ljuskänslig givare
\end_layout
\begin_layout Subsubsection
Omplanering av ljuskänslig delkrets
\end_layout
\begin_layout Standard
Efter att den första skissen presenterats till handledare förvärvades en
fototransistor, vilken en kretsdel började byggas runt.
Först testades transistorn genom en ström-spänningsförstärkare.
Förstärkaren baserades på en OP-förstärkare av typ TL071CN.
Kretsen drevs med 4,5 V, genererad med ett batteri på 9 V, vilket det spännings
delades över.
Resultatet av detta test var svårt att tolka.
Även utan signal in i förstärkaren blev utsignalen lika stor som matningsspänni
ngen.
Att detta första försök till ström-spänningsförstärkning blev felaktigt,
ledde till att det tog lång tid innan det konstaterades att fototransistorn
inte fungerade.
Efter några framgångslösa dagar konstaterades att kopplingen med batteriet
ledde till märkliga spänningsdelningar över kopplingsplattan.
\end_layout
\begin_layout Subsubsection
Byte av fototransistor
\end_layout
\begin_layout Standard
Efter diskussioner med och informationssökning hos andra grupper valdes
istället en annan fototransistor.
När denna testades i en krets där transistorn kopplades till ingången på
en ström-spänningsförstärkare, denna gång drivet med spänningskub, kunde
det mätas upp en skillnad i utspänning mellan belyst och skuggbelagd fototransi
stor.
För att omvandla spänningsskillnaden till logiska signaler, kopplades en
komparator in efter förstärkaren.
Komparatorn var även baserad på OP-förstärkare TL071CN.
Till den positiva ingången kopplades utsignalen från ström-spänningsförstärkare
n och till den negativa ingången kopplades en referensspänning skapad genom
spänningsdelning från 6 V.
Komparatorn gav dock inte det väntade resultatet.
Beräkningen av resistansen för jämförelsespänningen gjordes om flera gånger.
Det diskuterades också om huruvida den negativa matningsspänningen kunde
kopplas till jord, eller om det behövdes en negativ spänning.
Efter försök med båda dessa spänningsmatningsalternativ, som båda resulterade
i samma fel, byttes OP-förstärkaren ut mot en annan av samma typ.
Den nya OP-förstärkaren ledde till samma problem, vilket ledde till slutsatsen
att komparatorn hade sammankopplats felaktigt.
Efter en stunds felsökning och omkoppling tycktes kretsen fungera som planerat.
Den var dock väldigt opålitlig, med en funktionalitet som höll i sig cirka
tio minuter, innan det behövdes ny felsökning och omkoppling i en halvtimme.
Under de tester som gjordes då kretsen var funktionell framkom dock att
utspänningen från komparatorn var cirka 0,8 V, istället för de förväntade
0 ,då fototransistorn befann sig i mörker.
Att utföra ännu en komparation gav en ny utspänning på 0,6 V vid mörker.
\end_layout
\begin_layout Subsubsection
Byte av samtliga OP-förstärkare
\end_layout
\begin_layout Standard
Många timmars felsökning senare byttes de tre OP-förstärkarna ut mot komponenten
LM2902N, bestående av fyra OP-förstärkare.
Då det fastslagits att denna fungerade korrekt, bestämdes nya resistanser
till komparatorns jämförelsespänning.
Då detta fick göras om några gånger, byttes resistanserna ut mot en potentiomet
er, för möjlighet till snabba justeringar.
Den ena komparatorn kopplades då bort för att den ansågs onödig.
\end_layout
\begin_layout Standard
Slutligen kopplades en inverterare till komparatorns utsignal.
Denna provisoriska lösning testades tillsammans med resten av kretsen.
Då vi insåg att den inverterade signalen kunde uppnås genom att koppla
om ingångarna till komparatorn, med förstärkarens utsignal till komparatorns
negativa ingång och jämförelsespänningen till den positiva, togs inverteraren
bort.
\end_layout
\begin_layout Subsection
Vippa
\end_layout
\begin_layout Standard
Kretsen som skulle göra att utsignalen höll sig stabil under den tiden då
ljudet skulle låta, oberoende av hur lång slumpmässiga insignalspulsen
var, tänktes ursprungligen åstadkommas med hjälp av någon slags bistabil
krets eller vippa.
Idén om vippan kretsade omkring att återkoppla dess utsignal till dess
insignal efter en viss fördröjning vilket skulle leda till att den efter
ett lagom långt pip byter läge.
Den första prototypen tänktes byggas med en JK-Vippa men denna lösning
sågs bristfällig och lades snart åt sidan efter en diskussion med handledaren.
Istället valdes en SR-Vippa.
\end_layout
\begin_layout Standard
Denna bistabila krets syntes vara lösningen på våra problem ty den var både
enkel och pålitlig.
Utifrån denna idé byggdes en enkel modell av hjälp av två stycken logiska
NAND-grindar.
Efter vissa komplikationer med testning av denna kretsdel stod det snart
klart att detta berodde på att ingångarna lämnats ojordade när tester pågick
av motsatt ingång, detta ledde till helt felaktiga mätresultat och en ickefunge
rande krets.
När detta misstag upptäckts kunde denna del av kretsen snabbt färdigställas.
\end_layout
\begin_layout Standard
Nästa utmaning bestod av att på något sätt uppnå en fördröjning av signalen
som återkopplades till återställningsingången, ingången som får kretsen
att sluta pipa.
Den första idén om en lösning på problemet vara att seriekoppla en kondensator
mellan ut och ingången.
Denna tänktes vid utgångssignal släppa genom strömmen tills dess att den
var uppladdad då den skulle bryta strömmen, denna signal tänkte sedan invertera
s för önskvärt resultat.
Denna idé kasserades dock efter ett fåtal tester som påvisade dess inkompabilit
et med resten av kretsen.
\end_layout
\begin_layout Standard
En alternativ lösning till problemet kom att bli att seriekoppla en resistans
med en kondensator, som båda noggrant uppmättes för att få en eftertraktad
längd på pipet.
Utsignalen hämtades över kondensatorn och leddes tillbaka till den andra
ingången.
Efter att ha gjort tester märktes snart att spänningsfallet över resistansen
var för stor för att få återkopplingen att räknas som en logisk etta och
återställa vippan.
Men efter att ha ändrat förhållandet mellan kondensatorn och resistansen
(sänkt resistansen och ökat kapacitansen) blev spänningspotentialen på
återkopplingen tillräcklig för att ändra insignalen.
\end_layout
\begin_layout Subsection
Insignal
\end_layout
\begin_layout Standard
Det bestämdes tidigt att insignalen primärt kunde lösas med hjälp av två
oscillatorer.
Två stycken Wein-bryggsoscillatorer konstruerades så att man enkelt kunde
justera deras frekvenser med hjälp av varsin potentiometer.
Oscillatorernas frekvenser ställdes sedan in så att deras toppar möttes
med ett bestämt tidsintervall.
Detta intervall är den tid det tar ifrån att ett pip startar tills dess
att ett nytt pip ljuder.
Oscillatorernas utsignaler sammanfogades med hjälp av en adderare konstruerad
av en OP-förstärkare.
Adderarens utsignal är kopplad som en av referenspänningarna på den efterföljan
de komparatorn.
På komparatorns andra referensingång kopplades en potentiometer in.
Potentiometern gör det möjligt att finjustera en perfekt referensspänning
så att insignalskretsen skickar en fin puls när pipet ska låta.
\end_layout
\begin_layout Subsection
Ljud
\end_layout
\begin_layout Standard
Det bestämdes tidigt att kretsen som skulle ge ifrån sig ljudet skulle styras
av vippans utsignal.
Själva ljudsignalen tänktes skapas i någon slags oscillator.
Första idén på oscillatortyp var en CMOS-oscillator denna idé skulle kunna
ha fungerat felfritt med vår övriga krets men denna valdes ändå bort och
byttes ut mot en Wien-brygga som skulle ge ett mycket renare ljud och inte
alls lika hackigt som det av en CMOS.
Oscillatorn konstruerades med en potentiometer så att dess frekvens enkelt
kunde ändras.
Oscillatorns utsignal kopplades direkt till en högtalare.
På oscillatorns OP-förstärkares matningsspänning kopplades en transistor
in som styrdes av SR-vippans utsignal.
\end_layout
\begin_layout Subsection
Sammankoppling
\end_layout
\begin_layout Standard
När alla enskilda element var färdigbyggda återstod enbart att sammankoppla
alla delar.
Detta gjordes enklast genom att tänka sig hur kretsen slutligen skulle
fungera.
När det var mörkt i rummet och SR-Vippan gav utsignal skulle transistorn
som matade OP-förstärkaren i ljudoscillatorn öppna source/drain-kanalen
så att högtalarsignalen började svänga.
Detta löstes genom att SR-Vippans utsignal kopplades till en av ingångarna
på en AND-grind (inverterad NAND-grind).
På den andra ingången till AND-grinden kopplades utgången från ljuskretsen.
Detta betydde alltså att när båda dessa gav en logisk etta skulle AND-grindens
utsignal också ge en logisk etta.
Spänningen på denna logiska etta låg runt 6V som räckte gott för att
\begin_inset Quotes eld
\end_inset
öppna
\begin_inset Quotes erd
\end_inset
transistorn som höll ljudoscillatorn stilla.
Denna koppling gav det sökta resultatet, se de olika delarnas funktioner
under diskussionsdelen.
\end_layout
\begin_layout Standard
\begin_inset Newpage newpage
\end_inset
\end_layout
\begin_layout Section
Resultat
\end_layout
\begin_layout Standard
Projektarbetarna är nöjda med slutresultatet, trots att de inte kunde lägga
till en kretsdel som gav upphov till en slumpartad pipcykel eller en regelbunde
t skiftande tidsfördröjning.
Se Figur
\begin_inset CommandInset ref
LatexCommand ref
reference "fig:fullcircuit"
\end_inset
i bilaga.
Däremot är de andra delarna i projektet fullt färdigställda, även detta
syns i bilaga
\begin_inset CommandInset ref
LatexCommand ref
reference "fig:fullcircuit"
\end_inset
, och en fullt fungerande prototyp tillverkades.
\end_layout
\begin_layout Subsection
Svårigheter
\end_layout
\begin_layout Standard
Den stora svårigheten som stöttes på var det faktum att kretsen byggdes
utefter planen att just en slumpgenerator skulle styra kretsen.
Detta gjorde att alla andra komponenter och kretssektioner byggdes för
att kunna hantera insignalen från ett batteri och sedan låta varje del
i kretsen utföra den designerade funtionen utan att de andra delarna påverkades
av det.
Till exempel kretsen i Figur
\begin_inset CommandInset ref
LatexCommand ref
reference "fig:jklatch"
\end_inset
, en kretsdel som enbart bygger på logiska funktioner.
Denna komplikation gjorde dock att kretsen blev mer komplicerad än nödvändigt
för att utföra den funktion den nu gör, däremot har alla gruppmedlemmar
lärt sig mycket om hur olika logiska funktioner och operationer fungerar.
Även kunskaper om hur ljuskänsliga komponenter fungerar har skaffats.
\end_layout
\begin_layout Subsection
Felkällor
\end_layout
\begin_layout Standard
I detta projekt är felkällorna väldigt många, men väldigt små, kopplas det
ihop rätt fungerar det.
Dock finns det en potentiell felkälla i princip i varje komponent.
Som sagt är dessa felkällor väldigt små och påverkar slutresultatet väldigt
lite.
Den största felkällan i kretsen är dock kablarna som använts.
Det verkar som att kablarna ger ifrån sig såpass kraftiga elektromagnetiska
fält att det bildar störningar i kretsen.
Dessa störningar märks mest när man rör kablarna eller vickar lite på dem.
Problemet skulle delvis kunna lösas med kortare kablar, eller med skärmade
kablar som inte skulle påverka varandra på samma sätt.
Även med allt detta inräknat i resultatet är medlemmarna förnöjda med kretsens
slutgiltiga komposition och funktion.
Den fungerar som den var avsedd att göra, vilket har visat sig såväl i
teorin som praktiken.
\end_layout
\begin_layout Section
Diskussion
\end_layout
\begin_layout Subsection
Ljuskänslig givare
\end_layout
\begin_layout Standard
Denna ljuskänsliga del av kretsen visade sig tydligt vara den mest problematiska
, med många komponenter som fungerade dåligt och som inte kunde testas individue
llt, vilket gjorde det svårt att avgöra vilken komponent det var som inte
fungerade.
Ett tydligt exempel på detta var testerna som gjordes på den första fototransis
torn.
Eftersom varken fototransistorn eller förstärkaren som användes för att
testa den, fungerade som de skulle, tog det lång tid att komma fram till
att de båda behövde bytas ut.
Mycket tid spenderades också på att optimera komparationen, för att säkerställa
funktionen hos de logiska kretsarna som utgjorde nästa del i kretsen.
En extra komparator kopplades in, för att får ner utspänningen vid mörker
ytterligare.
När inverteraren sedan kopplats in, fastslogs det att det krävdes 3 V in
i inverteraren för att utsignalen skulle bli en logisk nolla.
De 0,8 V som utgjorde signalen ut från den första komparatorn vid mörker
var således en tillräckligt liten spänning för att inverteraren skulle
fungera som planerat.
Inverteraren kom dock att bli överflödig då insikten att signalen kunde
bli omvänd redan i komparatorn nåddes.
Eftersom SR-vippan är en logisk del, där gränsen för en logisk etta var
3 V, var de 0,8 V, som komparatorn efter modifikationen gav ut då kretsen
placerades i ljus, inget problem då komparatorn kopplades direkt till SR-vippan.
\end_layout
\begin_layout Subsection
SR-vippa
\end_layout
\begin_layout Standard
Vid en första anblick av syskonretarens funktion kan man tycka att en SR-vippa
känns lite överflödig.
I den slutgiltiga prototyp som skapades är denna även lite överflödig.
SR-vippans funktion i kretsen var att omvandla en kort puls till ett längre
pip.
Denna korta puls är avsedd att komma från en kort digital etta.
Då en digital etta skickades in på insignalen skulle ett längre pip, med
en bestämt längd höras i högtalaren.
Denna etta var avsedd att komma från en slumpgenerator, men då denna idé
förkastades användes istället en annan princip som beskrivs nedan under
rubriken Insignal.
\end_layout
\begin_layout Standard
När en etta skickas på S-ingången på SR-vippan lagras en digital etta i
SR-vippan.
En återkoppling från utgången till R-ingången gör dock att SR-vippan återställe
r sig själv.
I återkopplingen laddas en kondensator upp genom en resistans, vilket tar
en viss tid.
När kondensatorn laddats upp tillräckligt mycket återställs SR-vippan till
sitt ursprungsläge, vilket var en digital nolla.
Under tiden som SR-vippan hade en digital etta som lagrat värde pep högtalaren,
mer om hur det fungerar nedan under
\begin_inset Quotes eld
\end_inset
Högtalaren
\begin_inset Quotes erd
\end_inset
.
\end_layout
\begin_layout Standard
Tiden som återkopplingen ska hålla signalen bestäms av resistansen samt
kapacitansen.
Målet var att få en uppladdningstid på ungefär en sekund.
För att uppnå detta valdes en resistans med motståndet 4,68 Ohm samt en
kapacitans på 200uF.
Dessa valdes för att få en uppladdningstid på ungefär en sekund.
För att beräkna vilka komponentvärden som behövdes för att uppnå detta
användes sambandet mellan spänningen över kondensatorn och tiden.
Spänningen
\begin_inset Formula $V_{c}$
\end_inset
är den spänning över kondensatorn som i vårt fall behövde vara ungefär
3V.
Denna spänning behövdes för att SR-vippan skulle tolka signalen som en
digital etta och slå om till ursprungsläget.
För att entydigt kunna bestämma kapacitansen som skulle användas behövde
en resistans väljas.
En resistans på 4,68 Ohm valdes för att få ett lagom spänningsfall över
resistansen.
Med denna resistans kunde kapacitansen bestämmas genom att bryta ut C.
Då fås
\begin_inset Formula $C=-\frac{t}{R*ln(1-\frac{V_{c}}{V_{s}})}$
\end_inset
.
Med R = 4,68Ohm, t = 1,
\begin_inset Formula $V_{c}=3$
\end_inset
V samt
\begin_inset Formula $V_{s}=6$
\end_inset
V fås
\begin_inset Formula $C=-\frac{1}{4,68*10^{3}*ln(1-\frac{3}{6})}=147*10^{-6}$
\end_inset
F.
Eftersom denna kapacitans är svår att få exakt, valdes istället kapacitansen
till
\begin_inset Formula $C=200uF$
\end_inset
vilket gav en lite längre tid, men då detta inte var kritiskt avgörande
för kretsens syfte valdes den ändå.
\end_layout
\begin_layout Subsection
Insignal
\end_layout
\begin_layout Standard
För att generera digitala ettor som triggar igång ett pip användes två stycken
wien-bryggor.
Oscillatorerna var nästan identiska, skillnaden var kapacitanserna som
användes.
Med en skillnad på endast 1pF genererades två signaler med en mycket liten
frekvenskillnad.
Dessa två signaler summerades med hjälp av en adderare.
Effekten av att summera två signaler med mycket liten frekvenskillnad blev
att den summerade signalen nådde sitt toppvärde med en mycket lägre frekvens.
Denna låga frekvens skulle inte vara möjlig att nå med hjälp av endast
en oscillator.
För att inte OP-förstärkaren som summerade signalerna inte skulle bottna
var de två enskilda sinussignalerna tvugna att spänningsdelas ner innan
de summerades.
Detta genom att seriekoppla två resistanser mellan den genererade utsignalen
och jorden.
Signalen plockades sedan mellan resistanserna vilket gav en mycket lägre
amplitud.
Vilket i sin tur gjorde att summeraren inte bottnade.
Resistanserna valdes med lika storlek, vilket innebar att signalens amplitud
halverades.
Detta gjordes på båda utsignalerna från wien-bryggorna.
\end_layout
\begin_layout Standard
I serie med den summerade utsignalen kopplades en diod.
På så sätt likriktades denna signal.
Anledningen till att den likriktades var för att inga problem skulle skapas
i den efterkommande komparatorn.
Om signalen vid vissa tidpunkter skulle vara negativ skulle resultatet
kunna bli att komparatorn gav felaktiga resultat.
\end_layout
\begin_layout Standard
Den summerade signalen dög inte som insignal i SR-vippan då en impuls med
en digital etta behövdes.
För att uppnå detta komparerades den summerade signalen mot en DC-nivå.
Denna nivå valdes så att komparatorn gav en positiv utspänning då den summerade
signalen var större än DC-nivån.
Resultatet blev precis den fyrkantsvåg som söktes för insignal i SR-vippan.
\end_layout
\begin_layout Standard
Som tidigare nämnts kan SR-vippan anses vara överflödig.
SR-vippans funktion var att omvandla en kort puls till en längre, med bestämd
tid.
Egentligen skulle signalen från komparatorn som komparerar den summerade
signalen, kunna användas som denna långa puls.
Detta genom att endast sänka DC-nivån i komparatorn.
Eftersom den summerade signalen är av sinustyp skulle en sänkt DC-nivå
göra att en längre puls matats ut från komparatorn, vilket skulle ge samma
resultat som SR-vippan ger.
Användningen av SR-vippan är dock befogad.
Vid en ytterligare utveckling av kretsen, då en slumpmässig puls generator
används, skulle SR-vippan vara mycket användbar.
En slumpgenerator som genererade digitala ettor vid slumpmässiga tider
skulle ge ett längre pip, oavsett hur lång denna puls var.
SR-vippan ses som en förberedelse för framtida utveckling av syskonretaren.
\end_layout
\begin_layout Subsection
Högtalaren
\end_layout
\begin_layout Standard
För att högtalaren över huvud taget ska kunna låta måste en signal genereras.
Med hjälp av en wien-brygga genereras en sinussignal med en frekvens på
ungefär 1kHz.
Med hjälp av potentiometern kan frekvensen finjusteras.
Högtalaren tjuter endast då en digital etta är lagrad i SR-vippan.
För få denna funktion används en NMOS-transistor.
Gate-ingången på transistorn är kopplad direkt till utgången på SR-vippan.
Det bör nämnas att utsignalen till transistorn plockas från den inverterade
utgången.
Anledningen till detta var de komponenter som kopplades vidare efter utgången.
Under arbetets gång upptäcktes det att kondensatorerna störde andra andra
delar av kretsen.
Vid användning av den inverterade utgången fungerade det mycket stabilare.
Nackdelen blev dock att signalen logiskt sätt var inverterad.
Genom att använda en logisk NOT-grind inverterades signalen till en önskad
digital etta då högtalaren skulle tjuta (då en digital nolla var lagrad
i SR-vippan).
\end_layout
\begin_layout Standard
Transistorn användes som en logisk strömbrytare, och bryter matningsströmmen
till OP-förstärkaren som används i wien-bryggan.
När OP-förstärkaren inte matas med någon ström genereras ingen signal till
högtalaren vilket gör att högtalaren inte piper.
\end_layout
\begin_layout Subsection
Självsvängning/Brus
\end_layout
\begin_layout Standard
Varje gång kretsen startas börjar denna oförklarligt självsvänga.
Självsvängningen är ganska massiv och kan lätt uppfattas i högtalaren vilket
gör detta till ett ganska stort problem.
Självsvägningen lungnar dock ner efter något tiotal sekunder.
Den enda förklaringen som hittils kan förklara detta fenomen är att det
förtillfället används mycket långa kablar som korsar varandra vid åtskillada
ställen.
Vissa av dessa kablar leder en svängade signal som lätt kan få det att
uppkomma brus och störningar i andra närliggande kablar.
\end_layout
\begin_layout Standard
Ett annat felande som har upptäckts är att insignalen, som egentligen var
tänk att ge en kort slumpmässig puls men som nu ger en periodisk och ganska
lång puls, överskrider den tid som SR-Vippan uppehåller sin utsignal.
Eftersom insignalen fortfarnade ger en puls då SR-Vipppan slår om kommer
vippan börja shifta mellan ett påslaget och avsängt läge.
På grund av att kondensatorn är uppladdad efter föregående pip kommer detta
ske mycket snabbt och skapa ett mycket otrevligt brus ur högtalaren.
Detta kan lätt fixas genom att låta insignalen kopplas förbi SR-vippan
och direkt in i AND-grinden.
Detta skulle leda till ett längre pip men att SR-bruset försvinner.
Varför SR-vippan fortfarnde närvarar i kretsen disskuteras i stycke 3.1.
\end_layout
\begin_layout Subsection
Strömtillförsel
\end_layout
\begin_layout Standard
För att syskonretaren ska kunna brukas på valfri plats är portabiliteten
av största vikt.
Att kunna drivas på endast batterier är därför en självklarhet.
Den syskonretare vi konstruerat behöver endast matas med ±6V.
Detta innebär att den i praktiken skulle kunna drivas med åtta stycken
helt vanliga AA-batterier med spänning 1,5V.
För att åstadkomma den negativa och positiva spänningen samt jorden skulle
dessa battterier seriekopplas med varandra.
Jorden skulle plockas mellan de två mellersta batterierna medan den positiva
och den negativa spänningen skulle plockas på de respektive yttre batterierna.
Se Figur
\begin_inset CommandInset ref
LatexCommand ref
reference "fig:powermgn"
\end_inset
.
\end_layout
\begin_layout Standard
\begin_inset Newpage newpage
\end_inset
\end_layout
\begin_layout Section
Källor
\end_layout
\begin_layout Subsection
Tryckta källor
\end_layout
\begin_layout Itemize
Bridge Circuits - Marying Gain and Balance, Wien Bridge-Based Oscillators.
Jim Williams, Juni 1990.
\end_layout
\begin_layout Itemize
The General Radio Experimenter, A New Generator Of Random Electrical Noise.
General Radio Company, West Concord, Mass., U.S.A, Januari 1960.
Digitaliserad version: