Jakub Pająkowski Politechnika PoznaĔska
Instytut Elektroniki i Telekomunikacji
Zakáad Elektronicznych Systemów Pomiarowych ul. Piotrowo 3A 60-965 PoznaĔ
pajakow@et.put.poznan.pl
SPRZ
ĉTOWE I PROGRAMOWE STEROWANIE
W OTWARTYM KRIOSTACIE AZOTOWYM
Streszczenie: Artykuá traktuje o sprzĊtowych i pro-gramowych rozwiązaniach zastosowanych w sterowniku otwartego kriostatu azotowego. Kriostat sáuĪy do pomiaru parametrów elektrycznych i optycznych elementów póáprzewodnikowych w temperaturach od 77K do temperatury otoczenia.
. WSTĉP
Ciekáy azot jest bezpieczną i wzglĊdnie tanią cieczą cháodniczą, jego temperatura wrzenia to 77,34K. JeĞli w naczyniu Dewara pozostawimy kilka centymetrów ciekáego azotu, to od lustra cieczy aĪ po otwór naczynia wystąpi rozkáad temperatur od azotowej do temperatury otoczenia. Rozkáad jest uzaleĪniony zarówno od Ğrednicy, wysokoĞci i izolacji zbiornika.
2. KONSTRUKCJA KRIOSTATU
Kriostat skáada z piĊciu rozáącznych czĊĞci: podstawy, stelaĪa, zbiornika, nadstawki i sterownika. Szklany zbiornik jest bezpiecznie osadzony w stelaĪu z czterech rur aluminiowych Cztery nogi podstawy wsuniĊte są w spód stelaĪa, od góry w stelaĪ wsuwa siĊ nadstawkĊ z zamontowanym suwakiem. Na dolnym koĔcu suwaka umieszcza siĊ badany element. Suwak ma moĪliwoĞü przemieszczania siĊ do góry i w dóá z precyzją 0,5mm w caáym zakresie wynoszącym m. PrecyzjĊ nastawy zapewnia mechanizm w którym czĊĞcią napĊdową jest obrotowy silnik krokowy. Caáa konstrukcja ma wysokoĞü 2,6m.
Zbiornik wykonany jest ze szkáa odpornego na niskie temperatury ma ĞrednicĊ zewnĊtrzną 55mm, wewnĊtrzną 35mm, wysokoĞü m, gruboĞü Ğcianki kaĪdej z rur 2mm i pojemnoĞü 0,93l. Posiada izolacjĊ termiczną w postaci próĪni. DuĪy stosunek wysokoĞci do Ğrednicy zbiornika daje rozciągniĊty rozkáad temperatur umoĪliwiający ustawienia badanego elementu o wysokoĞci max 2mm z precyzją do 2oC, przy przesuniĊciu badanej próbki o 0,5mm.
Ukáad automatycznej regulacji realizowany jest w sterowniku wspóápracującym z komputerem. Na rys przedstawiony jest widok konstrukcji dla dwóch pozycji suwaka z zachowaniem proporcji ksztaátu.
Rys. Konstrukcja kriostatu zbiornik stelaĪ podstawa nadstawka silnik badana próbka suwak
2003
Poznañskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznañ 11-12 grudnia 2003
3. STEROWANIE SPRZĉTOWE
Zadaniem sterownika jest generowanie impulsów dla silnika krokowego, odbieranie impulsów od wyáączni-ków kraĔcowych oraz komunikacja z komputerem w trybie komputerowym. Na rys 2 przedstawiony jest sche-mat blokowy sterownika. Czterofazowy silnik krokowy ma dwa uzwojenia, kaĪdy z odczepem w Ğrodku, co daje 6 przewodów. Odczepy poáączone są odpowiednio od pierwszego uzwojenia do +2V i drugiego 0V. Podając na pozostaáe przewody +2V do cewek drugiego uzwo-jenia i 0V do pierwszego, uzyskujemy obracanie siĊ w kierunku w lewo lub w prawo w zaleĪnoĞci od kolejno-Ğci przykáadanych potencjaáów. Ukáad tranzystorowy realizuje odpowiednie polaryzacje i jest przedstawiony jako konwerter TTL/+2V. WáaĞciwy czterofazowy sygnaá uzyskuje siĊ z dekodera z 2 na 4 linie, na który podane jest dwubitowe sáowo z licznika rewersyjnego. Licznik ma dwa wejĞcia: CLK i Góra/Dóá. CzĊstotliwoĞü impulsów na wejĞciu CLK decyduje o prĊdkoĞci
obrotowej silnika a stan o lub na wejĞciu Góra/Dóá o zwrocie obrotu. Ukáad monostabilny odcina wyjĞcia dekodera w przypadku braku impulsów zegarowych – gdy silnik stoi w miejscu nie powinien páynąü prąd przez jego uzwojenia. Oba sygnaáy CLK i Góra/Dóá są generowane z jednego z czterech trybów pracy. Prze-áączanie trybów realizowane jest w multiplekserach na które podawane są odpowiednie sygnaáy generowane dla danego trybu.
Tryb zerowy jest trybem pracy rĊcznej. Generator ma moĪliwoĞü regulacji prĊdkoĞci obrotowej silnika. Przytrzymując przycisk np. Góra powodujemy generacjĊ impulsów przy jednoczesnym stanie 0 na wejĞciu Góra/Dóá . Tryb rĊczny jest domyĞlnym i wystĊpuje po zaáączeniu zasilania.
Tryb pierwszy jest trybem WysuĔ/WsuĔ i sáuĪy do montowania gáowic z badanymi póáprzewodnikami. WciĞniĊcie klawisza WysuĔ powoduje niezaleĪnie od pozycji suwaka wysuniecie na samą górĊ ponad zbiornik i zatrzymanie siĊ . Generator sygnaáu zegarowego dla tego trybu ma staáą czĊstotliwoĞü.
Rys 2. Schemat blokowy sterownika
Generator W dolny W górny WysuĔ WsuĔ Generator W dolny W górny Góra FREQ Generator Ukáad W dolny W górny pamiĊtający Dóá WysuĔ WsuĔ Ukáad W dolny W górny pamiĊtający Góra Dóá Ukáad W dolny W górny pamiĊtający Multiplekser I3 I2 I I0 TEST WYSUē/WSUē RĉCZNY KOMP Multiplekser I3 I2 I I0 TEST WYSUē/WSUē RĉCZNY KOMP Ukáad przeáączania trybów TEST WYSUē/WSUē RĉCZNY KOMP Licznik Góra/Dóá CLK Q Q A B Dekoder z 2 na 4 linie Q Q A B O0 O O2 O3 E Ukáad Monostabilny OUT IN Konwerter TTL/+2V Silnik krokowy Mikro-kontroler Wyáącznik kraĔcowy Górny Wyáącznik kraĔcowy Dolny TxD RxD Komputer
Tryb drugi jest trybem testowym przeznaczonym do sprawdzania pod wzglĊdem mechanicznym caáego urządzenia i powoduje naprzemienne caákowite wysu-niĊcia i wsuniĊcia suwaka. Tryb TEST byá bardo pomocny przy dobieraniu odpowiednich waáków montowanych na osi silnika i przy wyborze odciąĪnika, bo trzeba zaznaczyü, Īe ruch suwaka z odciąĪnikiem jest wzorowany na pracy windy.
Tryb trzeci – komputerowy jest sterowany przez mikrokontroler z rodziny 5 poáączony z komputerem przez interfejs RS232C.
Zamontowane na kriostacie wyáączniki kraĔcowe peánią kluczową rolĊ we wszystkich trybach i zabezpieczają silnik przed krĊceniem siĊ poza zakres.
4. STEROWANIE PROGRAMOWE
Zadaniem programu jest odczyt rezystancji z multimetru HP3440 (rezystancja czujnika PT00 umieszczonego przy badanej próbce), przetworzenie nastaw i wysáanie poleceĔ do mikrokontrolera w
stero-wniku. Program widoczny na rys. 3 (Ğrodowisko programowe VEE3.2) pracuje w pĊtli po wciĞniĊciu klawisza start. W jednym cyklu oddalonym od nastĊpnego o ustalone doĞwiadczalnie opóĨnienie wykonywany jest pomiar. W obiekcie POMIAR doko-nywana jest poprawka uwzglĊdniająca rezystancjĊ przewodów od czujnika PT00 do multimetru, oraz przeliczenie rezystancji na temperaturĊ w oC w oparciu o wzór zaczerpniĊty z normy Lit.5. Dana wynikowa rzeczywista z obiektu POMIAR odejmowana jest od nastawy i przybliĪana do wartoĞci caákowitych (obiekt PRZYBLIĩENIE). Tak wyliczony uchyb regulacji zostaje porównany w blokach ROZPOZNAWANIE W PLUSIE I MINUSIE. KaĪdy z bloków skáada siĊ z 5 kompa-ratorów porównujących uchyb z wartoĞciami progowymi od do 5. Dla przykáadu gdy uchyb regulacji wynosi 0 blok rozpoznawania w plusie wygeneruje z wyjĞcia 0 rozkaz do MATRYCY (matryca zawiera kody operacji mikrokontrolera), która przeĞle przez OBIEKT KOMUNIKACJI SZEREGOWEJ do sterownika tekst #H6A, suwak przesunie siĊ o 0 kroków w dóá.
Rys 3. Schemat blokowy programu 5. PODSUMOWANIE
Kriostat speánia wymagania postawione przy jego projektowaniu, umoĪliwia badanie elementów elektro-nicznych w niskich temperaturach. Sterownik jest autonomicznym urządzeniem i moĪe pracowaü w otwartym ukáadzie regulacji. NaleĪy dodaü, Īe pomiar jednej piĊtnastopunktowej charakterystyki zajmuje ok. ,5 godziny (wymóg ustalenia siĊ temperatury badanego elementu) i wymaga uĪycia ok. 80 ml ciekáego azotu.
SPIS LITERATURY
[] Mielczarek W., Szeregowe interfejsy cyfrowe, Wydawnictwo Helion, Gliwice, 993
[2] Nawrocki W., Arnold K, Lange K., Ukáady elektroniczne, Wydawnictwo Politechniki PoznaĔskiej, Poznan, 999.
[3] Russell B. Scott, Technika niskich temperatur, táum. z j. ang. WNT, Warszawa, 963.
[4] User’s Guide, HP3440A Multimeter, Hawlett Packard,996.
[5] PN-83/M-53852 Termometry elektryczne. Chara-kterystyki termometryczne oporników (rezystorów) termometrycznych. START KLAWISZ STOP KLAWISZ Until Break PĉTLA DELAY POMIAR A - B A B NASTAWNIK PRZYBLIĩENIE PLUSIE ROZPOZNAWANIE W MATRYCA OBIEKT KOMUNIKACJI SZEREGOWEJ MINUSIE ROZPOZNAWANIE W MATRYCA OBIEKT KOMUNIKACJI SZEREGOWEJ
