راشد القطيني http://www.isnaha.com Wed, 18 Jul 2018 12:54:01 +0000 Joomla! - Open Source Content Management ar-aa فهم المضخم العملياتي (الجزء 3 - تطبيقات) http://www.isnaha.com/isnaha_new/إصنعها/item/958-فهم-المضخم-العملياتي-الجزء-3-تطبيقات http://www.isnaha.com/isnaha_new/إصنعها/item/958-فهم-المضخم-العملياتي-الجزء-3-تطبيقات

فهم المضخم العملياتي (الجزء 3 - تطبيقات)

نختتم بهذا الجزء ونتطرق فيه إلى التطبيقات التي هي مثال آخر على الخيارات الواسعة والتطبيقات الهائلة التي يمكن إنجازها باستخدام المضخم العملياتي.

 


تسميات

 

بالعربية: المضخم العملياتي أو المكبر العملياتي

بالإنجليزية Operational Amplifiers

بالفرنسية Amplificateur Operationel

 

العربية: الصمام الثنائي أو الثنائي أو الديود أو الدايود

الإنجليزية: Diode

الفرنسية: Diode

 


التطبيق 13 – مضخم لوغاريتمي (Log op amp)

يعرف المضخم اللوغاريتمي على أنه مضخم يعطي في خرجه إشارة جهد مرتبطة لوغاريتمياً بإشارة دخله، أي بالعلاقة:

حيث:

  • الرمز Vref يمثل الجهد المعياري.

  • الرمز k هو ثابت واحدته الفولط يدعى معامل التقييس.

  • الرمز ln هو التابع اللوغاريتمي الطبيعي (للأساس e).

 

تعني العلاقة السابقة أن التابع الزمني لإشارة الخرج يتناسب طرداً مع اللوغاريتم الطبيعي للتابع الزمني لإشارة الدخل. لعلك تعجبت من دارة تقوم بهذا الفعل! إن فهم عمل هذه الدارة غير عسير. نذكر أولاً بالمعادلة المميزة للصمام الثنائي (وهي العلاقة التي تربط بين التيار المار بالصمام الثنائي وهبوط الجهد على طرفيه، وبرسمها نحصل على منحني خواص الصمام الثنائي):

حيث:

  • الرمز iD يشير للتيار الكهربائي المار بالصمام الثنائي.

  • الرمز VDيمثل الجهد الهابط على طرفي الصمام الثنائي.

  • الرمز VT يمثل الجهد الحراري لوصلة الصمام الثنائي ويساوي 26mv عند درجة حرارة الغرفة (أي 20oC).

  • الرمز IS يمثل تيار التسريب العكسي، أي التيار المار بالصمام الثنائي في حالة الانحياز العكسي.

 

عند تشغيل الصمام الثنائي في حالة الانحياز الأمامي فإن iD أكبر بكثير من Is (التي قد تساوي o10-12A)، ويمكن عندئذٍ أن نكتب بتقريب مقبول:

أصبحنا الآن جاهزين لتحليل الدارة التالية التي تقوم بتطبيق العلاقة اللوغاريتمية المذكورة بدايةً:

كما اعتدنا:

وبأخذ لوغاريتم الطرفين نجد:

بالمقارنة مع العلاقة:

نجد أن:

k = – VT

Vref = RIS

ومن ثمَّ تقوم هذه الدارة بالفعل المطلوب. يمكن التعديل على هذه الدارة وإضافة دارات متممة لها للحصول على:

Vout = ln(Vin)


التطبيق 14 – مضخم لوغاريتمي عكسي (Antilog op amp)

يعرف المضخم اللوغاريتمي العكسي (أو المضخم الأسي) على أنه مضخم يعطي في خرجه إشارة جهد مرتبطة أسياً بإشارة دخله، أي بالعلاقة (#):

لا تختلف هذه الدارة كثيراً عن سابقتها، فهي تعتمد فكرة العمل ذاتها: المعادلة المميزة للصمام الثنائي هي معادلة أسية. في هذه الحالة إشارة جهد الخرج مرتبطة أسياً بإشارة الدخل. إن تعديلاً بسيطاً على دارة المضخم اللوغاريتمي يعطينا دارة المضخم اللوغاريتمي العكسي التالية:

بالمقارنة مع العلاقة (#) نجد أن:

k = –RIS

Vref = VT

ومن ثمَّ تقوم هذه الدارة بالفعل المطلوب. يمكن التعديل على هذه الدارة وإضافة دارات متممة لها للحصول على:


التطبيق 15 – الضارب التناظري (Analog multiplier)

يبين الشكل التالي المخطط الصندوقي (Block diagram) لدارة الضارب التناظري.

قد يستغرب البعض من ذكر المضخم اللوغاريتمي واللوغاريتمي العكسي قبل ذكر الضارب والمقسم التناظري.

في الحقيقة، يعتمد عمل الضارب التناظري – وكذلك المقسم التناظري – على المضخم اللوغاريتمي واللوغاريتمي العكسي.

 

وعندما نقول ضارباً تناظرياً، فإن ذلك يوحي لنا بأننا نريد دارة لها مدخلان V1 و V2 ومخرج وحيد Vout بحيث يكون: V1 × V2 = Vout. سنتوصل إلى هذه الدارة بطريقة رياضية:

لذا للحصول على جداء إشارتين V1 و V2 يكفي أن نحصل على:

مما يعني أنه لحساب جداء إشارتين نتبع الخوارزمية التالية:

  • حساب لوغاريتم كل من الإشارتين، ويكون ذلك بوساطة المضخم اللوغاريتمي (log).

  • حساب مجموع الإشارتين الناتجتين عن الخطوة الأولى، ويكون ذلك بوساطة دارة جامع (adder).

  • إدخال المجموع السابق إلى دارة مضخم أسي (antilog).

 

تستخدم هذه الدارة في التعديل المطالي AM، حيث يتغير مطال الموجة الحاملة تبعاً لمطال موجة المعلومات.

 


التطبيق 16 – المقسم التناظري (Analog divider)

يبين الشكل التالي المخطط الصندوقي (Block diagram) لدارة المقسم التناظري:

 

إن لهذه الدارة مدخلين V1 و V2 ومخرجاً وحيداً Vout، وتحقق هذه الدارة المعادلة: V1 ÷ V2 = Vout. سنتوصل إلى هذه الدارة بطريقة رياضية:

لذا للحصول على نسبة إشارتين V1 و V2 يكفي أن نحصل على:

مما يعني أنه لحساب نسبة إشارتين نتبع الخوارزمية التالية:

  1. حساب لوغاريتم كل من الإشارتين، ويكون ذلك بوساطة المضخم اللوغاريتمي (log).

  2. حساب فرق الإشارتين الناتجتين عن الخطوة الأولى، ويكون ذلك بوساطة دارة مضخم تفاضلي (differential op amp).

  3. إدخال المجموع السابق إلى دارة مضخم أسي (antilog).

 


التطبيق 17 – الرافع إلى الأس (Raising to power)

يبين الشكل التالي المخطط الصندوقي لدارة الرافع إلى أس:

إن لهذه الدارة مدخلاً وحيداً Vin ومخرجاً وحيداً Vout، وتحقق هذه الدارة المعادلة:

Vout = (Vin)A

 

تفيد هذه الدارة في حساب جذور وقوى عدد ما، فعندما تكون A أكبر من الواحد فإن جهد الخرج هو قوة لجهد الدخل، أما عندما تكون A أصغر من الواحد فإن جهد الخرج هو الجذر لجهد الدخل. سنتوصل إلى هذه الدارة بطريقة رياضية:

لذا للحصول على الإشارة Vin مرفوعة للأس A يكفي أن نحصل على:

ويكون ذلك باتباع الخوارزمية التالية:

  • حساب لوغاريتم إشارة الدخل، ويكون ذلك بوساطة المضخم اللوغاريتمي (log).

  • ضرب الإشارة الناتجة بعدد ثابت يمثل الأس A، ويكون ذلك بمجزئ جهد إذا كان A أصغر من الواحد، أما إذا كان A أكبر من الواحد فيكون ذلك بمضخم غير عاكس.

  • إدخال الإشارة الناتجة إلى دارة مضخم أسي (antilog).

ملاحظة: في حال استخدام مجزئ جهد في الخطوة الثانية مكوناً من مقاومتين متساويتين، فإن ذلك يعني أن A = 0.5، مما يعني أن إشارة الخرج ستساوي إشارة الدخل مرفوعة للأس 0.5، أي ستساوي الجذر التربيعي لإشارة الدخل.

ملاحظة:

في حال استخدام مضخم عاكس في الخطوة الثانية، فإن ذلك يعني حساب:

والتي من أجل A = 1 تعطينا مقلوب إشارة الدخل. أعتقد أنه أصبح بالإمكان حل معظم المعادلات العادية والتفاضلية بالاعتماد على الدارات الحسابية السابقة.

 


التطبيق 18 – قادح شميت (Schmitt Trigger)

 

تقديم

ملاحظة: للإشارة فإن التطبيق 18 هو مثال واحد من تطبيقات على التغذية الخلفية الموجبة للمضخمات العملياتية.

 

إن قادح شميت هو مقارن مَثَله كَمَثَلِ المقارنات المدروسة سابقاً، إلا أنه يتميز عنها بميزة أساسية، ألا وهي وجود عتبتين للمقارنة بدلاً من عتبة وحيدة، إحداهما عليا نرمز لها Vth1، والأخرى دنيا نرمز لها Vth2 (الرمز th جاء من كلمة threshold والتي تعني "عتبة " بالإنجليزية).

 

إن المقارنات المدروسة سابقاً تغير من جهد الخرج إذا تجاوزت الإشارة جهد العتبة الوحيد (الجهد المرجعي) صعوداً أو نزولاً، أما قادح شميت فيعمل وفقاً للآلية التالية:

 

أ- يحدد قادح شميت عتبتين للجهد، ويمكن أن تكون العتبتان موجبتين أو سالبتين أو العليا موجبة والدنيا سالبة.

ب- يغير قادح شميت من جهد الخرج (من قيمة موجبة عظمى إلى قيمة سالبة عظمى أو بالعكس) في حالتين فقط:

  • إذا تجاوزت إشارة الدخل العتبة العليا صعوداً.

  • إذا تجاوزت إشارة الدخل العتبة الدنيا نزولاً.

ج- لا ننسى أن أعظم قيمة موجبة يمكن أن تظهر على خرج أي مضخم عملياتي هي 90% من جهد التغذية الموجب، وأن أعظم قيمة سالبة يمكن أن تظهر على الخرج هي 90% من جهد التغذية السالب.

وسنرمز للأولى بالرمز +VMAX وللثانية بالرمز VMAX.

د- لا يقتصر قادح شميت على المضخم العملياتي، فيمكن تشكيله من الترانزستورات، إلا أن ذلك خارج السياق، وسندرس فيما يلي قادح شميت باستخدام المضخم العملياتي.

 

نميز نوعين من قوادح شميت : عاكس وغير عاكس. ونفصلهما كما يلي:

 

قادح شميت غير عاكس

يعطي هذا القادح على خرجه (يقدح) قيمة موجبة عظمى إذا تجاوزت إشارة الدخل العتبة العليا صعوداً، في حين يقدح في الخرج قيمة سالبة عظمى إذا تجاوزت إشارة الدخل العتبة الدنيا نزولاً، ولا تتغير حالة الخرج فيما لو جرى تجاوزٌ للعتبة العليا نزولاً أو للعتبة العليا صعوداً. يبين الشكل التالي دارة قادح شميت غير عاكس...

القاعدة العامة للقدح: إن قيمة Vin التي تؤدي للقدح هي التي تجعل –V+ = V مع التذكر بأن Vout يأخذ إحدى القيمتين +VMAX و VMAX.

إن لهذا المقارن جهدي عتبة، نحصل عليهما بتطبيق القاعدة السابقة كما يلي:

عند القدح يكون : V+ = V

وبما أن Vout تأخذ إحدى القيمتين +VMAX وVMAX، فإن قيمتي جهد الدخل اللتين يحصل عندهما قدح هما:

يبين المثال التالي عمل قادح شميت غير عاكس. لنوجد شكل إشارة الخرج للدارة التالية لإشارة الدخل الموضحة:

نحدد أولاً عتبتي المقارنة:

وعليه فإن إشارة الخرج تأخذ الشكل:

تغيير عتبتي القدح للقادح غير العاكس:

ذكرنا سابقاً أن عتبتي القدح للقادح غير العاكس تعطيان بالعلاقتين:

يمكن تغيير قيمتي عتبتي القدح بتغيير قيمتي المقاومتين Rf ،Rin، إلا أن العتبة العليا ستبقى موجبة، والعتبة الدنيا ستبقى سالبة، أي أن تغيير المقاومتين غير من قيمتي العتبتين دون تغيير قطبيتيهما. ولتغيير قيمتي العتبتين وقطبيتيهما، نلجأ إلى الفكرة التالية:

بدلاً من وصل المدخل العاكس V مع الأرضي نصله بجهد ثابت VA لتصبح العتبتان حسب القاعدة العامة للقدح:

وعليه فإن قيمة الجهد VA وقطبيته تؤثران على قيمة جهدي العتبتين وقطبيتهما، ويمكن عندئذٍ جعل العتبتين موجبتين أو سالبتين أو إحداهما موجبة والأخرى سالبة مع إمكانية تعديل قيمة كل منهما.

 

قادح شميت عاكس

يعطي هذا القادح على خرجه (يقدح) قيمة سالبة عظمى إذا تجاوزت إشارة الدخل العتبة العليا صعوداً، في حين يقدح في الخرج قيمة موجبة عظمى إذا تجاوزت إشارة الدخل العتبة الدنيا نزولاً، ولا تتغير حالة الخرج فيما لو جرى تجاوزٌ للعتبة العليا نزولاً أو للعتبة العليا صعوداً. يبين الشكل جانبه دارة قادح شميت عاكس.

إن لهذا المقارن جهدي عتبة، نحصل عليهما بتطبيق القاعدة العامة للقدح وهما:

يبين المثال التالي عمل قادح شميت عاكس. لنوجد شكل إشارة الخرج للدارة التالية لإشارة الدخل الموضحة:

نحدد أولاً عتبتي المقارنة:

وعليه فإن إشارة الخرج تأخذ الشكل:

تغيير عتبتي القدح للقادح العاكس:

ذكرنا سابقاً أن عتبتي القدح للقادح العاكس تعطيان بالعلاقتين:

يمكن تغيير قيمتي عتبتي القدح بتغيير قيمتي المقاومتين R1 وR2 ، إلا أن العتبة العليا ستبقى موجبة، والعتبة الدنيا ستبقى سالبة، أي أن تغيير المقاومتين غير من قيمتي العتبتين دون تغيير قطبيتيهما. ولتغيير قيمتي العتبتين وقطبيتيهما، نلجأ إلى الفكرة التالية:

بدلاً من وصل نهاية المقاومة R2 مع الأرضي نصلها بجهد ثابت VA لتصبح العتبتان حسب القاعدة العامة للقدح:

وعليه فإن قيمة الجهد VA وقطبيته تؤثران على قيمة جهدي العتبتين وقطبيتهما، ويمكن عندئذٍ جعل العتبتين موجبتين أو سالبتين أو إحداهما موجبة والأخرى سالبة مع إمكانية تعديل قيمة كل منهما.


نَذْكُر ُفي نهاية المطاف عدداً من الملاحظات


مبدأ عمل المـ
ضخم العملياتي

 

يعمل المضخم العملياتي بحيث تكون إشارة الخرج جزءاً من أحد جهدي التغذية VCC+و VCC، أي يراقب المضخم العملياتي في كافة التطبيقات السابقة وضع الدخل، ويقرر على أساس ذلك جهداً للخرج يأخذه من وحدتي التغذية. فعند استعمال جهود تغذية 12V± ، وإدخال إشارة بمطال 1V إلى مضخم عملياتي تكبير جهده 100، لا تتوقع أنك ستجد إشارة بمطال 100V على الخرج، بل سيحصل قص لإشارة الخرج عند قيمتين قريبتين من جهدي التغذية.

 

مواصفات المـضخمات العملياتية

هناك مواصفات للمضخمات العملياتية قد تختلف بين مضخم وآخر، نذكر منها:

 

أ- نسبة رفض النمط المشترك (Common Mode Rejection Ratio) أو (CMRR):

تتكون إشارة دخل المضخم التفاضلي – في الحالة العامة – من مركبتين: إشارة النمط المشترك وإشارة النمط التفاضلي. فأما إشارة النمط المشترك فهي القيمة الوسطى لإشارتي المدخلين (أي نصف مجموعهما)، وأما الإشارة التفاضلية (إشارة النمط التفاضلي) فهي الفرق بين إشاراتي المدخلين. في الحالة المثالية، يتأثر المضخم العملياتي بالإشارة التفاضلية فقط، إلا أن إشارة النمط المشترك تضخم بدرجة ما. تعرف نسبة رفض النمط المشترك (CMRR) لأنها نسبة ربح جهد الإشارة التفاضلية إلى ربح جهد إشارة النمط المشترك، وتعبر هذه النسبة عن مدى جودة المضخم العملياتي في رفض الإشارات المطبقة في نفس الوقت على كلا المدخلين. وكلما كانت قيمة CMRR أعلى فإن أداء المضخم العملياتي يكون أفضل.

 

ب- مجال جهد الدخل التفاضلي:

هو مجال الجهد الذي يمكن تطبيقه بين أطراف الدخل دون إجبار المضخم على العمل خارج المواصفات، وإذا تجاوزت المداخل هذا المجال، فإن ربح المضخم يمكن أن يتغير تغيراً كبيراً.

 

ج- ممانعة الدخل التفاضلي:

هي الممانعة التي تقاس بين المدخل العاكس والمدخل غير العاكس للمضخم العملياتي.

 

د- جهد انزياح (حيدان) الدخل:

يجب أن يكون جهد خرج المضخم العملياتي صفراً عندما يكون جهدا المدخلين أصفاراً، وذلك طبعاً من الناحية النظرية، ولكن في الواقع العملي وبسبب عدم التناظر في البنية الداخلية لدارة المضخم العملياتي ينشأ جهد في خرج المضخم العملياتي حتى لو كانت جهود المداخل أصفاراً. يعرف جهد انزياح الدخل بأنه الجهد الذي يجب تطبيقه على أحد مداخل المضخم العملياتي لجعل جهد الخرج مساوياً الصفر.

 

هـ- تيار انحياز الدخل:

تعتبر ممانعات مداخل المضخم العملياتي لانهائية، ومن ثمَّ فإن تيارات المداخل ستكون أصفاراً، ولكن الواقع العملي يؤكد أن المداخل تستجر تيارات صغيرة جداً من مرتبة النانوأمبير إلى مرتبة البيكوأمبير. يعرف تيار انحياز الدخل بأنه القيمة الوسطى لتياري المدخلين. يؤدي تيار انحياز الدخل إلى نشوء هبوط جهد على مقاومات التغذية الخلفية أو مقاومات الاستقطاب أو مقاومة منبع الإشارة، وهبوط الجهد هذا قد يؤدي بدوره إلى أخطاء في جهد الخرج. توصل مقاومة بين المدخل غير العاكس والأرض لتقليل تأثير تيارات الانحياز على الانزياح في جهد الخرج.

 

و- تيار انزياح الدخل:

هو الفرق بين تيارات المداخل عندما يكون الخرج صفراً. إن مداخل المضخم العملياتي تستجر تيارات تسريب مختلفة حتى لو طبق على المدخلين نفس الجهد ويحدث ذلك بسبب وجود فارق بسيط في المقاومات لدارات المدخلين، ويحدث ذلك أثناء عملية التصنيع، ولذلك تمر تيارات مختلفة في المدخلين حتى لو جرى وصل المدخلين إلى نفس الجهد، ويؤدي اختلاف تيارات المداخل إلى انزياح جهد الخرج. يمكن إلغاء الخطأ المذكور آنفاً كما سيمر في الملاحظة السادسة.

 

ز- ربح الجهد:

يتراوح ربح الجهد للمضخم العملياتي بين 104 و 106 (أي بين 80dB و 120dB) حيث يعبر عن الجهد بالديسيبيل dB اعتماداً على العلاقة:

A[dB] = 20Log10 (AV)

ينخفض ربح المضخم العملياتي إلى الواحد عند تردد يسمى تردد الربح الواحدي (Unity gain frequency) ويرمز له FT وتتراوح القيمة النموذجية لهذا التردد بين 1MHz و 10MHz. وذلك نتيجة لاستجابة البنية الداخلية للمضخم العملياتي للترددات العالية.

 

ح- تأرجح جهد الخرج:

ويعني التأرجح الأعظمي لجهد الخرج حول الصفر والذي يمكن الحصول عليه دون أن يطرأ على الإشارة أي تشويه أو تحديد أو قص.

 

ط- معدل التباطؤ Slew Rate:

ويمثل المعدل الأعظمي لتغير جهد خرج المضخم العملياتي مع الزمن. إن محدودية تغير جهد الخرج مع الزمن تنتج عن مكثفات التعويض الداخلي أو الخارجي والتي تؤدي إلى إبطاء تغيرات جهد الخرج بالنسبة لتغيرات جهد الدخل (تأخير انتشار) وعند العمل على ترددات عالية يصبح مقدار معدل التباطؤ للمضخم العملياتي أكثر جدية.

تبلغ قيمة معدل التباطؤ للمضخم العملياتي 741 الشائع الاستخدام 0.5V/µs وهي قيمة صغيرة نسبياً عند مقارنتها مع معدل التباطؤ للمضخم العملياتي HA2539 والبالغة 600V/ µs.

 

ي- تيار التغذية:

ويمثل هذا التيار قيمة التيار اللازم لتشغيل المضخم العملياتي في حالة عدم وجود حمل في الخرج وبجهد خرج يساوي الصفر، ويستجر هذا التيار طبعاً من وحدة التغذية المستمرة.

1- ننبه من باب التحذير إلى عدم عكس أطراف التغذية للمضخم العملياتي أي عدم تطبيق جهد تغذية سالب على الطرف الذي يجب أن يوصل مع جهد التغذية الموجب والعكس بالعكس، لأن ذلك قد يؤدي إلى انهيار المضخم العملياتي، ولتجنب ذلك يوصل صمام ثنائي مع المضخم كما في الشكل جانبه.

 

2- توصل أسلاك التوصيل بين أرجل التغذية في المضخم العملياتي ومصادر التغذية مباشرةً وبحيث تكون أقصر ما يمكن، ويساعد ذلك على منع حدوث الاهتزازات غير المرغوبة ويقلل من تأثير الضجيج على الخرج.

3- توصل مكثفات تمرير جانبي بين أرجل وصل التغذية في المضخم والأرض للترشيح، أي لتقليل تغيرات جهود التغذية، لأن جهود التغذية تؤثر على عمل المضخم، وتتراوح قيم المكثفات المستعملة بين 0.1µF و 1µF.

 

علاوة على ذلك، بعد تجهيز دارة المضخم العملياتي، لا نصل منبع الإشارة مع مدخل المضخم مباشرة، وإنما عن طريق مكثف، وذلك لحجز المركبة المستمرة القادمة من المنبع من جهة، ولضمان عدم دخول مقاومة المنبع الداخلية في الحسابات من جهة أخرى.

4- يجب أن يكون جهد خرج المضخم العملياتي صفراً من الناحية النظرية عندما تكون جهود مداخله أصفاراً، ولكن عدم التوازن في دارة المضخم العملياتي يؤدي إلى ظهور جهد في خرج المضخم العملياتي عندما تكون جهود مداخله أصفاراً.
إذا نظرنا إلى رسمة الدارة المتكاملة للمضخم العملياتي LM741 فسنجد أن هناك الطرفين 1 و 5 وقد كتب بجانبهما OFFSET NULL، أي إلغاء الحيدان، وسنشرح فائدتهما:

لإلغاء الانزياح أو الحيدان في جهد الخرج، زودت الشركات الصانعة المضخمات العملياتية بالطرفين المسميين OFFSET NULL، حيث يوصل مجزئ جهد متغير بين هذين الطرفين، وتوصل النقطة المتحركة لمجزئ الجهد المتغير إلى مصدر التغذية السالب.

ومن أجل ضمان تمركز جهد الخرج حول قيمة الصفر يوصل الدخلان مع بعضهما البعض وتوصل معهما إشارة دخل (أي يقارن المضخم العملياتي الإشارة مع نفسها)، فإذا وصل الخرج إلى الإشباع فإن إزاحة الدخل تحتاج إلى ضبط. نقوم عندها بفصل الإشارة عن المدخلين ونصل المدخلين مع الأرض، قم نضبط المقاومة المتغيرة حتى يصبح جهد الخرج مساوياً للصفر.

 


كلمة المؤلف

وفي النهاية لا يسعني إلا أن أقول أن هذه السلسلة من المقالات تعد بذرة أساسية لفهم دارات المضخمات العملياتية بمختلف أشكالها، لا سيما أن لها تطبيقات مذهلة لا تحصى. فما عليك أيها القارئ إلا أن تبدأ بالبحث عن دارات عملية ترتكز على المضخمات العملياتية، فتحلل عمل هذه الدارات، ثم تجمعها كي تجني ثمرة ما زرعت.

ما أريده من القارئ هو أن يحاول تسخير كل حرف من الكتابات السابقة في بناء دارات مفيدة وممتعة، وأن يضع المضخم العملياتي كاحتمال لحل أي مشكلة إلكترونية تواجهه. ولا ريب أنك أصبحت قادراً على تجميع دارات من تصميمك الخاص، فقد فُتِحَتْ أمامك أبواب واسعة، ولكن استأنس بما قدمه العلماء والمهندسون من قبلك.

 


تأليف

 

المؤلف: محمد راشد القطيني (سوريا)

البريد الإليكتروني: rashedkoutayni@gmail.comأو rashedkoutayni@hotmail.com

 


المراجع

 

الالكترونيات العملية للمبتكرين – الدكتور سليم إدريس – دار شعاع للنشر والعلوم.

الدارات الإلكترونية 1 – جامعة دمشق.

الدارات الإلكترونية 2 – جامعة دمشق.

صفحات الانترنت.


 

]]>
rashedkoutayni@gmail.com (راشد القطيني) إلكترونيات Sat, 22 Jun 2013 00:00:00 +0000
فهم المضخم العملياتي (الجزء 2 – تطبيقات) http://www.isnaha.com/isnaha_new/إصنعها/item/957-فهم-المضخم-العملياتي-الجزء-2-–-تطبيقات http://www.isnaha.com/isnaha_new/إصنعها/item/957-فهم-المضخم-العملياتي-الجزء-2-–-تطبيقات

فهم المضخم العملياتي (الجزء 2 – الجانب التطبيقي)

نتطرق في هذا الجزء إلى تطبيقات على المضخم العملياتي مع تغذية خلفية. سنستعين في الفقرات التالية بقوانين شهيرة : قانون أوم وقانون مجزئ الجهد وقانوني كيرشوف.


تسميات

بالعربية: المضخم العملياتي أو المكبر العملياتي

بالإنجليزية Operational Amplifiers

بالفرنسية Amplificateur Operationel

العربية: الصمام الثنائي أو الثنائي أو الديود أو الدايود

الإنجليزية: Diode

الفرنسية: Diode


التطبيق 1 - مضخم إشارة (Amplifier)

أحد أهم تطبيقات المضخم العملياتي هو استخدامه كمضخم للإشارة.

تذكير ”ربح الجهد“

نعرف ربح الجهد للمضخم بوجه عام على أنه نسبة جهد الخرج إلى جهد الدخل: A0= Vout ÷ Vin

نميز ثلاث حالات بالنسبة للإشارة الجبرية لربح الجهد:

  • إذا كان AV موجباً فهذا يعني أن إشارة الخرج متفقة بالطور مع إشارة الدخل، أي تكون إشارة الخرج موجبة عندما تكون إشارة الدخل موجبة، والعكس بالعكس.

  • وإذا كان AV سالباً فهذا يعني أن هناك فرقاً في الطور (phase shifting) بين إشارتي الدخل والخرج قدره 180o، أي تكون إشارة الخرج موجبة عندما تكون إشارة الدخل سالبة، والعكس بالعكس.

  • أما إذا كان AV = 0، فهذا يعني عدم وجود أي إشارة خرج، أي Vout = 0.

ونميز ثلاث حالات بالنسبة للقيمة المطلقة لربح الجهد:

  • إذا كان 1 < |AV| فهذا يعني أن مطال إشارة الخرج أكبر من مطال إشارة الدخل ويجري تكبير للإشارة.

  • أما إذا كان 1 > |AV| فهذا يعني أن مطال إشارة الخرج أصغر من مطال إشارة الدخل، ويلعب المضخم العملياتي في هذه الدارة دور المخمد (Attenuator).

  • وفي حال كان 1 = |AV|فهذا يعني أن مطال إشارة الخرج يساوي تماماً مطال إشارة الدخل، ويلعب المضخم العملياتي في هذه الدارة دور العازل (buffer).

نميز الآن نوعين من المضخمات:

مضخم إشارة غير عاكس

يقوم هذا المضخم بتغيير مطال إشارة الخرج اعتماداً على قيم المقاومات، وتأخذ الدارة الشكل جانبه.

لا يسبب هذا المضخم أي انزياح في الطور بين إشارتي الدخل والخرج. لنقم بحساب ربح الجهد AV لهذا المضخم. بما أنه لا تدخل أية تيارات إلى المضخم العملياتي عبر مدخليه، فإن Ib = 0.

مما يعني أن IR1 = IR2، نعوض كلاً منIR1 و IR2 من قانون أوم نجد:

لكن V- = V+ = Vin ومنه:

إذن يمكن للمصمم أن يحدد ربح الجهد للمضخم العملياتي، وذلك عن طريق تغيير قيم المقاومات R1 و R2. يمكن الوصول إلى النتيجة السابقة من قانون مجزئ الجهد:

ملاحظة: لايمكن للمقدار R1÷R2 + 1 أن يكون أصغر تماماً من الواحد لأن ذلك يؤدي إلى كون0 R1 وهذا مستحيل، مما يعني أن ربح هذه التشكيلة أكبر تماماً من الواحد.

مثال: ارسم إشارة خرج الدارة التالية من أجل إشارة الدخل المبينة بالشكل إليها:

إن تضخيم الجهد لهذه الدارة يساوي:

أي ستكبر إشارة الدخل 4 مرات، ومن ثمَّ سيكون شكلها كما هو مبين جانبه.

ملاحظة: الإشارة المنقطة هي إشارة الدخل.

مضخم إشارة عاكس

يقوم هذا المضخم بتغيير مطال إشارة الخرج اعتماداً على قيم المقاومات، وتأخذ الدارة الشكل جانبه.

يسبب هذا المضخم انزياحاً في الطور بين إشارتي الدخل والخرج قدره 180o. لنقم بحساب ربح الجهد AV لهذا المضخم. لا تدخل أية تيارات إلى المضخم العملياتي عبر المدخل -V لذا يمكن أن نكتب:

إلا أن V-=V+=0 ومنه:

حيث تدل إشارة الناقص على وجود فرق في الطور بين إشارتي الدخل والخرج، لأنه عندما يكون مطال إحداهما موجباً يكون مطال الأخرى سالباً والعكس بالعكس. إذن يمكن للمصمم أن يحدد ربح الجهد للمضخم العملياتي، وذلك عن طريق تغيير قيم المقاومات Rf و Rin. يمكن الوصول إلى النتيجة السابقة من قانون مجزئ الجهد بتطبيق مبدأ التراكم (superpositioning). نؤرض Vin وندع Vout كما هي ونحسب V- نجد:

ثم نؤرض Vout وندع Vin كما هي ونحسب V- نجد:

وبتطبيق مبدأ التراكم نجد:

إلا أن V- =V+=0 ومنه:

ملاحظات:

عندما يكون Rf > Rin فهذا يعني أن 1 < |AV | ومن ثمَّ سيكون مطال إشارة الخرج أكبر من مطال إشارة الدخل ويجري تكبير للإشارة.

أما إذا كان Rf > Rin فهذا يعني أن 1 > |AV | ، مما يعني أن مطال إشارة الخرج أصغر من مطال إشارة الدخل ويجري تخميد للإشارة.

مثال: ارسم إشارة خرج الدارة التالية من أجل إشارة الدخل المبينة بالشكل إليها:

إن تكبير الجهد لهذه الدارة يساوي:

أي ستكبر إشارة الدخل 3 مرات وتعكس، ومن ثمَّ سيكون شكلها كما هو مبين جانبه.

ملاحظة: الإشارة المنقطة هي إشارة الدخل.


التطبيق 2 – عازل (Buffer)

يمكن تعريف العازل على أنه مضخم ذو ربح جهد يساوي الواحد: 1 = |AV |، أي أن إشارة الخرج هي إشارة الدخل ذاتها. وإن العازل buffer حالة خاصة من مضخم الإشارة بربح يساوي الواحد. وبناءً على هذا نميز نوعين من العوازل:

عازل غير عاكس

ينقل هذا العازل إشارة الدخل إلى الخرج كما هي تماماً، دون أي تغيير في المطال أو الطور. ويعد هذا المضخم حالة خاصة من المضخم غير العاكس المدروس سابقاً. تأخذ الدارة الشكل جانبه.

ثم لننطلق من الفرض:

مما يعني أن R1 = 0 أو= R2، أي يمكن وضع سلك بدلاً من R1 ووضع مقاومة ما R2، أو إزالة المقاومة R2 وترك الدارة مفتوحة مكانها ووضع مقاومة ما R1. وفي الحقيقة، من أجل توفير الاستطاعة نقوم بوضع سلك بدلاً من R1 وإزالة المقاومة R2 وترك الدارة مفتوحة مكانها لتأخذ الدارة الشكل السابق.

يمكن النظر إلى الدارة السابقة ببساطة أكثر، إن وصل Vout مع V- الذي يساوي بدوره V+ أي Vin يعني أن يصبح: Vout = Vin. يسمى هذا العازل بالتابع الجهدي (Voltage follower) وذلك لأن إشارة الخرج تتبع تغيرات إشارة الدخل.

مثال: ارسم إشارة خرج الدارة التالية من أجل إشارة الدخل المبينة بالشكل إليها:

إن تكبير الجهد لهذه الدارة يساوي:

AV = 1

أي إشارة الخرج ستطابق إشارة الدخل كما هو مبين في الشكل جانبه:

عازل عاكس

ينقل هذا العازل إشارة الدخل إلى الخرج كما هي، إلا أنه يسبب انزياحاً في الطور بمقدار 180o، أي سيكون مطال إشارة الخرج سالباً عندما يكون مطال إشارة الدخل موجباً، والعكس بالعكس، مما يعني أن ربح الجهد لهذا العازل هو AV = -1. يعد هذا المضخم حالة خاصة من المضخم العاكس المدروس سابقاً. تأخذ الدارة الشكل جانبه:

لننطلق من الفرض:

إذن لا تختلف هذه الدارة عن دارة المضخم العاكس، إلا بتساوي المقاومتين RfوRin، وقد فرضنا في الرسم السابق أن Rf = Rin = R.

مثال: ارسم إشارة خرج الدارة التالية من أجل إشارة الدخل المبينة بالشكل إليها:

إن تكبير الجهد لهذه الدارة يساوي: AV = -1

أي إشارة الخرج ستطابق عكس إشارة الدخل.

ملاحظة: الإشارة المنقطة في الشكل جانبه إنما هي إشارة الدخل

قد يبدو للوهلة الأولى أن دارة العازل عديمة الفائدة، ولكن تذكر أن ممانعة الدخل للمضخم العملياتي عالية جداً، في حين أن مقاومة الخرج معدومة أو شبه معدومة، لذا يمكن استخدام دارة العازل في التوفيق بين ممانعتي مرحلتين متتاليتين من نظام إلكتروني ما، الأولى مرتفعة والأخرى منخفضة، مما يعني انتقال أعظم قدر من الاستطاعة بين هاتين المرحلتين (impedance matching).


التطبيق 3 – الجامع (Adder)

يبين الشكل التالي دارة الجامع. تشبه هذه الدارة دارة المضخم العاكس، إلا أن لها أكثر من دخل بدلاً من أن يكون لها دخل وحيد. لنقم بحساب جهد الخرج Vout لهذه الدارة:

يمكن أن نكتب:

إلا أن V-=V+=0 ومنه:

إذا جعلنا R1 = R2 = R3 عندها سيكون: Vout = –V1 – V2

هذا يعني أن قيمة جهد الخرج تساوي مجموع قيمتي جهدي الدخل، إلا أن المجموع معكوس، وللحصول على مجموع غير معكوس تستخدم مرحلة ثانية بعد دارة الجامع هي عازل عاكس كما في الشكل جانبه.

هنا سيكون:

Vout = V1 + V2

يمكن استخدام دارة الجامع بأكثر من مدخلين، وذلك بنفس المنطق السابق:

Vout=V1+V2+...+Vn

ملاحظة: إن الدارة المدروسة تقوم بحساب المجموع دون أية أمثال، أي:

Vout = V1 + V2 + V3 + ...

وذلك لأن ربح المضخم الجامع بالنسبة لكل مدخل يساوي:

-R/R = -1

أما إذا أردنا تحقيق المعادلة التالية والتي تعد الأعم:

Vout = aV1 + bV2 + cV3 + ...

فعلينا ضبط ربح الجهد بالنسبة لكل دخل وفقاً للمعاملات a،b،c... أي كما في الدارة جانبه.

إذن يضرب كل جهد دخل بربح الجهد بالنسبة إليه ثم تجمع الجهود جميعاً.

مثال 1: أوجد إشارة الخرج للدارة التالية:

علماً أن Vin لها الشكل:

الحل: ستجمع كل نقطة من الإشارة Vin السابقة مع القيمة 1V مما يعني الإشارة ستزاح كما هي نحو الأعلى بمقدار 1V لتصبح إشارة الخرج بالشكل جانبه.

لا بد من الإشارة إلى أن أهمية هذه الدارة هي في الحصول على المجموع معكوساً مرةً، وغير معكوس أخرى.

مثال2: أوجد قيمة جهد الخرج للدارة التالية:

الحل: إن الربح بالنسبة للمدخل الأول هو (1-) والربح بالنسبة للمدخل الثاني هو (2-) والربح بالنسبة للمدخل الثالث هو (3-) لذا سيكون: Vout = V1 + 2V2 + 3V3 = 1 + 2(-5) + 3(4)= 3V


التطبيق 4 – مضخم المتوسط الحسابي (Average Amplifier)

يمكن بالتعديل على قيم المقاومات الموضوعة في دارة الجامع الكامل الحصول على دارة، قيمة الجهد في خرجها تساوي مجموع قيم الجهود المطبقة على المداخل، مقسومة على عدد المداخل، مما يعني حساب المتوسط الحسابي (Average) لجهود الدخل، تأخذ هذه الدارة الشكل التالي من أجل مدخلين. لنقم بحساب جهد الخرج Vout لهذه الدارة، يمكن أن نكتب:

إلا أن V-=V+ =0 ومنه:

هذا يعني أن قيمة جهد الخرج تساوي المتوسط الحسابي لقيمتي جهدي الدخل، إلا أن الناتج معكوس، وللحصول على مجموع غير معكوس تستخدم مرحلة ثانية هي عازل عاكس كما في الشكل جانبه. هنا سيكون:

Vout = (V1+V2)/2

يمكن حساب المتوسط الحسابي لأكثر من مدخلين، وذلك بنفس المنطق السابق:

Vout=(V1+V2+...+Vn)/n

حيث n هو عدد المداخل.

إذن لا بد من معرفة عدد المداخل المراد حساب المتوسط الحسابي لها، فبعد أن نختار قيمة مقاومة التغذية الخلفية R، نضع على كل مدخل من المداخل مقاومة قيمتها n*R. مثال: أوجد جهد الخرج للدارة التالية:

نلاحظ أنه لدينا أربعة مداخل، وعلى كل مدخل توجد مقاومة قيمتها تعادل أربعة أضعاف قيمة مقاومة التغذية الخلفية، لذا بتطبيق مباشر للقانون السابق نجد أن:

Vout=(V1+V2+V3+V4)/4

Vout=(5 – 2 + 1.5 –7)/4

Vout= –1.25V


التطبيق 5 – مضخم تفاضلي (Differential Amplifier)

المضخم التفاضلي هو مضخم يعطي في خرجه جهداً، قيمته هي الفرق بين قيمتي جهدي الدخل. لندرس الدارة التالية، نعلم أن:

V+ = V-

نحسب كلاً منهما على حدى حسب مجزئ الجهد:

نساوي بينهما:


التطبيق 6 –المكامل (Integrator)

إن التابع الزمني لإشارة خرج هذه الدارة هو تكامل التابع الزمني لإشارة دخلها مع تغيير بالمطال. يبين الشكل جانبه دارة المكامل. ونذكر أن العلاقة بين التيار المار بالمكثف والجهد المطبق عليه هي: IC = C.dUC/dt

يتضح من الدارة أن IR = IC ، ومنه:


التطبيق 7 –المفاضل (Differentiator)

إن التابع الزمني لإشارة خرج هذه الدارة هو تفاضل (مشتق) التابع الزمني لإشارة دخلها مع تغيير بالمطال. يبين الشكل جانبه دارة المفاضل. يتضح من الدارة أن IR = IC ، ومنه:


التطبيق 8 – مبدل جهد إلى تيار

تسمح لنا هذه الدارة بالحصول على منبع تيار بسيط انطلاقاً من منبع جهد، وتتعلق قيمة هذا التيار بقيمة منبع الجهد المطبق على المدخل غير العاكس.

نذكر أولاً بأن منبع التيار هو منبع يزود الحمل بتيار ثابت ذي قيمة مستقلة عن قيمة الحمل و تتحدد قيمة الجهد اعتماداً على قيمة الحمل، على عكس منبع الجهد الذي يزود الحمل بجهد ثابت ذي قيمة مستقلة عن قيمة الحمل و تتحدد قيمة التيار اعتماداً على قيمة الحمل. يبين الشكل جانبه دارة مبدل الجهد إلى تيار. لنقم بتحليل هذه الدارة على اعتبار أن الحمل هو RL والتيار المار فيه هو IL .

يظهر من العلاقات التالية أن تيار الخرج لا يتعلق بالحمل، وإنما يتعلق فقط بـ Vin و R2. وبثبات قيمة R2 نلاحظ أننا نحول قيمة الجهد Vin إلى تيار IL.


التطبيق 9 – مقوم نصف موجة (Half wave rectifier)

إن دارة تقويم نصف موجة هي دارة تقص إشارة الدخل أفقياً بمحور الزمن أي عند القيمة V = 0V وتسمح بمرور أحد القسمين الناتجين فقط إلى الخرج.

يبين الشكل جانبه دارة تقويم نصف موجة.

تسمح هذه الدارة بمرور القسم الموجب من الإشارة ولا تسمح بمرور القسم السالب منها. لنحلل الدارة في الحالتين:

1- عندما يكون مطال إشارة الدخل موجباً، تكون النقطة A سالبة (خرج المضخم العملياتي) بالنسبة للنقطة K، لأن أثر التغذية الخلفية لم يظهر بعد، فالمضخم يعمل كمقارن، مما يعني أن الصمام الثنائي منحاز عكسياً ويكافأ بدارة مفتوحة كما في الشكل جانبه. مما يعني أن المضخم العملياتي لن يؤثر على الخرج، بل سيكون Vout ≈ Vin.

2- وعندما يكون مطال إشارة الدخل سالباً، تكون النقطة A موجبة بالنسبة للنقطة K، مما يعني أن الصمام الثنائي منحاز أمامياً ويكافأ بدارة مقصورة كما في الشكل جانبه. عندها سيظهر أثر التغذية الخلفية السالبة، ويكون ربح هذا المضخم – كما ورد سابقاً – مساوياً:

ومن ثمَّ سيكون: Vout = 0V.

للحصول على القسم السالب من الإشارة نستخدم الدارة جانبه التي عليك أن تقوم بتحليلها.

ملاحظة: لا يمكن إزالة المقاومة R عند المدخل العاكس للمضخم العملياتي من كلتا الدارتين السابقتين، مما يعني أن جهد الدخل سيتجزأ بين المقاومة R والحمل، ولا بأس في ذلك إذا كانت مقاومة الحمل أكبر بكثير من المقاومة R.

أما إن كانت قيمة الحمل قريبة من قيمة المقاومة R، فيمكن التغلب على هذه السلبية بأن نستخدم الدارتين التاليتين:

مثال 1: ارسم إشارة جهد الخرج للدارة التالية:

تسمح هذه الدارة بمرور القسم الموجب من الإشارة ولا تسمح بمرور القسم السالب، مما يعني أن إشارة الخرج ستأخذ الشكل:

مثال 2: ارسم إشارة جهد الخرج للدارة التالية:

تسمح هذه الدارة بمرور القسم السالب من الإشارة ولا تسمح بمرور القسم الموجب، مما يعني أن إشارة الخرج ستأخذ الشكل:


التطبيق 10 – دارة قص إشارة (Clipper)

يشابه عمل هذه الدارة عمل دارة التقويم، إلا أن القص يكون عند جهد معين مرغوب بدلاً من أن يكون عند الصفر. فهذه الدارة تقص إشارة الدخل عند قيمة مرجعية V = Vref وتسمح بمرور أحد القسمين الناتجين إلى الخرج. تشبه هذه الدارة دارة تقويم نصف الموجة، إلا أننا نصل المدخل غير العاكس للمضخم العملياتي مع الجهد المرجعي بدلاً من تأريضه. يمكن للجهد المرجعي أن يكون موجباً أو سالباً. يبين الشكل التالي نموذجاً لهذه الدارة:

تسمح هذه الدارة بمرور الجزء من الإشارة الذي مطاله أكبر من Vref، أما الجزء الآخر الذي مطاله أصغر من Vref فلا يمر، ويظهر على الخرج قيمة Vref عوضاً عنه. لنحلل الدارة في الحالتين التاليتين:

1-عندما يكون مطال إشارة الدخل أكبر من Vref، تكون النقطة A سالبة (خرج المضخم العملياتي) بالنسبة للنقطة K، لأن أثر التغذية الخلفية لم يظهر بعد، فالمضخم يعمل كمقارن، مما يعني أن الصمام الثنائي منحاز عكسياً ويكافأ بدارة مفتوحة كما في الشكل جانبه. مما يعني أن المضخم العملياتي لن يؤثر على الخرج، بل سيكون Vout ≈ Vin.

2-وعندما يكون مطال إشارة الدخل أصغر من Vref، تكون النقطة A موجبة بالنسبة للنقطة K، مما يعني أن الصمام الثنائي منحاز أمامياً ويكافأ بدارة مقصورة كما في الشكل جانبه. عندها سيظهر أثر التغذية الخلفية السالبة، ويكون جهد خرج هذا المضخم مساوياً:

Vout = V- = V+ = Vref

للحصول على الجزء الآخر من الإشارة نستخدم الدارة التالية التي عليك أن تقوم بتحليلها:

مثال 1: ارسم إشارة جهد الخرج للدارة التالية:

تسمح هذه الدارة بمرور القسم الموجب من الإشارة ولا تسمح بمرور القسم السالب، مما يعني أن إشارة الخرج ستأخذ الشكل جانبه:

مثال 2: ارسم إشارة جهد الخرج للدارة التالية:

تسمح هذه الدارة بمرور القسم السالب من الإشارة ولا تسمح بمرور القسم الموجب، مما يعني أن إشارة الخرج ستأخذ الشكل جانبه:


التطبيق 11 – مقوم موجة كاملة (Full wave rectifier)

إن دارة تقويم موجة كاملة هي دارة تقص إشارة الدخل أفقياً بمحور الزمن أي عند القيمة V = 0V وتسمح بمرور أحد القسمين الناتجين كما هو إلى الخرج، أما القسم الآخر فتقوم بعكس إشارته ثم تمريره إلى الخرج. يمتاز هذا النوع من التقويم عن التقويم نصف موجة، أنه يسمح بمرور الموجة كاملةً (مع تعديل عليها) دون أن يسبب انقطاعاً في الإشارة، مما يعني تمرير تيار متوسط أكبر.

يبين الشكل جانبه دارة تقويم موجة كاملة.

من الواضح أن دارة المضخم Amp1 هي دارة تقويم نصف موجة مع أخذ القسم الموجب من الإشارة. في حين أن دارة المضخم Amp2 تعمل كدارة عازل عاكس، وذلك عندما يكون الصمام الثنائي D2 منحازاً أمامياً فقط.

لنحلل الدارة في الحالتين:

  • عندما يكون مطال إشارة الدخل موجباً، تعمل دارة المضخم العملياتي Amp1 كدارة تمرير الجزء الموجب من موجة الدخل كما هو معلوم، الأمر الذي يعني أن نصف الموجة الموجب قد انتقل بأمان إلى الخرج. أما فيما يخص دارة Amp2، فإن الدخل الموجب على المدخل العاكس سيؤدي إلى ظهور جهد سالب في مخرج هذا المضخم، مما يعني أن الثنائي D2 منحاز عكسياً، ومن ثمَّ لن يكون للمضخم Amp2 أي تأثير على الدارة.

  • وعندما يكون مطال إشارة الدخل سالباً، فإن دارة المضخم العملياتي Amp1 لا تمرر أي إشارة إلى الخرج كونها دارة تقويم نصف موجة. أما بالنسبة لدارة Amp2، فإن الدخل السالب على المدخل العاكس سيؤدي إلى ظهور جهد موجب في مخرج هذا المضخم، مما يعني أن الثنائي D2 منحاز أمامياً، ويكافأ بسلك، ومن ثمَّ سيعمل المضخم Amp2 كدارة عازل عاكس، أي أن إشارة الدخل السالبة ستنتقل إلى الخرج الرئيسي للدارة مع قلب في الطور.

بمراكمة العملين السابقين نحصل على دارة تقويم موجة كاملة، بحيث يمر الجزء الموجب من إشارة الدخل عبر Amp1 إلى الخرج، في حين يعكس الجزء السالب من إشارة الدخل ثم يمر إلى الخرج عبر Amp2.

مثال: ارسم إشارة جهد الخرج للدارة التالية:

إن إشارة الخرج ستأخذ الشكل:

ملاحظة: من الناحية العددية، يقوم هذا المضخم بحساب القيمة المطلقة لجهد الدخل.

ملاحظة: قد يسأل سائل: لم استخدام المضخم العملياتي في دارات التقويم والقص، علماً أنه يمكن تشكيل هذه الدارات بواسطة الصمام الثنائيات ومنابع الجهد المستمر دون اللجوء إلى المضخمات العملياتية ؟

لنتذكر أنه عند استخدام دارات التقويم والقص العادية يهبط على كل صمام ثنائي منحاز أمامياً ما يقارب 0.6V، وقد لا يكون هبوط الجهد هذا كبيراً بالنسبة للإشارات ذات المطالات المتوسطة، إلا أنه يشكل عائقاً أمام التعامل مع جهود مطالاتها أخفض من 0.6V أصلاً، مما يعني أن الصمام الثنائي لن يتحسس لها نهائياً. أما عند استخدام دارات القص والتقويم الفعالة السابقة فستعمل هذه الدارات كدارات مثالية دون أن يحذف من الخرج أية جهود هابطة أي الصمام الثنائيات.


التطبيق 12 – كاشف قمة (Peak detector)

يلحق جهد خرج هذه الدارات أكبر قيمة لجهد الدخل ويحافظ عليها فيخزنها في المكثف، إلى أن تأتي قيمة أكبر من القيمة المخزنة، عندئذ تخزن القيمة الجديدة في المكثف وهكذا.

يبين الشكل التالي دارة كاشف قمة:

لا بد من وضع صمام ثنائي في هذه الدارة كما هو مبين، فهو يعمل مقوماً من جهة، وليمنع المكثف من التفريغ إذا انخفض جهد الدخل إلى قيمة أدنى من القيمة المخزنة في المكثف من جهة أخرى.

يوضح المثال التالي عمل هذه الدارة، لنرسم إشارة خرج الدارة السابقة من أجل إشارة الدخل المبينة:

إن إشارة الخرج – اعتماداً على الوظيفة المذكورة سابقاً – تأخذ الشكل جانبه:

ملاحظة: الإشارة المنقطة هي إشارة الدخل.

من الواضح أن هناك فرقاً بين إشارة الدخل وإشارة الخرج، وذلك بسبب هبوط قرابة 0.6V على الصمام الثنائي، ولحل هذه المشكلة نستخدم مقوماً مثالياً باستخدام المضخم العملياتي (المدروس سابقاً) بدلاً من الصمام الثنائي لتصبح الدارة بالشكل:

لقد حل الجزء المحاط بإطار مقطع محل الصمام الثنائي.

يمكن إضافة قاطع لحظي مفتوح طبيعياً (NO) على التفرع مع المكثف، وعند ضغطه يفرغ المكثف ليحصل ما يسمى إعادة ضبط أو (reset). الآن إذا أدخلنا إشارة الدخل السابقة ذاتها على هذه الدارة سنحصل على الشكل:

ملاحظة: الإشارة المنقطة هي إشارة الدخل.


تأليف

المؤلف: محمد راشد القطيني (سوريا)

البريد الإليكتروني: rashedkoutayni@gmail.com أو rashedkoutayni@hotmail.com


المراجع

  • الالكترونيات العملية للمبتكرين – الدكتور سليم إدريس – دار شعاع للنشر والعلوم.

  • الدارات الإلكترونية 1 – جامعة دمشق.

  • الدارات الإلكترونية 2 – جامعة دمشق.

  • صفحات الانترنت.


     

]]>
rashedkoutayni@gmail.com (راشد القطيني) إلكترونيات Fri, 21 Jun 2013 00:00:00 +0000
فهم المضخم العملياتي (الجزء 1 - نظري) http://www.isnaha.com/isnaha_new/إصنعها/item/956-فهم-المضخم-العملياتي-الجزء-1-نظري http://www.isnaha.com/isnaha_new/إصنعها/item/956-فهم-المضخم-العملياتي-الجزء-1-نظري

فهم المضخم العملياتي (الجزء 1 - نظري)

المضخمات العملياتية هي مركبات إليكترونية مفيدة جداً ويمكن استخدامها في عدد كبير جداً من التطبيقات وبطرق مختلفة. نتطرق في الجزء الأول من هذه السلسلة للجانب النظري وراء آلية وعمل المضخم العملياتي.

 
مقدمة

المضخم العملياتي النموذجي هو مضخم يستخدم لتضخيم الجهود المستمرة والإشارات المتناوبة، وقد صمم في الأصل لإنجاز بعض العمليات الحسابية كالجمع والطرح والتفاضل والتكامل، ومن هنا أتت تسميته.

يستخدم المضخم العملياتي في دارات التضخيم والهزازات والمرشحات والمقارنات والمنظمات وغيرها...

 


تسميات

 

بالعربية: المضخم العملياتي أو المكبر العملياتي

بالإنجليزية Operational Amplifiers

بالفرنسية Amplificateur Operationel

 

العربية: الصمام الثنائي أو الثنائي أو الديود أو الدايود

الإنجليزية: Diode

الفرنسية: Diode

 


ملامح المضخمات العملياتية

 

للمضخم العملياتي مدخلان وخرج وحيد:

  • يسمى المدخل الأول بالمدخل غير العاكس (non-inverting input)،

  • أما المدخل الثاني فيسمى بالمدخل العاكس (inverting input)،

  • يجري إدخال لإشارة المراد تكبيرها من أحد هذين المدخلين، في حين تخرج الإشارة بعد تكبيرها من الخرج.

يوجد للمضخم طرفان لوصل جهد التغذية (Vs+

و VS–)، وقد تكون له أطراف أخرى مختصة بوظيفة معينة. يبين الشكل جانبه رمز المضخم العملياتي.

 

عادة لا ترسم خطوط التغذية (Vs+ و VS–) في المخططات، وذلك للتبسيط فقط، فإذا وجدت في مخطط ما مضخماً عملياتياً دون خطوط التغذية فعليك أن تتذكر أنه يغذى من مصدرين DC أحدهما موجب والآخر سالب. تأتي المضخمات العملياتية عادةً على هيئة دارة متكاملة IC.

 


المضخم العملياتي LM741

 

يعد المضخم العملياتي LM741 من أكثر المضخمات شهرة.

  • الحرف L يعني أن الدارة المتكاملة هي دارة خطية،

  • الحرف M يعني أن الدارة المتكاملة هي دارة وحيدة البلورة، الأمر الذي يعني أن جميع أجزاء الدارة المتكاملة قد شكلت على شريحة سيليكونية واحدة.

يبين الشكل التالي كلاً من مخطط الدارة المتكاملة للمضخم LM741:





والدارة الترانزستورية التي يتكون منها هي كالتالي:

يعتبر المضخم العملياتي LM741 مضخما عملياتيا "شعبيا" لكثرة تداوله ورخص سعره، إذ أن سعره في سوريا 10 ليرات سورية (أي ما يعادل 20 سنتاً أمريكياً). ومع ذلك فلا بد من فهم عمل المضخم العملياتي جيداً كي تتمكن من صنع دارة مفيدة.

 


المعادلة الأساسية للمضخم العملياتي

 

تعد هذه المعادلة الأساس الذي يستند إليه عمل المضخم العملياتي، وهي علاقة جهد خرج المضخم العملياتي بجهود المدخلين +V  و -V ، وبربح الجهد المضخم العملياتي عند تشغيله بنظام الحلقة المفتوحة:

Vout= A0(V+- V- )

تبين هذه المعادلة الأساسية أن المضخم العملياتي يقوم بتكبير الفرق في الجهد بين جهدي المدخلين +V  و -V ، بالمقدار A0 حيث تظهر الإشارة بعد تكبيرها على خرج المضخم العملياتي.

 


قواعد أساسية

 

القاعدة 1:

  • قيمة ربح الجهد للحلقة المفتوحة في مضخم عملياتي مثالي هي ( ∞=A0)، أما في المضخم العملياتي الحقيقي فإن A0 تتراوح بين 104 و 106.

  • مع العلم أن إشارة الخرج محدودة بجهد التغذية، فلا يمكن أن يتجاوز جهدُ خرج أي دارة مضخم جهدَ التغذية الذي يمد المضخم بالطاقة الكهربائية اللازمة لعمله.

 

القاعدة 2:

  • قيمة مقاومة الدخل Rin للمضخم العملياتي المثالي هي (∞=Rin )، أما في المضخم العملياتي الحقيقي فإن Rin من مرتبة 106Ω في المضخمات المكونة من ترانزستورات BJT، ومن مرتبة 1012Ω في المضخمات المكونة من ترانزستورات JFET.

  • أما مقاومة الخرج Rout فهي تساوي الصفر في المضخم العملياتي المثالي (Rout=0)، أما في المضخم العملياتي الحقيقي فتتراوح قيمتها بين 10Ω و 1000Ω.

 

القاعدة 3:

  • لا تستهلك مداخل المضخمات العملية المثالية أية تيارات، أي يكون التيار الداخل إلى أحد مدخلي المضخم العملياتي مساوياً الصفر.

  • أما في المضخمات العملياتية الفعلية، فتكون تيارات المداخل صغيرةً جداً وقابلة للإهمال، وهي من مرتبة النانوأمبير للمضخمات المكونة من ترانزستورات BJT، و من مرتبة البيكوأمبير للمضخمات المكونة من ترانزستورات JFET.

 

لتذكر القواعد السابقة يكفي استذكار الرسمين التاليين اللذان يبينان دارة مكافئة لمضخم عملياتي مثالي وأخرى لمضخم عملياتي حقيقي:

ملاحظةينتج عن المعادلة الأساسية والقاعدة 1 نتيجة هامة، نبينها فيما يلي:

نعلم أن:

Vout= A0(V+- V- )

 

ما يعني أن:

Vout÷ A0 = V+- V-

ولكن A0 كبير جداً، لذلك يمكن أن نكتب:

Vout÷ A0→ 0

إذن:

V+- V-= 0

V+= V-

وهذه نتيجة هامة لتحليل دارات المضخمات العملياتية. نقول إذن بأن كل مضخم عملياتي يتصف بما يلي:

  • الجهد A0 كبير جداً جداً

  • مقاومة Rin كبيرة جداً جداً

  • مقاومة Rout صغيرة جداً جداً

  • التيارات الداخلة إلى المضخم عبر مدخليه صغيرة جداً جداً

  • وكذلك -V+=V

 

نضيف إلى النقاط السابقة النقطتين التاليتين:

  • يجري غالباً إدخال الإشارة إلى المضخم من أحد المدخلين فقط.

  • عندما يكون الفرق بين جهدي المدخلين موجباً (أي 0 < -V+V ) يكون مطال إشارة الخرج موجباً، وعندما يكون الفرق بين جهدي المدخلين سالباً (أي 0 > -V+V) يكون مطال إشارة الخرج سالباً.

 

وهذا ما يمكن البرهان عليه من المعادلة الأساسية (-Vout = AO(V+V حيث AO موجب دوماً. وفي الحقيقة، تكفي المعادلة الأساسية مع النقاط السابقة لفهم وتحليل دارات المضخم العملياتي.

 


قبل أن نبدأ

 

قد يسأل سائل: كيف لي أن أغذي المضخم العملياتي بالجهدين Vs+ و Vs– ؟ أأصل القطب الموجب للتغذية مع النقطة Vs+ و القطب السالب مع Vs– أم ماذا؟

 

أقول: لا تصلح الطريقة المقترحة لتغذية المضخم العملياتي، لأن جهد نقطة هو فرق الجهد بينها وبين نقطة الأرضي (المرجع)، ولا نقطة أرضي في التوصيل السابق، فلن نضمن أن يكون جهد كل من قطبي منبع التغذية مساوياً جهد القطب الآخر ومعاكساً له بالإشارة، وإنما الذي نضمنه أن يكون فرق الجهد بينهما ثابتاً.

 

نتيجة: إذن علينا أن نؤمن نقطتين، حيث أن جهد إحداهما يساوي Vs+ بالنسبة لنقطة الأرضي، وجهد الأخرى يساوي Vs– بالنسبة لنقطة الأرضي، وسأقترح عدة طرق لفعل المطلوب:

1- تغذية المضخم العملياتي بمنبعين

هذا النوع من التغذية يمثل بالدارة في الشكل جانبه. هنا سيكون:

  • جهد النقطة العليا يساوي Vs+ بالنسبة للأرضي،

  • جهد النقطة السفلى يساوي Vs– بالنسبة للأرضي،

  • وتحتاج هذه الدارة إلى منبعين منفصلين تماماً، لأنه عند استخدام منبع وحيد مرتين سيحصل قِصَر (short) عند نقطة وصل المنبعين.

2- تغذية المضخم العملياتي بمنبع وحيد

هذا النوع من التغذية يمثل بالدارة في الشكل جانبه. لتنصيف جهد التغذية يجب وضع مقاومتين متساويتين في مجزئ الجهد. تمتاز هذه الدارة عن سابقتها بأنها تستخدم منبعاً واحداً بدلاً من منبعين، وهو الأمر العملي في التوصيل، إلا أن لها نقطتين سلبيتين:

 

  • الأولى: أننا نحتاج إلى منبع جهده يساوي 2Vs.

  • الثانية: أن هناك استطاعة ضائعة في المقاومتين.

 

يمكن معالجة النقطة الثانية فقط وهي وضع عنصر لا يستهلك أي استطاعة من منبع جهد مستمر بدلاً من المقاومة، وهو المكثف، لتصبح الدارة بالشكل جانبه مع بقاء شرط تساوي سعتي المكثفتين، وذلك لتنصيف الجهد.


المضخم العملياتي دون تغذية خلفية

 

نستعرض فيما يلي عدداً من دارات المضخم العملياتي دون وجود أي واصل بين خرجه ودخله:

1- دارة مقارن مع الصفر - غير عاكس 

يبين الشكل التالي هذه الدارة، حيث وصل -V  مع الأرضي، في حين وصل +V  مع إشارة الدخل. من المعادلة الأساسية نجد:

Vout= A0(V+ - V-)

Vout= A0(Vin - 0 )

Vout= A0Vin

لنتذكر أن مقدار AO كبير جداً:

  • فإذا كان 0 < Vin  فإن الخرج سيكون: Vout = +∞V والذي يصل عملياً إلى قيمة تعادل 90% من جهد التغذية الموجب Vs+.

  • وإذا كان0 > Vin فإن الخرج سيكون: Vout = -∞V والذي يصل عملياً إلى قيمة تعادل 90% من جهد التغذية السالب Vs-.

  • أما إذا كان Vin= 0V فإن الخرج سيكون Vout = 0V.

 

تحليل: أصبحنا الآن قادرين على فهم عمل دارة المقارن، فهي تظهر على خرجها جهداً قيمته 0.9Vs+ إذا كان جهد الدخل موجباً، وتظهر على خرجها جهداً قيمته 0.9Vs- إذا كان جهد الدخل سالباً، في حين أنها لا تظهر على خرجها أي جهد عندما يكون Vin= 0V. فهي بذلك تقوم بمقارنة مطال إشارة الدخل مع القيمة 0V، وتظهر على أساسها إشارة خرج، بغض النظر عن تردد أو شكل إشارة الدخل ضمن حدود الاستجابة.

 

مثال: لنأخذ إشارة الجهد التي تتغير مع الزمن عشوائياً كما في أعلى الشكل جانبه، ولندخلها على الدارة المرسومة التالية:

سنجد أن إشارة الخرج - وفقاً لعمل الدارة - ستأخذ الشكل في أسفل المبيان جانبه.

2- دارة مقارن مع جهد مرجعي - غير عاكس 

يبين الشكل التالي هذه الدارة، حيث وصل -V  مع جهد المقارنة المرجعي Vref الذي يمكن أن يكون موجباً أو سالباً، في حين وصل +V  مع إشارة الدخل. من المعادلة الأساسية نجد:

Vout= A0(V+ - V- )

Vout= A0(Vin - Vref)

لا تختلف طريقة عمل هذه الدارة عن سابقتها، إلى أن المقارنة ستكون مع المقدار Vref بدلاً من أن تكون مع القيمة 0V:

  • فإذا كان Vin>Vref فإن الخرج سيكون: Vout= +∞V والذي يصل عملياً إلى قيمة تعادل 90% من جهد التغذية الموجب Vs+.

  • وإذا كان Vin<Vref فإن الخرج سيكون: Vout= -∞V والذي يصل عملياً إلى قيمة تعادل 90% من جهد التغذية السالب Vs-.

  • أما إذا كان Vin=Vref فإن الخرج سيكون Vout= 0V.

 

إذن، تظهر هذه الدارة على خرجها جهداً قيمته 0.9Vs+ إذا كان جهد الدخل أكبر من القيمة Vref، وتظهر على خرجها جهداً قيمته 0.9Vs- إذا كان جهد الدخل أصغر من القيمة Vref، في حين أنها لا تظهر على خرجها أي جهد عندما يكون Vin =Vref.

 

فهي بذلك تقوم بمقارنة مطال إشارة الدخل مع القيمة Vref، وتظهر على أساسها إشارة خرج، بغض النظر عن تردد أو شكل إشارة الدخل ضمن حدود الاستجابة.

 

مثال: لنأخذ إشارة سن المنشار كما في أعلى الشكل جانبه، ولندخلها على الدارة المرسومة التالية:

سنجد أن إشارة الخرج - وفقاً لعمل الدارة - ستأخذ الشكل في أسفل المبيان جانبه.

 

ملاحظة: يمكن شمل المقارنين السابقين بمقارن واحد شامل كما في الرسم جانبه. بضبط قيمة المقاومة المتغيرة يُضْبَطُ جهد المدخل العاكس، أي الجهد المرجعي Vref، كما يمكن ضبط المقاومة المتغيرة بحيث يصبح جهد المدخل العاكس مساوياً الصفر، لتصبح الدارة دارة مقارن مع الصفر غير عاكس.

3- دارة مقارن مع الصفر - عاكس

يبين الشكل التالي هذه الدارة، حيث وصل +V  مع الأرضي، في حين وصل -V  مع إشارة الدخل. من المعادلة الأساسية نجد:

Vout= A0(V+ - V- )

Vout= A0(0 - Vin )

Vout= - A0Vin

لنتذكر أن مقدار AO كبير جداً:

  • فإذا كان Vin >0 فإن الخرج سيكون: Vout = -∞V والذي يصل عملياً إلى قيمة تعادل 90% من جهد التغذية لسالب Vs- .

  • وإذا كان Vin <0 فإن الخرج سيكون: Vout = +∞V والذي يصل عملياً إلى قيمة تعادل 90% من جهد التغذية الموجب Vs+ .

  • أما إذا كان Vin= 0V فإن الخرج سيكون Vout = 0V.

 

إذن، تظهر هذه الدارة على خرجها جهداً قيمته 0.9Vs- إذا كان جهد الدخل موجباً، وتظهر على خرجها جهداً قيمته 0.9Vs+ إذا كان جهد الدخل سالباً، في حين أنها لا تظهر على خرجها أي جهد عندما يكون Vin= 0V. فخرج هذه الدارة يماثل شكلاً، ويعاكس إشارة دارة المقارن مع الصفر – غير العاكس.

 

مثال: لنأخذ إشارة جيبية كما في أعلى الشكل جانبه، ولندخلها على الدارة المرسومة التالية:

سنجد أن إشارة الخرج - وفقاً لعمل الدارة - ستأخذ الشكل في أسفل المبيان جانبه.

4- دارة مقارن مع جهد مرجعي - عاكس

يبين الشكل التالي هذه الدارة، حيث وصل +V  مع جهد المقارنة المرجعي Vref الذي يمكن أن يكون موجباً أو سالباً، في حين وصل -V  مع إشارة الدخل. من المعادلة الأساسية نجد:

Vout= A0(V+ - V- )

Vout= A0(Vref - Vin)

  • فإذا كان Vin  Vref فإن الخرج سيكون: Vout = -∞V والذي يصل عملياً إلى قيمة تعادل 90% من جهد التغذية السالب Vs- .

  • وإذا كان Vin  Vref فإن الخرج سيكون: Vout = +∞V والذي يصل عملياً إلى قيمة تعادل 90% من جهد التغذية الموجب Vs+ .

  • أما إذا كان Vin  Vref فإن الخرج سيكون Vout = 0V.

 

إذن، تظهر هذه الدارة على خرجها جهداً قيمته 0.9Vs- إذا كان جهد الدخل أكبر من القيمة Vref، وتظهر على خرجها جهداً قيمته 0.9Vs+ إذا كان جهد الدخل أصغر من القيمة Vref، في حين أنها لا تظهر على خرجها أي جهد عندما يكون Vin =Vref. فخرج هذه الدارة يماثل شكلاً، ويعاكس إشارة دارة المقارن مع جهد مرجعي - غير العاكس.

 

مثال: لنأخذ إشارة مثلثية كما في أعلى الشكل جانبه، ولندخلها على الدارة المرسومة التالية:

سنجد أن إشارة الخرج - وفقاً لعمل الدارة - ستأخذ الشكل في أسفل المبيان جانبه.

 

ملاحظات:

1- يمكن شمل المقارنين السابقين بمقارن واحد شامل كما في الشكل جانبه. فبضبط قيمة المقاومة المتغيرة يُضْبَطُ جهد المدخل غير العاكس، أي الجهد المرجعي Vref، كما يمكن ضبط المقاومة المتغيرة بحيث يصبح جهد المدخل غير العاكس مساوياً الصفر، لتصبح الدارة دارة مقارن مع الصفر عاكس.

 

2- إن دارات المقارنات السابقة مفيدة جداً في تحويل أي إشارة إلى إشارة مستطيلة.

 

3- يمكن معايرة مستويي جهد الخرج دون التغيير بقيمتي جهدي التغذية للمضخم العملياتي، ويكون ذلك بتنظيم جهد الخرج عن طريق ثنائي زينر (Zener diode) مع مقاومة. فإذا أردنا ”على سبيل المثال“ أن يتراوح جهد الخرج بين 7V+ و 5V– بدلاً من Vs± (بشرط أن يكون Vs أكبر من أكبر جهد مرغوب في الخرج)، نربط ثنائيي زينر على الخرج كما في الشكل جانبه.

حيث استخدمنا أقرب قيم تجارية متوفرة لجهود تنظيم ثنائيات زينر. ووضعنا الثنائيين بهذا الشكل، بحيث أنه عندما يكون جهد خرج المضخم مساوياً Vs+ فإن الثنائي الأعلى سينحاز عكسياً ويقوم بتنظيم الجهد Vout، وتهبط بقية الجهد على المقاومة R، حيث تبدو أهمية المقاومة في هذه الدارة، في حين يكون الثنائي الأسفل منحازاً أمامياً، مما يعني أنه سيسلك سلوك ثنائي عادي منحاز أمامياً.

 

أما إذا كان جهد خرج المضخم مساوياً Vs–، فإن الثنائي الأسفل سينحاز عكسياً ويقوم بتنظيم الجهد Vout، وتهبط بقية الجهد على المقاومة R، في حين يسلك الثنائي الأعلى سلوك ثنائي عادي لأنه منحاز أمامياً.

 


تطبيق هام : كاشف العبور بالصفر (Zero crossing detector)

 

من الضروري في بعض الأنظمة الإلكترونية أن يجري كشف اللحظة التي عبرت بها إشارة ما محور الزمن الموافق للقيمة 0V. تقوم هذه الدارة بإعطاء نبضة (شوكية) عند مرور إشارة الدخل بالصفر.

 

سنمهد الموضوع أولا فنقول بأنه يمكن الحصول على كشف لعبور الإشارة بالصفر عن طريق دارة تفاضل بسيطة (RC)، وذلك إذا كانت الإشارة المدروسة مستطيلة حصراً، بشرط أن يكون الثابت الزمني صغيراً جداً بالنسبة لعرض النبضة المستطيلة. يبين الشكل جانبه القصد:

أما إن كانت الإشارة غير مستطيلة، فلا بد من تحويلها إلى إشارة مستطيلة أولاً، ثم إدخالها إلى دارة تفاضل (RC). لتحويل أي إشارة إلى إشارة مستطيلة نستخدم مضخماً عملياتياً يعمل كمقارن مع الصفر غير عاكس، وعندها ستكون إشارة خرج المضخم مستطيلة، ومن ثمَّ يمكن إدخالها إلى دارة التفاضل كما في الشكل جانبه:

 

تكشف هذه الدارة عن مرور إشارة الدخل بالصفر صعوداً ونزولاً، وفي حال أردنا أن نكشف عن العبور بالصفر صعوداً فقط نستخدم الدارة جانبه:

أما إذا أردنا أن نكشف عن العبور بالصفر صعوداً فقط فنستخدم الدارة التالية:

مثال: أوجد إشارة الخرج لكل دارة من الدارات السابقة عندما نطبق على مدخلها الإشارة التالية:

من المتوقع أن تأخذ إشارة خرج الدارة الأولى:

من المتوقع أن تأخذ إشارة خرج الدارة الثانية:

من المتوقع أن تأخذ إشارة خرج الدارة الثالثة:


منحني خواص تحويل المضخم العملياتي

 

إن منحني خواص التحويل هو تمثيل بياني للعلاقة التي تربط بين خرج المضخم العملياتي و دخله، أي هو تمثيل بياني للمعادلة الأساسية. يأخذ منحني خواص التحويل الشكل التالي:

Vout= A0(V+ - V-)

لعل المضخم العملياتي لم ينل إعجاب الكثيرين، لأن خرجه ينتقل بين 90% من جهد التغذية الموجب و 90% جهد التغذية السالب عندما يكون هناك فرق بين جهدي مدخليه، مهما كان هذا الفرق بسيطاً. هذا شيء صحيح عندما تماثل دارة المضخم العملياتي إحدى الدارات السابقة، ولكي نجعل المضخم العملياتي أكثر فائدة لاستخدامه في كثير من التطبيقات، لابد من اللجوء إلى ما يسمى التغذية الخلفية أو العكسية (feedback) في دارة المضخم العملياتي.


المضخم العملياتي مع تغذية خلفية

 

نعرف التغذية الخلفية بأنها وصل خرج المضخم العملياتي مع دخله بوساطة دارة ما (مقاومة، مكثف، سلك، ...)

يبين الشكل التالي أمثلة على مضخم عملياتي مع تغذية خلفية بسيطة:

 

يتضح من الرسمين السابقين أن هناك نوعين من التغذية الخلفية (بغض النظر عن توزع عناصر الشبكة الخلفية):

 

  • تغذية خلفية موجبة: نقول عن التغذية الخلفية إنها موجبة عندما تربط شبكة التغذية الخلفية بين خرج المضخم العملياتي ومدخله غير العاكس.

  • تغذية خلفية سالبة: نقول عن التغذية الخلفية إنها سالبة عندما تربط شبكة التغذية الخلفية بين خرج المضخم العملياتي ومدخله العاكس.

 

في كلا نوعي التغذية الخلفية، يعاد جزء من جهد الخرج ( وليكن F.Vout حيث F < 1 ) إلى الدخل، ويتحدد سلوك المضخم العملياتي اعتماداً على نوع التغذية الخلفية.

 

ففي التغذية الخلفية السالبة يطرح المقدار F.Vout من إشارة الدخل، وذلك حسب المعادلة الأساسية:

Vout= A0(V+ - V-) = A0(V+ - F.Vout)

 

الأمر الذي يعني أن الجهد F.Vout يخفف أو يعاكس وصول الخرج إلى الإشباع، لأن شبكة التغذية الخلفية الموصولة إلى المدخل العاكس تعمل على معاكسة توجه الخرج إلى الإشباع.

 

أما في التغذية الخلفية الموجبة فإن المقدار F.Vout يُجْمَعُ جمعاً، وذلك حسب المعادلة الأساسية:

Vout= A0(V+ - V-) = A0( F.Vout - V-)

 

مما يعني أن الجهد F.Vout يقود المضخم العملياتي أكثر فأكثر باتجاه الإشباع، إلا أن لهذه التوصيلة خواصاً تميزها عن خواص توصيل المضخم العملياتي دون تغذية خلفية.

 

يبين الشكل التالي النموذج الطبيعي المشابه لنوعي التغذية الخلفية (نموذج الهضبة والوادي):

 

يتضح من الشكل السابق أنه في الحالة الأولى، تسبب إزاحة الكرة عن وضع استقرارها – مهما صغر مقدار الإزاحة – إلى ترك الكرة لوضع الاستقرار، فتقودها الهضبة إلى الأرض، وهذا مماثل تماماً لعمل التغذية الخلفية الموجبة التي تقود المضخم العملياتي إلى إحدى حالتي الإشباع (أحد جهدي التغذية).

 

أما في الحالة الثانية، فإنه عند إزاحة الكرة عن وضع استقرارها، يحاول الوادي أن يعيدها إلى الاستقرار من جديد، وهذا مماثل تماماً لعمل التغذية الخلفية السالبة التي تعمل على المحافظة على استقرار خرج المضخم العملياتي، الأمر الذي يعني أن الدارة تمتاز بالاستقرار، وبالتصحيح الذاتي للخطأ.

الخلاصة:

 

في التغذية الخلفية الموجبة: عندما تكون إشارة الخرج موجبة فإن إشارة التغذية الخلفية موجبة والعكس بالعكس، أي ستضاف بدورها إلى الخرج، ليعود الخرج إلى الدخل بالتغذية الخلفية فيكبر من جديد وهكذا... فتدور الحلقة بسرعة مما يقود الدارة إلى إحدى حالتي الإشباع.

 

أما في التغذية الخلفية السالبة فعندما تكون إشارة الخرج موجبة تكون إشارة التغذية الخلفية سالبة والعكس بالعكس، أي ستطرح إشارة التغذية الخلفية من الخرج باستمرار حتى الوصول إلى حالة التوازن والاستقرار.

 


تأليف

 

المؤلف: محمد راشد القطيني (سوريا)

البريد الإليكتروني: rashedkoutayni@gmail.com أو rashedkoutayni@hotmail.com 


المراجع

 

  • الالكترونيات العملية للمبتكرين – الدكتور سليم إدريس – دار شعاع للنشر والعلوم.

  • الدارات الإلكترونية 1 – جامعة دمشق.

  • الدارات الإلكترونية 2 – جامعة دمشق.

  • صفحات الانترنت.


     

]]>
rashedkoutayni@gmail.com (راشد القطيني) إلكترونيات Thu, 20 Jun 2013 00:00:00 +0000
بطاقة راشدوينو http://www.isnaha.com/isnaha_new/إصنعها/item/514-بطاقة-راشدوينو http://www.isnaha.com/isnaha_new/إصنعها/item/514-بطاقة-راشدوينو

بطاقة راشدوينو

image001 

نقدم لكم في هذا المقال بطاقة برمجية تدعى بطاقة راشدوينو والتي تم تطويرها من خلال الإعتماد على بطاقة أردوينو لكنها تتصف بسهولة صنعها وبساطة أجزاءها.


مقدمة

راشدوينو (وتقرأ راش-دوينو أو Rush-duino) لوحة إلكترونية مفتوحة المصدر متوافقة مع لغة برمجة الأردوينو، تم تطويرها والتعديل عليها وتجميعها محلياً في سوريا بوساطة راشد القطيني. تتصف هذه اللوحة ببساطة البنية وسهولة التجميع والتوافق مع البيئة البرمجية Arduino IDE.

 


مصطلحات المقال

العربية

الإنجليزية

الفرنسية

بطاقة مبرمجة

Programmer board

Programmateur

بطاقة برمجية

Development board

Carte de development

مبرمجة متتالية

Serial programmer

Programmateur série 

متحكم صغري

Microcontroller

Microcontroleur

برنامج الإقلاع

Bootloader

Bootloader

صمام ثنائي (دايود)

Diode

Diode

شيفرة برمجية (كود)

Firmware

Code

لوحة تجارب

Breadboard

Platine labdec

 


من أين بدأت فكرة الراشدوينو ؟

لعلك شعرت بأهمية الأردوينو ومتعة استخدامه عندما قرأت عنه، ولعل الرغبة في امتلاك بطاقة أردوينو قد تولدت لديك. حسناً، ربما لو أردت شراء بطاقة أردوينو فالأمر بسيط بالنسبة لك، اشتر واحدة من الانترنت وادفع ثمنه وسيشحن إليك…أما في سوريا، فليس الأمر بهذه البساطة. إن الظروف التي تمر بها سوريا – ومنها الاقتصادية – لا تسمح كثيراً بالتوصية والشحن وما إلى ذلك، والأردوينو إن وصل فسيصل بثمن باهظ، يعادل ثلاثة أو أربعة أضاف ثمنه الأصلي. من هنا لجأنا إلى طرح السؤال "لماذا لا نقوم بصنع أردوينو محلياً ؟" نعم، ما المانع إذن؟ قد تظن للوهلة الأولى أنني أعدت اختراع العجلة من جديد. أنصحك بعدم التسرع، فلا تحكم علي إلا بعد الانتهاء من قراءة المقال.


البدايات العملية

إن أول تصميم وأبسط تصميم وقع عليه طرفي هو تصميم الأردوينو 2009أو ما يسمى Arduino Duemilanove.

 

هناك بطاقات أردوينو تقوم على تصميم أبسط، إلا أنها لا تدعم التخاطب مع USB، بل هي قادرة على التخاطب مع RS232 فقط، وهذا لا يرضيني لأن معظم الحواسيب المحمولة لا تحتوي على المنفذ التسلسلي RS232.

 

تحوي هذه البطاقة شريحة FT232من FTDIالمسؤولة عن الملاءمة بين البروتوكولين: USBالذي يفهمه الحاسوب، وUARTالذي يفهمه المتحكم الصغري.

image002

بطاقة أردوينو 2009 (Arduino Duemilanove)

صعبة هذه الشريحة – بالنسبة لمبتدئ مثلي على الأقل – هي أنها من نوع الشرائح السطحية SMD (أي Surface Mounting Device) فهي تحتاج إلى دقة وخصوصية من أجل لحمها على اللوحة الإلكترونية.

مع ذلك، قبلت الأمر وقلت لا بد من أن تحل المشكلة، وأخذت أصمم اللوحة من جديد على برنامج Eagle، لا شك أن التصميم الأصلي موجود ومفتوح المصدر ومتوفر على النت، لكن كنت أحاول أن أتخلص من أكبر قدر من العناصر "الكمالية" إن صح التعبير، مما اضطرني إلى إعادة التصميم من نقطة الصفر.

 

وإذ بالأخ الفاضل والعزيز عبد الله علي، يقاطع إعادة اختراعي للعجلة، ويذهلني بكتابه الرائع الذي يعد بالنسبة لي انطلاقة أمل جديدة:

http://simplyarduino.com/?p=200 

 image003

الجميل بهذا الكتاب أنه يصف مشكلة الـ SMDولذلك لم أستفض بالشرح عنها، وتركت الأمر للأخ عبد الله علي، بل قد أقتبس بعض الجمل من عنده. بعد قراءة الكتاب ستجد أن هناك إصدارين متوازيين لبطاقة أردوينو، أحدهما من اليابان والآخر من أستراليا.

 

الجميل بالموضوع – كما شرح الكتاب – أن كلا التصميمين لا يستخدم أي عنصر SMD.

فضلت أن أقوم بتصنيع البطاقة الأسترالية Metaboard 1.0محلياً، وذلك لأن تصميمه وأبعاده توافق معايير الأردوينو إلى حد ما.

 image004

 


البطاقةMetaboard 1.0

إن البطاقةMetaboardهي لوحة الكترونية مفتوحة المصدر تم تطوريها من قبل الشباب في الهاكرسبيس الأوسترالي metalab.at. تعتبر هذه اللوحة من أفضل وأبسط وأرخص اللوحات الإلكترونية المتوافقة مع لغة برمجة أردوينو. وكما يظهر من الصورة فإنها تتميز بميزتين أساسيتين:

1- أنها لا تحتوي على أي عنصر SMDوخاصة الشريحة FT232، بل كل العناصر المستخدمة فيها هي عناصر DIP (أي Dual Inline Package) و THD (أي Thru Holes Devices).

image005

2-  تعتمد هذه اللوحة على طريقة فريدة للتخاطب مع الحاسوب عن طريق منفذ USB، وهذه الطريقة تسمى V-USBأو Virtual USB.

 

وها هي التصميمات الهندسية للبطاقة كاملة لمن أراد صنعها:

 https://metalab.at/wiki/images/0/0c/Metaboard-1.0.zip


كلمات عن V-USB

هي تقنية برمجية تسمح لأي متحكم أصغري من نوع AVRبالاتصال مع منفذ USBمباشرة دون الحاجة لاستخدام FT232. أي، كأنها تعزل جزءاً من المتحكم وتجعله يعمل عمل FT232، فيصبح المتحكم قادراً على التفاهم مع الحاسوب. أما الطريقة التي ننشئ بها V-USBفي المتحكم، فتتكون من خطوتين:


1- تنصيب برنامج الإقلاع (أو برنامج الإقلاع Bootloaderعلى المتحكم الصغري، وهو كود برمجي يخزن في المتحكم ويجعله قادراً على فهم الأوامر البرمجية القادمة من الحاسوب دون الحاجة إلى مبرمجة.

 

2- برمجة فيوزات (Fuses) المتحكم الصغري وهي مجموعة من المعايير (أي Parameters) مسؤولة عن ضبط إعدادات دائمة في المتحكم. تبقى هذه الإعدادات على حالها محفوظة في ذاكرة المتحكم حتى لو انقطعت التغذية الكهربائية عنه. من الأمثلة على هذه الإعدادات: المؤقت Watch Dog Timerو تردد العمل إلخ.

 

وللتوسع في الأمر أنصح بالتالي:

 http://www.obdev.at/products/vusb/index.html 

 http://vusb.wikidot.com


ننتهي من مشكلة فتأتي أخرى!

إن تصميم بطاقة Metaboard– كما لاحظتم – يقوم على المتحكم الصغري Atmega168. لقد طُفْتُ الأسواق بحثاً عنه ولم أجده، فالسوق الصناعي في سوريا يركز على المتحكمات Atmega8و Atmega16و Atmega32دون سواها، لأنها تسد الحاجة الصناعية في البلد. فتذكرت أمراً، وجدت Atmega168عند متجر واحد فقط، إلا أنه SMD  فقلت في نفسي ما استفدنا شيئاً! لذلك سلمت أمري لله، وقلت نحاول بـ Atmega8Aالذي يشبه Atmega168إلى أقصى الحدود، فكلاهما متشابهان بتوزيع الأقطاب، ولهما نفس العدد من الأرجل (28Pins)، إلا أن للثاني ميزات يتفوق بها على الأول نذكر منها سعة الذواكر عموماً، سواءً أكانت EEPROMأو SRAMأو Flash.

 

السؤال الآن: ما المشكلة في استخدام المتحكم Atmega8Aبدلاً من Atmega168؟

هذا هو مربط الفرس، هذا هو الأمر الذي جعلني أتابع عملي بطريقة خاصة وأعطاني الرغبة في إطلاق اللقب Rasheduinoعلى هذه اللوحة. السبب هو أن برنامج الإقلاع سيختلف والفيوزات (Fuses) ستختلف، إضافة إلى تعريف البطاقة على Arduino IDE، وإنشاء V-USBهو أمر صعب بالأساس. لكن، في نهاية المقال سيهون كل شيء إن شاء الله، فقد جربت معظم الطرق حتى استدللت على الطريق الصحيح، وهاكم إياه مفصلا في هذا المقال. ونسيت أن أذكر أن الاسم بطاقة راشدوينو (بالحروف اللاتينية Rasheduino) مشتق من اسمي "راشد". بعد كل المقبلات السابقة جاءت الوجبة الرئيسية: سنبدأ العمل، سنبدأ سوية بصنع راشدوينو، خطوة خطوة…


الخطوة الأولى: صنع مبرمجة متتالية (Serial Programmer)

هذه المبرمجة سنشحن بوساطتها برنامج الإقلاع، لذا لا مشكلة من صنعها على لوحة تجارب (أي Breadboard) لأننا سنستخدمها مرة واحدة فقط، وهذا مخططها على اليسار. لن أتكلم عنها كثيراً، بل سأدع المقال التالي من موقع اصنعها يقوم بذلك:

image006

اصنعها إلكترونياً - بطاقة مبرمجة بسيطة جداً للمتحكمات ATMega8 

كما قلنا سابقاً، لا داعي للحام بل يمكن استخدام لوحة التجارب، خذوا مثلاً مبرمجتي :

عفوا قد تكون مضحكة هذه الفوضى! أحب أن أذكر بنقطة هامة جداً: أترون الملقطين الأحمر والأسود؟ إنهما من أجل تأمين التغذية الخارجية للمبرمجة، نعم فهي تحتاج 5V+ (سأخبركم سراً، حصلت على 5فولط من منفذ USB).

 

أما الأسلاك الخارجة من المبرمجة نحو الأسفل، فهي خطوط البرمجة MISOو MOSIو SCKالخ.

 image007

المهم، لا تتجاوز هذه الخطوة حتى تتأكد من عمل المبرمجة 100%، جرب برنامج إضاءة بسيط LED Blinkingباستخدام WinAVRأو MikroC for AVRأو أياً شئت.

 

أنت المسؤول عن هذه الخطوة ويجب أن تحصل على مبرمجة متتالية صالحة للبرمجة ومجربة. وبالمناسبة، أشكر الأخ الفاضل أيمن شلبي الذي دلني على هذه المبرمجة ولم يقصر في مساعدتي.

 

وقد يسألني سائل: عندي مبرمجة USBشاملة مثل TOP2009فهل أستطيع تنصيب برنامج الإقلاع عن طريقها؟
أجيب وبكل بساطة: لا أعرف! جرب وخبرنا!

 


الخطوة الثانية: تصميم وتركيب البطاقة

 

لا بد من قراءته

من أجل أن تصنع بطاقة راشدوينو بنجاح فمن فضلك اضطلع على المقالات الثلاث التالية ولو بنظرة خاطفة إذ أنها مهمة في تحويل الدارات الكهربائية إلى بطاقات إليكترونية بمهنية عالية وبصنع يدك فقط:

اصنعها إليكترونيا – الشرائح الإليكترونية 1

اصنعها إليكترونيا – الشرائح الإليكترونية 2

اصنعها إليكترونيا – تحويل الدارات إلى بطاقات إليكترونية

 

الأجزاء الرئيسية

image008 

العربية

إنجليزية

فرنسية

الكمية

القيمة أو الصيغة

متحكم صغري  

Microcontroller

Microcontroleur

1

ATmega8

مقبس المتحكم

IC Holder

Socket

1

من النوع الضيق بـ 28نقطة

متذبذب كريستالي

Crystal Oscillator

Quartz

1

  16MHZ

منظم جهد

Volatge regulator

Regulateur de tension

1

5V 7805

صمام ثنائي

Diode

1

1N4007أو 1N4004

صمام زينر

Zener diode

Diode Zener

2

3.6V

مكثف كهرليتي

 Electrolyte Capacitor

Condensateur électrolytique

2

 10uF  25V

مكثف عدسي

Ceramic capacitor

Condensateur céramique

2

 22pF

1

100pF

مقاومة كربونية

Carbon film resistor

 Résistances à couche decarbone

2

 68أوم 0.25واط

1

 15كيلو أوم 0.25واط

1

1ميغا أوم 0.25واط

ضاغط لحظي

Press button

1

مفتوح طبيعياً بأربع نقاط

Normally Open

مدخل للتغذية

Power Jack

1

 

مدخل USB

USP Port

Port USB

1

من النوع B

(مربع الشكل وقابل للوضع على بطاقة)

دبابيس

Pins

Broches

 

عدد 2 + عدد 3 ( التي يوضع عليها Jumper )

أغطية للوصلات (جسور)

Jumpers

Cavaliers (strap)

2

 

دبابيس أنثوية للوصلات الطرفية

Female Pins

Broches feminine

 

26نقطة ( مجموعات 8 + 8 + 6 + 4)

 

تصميم البطاقة

ادخل إلى الرابط التالي وحمل الملف:

Metaboard-1.0.zip 

 

ستجد بداخله مجلدا اسمه circuit وبداخله تصميما جاهزا للبطاقة يحمل الاسم التالي: metaboard.brd.

 

حول هذا الملف إلى دارة مطبوعة عند مطبعة متخصصة لتحصل على بطاقة نحاسية بوجه واحد (One Layer). ضع العناصر على البطاقة ولحم بكل دقة وانتبه من وصل نقطتين متجاورتين مع بعضهما البعض، الحم كل شيء إلا المتحكم، فهو غير جاهز بعد.

 image009

 

تركيب البطاقة

يمكنك أن تنفذ الدارة على لوحة مثقبة مباشرة كما هو مشروح في المقال الأول في لا بد من قراءته. وإذا أردت أن تنجزها باحترافية أكبر فاستعن بالمعلومات الواردة في المقال الثالث ثم الأول لتخرجها على شكل لوحة مطبوعة وجميلة.

image010

ملاحظة فنية: قم بتلحيم قاعدة المتحكم IC Holder فارغة على البطاقة كي لا تعرض المتحكم للحرارة.


الخطوة الثالثة: تحميل برنامج الإقلاع

وهي الخطوة التي خوفني منها الجميع، كانت بمثابة فزاعة، إلى أن جاء الأخ العزيز أيمن شلبي وأرشدني الطريق. ركزوا معي جيداً لأننا بدأنا بالعيار الثقيل. أنا أستخدم ويندوز XPوإن تحميل برنامج الإقلاع عموماً يكون على ثلاث مراحل:

1) وصل المتحكم مع المبرمجة ووصل التغذية.

2) نقل ملف hexمناسب من الحاسوب إلى المتحكم، وذلك عن طريق المبرمجة المتتالية.

3) برمجة الفيوزات.

 

لنذهب سويةً خطوة خطوة:

 

أولاً: وصل المتحكم مع المبرمجة ووصل التغذية

نصل المتحكم Atmega8Aمع المبرمجة المتتالية مع إزالة أي متذبذب كريستالي سابق وإضافة ما يلي:
- متذبذب كرستالي
16MHzبين الطرفين 9و 10للمتحكم.
- مكثف
22pfبين الطرف 9للمتحكم والأرضي.
- مكثف
22pfبين الطرف 10للمتحكم والأرضي.
- مكثف
22pfبين الطرف 20للمتحكم والأرضي.
- مكثف
22pfبين الطرف 21للمتحكم والأرضي.

 

ثانياً: برمجة المتحكم

قم بتحميل من خلال الضغط على الرابط USBaspLoader.2010-07-27.zip.

افتحه وستجد بداخله مجلداً باسم firmwareوبداخله مجلد باسم hexfiles. ادخل للمجلد واختر الملف mega8_16mhz.hex. وقم بتحميله على المتحكم عن طريق المبرمجة المتتالية. المقال السابق من موقع اصنعهايشرح جيداً برنامج Ponyprogلذلك سأعتبرك متقناً لاستخدامه.

ملاحظة: انشئ مجلداً فارغاً وضع فيه جميع الملفات التي نقوم بتحميلها تباعاً حتى لا تضل الطريق.

 

بعد تحويل الملف mega8_16mhz.hexللمتحكم عن طريق المبرمجة، قم بالتأكد من صحة العملية عن طريق القراءة من المتحكم كما في الصورة جانبه. ولا تنزع المتحكم من الدارة، بل دعه موصولاً مع المبرمجة فلم ننته بعد.

image011

 

ثالثاً: ضبط الفيوزات

دع المتحكم كما هو في الدارة.

ملاحظة: إن لم تكن مهتماً بالتفاصيل فاقفز إلى السطر ذي النجوم الحمراء.

 

* أعد فتح آخر مجلد حملته USBaspLoader.2010-07-27وادخل للمجلد firmwareوستجد ملفاً باسم Makefileمن دون لاحقة.

* افتح هذا الملف بوساطة notepadأو مفكرة، واقرأ الطلاسم… حسناً أنا كمستخدم لويندوز أراها طلاسم، إلا أنها ذات معنى بالنسبة لمستخدمي لينوكس.

* في الحقيقة يحتوي هذا الملف على قيم الفيوزات لجميع المتحكمات الممكن استخدامها في دارتنا، أي Atmega8و 88و 168و 328 … ابحث وستجد.

* مهلاً! إذا كنت تمشي معي خطوة خطوة وتستخدم Atmega8Aفلا داعي لهذه المتاهة، سأوفر عليك الجهد.

كما قلنا سابقاً، إن الفيوزات هي بارامترات إعدادات المتحكم، تخزن هذه البارامترات بداخل المتحكم على هيئة 2Bytesأو 3Bytes، وهذه البايتات هي:

Fuse high byte
Fuse low byte
Fuse extended byte

 

في حالتنا لن نستخدم إلا: Fuse High Byteو Fuse Low Byte.

من بين الطلاسم يمكنك أن تستنتج أن للمتحكم Atmega8:

High fuse = 0XC0
Low Fuse = 0X9F

جميل! تكفينا هاتان القيمتان لحل مشكلة الفيوز، خذ هاتين القيمتين واذهب بهما إلى الموقع التالي الذي يعد بمثابة آلة حاسبة للفيوزات:

http://www.engbedded.com/fusecalc/

اختر المتحكم كما في الصورة التالية:

image012 

بعد ذلك ستظهر لك صفحة جديدة. تجاهل كل ما كتب فيها وانزل إلى آخرها، لتجد كما في الصورة التالية:

 image013

عدل على القيم Lowو Highلتصبح كما يلي:

 image014

ثم اضغط Apply Valuesوانتظر حتى ينتهي تحميل الصفحة، وسترى المنظر الرائع:

image015

إن هذه الصورة ذات قيمة باهظة فعلاً !! لماذا؟ لأنها ترجمت قيم الفيوزات على هيئة خيارات، فأراحتنا من فك الطلاسم.

*******************************

كما اتفقنا، لا يزال المتحكم موصولاً مع المبرمجة المتتالية.

 

الآن، اذهب مباشرة إلى برنامج Ponyprogومن القائمة Commandاختر:

 Security and Configuration Bits:

image016

بعد ذلك، تظهر نافذة اختيارات متعددة، نجعل هذه النافذة بالشكل التالي:

image017

حصلنا على الخيارات من ترجمة الفيوزات عن طريق الآلة الحاسبة السابقة. بالنسبة للخيار المشار إليه بخط أحمر، إن كان مفعلاً لديك فضع عليه إشارة Check، وإن لم يكن مفعلاً كما في الصورة فلا بأس بذلك.

 

مهلاً، لا تضغط على الزر OKبل اضغط Writeوانتظر حتى انتهاء العملية وظهور رسالة النجاح ببرمجة الفيوزات. أغلق النافذة بـ OKوافتحها من جديد ثم اضغط Read، إن بقيت الخيارات كما هي فهنيئاً لك، لقد نجحت بتنصيب Bootloaderعلى Atmega8A. افصل التغذية عن المتحكم وأخرجه من المبرمجة وضعه على بطاقة الراشدوينو.


الخطوة الرابعة: تعريف الراشدوينو على الحاسوب – USB Driver

بالنسبة لي فإني أستخدم Windows7. وبالتالي، الطريقة التي أشرحها هنا تعتمد على هذا النظام. بالنسبة لك فيمكنك أن تجرب مع نظام تشغيلك أيضا. المهم، بادئ ذي بدء، قم بتحميل الملف التالي:

usbasp-windriver.2009-02-28.zip 

 

يحتوي هذا الملف بداخله الملفات اللازمة لتعريف الراشدوينو على الحاسوب. فك ضغطه في مكان مناسب يسهل الوصول إليه. قم بإحضار كابلUSBمن الطراز المستخدم في الطابعات، و صل الراشدونيو مع الحاسوب. كذلك يجب أن تتأكد من وضع الوصلات Jumpersفي الوضع الصحيح على البطاقة، واضغط على زر Resetالموجود على بطاقة الراشدوينو بعد الوصل مع الحاسوب. أما كيفية وضع الـ Jumpersفانظر الصورة التالية:

image018

image019

لاحظ وجود ثلاثة عناصر أساسية:

 

1- وصلة برنامج الإقلاع Bootloader Jumper: عند وضع هذه الوصلة فإن المتحكم ينتظر أوامر برمجية من الحاسوب وعند إزالتها يدخل في البرنامج مباشرة. لذلك إذا كنا نريد برمجة الراشدوينو وهو موصول مع الحاسوب فإن الـ Jumperيجب أن يكون موضوعاً كما في الصورة. عندها يتلقى الراشدونيو أوامر برمجية من الحاسوب وبعدها يعمل البرنامج دون الحاجة إلى إزالة الـ Jumper. أما إن أردنا أن نجرب البرنامج دون وصل البطاقة مع الحاسوب فلا بد من إزالة هذه الوصلة، وإلا فلن يعمل لأنه ينتظر أوامر برمجية من الحاسوب وهو غير موصول مع الحاسوب أصلاً. المهم، لا بد من وضع هذا الـ Jumperعند وصل الراشدوينو مع الحاسوب وإلا فلن يستطيع الحاسوب التعرف على البطاقة.

2- وصلة التغذية Power Jumper: دقق بالصورة وستجد أن هناك ثلاثة دبابيس، يقوم الـ Jumperبوصل الدبوس في المنتصف مع أحد الدبوسين الجانبيين. إن وضعت الوصلة كما في الصورة أي إلى اليمين فهذا يعني أن الدارة ستأخذ الطاقة من منفذ USBنفسه ولا حاجة لمصدر طاقة خارجي. أما إذا وضعت الوصلة إلى اليسار، أي وصلت الدبوسين الأوسط والأيسر مع بعضهما فهذا يعني أن الدارة تستمد الطاقة من منبع خارجي، مثل هذا الذي في الصوة جانبه.

طبعاً لا بد أن يكون القطب الداخلي موجباً والخارجي سالباً (لاحظ الإشارة فوق جملة MADE IN CHINA ) ولا بد من أن يتراوح جهد الدخل ما بين 7فولط و 15فولط.

image020

3- الضاغطة Reset: إن ضغط المفتاح Resetيعطي أمراً بإعادة قراءة البرنامج من البداية، فإن كانت الوصلة Bootloader Jumperموضوعة فإن الراشدوينو سينتظر الأوامر البرمجية من الحاسوب، أما إن كانت غير موضوعة فسيبدأ البرنامج بالعمل.

 

خلاصة ما سبق: في كل مرة تصل فيها البطاقة مع الحاسوب لا بد من أن يكون Bootlader Jumperموضوعاً، وأن تكون الطاقة مؤمنة للبطاقة، وأن نضغط زر Reset.

بعد الوصل سيشعر الحاسوب بإضافة جهاز USBجديد، إلا أنه سيعجز عن التعرف عليه، وسيظهر ما في الصورة جانبه.

image021

لا مشكلة، انقر على أيقونة جهاز الحاسوب بالزر الأيمن للفأرة واختر Manageكما في الصورة جانبه.

 

ثم اختر من العمود الأيمن Device manager (إدارة الأجهزة) وستجد جهزاً جديداً غير معرف كما في الصورة التالية:

image022

image023

اضغط بالزر الأيمن للفأرة على هذا الجهاز واختر Update Driver Softwareكما في الصورة جانبه.

image024

بعدئذ، اختر Browse my computer for driver software  من النافذة التالية:

image025

عندها سيطلب منك تحديد مكان ملفات التعريف، أرشده إلى المجلد usbasp-windriver.2009-02-28الذي حملناه آخراً، واختر الخيار Include subfoldersللاحتياط ثم اضغط Next:

image026

انتظر قليلاً حتى ينتهي التحميل، وقد تظهر الرسالة التالية:

image027

لا عليك، اضغط Install this driver software anywayوانتظر قليلاً، ثم تظهر النافذة التالية:

image028 

مبارك، لقد تعرف الحاسوب على بطاقة الراشدوينو وأصبح قادراً على التخاطب معه كجهاز USB. إلا أننا لم ننته بعد، علينا أن نجعل الحاسوب قادراً على إرسال أوامر برمجية للأردوينو عن طريق البيئة البرمجية مفتوحة المصدر Arduino IDE.


الخطوة الخامسة: إضافة بطاقة راشدوينو إلى البرمجية Arduino IDE

في البداية قم بتحميل البيئة البرمجية Arduino IDEمن الرابط:

http://arduino.cc/en/Main/Software 

 

اختر الخيار Windowsواستخدم طريقتك المعتبرة في تجاوز الحجب وحمل البرمجية Arduino IDE.

فك الضغط وسنحصل على مجلد باسم arduino-1.0.1وبداخله التطبيق arduino.exe. افتح البرنامج وحاول استكشافه، إلا أنه غير جاهز للتخاطب مع البطاقة راشدوينو بعد.

 

هناك شرح واف عن البرنامج في هذا الكتاب الثمين:

أردوينو ببساطة

 

هيا بنا نضيف بطاقة راشدوينو إلى البرنامج Arduino IDE.

 

لنمش سوية خطوة خطوة:

 image029

أولاً: اتبع المسار التالي ضمن المجلد المحمل آنفاً:

arduino-1.0.1\hardware\arduino\bootloaders

 

ثانياً: أنشئ مجلداً جديداً فارغاً ضمن المجلد bootloadersباسم Rasheduino:

 image030

ثالثاً: أتذكر الملفين mega8_16mhz.hexو Makefileالذين استخدمناهما في بداية العمل؟

اسنخهما والصقهما في المجلد Rasheduino

image031 

رابعاً: اذهب إلى المسار التالي: arduino-1.0.1\hardware\arduinoوستجد ملفاً نصياً باسم boards.txt. افتح هذا الملف بوساطة المفكرة وألصق الكود التالي في آخره:

##############################################################

metaboard.name=Rashedunio

metaboard.upload.protocol=usbasp
metaboard.upload.maximum_size=7168
metaboard.upload.speed=19200

metaboard.bootloader.low_fuses=0x9f
metaboard.bootloader.high_fuses=0xc0
metaboard.bootloader.path=rasheduino
metaboard.bootloader.file=mega8_16mhz.hex

metaboard.build.f_cpu=16000000L
metaboard.build.mcu=atmega8
metaboard.build.core=arduino
metaboard.build.variant=standard

metaboard.upload.disable_flushing=true

##############################################################

إن عشرات التعديلات ورسائل الخطأ في الخطوتين السابقتين كان السبب المباشر الذي دفعني لتسمية البطاقة Rasheduino.

 

خامساً: أغلق البرنامج Arduino.exeإن كان بحالة عمل، وانزع الوصلة USBمن الحاسوب ثم صلها مرة أخرى، واضغط على الزر Resetالوجود على بطاقة Rasheduino. افتح البرنامج Arduino.exeثانية، من القائمة Toolsذاتها اختر Serial Portوانتق الخيار المناسب. ومن القائمة Toolsأيضاً انتق Boardثم اختر اللوحة المسماة Rashedunio / Syria.

 image032

مبارك، اصبحت بطاقة الراشدوينو جاهزة للعمل. أطلق العنان لنفسك الآن. اكتب الشيفرات البرمجية التي تريد، ابدأ بمثال بسيط كهذا الذي في الصورة جانبه.

 

حمل البرنامج على المتحكم واستمتع بأبسط وأجمل بطاقة أردوينو. لا يتسع المقام لشرح التعليمات البرمجية وما إلى ذلك. أعود فأقترح عليك وبشدة قراءة هذا الكتاب الرائع للمهندس عبد الله علي:

 

http://simplyarduino.com/?page_id=5

 image033

ملاحظة: قد تظهر لديك الرسالة التالية. لا مشكلة، تجاهلها فهي ليست رسالة خطأ وإنما تحذير.

واستمتع بقراءة الكلمتين:

Done Uploadingفوق على اليسار واسم البطاقة 

Rasheduino / Syria

تحت على اليمين.

 image034


مساوئ الراشدوينو

من الإنصاف أن يقول المرء ما له وما عليه، إن بطاقة الراشدونيو لا تدعم التخاطب التسلسلي في الزمن الحقيقي مع الحاسوب، أي لا يمكن – لحد الآن – استخدام التوابع Serial.Printو Serial.Read، هذا يعود إلى طريقة عمل V-USB.


الرخصة

في النهاية، أقول الحمد لله الذي قواني على كل ما سبق ووفقني إليه، ثم أشكر كلاً من الأخوين الكبيرين عبد الله علي وأيمن شلبي اللذين لم يقصرا في مساعدتي، وأرجو أن يكون هذا الإنجاز البسيط خطوة إيجابية تدفع عجلة التطور إلى الأمام، وتساهم في نشر العلم والثقافة الإلكترونية بين الناس.

هذا العمل تم نشره تبعا لبنوذ النشر التالية:

 Creative Commons Attribution-NonCommercial 3.0 Unported License

 image035


تأليف

 

تأليف: راشد القطيني (دمشق – الشام)

البريد الإليكتروني:rashedkoutayni@gmail.com

صفحة الفايسبوك: http://www.facebook.com/rashed.koutayni

 


المراجع

 

http://rashedkoutayni.wordpress.com

]]>
rashedkoutayni@gmail.com (راشد القطيني) بطاقات أردوينو Mon, 04 Feb 2013 00:00:00 +0000