GX-TXT-v3: effetto del numero di impulsi sulla risposta del nodo HOLD

La GX-TXT-v3 è un circuito pensato per verificare in modo semplice e immediato il funzionamento dei telecomandi a infrarossi. Il segnale raccolto dal fotodiodo viene amplificato da una catena a transistor e utilizzato per caricare il nodo HOLD, che mantiene per un certo tempo l’informazione ricevuta e pilota il LED di segnalazione.

Il circuito non si limita quindi a rilevare la presenza di radiazione IR: la risposta finale dipende anche dall’intensità del segnale ricevuto, dalla regolazione dei controlli di guadagno e sensibilità e dalla struttura temporale del treno di impulsi.

Schema elettrico, principio di funzionamento e realizzazione della PCB sono descritti nel primo articolo dedicato alla GX-TXT-v3:

Ultima prova con il fotodiodo virtuale: effetto del numero di impulsi

Come ultima caratterizzazione della GX-TXT-v3 con il fotodiodo virtuale ho voluto verificare l’effetto del numero di impulsi ricevuti, mantenendo invece costanti il livello del segnale e le regolazioni del circuito.

Nelle prove precedenti avevo studiato soprattutto l’effetto della corrente equivalente del fotodiodo e della regolazione della sensibilità. In questa serie il parametro variabile diventa invece la durata del burst, espressa direttamente come numero di impulsi della portante a 38 kHz.

Condizioni di misura

La tensione misurata su RSENSE è stata mantenuta a circa 1,020 Vpp per tutte le acquisizioni, corrispondente a una corrente equivalente del fotodiodo virtuale di circa 20 µA. In questo modo il livello dello stimolo rimane costante e le differenze osservate possono essere attribuite principalmente al diverso numero di impulsi applicati.

Una precisazione sulla modalità burst del generatore

Prima di mostrare le acquisizioni è utile chiarire un dettaglio relativo al funzionamento del generatore in modalità burst, che nel precedente articolo non avevo descritto in modo sufficientemente preciso.

Nella configurazione utilizzata, durante il burst il generatore produce il treno di impulsi impostato, mentre tra un burst e il successivo l’uscita non viene necessariamente portata a zero: rimane al livello determinato dall’offset continuo impostato sul generatore.

Questo è particolarmente importante nel mio caso. Per evitare che il circuito utilizzato come fotodiodo virtuale riceva la parte negativa dell’onda quadra ho applicato un offset positivo al segnale. Lo stesso offset rimane quindi presente anche negli intervalli compresi tra un burst e il successivo.

Per questo motivo, nelle prove attuali non considero più sufficiente la sola ampiezza nominale impostata sul generatore: controllo direttamente anche la tensione presente su RSENSE, utilizzandola come riferimento sperimentale per la corrente effettivamente prodotta dal fotodiodo virtuale.

L’oscillogramma mostra contemporaneamente il segnale prodotto dal generatore e la tensione misurata su RSENSE. La portante è a 38 kHz, mentre il livello su RSENSE è stato regolato a circa 1,020 Vpp e mantenuto invariato durante tutta la serie.

Risposta del circuito al variare del numero di impulsi

Mantenendo inalterate tutte le altre condizioni ho ripetuto la misura con burst di 20, 40, 60, 80, 100, 120 e 140 impulsi. Per ogni condizione ho acquisito il nodo HOLD e il nodo N_LED_ARANCIO, salvando anche le tracce complete in formato CSV per la successiva elaborazione numerica.

La gallery seguente mostra direttamente l’evoluzione della risposta del circuito. Con 20, 40 e 60 impulsi HOLD viene progressivamente caricato, ma il LED rimane spento. A 80 impulsi compare la prima accensione chiaramente riconosciuta, mentre aumentando ulteriormente la durata del burst cresce anche il tempo durante il quale il LED rimane acceso.

Elaborazione numerica delle acquisizioni

Per ogni prova ho salvato anche le tracce complete dell’oscilloscopio in formato CSV. Con una frequenza di campionamento di 1,25 MSa/s ciascun file occupa diverse decine di megabyte, quindi non avrebbe molto senso riportare direttamente nell’articolo l’intero insieme delle acquisizioni.

I file CSV sono stati invece elaborati con GNU Octave utilizzando due script derivati da quelli già sviluppati per le precedenti misure sulla GX-TXT-v3. La struttura dell’analisi è rimasta sostanzialmente la stessa, ma il batch è stato adattato alla nuova prova introducendo nei metadati anche la tensione misurata su RSENSE e il numero di impulsi del burst.

Per queste acquisizioni il CSV contiene solamente due canali dell’oscilloscopio: CH3, collegato al nodo N_LED_ARANCIO, e CH4, collegato al nodo HOLD. Lo script ricostruisce l’asse temporale a partire dai dati presenti nell’intestazione del file Rigol e ricava automaticamente, tra le altre grandezze, il massimo valore raggiunto da HOLD e il tempo di accensione del LED.

Elaborazione automatica delle singole acquisizioni

Il primo script, GXTXT_batch_impulsi_v8_CH3_CH4.m, esegue automaticamente l’analisi di tutte le acquisizioni elencate in un file indice. Per ogni prova salva i risultati numerici, i metadati, alcune tabelle intermedie e i grafici relativi alla dinamica di HOLD e del LED.

Il file indice contiene una riga per ogni acquisizione e utilizza questa struttura:

p_gain,p_sens,vgen_vpp,v_rsense_vpp,n_impulsi,nome_file_csv
495,5060,3.20,1.020,20,time_led_N020.csv
495,5060,3.20,1.020,40,time_led_N040.csv
...

La corrente equivalente del fotodiodo virtuale viene ricavata automaticamente dalla tensione misurata su RSENSE da 51 kΩ:

I_SENSE ≈ V_RSENSE / 51 kΩ

Per utilizzare lo script è sufficiente collocare i CSV nella cartella di lavoro, compilare il file prove_impulsi.csv con i valori realmente misurati e avviare:

GXTXT_batch_impulsi_v8_CH3_CH4

Al termine viene creata automaticamente una cartella batch contenente i risultati delle singole prove e il file riepilogativo risultati_batch.csv.

Analisi globale della serie

Il secondo script, GXTXT_analisi_impulsi_v1.m, utilizza il file risultati_batch.csv prodotto dal primo script e raccoglie tutte le acquisizioni in un’unica analisi. In particolare genera i due grafici utilizzati in questo articolo:

• massimo valore di HOLD in funzione del numero di impulsi;
• tempo di accensione del LED in funzione del numero di impulsi.

Prima dell’esecuzione è sufficiente indicare nello script il nome della cartella batch appena generata e quindi avviare:

GXTXT_analisi_impulsi_v1

Lo script produce inoltre un file CSV e un riepilogo testuale dei risultati, mantenendo come valore valido anche le condizioni nelle quali il LED non si accende, rappresentate con T_LED = 0.

Download degli script

Gli script utilizzati per questa elaborazione sono disponibili qui:

Risultati della serie di misure

Le sette acquisizioni sono state eseguite mantenendo costanti il livello del segnale del fotodiodo virtuale e le regolazioni della GX-TXT-v3, modificando solamente il numero di impulsi del burst.

La tensione su RSENSE è rimasta pari a circa 1,020 Vpp, corrispondente a una corrente I_SENSE di circa 20 µA. In questo modo è possibile osservare direttamente come la durata del treno di impulsi influenzi la carica raggiunta dal nodo HOLD e, successivamente, il tempo di accensione del LED.

Il primo risultato evidente è l’aumento progressivo del massimo valore raggiunto da HOLD con il numero di impulsi. Con 20 impulsi il nodo raggiunge solamente circa 0,44 V; con 60 impulsi arriva già a circa 1,28 V, mentre con il burst più lungo, composto da 140 impulsi, raggiunge circa 2,00 V.

Massimo di HOLD in funzione del numero di impulsi

Il primo grafico raccoglie i valori di V_HOLD,max ricavati automaticamente dalle acquisizioni CSV. La crescita non è perfettamente lineare: aumentando il numero di impulsi HOLD continua a caricarsi, ma l’incremento ottenuto con ogni ulteriore gruppo di impulsi tende a ridursi.

La linea che unisce i punti è una semplice interpolazione PCHIP utilizzata come guida visiva e non rappresenta un modello fisico o un fit del comportamento del circuito.

Tempo di accensione del LED

Ancora più evidente è l’effetto sul tempo di segnalazione. Con 20, 40 e 60 impulsi il nodo HOLD viene caricato, ma il livello raggiunto non è sufficiente a produrre l’accensione del LED. In queste condizioni T_LED = 0 rappresenta quindi un risultato sperimentale reale e non un dato mancante.

La prima accensione riconosciuta nella serie compare con 80 impulsi: V_HOLD,max raggiunge circa 1,56 V e il LED rimane acceso per circa 0,50 s. Con 100 impulsi il tempo sale a circa 0,71 s, con 120 impulsi a circa 0,86 s e con 140 impulsi arriva a circa 0,97 s.

Con le regolazioni utilizzate in questa prova, la transizione tra la mancata accensione e l’accensione del LED si trova quindi tra 60 e 80 impulsi. Non si tratta di una misura precisa della soglia in termini di numero di impulsi, ma consente di individuarne sperimentalmente la regione.

Nel complesso la misura mostra molto chiaramente la sequenza di funzionamento del circuito: aumentando la durata del burst cresce il livello raggiunto da HOLD e, una volta superata la regione necessaria all’attivazione dello stadio di uscita, aumenta anche il tempo durante il quale il LED rimane acceso.

Confronto con la legge ricavata nelle misure precedenti

C’è un ulteriore confronto che permette di collegare questa nuova serie alle misure eseguite in precedenza. Nell’articolo dedicato alla dinamica di HOLD avevo ricavato sperimentalmente, utilizzando condizioni di stimolo differenti, la relazione:

T_LED = 1,890 · ln(V_HOLD,max / 1,194)

Questa relazione non è stata ricavata utilizzando i dati della prova attuale. È quindi possibile usarla come previsione indipendente del tempo di accensione del LED, inserendo semplicemente i valori di V_HOLD,max misurati nella nuova serie a numero di impulsi variabile.

L’accordo risulta ancora più significativo considerando la risoluzione con cui è stato determinato V_HOLD,max. Nelle acquisizioni utilizzate per questa serie i valori esportati di HOLD risultano quantizzati in passi di circa 40 mV. Poiché la relazione utilizzata per prevedere T_LED dipende logaritmicamente da V_HOLD,max, un singolo passo verticale corrisponde, nella regione compresa fra circa 1,5 e 2 V, a una variazione prevista del tempo dell’ordine di 40–50 ms.

Lo scarto massimo osservato tra previsione e misura è di circa 61 ms, mentre negli altri punti è inferiore e agli estremi della serie scende a pochi millisecondi. È importante sottolineare che non si tratta di un nuovo fit dei dati: la relazione era stata ottenuta da una campagna precedente, mentre qui viene applicata a una nuova serie nella quale è stato variato un parametro differente, cioè il numero di impulsi.

Questo risultato rafforza l’interpretazione del funzionamento del circuito: una volta raggiunto un determinato V_HOLD,max, il successivo tempo di accensione del LED dipende principalmente dalla dinamica del nodo HOLD, indipendentemente dal modo con cui quel livello è stato raggiunto. Corrente del fotodiodo, regolazione della sensibilità e numero di impulsi intervengono quindi nella fase di carica; il valore raggiunto da HOLD costituisce invece il collegamento con la durata della successiva segnalazione.

Confronto con la simulazione LTspice

La risposta al numero di impulsi era stata studiata anche in LTspice prima delle misure sul circuito reale. Per rendere il confronto il più possibile coerente con questa nuova prova sperimentale, nella simulazione erano stati impostati R_GAIN = 500 Ω e R_SENS = 5 kΩ, valori molto vicini ai 495 Ω e 5,060 kΩ utilizzati sul PCB.

La simulazione utilizza uno sweep del numero di cicli del burst e permette di osservare contemporaneamente il segnale applicato, la carica del nodo HOLD, il nodo V_THRESHOLD e la corrente nel LED arancio. Aumentando il numero di impulsi, anche nella simulazione HOLD viene caricato progressivamente fino a raggiungere il livello necessario per attivare lo stadio di uscita.

Nelle condizioni simulate, con 32 impulsi il LED rimane ancora spento, mentre con 48 impulsi compare già una corrente di circa 10 mA. La transizione prevista dal modello si colloca quindi tra 32 e 48 impulsi. Nelle misure sul PCB reale, eseguite con I_SENSE ≈ 20 µA, il LED rimane invece spento fino a 60 impulsi e la prima accensione chiaramente riconosciuta compare a 80 impulsi.

Il confronto diventa però particolarmente interessante osservando il nodo HOLD. Nella simulazione, con 48 impulsi V_HOLD raggiunge circa 1,56 V; nella misura reale, la prima accensione osservata a 80 impulsi corrisponde anch’essa a un V_HOLD,max di circa 1,56 V.

Il numero di impulsi necessario per ottenere l’accensione non coincide quindi tra simulazione e circuito reale. Il valore di HOLD associato all’attivazione risulta invece notevolmente vicino. Questo suggerisce che una parte importante della differenza sia legata a come il modello e il circuito reale trasferiscono e accumulano la carica prodotta dai singoli impulsi, più che al comportamento dello stadio finale una volta raggiunto un determinato livello di HOLD.

Non considero quindi il confronto una verifica quantitativa della soglia espressa in numero di impulsi, ma una verifica della dinamica generale del circuito. Da questo punto di vista la simulazione riproduce bene il comportamento osservato sperimentalmente: aumentando il numero di impulsi cresce la tensione su HOLD e, superata una determinata regione, viene attivato il LED.

È significativo che il primo punto acceso della simulazione, a 48 impulsi, e il primo punto acceso osservato sul PCB, a 80 impulsi, corrispondano entrambi a un valore di HOLD di circa 1,56 V. Il modello e il circuito reale differiscono quindi nella velocità con cui HOLD viene caricato dal treno di impulsi, mentre risultano molto più vicini quando il confronto viene effettuato direttamente sul livello raggiunto dal nodo HOLD.

Conclusioni

Questa ultima serie di prove con il fotodiodo virtuale conferma che, a parità delle altre condizioni, il livello massimo raggiunto dal nodo HOLD dipende anche dal numero di impulsi ricevuti:

V_HOLD,max = f(N_impulsi)

Il tempo di accensione del LED dipende quindi dal numero di impulsi in modo indiretto, attraverso il livello raggiunto da HOLD. Un burst più lungo carica maggiormente il nodo e, una volta superata la regione necessaria all’attivazione dello stadio di uscita, aumenta il tempo durante il quale il LED rimane acceso.

La regolazione di P_SENS modifica a sua volta il livello raggiunto da HOLD a parità di segnale ricevuto. Il potenziometro di sensibilità permette quindi di regolare non tanto l’intensità luminosa del LED di segnalazione,quanto se il LED si accende o meno e, quando si accende, per quanto tempo la segnalazione permane.

Questo comportamento può essere sfruttato in modo pratico per confrontare diversi telecomandi mantenendo costanti distanza, orientamento e regolazioni del circuito. Utilizzando un telecomando di riferimento è possibile impostare una risposta breve e ripetibile e osservare poi come cambia la segnalazione utilizzando un secondo trasmettitore.

Lo stesso principio apre inoltre una possibile strada per sviluppi futuri. La relazione tra segnale ottico ricevuto, risposta del circuito e tensione raggiunta da HOLD potrebbe costituire la base per uno strumento dedicato alla caratterizzazione quantitativa di LED e trasmettitori IR.

Per arrivare a una misura della potenza ottica servirebbe però uno strumento progettato specificamente per questo scopo, con geometria di misura definita, schermatura dalla luce ambiente, distanza controllata, apertura o fenditura regolabile, fotodiodo opportunamente caratterizzato e riferimenti di calibrazione. Si tratterebbe quindi di un progetto distinto e decisamente più complesso rispetto alla GX-TXT-v3.

Il passaggio successivo più naturale sarà quindi abbandonare il fotodiodo virtuale e ripetere la caratterizzazione utilizzando uno o più fotodiodi reali. In questo modo sarà possibile osservare direttamente il segnale prodotto da un telecomando IR, studiarne la portante e i burst sul nodo VINPUT e verificare come il comportamento misurato finora con uno stimolo controllato si trasferisca alle condizioni reali di utilizzo.