CMOS ULTRASONIC RANGE FOINDER - 초음파 거리계

SE-MRF

CMOS 로직 IC 를 이용한 초음파 거리계 조립 KIT

8 cm 부터 최대 2.5 m 까지 측정가능, 1 CM 분해능

OP-AMP 증폭회로, 비교기 회로, 발진/펄스 발생회로,
R-S 플립 플롭 회로, 카운터회로,
디스프레이 회로의 교육용 교재로 적합합니다.

9V 건전지 1 개 사용

SE-MRF-P : 프린트 기판형

400ST : 초음파 송신 트랜스듀서 400SR : 초음파 수신 센서

SE-MRF : 만능 기판형

MC14069UB Datasheet: Hex Inverter (145.0kB)

The MC14069UB hex inverter is constructed with MOS P channel and N channel enhancement mode devices in a single monolithic structure. These inverters find primary use where low power dissipation and/or high noise immunity is desired. Each of the six inverters is a single stage to minimize propagation delays.

MC14069UB 는 N 채널과 P 채널 증가형(enhancement)모드 소자가 모노리딕 단일 구조에 구성된 6 개의 반전기(inverter)입니다. 이 인버터는 낮은 소비전력과 큰 노이즈 특성이 필요할 때 주로 사용합니다. 각각의 인버터는 지연시간을 최소화 하기 위하여 단일 스테이지로 되어 있습니다.

공급전원 = 3.0 Vdc to 18 Vdc

2 개의 LS - TTL 로직 구동 또는 전 동작 봊ㅇ 온도 범위내에서 한개의 LSTTL 부하구동가능
Capable of Driving Two Low-Power TTL Loads or One Low-Power Schottky TTL Load Over the Rated Temperature Range

모든 입력에 3 개의 보호다이오드 내장
Triple Diode Protection on All Inputs (see Page 5-2)

CD4069 와 핀 호환성
Pin-for-Pin Replacement for CD4069UB

JEDEC UB 사양만족
Meets JEDEC UB Specifications

Pb-Free Packages are Available*

MC14584B Datasheet: Hex Schmitt Trigger (145.0kB)

MC14584B 는 N 채널과 P 채널 증가형( enhancement)모드 소자가 모노리딕 단일 구조에 구성된 6 개의 슈미트 트리거 반전기(inverter)입니다. 이 인버터는 낮은 소비전력과 큰 노이즈 특성이 필요할 때 주로 사용합니다. MC14584 는 천천히 변화하는 파형을 사각형 파형으로 즉 노이즈 특성을 더 좋게 개선하기 위하여 MC14069UB를 대체하여 사용할 수 있습니다.

공급 전압 영역 = 3.0 Vdc to 18 Vdc
모든 입력에 2 개의 보호 다이오드
MC14069UB 대치 가능
큰 히스테리시스 특성. CD40106B 또는 MM74C14 대체하여 사용 가능

MC14011 Datasheet: B-Suffix Series CMOS Gates (195.0kB)

The B Series logic gates are constructed with P and N channel enhancement mode devices in a single monolithic structure (Complementary MOS). Their primary use is where low power dissipation and/or high noise immunity is desired.

Supply Voltage Range = 3.0 Vdc to 18 Vdc

All Outputs Buffered

Capable of Driving Two Low-power TTL Loads or One Low-power Schottky TTL Load Over the Rated Temperature Range.

Double Diode Protection on All Inputs Except: Triple Diode Protection on MC14011B and MC14081B

Pin-for-Pin Replacements for Corresponding CD4000 Series B Suffix Devices

Pb-Free Packages are Available*

MC14543 Datasheet: BCD-to-Seven Segment Latch/Decoder/Driver for Liquid Crystals
(111.0kB)

The MC14543B BCD-to-seven segment latch/decoder/driver is designed for use with liquid crystal readouts, and is constructed with complementary MOS (CMOS) enhancement mode devices. The circuit provides the functions of a 4-bit storage latch and an 8421 BCD-to-seven segment decoder and driver. The device has the capability to invert the logic levels of the output combination. The phase (Ph), blanking (BI), and latch disable (LD) inputs are used to reverse the truth table phase, blank the display, and store a BCD code, respectively. For liquid crystal (LC) readouts, a square wave is applied to the Ph input of the circuit and the electrically common backplane of the display. The outputs of the circuit are connected directly to the segments of the LC readout. For other types of readouts, such as light-emitting diode (LED), incandescent, gas discharge, and fluorescent readouts, connection diagrams are given on this data sheet.

Applications include instrument (e.g., counter, DVM etc.) display driver, computer/calculator display driver, cockpit display driver, and various clock, watch, and timer uses.

Latch Storage of Code

Blanking Input

Readout Blanking on All Illegal Input Combinations

Direct LED (Common Anode or Cathode) Driving Capability

Supply Voltage Range = 3.0 V to 18 V

Capable of Driving Two Low-power TTL Loads, One Low-power Schottky TTL Load or Two HTL Loads Over the Rated Temperature Range

Pin-for-Pin Replacement for CD4056A (with Pin 7 Tied to V_SS).

Chip Complexity: 207 FETs or 52 Equivalent Gates

Pb-Free Packages are Available

MC14553 Datasheet- 3-Digit BCD Counter

MC14553 은 3 개 디지트 BCD 카운터이며 네거티브 에지에서 트리거 되는 동기 직열 카운터로 구성됩니다. 카운트 정보는 시분활 멀티플렉싱된 BCD 숫자를 만듭니다. 디스프레이 제어를 위하여 디지트 선택 신호가 동시출력 됩니다. 모든 신호는 TTL 호환성을 유지합니다. 칩 에는 오실레이터 발진회로를 내장하여 멀티플렉서 출력 선택기의 저주파 스캐닝 클록을 제공합니다. 이 소자는 계측기 카운터 클록 디스프레이 디지털 판넬 메터 그리고 일반 로직 블록의 빌딩 블록으로 사용됩니다.

TTL Compatible Outputs

On-Chip Oscillator

Cascadable

Clock Disable Input

Pulse Shaping Permits Very Slow Rise Times on Input Clock

Output Latches

Master Reset

Pb-Free Package is Available

오실레이터의 주파수는 Pin3 과 Pin4 에 연결하는 캐패시터에 의하여 결정됩니다. Pin4의 외부 클록 주파수를 이용할 수 도 있습니다. 오버 플로우 출력을 이용하면 여러개의 디바이스가 직열로 연결될 수 있으며 1000 카운트에서 한번의 Over flow 신호가 나 옵니다. 리셋입력(MR)이 High 로 되면 디지트 1 에 설정됩니다. 그러나 모든 3 개의 디지트 선택 출력은 디스프레이 수명을 유지합니다. 그리고 스캔 오실레이터가 금지됩니다. Display 입력이 High 로 되면 카운터가 금지됩니다. 마지막 카운트를 유지합니다. 펄스 정형 회로는 입력 신호가 완만히 상승하더라도 카운트 동작이 가능하도록 허용합니다. 래치 입력이 High 로 되면 래치 입력이 High 로 될때 정보가 래치 됩니다. 　

RC4558 Download

(rc4558.pdf, 1800 KB)

The RC4558 device is a dual general-purpose operational amplifier, with each half electrically similar to the µA741, except that offset null capability is not provided.

The high common-mode input voltage range and the absence of latch-up make this amplifier ideal for voltage-follower applications. The device is short-circuit protected, and the internal frequency compensation ensures stability without external components.

Continuous Short-Circuit Protection
Wide Common-Mode and Differential Voltage Ranges
No Frequency Compensation Required
Low Power Consumption
No Latch-Up
Unity-Gain Bandwidth . . . 3 MHz Typ
Gain and Phase Match Between Amplifiers

LM393 Datasheet: Low Offset Voltage Dual Comparator

The LM393 series are dual independent precision voltage comparators capable of single or split supply operation. These devices are designed to permit a common mode range-to-ground level with single supply operation. Input offset voltage specifications as low as 2.0 mV make this device an excellent selection for many applications in consumer automotive, and industrial electronics.

Wide Single-Supply Range: 2.0 Vdc to 36 Vdc

Split-Supply Range: +/-1.0 Vdc to +/-18 Vdc

Very Low Current Drain Independent of Supply Voltage: 0.4 mA

Low Input Bias Current: 25 nA

Low Input Offset Current: 5.0 nA

Low Input Offset Voltage: 2.0 mV (max) LM393A 5.0 mV (max) LM293/393

Input Common Mode Range to Ground Level

Differential Input Voltage Range Equal to Power Supply Voltage

Output Voltage Compatible with DTL, ECL, TTL, MOS, and CMOS Logic Levels

ESD Clamps on the Inputs Increase the Ruggedness of the Device without Affecting Performance

Pb-Free Packages are Available

TLC555 Download Datasheet

The TLC555 is a monolithic timing circuit fabricated using the TI LinCMOS™ process. The timer is fully compatible with CMOS, TTL, and MOS logic and operates at frequencies up to 2MHz. Because of its high input impedance, this device uses smaller timing capacitors than those used by the NE555. As a result, more accurate time delays and oscillations are possible. Power consumption is low across the full range of power supply voltage.

Like the NE555, the TLC555 has a trigger level equal to approximately one-third of the supply voltage and a threshold level equal to approximately two-thirds of the supply voltage. These levels can be altered by use of the control voltage terminal (CONT). When the trigger input (TRIG) falls below the trigger level, the flip-flop is set and the output goes high. If TRIG is above the trigger level and the threshold input (THRES) is above the threshold level, the flip-flop is reset and the output is low. The reset input (RESET) can override all other inputs and can be used to initiate a new timing cycle. If RESET is low, the flip-flop is reset and the output is low. Whenever the output is low, a low-impedance path is provided between the discharge terminal (DISCH) and GND. All unused inputs should be tied to an appropriate logic level to prevent false triggering.

While the CMOS output is capable of sinking over 100 mA and sourcing over 10 mA, the TLC555 exhibits greatly reduced supply-current spikes during output transitions. This minimizes the need for the large decoupling capacitors required by the NE555.

The TLC555C is characterized for operation from 0°C to 70°C. The TLC555I is characterized for operation from -40°C to 85°C. The TLC555Q is characterized for operation over the automotive temperature range of -40°C to 125°C. The TLC555M is characterized for operation over the full military temperature range of -55°C to 125°C.

Very Low Power Consumption
- 1 mW Typ at V_DD = 5 V
Capable of Operation in Astable Mode
CMOS Output Capable of Swinging Rail to Rail
High Output-Current Capability
- Sink 100 mA Typ
- Source 10 mA Typ
Output Fully Compatible With CMOS, TTL, and MOS
Low Supply Current Reduces Spikes During Output Transitions
Single-Supply Operation From 2 V to 15 V
Functionally Interchangeable With the NE555; Has Same Pinout
ESD Protection Exceeds 2000 V Per MIL-STD-883C, Method 3015.2
Available in Q-Temp Automotive
High Reliability Automotive Applications
Configuration Control/Print Support
Qualification to Automotive Standards

LinCMOS is a trademark of Texas Instruments.

SE-MRF 초음파 거리계 회로 설명

SE-MRF는 초음파를 송신하여 반사되어 돌아오는 신호를 이용한 거리계 KIT 입니다. 초음파센서는 세라믹 재질로 송신 트랜스듀서와 수신 센서로 분리된 형식을 이용하여 최소 측정거리가 10cm 가능하도록 구성합니다. 한 개의 트랜스듀서로 초음파 거리계를 구성할 때 측정 가능한 최소 측정거리가 30 CM 입니다.
음파는 초당 343 meter 를 진행합니다. 공기 밀도와 온도에 영향을 받으나 기압에 따른 상관도가 크지 않은 것으로 알려져 있습니다. SE-MRF 는 초당 12 회 정도로 초음파를 발생합니다.

1. 측정주기 발생
측정 주기는 타이머IC 인 555를 발진회로로 구성합니다. 측정 가능한 최대 거리와 회로내에서 신호처리 시간등을 고려하여 결정합니다. 555의 출력핀(3)에서 300uS 의 좁은 Low 신호와 68mS 의 High 신호가 만들어 집니다. <그림 1>은 555 의 Pin 2 의 파형입니다. 삼각파중 High 에서 Low 로 변하는 구간 300uS 동안만 초음파가 공기 중으로 발사됩니다.

2. 초음파 발생
초음파 트랜스듀서는 좁은 공진 주파수 특성을 가지고 있습니다. 공진 주파수 대역폭이 좁으면 외부 노이즈는 걸러지는 효과가 있으므로 초음파 주파수를 통과 시키기 위한 별도의 BAND PASS FILTER 회로가 필요치 않습니다. 안정된 발진과 조정이 필요치 않도록 크리스탈 발진기 회로를 구성합니다. 발진회로는 4069UB 게이트2 개와 크리스탈을 사용합니다.

3. 초음파 송신
시스템 공급 전압이 9V 이므로 초음파 송신 트랜스 듀서에 공급되는 펄스 전압 Peak to Peak 치가 18 V 가 되도록 구성합니다. 4584 슈미트 트리거 인버터를 사용합니다.
<그림 3>는 초음파 송신 센서 (SE-400ST160) 에 걸리는 파형입니다. Peak - Peak 전압을 측정하기 위하여 오실로스코프의 GND 를 세라믹 캐패시터 104 와 초음파 송신 센서와 연결된 곳을 연결하고 측정 프로브를 4584B 의 Pin 2 에 연결하여 측정한 것입니다. 300uS 구간에서 12 개의 초음파 펄스만 공기 중으로 발사 됩니다.

4. 초음파 수신 증폭
수신된 초음파 신호는 매우 작으므로 크게 증폭하여야 합니다. 741 계열의 OP-AMP 인 RC4558 을 이용하여 2 단 증폭합니다. RC4558 은 표준 741 에서 바이어스 오프셋 조정 단자를 생략하고 8 핀 DIP 패키지에 2 개의 OP-AMP 를 내장한 것입니다. 증폭 도는 직류 이득시 단순 계산으로 1000 입니다만 실제로는 이보다 낮습니다. <그림 4> 는 초음파 수신 센서에서 측정한 파형입니다. 파형의 Peak to Peak 가 28mV 로 작습니다. 측정 대상물의 거리와 재질에 따라서 차이가 많습니다.

5. 초음파 신호 검파
수신된 초음파 신호는 교류신호 형태이므로 펄스 신호로 변환하여야 합니다. 게르마늄 다이오드인 1N60 은 역 방향 저항 값이 낮아 적합하지 않으며 실리콘 다이오드 1N4148 은 순방향 드롭전압이 크므로 적합하지 않습니다. 검파 회로는 초고주파 검파용 다이오드를 사용합니다. 검파 다이오드 뒤의 캐패시터는 Low Pass Filter 의 역할을 하며 저항은 부하로 작용하여 캐패시터의 축적된 신호를 다음 신호가 오기 전에 방전 시켜 버리는 역할을 합니다.

6. 펄스신호 변환
비교기 회로에 많이 사용되는 LM393 을 이용합니다. 다이오드와 캐패시터는 초음파 발생구간 (300uS)에 드라이버 회로에서 발생한 송신 펄스가 수신기 회로로 Feed Back되어 들어오는데 이 신호는 원하는 반사파 신호가 아니므로 강제로 차단하기 위하여 사용된 것입니다. 송신 신호가 송신 센서에서 수신 센서로 직접 Feed Back 되는 경로와 회로내의 전원선 (9V, 0V)를 통하여 Feed Back 되어 수신 증폭 OP-AMP 에서 증폭하여 신호를 만듭니다. 이 신호는 비교기(LM393) 에 들어오면 측정 물체로부터 반사된 신호가 아니므로 제거하지 않으면 항상 최단거리를 표시하게 됩니다. 캐패시터 값을 크게 하면 최소측정 거리가 커지게 되며 너무 작으면 오 동작하기 쉬우므로 안정된 동작을 하는 범위에서 결정합니다. 캐패시터를 작은 것으로 교체하면 최소 측정거리가 4 cm 까지도 가능합니다. <그림 7>의 CH2 는 수신된 초음파 신호를 검파하여 측정한 파형입니다.

7. 측정거리 펄스 발생
초음파 거리게는 초음파를 발사한 시각으로 부터 발사한 초음파가 수신되기까지의 시간을 측정하여 거리 값으로 환산한 후 표시합니다. NAND 게이트를 이용하여 R-S플립 플롭회로를 구성합니다. 펄스는 초음파 발사 개시신호(555 타이머IC Pin 3 출력)에 의하여 High 상태로 되며 초음파 수신신호에 의하여 Low 상태가 됩니다. 이 신호의 폭을 거리로 환산하여 표시합니다. <그림9> 의 CH2 는 4011B 로 구성한 R-S 플립 플롭의 출력파형입니다. 측정 대삼물체가 1.7meter 일 때의 파형입니다. 먼 거리에서 펄스 폭이 확장됩니다.

8. 측정거리 카운터
측정 거리에 따라 펄스 폭이 가변 되므로 발진회로를 구성하고 펄스 폭 구간만 카운트 하여 이 값을 표시하도록 합니다. 발진회로는 4069UB 게이트와 캐패시터를 이용하여 구성하며 저항 반고정 저항 22K Ohm으로 발진 주파수를 조정합니다. 약 17.2KHz 에서 발진하도록 합니다. <그림 10>은 17.2KHz 발진회로 측정 파형입니다. <그림 12>는 R-S 플립플롭 출력을 미분 회로를 통과하여 상승부와 하강부를 에지 를 측정한 파형입니다. CH1 은 4553 카운터의 리셋신호로 사용되면 CH2 신호는 래치 신호로 사용합니다. 리셋신호부터 래치신호가 있는 구간의 17.2KHz 펄스를 계수한 값이 FND 에 표시됩니다.

9. 세그먼트 드라이버
멀티플렉스된 BCD 신호와 디지트 선택신호를 이용하여 3 개의 FND 를 구동합니다. 다이나믹 방식으로 FND 를 순차 점등하는 것입니다. 순차 점등하기 위한 주파수는 4553B 카운터 내부의 발진회로를 이용합니다. 발진 주파수는 Pin4 와 Pin3 에 연결된 캐패시터에 의하여 결정됩니다. FND 는 커먼 애노드 입니다. 4543B 는 BCD를 7 세그멘트 패턴으로 변환합니다.

< 그림 1 : 타이머 555 의 발진 >
TLC555의 Pin 6