4. Resultat
4.1 Förväntat resultat
4.1 Förväntat resultat
I detta delkapitel kommer resultatet från simuleringsmodellerna att redovisas för de olika testerna. Syftet med dessa simuleringar är att erhålla ett förväntat resultat av de tester och mätningar som ska genomföras för varje parameter med den verkliga avståndsmätaren.
4.1.1 Temperatur
Omgivningstemperaturen som kommer användas för att genererar resultaten nedan sattes till extrempunkterna -40˚C och +70˚C samt rumstemperaturen +22˚C. Anledningen till att enbart dessa temperaturer kontrolleras beror på tidsåtgången att genomföra de fysiska mätningarna. I simuleringarna representerar den gröna linjen temperatur -40˚C, blåa linjen +22 ˚C och den röda linjen +70˚C.
4.1.1.1 Delsystem 1
Med den simuleringsmodell som redovisades under kapitel 3.1.1 Modellering av delsystem, se bild B3.1. Med det verkliga delsystemets funktion som grund för denna simuleringsmodell simulerades temperaturförhållandet i LTspice. Tanken med detta är att erhålla information om hur det verkliga delsystemet kan komma att uppträda under det verkliga testet i temperaturskåpet. Resultatet redovisas i figurerna nedan.
(a) (b)
Figur B4.1: Simuleringsresultat av V_mon från LTspice (a) och Simuleringsresultat av stoppsignalen från komparatorkortet (b).
Johan Sundelin 16
4.1.1.2 Delsystem 2
Med simuleringsmodellen som redovisades i kapitel 3.1.2 Modellering av delsystem 1, vars uppbyggnad grundar sig i delsystemets verkliga funktion simulerades temperaturförhållandet i LTspice erhålls följande resultat. Tanken med denna simulering är att få en bild av hur systemets utsignaler påverkas av omgivningstemperaturen. Resultatet från simuleringarna visas i figur B4.3.
Figur B4.3: Simuleringsresultat från LTspice av utsignalerna TDC1 och TDC2
Anledningen till att signalerna inte påverkas av omgivningstemperaturen beror på att modellen för OPA857 inte har modellerats för parametern temperatur av upphovsgivaren Texas, därav förblir utseendet av utsignalen från OPA857 detsamma genom hela temperaturintervallet (se figur nedan).
Modellering och analys av avståndsmätare baserad på Time-to-Digital Converter 8 juni 2019
Johan Sundelin 17
4.1.1.3 Delsystem 3
Med simuleringsmodellen som är uppbyggd enligt den funktion som TDC-kretsarna utför i den verkliga utrustningen och som redovisades under kapitel 3.1.3 Modellering av delsystem 3 simulerades
temperaturberoendet av detta delsystem i LTspice. Eftersom detta delsystem är beroende av ovanstående delsystem blir även detta delsystem påverkat av att OPA857 inte är modellerad för temperaturberoende. Det erhållna resultatet visas i figuren nedan.
Figur B4.5: Simuleringsresultat av beräkningsdelen från LTspice.
Resultatet visar att beroende på temperatur kommer avståndsmätningen att variera, vilket visas i figuren nedan.
Figur B4.6: Närbild av simuleringsresultatet inklusive data för markörerna.
Anledningen till att vi får spikar i signalen ut från den binära räknaren beror på att de olika D-vipporna inte nollställs vid exakt samma tidpunkt och att amplituden på spikarna varierar beroende på vilket värde den aktuella D-vippan har i räknaren.
Johan Sundelin 18
4.1.2 Brus (Tröskelnivåerna)
4.1.2.1 Delsystem 1
Samma simuleringsmodell som användes vid temperaturtesterna används nu för att simulera brus. Men för att detta ska möjliggöras måste en extra spänningskälla adderas på tröskelnivån vars syfte är att generera brus med LTspice funktionen white (Se figur B4.7).
Figur B4.7: Spänningskällan för brus i LTspice
Med denna spänningskälla inkluderad i simuleringen visar resultatet att tröskelnivån för de olika
omgivningstemperaturerna kommer som maximalt ge en differens från den normala DC-nivån på ±8mV. I simuleringsmodellen är den normala DC-nivån på detta delsystem på 1,734V. Figuren nedan visar simuleringsresultatet med brus adderat på tröskelnivån.
Modellering och analys av avståndsmätare baserad på Time-to-Digital Converter 8 juni 2019
Johan Sundelin 19
4.1.2.2 Delsystem 2
Med samma simuleringsmodell som används vid temperaturstesterna för detta delsystem simuleras nu med avsikt på brus. Detta görs genom att addera samma spänningskälla på tröskelnivån som i det andra delsystemet beskrivet ovan. Syfte med denna simulering är att få reda på hur mycket bruset påverkar tröskelnivån. Resultatet av simuleringen med den adderade spänningskällan inkluderad i simuleringsmodellen redovisas i figuren nedan.
Figur B4.9: Simuleringsresultat av delsystemets tröskelnivå i LTspice.
4.1.3 Jitter (Stoppulserna)
4.1.3.1 Delsystem 1
Med den simuleringsmodell som användes för temperaturtester under kapitel 4.1.1.1 Delsystem 1. Simulerades jitter som beror på det brus generat i LTspice där delsystemet utsattes för samma temperatursvep som i testerna för temperatur innan. Tanken med detta är att erhålla information om hur omfattande jitter som uppstår i stoppulsen på grund av bruset i omgivningen. Resultatet redovisas i figuren nedan där linjerna grön och blå representerar omgivningstemperatur -40˚C, röd och turkos +22˚C samt grå och lila som representerar +70˚C.
Johan Sundelin 20
4.1.3.2 Delsystem 2
Med den simuleringsmodell som användes för simuleringar av termiskt brus i kapitel 4.1.2.2 Delsystem 2, simulerades jitter på grund av brus som framkommer i olika temperaturer i LTspice. Med samma
omgivningstemperatur som innan erhålls följande resultat. Tanken med denna simulering är att få en bild av hur mycket det termiska bruset påverkar stoppsignalerna som skickas ut från detta delsystem. Resultatet visas i figur B4.11.
Figur B4.11: Simuleringsresultat av jitter från LTspice.
Denna simulering blev också påverkad av att modellen för OPA857 inte är modellerad för temperaturskillnader vilket syns i figuren ovan då signalen är densamma genom hela intervallet.
4.1.4 Monotonicitet
4.1.4.2 Delsystem 2
Med simuleringsmodellen för delsystem 2 i samband med konstanter för respektive ND-filter simuleras förändringarna av den transmitterade laserpulsen i förhållande till dämpningen orsakad av ND-filter i LTspice. Resultatet har förts in i en tabell och graf som redovisas nedan.
Tabell 4.1: Data från simulering
Figur B4.12: Simuleringsresultat av monotonicitet från LTspice.
I figuren ovan anses 100 % vara maxutslag av laserpulsen utan dämpning vilket också resulterar i maximal ström i detektorn. Vid användning av ND-filter med styrkan 4,0 erhålls endast 12% av den odämpade pulsbredden. Enligt resultatet som redovisas ovan ska mottagarkortet som ingår i delsystem 2 klara av att hålla monotonicitet genom hela testintervallet.
ND-filter Pulsbredd (ns) Pulsbredd (%) 0 15,68026 100% 0,1 15,43883 98% 0,3 14,84503 95% 0,5 13,65416 87% 0,7 13,17129 84% 0,9 12,63295 81% 1 12,25667 78% 1,6 9,38554 60% 2 5,52039 35% 3 4,04062 26% 4 1,81157 12%
Modellering och analys av avståndsmätare baserad på Time-to-Digital Converter 8 juni 2019