Прежде чем начать, давайте я покажу, как выглядит проект-прототип лазерного стробоскопа. Фото представлено ниже.
Выглядит немного грубовато, напечатано на 3D-принтере. Изготовлено для того, чтобы проверить работу внутреннего ПО и функционал изделия в целом.
В будущем будут изготовлены образцы лазерных стробоскопов на более высоком техническом уровне. Мы уже занимаемся этой работой и даже готовы показать спроектированные образцы печатной платы.
Принцип действия лазерного стробоскопа простыми словами
Частота вращения поворотного диска проигрывателя винила составляет 33.(3) об./минуту (иногда 45 или 78 - это сути не меняет). Для пояснения возьмем для примера частоту 33.(3) об. минуту. Каждый раз, когда диск совершает полный оборот вокруг своей оси, это занимает ровно 1.8 секунды, мы включаем лазер на короткий промежуток времени (5 мс) и проецируем его на стену или другой объект, удобный для отображения метки. Если предположить, что период включения лазера постоянный с высокой точностью, а диск вращается с постоянной частотой вращения 33.(3) об. минуту, то мы увидим, что наш лазерный луч проецирует метку в одном и том же месте! Положение проекции лазера в одном и том же месте означает совпадение частоты вращения диска с частотой, заданной стробоскопом. Если диск вращается медленнее, чем это требуется, то проекция лазера (метка) постепенно будет смещаться влево (отставать), а если наоборот, вращается слишком быстро, то будет смещаться вправо (опережать). Подобный механизм контроля частоты вращения диска является очень точным за счет возможностей микроконтроллера с высокой точностью обеспечивать референсный период включения лазера и за счет того, что погрешность частоты вращения опорного диска накапливается с каждым новым оборотом, что приводит к смещению пространственного положения проекции лазера (метки). Кстати, придумали это не мы и такая конструкция стробоскопа уже была реализована. Можно посмотреть ниже.
Мой друг и заказчик Александр любезно предоставил видеозапись, в которой можно увидеть работу прототипа лазерного стробоскопа.
Для тех, кто дочитал до этого места и желает узнать подробности, предлагается более расширенная информация с пояснениями.
Принцип действия лазерного стробоскопа в цифрах и картинках
Для расчета снова возьмем наиболее популярную частоту вращения поворотного диска 33 1/3 об./минуту (можно пересчитать все это и на 45 и 78 об./минуту, на практике их, правда, почти не применяют, особенно на 78). Будем считать, что идеал - это 33 1/3 об./минуту или, что то же самое, 33.(3) = 33.3333333333333333333333 и так далее об./мин. Это значит, что пластинка совершает такое количество оборотов за 60 секунд. Стало быть, один оборот пластинка совершает в идеале за 60/33.(3) = 1.8 секунды (ровно 1.8 секунды). Теперь, если с периодом в 1.8 секунды мы будем включать строб (лазерный луч, который послужит нам меткой, например, на стене), при совпадении частоты строба и частоты вращения поворотного диска, проекция лазерного луча всегда будет появляться в строго постоянном месте. Частоту появления строба мы будем считать константой, так как с помощью микроконтроллера мы можем с очень высокой точностью выдерживать этот временной интервал. Мы запускаем 16-ти битный таймер и настраиваем прерывание по таймеру, например, с точность в 1 мс (одна тысячная доля секунды).
Счетчик микроконтроллера позволяет отсчитывать любые временные интервалы с высокой точностью, например, 5 мс и 3 мс.
Осциллограммы подтверждают возможность задания временных интервалов с очень высокой точностью. Во время тактирования строба все другие прерывания в микроконтроллере запрещены, чтобы ничто не нарушило точного хода времени.
Определив точный дискрет времени в 1 мс, мы запускаем инкрементный счетчик, который считает до 1.8/0.001=1800*. Наш интервал времени строба выдерживается с точностью не хуже, чем половина младшего дискрета времени, т.е. 0,001 с/2 = 500 мкс или 1.800±0.0005 с. Мы знаем, что одна из частот сравнения у нас постоянна с большой точностью и не зависит почти ни от чего, соответственно, измеряемая частота (частота поворотного диска проигрывателя винила) будет оказывать прямое воздействие на положение проекции лазера (метки) на неподвижном объекте, например, стене. Если частота вращения меньше заданной, то проекция (метка) будет отставать во времени (движение метки влево по стене), если частота вращения больше заданной, то проекция (метка) будет опережать во времени (движение метки вправо по стене). Удивительно точный и наглядный инструмент для подстройки частоты вращения. Здесь еще нужно отметить, что строб представляет собой включение лазера на определенный промежуток времени, что приведет к появлению черточки (не точки) на стене. Исключительно ради красивых цифр мы условились интервалом в 5 мс, который получается из расчета поворота диска точно на 1 градус.
Примечание: * - на самом деле считаем мы до 1795, так как 5 мс занимает время импульса, что в сумме дает общий период в 1.8 секунды.
Чтобы было понятнее, посмотрите схематическую картинку с сохранением масштаба.
Я задался следующими параметрами:
- диаметр поворотного диска 300 мм (не влияет ни на что в данной ситуации);
- диаметр лазерного стробоскопа - 100 мм;
- расстояние от лазерного модуля до стенки - 0,5 м;
Длительность импульса лазера 5 мс, что при частоте вращения 33.(3) об./минуту будет соответствовать повороту диска на 1 градус;
В этом случае, луч лазера будет рисовать на стене черточку длиной 9.6 мм (отрезок ОА). Очевидно, что чем больше расстояние от лазерного модуля до контрольной стены, тем более чувствительный прибор мы получаем, так как изменение угла приводит к бОльшему раскрытию его проекции на стену.
Теперь предлагаю посчитать, насколько будет наглядно отклонение частоты вращения поворотного диска от заданной. Предположим, что изменение скорости поворотного диска произошло мгновенно относительно точки 0 (ноль градусов по координатной сетке). Давайте предположим, что реальная частота отличается от заданной на 1% в меньшую сторону, т.е. стала не 33.(3), а ровно 33 об./мин. Это значит, что полный оборот пластинка сделает за 60/33=1.81818 и так далее секунды, т.е. приблизительно на 18 мс дольше, чем в идеальном варианте.
При таком раскладе мы получим следующую ситуацию:
Строб по прежнему сработает по истечении времени 1.8 секунды и это приведет к тому, что метка лазера появится на стене на 3.6 градуса раньше. Точка О'. А относительно стены это будет смещение на целых 34.6 мм.
Стоит отметить, что такое смещение образовалось за один поворот диска, каждый последующий поворот будет накапливать ошибку и усугублять ситуацию, показывая степень отклонения текущей частоты от заданной.
Высокая чувствительность измерительного прибора позволяет уловить даже очень маленькие отклонения текущей частоты от заданной, речь идет о десятых и сотых долях процентов. Возможно, такая точность установки скорости вращения очень избыточна и ни на что не влияет, но сам факт подобного контроля имеет место быть.
Основные технические характеристики прототипа:
1. Габаритные размеры и вес:
- Диаметр - 100 мм;
- Высота - 60 мм;
- Вес - 300 ± 50 г;
- Установочное отверстие - стандартное для типовых шпинделей диаметром 7.2х20 мм.
2. Питание и энергопотребление:
- Питание от трех литиевых элементов питания напряжением 3.6-3.7 В формата АА (максимальное входное напряжение встроенного стабилизатора 30В);
- Энергопотребление - в ждущем режиме 240 мкА (для емкости батарей 2500 мА*ч продолжительность работы в режиме ожидания порядка 1 года).
3. Лазер:
- Мощность лазерного модуля 5 мВт, длина волны 650 нм.
4. Цикл работы:
- 60 секунд после пробуждения с последующим переходом в режим сна.
- Длительность импульса 5 мс, длительность паузы 1795 мс, период 1.8 секунды.
5. Сервисные возможности:
- Контроль заряда элементов питания.
- Индикатор разряда элементов питания при достижении минимального порога напряжения питания в 6 В.
Работа с прототипом лазерного стробоскопа
После установки элементов питания в батарейный отсек устройства, индикатор состояния моргнет 5 раз короткими импульсами красного цвета свечения, показывая, что устройство перешло в ждущий режим. В этом режиме устройство потребляет приблизительно 230-240 мкА. Если отказаться от идеи контроля уровня входного напряжения, то можно сэкономить еще около 20 мкА убрав входной делитель напряжения с элементов питания и снизив общее энергопотребление до уровня 210-220 мкА.
Для включения устройства коснитесь пальцем центра верхней крышки. Встроенный сенсорный датчик включит устройство. Индикатор состояния моргнет 3 раза длинными импульсами красного цвета свечения, после чего запустится основной цикл программы, формирующий строб лазерного луча с периодом 1.8 секунды, что соответствует одному полному обороту пластинки, вращающейся с частотой 33.(3) об./мин. Во время выполнения основного цикла программы, сенсорный датчик касания программно отключается и не реагирует на прикосновения к верхней крышке прибора, чтобы не прерывать процедуру отсчета временных интервалов. Индикатор состояния моргает синхронно с лазерным лучом для лучшей визуализации процесса. Если во время работы устройства контроллер зафиксировал снижение напряжения элементов питания ниже допустимого уровня (6.0 В) - включится индикатор разряда элементов питания красного цвета свечения, который расположен под верхней крышкой устройства.
Для контроля скорости вращения поворотного диска, сориентируйте положение устройства таким образом, чтобы луч лазера попадал на стену и хорошо просматривался. Через 1 минуту устройство автоматически перейдет в ждущий режим для сбережения заряда элементов питания, при этом индикатор состояния моргнет 5 раз короткими импульсами красного цвета свечения. Если вы не успели провести необходимые измерения - коснитесь пальцем верхней крышки устройства для повторного включения. При переходе в ждущий режим все индикаторы отключаются. Принудительное отключение устройства не предусмотрено, устройство отключается автоматически и переходит в ждущий режим после 1 минуты работы.