Tentamen i IE1206 Inbyggd elektronik tisdagen den 7 juni

Transkript

1 Tentamen i IE6 Inbyggd elektronik tisdagen den 7 juni Allmän information ( Ask for english version of this text if needed ) Examinator: William Sandqvist. Ansvarig lärare: William Sandqvist, tel (Campus Kista), Tentamensuppgifterna behöver inte återlämnas när du lämnar in din skrivning. Hjälpmedel: äknare/grafräknare. Kursens formelblad har bifogats tentamen. Information om rättning och betyg Observera att tentamen innehåller en kvalificeringsdel som måste lösas i huvudsak korrekt för att resten av tentamen ska rättas. Du uppmanas att lägga tillräckligt med tid på dessa uppgifter så att Din lösning blir korrekt och klar! Det behövs totalt 4 poäng (av det maximala 6 poäng) från uppgift och. Motivera alla svar. Tabeller och beräkningar som använts ska finnas med i lösningarna i läsbar form. Om svaret på en fråga är "4" så måste du också tala om varför. Ofullständigt motiverade svar ger inte full poäng! Tentamen har maximalt 8 p, under förutsättning att det är minst 4 p på kvalificeringsdelen, så är godkändgränsen 3 p (vid kvalificerad tentamen och totalt p totalt erbjuds Du att Fx komplettera). Till godkänd tentamen, kan upp till fyra poäng från programmeringsuppgiften läggas, för att ge överbetyg vid det ordinarie tentamenstillfället. ( Då är den totala poängen 3p ) F E D C B A esultatet meddelas senast fredag den 4 juni.

2 Observera att tentamen innehåller en kvalificeringsdel som måste lösas "i huvudsak korrekt", för att resten av tentamen ska rättas. Denna del sammanfattar nödvändig kunskap om kretsanalys. Det behövs totalt minst 4 poäng från uppgift och! Här börjar kvalificeringsdelen av tentamen.. p Måste lösas i huvudsak korrekt =, = 5, 3 = 8, 4 =, 5 = 5, 6 = 7. Ställ upp ett uttryck för EQ. Beräkna ersättningsresistansen EQ. EQ =? []. 4p Hela uppgiften måste lösas i huvudsak korrekt En växelspänning med frekvensen f = khz matar via en serieresistor S = k en induktans = mh i parallell med en resistor P = k. Man mäter strömmen I = ma. (Givet). Föreslagna beräkningssteg (ej delpoängssteg): a) Beräkna P b) Beräkna IP. c) Beräkna I d) Beräkna e) Skissa (i princip) kretsens visardiagram ( I IP I P S ). Här slutar kvalificeringsdelen av tentamen.

3 3. 4p Använd Kirchhoffs lagar för att ställa upp och beräkna de tre strömmarnas belopp och riktning (tecken). ( ppgiften kan ge delpoäng även om ekvationssystemet inte lösts ). E = V E = 36 V E3 = 4 V E4 = V = 6 = 7 3 = I =? I =? I3 =? 4. 4p Tag fram Thévenin tvåpolsekvivalenten med E (markera även polariteten) och I, somt Norton tvåpolsekvivalenten med I och IK (markera även strömriktningen), för kretsen med spänningskällorna ( V och 5 V och 45 V) och strömkällan ( A). esistorer Ω 3 Ω 5 Ω. E =? [V] I =? [] IK =? [A] 5. 4p En stegmotor för 5V har lindningar med resistansen r = Ω och induktansen = mh. Stegmotorn drivs med likspännings pulser 5V. Strömmen i lindningen i(t) blir en exponentiell transient. a) (p) Vad blir strömmens slutvärde Imax om pulsen skulle vara mycket lång? Imax =? [A] b) (p) Hur lång (ta=?) behöver en 5V puls vara för att strömmen i lindningen ska hinna bli I = A? ta=? [ms] 3

4 För att snabba upp motorn seriekopplar man den med en resistor S och driver den med V pulser i stället. c) (p) Vilket värde skall serieresistor S ha för att strömmens slutvärde Imax skall vara detsamma? S =? [Ω] d) (p) Hur lång (ta=?) behöver en V puls vara för att strömmen i lindningen ( nu med serieresistorn S ) ska hinna bli I = A? ta=? [ms] 6. 4p Kanske laddar Du din mobil eller smartwatch induktivt med Qi-standarden mot en inbyggd laddare hemma? Figuren ovan visar principen för hela energiöverföringskedjan, men observera att uppgiften bara fokuserar på mottagardelen. Nedan följer en kort beskrivning av Qi-systemet. Sändarspolen P överför energi induktivt till mottagarkretsens S och C X och lasten. Detta är inte en resonant effektöverföring, utan den använda frekvensen f kommer att avvika något från mottagarens resonansfrekvens. i mottagarfiguren symboliserar nyttolasten. Strömmen I P i sändardelen beror på avgiven effekt, och detta mäts med spänningsfallet I. Mottagaren kommunicerar med sändaren genom att ändra sin resonansfrekvens och det leder till att sändarens spänningen kommer att ändra sig något. Mottagaren sänder data som anger hur mycket effekt som når motagaren. tifrån värden på I P och data utvunnet från kan sändaren sedan beräkna/välja en lämplig frekvens f så att effektöverföringen blir den rätta. (Eller att slå av effekten om I P och i stället tyder på att det finns något annat metallföremål i närheten). a) (,5p) esonansfrekvens. Mottagarspolen S = 6,3 µh. Beräkna CS så att resonansfrekvensen blir f = khz. Kondensatorn CX är nu kortsluten av data switchen. b) (,5p) Datasignalering. Mottagaren signalerar data med att ändra sin resonansfrekvens mellan värdet khz och värdet 5 khz, genom att koppla in och ur CX med data switchen. Beräkna värdet på CX för att flytta resonansen till 5 khz. Effektreglering. Sändaren reglerar effektöverföringen genom att flytta frekvensen bort från mottagarens resonansfrekvens. I figuren till höger undersöker vi ett förenklat fall där vi tänker oss mottagarkretsen matad från en strömgenerator I = A. Kretsen belastas med = Ω. c) (p) Vid resonans med CS ( f = khz ) når hela strömmen I resistorn ( IS = I = A), men hur stor blir strömmen IS genom resistorn när frekvensen ändras till f = khz? ( Tips. Strömgrening mellan och CS ) 4

5 7. 4p Figuren visar ett enkelt filter med och två. a) Ta fram filtrets komplexa överföringsfunktion /. Svara på formen a c jb jd b) Vid en viss vinkelfrekvens har överföringsfunktionen fasvinkeln Tag fram ett uttryck för denna vinkelfrekvens f (, )? arg ( ) 45. ( ) ( ) c) Vad blir då överföringsfunktionens belopp för denna vinkelfrekvens? ( ) d) Vad blir överföringsfunktionens belopp vid mycket låga frekvenser,, vilket värde har överföringsfunktionens fas vid mycket låga frekvenser? e) Vilket värde har överföringsfunktionens belopp vid mycket höga frekvenser,, vilket värde har överföringsfunktionens fas vid mycket höga frekvenser? Bara siffersvar räcker inte redovisa algebraiskt. a)? d) b) arg? ( ) 45 ( ) arg?? e) c) ( )? ( )? arg? 8. p PIC processorn 6F69. Vid seriekommunikation behöver man ställa in rätt Baud-rate. Det gör man genom att ställa in ett neddelningstal för klockfrekvensen i registerparet SPBGH;SPBG (8+8 bitar). Antag att klockfrekvensen är 4,7456 MHz (denna ovanliga används till PicTalker) och att man önskar Baudrate 96. Vilka tal ska stå i registren SPBGH och SPBG. Svara med talen i valfri bas (som C-kompilatorn accepterar). (Se utdrag ur PIC6F69 datablad). void initserial( void ) /* initialise PIC6F69 serialcom port */ {... SYNC = ; BGH = ; BG6 = ; SPBGH =??; /* Calculate these values in a, b */ SPG =??;... } a) SPBGH = b) SPG =.3 ESAT Baud ate Generator (BG) The Baud ate Generator (BG) is an 8-bit or 6-bit timer that is dedicated to the support of both the asynchronous and synchronous ESAT operation. By default, the BG operates in 8-bit mode. Setting the BG6 bit of the BADCT register selects 6-bit mode. 5

6 The SPBGH, SPBG register pair determines the period of the free running baud rate timer. In Asynchronous mode the multiplier of the baud rate period is determined by both the BGH bit of the TXSTA register and the BG6 bit of the BADCT register. Table -3 contains the formulas for determining the baud rate. It may be advantageous to use the high baud rate (BGH = ), or the 6-bit BG (BG6 = ) to reduce the baud rate error. The 6-bit BG mode is used to achieve slow baud rates for fast oscillator frequencies. ycka till! 6

7 Formelblad vid tentamen i Inbyggd elektronik IE6 esistans l a ( t t ) esistans, resistivitet (obs! [mm /m]) esistansens temperaturberoende. = varm resistans, = kall resistans = temperaturkoefficient Kretsanalys = I I = G ES = ES I Nod 3 OHM s lag. resistans G konduktans. Seriekrets. Parallellkrets. Specialfall två resistorer i parallell. Kirchoffs strömlag. En nod är en knutpunkt. Strömmar in till noden tas positiva och strömmar ut från noden negativa. Kirchoffs spänningslag. En slinga är en sluten strömkrets. esistorns plustecken är där strömmen går in. Slinga Spänningsdelningsformeln. Delspänningen över. E Strömgreningsformeln. Delströmmen genom. I I ikströmseffekt i resistor. P I P P I Elektriska fält Q F k r Q Q E k a C r d Q E C d C W e r Coulombs lag kraftverkan F mellan laddningar. Elektriskt fält E kraft på enhetsladdning. Konstanten k = 9 9. Plattkondensator. kapacitivitet (polariserbarhet). för luft/vacuum. Kondensatorns spänning laddning Q och elektriskt fält E. Elektrostatisk energi. 7

8 Magnetiska fält B a Fm = NI l m a Fm = m F = BIl d e N dt di u dt I W m Transienter x t) x ( x x ) e ( t ln "hela" "resten" r t Kondensator: C Spole: Flöde (antal kraftlinjer) flödestäthet B. mmk Magnetomotorisk kraft, magnetisering. eluktans m magnetiskt motstånd. permabilitet, = 4-7 för vacuum. (r relativt vacuum) OHM s lag för magnetiska kretsen. Motorprincipen. Induktionslagen. (enz lag, att e är motverkande). Självinduktion. Induktans. Elektromagnetisk energi. Snabbformel. x = storhetens begynnelsevärde x = storhetens värde efter lång tid = förloppets tidkonstant hela swinget genom resten Tidkonstant. Växelspänning Periodiska funktioner x( t) Xˆ sin( t ) f Sinusfunktion med fasvinkel. T X med X x( t) dt sinusfunktioner har medelvärdet. T X MS X T x ( t) dt T Effektivvärde. För sinus gäller: ˆX X j-räkning visare Z jx Impedans Z, resistans och reaktans X. X j X Induktiv reaktans. Kapacitiv reaktans. X C X C jc C 8

9 esonanskretsar f esonansfrekvens. C f Definition av spolens Q-värde med Q Q r f serieresistans r, samt alternativ definition med parallellresistans. Q Omräkning mellan serieresistans r och r parallellresistans. (Q > ) f Bandbredd BW. BWHz f f Q Effektanpassning till tvåpol Effektanpassning. I * Z Z Effektanpassning komplex last. I Z I Effektanpassning. Komplex tvåpol med resistiv last. Ideal transformator P = P Förlustfri transformator. N Spänningsomsättning. N I N Strömomsättning. I N N Överräkning av impedans. Z Z N Induktiv koppling r I j I jmi r I j I jmi M k SE M PA M M Ekvationssystem med r r M Kopplingsfaktor k ömsinduktans M k = % koppling k = oberoende Seriekoppling ( - för motverkande) Parallellkoppling ( + för antiparallella). Prefix -potenser giga G 9 micro -6 mega M 6 nano n -9 kilo k 3 pico p - milli m -3 9