Tentamen Systemkonstruktion Lösningar och kommentarer Program: Elektroteknik, Mikrodatorsystem Datum: 06-12-18 Tid: 08:00-13:00 Lokal E170 Hjälpmedel: Linjal, Miniräknare Bilaga: Utdrag ur datablad Examinator: Anders Arvidsson Telefon: 0707-76 28 86 Examinatorn besöker tentamen. Uppgifterna redovisas direkt i frågebladet, eller vid platsbrist på separata ark, vilka då ska numreras och hänvisas till från uppgiftsbladet samt förses med namn. Max poäng: 25 Betyg Poäng 3 10 4 15 5 20 1 (7)
Tentamensfrågor 1. Skriver vi C-program och använder interrupt får vi ofta se upp så vi inte råkar använda inkonsistent data. Beskriv vad som avses med inkonsistent data och ge ett exempel på hur vi kan koda för att undvika det. (2 p) Inkonsistent data är data som inte är färdig att använda än, t ex en skrivning till en integer som avbryts av interruptet när bara halva variabeln är kopierad. Ett sätt att undvika det är att stänga av interruptmöjligheten under tiden en variabel som även används av interruptet skrivs. 2. I många datakommunikationssammanhang är det en fördel att använda Manchesterkodning, men det kan också medföra nackdelar. Beskriv kort principen för manchesterkodning, nämn en fördel med det och berätta på vilket sätt det i vissa fall kan medföra en lägre möjlig överföringshastighet. (Kodningen behöver allts inte beskrivas i detalj så länge principen framgår tydligt.) (2 p) Kodningen beskrivs t ex här: http://sv.wikipedia.org/wiki/manchesterkodning Exempel på en fördel är att signalen är hög respektive låg 50% under varje bit, dvs. det uppstår aldrig någon DC-komponent som t ex kan snedställa en AGC. Eftersom signalen ska hinna gå både låg och hög under en bit krävs dubbla modulationshastigheten vilket göra att bithastigheten kan bli lägre vid en begränsad bandbredd (men i många system medför avsaknaden av DC-komponent oftast att den praktiskt användbara bandbredden ökar.) 3. När man letar en enchipsdator med vissa egenskaper finns det en del vanliga förkortningar som är bra att känna till. En sådan är USART. Vad innebär USART (d v s vad har den för funktion?) och vad står förkortningen för? (2 p) En USART hanterar seriell kommunikation (både synkron och asynkron) i hårdvara. Förkortningen uttyds Universal Synchronous-Asynchronous Reciever Transmitter 4. När man resonerar kring hur man uppnår god EMC mellan två apparater är det ofta bra att betrakta dem som en störningskälla respektive ett störningsoffer samt prata om olika sätt på vilka störningen kan överföras. Vilka 4 principiellt olika sätt brukar vi säga att en störning kan överföras från en apparat till en annan? (2 p) Trådbundet, strålat (elektromagnetiska fält), kapacitivt (elektriska fält) och induktivt (magnetiska fält). 2 (7)
5. Många kretsar för trådlös datakommunikation arbetar vid 868 MHz. (4 p) a) Dimensionera en dipolantenn för denna frekvens. b) Resonera kring hur och varför den optimala längden påverkas om antennen byggs av en ledare som är isolerad. c) Uppskatta antennvinsten för din antenn i dbi. (Ett bra resonemang gör att poäng kan ges inom ett ganska stort intervall.) a) Våglängd, λ = c/f = (3*10 8 )/(868*10 6 ) = 0,346 m Antennlängd 0,5 * 0,95 λ = 16,4 cm b) En elektrisk signal går olika snabbt genom olika material. Den elektromagnetiska vågen som går genom antennen påverkas också av materialet som omsluter sprötet. En elektromagnetisk våg går dock inte fortare genom ett material än genom vakuum, så resultatet kan bara bli att signalen går långsammare => vågen utbreder sig en kortare sträcka under en halv period => den isolerade antennen kan göras något kortare. c) Antennen sänder inte lika mycket uppåt/nedåt som åt sidorna. Jämfört med en isotrop strålare är den alltså något effektivare. Antennvinsten är ca 2 dbi för en dipol. (2 db = 10 0,2 = 1,6 ggr.) 6. Rita och beskriv på vilket sätt en Faradays bur skyddar det som är innanför mot yttre elektriska fält. (I uppgiften beaktas främst statiska eller lågfrekventa fält, vid höga frekvenser blandas en rad andra fenomen in.) (2 p) Buren består av ett ledande material. När ett fält läggs över buren förflyttar sig elektroner mot den positiva sidan tills en jämvikt uppstår. På så sätt släcks fältet inuti buren ut. (Skissen ska förstås beskriva samma sak.) 7. I switchaggregat och liknande strömförsörjningsdelar på kretskort går det ibland åt rätt rejäla elektrolyter för energilagring medan en switchtransistor är avstängd. Kondensatorn måste försörja elektroniken under denna tiden. Beräkningarna blir väldigt lika de vi använder vid avkopplingsdimensionering, men istället för att ta hänsyn till induktansen i ledarna är det här ofta viktigare att inte försumma ESR. Antag att vi har en 100 μf kondensator med 0,5 Ω ESR vid den aktuella frekvensen. Kondensatorn hinner laddas till 5 V mellan belastningarna, men under perioder på 10 μs belastas den med 2 A. Hur stort blir det maximala spänningsfallet över elektroniken som kondensatorn försörjer? Redovisa beräkningar. (2 p) Spänningsfallet orsakas av två saker. Dels tappar kondensatorn spänning pga. energiuttaget, med ett tapp som är störts på slutet (det är den vi beräknar), dels tappas spänning pga. ESR. De två spänningsfallen adderas. 20 μas uttag ur 100 μf ger 0,2 V spänningsfall. 2 A genom 0,5 Ω bidrar med 1 V. Maximala spänningsfallet blir 1,2 V. 3 (7)
8. Eftersom avkopplingskondensatorer kan vara olika effektiva vid olika frekvenser beroende på resonansfenomen kan det vara frestande att parallellkoppla kondensatorer med olika kapacitans. Vilka risker medför detta och vad säger tumregeln om den rekommenderade kapacitansskillnaden vid parallellkoppling? (2 p) Risken är att det uppstår en parallellresonans som ligger mellan serieresonanserna för respektive kondensator, där impedansen är högre än om bara den ena (oftast den större) kondensatorn hade använts. Om denna parallellresonansfrekvensen ligger nära störningens frekvensområde kan effekten bli sämre än om bara en kondensator använts. Tumregeln säger att skillnaden mellan kondensatorerna ska vara minst 100 ggr. 9. Du har byggt en automatisk baklykta till din cykel som har tänds automatiskt när det är mörkt och cykeln används. Det sitter en kraftig men strömsnål röd lysdiod som lampa, och du använder inte cykeln så ofta när det är mörkt, så du räknar med att batterierna (3*R6, 1000 mah) ska räcka ett par år eftersom processorn som känner av sensorerna och tänder lampan ligger i SLEEP-mode största delen av tiden vilket gör att konstruktionen bara förbrukar 10 μa i snitt, när lampan är släckt. Eftersom du var lite trött när du hade lött färdigt kortet i skolans verkstad frampå natten (tja, morgonen skulle Securitasvakten säga, som kollade dit leg som avslutning på nattens runda) så råkade du koppla in batteriet på fel håll och alla komponenter brann upp. Du byggde då ett nytt kort med den förbättringen att du satte dit en säkring och en rejäl (se datablad i bilaga) motriktad diod över elektronikmatningen. Dioden kortsluter batteriet och blåser säkringen om du sätter in batteriet på fel håll när du monterar den på cykeln. Kan det finnas något problem med modifikationen ovan, som är relaterat till valet av diod, och som gör att lampan inte fungerar riktigt så bra som vi tänkt oss? Hänvisa till lämplig parameter i diodens datablad och förklara vilket problem som skulle kunna tänkas visa sig. (2 p) Dioden har en hög läckström i backriktningen. Med många exemplar är det kanske inget problem vid rumstemperatur, men det finns en spridning bland komponenterna och databladet anger 2 ma vid 30 V. Läckströmmen är förvisso betydligt lägre vid 5 V och bara några μa vid 25ºC i typfallet (vilket syns om man går vidare och läser ur fig. 2), men varma sommardagar och med en sämre diod än typfallet kan dioden dra avsevärt mer än de 10 μa vi räknat med för hela konstruktionen. (För poäng bör du alltså peka på läckströmmen som en riskfaktor.) 4 (7)
10. Denna uppgift besvaras på separat ark. (5 p) Du ska bygga en slingdetektor för 55 khz och eftersom du inte har tillgång till någon vettig spole vill du prova att bygga en förstärkare med 1000 ggr förstärkning vid den aktuella frekvensen. Din audiointresserade kompis har tagit hem en massa TL061AC (se datablad i bilaga), så du vill bygga förstärkaren med dessa. a) Rita en lämplig koppling som har förstärkningen 1000 ggr vid 55 khz. Flera OPförstärkare får användas. Bifoga beräkningar. Du behöver inte rita ut matningsspänning, men antag att OP:n är dubbelmatad. Ta inte heller hänsyn till offset och liknande, i denna deluppgift räcker det att räkna på förstärkningen. Glöm dock inte att sätta ut värden och enheter på alla komponenter. b) Antag att vi matar kopplingen med ±15 V i kopplingsdäcket. Hur stor amplitud (topp topp) kan vi räkna med att få ut innan signalen klipps? Räkna på absolut värsta fallet med hänsyn till offset och annat av betydelse och redovisa beräkningarna. c) Rita en ny koppling som med hjälp av kondensatorer mm gör att vi kan få ut betydligt större signal på utgången tack vare minskat problem med offset. Kopplingen ska fortfarande fungera stabilt och bra i övrigt. a) Rita tre kaskadkopplade förstärkare, inverterande eller icke-inverterande, med sammanlagd förstärkning på 1000 ggr men där ingen överskrider Unity-gain Bandwitdh / 55 khz, dvs. 18 ggr. b) Databladet garanterar bara 10 V sving vid 15 V matning. Offsetspänningen kan uppgå till 6 mv vid 25ºC (vi antar att slingdetektorn används inomhus, men annars går det bra att räkna på 7,5 V med.) Vi kan alltså få en DC-offset på 6 V på utgången, och då återstår bara 4 V innen signalen klipps. Amplituden topp topp kan alltså uppgå till 8 V. c) Lägg in kondensatorer mellan förstärkarna som plockar bort DC-offseten. Eftersom ingången är så högimpediv (se impedans i datablad, den har JFET-ingång) måste ingången också dras mot 0 V med en högohmig resistor efter kondensatorerna. Det är också bra att fördela förstärkningen så att den sista (där offseten inte kan kompenseras) får så låg förstärkning som möjligt. 5 (7)
Bilagor - datablad Diod för backspänningskydd 6 (7)
OP-förstärkare TL061 Matningsspänning ±15 V om inget annat anges. 7 (7)