Practica bij het vak. Inleiding tot de Elektrotechniek: Practicum 2 Analoge versus digitale signalen en hun overdracht

Transcriptie

1 Elektronica en Informatiesystemen Practica bij het vak Inleiding tot de Elektrotechniek: Practicum 2 Analoge versus digitale signalen en hun overdracht door Prof. dr. ir. J. Van Campenhout ir. Sean Rul ir. Sven De Smet Academiejaar

2 Practicum 2 Analoge versus digitale signalen en hun overdracht 1 Doelstellingen Dit practicum heeft als doelstellingen het verschil illustreren tussen analoge en digitale signaalvoorstelling; een tweetal digitale CMOS-schakelingen gebruiken (standaardcomponenten); digitaal-naar-analoge signaalomzetting illustreren; het transmissielijneffect illustreren; 2 Benodigdheden prototypebord (breadboard) 5-voltvoeding signaalbron voor kloksignaal oscilloscoop weerstanden en condensatoren een 74HC195 schuifregister, een 74HC10 3-NAND en een 74HC125 quad buffer; een stuk UTP-kabel met 4 paren met lengte ca. 10 m; 3 Opgave 3.1 Situering Dit practicum handelt over het concept digitale en analoge representatie van informatie, en de verschillen in gevoeligheid aan elektrische verstoring. Het illustreert tegelijk ook de digitaal-naar-analoogconversie, de werking van standaard CMOS-logica en de effecten van transmissielijnverbindingen over UTP-kabel. 1

3 (a) 74HC195 Q0 Vcc Q1 Q2 PE Q3 1 kw 2 kw 4 kw 8 kw Vout +5v klok 1 Mhz CLK J MR K Q3 560 W (b) 74HC195 Q0 Vcc Q1 Q2 PE Q3 1 kw 2 kw 4 kw 8 kw T1: ca. 10 m UTP 120 W Vout +5v klok 1 Mhz CLK J MR K Q3 560 W 74HC125 T1: ca. 10 m UTP 120 W (c) +5v klok 1 Mhz 74HC195 Q0 Vcc Q1 Q2 PE Q3 CLK J MR K Q3 Vout 1 kw 2 kw 4 kw 8 kw 560 W Figuur 3.1: Het verschil tussen analoog en digitaal en de invloeden van interconnectie: (a) een eenvoudige D/A-omzetter die een grillige analoge spanning genereert; (b) analoge overdracht van de grillige analoge spanning; (c) digitale overdracht van het grillige spanningssignaal. 2

4 3.2 Voorbereiding tijdens het softwarepracticum Tijdens het softwarepracticum word je verwacht het volgende te doen: 1. Analyse van het schuifregister. (a) Bestudeer de data sheet van het schuifregister met parallelle toegang (74HC195). (b) Overtuig uzelf ervan dat het gaat over een synchroon circuit. (c) Is dit een Moore- of een Mealy-automaat? Met welke delen van het digitaal circuit komen de verschillende delen van het Huffman-model overeen? (d) Bepaal de waarheidstabellen van de combinatorische functies. (e) Geef deze combinatorische functies ook weer in de gedaante van boolese expressies. (f) Leid hieruit af dat het inderdaad om een schuifregister gaat. 2. Analyse van de Johnson-teller. In het netwerk in figuur 3.1(a) wordt het complement van het hoogste bit van het schuifregister teruggevoerd naar de ingang voor het eerste bit. Een dergelijke schakeling noemt men een Johnson-teller. (a) Voor welke waarde(n) van de toestand van het schuifregister zal de teller gereset worden? (b) Teken de mogelijke spanningsverlopen aan de vier uitgangen Q0, Q1, Q2 en Q3 van het schuifregister wanneer het circuit in regime is. 3. Analyseer nu volledige het netwerk in figuur 3.1(a). (a) Bepaal de spanning op de uitgangsknoop V out voor elk van de mogelijke toestanden van het schuifregister in regime. Hiervoor moet je natuurlijk het weerstandsnetwerk analyseren. Je mag veronderstellen dat de uitgangen van de teller ideale spanningsbronnen zijn met de waarde 0 V als de uitgang laag staat, en 5 V als de uitgang hoog staat. (b) Overtuig u er zelf van dat het weerstandsnetwerk een eenvoudige digitaalnaar-analoogomzetting uitvoert. Leid een formule af voor de spanning als functie van de toestand van het schuifregister. 4. Analyseer nu het netwerk in figuur 3.1(b). Hier is T1 één enkel paartje uit een UTPkabel met lengte 10 m. Een paartje uit een UTP-kabel kan je aanzien als een bijna verliesloze transmissielijn met karakteristieke impedantie 120 Ω, en golfsnelheid 20 cm/ns. (a) Wat verwacht je nu als spanning op de uitgangsknoop? Bepaal hiervoor de reflectiecoëfficiënten aan beide uiteinden van de lijn, en teken een Bergerondiagram voor een beperkt tijdsverloop, bijvoorbeeld 0,5 µs. Krijgt men voor elke mogelijke toestand van de teller een identiek Bergeron-diagram? Bespreek eventuele verschillen voor de verschillende toestanden. (b) Is de spanning op V out een goede benadering van de gewenste spanning? Wat zou men kunnen verbeteren? 5. Analyseer tenslotte het netwerk in figuur 3.1(c). Wat verwacht je nu als uitgangsspanning? Bepaal ook voor deze situatie een Bergeron-diagram. 3

5 Figuur 3.2: Een mogelijke opbouw van de schakeling waarbij een minimum aan wijzigingen noodzakelijk is. 4

6 3.3 Het eigenlijk practicum Bouw achtereenvolgens de drie schakelingen op jullie breadboard, met zo goed mogelijke benaderingen van de weerstandswaarden. Om te besparen op experimenteertijd kunnen jullie voor de opbouw van de schakeling inspiratie zoeken in figuur 3.2, die een geschikte plaatsing van de componenten toont. Zorg er in het bijzonder voor dat wanneer je naar een volgende schakeling gaat, je zoveel mogelijk kan hergebruiken van de vorige. De voedingsspanning moet ingesteld worden op 5 V, evenals de amplitude van het kloksignaal, dat moet omschakelen tussen 0 V en 5 V. Alvorens je de voedingsspanning of het kloksignaal verbindt met de schakeling, controleer de werkelijke spanningswaarden (en spanningsvorm en frequentie voor het kloksignaal) met behulp van de oscilloscoop. In geval van twijfel, roep de hulp in van een assistent! Doe voor elk van de drie schakelingen het volgende: 1. Overtuig jullie ervan dat de teller werkt, door met de oscilloscoop de vier uitgangen te observeren. 2. Meet voor elke schakeling het verloop van de uitgangsspanning, wanneer je de schakeling voedt met 5 V. Doe dit zowel bij een kloksignaal van 1 MHz als bij een kloksignaal van 5 MHz. Trigger de oscilloscoop op steeds dezelfde flank van de uitgang Q0 van het schuifregister en gebruik een tijdbasis die overeenkomt met één periode van het signaal. 3. Laad de oscilloscooptrace op in Excel. Maak nu in Excel aparte plots voor gevallen 1, 2 en 3, en een gezamenlijke plot (met dezelfde tijdbasis en triggervoorwaarde) voor de gevallen 2 en 3. Becommentarieer de verschillen tussen de gevallen. Vergelijk met jullie analyseresultaten. 3.4 Rapportering U levert één ZIP-bestand in (via Minerva), met daarin: De Maple-bestanden die gemaakt werden voor het oplossen van de vragen. De grafieken van de opgenomen oscilloscooptraces (Excel). Een verzorgd verslag met een antwoord op de verschillende vragen in de opgave. 5