ZGOMOTE ŞI REFLEXII. Considerăm circuitul din figura 3.1, care generează la momentul de timp t = 0 o tranziţie de la 0 la V d

Transcript

1 ZGOMOTE Ş REFLEX. Scopul lucrării Sudiul unor fenomene care apar în srucurile numerice reale şi care nu sun înodeauna puse în evidenţă în eapa de proiecare şi simulare pe calculaor a acesor circuie.. Aparae necesare - panou logic - osciloscop - generaor de impulsuri TTL - sursă de alimenare reglabilă - volmeru elecronic (sau de ip MAVO - 5) - cordoane de legăură. Consideraţii eoreice Zgomoele sun semnale perurbaoare, nedorie, care apar în srucurile numerice. La aplicarea unui algorim de sineză a unei srucuri numerice proiecanul foloseşe modele eoreice în care ecuaţiile boolene exprimă perfec funcţiile dorie. La implemenarea acesor ecuaţii cu circuie inegrae reale se consaă că porţile logice au anumie limiări, iar firele de conexiune po disorsiona forma semnalului ransmis. Acese fenomene po provoca în anumie condiţii o funcţionare incorecă a srucurilor numerice, iar dacă aceasa ese aleaoare, evenimenul ese cu aâ mai grav. Srucurile numerice implemenae în ehnologia CMOS - se apropie de modelul ideal. Fiind circuie lene, ele sun în mică măsură afecae de zgomoe şi reflexii. Familiile logice rapide po produce însă mari neplăceri, chiar şi în cazul unor conexiuni relaiv scure (de ordinul cenimerilor). Zgomoul daora reflexiilor pe liniile de ransmisiune Reflexiile se produc la capeele firelor sau raseelor de circui imprima în cazul neadapării dinre impedanţa de ieşire şi impedanţa liniei. Unui semnal care parcurge linia de ransmisiune aceasa i se înfăţişează ca o impedanţă consană numiă impedanţă caracerisică. Dacă se neglijează valorile rezisenţelor disribuie şi se noează cu L inducanţa liniei pe uniaea de lungime şi cu C capaciaea ei pe uniaea de lungime, aunci impedanţa caracerisică a liniei ese: L Z = C iar vieza de propagare a semnalului pe linia de ransmisiune ese: v = L C Considerăm circuiul din figura., care generează la momenul de imp = o ranziţie de la la V d, ranziţie care se propagă pe linie până la desinaţia cu impedanţa erminală Z.

2 Z s V s Z Z sursa desinaţia Circuiul v V d disanţa Semnalul înaine de aingerea receporului V d V Semnalul după reflexie (cazul Z > Z ) disanţa V d V Semnalul după reflexie (cazul Z < Z ) Fig.. Reflexiile pe liniile de ransmisiune disanţa Vd La propagarea pe linie Z =, unde d ese curenul care circulă pe linie d daoriă ensiunii V d. Tensiunea şi curenul parcurg linia ca o funcţie reapă, aşa cum se vede în figura.. Când ranziţia ainge desinaţia, aceasa se prezină ca o impedanţă Z. Dacă Z = Z aunci legea lui Ohm ese în coninuare saisfăcuă şi nu apar reflexii. Dacă însă Z Z ensiunea şi curenul rebuie să se modifice penru a asigura verificarea legii lui Ohm şi la bornele rezisenţei erminale. Schimbarea are ca efec apariţia unui semnal ranzioriu numi reflexie care va srăbae linia în sens invers, de la desinaţie la sursă. Dacă Z > Z aces semnal se va aduna la cel original, iar dacă Z < Z se va scădea din acesa. Dacă folosim indicii d penru semnalele direce, i penru cele inverse şi penru cele ranziorii, aunci puem scrie legile lui Kirchoff considerând rezisenţa erminală ca un sisem închis: = d + i şi V = Vd + Vi V Vd Conform legii lui Ohm: Z = pe sarcină, Z = înaine de sarcină, şi d Vi Z = după sarcină. Prin rezolvarea sisemului forma din ecuaţiile de mai sus i se deduce valoarea salului de ensiune în funcţie de impedanţa caracerisică şi cea de erminaţie: V V Z Z i = d Z + Z Raporul K Z Z = se numeşe coeficienul de reflexie a ensiunii şi măsoară Z + Z raporul dinre ensiunea undei reflecae şi ensiunea undei direce.

3 Unda se va propaga în coninuare de la sarcină spre sursă, în sens invers. Când unda reflecaă ainge sursa se poae produce o nouă reflexie dacă Z ese diferiă de Z S. Reflexiile vor coninua înre sursă şi desinaţie însă ampliudinea lor ese aenuaă daoriă pierderilor prin rezisenţele ohmice ale liniei care au fos neglijae până acum. Efecul reflexiilor se maerializează prin apariţia unor oscilaţii care însoţesc ranziţiile înre cele două nivele logice. Acese oscilaţii po fi cauza funcţionării necorespunzăoare a unui sisem numeric. Exisă o meodă grafică care permie analiza reflexiilor pe linii, cunoscuă ca meoda diagramelor lui ergeron. Ea foloseşe caracerisicile de inrare şi ieşire ale porţilor sudiae şi presupune cunoscuă impedanţa caracerisică a liniei. Vom exemplifica meoda penru două porţi TTL sandard conecae prinr-o linie cu impedanţa caracerisică de Ω. A Z = Ω Fig.. nerconexiunea dinre porţi TTL sandard Figura. prezină caracerisicile de inrare şi cele de ieşire penru cele sări logice ale unui circui ipic din seria TTL sandard. Prima diagramă ese uilizaă penru evaluarea ranziţiei logice din în. Dreapa de pană Z ce reprezină linia de ransmisie va inerseca caracerisica de ieşire în sarea logică, punc care va deermina la momenul de imp ensiunea de ieşire a porţii emiţăoare, ensiune de circa,75 V. Din aces momen pana liniei de ransmisie devine Z şi de aceasă daă va inerseca caracerisica de inrare. Penru evaluarea ranziţiei logice din în se foloseşe a doua diagramă. Dreapa de pană Z va inerseca caracerisica de ieşire în sarea logică la circa,5v. Din aces punc, dreapa cu pana modificaă inersecează caracerisica de inrare la circa -,5V, valoarea ensiunii în puncul, şi aşa mai depare până la amorizarea reflexiilor. Fig.. Diagramele ergeron penru cele două ranziţii posibile

4 A [V] A [V] τ τ τ τ [V] [V] τ τ τ τ ranziţia din în ranziţia din în Fig.. Formele de undă eoreice în puncele A şi penru cele ranziţii Fig..5 Forme de undă reale vizualizae pe osciloscop Formele de undă rezulae în urma ranziţiilor sun reprezenae în figura., iar figura.5 araă câeva forme de undă vizualizae pe osciloscop penru porţile TTL sandard. Figura indică că poara de ieşire comuă normal, în ciuda reflexiilor exisene pe linia de inrare, dar acese reflexii pun în mare pericol funcţionarea corecă a sisemului numeric. Penru reducerea efecului reflexiilor se recomandă uilizarea unor conexiuni câ mai scure (reflexiile se produc pe duraa fronului, iar palierele îşi păsrează valorile logice), adaparea liniei lungi pe rezisenţa caracerisică prin plasarea unui divizor rezisiv în puncul, sau prin folosirea unor porţi cu hiserezis penru mărirea marginii de zgomo în curen coninuu. A +5V 5 Ω Z = 7 Ω Ω Fig..6 Adaparea liniei pe impedanţa caracerisică şi formele de undă reale

5 Zgomoul daora diafoniei înre liniile de ransmisiune Daoriă apropierii dinre două linii din circui, semnalul exisen pe una din ele poae influenţa nedori semnalul de pe cealală linie. Aces cuplaj se face prin inermediul unor capaciăţi şi inducanţe muuale. Dacă noăm cu Z M impedanţa muuală dinre două linii şi pe una din ele avem o ranziţie de ensiune V OUT, aunci în cealală apare o ranziţie de ensiune: Z VN = VOUT = VOUT Z + Z Z M M + Z Penru micşorarea efecelor diafoniei rebuie măriă impedanţa muuală Z M şi micşoraă impedanţa caracerisică Z. Prima condiţie se realizează prin folosirea unor medii izolaoare câ mai bune şi eviarea menţinerii în paralel a unor rasee apropiae pe lungime mare. A doua condiţie presupune alăurarea unor rasee de masă (plan de masă, fire de masă înre fire de semnale uile ec.). Zgomoul daora injecţiei de curen Aces ip de zgomo se manifesă la porţile cu mai mule inrări. Variaţia curenului prinr-un emior al ranzisorului muliemior de inrare înr-o poară TTL poae fi zgomo penru celelale inrări. Se produce de fap un sal de curen, care produce un sal de ensiune pe inrările conecae la impedanţa caracerisică. Aces zgomo ese cu aâ mai mic cu câ curenţii de inrare sun mai mici şi ampliudinea lui ese prea mică penru a produce modificarea paraziă a nivelului logic la inrare. El ar puea însă inerveni împreună cu ale zgomoe înr-o conjuncură nefavorabilă care să perurbe funcţionarea corecă a circuiului. Reducerea efecelor acesui zgomo se face prin folosirea unei legăuri scure, cu impedanţă caracerisică mică şi prin eviarea folosirii porţilor cu mai mule inrări pe anumie linii de sisem. Zgomoul daora variaţiei curenului de alimenare Sursa acesui zgomo o consiuie inegaliaea dinre curenţii absorbiţi de circui în cele două sări logice şi. Meodele de reducere a zgomoului consau în reducerea inducanţei liniei de alimenare prin uilizarea unor plane de alimenare (rasee câ mai groase) şi în plasarea condensaoarelor ceramice de decuplare care filrează pulsaţiile ranziorii de înală frecvenţă ce nu po fi eliminae de condensaoarele elecroliice Zgomoul daora raseelor de masă Cauzele acesui zgomo sun disconinuiăţile de impedanţă ale raseelor de masă şi închiderea curenţilor spre masă pe rasee incorece. Acese fluxuri de curen deermină căderi de ensiune parazie care se suprapun pese semnalul uil. Reducerea acesui zgomo se face prinr-o maximă separare a raseelor de alimenare penru fiecare circui de pe placă şi exisenţa unui plan de masă. Zgomoul daora inerferenţelor elecromagneice Sursele acesui zgomo po fi: reţeaua de alimenare cu ensiune alernaivă, mooare, relee, înrerupăoare sau ale dispoziive generaoare de câmp elecromagneic. Reducerea zgomoului se face prin ecranare sau filre de reţea. 5

6 . Modul de lucru Dacă panoul logic nu ese prevăzu cu sursă de alimenare de la reţea, se alimenează cu o ensiune de 5V de la o sursă de ensiune reglabilă. ATENŢE LA RESPECTAREA POLARTĂŢ Ş LA VALOAREA NŢALĂ A TENSUN! Daoriă diodei din reţeaua de proecţie se măsoară cu un volmeru ensiunea înre pinii de alimenare indicaţi de caalog (la circuiule de pe panou înre pinii şi 7). Se porneşe de la V şi se măreşe ensiunea de la sursă, până ce valoarea măsuraă ajunge la +5V. Valoarea limiă absoluă de caalog ese de +7V. Depăşirea valorii limiă absolue va disruge cu o mare probabiliae circuiul inegra! + _ V V _ Fig.. Sabilirea ensiunii corece de alimenare a panoului logic.. Se realizează circuiul din figura. folosind două porţi TTL sandard şi un cablu de conexiune lung. Se inroduce pe inrarea primei porţi un semnal TTL cu o frecvenţă de circa 5 MHz. Se vizualizează semnalele în puncele A şi când conducorul A ese scur şi aunci când are o lungime de circa m. Desenaţi semnalele vizualizae şi explicaţi forma lor. Măsuraţi înârzierea semnalului pe linia lungă A... Se dublează circuiul din figura. şi cele două linii lungi se apropie pe o lungime câ mai mare una de ala. Se aplică un semnal TTL pe inrarea unui circui şi se vizualizează pe linia celuilal circui semnalul indus daoriă diafoniei... Se realizează monajul din figura. penru vizualizarea zgomoului daora injecţiei de curen. Se aplică semnal TTL pe linia A, iar linia se conecează la masă prin inermediul unui conducor lung. Urmăriţi apariţia pulsurilor de ensiune în puncul sincron cu semnalul din puncul A şi măsuraţi duraa şi ampliudinea lor. A Fig.. Circui penru evidenţierea zgomoului daora injecţiei de curen.. Se conecează oae porţile circuiului inegra la sursa de semnal TTL. Se vizualizează variaţia ensiunii de alimenare pe pinul Vcc al circuiului inegra. Măsuraţi duraa şi ampliudinea variaţiilor şi desenaţi formele de undă. Repeaţi măsurăorile după cuplarea unui condensaor de decuplare înre Vcc şi GND..5. Să se imagineze şi să se experimeneze un monaj penru vizualizarea zgomoelor daorae formei raseelor de masă. 6

7 5. Probleme rezolvae 5.. Daoriă lipsei circuielor inegrae TTL sandard care rebuiau să echipeze un produs de serie, acesa ese realiza cu circuie inegrae LSTTL. Garanaţi o funcţionare corecă a circuiului? Dar dacă lucrurile ar fi sa exac invers? Rezolvare: Nu se poae garana o funcţionare corecă a circuiului penru că circuiele LSTTL sun mai rapide şi deci sun mai sensibile la zgomoele care se propagă pe raseul de masă. Ese posibilă deci o funcţionare defecuoasă a circuiului. Dacă în loc de LSTTL se monează TTL sandard nu mai avem probleme de zgomo, dar probabil că sisemul nu va funcţiona din cauza frecvenţei prea mari la care circuiele TTL sandard nu fac faţă. 5.. Un US cu impedanţa caracerisică Z = 75Ω ese adapa ca în figură. Şiind că pe aces US po fi cuplae cel mul 6 inrări TTL sandard şi că se impune în logic o margine de zgomo de cel puţin,6v, să se calculeze: a) valorile rezisenţelor R şi R. b) curenul OLMAX al circuiului ce comandă US-ul. +Vcc +Vcc R R R * OH R... R R Fig. 5. Circuiul de adapare a liniei de magisrală Rezolvare: a) Din condiţia de logic pe linie: R R = Z VCC = R R + VH min + MH R = OH + N H + R VH min + MH R = R Necunoscuele sun R, R, R şi R. Se rezolvă sisemul şi se obţine: R 6Ω şi R 6Ω Făcând anumie simplificări prin neglijarea lui H şi OH obţinem rezulae apropiae cu un efor de calcul mul mai mic. b) OLMAX RL + N LMAX R L, indicele L indică sarea logică în nodul sudia. Rezulă 6 OLMAX, 5 ma, o valoare prea mare penru un circui inegra. Soluţii însă exisă: se poae accepa o margine de zgomo mai mică, de cel puţin,v, ca la TTL, sau se po alege circuie de cuplare la US care au curenţi de inrare mai mici. Şi aici se poae neglija R L. Marginea de zgomo în logic ese de,v şi nu poae fi măriă de uilizaor. N 7

8 5.. Un US cu impedanţa caracerisică Z = 5Ω ese adapa ca în figură. Pe US sun cuplaţi recepori care au caracerisică de ransfer cu hiserezis (vezi figura 5.) şi curenţi de inrare neglijabili. Şiind că circuiul care comandă US-ul are = OLMAX ma, V =, V şi OLMAX OH, se cere: a) să se dimensioneze rezisenţele R şi R. b) să se calculeze marginea de zgomo garanaă în ambele sări logice. +Vcc V o *... R R V T- =,9V V T+ =,7V V i V T- V T+ Fig. 5. Circuiul de adapare şi caracerisica de ransfer a porţilor cu hiserezis Rezolvare: a) R R = Z. Neglijând curenul prin R în sarea logic, obţinem: VCC VOLMAX 5V, V R = Ω. Alegem o valoare sandard R OLMAX ma = Ω. Din prima ecuaţie rezulă R = 7Ω. R b) în sarea logic: V R R V 7Ω V V H = CC = 5 =, + Ω+ 7Ω Receporii vor comua când V i scade sub valoarea lui V = 9, T V, deci: MH VH VT =, V 9, V = 5, V în sarea logic: VL = VOLMAX =, V. Comuarea se face penru V = 7, T + V : M V + V = 7, V, V =, V 6. Probleme propuse L T L 6.. Se dã un bus cu impedanţa caracerisică Z = Ω adapa ca în figura 5.. Şiind că pe aces US po fi cuplae cel mul 5 inrări TTL sandard şi că se impune în logic o margine de zgomo de cel puţin,v, se cere: a) dimensionarea rezisenţelor de adapare valorile rezisenţelor R şi R. b) curenul OLMAX al circuiului ce comandă US-ul. Se dau V =, OLMAX V şi = µ OH A. c) să se calculeze marginile de zgomo penru cele nivele logice. 6.. Să se explice funcţionarea circuiului din figura 6.. şi să se reprezine formele de undă în puncele, şi. R C Fig. 6. Asabil cu rigger Schmi 8