Lab inf5460 Obligatorisk oppgave 2

Transkript

1 Lab inf5460 Obligatorisk oppgave 2 Måling av opptak av støy i forskjellige kabler med varierende terminering. Oppsett 50kHz Function generator Figur 1: Oppsett Primary coil Secondary coil Termination circuit board Oscilloscope Primærspolen kobles til utgangen av av funksjonsgeneratoren. Sekundærspolen kobles til oscilloskopet via en termineringsboks. Figur 2: Termineringer (Ott: Noise reduction in electronic systems, second edition, s 58, 59). I dette forsøket skal vi bruke termineringskort som er laget slik at sekundærspolene blir terminert i henhold til Figur 2 såfremt man bruker riktig kabel. Termineringskortene har fått hver sin boks.

2 Utstyr: HP 33120A Function generator (FG) [Funksjonsgenerator] Agilent 54622D Mixed Signal Oscilloscope [Oscilloskop] Primærspole: 9" diameter, 12 vindinger, 20AWG Sekundærspole(r): 7" diameter, 5 vindinger: Uskjermet ledningspar (høyttalerkabel) CAT5e (twisted pair) (med 3 konnektorer) Twisted pair datakabel (TP) Shielded twisted pair (STP) (45 Ω) Coax (75 Ω) Termineringsbokser (A-K) med termineringskort og aluminiumsskjerm for tilkobling av sekundærspole og oscilloskop. Coaxkabler for å koble funksjonsgenerator til primærspolen og termineringskort til oscilloskop. BNC-T-ledd Figur 3: Innsiden av en termineringsboks. Alle termineringskortene har ledningsspor som følger hullrekkene vertikalt i forhold til figuren (f.eks. er F og Output er koblet i sammen i et spor). Pinner og motstander er loddet fast på baksiden, alle koblinger mellom spor er på oversiden. Kortene har jord koblet til aluminiumsfolien som omslutter boksen. Figur 4. Hvordan kabelen er koblet til termineringskortet. A og F kobles til hver sin ende av signallederen, mens B og E kobles til det andre ledningsparet i et tvunnet par. C og D kobles til kabelens skjerming.

3 Figur 5 Primærspoler Figur 6 Sekundærspoler Figur 7 Termineringsbokser Figur 8 Coax Kabel og tverrsnitt av kablene til spolene

4 Funksjonsgenerator Oscilloskop Oppkobling Figur 9 Oppkobling. NB: BRUK KUN kabler fra INF5460-boksen. Husk å legge de pent på plass etter bruk! 1. Koble primærspolen til funksjonsgeneratoren med en coaxkabel. 2. Sett funksjonsgeneratoren til å lage et sinussignal med: i. Frekvens: 50kHz ii. Offset 0V iii. Amplitude: 10V pp (maksimalt utslag, vi får ikke nødvendigvis 10Vpp ut). 3. Koble sekundærspolen til en termineringsboks (A-K) med XLR-konnektoren 4. Legg sekundærspolen inni primærspolen (som vist på Figur 9 OppkoblingFigur 9) 5. Koble oscilloskopet til det ønskede kortet (A-K) med en coaxkabel til inngang Koble sync signalet fra funksjonsgeneratoren til inngang 2 til oscilloskopet med en coax kabel. 7. Skru på oscilloskopet og kjør autoscale NB: dette gjøres for å få korrekt forsterkning på inngangssignalene. Feil forsterkning på inngangssignalet vil medføre gale FFT-verdier. Forsterkningen kan senere stilles manuelt, for å unngå at FFT instillingene blir endret. 8. Følg oppskriften på for å finne signalstyrken fra termineringsboksen med en FFT måling med ekstern trigger. 9. For hver endring av terminering, må du justere gain på kanal 1, slik at signalet dekker så mye som mulig av vinduet, uten å gå utenfor. (Slik får du best kvalitet på avlest FFT verdi). 10. Bruk run/stop for hver nye måling hvis du ikke vil vente 3 minutter på neste avlesning. Generelt om oppgaven Besvarelsen bør være slik forsøket kan leses og repeteres uten å ha med oppgaveteksten. 1 Noter hvem du har samarbeidet med. Noter alle måleresultater og beskriv det du ser og gjør. Begrunn svarene ut i fra teorien du har lært. Gi referanser til teori du har brukt. Har du brukt wikipedia, så referer til wikipediaartikkel, er det forelesningsnotater, så gi referanse om hvilken forelesning, etc.. Noter hvilken STP kabel og hvilken primærspole du bruker. Selv ikke spoler som synes å være identiske vil gi identiske svar. Ved svake signaler, vil selv små endringer i plassering kunne føre til støyendringer på et par desibel. Svakere signaler enn -40 db bør således rundes av til hele desibel. Prøv å unngå å flytte oppsettet mer enn nødvendig, og unngå løkker på kablene. Flytting og krøll på kablene kan gi opphav til forskjeller som gjør det vanskelig å skille mellom oppsett som har noenlunde like resultater. Pass på at resultatene er stabile. Dersom det å komme borti en kabel gir store utslag, er er noe galt. 1 Det gir god leselighet å lime inn oppgavetekst for hver besvarelse, og så besvare den.

5 Del 1, før lab Denne delen bør gjøres før laben, og tas med på laben, slik at du har et grunnlag for å forstå sammenhengen i resultatene du får og kan få tidlig tilbakemelding på forståelsen. I Figur 10 er et forslag til en skjematisk fremstilling av terminering A. Skjerm og leder er fremstilt som spoler nettop fordi det er det de er i forsøket vårt 2. Kondensatoren Csw representerer den kapasitive koblingen mellom skjerm og leder. Siden vi ikke har noen jording av skjermen får vi ingen effekt av den kapasitive koblingen i A (vi får ikke får noen krets med skjerm og leder sammen). Jordingene i hver ende av kabelen er fysisk sett samme punkt i oppsettet vårt, så lederen danner en krets i seg selv som det kan induseres strømmer i. Målepunktet i forsøket er alltid over R2. Figur 10: Skjematisk fremstilling av en oppkobling med terminering A. 1. Forsøk å tegne tilsvarende skjema for resten av de 11 forskjellige termineringene (B-K) 3. Bruk navn som her: For TP og STP-kabel kan første og andre leder kalles 1.wire og 2.wire, og kapasitansen mellom disse kalles C12. Bruk CS1 og CS2 for kapasitansene mellom mellom skjerm og 1./2. leder. 2. I dette forsøket bruker vi desibelskalaen mye. Vdb = 20log ( Vpp 2 ) 4 Hva beskriver størst endring: - å gå fra -21 til -23 db, eller å gå fra -72 til 78dB? (Regn ut og forklar). Del 2 Lab Koble opp som angitt i oppsett og oppkobling. Still inn funksjonsgenerator på 50kHz sinus, 10Vpp. 3. Bruk termineringskort A sammen med alle kablene. Skriv ned resultatene. a) Har skjerming noe å si med denne termineringen? Forklar. b) Hvilke faktorer gjør at resultatene ikke blir identiske for spolene? Begrunn svaret. 4. Bruk termineringskort A sammen med en av kablene. a) Legg et ark med aluminiumsfolie under spolene. Hvordan påvirker dette måleresultatet? Forklar. 2 Prinsipielt burde egentlig skjerm og tråd spolesymbolene vært sammenhengende helt til motstandene på enden. Det er kun av praktiske grunner de ikke er tegnet slik. 3 Dette kan gjøres i LT spice eller andre program, eventuelt kan du tegne for hånd og ta bilde som limes inn i besvarelsen. 4 Merk at Vpp avvike noe. 2 er RMS verdien til et perfekt sinussignal. Vrms = Vi som oscilloskopet kan bruke vil kunne n

6 b) På benken ligger det antagelig andre gjenstander som kan påvirke resultatene, og til dels kan benken i seg selv påvirke resultatet. Prøv å flytte litt rundt på måleoppsettet. Identifiser tre gjenstander eller faktorer som påvirker måleresultatene, og forklar hvordan de virker inn. I de neste oppgavene skal vi undersøke egenskapene til termineringene A-F. For å få sammenlignbare resultater skal vi først kun bruke ledningen med et skjermet tvunnet trådpar (STP). Det er også viktig at oppsettet er mest mulig likt mellom hver måling. Oppgi hvilke primær og sekundærspoler dere bruker, og bruk den samme primær og sekundærpolen gjennom hele forsøket. Oppgi samplefrekvens og mål signalstyrken til funksjonsgeneratoren mens den er koblet til primærspolen for hver frekvens (bruk T-ledd ved spolen). 5. Mål signalstyrken til 50kHz signalet i kobling A-F. Noter resultatene i en tabell. a) Er det induktiv eller kapasitiv støy som dominerer for disse termineringene? Begrunn. b) Beskriv hvordan termineringene A-F virker i forhold til hverandre og hvordan forskjellene mellom dem gjør seg gjeldende. 6. Mål signalstyrken til 50kHz signalet i kobling G-K. Noter resultatene i en tabell. a) Er det induktiv eller kapasitiv støy som dominerer for disse termineringene? Begrunn. b) Hva er den største forskjellen mellom koblingene i C-F og G-K? Forklar. c) Beskriv hvordan termineringene G-K virker og hvordan forskjellene mellom dem gjør seg gjeldende. 7. Denne laboppgaven følger i stor grad et forsøk gjort av Ott på 70-tallet. a) Til forskjell fra Ott har vi flere vindinger på spolene. Hvordan vil det påvirke måleresultatene våre i forhold til kapasitivt og induktivt overført støy? Begrunn svaret. b) Resultatene Ott fikk var henholdsvis 0, 0, 27, 13, 13, 28, 80, 55, 70, 63 og 77 db dempning for kobling A-K, relativt til kobling A. Verdiene vi måler vil variere en del i forhold til Ott. I hvilken grad varierer rangeringen mellom termineringene? Sammenlign de resultatene du fikk med de Ott fikk. Virker resultatene rimelige? Kan du peke på mulige årsaker til forskjellene du finner? (Er tendensene de samme, eller er det avvik? Forklar eventuelle avvik.) 8. Mål signalstyrken for kobling A-K ved 20kHz, 500kHz og 2MHz 5. Noter resultatene i en tabell og lag en grafisk fremstilling av utviklingen. a) Hvordan endrer spenningen til funksjonsgeneratoren seg for de forskjellige frekvensene? b) I hvilke grad kan vi sammenligne resultatene for de forskjellige frekvensene? Begrunn. c) Hvordan vil forholdet mellom induktiv og kapasitiv støy endres med frekvensen? Begrunn. d) Enkelte av termineringene virkere dårligere i forhold til de andre ved høye frekvenser, mens noen blir tilsynelatende bedre. Hva kan årsaken til dette være? (Kommenter spesielt forholdet mellom H og J). e) Sammenlign de nye resultatene med de fra 50 khz og de som Ott gjorde. Hvordan og hvorfor endrer karakteristikkene til de forskjellige kablene og termineringstypene seg ved høyere frekvenser? 9. Mål signalstyrken ved 20, 50 og 500 khz, samt 2MHz terminering A, C og G med den rene coaxkabelen. Sett disse resultatene i en egen tabell sammen med resultatene for STP-kabelen fra oppgave 5 og 8. (I tillegg til måledataene bør du lage en rad/kolonne der du normerer mot A for hver kabel på den aktuelle frekvensen). a) Hvilken av koblingene G/C sier oss mest om impedansen i skjermen er høy eller lav? Begrunn svaret. b) Hvilken av kablene (ren coax vs STP) har lavest impedanse i skjermen? Begrunn ut ifra resultatene dine. 5 Kontroller at signalet har form som en simpel sinuskurve for alle oppkoblingene ved 2MHz.

7 c) I databladet til STP kabelen er det oppgitt en leder til leder kapasitanse på 112pF/m og kapasitanse mellom leder til leder og skjerm på 220pF/m, mens Coaxen har oppgitt en kapasitanse på 54pF/m mellom skjerm og leder. Hvor godt passer dette med de målte resultatene? Forklar. 10. Mål signalstyrken ved 20, 50 og 500 khz, samt 2MHz for terminering A, D og H med tvunnet trådpar (TP)- og høyttaler (HTT) kablene. Skriv ned resultatene. Lag en tabell der du normerer resultatene mot A for hver frekvens og kabel. a) Bør kobling D eller H si oss mest om effekten av tvinningene? (Begrunn svaret) b) Har tvinningene noen nevneverdig effekt i dette tilfellet, eller er det andre egenskaper ved kablene som gjør seg mer gjeldende her? Begrunn. (Hint: dielektriske egenskaper ) 11. Til cat5e-kabelen er det tre tilslutninger. a) Klarer du å rangere de grønne, oransje (gul kabelstrømpe) og brune (rød kabelstrømpe) ledningsparene etter hvem som har flest tvinn per meter, kun basert på målinger av støy? Forklar hvilke termineringskort og frekvens(er) du vil bruke og hvorfor du vil bruke disse. Noter resultater fra målingene. b) Slå opp på cat5e i wikipedia. ( Sammenlign resultatet dine med tabellen Individual twist lengths fra wikipedia. Ser resultatene ut til å stemme? Forklar. (Tips: se også diskusjonensiden til artikkelen). c) På tilslutningen til det grønne og blå lederparet er den blå lederen lagt som shielding. Mål signalstyrken ved oppkobling H og I for denne lederen. Noter resultatene. a) Fungerer enkeltlederen som skjerm? b) Sammenlign dette resultatet med forskjellen mellom H og I i oppgave 5 og 8. Forklar eventuelle likheter og forskjeller. Spising og drikking er ikke lov på lab! Rydd opp etter når du er ferdig! Plassen skal se ut slik den gjorde da du kom! Sørg for at alle ledninger, termineringbokser og spoler til dette forsøket kommer i kassen sin. Sørg for at oscilloskopet er koblet med de vanlige probene slik det var. Pass på at ingen ting ligger igjen etter deg/dere! Skru av funksjonsgenerator og oscilloskop. Takk!

8 Oscilloskop: Primærspole: Kabel span samplefrekvens Terminering Frekvens 20kHz 50kHz 500kHz 2Mhz Tabell 1 Måledata Tips: Før inn alle resultatene inn I et regneark med en gang.