TTK4125 Datastyring Laboratorieøving: Transmisjonslinjer og EMC

TTK4125 Datastyring Laboratorieøving: Transmisjonslinjer og EMC Revisjoner: GH/PGA/VS/TU 1996 JR/GM 2007 AAE/GM/ØS 2008 AAE/GM 2009 SJS 2010 AK 2011 KAKV 2012

Beskrivelse av laboratorieplass og utstyr Oversikt over laboratorieplass Laboratorieplassen er bygd opp rundt en ca. 10 meter lang kabelgate, se Figur 1. I figuren kan vi se kabelgaten, samt en koplingstavle, et oscilloskop, en signalgenerator og et nettfilter. Vi vil typisk kople forskjellige typer signalkabler mellom de forskjellige komponentene i dette oppsettet. På koplingstavlen er det en effektleder til et triac styrt strømuttak, som skal være tilkoplet en panelovn, som fungerer som last. Pass på at ovnen er tilkoplet og at termostaten står på maks. temperatur. Triac styringen fungerer som støykilde i kabelgaten. Endene til hver av signalkablene er lagt ut med kontakter på koplingstavlen. I den ene enden av kablene er det også lagt ut skruterminaler for tilkopling av termineringsmotstander. Det er viktig å merke seg nettfilteret i Figur 1. Triac styringen genererer et kraftig støysignal, og det er viktig å filtrere bort dette slik at vi ikke tilfører nettet støy og dermed forstyrrer elektroniske apparater i resten av huset. Figur 1 Oversikt over arbeidsplassen. 2

Utstyrsbeskrivelse Koplingstavle Signallederne er koplet opp mot en koplingstavle, der kablene er terminert i et kretskort med koaksialkontakter av typen BNC (Bayonet Neill Concelman), se Figur 2. Dette er ikke en ideell løsning, da banene på kretskortet og kontaktene vil ha en karakteristisk impedans som ikke nødvendigvis er tilpasset kabelen, noe som vil kunne gi refleksjoner i overgangen mellom kabel, kretskort og kontakt. Ved en bølgelengde i størrelsesorden kabellengden L eller mindre, vil en kunne få refleksjonsproblemer. Bidraget fra disse refleksjonene vil imidlertid bli ubetydelig når bølgelengden er mye større enn kabellengden. 10 L L 10 Figur 2 BNC kontakter [Amphenol Corporation]. Eksempel Distanse fra kabel til utgang på BNC kontakt er mindre enn. Som en tommelfingerregel kan vi si at for bølgelengder 10 L 1 m, vil feiltilpasning i impedans ha liten betydning. Forplantingshastigheten, fasehastigheten, til en bølge er gitt av v f, der f er signalets frekvens. Antar vi en forplantningshastighet v 0,5 c 150 10 6 m/s (hvor c 30010 6 m/s er lyshastigheten), finner vi at feilen blir ubetydelig opp til f v 150 MHz. Eksempel En L 1 m lang kabel mellom tavle og oscilloscop vil gi betydelige refleksjoner for frekvenser over f 0,5 c 15 MHz dersom man ikke er nøye med terminering. 10 L 3

Figur 3 Koplingstavle. Figur 3 viser koplingstavlen. For hver kabeltype er det fire kontakter. Figuren viser kontaktene for 50 koaksialkabel. De to BNC kontaktene er henholdsvis inngang og utgang fra kabelgaten. De to skrukontaktene brukes til å terminere kabelen. Terminering kan gjøres med de faste motstandene eller potmeteret, vist i Figur 4. Bruk multimeter for å lese av verdien på potmeteret. Ved bruk av potmeter, bruk korte ledninger eller en BNC til bananplugg ledning for å minimalisere støy. Figur 4 Termineringsmotstander, fast motsand (t.v.) og potmeter (t.h.). 4

Figur 5 Terminering av kabel (t.v.) og avlesning av motstand med multimeter (t.h.). 5

Triacstyring Venstre del av koplingstavlen brukes til å styre tennvinkelen på et triac styrt effektuttak. En triac er en spesiell halvlederkomponent som brukes mye i styring av vekselstrøm, se Figur 6. Komponenten fungerer som en bryter, og vil normalt sperre for strøm gjennom terminalene T1 og T2. Dersom en strømpuls påtrykkes gate terminalen G, vil komponenten åpne, og strøm kan fritt løpe begge veier gjennom T1 og T2 terminalene. Komponenten vil også fortsette å lede strøm, selv om strømmen i gateterminalen opphører. Dersom også strømmen gjennom T1 og T2 opphører, vil imidlertid komponenten gå tilbake til å sperre. I et nett med 50 Hz vekselspenning vil dette skje hver gang spenningen passerer null volt, dvs. 100 ganger hvert sekund. Ved å pulse gate terminalen med forskjellig fasevinkel relativt til nullgjennomgang (se høyre del av Figur 6 samt Figur 7) slipper en gjennom bare en del av spenningsperioden, og slik styres RMS (root mean square) spenningen til lasten. Figur 6 Triac og fasevinkelstyring av vekselstrøm. Prinsippet er enkelt og effektivt, og vanlige triac er kan tåle opp mot tusen Volt og samtidig svitsje opp mot flere hundre Ampere med lite tap. Ulempen er de kraftige transientene som genereres når triac en åpner. Ved svitsjing av store effekter vil dette kunne resultere i at betydelig støy blir utsendt både via fordelingsnett og i form av elektromagnetisk stråling fra ledninger mellom triac og last. (Hvorfor? Hvor mange ledd har Fourierrekken til en diskontinuerlig periodisk funksjon?) Det er denne egenskapen vi bruker i denne oppgaven, hvor triac en fungerer som støykilde. Vi skal se på hvordan denne støyen smitter over fra effektkabelen til signalkablene i kabelgaten. 6

Triac en slås på med lysbryteren på koplingstavlen. For å endre tennvinkelen brukes skruknappen til høyre for bryteren. Kople oscilloskopet til signalutgangen på triac en for å se tennvinkelen. Figur 3 viser plasseringen til lysbryteren og skruknappen. Figur 7 Tennvinkel til triac. Et par praktiske råd Både oscilloskop og signalgenerator kopler nettjord til signaljord. For å unngå jordsløyfer kan det lønne seg å bruke skilletrafo, se Figur 8, mellom nett og oscilloskop. Kabler, termineringsmotstander (se Figur 4 og Figur 9), T plugger/forgreningsplugger (se Figur 9) osv. finnes i verktøykassen. Figur 8 Skilletrafo. Figur 9 T plugg (t.v.) og termineringsmotstand for kabel (t.h.). 7

Oppgaver Impedanstilpassing og transmisjonslinjer Oppgave 1 Probeledningens påvirkning I denne oppgaven skal vi se på hvordan signalkabelen mellom oscilloskop og det vi måler på kan påvirke målingene. Oppsett Skru på og still inn signalgeneratoren til å gi ut en firkantpuls med grunnfrekvens på omlag 1 MHz, og en peak to peak amplitude (topp til bunn) på omlag 1 V. Bruk oscilloskopet til å sjekke dette. Still inn oscilloskopet til 0,5 V/div vertikalt og 25 ns/div horisontalt, eller slik at du får med en enkelt flanke av firkantpulsen når du nå etterpå skal måle på utgangen til signalgeneratoren. Dersom det er problematisk å få stilt inn oscilloskopet, kan man bruke AUTO SET knappen først, og gjøre finjusteringer etterpå. For å kunne sammenligne responser (stigetider/falltider) bruker vi lagringsfunksjonen på oscilloskopet: Trykk SAVE/RECALL, velg WAVEFORMS, riktig kanal og en lagringsplass, f.eks. ref A. Trykk SAVE for å lagre bølgeformen. Får å vise lagret bølgeform, settes ref A til ON i REF MENU. Dersom du kopler bort signalgeneratoren, skal den lagrede bølgeformen nå henge igjen i bildet (med hvit farge). Når man måler på periodiske signaler er det ofte fordelaktig å midle over flere målte perioder for å redusere støy. Mange støykilder er ukorrelerte (uperiodiske), og støybidragene kansellerer derfor hverandre når man midler signalet over flere perioder. På det digitale oscilloskopet på arbeidsplassen kan man midle inngangssignalet ved å trykke på AQUIRE, og deretter velge AVERAGE. Her kan man sette antall perioder man ønsker å midle over. Sett AVERAGES til 16 (flere perioder gir bedre støyundertrykking, men det tar da lengre tid å se endringer i det periodiske signalet). Husk at inngangen på oscilloskopet har tilnærmet uendelig impedans (du kan prøve å måle motstanden med multimeteret). Utførelse 1) Bruk først en høyimpedant måleprobe (se Figur 10) til å måle direkte på utgangen til signalgeneratoren. Sett jordingsklypa på skjermen/kappen på BNCkontakten, og probespissen inn i midten av BNC kontakten. Se til at du får fylt oscilloskopskjermen med én flanke, som beskrevet ovenfor. Sjekk at bryteren 1X/10X på probespissen står innstilt på 1X. Lagre denne bølgeformen til ref A på oscilloskopet. 2) Bytt ut måleproben med en 50 Ω koaksialkabel 1 direkte mellom signalgeneratoren og oscilloskopet. Lagre denne bølgeformen på ref B. 1 Denne impedansen referer til kabelens karakteristiske impedans, Z o. 8

3) Bruk så en T plugg og en 50 Ω termineringsmotstand (se Figur 9, motstandsverdien står oppgitt på den ene enden) til å terminere kabelen direkte ved oscilloskopet. Legg merke til eventuelle endringer i amplituden på det målte signalet. Spørsmål a) Hvilken av måleoppkoplingene har raskest respons (stigetid/falltid)? b) Hvilken fordel har det å bruke en høyimpedant måleprobe istedenfor en lavimpedant, terminert 50 Ω koaksialkabel? (Tips: Ukjent impedans i kilde, belastning av kilde.) Figur 10 Måleprobe. (Kan ha annet utseende.) Oppgave 2 Signalforplantning og linjeterminering Vi skal nå se litt på hvordan et signal forplanter seg i en lang kabel, hvordan det blir reflektert i enden av kabelen, og hvilken betydning terminering av kabelen har for signalet. Les gjerne om pulstransport i kompendiet (Kapittel 1 Transmisjonslinjer og bølgefenomener) før dere gjør denne oppgaven. Oppsett Bruk en T plugg ved signalgeneratoren. Kople en 50 Ω koaksialkabel til inngangen for 50 Ω koaksialkabel på kabelgaten, og en 50 Ω koaksialkabel direkte til oscilloskopet. Utgangen fra kabelgaten koples til den andre kanalen på oscilloskopet, se Figur 11. (Den observante student vil nå legge merke til at vi har laget en diger jordsløyfe. Støymessig er dette egentlig ganske ugunstig, men det er vanskelig å unngå, så vi får heller bare akseptere dette her.) Ideelt sett ønsker vi å måle hva som skjer i hver sin ende av den 10 m lange kabelen i kabelgaten. 9

Figur 11 Oppsett. Utførelse og spørsmål a) Prøv først uten noen form for terminering på koplingstavlen. Hvordan ser signalet ut ved inngangen på og utgangen av kabelen i kabelgaten? (Tips: Signalet reflekteres ved utgangen.) b) Kabelgaten er ca. 10 meter lang, og signalet må vandre denne strekningen. Bruk markørene på oscilloskopet for å måle tidsdifferansen. Trykk på CURSOR og velg type TIME. Markørene velges med knappene ved displayet, og flyttes ved å dreie det store hjulet øverst til venstre. Prøv å beregne fasehastighet i kabelen ut fra responsen. Sammenlikn fasehastigheten med lyshastigheten (c 30010 6 m/s). c) Terminer utgangen av kabelen med forskjellige motstander (f.eks. 1 kω, 100 Ω, 47 Ω, 10 Ω, 1 Ω). Kople potmeteret eller de faste motstandene til skruterminalene på koplingstavlen. Forklar de forskjellige responsene ut fra teorien om refleksjon i transmisjonslinjer. (Tips: Husk at belastningsimpedans som er hhv. større eller mindre enn karakteristisk impedans vil gi refleksjonskoeffisienter med motsatte fortegn). 10

d) Sammenlign responsen du får når du terminerer med en 47 Ω motstand på koplingstavlen, med den du får ved å terminere med 50 Ω direkte ved oscilloskopet (bruk en T plugg). e) Beregn kapasitans per meter, c [F/m], og induktans per meter, m [H/m], for 50 Ω m 1 koaksialkabelen ut fra formlene Z0 og v (jfr. evt. Figur 1 og c m c avsnittet om implikasjonene av løsningen av telegraflikningene i kompendiet Kapittel 1 Transmisjonslinjer og bølgefenomener). Fyll ut i tabellen nedenfor. f) Fortsett med minst 2 av de andre kabeltypene. Finn eksperimentelt henholdsvis karakteristisk impedans, Z 0, og fasehastighet, v, og beregn F/m og H/m for de valgte kablene. Fyll ut i tabellen under. g) Gitt en kabellengde på 10 meter; ved hvilke frekvenser vil transienter i denne kabelen bli av betydning? Kabel Karakteristisk impedans, Z o [Ω] Fasehastighet, v [m/s] Kapasitans, c [F/m] Induktans, m [H/m] Antenne Høyttaler Flatkabel Koaksial, 50 Ω Koaksial, 75 Ω TP shielded TP unshielded 11

Kabelstøy Oppgave 3 Støy fra en nærliggende kraftkabel Signalkabler som ligger nært opp mot kraftkabler vil lett kunne plukke opp støy fra disse. Raske endringer i spenning vil gi kapasitivt overført støy, mens raske endringer i strøm overfører støy induktivt. Kabeltype, terminering av signalkablene og skjerming vil være avgjørende for hvor mye støy som plukkes opp. Oppsett Kople oscilloskopets kanal 2 til signalutgangen på triac en (BNC kontakt til høyre for stikkontakt). Sett måleproben til 10X for å holde signalet innenfor oscilloskopets måleomfang (denne deler ned signalet til 1/10 av sin egentlige amplitude). Sett trigger til kanal 2 (trykk på TRIG MENU, og velg SOURCE som Ch2), og juster triggernivå slik at bildet blir stabilt. Sett triac ens tennvinkel til omlag 90 (pilen på bryteren peker ca rett opp). Figur 12 Måleprobetilkopling for signalutgang på triac. Utførelse og spørsmål a) Hvorfor blir støyen størst ved denne tennvinkelen? (Tips: Tenk Fourierrekke, evt. størst derivert.) b) Ta utgangspunkt i kablene du så på i oppgave 2. La kablene være åpne (ingen terminering på inngang eller utgang) og uten å sette på signal. Kople oscilloskopets kanal 1 til utgangen på de forskjellige kabeltypene og noter amplituden til støyen i tabellen på neste side. Bruk spissverdideteksjon på oscilloskopet. Trykk AQUIRE og velg PEAK DETECT. For å måle amplituden, kan man bruke enten CURSOR eller MEASURE funksjonene på oscilloskopet. Hvilken kabel gir hhv. best og dårligst beskyttelse mot støy? c) Induktivt overført støy gir opphav til et strømsignal. Spenningen som støyen genererer vil være avhengig av inngangsimpedansen (termineringen) av kabelen. Terminer utgangene med kablenes karakteristiske impedans (som ble funnet i oppgave 2), se Figur 13 for et eksempel på en oppkopling. Mål støyamplitudene og noter dem i tabellen på neste side. 12

Figur 13 Oppsett. Kabel Åpen (peak to peak) Terminert (peak to peak) Antenne Høyttaler Flatkabel Koaksial, 50 Ω Koaksial, 75 Ω TP shielded TP unshielded 13

Oppgave 4 Skjerming Ved å trekke en skjerm (Faradaybur) rundt en kabel kan vi gjøre den mindre følsom for støy. Hvordan skjermen termineres er imidlertid avgjørende for resultatet. Her skal vi sammenligne TP kabel (twisted pair kabel) med og uten skjerm. Oppsett Bruk samme oppsett som i oppgave 3, med oscilloskopets kanal 2 tilkoplet signalutgangen på triac en, og med oscilloskopets kanal 1 tilkoplet utgangen på TPkabel uten skjem (del a) eller TP kabel med skjerm (del a, b og c). Utførelse og spørsmål a) La skjermingen være utilkoplet (for TP kabel med skjerm). Sammenlign støyen for TP kabel med og uten skjerm. Hvor godt beskytter skjermingen mot støy? Er det noen forskjell i de to tilfellene? b) Mål på utgangen til TP kabel med skjerm. Kortslutt skjerm og negativ signalleder (kappe på BNC plugg,) ved inngangen til kabelgaten, se Figur 14. Hva skjer med støyen i dette tilfellet? c) Mål på utgangen til TP kabel med skjerm. Kortslutt skjerm og negativ signalleder ved utgang fra kabelgaten, se Figur 14. Gir dette bedre eller dårligere beskyttelse mot støy? Figur 14 Kortslutning av skjerm om negativ signalleder, ved inngang (t.v.) og utgang (t.h.). Figur 15 TP kabel med mulighet for skjerming 14

Støy og krysstale i flatkabel De enkelte ledningene i en flatkabel gir liten beskyttelse mot støy. Siden lederne ligger så nært inntil hverandre, vil et signal i en leder lett smitte over på nabolederen (krysstale). Ved lange signaloverføringer egner flatkabel seg generelt dårlig. Ved å benytte strømsløyfer, balanserte signallinjer og/eller bruke noen av lederne som skjerming, kan imidlertid følsomheten for støy reduseres. I Figur 16 ser vi et ubalansert oppsett med felles skjermjord, i midten et ubalansert oppsett med skjermjord i annenhver leder, og til høyre et balansert oppsett med skjermjord. Oppgave 5 Støy fra en effektleder Figur 16 Eksempler på skjerming i flatkabel. Oppsett Det skal ikke koples signal på lederne, triac en brukes som støykilde, slik som i oppgave 3 og 4 (tennvinkelen skal være 90 ). Utførelse og spørsmål a) Bruk en av lederne i flatkabelen som jord og mål støyen som plukkes opp i de andre lederne, se Figur 17. (Tips: Bruk spissverdideteksjon på oscilloskopet.) b) Prøv med to jordledere med en signalleder imellom, se Figur 18. Hvordan hjelper dette på støyen? (Tips: Jordplan.) c) Eksperimenter også med terminering i en eller begge endene av flatkabelen, se Figur 19. Hva skjer med støyen nå? (Tips: Last.) 15

Jord på tavle (ved TP shield) Figur 17 Oppkopling i del a). Jord på tavle (ved TP shield) Figur 18 Oppkopling i del b). Jord på tavle (ved TP shield) Figur 19 Oppkopling i del c). 16

Oppgave 6 Krysstale mellom parallelle ledere Oppsett Skru av triac lasten. Signalgeneratoren koples til en av lederne i flatkabelen. Utførelse og spørsmål a) Med en leder som felles jordreferanse, send inn et signal i en av lederne og mål signalet som plukkes opp i nabolederne. (Tips: bruk AVERAGE på oscilloskopet for å undertrykke annen støy.) b) Eksperimenter med terminering av lederen som plukker opp krysstalen. Hva er den største forskjellen sammenliknet med del a)? c) Eksperimenter med frekvens og signalform. Hvilke frekvenser smitter mest mellom lederne? Hvilken signalform smitter mest? Figur 20 Oppkopling del a) (t.v.) og oppkopling del b) (t.h.). 17