S Elektroniset mittaukset ja elektroniikan häiriökysymykset. Vanhoja tenttitehtäviä

Transkriptio

1 S Elektroniset mittaukset ja elektroniikan häiriökysymykset 1. Vastaa lyhyesti: a) Mitä on kohina (yleisesti)? b) Miten määritellään kohinaluku? c) Miten / missä syntyy raekohinaa? Vanhoja tenttitehtäviä 3. Selosta lyhyesti eri kohinamekanismit sekä miten kussakin tapauksessa kohinaa voidaan pienentää. 4. Luettele menetelmiä joiden avulla voidaan parantaa signaali-kohina suhdetta. Oletetaan että sähköisesti kytkeytyvät häiriöt on jo eliminoitu. (1 piste/menetelmä) 5. Keskiarvoistus mittaustekniikassa. 6. Selitä korrelaatiofunktion periaate. Miten auto- ja ristikorrelaatioita voidaan käyttää mittaustekniikassa? 7. Laske oheisen operaatiovahvistinkytkennän ulostulossa näkyvä kohinajännitteen tehollisarvo. R 1 = 1 kω, R = 1 MΩ, C = 5 pf, T = 3 K, k = 1, J/K. Operaatiovahvistimen kohinajännite- ja kohinavirtatiheys ovat e n = nv/ Hz ja i n = 1 pa/ Hz, muuten voit olettaa sen ideaaliseksi. Kohinakaista B on kytkennän rajataajuus f kertaa 1,57. C R R 1 8. Oheisen operaatiovahvistinkytkennän avulla mitataan ilmanpainetta (referenssivirtalähdettä ei piirretty, ei tarvitse huomioida). Paineanturin resistanssi riippuu paineesta kaavan R S = R + β (p-p ) mukaan, jossa R = 1 kω, β = 1, Ω/Pa ja p = 1 kpa. Operaatiovahvistimen kohinajännite- ja kohinavirtatiheys ovat e n = 5 nv/ Hz ja i n =,4 pa/ Hz, muuten voit olettaa sen ideaaliseksi. T = 3 K, k = 1, J/K. Laske: a) ulostulossa näkyvä kohinajännitetiheys (V/ Hz), kun p = 11 kpa, (4 pist.) b) paine p, jolla saavutettaisiin kohinaoptimi. ( pist.) 4/6/4 1 (1) PK

2 p R k R S R 1 1k 9. Ohessa on anturi-mittausvahvistinkytkentä, jossa R S = 1 kω, R 1 = 1 kω ja R = 1 kω. Operaatiovahvistimen jännitekohinatiheys on e n = 1 nv/ Hz ja virtakohinatiheys i n = 1 pa/ Hz. Kytkentä on lämpötilassa T = C. k = 1, J/K. a) Laske ulostulossa näkyvä kohinajännitetiheys (4 p). b) Miten kohinaa voisi pienentää vaikuttamatta signaalin tasoon, kun käytetään samaa anturia ja mittauskytkentää ( p). anturi R S R U S R 1 1. Tarkastellaan oheisen kuvan mukaista kytkentää. a) Johda U :n lauseke. Termomuuntajan lähtö on muotoa U = kuin + at, missä T on ulkoinen lämpötila. Oletetaan, että k 1 k ja a 1 a. DC-vahvistimen vahvistus oletetaan suureksi. b) Kuvan mukaisen termomuuttajan ottoon syötetään tasalatvaisia pulsseja, joiden leveys on α, jakson pituus T = 1 ms sekä pulssin korkeus U = 1 mv. Kuinka lyhyt voi α enintään olla, jotta epätarkkuus olisi pienempi kuin 1 %, kun tiedetään, että ACvahvistimen SLEW RATE on.5 V/µs. AC-input jännite U 1 = mittaustermomuuttaja = balansoiva termomuuttaja ACvahv. DCvahv. U U3 mittari U1 U - takaisinkytkentä virta 11. Kerro ongelmia/ilmiöitä (6 kpl), jotka voivat aiheuttaa virhettä pienten virtojen (alle 1 na) mittauksissa sekä miten niiden vaikutusta voidaan pienentää. 4/6/4 (1) PK

3 1. Jaksollisen signaalin signaali-kohina suhdetta parannetaan laskemalla keskiarvoa useista mittauksista. a) Johda kaava S/N-suhteen paranemiselle, kun keskiarvo lasketaan N:stä mittauksesta. b) Montako desibeliä S/N-suhde paranee jos N=1? c) Miten tilanne muuttuu, jos signaaliin on summautunut valkoisen kohinan sijaan 1/fkohinaa? 13. Selitä lyhyesti: a) raekohina, (syntyminen ja kaava) b) kohinaluku, (määritelmä) c) kohinakaista. 14. a) Selitä minkälaisia ovat amplitudi- ja taajuusmoduloitujen signaalien spektrit. (3 p.) b) Määrittele kohinakaistanleveys ja laske se 1-napaiselle RC-alipäästösuodattimelle. (3 p.) 15. Kapasitiivisesti kytkeytyvien häiriöiden torjunta. 16. Induktiivisesti kytkeytyvien häiriöiden torjunta. 17. Sähkökentän voimakkuuden mittaus ja mittauksen virhelähteet. 18. Miten lähikentässä tapahtuva kapasitiivinen ja induktiivinen kytkeytyminen eroavat toisistaan? Miten niitä voi mitata? 19. Piirrä ja selosta esimerkin avulla kelluva johteella suojattu (GUARD) mittausjärjestelmä.. Hetkelliset ylijännitteet sähköverkossa ja niiden vaimentaminen elektroniikkalaitteiden sähkönsyötössä. 1. Selosta kelluvan, johteella suojatun (guard) mittausjärjestelmän rakenne ja toimintaperiaate. Esitä esimerkki kyseisen mittauslaitteen oikeasta käytöstä.. Kahden metallisen laitekotelon välillä vallitsee noin 1 V, 5 Hz häiriöjännite (maapotentiaaliero). Koteloiden etäisyys on noin 1 metriä. Esitä ne tavat (1/ pistettä per tapa), joilla signaali välitetään kotelosta toiseen häiriöttä. 3. Selosta kahden laitteen välisen signaaliyhteyden (noin 1 metriä) järjestämiskeinot, kun kyseisten laitteiden laiterunkojen (koteloiden) välillä vallitsee noin 1 voltin verkkotaajuinen (5 Hz) häiriöjännite. (Keinoja on noin kpl. Arvostelussa,5 p/hyväksytty keino, kuitenkin max 6p). 4. Elektroniikkalaitteen sähkömagneettinen suojaus laitekoteloinnilla. 5. Laske pääte- ja esivahvistimien välille muodostuva häiriöjännite kuvan mukaisessa tapauksessa. Johtimen AB poikkipinta-ala on,1 mm, pituus 5 cm, ρ(cu)=,175 µωm. 4/6/4 3 (1) PK

4 V 1,1 V 1 V, 1 A S 3 V 5 Hz 1 V A 1 mf B Päätevahv. Esivahv. 6. Laske pääte- ja esivahvistimien välille muodostuva häiriöjännite kuvan mukaisessa tapauksessa. Johtimen AB poikkipinta-ala on,1 mm, pituus 5 cm, ρ(cu)=,175 µωm. V 1,1 V 1 V, 1 A S 3 V 5 Hz 1 V A 1 mf B Päätevahv. Esivahv. 7. Laske oheisen piirin CMRR tasajännitteellä. Uin 1k 1.5k 98k + - 1M 8. Kuinka suuri läpivientikondensaattori tarvitaan DC-johtoon, jos halutaan 6 db:n vaimennus (verrattuna tapaukseen ilman kondensaattoria) 15 MHz:n taajuudella? Häiriögeneraattorin sisäinen vastus R S = 5 Ω ja kuormavastus R L = 5 Ω. R S C R L U h U g 9. Selosta pyyhkäisevän ja Fourier-spektrianalysaattorin toimintaperiaate ja ominaisuudet. 3. Tyypilliset AD/DA-muuntimien muunnosvirheet (6 kpl). 31. Punnitsevan A/D-muuntimen toiminta ja ominaisuudet. 3. Mitä on laskostuminen (alias ilmiö)? Kuvaile laskostumisilmiö aika- ja taajuusalueissa. 4/6/4 4 (1) PK

5 33. Laitekotelon suojaaminen ohuella johteella. 34. Dual-slope periaatteella toimivan DVM:n sisäisen vertailujännitteen (1 V) epätarkkuus on 1-5, integroinnin stabiilisuus on 1 µv/s ja oskillaattorin stabiilisuus 1-4 /s. a) Kuinka tarkasti laitteella voi mitata 1 V jännitteen, kun mittausaika on 1 ms? b) Oletetaan, että häiriön vaikutus (ottoon redusoituna) on 5 1-4, jos mittausaika on 1 ms. Oletetaan lisäksi, että häiriön vaikutus on kääntäen verrannollinen mittausaikaan. Kuinka pitkän mittausajan valitsisit? 35. R-R vastus-tikapuuverkko D/A -muuntimen rakenne ja ominaisuudet. 36. Oheisessa kuvassa on määritelty kaksi signaalia x(t) ja y(t). x(t) y(t) t t a) Hahmottele signaalin x(t) autokorrelaatiofunktio. b) Hahmottele signaalien välinen ristikorrelaatiofunktio ψ xy c) Mikä vaikutus b)-kohdassa hahmottelemaasi ristikorrelaatiofunktioon on sillä, jos vaihdat funktiot keskenään, eli lasketkin ristikorrelaation ψ yx? 37. Tarkastellaan oheisen kuvan mukaista jaksollista pulssijonoa. a) Hahmottele signaalin autokorrelaatiofunktio ψ(τ). b) Miten autokorrelaatiofunktio muuttuu, jos signaaliin summautuu kohinaa? U/µV t/ms 38. Miten määritellään A/D-muuntimen efektiivinen bittien lukumäärä? 4/6/4 5 (1) PK

6 39. Tarkastellaan oheisen kuvan mukaista pulssijonoa. a) Hahmottele pulssijonon amplitudispektri. b) Miten spektri muuttuu, jos kyseessä on vain yksi pulssi? c) Millainen on alipäästösuodatetun (RC-suodatin) pulssijonon spektri? U/V t/ms Rinnakkais-D/A-muuntimen toiminta ja ominaisuudet. 41. Selitä korrelaatiofunktion periaate. Miten auto- ja ristikorrelaatioita voidaan käyttää mittaustekniikassa? 4. Käytössäsi on kaksitoistabittinen A/D-muunnin, jonka referenssijännite U ref = 5 V. Muunninta käytetään yksipuoleisella käyttöjännitteellä (>5 V) ja ulostuleva digitaalisana luetaan mikroprosessorille. a) Mikä on pienin signaalin muutos [V], jonka voit järjestelmällä mitata? a) Testaat muunnintasi sinisignaalilla jonka amplitudi on 3, V huipusta huippuun. Signaali on biasoitu siten, että alin arvo on U min = V. Kuinka suuri voi olla parhaimmillaan prosessorille luettavan signaalin signaali-kohina suhde [db] tässä mittauksessa? 43. Analogisesta signaalista otetaan näytteenotto- ja pitopiirillä näytteitä 5 µs välein. Näytteitä luetaan prosessorille 8-bittisellä A/D-muuntimella 1 ms ajan, ja saaduille pisteille tehdään diskreetti Fourier-muunnos. a) Miten saatu spektri eroaa signaalin todellisesta spektristä? (Mainitse vähintään kolme epäideaalisuutta, 1 piste/ero). b) Systeemillä luetaan signaalia jonka signaali-kohina suhde SNR = 6 db. Paljonko SNR voi parhaimmillaan olla muuntimen jälkeen? (Voit olettaa muunninsysteemin termiset kohinat olemattomiksi. Oletetaan lisäksi, että signaalin amplitudi on mahdollisimman suuri, kuitenkin niin ettei signaali säröydy). 44. Määrittele lyhyesti a) A/D-muuntimen efektiivinen bittien lukumäärä 4/6/4 6 (1) PK

7 b) Konvoluutio 45. Käytössäsi on 8-bittinen A/D-muunnin. Muuntimelle tulee sinisignaalia, jonka SNR = 48dB. a) Kuinka hyvä voi signaali/kohina-suhde korkeintaan olla muuntimen jälkeen? b) Mikä on ulostulevan signaalin efektiivinen bittien lukumäärä? 46. Pienikohinaisella esivahvistimella vahvistetaan signaalia, jonka lähteen resistanssi R S = Ω. Vahvistimen ottoimpedanssi on käytännössä ääretön, kohinajännitetiheys e n = nv/ Hz ja kohinavirtatiheys i n =.5 pa/ Hz. Kytkennän kohinaominaisuuksia parannetaan vahvistimen ottopuolelle kytkettävän impedanssisovitusmuuntajan avulla. T = 3 K, k = J/K. a) Määritä sisäänmenoon asetettavan impedanssisovitusmuuntajan käämien kierrossuhde (1:N), jolla saavutetaan optimaaliset kohinaominaisuudet (Huom. kerro myös kummalle puolelle kyseiset N kierrosta tulee). p. b) Laske kohinajännite vahvistimen ulostulossa, kun vahvistimen vahvistus A = 1 ja efektiivinen kaistanleveys B = 1 Hz. p. c) Miten suuri olisi ulostulon kohinajännite, jos vahvistin kytkettäisiin suoraan Ω:n lähteeseen ilman muuntajaa? 1 p. Miksi tämä tilanne on huonompi vaikka kohina on pienempi? 1 p. e ns e n R s U s 1:N i n Z i A U o e no R s ' = N R s 47. Miten näytteenottotaajuus vaikuttaa A/D-muuntimesta saatavaan kuvaukseen jatkuvasta signaalista? 48. a) Laske oheisen piirin CMRR tasajännitteellä. (4 p.) U in 1 k Ω + A - k Ω 99 k Ω 1 MΩ b) Oletetaan että piiriä käytetään instrumentointivahvistimena. Mikä on piirin perimmäinen ongelma tässä mittaustarkoituksessa ja miten sitä voisi vähentää? 4/6/4 7 (1) PK

8 49. a) Määrittele ja laske kohinakaistanleveys 1 napaiselle RC-alipäästösuodattimelle. b) Operaatiovahvistimen ulostulon kohinaspektri koostuu sekä valkoisesta- että 1/fkohinasta kaavan e( f ) f n = e (1 + ) mukaan. Vahvistimen kohinakaista on rajoitettu f välille 1 1 Hz. Laske mittarilla näkyvä kohinajännite. f = 15 Hz. 5. Määrittele lyhyesti: a) A/D-muuntimen efektiivinen bittien lukumäärä? b) Kohinaluku c) Sähkömagneettinen pulssi (EMP) e = 1 V / Hz ja µ 51. Selitä konvoluution periaate. Miten mittalaitteen (esim. spektrianalysaattori) konvoluutio vaikuttaa mittaustulokseen ja miten sen vaikutus voidaan minimoida? 5. a) Operaatiovahvistimen ulostulon kohinaspektri koostuu sekä valkoisesta- että 1/fkohinasta kaavan e( f ) f n = e (1 + ) mukaan. Vahvistimen kohinakaista on rajoitettu f välille 1-1 Hz. Mittaat volttimittarilla 5 Hz sinimuotoista signaalia operaatiovahvistimen lähdöstä ja saat lukeman 5 mv RMS. Laske mittauksen signaalikohina suhde. e = 1 V / Hz ja f =75 Hz. (3 p.) µ b) Kuvan 3 operaatiovahvistinkytkennän avulla mitataan ilmanpainetta (referenssivirtalähdettä ei piirretty, ei tarvitse huomioida). Paineanturin resistanssi riippuu paineesta kaavan R s = R + b (p-p ) mukaan, jossa R = 1 kω, b = 1, Ω/Pa ja p = 1 kpa. Operaatiovahvistimen kohinajännite- ja kohinavirtatiheys ovat e n = 15 nv/ Hz ja i n = 3 pa/ Hz, muuten voit olettaa sen ideaaliseksi. T = 3 K, k = 1, J/K. Laske ulostulossa näkyvä kohinajännitetiheys (V/ Hz), kun p = 111 kpa (3 p.) p RS Kuva 3 R R1 k 1k 53. Tehtävänäsi on suunnitella elektroniikka, jolla voidaan lukea audiosignaali (f = 5 Hz 1 khz) prosessorille. Signaali on biasoitu siten, että sen keskiarvo on 5 V, ja signaali vaihtelee välillä 1 V. Lopputuloksen signaalikohinasuhteen on oltava parempi kuin 65 db. a) Minkätyyppiset A/D muuntimet tulevat kyseeseen? (1 p.) b) Miten muuntimen referenssijännite on mitoitettava? (1 p.) c) Kuinka monta bittiä muuntimeen tarvitaan?. ( p.) d) Miten muuntimen kellotaajuus kannattaa valita?. ( p.) 54. Kuvan mittaussillassa venymäliuska-anturin R 4 vastus vaihtelee välillä 1 1 Ω. Sillan ulostulo DV kytketään oheisen instrumentointivahvistimen sisäänmenoon (V 1, V ). 4/6/4 8 (1) PK

9 a) Millä välillä sillan ulostulojännite DV vaihtelee? b) Mitoita instrumentointivahvistin siten, että ulostulojännitteen V out maksimiarvo on.5 V. c) Mikä merkitys on instrumentointivahvistimen sisäänmenoissa olevilla yksikkövahvistimilla? 55. Selosta lyhyesti a) Mihin käytetään anti-alias-suodatinta? b) Miten näytteenottotaajuus vaikuttaa anti-alias-suodattimen suunnitteluun ja toteutukseen? c) Miten määritellään A/D-muuntimen efektiivinen bittien lukumäärä? 56. Tehtävänäsi on suunnitella elektroniikka, jolla voidaan lukea audiosignaali (f = 5 Hz 1 khz) prosessorille. Signaali on biasoitu siten, että sen keskiarvo on 1.5 V, ja signaali vaihtelee välillä 3 V. Lopputuloksen signaalikohinasuhteen on oltava parempi kuin 65 db. a) Minkätyyppiset A/D muuntimet tulevat kyseeseen? (1 p.) b) Miten muuntimen referenssijännite on mitoitettava? (1 p.) c) Kuinka monta bittiä muuntimeen tarvitaan?. ( p.) d) Miten muuntimen kellotaajuus kannattaa valita?. ( p.) 57. Digitaalipiirin tilanmuutos aiheuttaa tehonsyöttöjohtimeen 3 ma virtatason muutoksen 5 ns:ssa (kuva). a) Kuinka suuri on tästä aiheutuva häiriöjännite kun johtimen induktanssi L = 5 nh, eikä suodatinkondensaattoria ole? b) Mikä on tarvittavan suodatinkondensaattorin minimiarvo Cmin, kun edellä mainitun tilanmuutoksen aiheuttama jännitemuutos ei saa ylittää 5 millivolttia, joka on muiden piirien sietoisuuden kannalta suurin sallittu arvo? 4/6/4 9 (1) PK

10 58. Selitä lyhyesti a) Konvoluutio b) Anti-alias-suodatin 4/6/4 1 (1) PK