Tentamen Systemdesign Lösningar och kommentarer

Transkript

1 Tentamen Systemdesign Lösningar och kommentarer Program: Elektronikdesign Datum: Tid: 16:00-19:00 Lokal E1028 Hjälpmedel: Linjal, Miniräknare Bilaga: Ingen Examinator: Anders Arvidsson Telefon: Examinatorn besöker tentamen (efter ca halva tiden). Uppgifterna redovisas direkt i frågebladet, eller vid platsbrist på separata ark, vilka då ska numreras och hänvisas till från uppgiftsbladet samt förses med namn. Om inget annat anges krävs inga redovisade beräkningar, men om beräkningar redovisas (t.ex. på separat ark) ökar möjligheten till tröstpoäng om svaret är fel (men rimligt). Max poäng: 25 Betyg Poäng (6)

2 Tentamensfrågor Läs igenom alla uppgifter så du kan ställa frågor när examinatorn besöker tentan. Efter kl 18 går det inte nå examinatorn per telefon. 1. När vi t ex skriver en specifikation eller konstruktionsbeskrivning är det bra att ha en strategi för att öka läsbarheten så att någon annan kan få en överblick. Vad är skillnaden mellan en abstrakt och en hierarkisk beskrivning? (2 p) Abstraktion Vi beskriver på en högre nivå och bryr oss inte (just nu) om detaljerna. Hierarki Vi döljer detaljer genom att bygga upp beskrivningen lager för lager med olika detaljnivå (helst med början i högsta abstraktionsnivån). 2. Vad är anledningen till att vi bör använda typdef i ANSI-C istället för att använda de fördefinierade datatyperna som t ex char eller int. (2 p) Storleken på variabeltyperna är inte definierade i ANSI-C. Storleken kan variera med processor och kompilator. Genom att definiera egna typer slipper vi skriva om koden när vi byter processor eller kompilator. 3. Besvara följande påståenden angående realtidssystem. 2 rätt => 1 p. (2 p) Med överlast menas att CPU-tiden inte räcker för allt som måste köras. En semafor markerar för andra task att de inte får använda t ex delad data under viss tid. Ett hårt realtidssystem får överskrida sina deadlines ibland, så länge de hinns med i genomsnitt över en längre tidsperiod. Sant Falskt 2 (6)

3 4. Ibland måste vi ta hänsyn till den elektriska miljön när vi väljer metod för dataöverföring. Nämn en fördel med differentiell överföring jämfört med vanlig obalanserad överföring. Ge också exempel på protokoll som använder respektive typ av överföring. (2 p) En differentiell överföring tål betydligt flerstörningar utifrån eftersom dessa normalt påverkar båda ledningarna lika. (Det går också bra att beskriva de minskade utsända störningarna från differentiell överföring.) Obalanserad: RS-232 Differentiell: USB 5. När vi ska ansluta fler USB-enheter till en dator än datorn har USB-portar använder vi en USB-hub. Det går att köpa en USB-hub både med och utan spänningsmatning (nätadapter). När kan vi behöva en USB-hub med spänningsmatning? (2 p) Strömuttaget från datorns USB-portar är begränsat. Vi får inte ut maximalt med ström utan att fråga datorn om lov och hänger vi på flera enheter som vill ha mycket ström kan en USB-hub med egen strömförsörjning hjälpa till. 6. Besvara följande påståenden angående CE-märkning. 2 rätt => 1 p. (2 p) Endast apparater ska CE-märkas, inte komponenter. En överensstämmelsedeklaration är inte obligatorisk att ha, men kan ändå vara bra att kunna visa upp om produkten visar sig stråla för mycket. Tillverkaren kan, om harmoniserade standarder finns, CE-märka en apparat helt utan myndigheters inblandning. Sant Falskt 3 (6)

4 7. Vid trådlös störningsöverföring skiljer man på impediv och kapacitiv koppling samt radiostrålning. a) Vad är det för typ av fält (E eller H?) som är inblandat vid impediv respektive kapacitiv koppling? b) Varför är det intressant att skilja på om störningen beror på impediv eller kapacitiv koppling respektive radiostrålning? c) Hur långt från störkällan bör vi vara innan vi betraktar fältet som renodlad radiostålning oavsett källans karaktär? Svara i en för ändamålet lämplig enhet. (2 p) (De något vaga begreppen i uppgiften beror på att en del mer precisa termer troligen blir en del av resonemanget i svaret. Uppgiften går alltså delvis ut på att förklara ett praktiskt fenomen i lite mer teoretiska termer.) a) Impediv koppling fås vid H-fält (magnetfält) och kapacitiv koplping vid E-fält. b) Metoderna för att minska störningen varierar beroende på typen av fält. c) Fjärrfältet, d v s när förhållandet mellan fälten blivit rymdens impedans, varierar efter typ av källa men genereras oftast inom 1/6 våglängd till två våglängder. 8. Eftersom elektromagnetiska fält (i fjärrfältet) består av bestämda proportioner E- och H- fält kan man enkelt räkna om ett fält från en enhet till den man finner mest lämplig. Några dm från en mobiltelefon uppmättes 10 V/m. a) Hur stort är H-fältet i samma punkt? b) Hur stor är effekttätheten i samma punkt? Svara med enheter! (2 p) Z = E/H. Z = 377 Ω => H = E/377 0,0265 A/m 27 ma/m S = E*H = E 2 /Z 0,265 W/m 2 0,27 W/m 2 a) Svar: 27 ma/m b) Svar: 0,27 W/m 2 4 (6)

5 9. Vid beräkningar på lågfrekvent analog elektronik utgår vi ofta från att kondensatorn är ideal, men ibland måste vi ta hänsyn till någon ytterligare parameter. Rita upp en skiss för en verklig kondensator (fyra komponenter). Ge också två exempel på hur serieresistansen kan utgöra ett problem. (2 p) Plats för skiss: serieresistans (Rs) Serieinduktans (Ls) Kapacitans (C) Parallellresistans Serieresistansen kan ge upphov till ökat rippel när kondensatorn används för glättning och förkortad livslängd om förlusten innebär att en elektrolytkondensator värms upp. 10. I en åskledare som träffas direkt av blixten stiger strömmen till 20 ka på 1 µs. Från åskledarens spets på taket på flerfamiljshuset ner till marken är det 10 meter. Hur stor blir den maximala spänningen mellan åskledarens spets och marken? (Uppgiften förutsätter, förvisso inte helt realistiskt, att vi inte får något överslag mot annat i byggnaden som leder en del av strömmen samt att markresistansen kan försummas)? (2 p) U = L*di/dt. L = 10 nh/cm => L = 10 μh U = 10*10-6 *20000/1*10-6 = V Svar: 0,2 MV 11. Bestäm inresistans och förstärkning i kopplingen nedan. (2 p) Inresistans = 1 MΩ Förstärkning = -12 ggr Antag en spänning på Uin, t ex 1 V, och beräkna strömmarna. Se föreläsningsanteckningarna för en motsvarande uppgift. 5 (6)

6 12. Nedan visas ett utdrag ur ett datablad för en OP-förstärkare som matas med ±15 V. Besvara nedanstående frågor om OP-förstärkaren ovan. a) Vi konstruerar en vanlig icke-inverterande förstärkare med OP:n, där motstånden väljs så att förstärkningen blir 100 ggr. Vad får denna förstärkare för bandbredd? (Med bandbredd avses här den frekvens där förstärkningen sjunkit till 100/ 2.) Svar: 14 khz ( /(100/ 2)) b) Vilken är den största insignal (sinus, toppvärde) som i vår koppling fortfarande garanterat ger en ren sinus ut? OP:n matas med ±15 V. (Tips: Tänk även på Offset, och räkna i samtliga parametrar på värsta fallet över hela temperaturområdet). Redovisa resonemang/beräkning! Maximum peak output voltage swing = ±10 V (värsta fallet), dessutom är Input offset voltage 20 mv max. 20 mv in betyder upp till 2 V DC-förskjutning på utgången, vilket ger att utspänningen kan klippa redan vid 8 V. 8/100 = 80 mv Svar: 80 mv (3 p) 6 (6)