Nyomtatott áramköri vonalak méréséhez

MÉRÉSI SEGÉDLET

Nyomtatott áramköri vonalak méréséhez (NYÁK1-2)

V2 épület VI.emelet 602. labor

%8'$3(67,06=$.,pV*$='$6È*78'20È1<, EGYETEM VILLAMOSMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR

Mikrohullámú Híradástechnika Tanszék H-1111 Budapest, Goldmann György tér 3. V2 épület VI. emelet tel.: (+36 1) 463 15 59, fax : (+36 1) 463 32 89

Készítette : dr. Eged Bertalan adjunktus 1

Nyomtatott áramköri vonalak mérése Mérési útmutató a NYÁK-1 és NYÁK-2 laboratóriumi mérésekhez

A mérés célja: &VDWROWQ\RPWDWRWWiUDPN|UL|VV]HN|WWHWpVHNLG- és frekvenciatartománybeli mérése. A nyomtatott áramköri vonalak közötti áthallások vizsgálata. Mérési feladatok: $]DOiEELIHODGDWRNN|]ODPpUpVNH]GHWHNRUDPpUpVYH]HWMHO|OLNLD]HOYpJ]HQG feladatok kiinduló adatait. 1. Egyedülálló vonal átmeneti függvényét és frekvenciatartománybeli átvitelét. Zárja a nem használt csatlakozópontokat Rt3=……Ω, Rt4=……Ω, Rt5=……Ω és Rt6=……Ω ellenállással. Vizsgálja a háUPDV FVDWROW WiSYRQDO V]pOV YH]HWpNpQHN iWYLWHOpWDNpWYpJSRQWN|]|WWIUHNYHQFLDWDUWRPiQ\EDQpVLGWDUWRPiQ\EDQ*+] frekvenciáig). 2. Egyedülálló vonal átvitele kapacitív terheléssel. Mérje meg a tranziens– és IUHNYHQFLDWDUWRPiQ\EHOL iWYLWHOW D] HO] beállításban úgy, hogy a vonal mentén HOKHO\H]HWW FVDWODNR]ySRQWRNKR] D N|YHWNH] WHUKHONDSDFLWiVRN FVDWODNR]QDN Ct1=……pF, Ct2=……pF, Ct3=……pF, Ct4=……pF. 3. Csatolt vonalak átvitele. Mérje meg a csatolt vonal frekvenciatartománybeli iWYLWHOpW pV D] LGWartománybeli átvitelt a ___ és a ___ csatlakozópontok között úgy, hogy a többi csatlakozóponton Rt_=……Ω, Rt_=……Ω, Rt_=……Ω és Rt_=……Ω ellenállás van. 4. Csatolt vonalak áthallásának kompenzálása diszkrét kapacitív elemek beiktatásával. Kapcsoljon a csatolt vonalak mentén egyenletesen elosztva elhelyezett csatlakozópontokra CCS ««S) pUWpN FVDWROyNDSDFLWiVW pV Ct ««S) WHUKHONDSDFLWiVW 0pUMH PHg az átvitelt frekvencia– és LGWDUWRPiQ\EDQ -HJ\]N|Q\Y$]HOYpJ]HWWPpUpVLIHODGDWRNDWGRNXPHQWiOMDpVU|YLGHQpUWpNHOMH DMHJ\]N|Q\YEHQ$MHJ\]N|Q\YHONpV]tWKHWDPpUpVLGHMHDODWWUHQGHONH]pVUH iOOyV]iPtWyJpSHQ:LQ:RUGV]|YHJV]HUNHV]WYHO A mpUpV PV]HUHL +HZOHWW hálózatanalizátor, mintaáramkör.

3DFNDUG

2



Wípusú

mikrohullámú

Nyomtatott áramköri vonalak szimulációja A mérés célja: Nyomtatott áramköri összeköttetések számítógépes szimulációjának megismerése egy PSPICE alapú szimulációs programcsomag használatán keresztül. A nyomtatott áramköri vonalak elektromos átvitelének vizsgálata, az elektromos paraméterek és átvitel közötti kapcsolatok szimulációs vizsgálata. Mérési feladatok: $] DOiEEL IHODGDWRN N|]O D PpUpVYH]HW MHO|OL NL D] HOYpJ]HQG IHODGDWRN NLLQGXOy adatait. 1. Egyedülálló vonal tranziens– és frekvenciatartománybeli átvitele. Egy Q\RPWDWRWW iUDPN|UL PLNURV]WULS YH]HWpN KRVV]HJ\VpJUH HV NDSDFLWiVD pV induktivitása C=___ pF/cm, L=___ nH/cm. Határozza meg áramkörszimuláciüval egy l=___ cm hosszúságú vezeték lépésfüggvény–válaszát, ha a vonalat egy Rg EHOV HOOHQiOOiV~ JHQHUiWRU KDMWMD PHJ és a vonal végén Rt lezárás van. A lépésfüggvényt lineáris töréspontos függvénnyel közelítjük úgy, hogy a felfutási LG Wr=___ nsec. Határozza meg szimulációval a tranziens és a IUHNYHQFLDWDUWRPiQ\EHOLiWYLWHOWDN|YHWNH]HVHWHNEHQ a) illesztett lezárásokkal b) illesztetlen lezárásokkal Rg=___Ω, Rt=___Ω 1. Csatolt vonalak tranziens átvitele. Egy három párhuzamosan futó mikrosztrip vonalból álló rendszer kapacitás– és induktivitás-PiWUL[iQDNHOHPHLDN|YHWNH]N C11=C22=C33=___ pF/cm, C12=C23=___ pF/cm, C13=___ pF/cm, L11=L22=L33=___ nH/cm, L12=L23=___ nH/cm, L13=___ nH/cm. A vonalak hossza l=___cm. +DWiUR]]D PHJ iUDPN|UV]LPXOiFLyYDO D UHQGV]HU LGWDUWRPiQ\EHOL iWYLWHOpW OpSpVIJJYpQ\UHDGRWWYiODV]iW D]SRQWEDQPHJDGRWWJHUMHV]WIJJYpQ\HVHWpQ illesztett lezárásokkal. Határozza meg a frekvenciatartománybeli átvitelt is. 2. Csatolt vonalak távolvégi áthallásának kompenzálása. $] LGWDUWRPiQ\EHOL átvitel jelalakjára nézve adjon javaslatot a távolvégi áthallás kompenzálására YRQDWNR]yDQ 'LV]NUpW NDSDFLWiVRN EHLNWDWiViYDO V]LPXOiOMD OH HJ\ N|]HOtWOHJ kompenzált áthallású rendszer átYLWHOpWLG– és frekvenciatartományban. -HJ\]N|Q\Y'RNXPHQWiOMDD]HOYpJ]HWWV]LPXOiFLyVIHODGDWRNVRUiQNHOHWNH]HWW WDSDV]WDODWRNDWDMHJ\]N|Q\YEHQ$MHJ\]N|Q\YHONpV]tWKHWDPpUpVLGHMHDODWW UHQGHONH]pVUHiOOyV]iPtWyJpSHQ:LQ:RUGV]|YHJV]HUNHV]Wvel. A mérési gyakorlat eszközei: PSPICE alapú áramkörszimulációs programcsomag, V]|YHJV]HUNHV]WPpUpVYH]HW

3

Nyomtatott áramköri vonalak leírása A laboratóriumi mérés elméleti és gyakorlati háttere (J\V]HUWiSYRQDODN Az elektronikus áramkörök alkatrészeinek hordozására és a szükséges villamos összeköttetések magvalósítására nyomtatott áramköröket használunk. A nyomtatott áramkör egy egy–YDJ\W|EEUpWHJV]LJHWHOKRUGR]yQNLDODNtWRWWYH]HWKiOy]DWDPLW D V]LJHWHODQ\DJUD IHOYLWW Up]IyOLD YDOyVtW PHJ $ OHJHJ\V]HUEE YiOWR]DWEDQ D] HJ\UpWHJ V]LJHWHO DQ\DJQDN D] HJ\LN YDJ\ PLQGNpW ROGDOiQ YDQ Up]IyOLD FVtNRNEyO álló vezetékhálózat. .LV IUHNYHQFLiQ D] iUDPN|UL YRQDODN HOHNWURPRV YLVHONHGpVH MyO MHOOHPH]KHW D YH]HWpN iOWDOiEDQ NLV pUWpN HJ\HQiUDP~ HOlenállásával és kapacitásával, esetleg induktivitásával. Nagyobb frekvenciákon (több tíz MHz frekvencia fölött) a vezeték NRQFHQWUiOWSDUDPpWHUHVMHOOHP]pVHPiUQHPPLQGLJNLHOpJtWDQ\RPWDWRWWiUDPN|UL vezeték tápvonal tulajdonságait is figyelembe kell venni. A tápvonalak egy nagy osztályát képviselik a TEM (Tranzverzális Elektromos és 0iJQHVHV PyGXV~  WiSYRQDODN (]HN MHOOHP]MH KRJ\ WHWV]OHJHVHQ DODFVRQ\ frekvenciát (DC-W LV  iWYLV]QHN $ WiSYRQDODN HJ\ V]RNiVRV HOHNWURPRV KHO\HWWHVtW képe egy RLGC OpWUD$]/pV&DKRVV]HJ\VpJUHHVLQGXNWLYLWiVpVNDSDFLWiV5pV* DKRVV]HJ\VpJUHHVHOOHQiOOiVpVLOOYH]HWpV$]5VRURVYHV]WHVpJDYH]HWIyOLD'& pV$&V]NLQ HOOHQiOOiVD*DSiUKX]DPRVYH]HWpVDV]LJHWHODQ\DJiWYH]HWpVH+JDD veszteségek elhanyagolhatóan kicsi, és a hosszegységet minden határon túl FV|NNHQWMN HJ\ RO\DQ PLQGHQiWHUHV]W KiOy]DWRW NDSXQN  DPHO\ D Z 0 = L / C hullámimpedanciájával

és

a

t pd 0 = LC  KRVV]HJ\VpJUH HV NpVOHOWHWpVpYHO

MHOOHPH]KHW$]LO\HQYHV]WHVpJPHQWHV7(0WiSYRQDO Z 0 pUWpNOH]iUó ellenállások N|]|WWL LGWDUWRPiQ\EHOL iWYLWHOH HJ\ HJ\V]HU t pd 0  NpVOHOWHWpVVHO MHOOHPH]KHW D]D] D] |VV]HN|WWHWpV D EHPHQHWpUH DGRWW MHOHW DODNKHQ YLV]L iW 6]LJRU~DQ YpYH HKKH] még az is szükséges, hogy a tápvonal L induktivitása és C kapacitása frekvenciafüggetlen legyen). Egy tényleges áramkörben a nyomtatott áramköri vezetékhez több elektronikus elem is csatlakozik. A leggyakrabban felhasznált áramkörök vagy bemenetek egy néhány pF-RV NDSDFLWiVVDO MHOOHPH]KHWN $] DNWtY NLPHQHWHN iOWDOiEDQ HJ\ NLV pUWpN néhány Ω vagy néhányszor tíz ΩEHOVHOOHQiOOiV~JHQHUiWRURNNDOPRGHOOH]KHWHN$ bemenetek kapacitásai meghatározott helyeken kapcsolódnak a tápvonalhoz. Úgy mondjuk, hogy a diszkrét kapacitások terhelik D WiSYRQDODW $ WHUKHO NDSDFLWiVRN WHKiWQHPHORV]WRWWNDSDFLWiVRNKDQHPNRQFHQWUiOWSDUDPpWHUHOHPHN+DD]RQEDQD csatlakozópontok nem túl nagy távolságra helyezkednek el egymástól, akkor a bemenetekkel terhelt tápvonal jellemzésére a Z 0T = L / (C + Ct ) és a t pdt = L(C + Ct )

terhelt

hullámimpedancia

ill.

terhelt

terjedési

késleltetés

kifejezéseket használhatjuk. Mivel ez csak közelítés, még veszteségmentes tápvonal HVHWpQVHPYiUKDWXQNDODNKLGWDUWRPiQ\EHOLMHOiWYLWHOW$YiODV]IJJYpQ\DQDOLWLNXV kiszámítása bonyolult H]pUWD]WPpUpVVHOYDJ\V]LPXOiFLyYDOFpOV]HUPHJKDWiUR]QL $NpSOHWHNEOOiWKDWyKRJ\a kapacitív terhelés a tápvonal impedanciáját csökkenti és a késleltetését növeli $ QDJ\IUHNYHQFLiV pV QDJ\VHEHVVpJ GLJLWiOLV iUDPN|U|NHW WHKiW J\ NHOO WHUYH]QL pV PpUHWH]QL KRJ\ D] |VV]HN|W Q\RPWDWRWW iUDPN|UL 4

vezetékeket illesztve zárjuk le a végükön, és a jelforrások az illesztett összeköttetés alacsony (néhányszor tíz Ω) impedanciáját képesek legyenek meghajtani. Tápvonalak áthallása Egy valódi áramkörben szinte mindig több áramköri elem szükséges, ezért a nyomtatott áramköri lemezen egymáshoz közelebb vagy távolabb több összeköttetés LVYDQ$NO|QE|]Q\RPWDWRWWiUDPN|ULYH]HWpNHNHOHNWURPiJQHVHVWHUHHJ\PiVVDO csatolásban van, így az egyik vezetéken kialakuló jel befolyásolja a többi vezetéken NLDODNXOy MHOHW (] D KDWiV QDJ\IUHNYHQFLiV iUDPN|U|NEHQ NHGYH] OHKHW PHUW NO|QOHJHV UiGLyIUHNYHQFLiV iUDPN|UL HOHPHN PN|GpVpQHN D] DODSMiXO V]ROJiO SO mikrohullámú iránycsatolók). Digitális áramkörökben e vezetékek közötti elektromágneses kölcsönhatás legtöbbször zavaró jelenség, melyet áthallásnak QHYH]]QN+DDWiSYRQDODNYHV]WHVpJPHQWHVHNDNNRUD]HJ\PiVVDOFVDWROiVEDQOHY N darab tápvonalat az L és C paraméterek helyett egy-egy NxN méretú L és C mátrixszal jellemezzük. A mátrixok elemei nullák vagy pozitívak, kivéve a C mátrix IiWOyQ NtYOL HOHPHLW DPHO\HN D N|OFV|Q|V NDSDFLWiVRN GHILQtFLyMiEyO DGyGyDQ negatívak. Ha ismerjük egy csatolt vonalakból álló vezetékrendszer L és CPiWUL[iWDJHUMHV]W MHOHNLVPHUHWpEHQPHJKDWiUR]KDWMXNDQHPJHUMHV]WHWWYRQDODNRQIHOOpSiWKDOOiV-jelet. Mivel egy tápvonalon a hullám két irányban haladhat, az áthallási jel nem szükségképpen lesz egyforma a nem szándékosan gerjesztett vezeték két végén. A JHUMHV]WIRUUiVKR]N|]HOLiWKDOOiVLMHOHWN|]HOYpJLiWKDOOiVQDNDIRUUiVWyOWiYROLYpJHQ IHOOpS iWKDOOiVW WiYROYpJL iWKDOOiVQDN QHYH]]N .LVPpUWpN OD]D  FVDWROiV pV illesztett lezárások esetén a közel– és távolvégi áthallási jelalak ill. amplitúdó analitikusan is meghatározható. Nem illesztett tápvonal, szoros csatolás, vagy YHV]WHVpJHVWiSYRQDOHVHWpQFpOUDYH]HWEEDPpUpVYDJ\DV]iPtWyJpSHVV]LPXOiFLy Függelékek Digitális összeköttetés

∆

∆

∆C

∆x Z0 =

∆L , t pd = LC ∆C

5

∆G

L = Z0 C + Ct

Z 0T =

t pdl = L(C + C load ) = LC 1 +

1 1+

C C load

C C = t pd 1 + C load C load

Mikroszalagvonal (microstrip) εr

w t

h 87

Z0 =

ε r + 1.41

ln

5.98 0.8w + t

t pd = 1.017 0.475ε r + 0.67 Szalagvonal (stripline)

Z0 =

60

εr

ln

4h 0.67πw(0.8 + t / w)

t pd = 1.017 ε r .|]HOYpJLiWKDOOiVLGWDUWRPiQ\EDQ

6

dv1/dt V1

tr

Illesztett lezárás Közelvégi áthallás minden csatolt vonalon van.

dv1/dt V3

tr

id

2tpd &VDWROiVLWpQ\H]pViWKDOOiV L  1 L C K b =  M + C M Z 0  ⋅ = M + M L C  Z0  4t pd V3 = K bV1 V3 = K bV1

t r < 2t pd 2t pd tr

t r > 2t pd

7iYROYpJLiWKDOOiVLGWDUWRPiQ\EDQ dv1/dt V1

tr

Illesztett lezárás Távolvégi áthallás csak inhomogén dielektrikumú vonalon van.

tr

tpd

id

V4 &VDWROiVLWpQ\H]pViWKDOOiV

 L  1 C L  t pd K f =  C M Z 0 − M  ⋅ =  M − M  Z0  2  C L  2  V4 = K f l

dv1 dt

$PpUiUDPN|UL és C mátrixa (értékek milliméterenként)

7

 1.258 ⋅ 10 −13  C =  − 1.076 ⋅ 10 −14  − 8.159 ⋅ 10 −16   3.113 ⋅ 10 −10  L =  5.286 ⋅ 10 −11  1.619 ⋅ 10 −11 

− 1.076 ⋅ 10 −14 1.273 ⋅ 10 −13 − 1.076 ⋅ 10 −14

− 8.159 ⋅ 10 −16   − 1.076 ⋅ 10 −14  1.258 ⋅ 10 −13 

5.286 ⋅ 10 −11 1.619 ⋅ 10 −11   3.089 ⋅ 10 −10 5.286 ⋅ 10 −14  5.286 ⋅ 10 −14 3.113 ⋅ 10 −10 

$PpUiUDPN|UNHUHV]WPHWV]HWLNépe

t=0.035

εr

$PpUiUDPN|UV]HUNH]HWH csatlakozó sorszáma

ElOHQU]NpUGpVHN 1. 0L D WiSYRQDODN V]iPtWyJpSHV V]LPXOiFLyMiQDN MHOHQWVpJH QDJ\VHEHVVpJ digitális áramkörök vizsgálatánál? 2. 0LpUW FpOV]HU D WiSYRQDO YpJHLW D YRQDO KXOOiPLPSHGDQFLiMiQDN PHJIHOHO impedanciával lezárQL"+RJ\DQQ\LOYiQXOPHJDQHPPHJIHOHOOH]iUiVDGLJLWiOLV áramkör viselkedésében? 3. (J\QDJ\VHEHVVpJGLJLWiOLV|VV]HN|WWHWpVWLOOHV]WHWWOH]iUiVVDOHOOiWRWWQ\RPWDWRWW áramköri vonal valósít meg. A meghajtó (adó) áramkör teljesítményét csökkenteni szeUHWQpQN +RJ\DQ FpOV]HU PHJYiODV]WDQL D Q\RPWDWRWW iUDPN|UL YRQDO geometriáját és anyagait. Ha ezek változtatására nincs mód, akkor milyen logikai áramkör-FVDOiGRWFpOV]HUKDV]QiOQL" 4. 0LpUWQHPOHKHWQDJ\VHEHVVpJGLJLWiOLViWYLWHOUHKDV]QiOQLHJ\KRVVzú nyomtatott iUDPN|UL YRQDODW KD D]W QHP PHJIHOHO LPSHGDQFLiYDO YDQ OH]iUYD" 9iODV]iW indokolja. 5. Mit jelent egy nyomtatott áramköri vonal kapacitív megterhelése? 6. Milyen hatása van a vonal kapacitív hullámimpedanciájára és késleltetésére?

terhelésének

a

vonal

átlagos

7. Mi okozza a vezetékek közötti áthallást? 8. 5DM]ROMD IHO D WiYROYpJL iWKDOOiV MHOpQHN KXOOiPDODNMiW YpJHV IHOIXWiVL LGHM OpSpVXJUiVVDOYDOyJHUMHV]WpVKDWiViUDSR]LWtYLOOQHJDWtYiWKDOOiVLWpQ\H]HVHWpQ 8

9. Hogyan (hova) kell diszkrét kapacitív áramköri elemeket a vonalakhoz csatolni, KDQHJDWtYWiYROYpJLiWKDOOiVLWpQ\H]WNtYiQXQNNRPSHQ]iOQL"

9