Ćwiczenie nr 19.

Krzysztof Karczewski

Wojciech Kuczyński

Adrian Parczewski

Temat: Szumy i zakłócenia w układach elektronicznych.

W układach elektronicznych występują dwa rodzaje niepożądanych zjawisk - zakłócenia oraz szumy.

Szum jest procesem przypadkowym - nie możemy mówić o amplitudzie szumu, natomiast operujemy pojęciem wartości średniej szumu. Szumy swe źródło biorą w strukturze atomowej każdego przewodnika lub półprzewodnika, dlatego też nie mamy możliwości całkowitego wyeliminowania tego powszechnego skądinąd zjawiska.

Zakłócenia posiadają nieco inną specyfikę. Przede wszystkim źródło zakłóceń jest możliwe do określenia, oraz można zabezpieczyć się przed jego wpływem. Źródeł może być bardzo wiele - może to być pole elektryczne wytwarzane przez pracujące w pobliżu urządzenia, wpływ źródeł fal wysokiej częstotliwości czy nawet impulsowy pobór prądu przez obwód w którym mają miejsce obserwowane zakłócenia.

W tym ćwiczeniu obserwujemy różne przypadki występowania szumów i zakłóceń oraz sposoby „walki” z nimi.

1) Badanie zakłóceń wytwarzanych przez układy cyfrowe.

Obserwacja zakłóceń wytwarzanych na krótkich doprowadzeniach zasilania przez układy cyfrowe:

Badamy zakłócenia występujące na zasilaniu układów scalonych. Na wkładce umieszczone są dwa układy 74175 (cztery przerzutniki typu D). Pierwszy układ umieszczony jest na środku wkładki, a zasilanie doprowadzone jest za pomocą ścieżek o szerokości rzędu 1cm; drugi układ umieszczony jest w pobliżu płyty czołowej wkładki, zasilanie doprowadzone jest ścieżkami o szerokości rzędu 0.5 mm . Oba układy wyzwalane są przebiegiem TTL z zewnętrznego generatora.

Obserwując przebieg napięcia zasilającego na ekranie oscyloskopu zauważono okresowe zakłócenia o amplitudzie ok. 130mV w przypadku układu pierwszego, oraz ok. 310mV przy układzie drugim. Zakłócenia pojawiały się w momencie zmiany stanu przerzutników zawartych w układzie 74175. Skąd się biorą zakłócenia w napięciu zasilającym?

Przyczyna leży w strukturze wewnętrznej przerzutnika. W momencie przejścia przerzutnika z jednego stanu do drugiego, tranzystory wyjściowe przez moment znajdują się w stanie aktywnym przez co płynie przez nie większy prąd, co powoduje zwiększenie poboru mocy z zasilacza, a przez to wystąpienie zakłóceń na zasilaniu.

Zauważalna jest również różnica w wielkości zakłóceń przy zasilaniu doprowadzanym cienkimi ścieżkami.

b) Obserwacja i eliminacja zakłóceń wytwarzanych przez układy cyfrowe na doprowadzeniach zasilania:

Badamy układ pierwszy (środkowa część wkładki, szerokie ścieżki), starając się zminimalizować zakłócenia za pomocą filtrów umieszczonych na doprowadzeniach zasilania:

• Schemat filtru napięcia zasilającego:

• Przebieg napięcia zasilania układu przy włączonym szeregowo rezystorze R=10Ω :

t

Zakłócenia pojawiają się w chwili zmiany stanu przerzutnika (na początku i końcu impulsu wyzwalania), spadek napięcia o około 30mV odpowiada spadkowi napięcia na rezystorze 10Ω.

Po włączeniu kondensatora filtrującego napięcie zasilające, amplituda zakłócenia zmalała z 30mV do 4.8mV.

Zastosowaliśmy kondensator 2,2μF typu MIFLEX. Zwykły kondensator elektrolityczny dawał znacznie gorsze rezultaty (amplituda ok. 20mV przy tej samej pojemności).

Aby udoskonalić filtr należałoby umieścić cewkę szeregowo z rezystorem. Dzięki temu, iż cewka stanowi impedancję dla prądu zmiennego, a zwarcie dla prądu stałego stanowiła by element niwelujący zakłócenia.

Niestety, ze względu na niedostępność odpowiedniej cewki nie zaobserwowano jej wpływu na kształt napięcia.

c) Obserwacja zakłóceń wnoszonych przez elementy wewnętrzne układu.

Obserwowaliśmy zakłócenia występujące w układach wzmacniaczy operacyjnych, w zależności od sposobu poprowadzenia przewodów doprowadzających sygnał wejściowy, względem położenia źródła zakłóceń.

Na wkładce umieszczony był prosty generator impulsów z cewką jako źródłem zakłóceń, oraz układy wzmacniaczy z przewodami doprowadzającymi sygnał wejściowy położonymi prostopadle oraz równolegle względem osi cewki.

Oto jak prezentują się przebiegi sygnałów na wyjściach: generatora, wzmacniacza z linią równoległą, oraz prostopadłą:

Jak wynika z powyższych przebiegów, najmniejsze zniekształcenia przedostają się do układu przy prostopadłym ułożeniu przewodów względem osi cewki, największe - przy równoległym.

2) Szumy w układach elektronicznych.

a) Pomiar wartości średniej szumu.

Uzyskana w trakcie pomiarów wartość wynosiła ok. 144mV.

b) Obserwacja sumy sygnałów: bezszumnego i szumu .

Dzięki wykorzystaniu sumatora generującego szum oraz dodającego ów szum do dowolnego przebiegu obserwowaliśmy przebiegi przy różnych stosunkach: sygnał : szum.

• przebieg prostokątny:

sygnał : szum =10dB sygnał : szum=0dB

• przebieg trójkątny:

sygnał : szum =10dB sygnał : szum=0dB

---