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ELETTRONICA DELLE TELECOMUNICAZIONI 2

ESERCITAZIONE DI LABORATORIO AA 2003-04

ETLC2lab4d - © DDC - rev 24/05/2004 10:41 AM 1

LINEE DI TRASMISSIONE

Scopo dell’esercitazione Scopo di questa esercitazione è verificare il comportamento di spezzoni di linea in diverse condizioni di pilotaggio e di terminazione.

Strumenti e componenti richiesti L'esecuzione delle misure richiede l'allestimento di un banco riflettometrico con strumenti standard. Strumentazione e componenti richiesti: • Generatore di segnali con impedenza di uscita 50 Ω. Per l’esperienza sulla difonia è

preferibile un generatore che permette di variare i tempi di salita e discesa • Oscilloscopio con banda passante di almeno 60 MHz, con sonde ad alta impedenza; • Matassa di cavo con impedenza caratteristica Z0 = 100 Ω (UTP –Unshielded Twisted Pair

- classe 5: cavo per rete locale), oppure Z0 = 50 Ω (RG58), con lunghezza di almeno 20-25 m. Lunghezze inferiori richiedono oscilloscopi con banda (e risoluzione temporale) più alta.

• Altro spezzone di cavo di almeno 3-5 m, dello stesso tipo della matassa principale; • Adattatori e terminazione (resistenza di 100 Ω per UTP, 50 Ω per il coassiale); • Altre resistenze per realizzare terminazioni non adattate e disadattamento al generatore

(15, 22, 120, 220 Ω) • Condensatori per terminazione RC: 1 nF, 10 nF, 100 nF • Circuiti logici di varie famiglie (LS, HC, BCT, ACT, ...) • Alimentatore per i circuiti logici. I collegamenti con il cavo e la terminazione richiedono adattatori BNC-coccodrilli se viene usato il coassiale; per UTP possono essere usate le normali basette per montaggi senza saldature.

Avvertenze Nella parte finale, quando vengono usate porte logiche, ricordare le solite avvertenze per il loro corretto impiego: • nei circuiti CMOS tutti gli ingressi devono essere collegati a una tensione corrispondente

a uno stato logico ben definito, • a un circuito integrato non deve mai essere applicata una tensione esterna all’intervallo

tra le alimentazioni. • Regolare e verificare i livelli dei segnali di stimolo PRIMA di collegare il generatore al

circuito integrato.




Progetto In questa esercitazione la parte di progetto comprende esclusivamente il calcolo delle forme d'onda previste per le diverse situazioni in cui vengono effettuate delle misure. Il calcolo può essere eseguito con la tecnica del diagramma a traliccio o con diagramma di Bergeron, e verificato con simulazioni PSPICE.

Collegamento degli strumenti La disposizione degli strumenti da usare per tutte le misure è indicata nella figura 1. Il generatore pilota la matassa di cavo. L'oscilloscopio rileva i segnali ai due estremi del cavo in diverse condizioni di pilotaggio e di terminazione. Per collegare elementi circuitali in serie o in parallelo al cavo, lato genratore o allaterminazione, sfruttare la basetta con le morsettiere riportate dai BNC (per il coassiale). La basetta va collocata, a seconda della misura in atto, dal lato generatore o dal lato terminazione. Per le misure con UTP collegare i tratti di cavo e i componenti direttamente alle basette. Il generatore va predisposto per generare onde quadre di ampiezza 2 V con frequenza 200 kHz circa (dati indicativi, per ottenere una comoda visualizzazione sull'oscilloscopio).

Fig 1 Banco di misura: lo spezzone di linea è la matassa di coassiale o UTP.

PULSE GENERATOR

B C

RT VCVB

RO Z0 , tP , l

B C

B C

Eventuali componenti lato driver e lato terminazione, da collocare sulle basette per montaggi




Misure Le misure da eseguire sono nell'ordine: A) Misura dei parametri del generatore; B) Misura dei parametri del cavo; C) Effetti del disadattamento lato remoto; D) Effetti del disadattamento lato generatore E) Effetti del disadattamento lato generatore e lato remoto; F) Effetti del carico capacitivo; G) Riflettometria nel dominio del tempo; H) Diafonia I) Linea pilotata da circuiti logici. La lunghezza del cavo determina il tempo di trasmissione tP, e di conseguenza la scala dei tempi per tutte le misure e le caratteristiche degli strumenti. Con 10 m di cavo è possibile esguire le misure con un oscilloscopio da 100 MHz; aumentando la lunghezza o ampliando la banda il fenomeni da analizzare sono più evidenti. I componenti agli estremi del cavo possono essere collegati con adattatori del tipo mostrato in figura 2a

Fig 2a Cavo e adattatori usati per l’esperienza – cavo coassiale

Fig 2b Cavo UTP (Unshielded Twisted Pair – Doppino intrecciato non schermato)




A) Misura dei parametri del generatore 1) Verificare l’ampiezza VB dell’uscita del generatore a vuoto (Figura 5.3 a). 2) Collegare al generatore un carico RL noto (ad esempio. 100 Ω), e misurare il nuovo valore di VB;

dalle due misure calcolare l’impedenza di uscita RO del generatore (Figura 3 b). Il valore ottenuto deve essere prossimo a 50 Ω.

Fig 3 Misura dell’impedenza di uscita del generatore.

Esperienze con cavo coassiale o con UTP Le istruzioni per le esperienze successive valgono per il cavo a 50 Ω . Nel caso di UTP (con impedenza caratteristica di 100 Ω ), la situazione di adattamento si ha per terminazione (e generatore a 100 Ω ). I valori di resistenza da inserire vanno modificati di conseguenza. L’uso di UTP è preferibile rispetto al coassiale, perchè permette di impostare facilmente la situazione RO < Z0 (50 Ω con 100 Ω ), e di eseguire le misure di diafonia.

a)

P PULSEGENERATOR

VB

RO

b)

RL

PULSEGENERATOR

VB

RO




B) Misura dei parametri del cavo 1) Collegare il generatore al cavo, con estremo aperto, e verificare le forme d’onda ai due estremi.

(Figura 4); confrontare con il risultato ricavato con diagramma a traliccio.

Fig. 4 La traccia superiore corrisponde al segnale lato generatore; i due gradini corrispondono rispettivamente all’onda incidente e all’onda riflessa. Dato che il generatore è adattato, non vi sono ulteriori riflessioni.

Dalla forma d’onda rilevata all’estremo vicino (lato generatore) e dalla lunghezza (misurata) del cavo, calcolare la velocità di propagazione U. Per il cavo RG58 si dovrà ottenere un valore prossimo a 0,7 c. 2) Collegare una resistenza di terminazione da 50 Ω e verificare l’assenza di riflessioni.

Fig. 5 Misura della velocità di propagazione nel cavo.

P PULSEGENERATOR

B C

RTVCVB

ROZ0 , tP , l




C) Disadattamento lato terminazione Vedi punto E

D) Disadattamento lato generatore Vedi punto E

E) Disadattamento lato driver e lato terminazione 1) Collegare una resistenza RS (220 Ω) in serie tra generatore e linea, lasciando la linea aperta

all’estrem remoto (ΓT = 1). 2) Dalle forme d’onda ai due estremi calcolare il coefficente di riflessione ΓG (generatore), e

confrontare con il valore calcolato.

Fig. 6 Resistenza di terminazione serie per RO < Z0, linea aperta all’estremo remoto.

Fig. 7 Segnali per RO > Z0, e linea aperta all’estremo remoto.

P PULSEGENERATOR

B C

VCVB

ROZ0 , tP , lRS




Ripetere la misura con resistenza equivalente del generatore più bassa della impedenza caratteristica (collocare una resistenza da 22 Ω in parallelo sull’uscita del generatore). Dato che il coefficente di riflessione lato generatore è negativo, saranno presenti delle oscillazioni. Verificare le forme d’onda con quelle previste mediante il diagramma a traliccio, e il valore misurato di ΓG con quello calcolato.

Fig. 8 Resistenza RG < Z0, linea aperta all’estremo remoto.

Fig. 9 Segnali per RO < Z0, e linea aperta all’estremo remoto.

P PULSEGENERATOR

B C

VCVB

ROZ0 , tP , l

RS




F) Carico capacitivo 1) Collegare un condensatore da 1 nF (CT) all’estremo remoto del cavo. 2) Verificare le forme d’onda agli estremi del cavo. Per una analisi di prima approssimazione, quando il gradino raggiunge l’estremo remoto, il condensatore può essere considerato un corto circuito (ΓT = -1), mentre a transitorio esaurito diventa un circuito aperto (ΓT = 1). Quindi le forme d’onda corrispondo a quelle di un corto circuito per t = tP all’estremo remoto, e per t = 2 tP per l’estremo vicino.

Fig. 10 Verifica delle forme d’onda con carico capacitivo.

Fig. 11 Forme d’onda nella linea di trasmissione con carico capacitivo.

P PULSEGENERATOR

B C

CTVCVB

ROZ0 , tP , l




G) Riflettometria nel dominio del tempo La disposizione di generatore di impulsi e oscilloscopio usata nei punti precedenti forma un banco riflettometometrico (TDR, Time Domain Reflectometer), che permette di analizzare lo stato di un collegamento operando da un solo estremo. Le forme d’onda ai due estremi per un cavo aperto con driver (generatore) adattato sono in figura 12. La lunghezza del cavo può essere misurata dalla larghezza del gradino intermedio all’estremo vicino (che corrisponde a 2tP – circa 100 ns in questo esperimento). Il segnale all’estremo remoto ha un unico gradino, perchè onda incidente e onda riflessa sono presenti in questo punto nello stesso istante.

Fig. 12 Segnali all’estremo vicino (alto) e lontano per una line aperta con driver adattato. Se aggiungiamo un altro spezzone di cavo oltre il punto C, il tempo di propagazione complessivo aumenta (gradino intermedio più ampio all’estremo vicino). Il punto C diventa ora il punto intermedio di una linea, ove la tensione presenta un livello intermedio, di larghezza corrispondente al doppio del tempo di propagazione dal punto C al nuovo estremo della linea.

Fig. 13 Prolungamento del cavo con un altro spezzone.

P PULSEGENERATOR

B C

VCVB

ROZ0 , tP , l




La lunghezza totale del cavo è ancora misurata dalla larghezza del gradino intermedio al lato vicino (circa 150 ns in questo esempio). La lunghezza dellospezzone aggiunto può essere misurata dalla larghezza del gradino intermedio nel punto C (50 ns in questa esperienza).

Fig. 14 Segnali all’estremo vicino (alto) e in un punto intermedio per una line aperta con driver adattato




H) Diafonia Questa misura può essere eseguita solo con UTP. Utilizzando i doppini (Segnale-Massa) predisposti nel cavo, la diafonia è molto bassa e difficilmente misurabile. Può esser resa evidente costruendo due connessioni che utilizzano conduttori di doppini diversi.

Cavo originale Uso dei conduttori per la misura Doppino1 Segnale 1 Segnale 1

Massa 1 Segnale 2 Doppino2 Segnale 2 Massa 1

Massa 2 Massa 2 I due conduttori di uno stesso doppino hanno forte accoppiamento capacitivo, e questo genera diafonia ben rilevabile. Terminare entrambi i doppini 1 e 2 su 100 Ω (collegare il lato pilotato dal generatore con una resistenza da 47 Ω in serie al generatore). E’ preferibile utilizzare un generatore in cui sia possibile variare la pendenza delle transizioni. Applicare il segnale a un estremo del doppino 1, e osservare i segnali (far end e near end) sul doppino 2. Verificare che la durata del disturbo di diafonia diretta (rilevabile all’estremo remoto) è pari al tempo di transizione del segnale disturbante. Verificare che la durata del disturbo di diafonia inversa (rilevabile al near end) è pari a 2tP. Variare la pendenza della transizione e verificare l’effetto sulla ampiezza del disturbi. Nota: Questa misura è più delicata delle altre proposte, perchè i segnali da rilevare possono essere di livello molto basso. Verificare che con il generatore a disposizione il disturbo è ben visibile; se troppo basso scegliere un altro generatore, con fronti più ripidi, oppore usare porte logiche HC per pilotare i cavi (vedi anche punto successivo).




Fig. 15 Segnali sulla linea disturbata, lato driver (alto, durata 2 tp) e lato remoto (basso, durata tr/tf).




F) Linea pilotata da dispositivi logici Nei componenti della famiglia LS la resistenza equivalente di uscita è leggermente più alta dell’impedenza caratterisitca del cavo, e il fronte di salita presenta gradini multipli (come nell’esperimento C). La diversa ampiezza del primo gradino mette in evidenza la diversa resistenza equivalente di uscita per le transizioni L-H (blu) e H-L (rosso). Questo comportamento asimmetrico è comune a tutte le famiglie logiche bipolari, (TTL and simili), che hanno IOL > IOH.

Fig. 15 Linea aperta pilotata da un dispositivo della famiglia 74LS. Con driver della famiglia HC la resistenza equivalente di uscita è prossima a 50 Ω, e praticamente non vi sono riflessioni al lato driver. (Figure 16, analoga al precedente esperimento B). Le transizioni in salita e discesa sono simmetriche.

Fig. 16 Linea aperta pilotata da un dispositivo della famiglia 74HC.




Nella famiglia AC la resistenza di uscita è più bassa dell’impedenza caratteristica, e questo determina riflessioni con inversione di segno e conseguenti oscillazioni (Figura 17, e seconda parte dell’esperienza C).

Fig. 17 Linea aperta pilotata da un dispositivo della famiglia 74AC. Collegare all’estremo remoto diodi di clamp verso massa e alimentazione, oppure l’ingresso di una porta della stessa famiglia (il circuito di ingresso comprende diodi di clamp). Verificare l’effetto sulle oscillazioni (figura 14). In queste ultime due situazioni il sistema lavora in condizioni di commutazione sull’onda incidente (Incident Wave Switching: IWS).

Fig. 14 Linea pilotata da un dispositivo della famiglia 74AC con diodi di clamp.. A conclusione delle verifiche effettuate con linea pilotata da circuiti logici, mettere in relazione le differenze di cui sopra con la struttura circuitale dei vari tipi di driver.

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