Elektronik Klausurvorbereitung (bei Prof. Vdb) Klausur SS 2001

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1 Klausur SS 2001 Beschreiben Sie die Eigenschaften und den Einsatzbereich des GRAY-Codes im Vergleich zum Binär-Code. - GRAY Code: o Einschrittiger Code o Beim Übergang von einer auf die nächste Stelle ändert sich max. 1 bit o Verhindert Fehlinterpretationen - Vgl. mit binary code o sicherer, da einschrittig o langsamer, da mehr Informationen Wie äußert sich die Temperaturabhängigkeit eines TTL Bausteins und welchen Einfluss hat dieses Verhalten auf das normale Betriebsverhalten? Bitte Begründung! - Kennlinie Ua und Ue ändern sich kein Einfluss auf das Betriebs- / Schaltverhalten (Zone groß genug) H und L ab einer bestimmten Schwelle garantiert Charakterisieren Sie die 3,3V Logik und nennen Sie deren Vorteile. - geringerer Energieverbrauch - kleinere Chip-Geometrie möglich - voll kompatibel zur 5V-TTL - (etwas langsamer) Erläutern Sie die Vorgehensweise zur Berechnung der Schaltung von Synchronzählern. - Aufstellen der Wahrheitstabelle - Aufstellen und Vereinfachen der Anwendungsgleichung (KV) - Bestimmen der charakteristischen Gleichung der zu verwendeten FF - Bestimmen der Verknüpfungsgleichung durch Koeffizientengleichung - Zeichnen des Schaltbildes nach der Verknüpfungsgleichung Geben Sie an, welche Fehler bei der AD Wandlung auftreten können und erläutern Sie, ob diese Fehler korrigierbar sind. - Quantisierungsfehler (0,5 ULSB) nicht korrigierbar - Nullpunktfehler: Z 0 bei Ue = 0 extern korrigierbar - Verstärkungsfehler: Z Zmax bei Ue = Uemax extern korrigierbar Seite 1

2 Klausur WS 2000 / 2001 Beschreiben Sie die Eigenschaften und das Einsatzgebiet eines Schmitt-Triggers. - Schmitt-Trigger wird zur Übertragung über lange Leitungen eingesetzt - Kein Verstärkungsverhalten, sondern Schaltverhalten - Signalverbesserung - Signalformung - Impulsformer Wozu werden Gatter mit Open-Collector-Ausgang verwendet? - Einsatzgebiet: Pegel-Wandler - Auch durch ODER-Verknüpfungen zu realisieren - Nachteil: Signalverzögerung Charakterisieren Sie die CMOS Schaltkreisfamilie. - extrem geringe statische Verlustleistung - höherer Bereich von UB 3V...15V - Ausgangspegel extrem nah an der Betriebsspannung (sehr hoher Fan-Out) - Relative Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen - Geringer Stromverbrauch - Bedingt TTL-kompatibel - Problem: Leich zerstörbar durch elektrostatische Entladung Sehr empfindlich ESD-Schutz verwenden Wozu werden Microcontroller eingesetzt und worin unterscheiden sie sich von Standard-Mikroprozessoren? - Microcontroller werden v.a. für Steuerungsaufgaben und Kontrollaufgaben verwendet, wogegen Mikroprozessoren für Aufgaben mit größerer Rechenleistung verwendet werden - Bei einem Mikrocontroller sind möglichst viele Zusatzbausteine (Speicher, Taktgenerator,...) im Chip integriert Ein Messsignal im Amplitudenbereich von 0V bis +5V soll mit einer Auflösung von 1mV digitalisiert werden. Welche Auflösung in Bit benötigt der Analog-Digital- Wandler? - werden A = 5V / 1mV = bit (bis 8192 möglich) - vgl.: 2 n = = 4096 zu gering!! Seite 2

3 Klausur SS 2000 Beschreiben Sie im wesentlichen die Eigenschaften und Einsatzgebiete eines Gatters mit Tri-State Ausgang. - Ausgang kann neben H und L auch hochohmigen Zustand einnehmen, - Einsatzgebiet: Verwendung in Bussystemen mehrere Sender einer Leitung nur einer ist aktiv - Hochohmig schalten - Enable-Eingang Beschreiben Sie die Vorgehensweise beim Entwurf einer logischen Verknüpfungsschaltung. - Beschreiben der Funktion der Schaltung - Eingangsvariable und Ausgangsvariablen festlegen - Wahrheitstabelle aufstellen - Ermitteln der Funktionsgleichung (mittels ODER-Normalform) - Vereinfachung der ODER-Normalform (KV-Diagramm und Rechenregeln) - Aufbau der Programmierung / Schaltung Charakterisieren Sie die CMOS Schaltkreisfamilie. - extrem geringe statische Verlustleistung - höherer Bereich von UB 3V...15V - Ausgangspegel extrem nah an der Betriebsspannung (sehr hoher Fan-Out) - TTL-kompatibel - Stromfluss nur bei Schalten - Relative Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen o Problem: Leich zerstörbar durch elektrostatische Entladung Sehr empfindlich ESD-Schutz verwenden Beschreiben Sie ein Verfahren zur Serien-Parallel und zur Parallel-Serien-Wandlung von digitalen Signalen. Nennen Sie eine typische Anwendung. - bei der Serien-Parallel-Umsetzund wird eine Serie von Informationen Stelle für Stelle in das Register aufgenommen und liegt nach erfolgter Übernahme parallel zur Weiterverarbeitung vor - die Parallel-Serien-Wandlung dient dazu, die parallel vorliegenden Informationen Stelle für Stelle einem Übertragungskanal aufzuschalten - Anwendung: Schnittstellen Bausteine Serielle Schnittstelle Schieberegister Ein Messsignal im Amplitudenbereich von 5V bis + 5V soll mit einer Auflösung von 0,2mV digitalisiert werden. Welche Auflösung in Bit benötigt der Analog-Digital- Wandler? - A = 10V / 0,2mV = Bit (max. Auflösung: 65536) Geben Sie an, welche Fehler bei der Digital-Analog-Wandlung auftreten können und erläutern Sie, ob und warum diese Fehler korrigierbar sind. - Nichtlinearität nicht korrigierbar - Nullpunktfehler: UA 0 bei Z = 0 extern korrigierbar - Verstärkungsfehler: UA 0 bei Uamax bei Z = Zmax extern korrigierbar - Warum korrigierbar? Seite 3

4 Klausur WS 1999 / 2000 Welche Digitalbausteine würden Sie zum Aufbau eines Bussystems verwenden und warum? - Tristate Ausgänge???? o Pegelzustände: High LOW High Impedance (Ausgänge vom Rest der Schaltung abgestimmt ) o Steuerung aktiv / high impedance über Enable-Eingang (EN) o Hochohmig schalten, sonst Kurzschluss o Um Datenkollisionen zu vermeiden, darf nur 1 Sender aktiv sein; die anderen müssen sich im High-Impedance-Zustand befinden (ideal für Bus-Systeme) Wie wird bei einem maskenprogrammierten ROM die Information gespeichert und was sind die Vorteile und die Nachteile dieser Bausteine? - Speicherung in der Struktur durch entsprechende Ausbildung der Belichtungsmasken - Vorteil: billig - Nachteil: nur in gr. Stückzahl günstig; Einmalkosten; nicht änderbar Was ist die physikalische Ursache für das Auftreten der Verzögerungszeiten bei einem TTL-Gatter? - Sperrschichtkapazität - Ladungsspeicherung in den Schalttransistoren Nennen Sie Maßnahmen zur Verringerung der Verzögerungszeit bei Digitalbausteinen und begründen Sie diese. - je geringer die Widerstände in der Schaltung desto schneller die Schaltzeit (Begründung: Die Schaltzeit ist bedingt durch die Bewegung von Ladungsträgern aus/in Raumladungszone der Basis-kollektor-Diode) - Schottky-Dioden Vier sinusförmige Signale mit den Frequenzen 100Hz, 150Hz, 300Hz und 350Hz werden addiert. Mit welcher Frequenz muss das Summensignal abgetastet werden, um eine fehlerfreie Rekonstruktion zu ermöglichen? 1 = 2 f g = 2 350Hz = 700Hz T Warum sollten Sprachsignale normalerweise mit sehr hoher Auflösung (18 24 Bit= digitalisiert werden? - Großer Dynamikbereich muss fein aufgelöst werden - Leise Stellen benötigen auch hohe Tielauflösungen Seite 4

5 Klausur SS 1999 Beschreiben Sie im wesentlichen die Eigenschaften und Einsatzgebiete eines Gatters mit Tri-State Ausgang. - Ausgang kann neben H und L auch hochohmigen Zustand einnehmen, - Enable-Eingang - Einsatzgebiet: Verwendung in Bussystemen mehrere Sender einer Leitung nur einer ist aktiv - Hochohmiger Zustand klemmt die einzelnen Teilnehmer ab Beschreiben Sie Wirkungsweise und Einsatzgebiet eines Schmitt-Triggers. - der Schmitt-Trigger wird bei der Übertragung langer Leitungen eingesetzt - kein Verstärkungsverhalten, sondern Schaltverhalten - Schwellwertschalter - Signalverbesserung - Signalumformung - Impulsformer Nennen Sie die Unterschiede zwischen einem statischen RAM und einem dynamischen RAM. - Statischer RAM o bewahren Speicherinhalt bei angelegter Versorgungsspannung ohne weitere Maßnahmen auf o Speichermethode: FlipFlop - Dynamischer RAM o Muss periodisch aufgefrischt werden (refresh) alle 2 8 ms Speicherinhalt geht sonst verloren o Vierfache Kapazität o Speichermethode Kondensator + MOSFET Seite 5

6 Klausur SS 1996 Beschreiben Sie Aufbau und Wirkungsweise eines JK-FF, das aus zwei einzelnen Flip-Flops aufgebaut wird. - Übernahme mit fallender Flanke -???? Ein Signal soll innerhalb eines Spannungsbereiches +/- 10V von einem AD-Wandler verarbeitet werden. Schwankungen des Signals von 2mV sollen sicher als Änderung des niederwertigsten Bits erfasst werden. Welche Wortbreite (in Bit) benötigt der ADW? Begründung! - A = 20V / 0,2mV = bit - Begründung??? Warum gibt es Analog-Digital-Wandler, die nach dem Parallelprinzip arbeiten, nur in Auflösungen bis etwa 12 Bit? - wegen hohem technischen Aufwand - 2 n Komparatoren + D-FF + Decoder notwendig - technologischer Aufwand zu groß Beschreiben Sie den prinzipiellen Aufbau und die Wirkungsweise eines Programmable Logic Array (PLA). - lässt die Programmierung sowohl UND- als auch der ODER-Matrizen zu - sind flexibler als EPROM und PAL - die Laufzeit beider Matrizen macht sie jedoch langsamer Welche Klasse von Signalen werden durch ein Linienspektrum charakterisiert? - Dirac-Stoß: jede periodische Funktion Fourrier-Reihe Seite 6

7 Klausur WS 1997 / 1998 Wie ist die mittlere Signallaufzeit t P eines TTL-Gatters definiert? Bitte Skizze! t P - LH + t P t HL P = 2 - Skizze siehe Skript Skizzieren Sie die Übertragungskennlinie eines Schmitt-Triggers und geben Sie typische Einsatzmöglichkeiten an. - bei Übertragung über lange Leitungen - Skizze siehe Skript Warum gibt es Analog-Digital-Wandler, die nach dem Paralllelprinzip arbeiten, nur in Auflösungen bis etwa 12 Bit? - wegen hohem technischen Aufwand - 2 n Komparatoren + D-FF + Decoder notwendig - technologischer Aufwand zu groß Beschreiben Sie ein Master-Slave-FF. Wahrheitstabelle? - Der Master-Slave-FF ist eine Kombination ais zwei in Kaskade geschalteten FF, wobei das erste als Master und das zweite als Slave arbeitet - Wahrheitstab.?? Charakterisieren Sie das Einschwingverhalten eines Abtast-Halte-Bausteins. - kommt noch in der Vorlesung!? Seite 7

8 Klausur WS 1996 / 1997 Zeichnen Sie die Reaktion am Ausgang Q der folgenden Schaltung auf einen Eingangsimpuls (E) der Breite t = 10ms E 1 1 & Q 1 5ms Warum sind in der obigen Schaltung zwei Verzögerungsglieder (Inverter; t=10ns) eingebaut? Welche typischen Störungen können in Digitalschaltungen auftreten und welche Maßnahmen zu deren Beseitigung kennen Sie? - externe Störungen o elektromagnetische und elektrostatische Felder o Rauschen - interne Störungen o Übersprechen o Gedämpfte Schwingungen o Schaltstörungen o Leitungsreflexion o Grundrauschen - Maßnahmen o Tiefpass einbauen o Abschirmen o Entstören Seite 8

9 Charakterisieren Sie die Schaltkreisfamilien TTL, CMOS und ECL (Aufbau, elektrische Eigenschaften, Schaltverhalten). Geben Sie an, welche Schaltkreisfamilien unter welchen Bedingungen zueinander kompatibel sind. - TTL: o Schaltgeschwindigkeit: tp = 10ms o????? - CMOS: o Kein Querstrom bei Z = 0 oder Z = 1 o Extreme geringe statische Verlustleistung o Schaltgeschwindigkeit relativ langsam: tp = 90ms o Höherer Bereich von UB (3,5V...15V) o Bei UB = 5V bedingt kompatibel o Ausgangspegel extrem nah an der Betriebsspannung (hoher Fan-Out) o Relative Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen o Problem: Leicht zerstörbar Sehr empfindlich ESD Schutz! - ECL o Differenzverstärkerprinzip, keine Sättigung o Sehr schnell (Schaltgeschwindigkeit: tp = 2ms) o Hoher Energieverbrauch Aufbau, Schaltverhalten?? Kompatibilität??? Seite 9