Design Elektronischer Systeme Kontrollfragen zur Prüfungsvorbereitung 1. Erläutern Sie die allgemeine Struktur der Störeinkopplung in elektronische Systeme. 2. Erläutern Sie mögliche Mechanismen der Störbeeinflussung in elektronischen Systemen und deren allgemeine Struktur. 3. Erläutern Sie das Problem der Störbeeinflussung in elektronischen Systemen an Hand einer allgemeinen Struktur aus Störquelle, -senke und Kopplungsmechanismus. 4. Erklären Sie die kapazitive Störeinkopplung. - Wie lässt sie sich erkennen? - Durch welche Maßnahmen kann sie verringert werden? 5. Erklären Sie die kapazitive Störeinkopplung in einen unsymmetrischen Signalkreis anhand Ersatzschaltbildes. - Wie lässt sich das Vorhandensein einer kapazitiven Störeinkopplung erkennen? - Durch welche Maßnahmen kann sie verringert werden? (8) 6. Erklären Sie die induktive Störeinkopplung. - Wie lässt sie sich erkennen? - Durch welche Maßnahmen kann sie verringert werden? 7. Erklären Sie die Impedanzkopplung. - Wie lässt sie sich erkennen? - Durch welche Maßnahmen kann sie verringert werden? 8. Mit welcher formalen Methode lassen sich in einem Schaltbild Impedanzkopplungen auffinden (kurze Erläuterung)? 9. Erläutern Sie das Prinzip der Stromanalyse zur Auffindung von Impedanzkopplungen in Schaltungen. 10. Warum werden Teile von Schaltungen abgeblockt? - Erklären Sie den Sinn einer Abblockung mittels eines Ersatzschaltbildes. - Wie wird eine Abblockung realisiert? - Wodurch wird die Wirkung von Abblockkondensatoren eingeschränkt? - Nach welchen Kriterien werden Abblockkondensatoren dimensioniert?
11. Welches Layout ist günstiger? Begründen Sie Ihre Entscheidung! 12. Mit welchen Methoden lassen sich stark störende Maschen ermitteln? (siehe Stromanalyse, Stromumschaltanalyse) 13. Erläutern Sie die verschiedenen Aufgaben eines Massesystems und die sich daraus ergebenden Probleme. 14. Wie entstehen Erdschleifen beim Zusammenschalten von Systemkomponenten (Baugruppen, Geräte) und welche Folgen resultieren daraus? 15. Welche prinzipiellen Möglichkeiten der Verbesserung der Massestruktur können zur Entkopplung von Masseschleifen eingesetzt werden? 16. Welche prinzipiellen Möglichkeiten der Gestaltung der Signalstruktur können zur Entkopplung von Masseschleifen genutzt werden?
17. Trotz Potentialtrennung und Schutzisolation von Gerät 1 gegen Erde tritt zwischen dessen Signalmasse und der Masse von Gerät 2 eine Störspannung auf (mit einem Innenwiderstand von ca. 1MΩ). - Erklären Sie die Ursachen, ergänzen Sie die Schaltung zur Verdeutlichung der Entstehung der Störspannung und zeigen Sie Möglichkeiten zu deren Beseitigung auf. 18. In räumlich verteilten Systemen (Produktionsanlagen mit Steuerungstechnik, Gebäudeinstallation mit Telekommunikationsnetzen etc.) treten oft unübersichtliche Potenzialverhältnisse auf der Schutzerde auf. Trotz symmetrischer Signalführung ist es möglich, dass durch geringfügige Asymmetrie (Toleranzen von Bauelementen) Gleichtaktstörungen nicht komplett unterdrückt, sondern in signifikante Gegentaktstörungen gewandelt werden. Welche Strategien führen hier zu störungsarmer Signalübertragung? 19. Womit begründet sich die Regel, dass die Grenzfrequenz der Bauelemente einer Schaltung nicht höher sein sollte, als es für die Signalverarbeitung unbedingt erforderlich ist?
20. Welches Layout des Versorgungssystems und der Abblockung digitaler ICs ist günstiger? Begründen sie Ihre Entscheidung! 21. Welche Störungen können prinzipiell von Netztransformatoren ausgehen und wie können sie minimiert werden (Hinweis: Mag. Felder und Einschaltstromspitzen)?
22. Berechnen Sie den Störabstand am Ausgang der Schaltung. - Durch welche Maßnahmen lässt sich der Störabstand vergrößern? - Wie verändert sich der Störabstand bei einer Störung auf der Netzleitung, deren Spektrum im MHz-Bereich liegt? 23. Signale können als Spannung oder Strom übertragen werden. Vergleichen Sie beide Verfahren hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit gegenüber Störeinkopplungen. 24. Vergleichen Sie abgeschirmte unsymmetrische und abgeschirmte symmetrische Signalleitungen hinsichtlich der Wirksamkeit bei den verschiedenen Mechanismen möglicher Störeinkopplung. 25. Was versteht man unter Vermaschung und wo wird sie eingesetzt? 26. Für die Abblockung eines A/D-Wandlers gibt der Hersteller zwei Kondensatoren von 10µF und 50nF vor, die von der analogen Versorgungsspannung (Vcc) zur analogen Masse (AGND) anzuschließen sind. Welcher Kondensator muss näher an den Anschlüssen des ICs liegen? Begründen Sie Ihre Entscheidung. 27. Oft werden in digitalen Signalleitungen, z.b. Busleitungen auf Leiterplatten, Widerstände zwischen 100 und 250 Ohm zur Erhöhung der Störsicherheit seriell eingebunden. Was bewirken derartige Widerstände? Sind sie am Ausgang des Senders, in der Mitte der Leitung oder am Eingang des Empfängers anzuordnen? Begründen Sie Ihre Antwort!
28. Was versteht man unter einer kritischen Masche? - Wie lassen sich kritische Maschen auffinden? - Weshalb sind kritische Maschen Störquellen? - Welche Maßnahmen lassen sich an der kritischen Masche ergreifen, um die störende Wirkung zu verringern? 29. In der im Bild dargestellten, vereinfachten Schaltung eines Aufwärtswandlers ist die kritische Masche mittels Stromumschaltanalyse zu ermitteln. Abblock - L Regler- IC +V in Feedback Abblock - C FET - Schalter Lade - L V out Schaltdiode Lade - C Last Das Prinzip des Wandlers besteht darin, dass der FET-Schalter mit einer hohen Taktfrequenz geöffnet und geschlossen wird, so dass bei geschlossenem Schalter (FET leitet) Strom über die Ladeinduktivität fließt und den Ladekondensator auflädt. Bei offenem Schalter (FET sperrt) versorgt die Ladeinduktivität den Ladekondensator weiter mit Strom, wobei sich der Stromkreis hier über die Schaltdiode schließt. Der Feedback-Eingang dient zusammen mit dem Spannungsteiler der Gewinnung einer Messgröße für Regelung der Ausgangsspannung. Beide sind hochohmig ausgelegt. 1. Was versteht man unter einer kritischen Masche? 2. Warum ist eine kritische Masche eine Störquelle? 3. Ermitteln Sie die kritische Masche mittels Stromumschaltanalyse! 4. Welche Maßnahmen beim Layout können die störende Wirkung verringern? 30. Welche Vorteile bietet eine symmetrische Signalführung gegenüber einer unsymmetrischen?
31. Kapazitive Störeinkopplung in verschiedene Punkte einer Verstärkerschaltung 1. Vergleichen Sie die Einkopplung in die Punkte 1 bis 4 hinsichtlich ihrer Auswirkung auf den Störabstand. Welcher Bereich ist am empfindlichsten? 2. Berechnen Sie den Störabstand am Ausgang der Schaltung bei einer Einkopplung in den kritischsten Schaltungsbereich, wenn das sinusförmige Eingangssignal einen Spitzenwert von 1mV bei einer Frequenz von 1 khz besitzt und C k einen Wert von 5pF aufweist. 3. Welche Möglichkeiten bestehen im Layout, um die Störeinkopplung in die Schaltung zu verringern? 4. Durch welche Maßnahmen lässt sich der Störabstand vergrößern? 5. Wie verändert sich der Störabstand bei einer Störung auf der Netzleitung, deren Spektrum im MHz-Bereich liegt? Kapazitive Störeinkopplung in verschiedene Punkte einer Verstärkerschaltung 32. Warum werden in der Steuerungstechnik zur Signalübertragung Stromschleifen benutzt? 33. Nach Welchem Kriterium lässt sich abschätzen, ob in einem Layout Aspekte der Störkopplung durch elektromagnetische Wellen zu berücksichtigen sind? 34. Vergleichen Sie qualitativ Leiter mit kreisförmigem und flachem, rechteckigem Querschnitt gleicher Fläche hinsichtlich ihres Gleichstromwiderstands, des Induktivitätsbelags und der Auswirkung des Skineffekts auf den Widerstand bei hohen Frequenzen. 35. Wie kann man am Störspektrum einer digitalen Schaltung erkennen, ob die Störung durch Umschaltströme der ICs oder durch Signalströme über das Versorgungs- Masse-System Verursacht wird? 36. Warum muss man bei der Dimensionierung und Auswahl von Abblock- Kondensatoren zwischen Rausch- und Signalströmen unterscheiden?