Interconnessioni e Linee di Trasmissione

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1 Queste istruzioni sono scaricabili dal Portale (pagina dell insegnamento, sezione Materiale ), o da La versione più aggiornata è normalmente quella su areeweb. Interconnessioni e Linee di Trasmissione Scopo dell esercitazione Scopo di questa esercitazione è verificare il comportamento di spezzoni di cavo coassiale utilizzato per trasferire segnali digitali in diverse condizioni di pilotaggio e di terminazione. Moduli e componenti da utilizzare I circuiti richiesti devono essere predisposti sulle basette per montaggi senza saldature. 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 ; Oscilloscopio con banda passante di almeno 60 MHz, con sonde ad alta impedenza; Matassa di cavo con impedenza caratteristica Z 0 = 100 (UTP Unshielded Twisted Pair - classe 5: cavo per rete locale), oppure Z 0 = 50 (RG58), con lunghezza di almeno m. Lunghezze inferiori richiedono oscilloscopi con banda (e risoluzione temporale) più alta. Altro spezzone di cavo dello stesso tipo di 3-5 m Adattatori e terminazione (resistenza di 100 per UTP, 50 (o 47) per il coassiale) ; Altre resistenze per realizzare terminazioni non adattate e disadattamento al generatore (15, 22, 120, 220 ) ondensatori per terminazione R: 1 nf, 47 nf, 1 μf ircuiti logici di varie famiglie (LS, H, T, AT,...) Alimentatore per i circuiti logici. I collegamenti con il cavo e la terminazione richiedono adattatori N-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 MOS tutti gli ingressi devono essere collegati a una tensione corrispondente a uno stato logico ben definito, le uscite non utilizzate devono essere lasciate aperte, 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. 1

2 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 e verificato con simulazioni PSPIE. ollegamento 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 generatore o alla terminazione, sfruttare la basetta con le morsettiere riportate dai N (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). A seconda della lunghezza della matassa di cavo può essere opportuno aumentare il periodo dell onda quadra, per consentire al transitorio di andare praticamente a regime prima del gradino successivo. PULSE Z 0, t P, l V V R T Fig 1 anco di misura: lo spezzone di linea è la matassa di coassiale o UTP. 2

3 Misure Le misure da eseguire sono nell'ordine: A) Misura dei parametri del generatore; ) Misura dei parametri del cavo; ) Effetti del disadattamento lato generatore e lato remoto; D) Effetti del carico capacitivo; E) Riflettometria nel dominio del tempo; F) Linea pilotata da circuiti logici (richiede montaggio di componenti con alimentazione); G) Diafonia (fattibile solo con cavi UTP). Il punto F) va eseguito per ultimo, se rimante tempo disponibile. Il punto G) richiede attrezzatura particolare. La lunghezza del cavo determina il tempo di trasmissione t P, e di conseguenza la scala dei tempi per tutte le misure e le caratteristiche degli strumenti. on 10 m di cavo è possibile eseguire le misure con un oscilloscopio da 100 MHz; aumentando la lunghezza o ampliando la banda l fenomeni da analizzare sono più evidenti. I componenti agli estremi del cavo possono essere collegati con adattatori (fig. 2a), oppure utilizzando le basette con connettori N collegati ai morsetti (vedi manuale Uso delle basette per montaggi, pag 4). Fig 2a avo e adattatori usati per l esperienza con cavo coassiale. E possibile anche utilizzare le basette per montaggi che montano una coppia di N) con i terminali riportati su una morsettiera. Le basette con 3 N hanno i terminali di massa in comune, e questo può modificare il comportamento del cavo. Fig 2b avo UTP (Unshielded Twisted Pair Doppino intrecciato non schermato) 3

4 A) Misura dei parametri del generatore 1) Verificare l ampiezza V dell uscita del generatore a vuoto (Figura 5.3 a). 2) ollegare al generatore un carico R L noto (ad esempio. 100 ), e misurare il nuovo valore di V ; dalle due misure calcolare l impedenza di uscita del generatore (Figura 3 b). Il valore ottenuto deve essere prossimo a 50. P PULSE PULSE a) V b) V R L 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. Nel caso di UTP (con impedenza caratteristica di 100 ), la situazione di adattamento si ha per terminazione (e generatore) a 100 ). I valori di resistenza da inserire vanno modificati di conseguenza. L uso di UTP permette di impostare facilmente la situazione < Z 0 (il generatore ha impedenza di uscita 50, il cavo è da 100 ), e la presenza di più doppini vicini per un certo tratto permette (in opportune condizioni) di eseguire le misure di diafonia. Il collegamento standard dell oscilloscopio, in cui la sonda ha un capo a massa, sbilancia però il sistema di trasmissione UTP, che ha entrambi i conduttori isolati da massa. Una misura corretta richiederebbe, per ciascuna tensione da rilevare, una sonda differenziale oppure due sonde normali usate in modo differenziale. Per osservare due segnali senza speciali sonde differenziali occorrerebbe quindi un oscilloscopio a 4 canali, in genere non disponibile nei laboratori didattici. Per questi motivi le misure vengono eseguite su spezzoni di cavo coassiale. 4

5 ) Misura dei parametri del cavo 1) ollegare 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 velocità di propagazione U (pari, nel caso di cavo RG58. a 0,66 c), calcolare la lunghezza dello spezzone di cavo. 2) ollegare una resistenza di terminazione R T da 50 e verificare l assenza di riflessioni. La resistenza da 50 può essere realizzata con due resistenze da 100 in parallelo, oppure utilizzando una resistenza da 47 (il disadattamento è minimo). P PULSE Z 0, t P, l V V R T Fig. 5 Misura della velocità di propagazione nel cavo (per il punto a non inserire R T. 5

6 ) Disadattamento lato driver e lato terminazione 1) ollegare una resistenza R S (220 ) in serie tra generatore e linea, lasciando la linea aperta all estremo remoto ( T = 1). 2) Dalle forme d onda ai due estremi calcolare il coefficente di riflessione G (generatore), e confrontare con il valore calcolato. P PULSE R S Z 0, t P, l V V Fig. 6 Resistenza di terminazione serie per < Z 0, linea aperta all estremo remoto. Fig. 7 Segnali per > Z 0, e linea aperta all estremo remoto. Nota: La frequenza dell onda quadra usata per questa misura deve essere tale da permettere che il transitorio vada praticamente a regime prima del gradino successivo. A seconda della lunghezza del cavo (e quindi del tempo di propagazione) può essere necessario variare la frequenza dell onda quadra (aumentando il periodo), per ottenere una corretta misura dell ampiezza del primo gradino. 6

7 Ripetere la misura con resistenza equivalente del generatore più bassa della impedenza caratteristica (collocare una resistenza da 22 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 G con quello calcolato. P PULSE Z 0, t P, l R S V V Fig. 8 Resistenza R G < Z 0, linea aperta all estremo remoto. Fig. 9 Segnali per < Z 0, e linea aperta all estremo remoto. 7

8 D) arico capacitivo 1) ollegare un condensatore da 1 nf ( T ) 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 ( T = -1), mentre a transitorio esaurito diventa un circuito aperto ( T = 1). Quindi le forme d onda corrispondo a quelle di un corto circuito per t = t P all estremo remoto, e per t = 2 t P per l estremo vicino. P PULSE Z 0, t P, l V V T Fig. 10 Verifica delle forme d onda con carico capacitivo. Fig. 11 Forme d onda nella linea di trasmissione con carico capacitivo. 8

9 E) 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 2t P 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, il tempo di propagazione complessivo aumenta (gradino intermedio più ampio all estremo vicino). Il punto 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 al nuovo estremo della linea. P PULSE Z 0, t P, l V V Fig. 13 Prolungamento del cavo con un altro spezzone. 9

10 La lunghezza totale del cavo è ancora misurata dalla larghezza del gradino intermedio al lato vicino (circa 150 ns in questo esempio). La lunghezza dello spezzone aggiunto può essere misurata dalla larghezza del gradino intermedio nel punto (50 ns in questa esperienza). Fig. 14 Segnali all estremo vicino (alto) e in un punto intermedio per una line aperta con driver adattato 10

11 F) Linea pilotata da dispositivi logici Nei componenti della famiglia 74LS 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 ). 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 I OL > I OH. Fig. 15 Linea aperta pilotata da un dispositivo della famiglia 74LS. on driver della famiglia H la resistenza equivalente di uscita è prossima a 50, e praticamente non vi sono riflessioni al lato driver. (Figure 16, analoga al precedente esperimento ). Le transizioni in salita e discesa sono simmetriche. Fig. 16 Linea aperta pilotata da un dispositivo della famiglia 74H. 11

12 Nella famiglia A 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 ). Fig. 17 Linea aperta pilotata da un dispositivo della famiglia 74A. ollegare 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 74A 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. 12

13 G) Diafonia Questa misura può essere eseguita solo con cavo UTP; i segnali in gioco sono molto bassi, e la corretta visualizzazione richiede esperienza nell uso degli strumenti. Utilizzando i doppini (Segnale-Massa attorcigliati) già predisposti nel cavo, la diafonia è molto bassa e difficilmente misurabile. Può esser resa più evidente costruendo due connessioni che utilizzano conduttori di doppini diversi, come indicato nella tabella. avo 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 (collegare il lato pilotato dal generatore con una resistenza da 47 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 all estremo vicino) è pari al doppio del tempo di propagazione t P. Variare la pendenza della transizione e verificare l effetto sulla ampiezza dei disturbi. Nota importante 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 sia ben visibile; se troppo basso scegliere un altro generatore, con fronti più ripidi, oppure usare porte logiche H per pilotare i cavi. 13