Задачи семестрового контроля по курсу Микросхемотехника (часть 2)

Задачи семестрового контроля по курсу МИКРОСХЕМОТЕХНИКА (часть 2)

Задача 1

Имеется устройство с полосой рабочих частот fp, которое состоит фильтра нижних частот (ФНЧ) Баттерворта порядка N с частотой среза fc и идеального АЦП. Частота дискретизации - fs. Спектр входного сигнала точно не известен, поэтому можно считать, что он определяется свойствами ФНЧ. Учитывая влияние паразитных компонент до 2-й зоны Найквиста включительно, показать условно на диаграмме вид спектра дискретизированного сигнала. Отметить на графике в 1-ой зоне Найквиста фрагменты паразитных компонент спектра, попавших в нее из других зон, с учетом вида их частотной зависимости и степени ослабления.

Пользуясь построенной диаграммой, оценить предельно достижимую величину динамического диапазона по уровню паразитных спектральных компонент в рабочей полосе частот. Полагая, что найденная таким образом величина динамического диапазона соответствует некоторому эквивалентному соотношению сигнал/шум (SNR) определить эффективную разрядность АЦП для случая, когда не применяется последующая обработка цифровых отсчетов - nэфф, а также эффективную разрядность для случая, когда используется цифровая фильтрация с прореживанием (понижением частоты выходных отсчетов) и достигается выигрыш по обработке - nобр.

Задача 2

Запуск АЦП осуществляется передним фронтом синхроимпульса с выхода типового КМОП инвертора. Длительность фронта - tф, напряжение питания инвертора ЕП = 3,3 В. На шине питания присутствует шум, т. е. случайные отклонения напряжения от номинального значения, распределенные по нормальному закону. Двойная амплитуда напряжения шума (межпиковое значение - Δupp) с вероятностью 99,9% не превосходит 2% от номинального напряжения питания. Шум на шине питания транслируется в неопределенность времени достижения синхросигналом порога переключения КМОП элемента на входе запуска АЦП. Эта неопределенность, т. е. фазовый шум или джиттер приводит к появлению апертурной погрешности АЦП. Требуется оценить величину этой погрешности (в %) по вычисленному среднеквадратичному значению джиттера и параметрах входного сигнала из задачи 1.

Исходные данные для всех вариантов обеих задач

Вариант	fp Гц	fc Гц	N	fs Гц	tф нс
00	1К	2К	3	16К	25
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25

Примечание: суффикс К соответствует множителю 103, суффикс М соответствует множителю 106

Результаты решения обеих задач поместить в следующую таблицу

Группа	Ф. И.О.	№ варианта	SNR дБ	nэфф бит	nобр бит	δа %
В8-27		00	52,5	8,4	9,9	9,5Е-5

Формат данных такой, как показан в приведенном примере представления результатов

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ЗАДАЧА 1

- АЧХ фильтра НЧ Баттерворта порядка N с частотой среза fc

- эффективная разрядность АЦП без цифровой постобработки

- эффективная разрядность АЦП при наличии цифровой обработки, fp – верхняя граница полосы рабочих частот (нижнюю границу считаем равной 0).

Графическое решение

Построение диаграммы, иллюстрирующей наложение спектральных компонент при дискретизации, и оценка динамического диапазона АЦП.

Вид диаграммы при следующих исходных данных:
fp = 1кГц; fc = 2 кГц; N = 3; fs = 16 кГц; SNR = 52,5 дБ; nэфф = 8,4 бит; nобр = 9,9 бит

ЗАДАЧА 2

Появление временной неопределенности Δtpp из-за шума Δupp на шине питания

Характеристики шума при гауссовом (нормальном) распределении амплитуд

Связь между амплитудой случайного сигнала и стандартным отклонением σ (среднеквадратичным значением)

Номинальная величина двойной амплитуды нормально распределенного шумового сигнала в единицах стандартного отклонения σ	Относительная суммарная длительность промежутков времени, в течение которых двойная амплитуда шума превышает номинальную величину
3σ	13%
4σ	4,6%
5σ	1,2%
6σ	0,27%
6,6σ	0,10%
7σ	0,046%
8σ	0,006%

Максимальную частоту входного сигнала fmax можно очень грубо оценить, как равную частоте среза ФНЧ, поскольку более высокие частоты будут как-то подавляться этим фильтром.