Komponenter från Linear Technology

På grund av att varken drivkretsen eller filtret fungerade som i simuleringen bestämdes det för att rådfråga en FAE från Linear Technology. Tidigare problem samt syftet med kretsarna beskrevs och med hjälp av hans rekommendationer togs tre nya komponenter fram. Komponenterna beställdes tillsammans med ett samplingskit innehållande spänningsreferenser, adapterkort och relevanta förstärkare. Komponenterna som beställdes var:

47

1. _{LT1816, två operationsförstärkare i en kapsel. Förstärkaren har ett högt GBW och en hög slew}

rate samt är specificerad för filtertillverkning [62].

2. _{LT6210, en snabb, ställbart kraftig och EMC tålig drivkrets [63].}

3. _{LTC6752, en komparator för höga hastigheter och med inbyggd hysteres [64].}

En verifiering av operationsförstärkaren LT1816 utfördes genom att ett MFB kopplades upp med -6 dB magnitud vid centerfrekvensen 9 MHz. En spänningsdelning ned från 3.3 V med höga resistansvärden skulle resultera i att den virtuella referensnivån svänger i takt med insignalen. För att minimera detta oönskade fenomen valdes R2 till Ω, vilket är en relativt hög resistans för ett MFB vid frekvenser i närheten av 10 MHz. Handlingen medförde ett Q-värde på 2 och därmed även en snabbare respons på filtret. Trots detta skulle resistorer i storleksordningen 10 – Ω behövas för spänningsdelaren vilket hade resulterat i en konstant effektförbrukning på 110 – 540 mW, alltså inte att tänka på. För att skapa den konstanta spänningsreferensen någonstans mellan 0 V och 3.3 V användes en krets från samplingskitet vars utspänning låg på 2.048 V [65]. Med en sinusspänning på 1 V topp till topp utfördes två frekvenssvep på filtret: Ett då operationsförstärkaren endast matades med en positiv 3.3 V spänning och ett då den även matades med -3.3 V som i Figur 4.24 (b) respektive (a). Bodediagram för uträknat och uppmätta filter visas i Figur 4.25 och fullständig mätdata med beräkningar i Matlab presenteras i Appendix B.

Figur 4.25: Bodediagram över två MFB skapade med LT1816 tillsammans med teoretiskt filter

Filterdynamiken för de uppkopplade experimenten följer nu det uträknade exemplet, speciellt vid både positiv och negativ matning då en stabil jordpunkt är ansluten och rail to rail-karaktäristik kan uppnås (då utspänningen ligger inom några millivolt av matningsspänningen). En 6.6 V spänningsdifferens ger även förstärkaren mer kraft än endast 3.3 V. På grund av önskat resultat vid experimentet byttes resterande komponenter ut mot de tre nya och ett kretsschema visat i Figur 4.26 kopplades upp.

48

Figur 4.26: Kretsschema för överföring direkt från FPGA-kretsen med komponenter från Linear Technology

Drivströmmen för kretsen LT6210 sattes till 3 mA av en valbar resistor på kΩ. Drivkretsen kopplades även som en 1 ggr förstärkare eftersom det endast är drivkraften och EMC-skyddet som är av intresse för denna komponent. Vid mottagarsidan används ett liknande bandpassfilter, med Q-värde 2, för att filtrera bort störningar utanför överföringsfrekvensområdet. Förstärkningen valdes till 0 dB och dess offset lades på 1.25 V med hjälp av en liknande spänningsreferens som den nämnd tidigare. Spänningsreferensens nivå tillsammans med den sinuslika signalen ut från mottagarfiltret skickades in i komparatorn LTC6752 för att återskapa ursprunglig fyrkantsvåg. I simuleringen fungerade detta som tidigare och i Figur 4.27 visas i blått: Signalen ut från sändarens bandpassfilter med en offset på 2.048 V och i rött: Signalen ut från mottagarens bandpassfilter med en offset på 1.25 V.

49

Ett problem relaterat till bärvågsfrekvensen har dock blivit mera påtaglig, nämligen att högre frekvenser har en större förmåga att överföras mellan ledarna i kabeln. Då Mätningar på en lång

installationskabel utfördes åskådliggjordes att drygt 10 dB av en frekvens på 9 MHz dämpas i den 100

m långa kabeln (Figur 3.2). 10 dB motsvarar drygt 3 ggr vilket kan urskiljas av amplitudskillnaden mellan blå och röd kurva i Figur 4.27. Problemet är dock inte att signalen dämpas, utan att energin som försvinner uppkommer på närliggande ledare. Cyan i Figur 4.27 är nämligen spänningsreferensen på mottagarsidan, märkt \/ i kretsschemat, vilken har näst intill lika hög amplitud som mottagen bärvåg. Spänningsskillnaden som jämförs av komparatorn visas som rosa i simuleringsresultatet och har en påtagligt lägre amplitud än mottagen bärvåg.

Samtliga 24 komponenter från kretsschemat i Figur 4.26 kopplades nu upp på passande adapterkort för genomföring av tester. Komponenterna bestod av två spänningsreferenser, två operationsförstärkare, en drivkrets, en komparator samt 8 resistorer och 10 kondensatorer i SMD 0402 format (1.0 X 0.5 mm). Uppkopplingen med relevanta noder utskrivna visas i Figur 4.28.

Figur 4.28: Verifierande uppkoppling av direktöverföring från FPGA-kretsen med komponenter från Linear Technology

Kopplingen mellan sändar- och mottagarkrets anslöts med den 100 m långa installationskabeln som även spänningssattes på 24 V. Matningsspänningarna till kretsarna på 3.3 V togs från tidigare använda FTDI-chip kopplade till två olika datorer för att skilja jordpotentialen åt, allt för att efterlikna ett så verkligt scenario som möjligt. Uppmätt resultat visas nedan i Figur 4.29 där den övre kurvan i gult representerar en 8 MHz fyrkantsvåg skapad av funktionsgeneratorn, mittersta kurvan i blått representerar bärvågen på kabeln och rosa våg utsignalen från komparatorn.

50

Figur 4.29: Mätning på överföring från FPGA-kretsen med Linear Technology komponenter

Mätningarna som gjordes med separerade jordpunkter fungerar som i simuleringen. Fina sinusvågor med frekvens mellan 8 och 10 MHz förs över matningsledaren med ett topp till topp värde i närheten av 700 mV och en fyrkantsvåg med näst intill 50 % pulskvot skapas. Då mätningsproben anslöts på komparatorns utgång uppkom de små oscillationerna på bärvågens blåa signal. Uppkopplingen innehåller många och långa jordslingor samt onödigt långa ledare mellan kretsarna vilket leder till inducerade spänningar. Stig- och falltiden på komparatorn är även så pass kort (< 2 ns) att signalen överhörs innan oscilloskopets termineringar hinner dämpa fenomenet. Då endast bärvågen mättes försvann nämligen störningarna.

Godtyckligt protokoll kan nu alltså skrivas på sändarsidan och en demodulering med tolkning göras på mottagarsidan. Den analoga kopplingen däremellan sköts av kretsen visad i Figur 4.26 och Figur 4.28.