Final Primavera 2013 (2014)

Examen Español
Universidad Universidad Politécnica de Cataluña (UPC)
Grado Ingeniería Telemática - 2º curso
Asignatura FISE
Año del apunte 2014
Páginas 10
Fecha de subida 03/12/2014
Descargas 3
Subido por

Vista previa del texto

FISE Notes provisionals: Període d’al·legacions: Notes revisades: 6 de juny de 2013 14 h del 17 de juny 14 h del 21 de juny 14 h del 26 de juny PROBLEMA 1 (33,3% de la nota de l’examen final) (S’ha d’entregar cada problema en fulls diferents) En la figura següent es presenta un amplificador de transimpedància diferencial realitzat amb tres amplificadors operacionals AO del mateix model.
R + R 3 4 AO 1 - Dades: R3 = 10 k R4 = 100 k R - I AO 3 + i V Especificacions dels AO: Vos1 = Vos2 = Vos3 = 1 mV Ios1 = Ios2 = Ios3 = 4 pA IB1 = IB2 = IB3 = 8 pA o R AO 2 R + R 3 4 Es demana: a) La relació entre la tensió de sortida i el corrent d’entrada, suposant els AO ideals.
b) El valor de la resistència R per tenir una sensibilitat de 20 V/µA.
c) L’error en el pitjor cas possible degut a la tensió d’offset dels tres AO.
d) L’error en el pitjor cas possible degut als corrents de polarizació dels tres AO (Considera R=500 k) PROBLEMA 2 (33,3% de la nota de l’examen final) (S’ha d’entregar cada problema en fulls diferents) Considera ideals els amplificadors operacionals i els díodes del circuit de la figura següent.
VR +VCC v1 D1 + R1 -VCC R2 BLOC 1 C R3 D2 R4 + +VCC v2 -VCC BLOC 2 Es demana : a) Analitzar el circuit del BLOC 1 i dibuixar la característica de transferència V1(V2).
b) Obtenir l’expressió de la tensió V2 en funció del V1 analitzant el circuit del BLOC 2.
c) Considerar els següents valors pels components del circuit: R1= 1k, R2= 2k, R3=1k, R4= 0,5k, C= 2F, VR= 2V, VCC = 10V. Dibuixa els senyals V1(t) i V2(t) en funció del temps, suposant que a t=0, V1= 10V i V2 = 0V, i indica els valors de tensió més significatius.
d) Calcular per a V1(t) els valors dels semiperíodes TH i TL, el període T, la freqüència i el cicle de treball.
FISE Notes provisionals: Període d’al·legacions: Notes revisades: 6 de juny de 2013 14 h del 17 de juny 14 h del 21 de juny 14 h del 26 de juny PROBLEMA 3 (33,3% de la nota de l’examen final) (S’ha d’entregar cada problema en fulls diferents) Es vol dissenyar un mòdul fotovoltaic per a l’alimentació d’un element que forma part d’una xarxa de sensors de temperatura que estan connectats per radiofreqüència RF amb un sistema de monitorització de dades.
El consum d’un element de la xarxa de sensors té un consum permanent de 10 mA i ha d’estar alimentat per una bateria recarregable de Vbat= 9V. Quan s’estableix la comunicació RF, el consum augmenta en 50 mA i es comunica amb el sistema de monitorització un total de 1 hora i 30 minuts al dia.
La radiació solar en la localització del sensor dóna lloc a un valor mig d’hores pic solar PSH = 3,8 hores.
Es demana : a) Calcular el consum diari d’energia L i la potència necessària del mòdul fotovoltaic PmG per alimentar un element de la xarxa (l’alimentació de cada element es fa amb un únic mòdul fotovoltaic).
b) Si en el disseny del mòdul fotovoltaic s’utilitzen cèl·lules solars que tenen les següents característiques en condicions de test estàndard STC: P= 10,6mW, Impp=20mA, Vmpp=0,53V, Àrea= 0,8cm2, calcular el nombre total de cèl·lules necessari i l’esquema de connexions: Ns i Np.
c) Calcular la capacitat de la bateria en ampers per hora (A·h) si volem una autonomia mínima Cs de 4 dies i si la profunditat màxima de descàrrega de la bateria : DOD = 75%.
d) Donar el cost total del sistema fotovoltaic considerant un cost de bateria de 15 €/Ah i un cost de cèl·lula solar de 0,25 € per unitat i donar l’àrea del mòdul fotovoltaic.
PROBLEMA 2 PROBLEMA 3 a) L = (10 mA*24h+1,5 h*50mA)*9V= 2,835 Wh Pgenerador = L/PSH = 746 mW b) Ns ≥ Vbat/Vmpp = 16,98 → Ns=17 Np ≥ L/Vbat*Impp*PSH = 4,14 → Np =5 c) Cbat = L*Cs/(Vbat*DOD) = 1,68 Ah d) Cost = 46,45 euros Area = 0,68 cm2 FISE Notes provisionals: Període d’al·legacions: Notes revisades: 6 de juny de 2013 14 h del 17 de juny 14 h del 21 de juny 14 h del 26 de juny EXAMEN LABORATORI (20% de la nota final de l’assignatura) (S’ha d’entregar les quatre qüestions de la part de laboratori juntes però en fulls diferents dels tres problemes de la part anterior) 1) En les figures següents es presenten l’esquemàtic d’un amplificador i els resultats de dues simulacions PSPICE.
R1 R2 1k {R2} 0 uA741 2 4 - VCC VEE 15Vdc VOS1 1 6 OUT IN VOFF = 0 VAMPL = 1V FREQ = 100kHz AC = 1 3 Vi + 7 U1 OUT 5 OS2 V+ Vcc Vee 0 15Vdc VCC PARAMETERS: VEE R2 = 100k 0 60 50 40 30 20 10 0 -10 DB(V(OUT)/V(IN)) 0d -10d -20d -30d -40d -50d -60d -70d -80d -90d -100d -110d -120d -130d -140d SEL>> -160d 1.0Hz 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 3.0MHz P(V(OUT)/V(IN)) Frequency 2.5V 2.0V 1.5V 1.0V 0.5V 0V -0.5V -1.0V 0s V(IN) 2us V(OUT) 4us 6us 8us 10us 12us 14us 16us 18us 20us 22us 24us 25us Time A partir del resultat de la simulació AC Sweep (parametritzada als valors de R2: 10k100k i 1M, troba: a) b) c) El guany i el desfasament de l’amplificador per al cas de R2 igual a 100k, quan a l’entrada hi ha un senyal sinusoïdal de 2 kHz.
El producte del guany per l’amplada de banda del circuit amplificador de forma aproximada.
La freqüència de guany unitat ft de l’amplificador operacional.
A partir del resultat de la simulació Time Domain (Transient) (R2 té el valor per defecte, 100k, troba: d) El slew-rate de l’amplificador operacional.
FISE Notes provisionals: Període d’al·legacions: Notes revisades: 6 de juny de 2013 14 h del 17 de juny 14 h del 21 de juny 14 h del 26 de juny 2) Determina uns valors dels components del filtre passabanda de manera que tingui una freqüència central f0 de 1 kHz. Troba el paràmetre A i el factor de qualitat Q del filtre.
C IN R Vin OUT R C 0 H(s)  VOUT A  o  s   VIN s2  o s  o2 Q 0 3) En el sistema de mesura de la distància per ultrasons de la Pràctica 4 de laboratori s’han mesurat amb l’oscil·loscopi tant el senyal d’excitació que s’aplica a la càpsula transmissora (canal 1 de l’oscil·loscopi) com el senyal de sortida de la cadena de recepció, a la sortida del circuit detector de llindar (canal 2 de l’oscil·loscopi).
Les captures de la pantalla amb aquests senyals per a dues posicions diferents de la base de temps de l’oscil·loscopi es presenten en les figures següents. A partir d’aquestes pantalles determina: a) Quin és el temps de vol (TOF) i quina és la distància a la que es troba l’obstacle apuntat per les càpsules.
b) Quina és la freqüència de repetició de polsos (PRF) i el màxim abast del mesurador que permet la PRF.
4) En el circuit comparador amb histèresi de la figura de l’esquerra hem mesurat amb l’oscil·loscopi el senyal de sortida Vo3 (canal 2 de l’oscil·loscopi) per a un senyal d’entrada Vi3 sinusoïdal (canal 1 de l’oscil·loscopi) i quan el potenciòmetre P1 està en una determinada posició d’ajustament. La figura contigua mostra la captura de la pantalla de l’oscil·loscopi en aquesta situació. A partir de la mesura, troba els dos llindars de commutació (VTL i VTH) del comparador i dibuixa la seva característica entrada(Vi3) - sortida(Vo3) indicant el valor d’aquests llindars.
R7 33 k  Vcc R6 V + i3 P1 10 k  Vcc - Vref Vo3 SOLUCIÓ EXAMEN LABORATORI (20% de la nota final) 1) G  40dB BW3  1 kHz BW1  100 kHz BW2  10 kHz 60 G3  1000 (60dB) 50 40 G2  100 (40dB) 30 20 G1  10 (20dB) ft  900 kHz 10 0 -10 DB(V(OUT)/V(IN)) 0d -10d -20d -30d   -10º -40d -50d -60d -70d -80d -90d -100d -110d -120d -130d -140d SEL>> -160d 1.0Hz 10Hz 100Hz 1.0KHz 2 kHz P(V(OUT)/V(IN)) 10KHz 100KHz 1.0MHz 3.0MHz Frequency 2.5V t  5 s 2.0V 1.5V V  2,4 V 1.0V 0.5V 0V -0.5V -1.0V 0s V(IN) 2us V(OUT) 4us 6us 8us 10us 12us 14us 16us 18us 20us 22us 24us Time a) G  40dB,  -10º per a f= 2kHz.
b) Producte del guany per l’amplada de banda del circuit amplificador: R2 = 10kG1·BW1  10 100 kHz = 1 MHz R2 = 100kG2·BW2  100 10 kHz = 1 MHz R2 = 1MG3·BW3  1000·1 kHz = 1 MHz c) ft  900 kHz d) SR  V/t = 0,48V/s 2) IN Vin C R ZS 0 1 RCs  1 ZS  R   Cs Cs OUT R C ZP H (s )  VOUT A  o  s   VIN 2 s  o s  o2 Q 0 ZP  R Cs 1 R Cs  R RCs  1 25us 1 R s RCs RCs A  o  s ZP RCs  1 RC      H(s)  2 2 2  ZS  ZP RCs  1  R RCs  1  RCs RC s  3RCs  1 s2  3 s  1 s2  o s  o2 2 Q Cs RCs  1 RC RC o  1 1  fo   1  kHz RC 2  RC o 3 1 Q  RC 3 Q  Per exemple: R = 1,6 k i C = 100nF A 1 3) T  54 ms TOF  3 ms v  TOF 340 m s  3ms   51cm 2 2 a) TOF  3ms  d  b) T  54ms  PRF  v  T 340 m s  54ms 1  18,5Hz  d max    9,18m T 2 2 4) VTH  8 V R7 33 k  Vcc R6 V + i3 P1 10 k  Vcc Vo3 - Vref Vo3 10,8 V 0V 7,2 V  VTL VTH  8 V Vi3 VTL  7,2 V ...