2. Aufgabe (Signalprozessoren)

Institut für Informatik
Lehrstuhl für Eingebettete Systeme
Prof. Dr. Uwe Brinkschulte
Alexander von Renteln
Eingebettete Systeme
4. Übungsblatt
Besprechung der Aufgaben: 20. Januar 2011
1. Aufgabe (DMA)
a) Beurteilen Sie die Eigenschaften der Ansteuerung von Ein-/Ausgabegeräten mit
Polling, Interrupts und DMA. Gehen Sie dabei auch auf die Kriterien Latenz der
Ein-/Ausgabeoperationen und deren Einfluss auf die Prozessornutzung ein.
b) Was ist der Vorteil von DMA-Kanälen? Wie können mehrere DMA-Kanäle in einem
DMA-Controller realisiert werden?
c) Welche Probleme treten bei einer DMA-Übertragung auf wenn die Quelle und das
Ziel unterschiedliche Datenwortbreiten haben (Datenwortbreite der Quelle größer
bzw. kleiner als die des Zieles)? Wie kann der DMA-Controller verändert werden
um diese Probleme zu lösen?
2. Aufgabe (Signalprozessoren)
Realisierung eines digitalen Filters:
Es sollen Mono-Signale bis 30 kHz gefiltert werden.
a) Welche Abtastfrequenz wählen sie?
b) Wie viele Befehle kann der Audio- Signalprozessor µPD6382 bei einer Taktfrequenz
von 10 MHz ausführen (Skalarer Prozessor, es sei ein Mono-Signal zu filtern)?
c) Entwerfen Sie eine Systemarchitektur mit dem Signalprozessor und einem Mikrokontroller zur Realisierung dieses (Mono)-Filters. Der Mikrokontroller kann verschiedene Filter in den Signalprozessor laden. Hierzu verfügt er zusätzlich über eine
Tastatur und ein Display. Für diesen Aufgabenteil ist ein skizziertes Blockschaltbild
ausreichend.
d) Der Signalprozessor verarbeite ein Signal nach folgendem Blockbild:
1
Integrator
Verstärkung
v1
y(t)
x(t)
Addierer
Y(s)
X(s)
Dämpfung eat
Verstärkung
v2
Geben sie für ein Eingabesignal x(t) bzw. X(s) das zugehörige Ausgabesignal y(t) bzw.
Y (s) jeweils im Zeitbereich und Laplace-Bereich an.
3. Aufgabe (Operationsverstärkerschaltungen)
a) Zeichnen Sie das Symbol eines Operationsverstärkers (mit Versorgung) und beschriften Sie die Anschlüsse.
b) Nennen Sie die charakteristischen Eigenschaften eines idealen Operationsverstärkers
und erläutern Sie die entsprechenden Eigenschaften realer Operationsverstärker.
Sie die
einefolgenden
Addierer-Operationsverstärkerschaltung
c) Zeichnen Sie
Operationsverstärkerschaltungenund
undbestimmen
bestimmen Sie
Sie mit
Hilfe der Knoten- und Maschenregel und der Annahme UD
=
0V
den
ZusammenE
hang zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung bei einem Addierer.
d) Mit einer Operationsverstärkerschaltung soll die mathematische Funktion
5
1
UA
R − V
A = − UE
2
3
realisiert werden. Dazu stehen ein als ideal anzunehmender Operationsverstärker
und eine beliebige Anzahl von Widerständen mit
mit dem
dem Wert
Wert 1kΩ
1k4 zur Verfügung. Die
Versorgungsspannung der Schaltung betrage 5V.
• Welche Operationsverstärkerschaltung wählen Sie (Formel)?
• Zeichnen Sie eine Schaltung, welche aus der Versorgungsspannung eine Spannung von 5/3V bereitstellt.
• Zeichnen Sie eine Schaltung unter Zuhilfenahme der beiden vorherigen Punkte,
welche die angegebene mathematische Funktion realisiert.
4. Aufgabe (Analyse von
Operationsverstärkerschaltungen)
Sie analysieren die Ausgangsspannung von 3 Baugruppen. An diese wird eine Eingangsspannung U
UEE angelegt
angelegt und
und die
die Ausgangsspannung
Ausgangsspannung U
gemessen. Dabei erhalten Sie als
spannung
UA
A gemessen. Dabei erhalten Sie als
Antwort auf
auf das
das Eingangssignal
Eingangssignal U
UE
die Ausgangsspannung
(siehe Abbildung).
E die
Antwort
Ausgangsspannung U
UA
A (siehe Abbildung).
22
Sie analysieren die Ausgangsspannung von 3 Baugruppen. An diese wird eine
Aufgabe
3U
(Analyse
vondieOperationsverstärkerschaltungen)
Aufgabe
3 (Analyse
von und
Operationsverstärkerschaltungen)
Eingangsspannung
Ausgangsspannung UA gemessen. Dabei erhalten Sie
E angelegt
Sie 3analysieren
die Operationsverstärkerschaltungen)
Ausgangsspannung
3 Baugruppen.
An diese
wird e
Aufgabe
(Analyse
von
als Antwort
auf das
UE die Ausgangsspannung
UA (siehe
Sie
analysieren
dieEingangssignal
Ausgangsspannung
von 3vonBaugruppen.
An Abbildung).
diese
wird eine
Eingangsspannung
UE angelegt
und
die Ausgangsspannung
gemessen.
Dabei
Sie
analysieren
die UEAusgangsspannung
von
3 Baugruppen.
AnUAdiese
wird erhalten
eine erhalten
Eingangsspannung
angelegt
und die
Ausgangsspannung
UA gemessen.
Dabei
Sie
als Antwort
das Eingangssignal
U
(siehe
Abbildung).
Eingangsspannung
Uauf
angelegt
und dieUAusgangsspannung
UA gemessen.
Dabei
erhalten
Sie
E die Ausgangsspannung
A Abbildung).
als Antwort
auf das
Ausgangsspannung
UA (siehe
E Eingangssignal
E dieU
als Antwort auf das Eingangssignal UE die Ausgangsspannung UA (siehe Abbildung).
Eingangsspannung UE
Abbildung 1: Eingangsspannung UE
Eingangsspannung
UE
Eingangsspannung
Eingangsspannung
UE UE
UA Baugruppe 2
UA Baugruppe 3
UA Baugruppe 1
Ermitteln Sie für jede Baugruppe eine Operationsverstärkerschaltung, welche das gezeigte
(a) UAEingangssignal
Baugruppe
1
(b) U
22 die Schaltungen
(c)AUBaugruppe
Baugruppe
A Baugruppe
AU
Signal
aus
dem
erzeugt.
Zeichnen
Sie
1 1
UA Baugruppe
2 Sie
33
UAUBaugruppe
U
Baugruppe
3 Werte
A Baugruppe
A Baugruppe
A und
1
UA Baugruppe
2 U
Ugeben
3
U
A Baugruppe
A Baugruppe
für
die
verwendeten
Bauteile
(R,
L,
C)
an.
Ermitteln
Sie
für
jede
Baugruppe
eine
Operationsverstärkerschaltung,
welche
das
gezeigte
Ermitteln
Sie für
eine Operationsverstärkerschaltung,
welchewelche
das gezeigte
Ermitteln
Siejede
für Baugruppe
jede Baugruppe
eine Operationsverstärkerschaltung,
das gezei
Signal
aus
dem
Eingangssignal
erzeugt.
Zeichnen
Sie
die
Schaltungen
und
geben
Sie
Werte
Sie
für
jede
Baugruppe
eine
Operationsverstärkerschaltung,
welche
das
geSignalSignal
aus Ermitteln
dem
Eingangssignal
erzeugt.
Zeichnen
Sie
die
Schaltungen
und
geben
Sie
Werte
aus dem Eingangssignal erzeugt. Zeichnen Sie die Schaltungen und geben Sie We
zeigte Signal
aus dem
erzeugt. Zeichnen Sie die Schaltungen und geben
fürfür
diedie
verwendeten
Bauteile
(R,Eingangssignal
L, C)
verwendeten
Bauteile
(R,
L,an.
C) an.
für Sie
dieWerte
verwendeten
Bauteile
(R,
L,
C)
an.
für die verwendeten Bauteile (R, L, C) an.
Aufgabe 4 (AD-Wandler)
a) Erläutern Sie die Notwendigkeit von AD-Wandlern in einem Automatisierungssystem.
Aufgabe
4 (AD-Wandler)
Aufgabe
(AD-Wandler)
b) Stellen4 Sie
die Vorteile und Nachteile der drei AD-Wandler-Typen Parallelwandler,
Aufgabe 4 (AD-Wandler)
a) Erläutern
Sie mit
die Notwendigkeit
vonund
AD-Wandlern in einem Automatisierungssystem.
Wandler
Wägeverfahren
gegenüber
und erläutern Sie
a) Erläutern
Sie die
Notwendigkeit
von Integrationswandler
AD-Wandlern
in einem
a)
Erläutern
Sie
die
Notwendigkeit
von
AD-Wandlern
in Automatisierungssystem.
einem
Automatisierungssyste
b) Stellen
Sie
die
Vorteile
und
Nachteile
der
drei
AD-Wandler-Typen
Parallelwandler,
jeweilsSie
dasdie
Funktionsprinzip.
b)Wandler
Stellen
und
der drei
Parallelwandler,
b) Stellen
SieVorteile
die Vorteile
und
Nachteile
derAD-Wandler-Typen
drei
AD-Wandler-Typen
Parallelwandl
mit Wägeverfahren
undNachteile
Integrationswandler
gegenüber
und erläutern
Sie
c) Wandler
Ein 4bit-Wandler
nach dem Wägeverfahren
wird mit einer
Referenzspannung
vonSie
4V
mit
Wägeverfahren
und
Integrationswandler
gegenüber
und
erläutern
Wandler
mit Wägeverfahren und Integrationswandler gegenüber und erläutern
jeweils das
Funktionsprinzip.
betrieben.
Stellen Sie in einem Schaubild (Schritte vs. Wandlungssignal) die
jeweils
das Funktionsprinzip.
c) Ein
4bit-Wandler
nach
dem Wägeverfahren wird mit einer Referenzspannung von 4V
jeweils
das
Funktionsprinzip.
Entstehung
des
binären
Ausgangsworts
für (Schritte
einen
Eingangswert
U von 1,23V
dar.
c)betrieben.
Ein
4bit-Wandler
nach
Wägeverfahren
wird mit
einer
Referenzspannung
Sie indem
einem
Schaubild
vs.
Wandlungssignal)
dievon 4Vvon
c) EinStellen
4bit-Wandler
nach
dem
Wägeverfahren
wird
mit
einer inReferenzspannung
d)
ZeichnendesStellen
Sie
einen
3bit-Parallel-Wandler,
welcher
dieUvs.folgenden
Anforderungen
betrieben.
Sie
inSieeinem
Schaubild
(Schritte
Wandlungssignal)
die
Entstehung
binären
Ausgangsworts
für
einenSchaubild
Eingangswert
1,23V
dar.
in von
betrieben.
Stellen
in
einem
(Schritte
vs.
Wandlungssignal)
erfüllt.
Erläutern
Sie
die
Komponenten
und
Ihre
Funktion:
Entstehung
binären
Ausgangsworts
fürwelcher
einen
UAnforderungen
dar.
in vonU1,23V
d) Zeichnen
Sie des
einen
3bit-Parallel-Wandler,
die folgenden
Entstehung
des
binären
Ausgangsworts
für Eingangswert
einen
Eingangswert
in von 1,23V dar.
• Eingangsbereich
0-4V
d)erfüllt.
Zeichnen
Sie Sie
einen
3bit-Parallel-Wandler,
welcher
die folgenden
Anforderungen
die Komponenten
und Ihre Funktion:
d) Erläutern
Zeichnen
Sie
einen
3bit-Parallel-Wandler,
welcher
die folgenden
Anforderung
•Eingangsbereich
Äquidistante
Wandlungsstufen
Erläutern
Sie
die
Komponenten
und
Ihre
Funktion:
• erfüllt.
0-4V
erfüllt. Erläutern Sie die Komponenten und Ihre Funktion:
MinimalerWandlungsstufen
Ausgangswert
Eingangsbereich
0-4V 0-4Vfür Uin < 0,25V; maximaler Ausgangswert für Uin >
• ••Äquidistante
• Eingangsbereich
3,25V Ausgangswert
• • Minimaler
für Uin < 0,25V; maximaler Ausgangswert für Uin >
Äquidistante
Wandlungsstufen
•
Äquidistante
Wandlungsstufen
• 3,25V
Minimaler Ausgangswert für Uin < 0,25V; maximaler Ausgangswert für Uin >
• Minimaler Ausgangswert
Aufgabe
53,25V
(Schnittstellen)
3,25V
für Uin < 0,25V; maximaler Ausgangswert für Uin
Aufgabe
Stellen Sie5die(Schnittstellen)
charakteristischen Merkmale der Schnittstellen RS232, RS422 und RS485
Stellen
Sie dieund
charakteristischen
der Schnittstellen
RS232,
RS422
und RS485
Aufgabe
5 ordnen
(Schnittstellen)
gegenüber
Sie denMerkmale
verschiedenen
Schnittstellen
jeweils
typische
Aufgabe
5
(Schnittstellen)
gegenüber
und ordnen Siezu.
den verschiedenen Schnittstellen jeweils typische
Anwendungsgebiete
Stellen
Sie
die charakteristischen
Merkmale der Schnittstellen RS232, RS422 und RS485
Anwendungsgebiete
zu.charakteristischen Merkmale der Schnittstellen RS232, RS422 und RS485
Stellen Sie die
gegenüber und ordnen Sie den verschiedenen Schnittstellen jeweils typische
gegenüber und ordnen Sie den verschiedenen Schnittstellen jeweils typische
Anwendungsgebiete zu.
Anwendungsgebiete zu.
3
2
2