4. Ontwerp van de schakeling

4.1. Inleiding

Nadat we een globaal ontwerp van de schakeling hebben gemaakt, kunnen we de onderdelen uitwerken. in dit hoofdstuk komen de verschillende onderdelen aan bod.

Allereerst zullen we de A/D-convertor behandelen. Dit is een Turbo-tracking A/D-convertor. Een preciese beschrijving van de algoritme staat in de appendices.

Vervolgens zullen we de seriële zender en ontvanger beschrijven. We zullen zien, op welke manier de zender en ontvanger een relatief hoge baudrate (1/2 klokfrequentie) haalt met behulp van z.g.n. dual klok-mode.

De D/A-conversie is het volgende onderdeel. Deze is relatief eenvoudig, omdat van standaard schema’s gebruik gemaakt kan worden.

Tenslotte komt de voeding aan bod. Alhoewel we gebruik gemaakt hebben van een bestaand schema, is het toch noodzakelijk om hier enige opmerkingen over te maken.

4.2. A/D-conversie

In het onderstaande figuur is het principe van de A/D-convertor afgebeeld:

Dit type noemen we een dual stepsize, Turbo tracking-A/D-convertor, of ook wel gewoon Turbo. De turbo counter is een teller met twee stapgroottes, 1 en 4. Via de bovenste comparator wordt gekeken of de teller op moet tellen of moet aftrekken. Dit signaal noemen we up/down. Verder moet de turbo=-counter weten wanneer hij de stapgrootte 1 of 4 moet aannemen. Dit gebeurt met behulp van de onderste twee comparators.

De turbocounter heeft twee uitgangen, een voor de D/A-convertor en een voor de rest van de schakeling. Dit is nodig omdat het uitlezen van de samples met een andere frequentie kan gebeuren dan de teller nodig heeft om het signaal te volgen.

De turbocounter heeft nog een extra aantal ingangen gekregen, die extra functies kunnen uitvoeren. Hieronder staat een lijst van de ingangen en hun functies:

Ingangssignalen van de turbo-counter

i	Inhibit. Bepaalt of de teller mag tellen.
u	Up. Bepaalt of de teller omhoog of omlaag telt.
h	High. De teller is te hoog, dus grotere stappen.
l	Low. De teller is te laag, dus grotere stappen
ld	LoaD. Laad de uitgangsregisters.
m	Min. Zet de teller op z’n minimum stand (Ox00).
z	Zero. Zet de teller op de nul-stand (Ox80).
x	maX. Zet de teller op de maximum stand (Oxff).

De signalen m, z en x worden gebruikt voor het ijken van de schakeling.

De logica is geïntegreerd in een programmeerbaar device, EPLD genaamd(1). De EPLD voorkomt dat grote hoeveelheden losse TTL-IC’s gebruikt moeten worden. De listing van een aantal mogelijkheden staan in de appendices.

De turbocounter is aangesloten op een D/A-convertor. De D/A-convertor heeft een analoog uitgangssignaal, dat tussen de 0 en 2.5V ligt. Dit signaal wordt versterkt tot een signaal van +4.5V. Dit gebeurt met een eenvoudige opamp.

De offset en versterking van de opamp kunnen met behulp van potmeters worden bijgeregeld. Om deze juist in te kunnen stellen kan men gebruik maken van de m, z en x ingangen van de turbocounter.

De uitgang van de versterker wordt dan weer toegevoerd aan de drie comparators, waarvan de functie reeds beschreven is.

4.3. Seriële verzending

De uitgang van de turbo-counter waar de samples uit komen wordt verbonden met de seriële zender. Deze seriële zender bestaat uit een EPLD en een kant en klare glasvezel zender. De kant en klare glasvezel zender is voor ons niet interessant.

De zender-EPLD heeft een aantal functionele blokken. Het belangrijkste is de multiplexer. in ons geval hebben we een multiplexer met 11 ingangen. Acht ervan worden gebruikt door de data-bits. De overige worden in beslag genomen door de start en stop bits. in ons geval zijn dat 00 en 1.

Deze start- en stopbits worden voor twee dingen gebruikt. Om te beginnen geven ze aan waar de data begint. Het is duidelijk, dat de ontvanger deze informatie nodig heeft als er asynchroon gewerkt wordt. Bovendien geven de start- en stopbits de ontvanger de gelegenheid om zijn synchronisatie aan te passen. Hieronder wordt het toestandsdiagram van de ontvanger gegeven.

De ontvanger werkt met twee clockmodes. De data voor de controller, de toestandsmachine van hierboven, wordt binnen gehaald op de negatieve flank en de databits op de positieve flank. De toestandsmachine zelf loopt op de positieve flank. De databits zijn dus altijd van een eerder tijdstip dan de controlesignalen.

De ontvanger wacht op het voorkomen van de 001-combinatie (q0). Deze combinatie is dus 6 klokpulsen lang. De toestandsmachine telt drie klokpulsen nullen (q0,q1; q1,q2; q2,q3;), en wacht dan tot het startbit komt (q3). Dat komt dan meestal na 1 klokpuls. Eventueel verschil in klokfrequentie tussen de zender en ontvanger wordt op deze plaats opgevangen.

Het startbit is weer twee klokpulsen lang (q3,q4; q4,ct;). Bovendien wordt tegelijk een externe teller opgestart, die tot 16 telt. Met het laagste bit van deze teller wordt bepaald op welk tijdstip de datalijn gesampled moet worden. Het een en ander is in onderstaand figuur nog eens weergegeven in relatie tot de klok van de ontvanger.

In dit figuur zijn de volgende signalen getekend:

clk	de klok van de ontvanger,
dz	de data als uitgang van de zender; deze lijn is niet geklokt,
do	de data voor de ontvanger, geklokt op de positieve flank,
co	de control-signalen voor de ontvanger, geklokt op de negatieve flank.

De data wordt gesampled op 2n + 1/2 klokpuls later dan de detectie van het start-bit. Deze data wordt dan een schuifregister ingeschoven. Als alle bits ontvangen zijn, wordt de data in een tweede register geladen. Dit is gedaan om de digitale uitgang stabiel te houden.

Aan het eind van de keten vinden we nog een D/A-convertor. Deze verzorgt de analoge versie van het signaal.

4.4. De voeding

De voeding van het deel dat onderhevig is aan common-mode spanningen mag slechts een geringe capaciteit naar het laagspanningsdeel hebben. Dit om te voorkomen dat de effecten van die common-mode spanningen toch nog doordringen.

Hoogfrequent trafo’s hebben die lage capaciteit. De trafo, die in de schakeling zit, heeft bijvoorbeeld 15pF. Dit komt doordat er relatief weinig windingen nodig zijn, en de windingen betrekkelijk ver uit elkaar liggen (m.b.v. linnen-tape).

Voor toepassingen, die hogere eisen stellen aan de common-mode rejectie, moet men de windingen nog verder scheiden, of twee trafo’s achter elkaar plaatsen.

Voor de voeding hebben we een bestaand schema genomen. De voedingsspanning uit dit bestaande schema hebben we gehalveerd. Bovendien is er een iets grotere kern gebruikt voor de trafo.

We hebben nu het hele ontwerp besproken. Alle gedetailleerde informatie staat in de appendix. Daar zijn ook de schema’s te vinden.