5. Performance en evaluatie

5.1. Inleiding

We hebben het ontwerp van de schakeling besproken. Nu moeten we echter nog kijken, in hoeverre de schakeling in werkelijkheid aan de eisen voldoet. We zullen zien, dat de schakeling niet practisch toepasbaar is, en wel om de volgende redenen:

• de schakeling maakt te veel fouten bij de verzending en ontvangst van de glasvezel-signalen,
• de schakeling heeft een te grote vertragingstijd.

De glasvezel is echter wel bruikbaar in andere situaties. Men kan bijvoorbeeld overstappen op een andere regelalgoritme voor de condensatorspanning. Een voorbeeld van een dergelijke regeling (de First Phase Predictor) staat in de appendices.

Ook is het mogelijk om de convertor op lagere frequentie te laten lopen. Dit is echter niet de trend bij huidige convertors.

om een werkelijke evaluatie van de schakeling te kunnen geven was het nodig om hem te bouwen. De schakeling is gebouwd op twee euro-kaart gaatjesboorden, een voor het hoogspanningsdeel en een voor het laagspanningsdeel.

5.2. Meetinstrumenten

Bij het maken van de schakeling en voor het verrichten van metingen hebben we een groot scala aan meetapparatuur gebruikt. We zullen de gebruikte apparaten beschrijven, en bij sommige wat commentaar geven.

Allereerst de logicanalyzer. Dit was een 16-kanaals logicanalyzer van Gould. Minimum sample tijd was 10ns. De logicanalyzer werd gebruikt bij het debuggen van de schakeling. Zo’n apparaat is nodig om snel digitale schakelingen te kunnen onderzoeken. Het was dan ook een uitkomst, dat we hem van de vakgroep schakeltechniek mochten lenen. Als er meer digitaal gewerkt gaat worden, moet de aanschaf van een L.A. overwogen worden.

De sinus generator was een Wavetek VCG, model III.

We hebben drie digitale multimeters gebruikt, een Fluke 8010A digimeter voor het grovere werk en een Metravo 5D en een M2402 van BBC voor het fijnere werk. De meters van BBC hadden ook de mogelijkheid om wisselspanningscomponenten van gelijkspanningen te meten e.‚d..

De metingen zijn gedaan met twee scopes van Philips. Een langzame en een snelle. De langzame was een PM3233 met een tr (stijgtijd) van 35ns, en de snelle was een PM3265 met een tr van 2,3ns. Alle werkelijke metingen zijn gedaan met de PM3265, terwijl de PM3233 voornamelijk werd gebruikt voor controle op bepaalde signalen (is de ingang nog een sinus e.d.).

5.3. De metingen

De uitgang had een hoog ruisniveau. Dit was ongeveer 0.1V (op de 2.5V ), dus zo’n 4% (10LSB!). Deze ruis was voornamelijk het gevolg van bitfouten. Vooral de ontvanger bleek aanleiding te geven tot bitfouten. (Vergelijk 0.1V ruis bij een electrisch afgeschermde ontvanger met 1V ruis bij niet een afgeschermde ontvanger.)

Om de transmissie zo goed mogelijk te maken, werden de uit einden van de glasvezel gepolijst. De invloed van het polijsten was echter niet zo dramatisch als de afscherming.

Voor de opname van de grafieken werden de volgende schakelingen gebruikt:

Er zijn twee turbo-counters gemaakt met verschillende tweede stapgroottes, 4 en 8. De meeste metingen zijn met tweede stapgrootte 4 gedaan. Tenzij anders vermeld is dit dan ook impliciet aangenomen.

Als eerste is gekeken hoe lineair de schakeling is voor gelijkspanning. Over een gebied van 9V zijn daarvoor meetpunten genomen.

Gelijkspanningsmeting
Ui	Uo		Ui	Uo
-4.5	0.11		0.5	1.39
-4.0	0.29		1.0	1.51
-3.5	0.44		1.5	1.64
-3.0	0.55		2,0	1.76
-2.5	0.67		2.5	1.95
-2.0	0.79		3.0	2.00
-1.5	0.91		3.5	2.13
-1.0	1.04		4.0	2.43
-0.5	1.15		4.5	2.45
0.0	1.26

Het verband tussen in- en uitgangsspanning is dus goed lineair, zoals in de grafiek te zien is.

De toepassing was echter niet voor gelijkspanning, maar voor wisselspanningen. Daarom zijn er een aantal metingen gedaan om het wisselspanningsgedrag van de schakeling te bekijken.

Allereerst moeten we laten zien, hoe de wisselspanning aan de uitgang er uit ziet. Dit doen we met een "single shot" op de PM3265 en een Polaroid camera. De turbo-counter had bij deze foto een tweede stapgrootte van 8.

Voorbeeld van een uitgangsspanning (Uj=2V; f=20kHz)

Het is te zien, dat het signaal uit losse samples bestaat doordat de sample frequentie niet hoog genoeg is. Verder zien we, dat er van tijd tot tijd bitfouten gemaakt worden. Tenslotte is de zendsample frequentie niet gelijk aan de teller-sample frequentie, zodat de onzekerheid omtrent het sample tijdstip even groot is als de teller-sampletijd. in het hoofdstuk over redesign is opgenomen hoe men van deze problemen af kan komen.

Voor de wisselspanningskarakteristiek vonden we de volgende tabel:

Wisselspanningsgedrag
Ui	Uo		Ui	Vo
0.6	o.17		2.0	0.49
0.8	0.21		2.2	0.53
1.0	0.25		2.4	0.58
1.2	0.30		2.6	0.62
1.4	0.34		2.8	0.70
1.6	0.33		3.0	0.73
1.8	0.44		3.2	0.78

---

De spanningen zijn effectieve waarden en zijn aan de ingang symmetrisch rond 0V. Het zijn bovendien sinussen van 1kHz. De schakeling zal moeten werken rond de 20kHz. De gebruikte meters hebben echter ook een bovengrens in frequentie, en daarom is voor 1kHz gekozen.

Via de scoop is nog een frequentiemeting gedaan. ingang 2Vrms. De scoop geeft dan over het frequentie gebied van 1kHz tot 20kHz een spanning met 1.4Vpp. Opgemerkt moet worden, dat Uo bij 20kHz vrijwel een driehoek is. We kunnen dus stellen dat 20kHz de absolute bovengrens is. Deze meting is ook gedaan met als tweede stapgrootte 8. De uitgangsspanning bleef tot 37kHz vlak, waarbij de uitgangsspanning bij 35kHz grotendeels een driehoek was. De beoordeling, of de uitgangsspanning sinusvormig is, is moeilijk te doen bij deze frequenties. Daarom is de uitgang van de D/A-convertor uit het hoogspanningsdeel in de beoordeling meegenomen.

Tenslotte zijn er nog metingen gedaan om de looptijd van de schakeling te meten. Dit hebben we gedaan door, met behulp van Lissajous figuren, de phase draaiing te meten. Dit hebben we gedaan bij 5, 10, 15 en 20kHz. Bij de zelfde begin- en eindpunten werden de verticale openingen van de ellipsen gemeten in het midden van de x-as.

De verticale lengte van de ellips op de y-as was 5cm. De looptijd kan dus gevonden worden met

waarbij f de frequentie is waarbij gemeten wordt, t de looptijd en O de opening van de ellips.

Looptijden
f	O	Tloop
5kHz	1.0cm	6.4us
10kHz	2.5cm	8.3us
15kHz	3.5cm	8.2us
20kHz	4.0cm	7.4us

Bij de laatste waarde (20kHz) moet worden aangetekend, dat U0 dan geen sinus meer is, maar grotendeels driehoek.

5.4. Kosten

De kosten van de schakeling zijn enigzins uit de hand gelopen. Dit komt door de prijs van de EPLD’s. De verwachting, dat deze devices goedkoper zouden worden, is (nog) niet uitgekomen, integendeel, ze zijn zelfs duurder geworden.

Als richtprijs is een globale berekening te geven:

A/D-conversie	120,-
Seriële verzending	35,-
Glasvezel	300,-
Ontvangst en D/A-conversie	70,-
Totaal	525,-

Deze prijzen zijn erop gebaseerd, dat in het ontwerp wisbare EPLD’s gebruikt worden. Als niet-wisbare EPLD’s gebruikt worden, komt het totaal zo’n 50 gulden lager uit.

5.5. Evaluatie

Voor werkelijk gebruik zijn er een aantal eisen met betrekking tot lineariteit, looptijd, maximale frequentie en fout percentage. Met behulp van de metingen kunnen we zien in hoeverre de schakeling aan deze eisen voldoet.

Bij de berekeningen wordt uitgegaan van de kennis uit de appendices. Met name de inhoud van de appendix over de A/D-conversie zal in verschillende berekeningen opduiken.

5.5.1. Lineariteit

De schakeling is goed lineair. Dat was ook wel te verwachten, omdat de gebruikte D/A-convertors van het zelfde type zijn. De gelijkspanningsmeting geeft dit goed aan.

De meting van de effectieve waarden geeft enigzins aan, in hoeverre de schakeling kan volgen. Het is daar echter geen geldig criterium voor (zie appendix). Zij geven niet de lineariteit aan, ook al is het verband tussen in- en uitgangsspanning lineair. Dit heeft te maken met de manier waarop de schakeling gebruikt gaat worden. Als er slechts een universeelmeter of andere meter voor effectieve waarden op aangesloten wordt, is de schakeling ook nog goed lineair.

5.5.2. De looptijd

De gemeten looptijd is 8.3us. Dit is voor de meeste toepassingen te groot. De conventionele Vc-piek predictor introduceert zelf namelijk ook een looptijd. De twee looptijden samen zouden de werking van de convertor kunnen verstoren.

Waar komt deze looptijd vandaan? Deze looptijd is in twee delen te splitsen, te weten

• de frequentie-afhankelijke en
• de frequentie-onafhankelijke

Het frequentie-afhankelijke gedeelte is afkomstig van de turbo A/D-convertor. in de appendix over de tracking A/D-convertors is uitgelegd, hoe deze afhangt van de frequentie en het criterium om over te schakelen naar een grotere stap.

Juist het criterium voor de stapvergroting zorgt hier voor de extra vertragingstijd. Als extreem voorbeeld hebben we dit criterium rond de 60VU (Volt Units, zie de appendix voor de definitie) gelegd, terwijl de tweede stapgrootte 8 bleef. Op de opgaande flank van de sinus lieten we het criterium ongewijzigd, zodat het uitgangssignaal en het ingangssignaal op het zelfde punt beginnen. We krijgen dan het volgende beeld:

In de figuur zien we een sinus als ingangssignaal. De A/D-convertor probeert de sinus te tracken met stapgrootte 1. Doordat het criterium te groot is afgesteld, wordt te laat overgeschakeld op de stapgrootte 8. Hierdoor krijgen we een verschuiving van de nuldoorgang, die te vertalen is in een looptijd.

Het frequentie onafhankelijke gedeelte zit voornamelijk in de zend- en ontvangstlogica. Deze heeft namelijk een aantal klokpulsen nodig om het gehele sample te ontvangen. Als we de weg van een sample volgen vinden we:

Digitale vertraging
omschrijving	klokpulsen
Laden uitgangsregisters A/D-convertor	1
Zenden van het sample	16
Flipflop aan de uitgang van de multiplexer	1
Synchronisatie van de ontvanger	1
Laden uitgangsregisters ontvanger	1
Totaal	20

Een klokpuls is 0.16us, dus de vertraging van de zender/ontvanger is rond de 3.3us.

De A/D-convertor heeft dus een vertragingstijd van rond de 5us. Theoretisch zou dat kleiner moeten zijn. Er moet echter bij de instelling van het criterium rekening gehouden worden met stabiliteit en ruis.

5.5.3. Maximale frequentie

De A/D-conversie heeft een maximale frequentie. Voor de maximale frequentie is in de appendices een formule gegeven. Deze was:

waarin de tweede stapgrootte is. Deze tweede stapgrootte is bij de twee proef EPLD’s 4 resp. 8. Voor de stapgrootte van 4 vonden we een fmax van iets onder de 20kHz. Als we dit volgens de theorie uitwerken vinden we met een amplitude van 100VU:

waarbij gegeven is in 1/kloktic. Omdat de A/D-conversie met de halve klokfrequentie gebeurt (1 kloktic = 2 klokpulsen), vinden we voor de lengte van een kloktic

Voor de in de SI-eenheden vinden we dan:

Hierbij is aangenomen dat de spanning practisch het volledige bereik (+100VU) beslaat. Het werkelijke bereik is 111 VU. De omzetting van Volt Units in Volt is op zich niet interessant.

Voor de turbo-counter met als tweede stapgrootte 8 geldt een zelfde berekening. We vinden hier:

De bruikbaarheid bij deze hogere frequentie’s is beperkt. De sample-rate aan de uitgang is namelijk 6.144MHz/22 = 280kHz. Bij 38kHz hebben we per periode van de sinus dus nog slechts zo’n 7 samples over. Het is dus te betwijfelen of op grond hiervan gebruik gemaakt kan worden van de conventionele regel-algoritmen.

5.5.4. Bruikbaarheid

De schakeling is als zodanig niet geschikt voor gebruik in de huidige convertors. De looptijd is te groot, en er worden te veel fouten gemaakt, wat te vertalen is in een hoge ruisspanning.

In de volgende hoofdstukken zullen we een aantal wijzigingen bespreken en hun effecten bekijken. Het gebruik van glasvezel is echter niet meer zo vanzelfsprekend als aan het begin van het afstuderen.