合工大2014现代电子线路试卷及参考答案

现代电子线路
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1. 什么是膝频率？试用膝频率分析电路高频响应对其瞬时过程的影响。

（10分） 答：膝频率是数字信号频谱曲线的转折点对应的频率，膝频率F knee 与上升时间t r 的关系为：
r knee t F /5.0=。

电路在低于膝频率的频率范围的行为确定了它对阶跃信
号沿的处理。

任何电路若对频率F knee 及其以下频率有平的响应曲线，那么信号通过此电路不会失真。

如果一个系统在F knee 频率以下的响应并不平坦，那么信号通过此电路会部分衰减。

[ppt-ch1-基础知识1-p19,p21]
2. 高频信号通过传输线传输时为什么进行终端或始端匹配？请从传输线的物理模型分析电报方程的物理意义。

（15分）
答：终端匹配是为了防止传输线上电信号到达终端时产生反射，影响信号的输出；始端匹配是为了防止从不匹配的终端返回的反射波发生新的反射，造成多次往复反射，这种现象会使信号畸变。

以平行双线为例，选取一小段平行双线的进行研究。

小段的长度为Δx ，其等效模型如下图所示
假定导线是无损耗线, 既忽略耗能元件电阻和电导的作用，这时, 传输线等效电路可简化为一个无损耗线等效电路。

电报方程的第一项表示入射波，电压或电流波从传输线的左端输入，信号从左向右传播，t 1时刻传输线x 1处的电压为)(11x LC t u -λ；第二项是反射波，LC v /1=是传输速率， C L Z c /=是特性阻抗， )/()(l c l c Z Z Z Z +-=ρ是反射系数。

3. 下图V E 为一恒压源，内阻为Z s ，Z c 为传输线特征阻抗，已知Z s ＝Z c ，设开关K 切换时间为零，试分析开关闭合时，Z L =0和Z L ＝∞两种情况下信号传输与反射的瞬态过程。

（15分）
答：因为Z s =Z c ，输入端阻抗匹配，又因为K 为理想开关，则输入信号等价于阶跃信号。

设输入是幅度为+E 的阶跃电压，当v l t /=时，入射波传播到终端，阶跃电压幅度为+E 。

① 当Z c =0，1)/()(=+-=l c l c Z Z Z Z ρ，信号全反射，电压波发生反向全反射，电流波在终端也发生全反射，则方程的解为
)())]2(()[(2
),(x l LC E x l LC t x LC t E
x t u -=----=
)())]2(()[(2),(LC l t Z E x l LC t x LC t Z E x t i c
c -=----=
② 当Z c =∞时，1)/()(-=+-=l c l c Z Z Z Z ρ，电压波发生正向全反射，电流波发生反向全反射，则方程的解为： )())]2(()[(2
),(LC l t E x l LC t x LC t E
x t u -=--+-=
)())]2(()[(2),(x l Z LC E x l LC t x LC t Z E x t i c
c -=----=
[pdf-CH2-传输线1]
4. 示波器探头和接地线如何影响被测信号的？应采取哪些措施减小探头接地线的影响？若测得数字信号上升时间t r =5ns ，探头输入阻抗10M Ω，输入电容16PF ，探头和示波器带宽均为200MHZ ，计算被测信号t r 的大小。

（10分）
答：探针的等效电容和接地环电感相当于一个低通滤波器，滤去了被测信号的高频成分。

减小探针接地回路面积可减小地环电感的影响，可通过特制的固定环，或用刀片连接紧邻的地线。

5. 考虑高速数字电路电流回路电感最小路径原则，以不少于4层的多层PCB 为例，分析高速数字电路地平面和叠层设计规则。

（15分） 答：
1) 尽量避免电源和地面的分割，以尽可能的消除跨越狭缝的信号线；
2) 当两个电源必须采用分割方法设计时，应使两个被分割的板尽可能靠近，并在
紧靠被分割的板下放另一个完整的PCB 板，通常是地面层。

3) 不在地面或电源层板布线。

4) 对于较长的连接器，使用较小的焊盘和反焊盘可保留地平面上孔之间的敷铜，
避免了产生狭缝
5) 调整过于密集的过孔，使过孔之间的间隙增大，以至于保留地平面上孔之间的
敷铜
6) 当高速的信号线不得不跨越一个地平面上的狭缝时，应在信号线跨越狭缝处，
在信号线两侧各放一个旁路电容
7) 当高速的信号线不得不跨越一个地平面上的狭缝时，使用差分线传输信号 8) 将高速信号线放在外侧，中间隔以电源层和地层，以屏蔽上下层信号的干扰；
以四层板为例，从上到下依次为信号1层，地层，电源层，信号2层；
9) 上下层走线方向应避免一致，减小信号线重叠部分，以防造成过大寄生电容，
和信号间相互干扰，如上层信号线走X 方向，下层信号线走Y 方向；
6. 分析T 型电阻网络D/A 转换器工作原理，阐述主要技术指标的意义。

（15分）
基准电流:I=V REF /R ，流过各开关支路（从右到左）的电流分别为 I/2、I/4、I/8、
I/16。

总电流)2(2)2222(3
413223140i i i REF REF D R V D D D D R V i ⋅⨯=+++=
∑=∑ 将输入数字量扩展到n 位，则有：)]2([21
O i
n i i n
REF f f D V R R R i v ⋅⋅-=-=∑-=∑ 主要技术指标： 1) 转换精度：
① 分辨率——D/A 转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。

② 转换误差：比例系数误差、失调误差、非线性误差。

2) 转换速度：
① 建立时间（t set ）——当输入的数字量发生变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。

②转换速率（SR）——在大信号工作状态下模拟电压的变化率。

3)温度系数——在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。

7.ADC对模拟信号采样后为什么还要进行量化？分析比较逐次比较型ADC、并行比较ADC和Σ-ΔADC的工作原理，画出其结构框图。

（20分）
答：采样后的信号依旧是连续值，因此要将信号取整归并到有限个离散电平上，并用数字代码表示一系列离散的量化幅值的编码，以使后续的电路编译处理。

并行比较型
(MSB)
2
1
0(LSB)
v
I
原理：将V REF通过2n个电阻分压，使2n-1个比较器的反相输入端电压为需要的离散电压值，输入电压V I同时和这些离散电压值比较，比较结果通过优先权编码器转换成n个编码。

逐次比较型：
模拟量
原理：控制逻辑先使数据寄存器置1，DAC则输出权值最高的电平到比较器的反向输入端，与VI比较得出Q3值，Q3输入到数据寄存器和移位寄存器，并由移位寄存器输出，同时DAC输出次一级权重的参考电平与VI继续做比较，得出Q2。

依次类推，得出Q1和Q0，并输出量化编码。