Elettronica I (DU) - PoliTO...970929 aggiunta appendice B DDC 971010 aggiunta parte ELN II DDC/RP 971105 revisione.g DDC 980720 revisione h; app A come introd. DDC 980903 rev i: tolta

ELETTRONICA APPLICATA II (DU)Guida alle esercitazioni di laboratorio - AA 2000-2001

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GUIDA ALLE ESERCITAZIONI DI ELETTRONICA DI BASE

ELETTRONICA APPLICATA II (DU)

Queste note contengono i testi di alcune esercitazioni di laboratorio proposte nel corso diElettronica Applicata II del Diploma Universitario in Ingegneria Elettronica (Politecnico diTorino, sedi di Torino e Ivrea).

Ciascuna esercitazione prevede circa 4 ore per il montaggio e l’esecuzione delle misure. Imontaggi e le verifiche proposte in queste note richiedono generalmente un tempo superiore;i punti non completati nelle ore di laboratorio possono essere utilizzati per esercitazioni libere.

Prima di iniziare a svolgere le esercitazioni è opportuno leggere il documento “Svolgimentodelle esercitazioni e stesura delle relazioni” (eserelxx).

Indicazioni sulle modalità d’uso delle basette per i montaggi senza saldature sono neldocumento “Uso della basette per montaggi” (usobasxx).

Revisioni

951020 prima stesura DDC951023 aggiunta parte su diodi FB951106 completata parte transistori e AO DDC970919 portato su WRD DDC970923 aggiunta appendice A DDC970929 aggiunta appendice B DDC971010 aggiunta parte ELN II DDC/RP971105 revisione.g DDC980720 revisione h; app A come introd. DDC980903 rev i: tolta app B DDC981110 aggiornamento eserc. 3 e 4 DDC/FB981209 aggiornamento eserc. 5 e 6 DDC981211 separazione ELN I - ELN II - relaz DDC990125 aggiornamento eserc. ELN II DDC991203 aggiornamenti vari DDC000125 aggiornamenti vari DDC000901 aggiornamento 2000-2001 DDC

La raccolta di esercitazioni di Elettronica Applicata II – DU è stata realizzata da:

Dante Del CorsoRoberto Passerone


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Temi delle esercitazioni di Elettronica Applicata II

II.1 Alimentatore e circuiti regolatori• Raddrizzatore• Filtro• Regolatore R-Dz• Regolatore T-Dz• Regolatore a tre terminali

II.2 Transistore in commutazione• Carico pilotato ON/OFF• Misura Vces al variare di Ib• Regolazione a commutazione• Interfaccia con porte logiche• Interfaccia con comparatore

II.3 Caratteristiche elettriche di circuiti logici• Verifica Voh/l in funzione del carico con OC• Verifica Voh/l in funzione del carico con TP• Verifica Vih/l• Trascaratteristica di inverter• Ritardi di propagazione per TP e OC con vario carico• Tempi di salita e di discesa• Skew

II.4 Cicuiti Sequenziali• Flip-Flop SR con e senza attivazione• Contatore• Circuito antirimbalzi• Shift register

II.5 Generatore onda quadra e triangolare• Generatore triangolo con AO - circuito base• Generatore triangolo con AO - variazione di frequenza• Generatore triangolo con AO - variazione di frequenza• Generatore triangolo con AO - variazione di ampiezza• Generatore quadro con porta trigger

II.6 Conversione A/D e D/A• Convertitore D/A• Convertitore A/D


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Esercitazione II.1 Alimentatore e circuiti regolatori

Avvertenze

In questa esercitazione è possibile usare come sorgente di bassa tensione a 50 Hz ungeneratore di segnale oppure un trasformatore con il primario collegato alla rete esecondario a varie prese selezionate da un deviatore. Usando il trasformatore impostare ildeviatore in modo da ottenere la tensione indicata.

L’oscilloscopio e il generatore di segnali hanno quasi sempre la massa collegata al morsettodi terra della rete; le masse dei due strumenti devono quindi essere considerate collegate tradi loro. Per eseguire con l’oscilloscopio misure di tensione tra due punti nessuno dei quali è amassa, occorre eseguire una misura differenziale: Collegare ai punti da misurare i duecanali, e combinarli con ADD + INVERT. Nel caso in cui la tensione a 50 Hz sia fornita daltrasformatore il secondario è isolato da massa, ed è possibile osservare direttamente la Vs.Nel circuito con raddrizzatore a doppia semionda non è possibile osservarecontemporaneamente, con due soli canali, Vs e Vu; bisogna fare due misure indipendenti,spostando anche il morsetto di massa.

E’ disponibile su ULISSE un documento con i risultati di alcune misure di questaesercitazione (E2es91a.pdf).

II.1.1 Raddrizzatore

Montare il circuito raddrizzatore a una semionda indicato nello schema, senza ilcondensatore C1. Collegare un carico Rl = 1 KΩ. I diodi sono 1N4001 o simili (1N400x).

a) Applicare come Vs una tensione sinusoidale a 50 Hz, 15 Vpp.b) Verificare le forme d’onda su Vs e Vu.c) Misurare la caduta di tensione sul diodo in conduzione (misura differenziale)

II.1.2 Raddizzatore e filtro

Inserire nel circuito raddrizzatore a semplice semionda il condensatore C1 da 10 µF.a) Rilevare la nuova forma d’onda su Vu, e confrontarla con quella senza condensatore.b) Inserire un altro condensatore C1 = 100 µF, e confrontare la Vu con quella precedente.

Perchè con il secondo valore di C1 la scarica sembra lineare ?c) Con C1 = 100 µF misurare la componente continua della Vu e il valore picco picco della

ondulazione; confrontare con quanto calcolato a partire da Vs, C e Iu (attenzione: icondensatori elettrolitici possono avere tolleranze anche del 50 %).

d) Variare la resistenza di carico in modo da ottenere correnti di uscitaapprossimativamente di 5 mA e di 15 mA; verificare le variazioni della Vu, sia per lacomponente continua che per l’ondulazione, e confrontare le misure con i valori calcolati.

e) Montare il circuito raddrizzatore a doppia semionda (sempre senza C1). Mantenendo lastessa Vs dei punti precedenti, verificare la forma d’onda su Vu. Spiegare la differenzarispetto al punto b) della parte 1.1.

f) Ripetere i punti a) ..c) per il raddrizzatore a doppia semionda.

Vu

Vs

RlC1

Iu

VsVu

C1 Rl

Iu


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Segnali nel raddrizzatore a una semionda:(esercitazione 981204, gruppo Cerri-Lamanuzzi-Lucarelli)

A: tensione sinusoidale di ingresso Vs

B: corrente nel diodo (segnale ottenuto con resistenza in serie al diodo, e lettura differenzialedi tensione; nell’immagine la Id compare invertita)

C: tensione Vu sul condensatore (C1 = 47 µF, Rl = 1 kΩ)

Quando scorre corrente nel diodo (intervallo T1) il condensatore si carica (rampa di Vu insalita).

Quando il diodo non conduce (intervallo T2) il condensatore si scarica sul carico Rl (rampa indiscesa).

Per misurare la corrente Id nel diodo conviene inserire unaresistenza da 10 Ω in serie nella maglia di ingresso, comeindicato nello schema a lato, e rilevare la tensione su Rs.Dato che Rs ha un capo a massa, è possibile osservarecontemporaneamente Id (con maggiore precisione rispettoalla misura differenziale) e Vu. La misura richiede ungeneratore isolato da massa oppure il trasformatore.

Verificare l’andamento della corrente nel diodo al variare della capacità C1

Vs

VuC1 Rl

Iu

Rs

Id


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II.1.3 Regolatore a Resistenza-Zener

Aggiungere al circuito del raddrizzatore a semplice semionda con C1 = 10 µF il regolatorecon resistenza R1 = 150 Ω e zener Dz da 5 V nominali. La resistenza di carico è sempre da 1kΩ. In questo punto e nei successivi applicare una tensione Vs di 10-12 Veff.

a) Verificare il comportamento dello zener, e motivare le forme d’onda sulla Vu.b) Portare C1 a 100 µF, e verificare che in questa situazione lo zener esplica correttamente

la sua funzionec) Misurare la componente continua e la tensione di ondulazione in uscita.d) Determinare sperimentalmente (da misure di ∆Vu/∆Iu) il valore della resistenza

equivalente di uscita Ru; confrontare il risultato con il calcolo teorico della Rue) Misurare le variazioni di tensione in uscita al variare della tensione di ingresso; dalle

misure di ∆Va/∆Vu ricavare il fattore di regolazione in tensione Sv. Verificare il risultatocon il calcolo teorico di Sv.

(per le misure di Ru e Sv variare Vs e Iudel +-20% circa; le variazioni di Vu sonomolto piccole, e occorre misurare Vu conuno strumento digitale)

II.1.4 Regolatore a Transistore-Zener

Aggiungere al circuito del raddrizzatore a semplice semionda il regolatore con zener etransistore (R2 = 560 Ω, zener da 5 V, Rl = 1 k Ω, C1 = 100 µF).

a) Misurare le variazioni di tensioni inuscita al variare della tensionesinusoidale di ingresso; verificare ilrisultato con il calcolo teorico delfattore di regolazione Sv.

b) Misurare le variazioni di tensione

in uscita al variare del carico;confrontare il risultato con ilcalcolo teorico della Ru.

(per le misure di Ru e Sv variare Vs e Iu del +-20% circa, e misurare Vu con strumentodigitale)

II.1.5 Regolatore a tre terminali

Sostituire il gruppo R2-zener-transistore con un regolatore di tensione da 5 V integrato (LM7805).

Ripetere le misure del punto 1.4, confrontando i risultati con le specifiche del regolatore.Dato che la variazione di Vu è molto piccola, conviene misurarla rispetto a un riferimentoesterno abbastanza stabile (ad esempio un alimentatore a 5 V).

VuRl

Iu

VsC1

Dz

R1

Va

Vs VuRl

Iu

C1

Dz

R2


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Esercitazione II.2 Transistore in commutazione

II.2.1 VCE in saturazione

a) Applicare come Vi un segnale triangolare da -5 a +5 V, frequenza 500 Hz circa. Rilevarel’andamento della VCE e della VBE, identificando le zone di interdizione, linearità esaturazione. Portare Vi a +- 10 V, e verificare il breakdown della giunzione BE (eseguirequest’ultima verifica in tempi brevi, per non danneggiare il transistore).

b) Ridurre l’ampiezza e variare l’offset del segnale triangolare Vi fino a portare il transistorea funzionare solo in linearità (zona attiva). E’ possibile usare questo segnale perdeterminare i parametri β (hFE = Ic/Ib) e hfe (δIc/δIb)?

c) Misurare la VCE di saturazione per β forzato di 100, 20, 5 (ricordare che quando iltransistore è in saturazione la Ic rimane praticamente costante; applicare una tensione Vicontinua e variare il valore di Rb per ottenere i valori di Ib richiesti).

Q: 2N2222Vcc = 12 VRc = 2.2 kΩ, Rb = 47 kΩ

II.2.2 Regolazione a commutazione

Applicare un segnale Vi con escursione 0 - 4 V (corrispondente all’uscita di una porta logicaTTL-LS).

a) Determinare il valore della resistenza Rb in modo tale da portare il transistorealternativamente in interdizione e in saturazione.

b) Misurando Ic e Vce, verificare che le due condizioni sono effettivamente raggiunte. c) Verificare che al variare del duty cycle dell’onda quadra di comando si ha una variazione

di luminositá della lampadina; verificare qualitativamente (appoggiando un dito sultransistore) e quantitativamente (usando la sonda in temperatura del multimetro) lavariazione di temperatura del transistore.

d) Ottenere la variazione di luminosità portando il transistore in zona lineare (applicare come

Vi una tensione continua opportuna); verificare la temperatura raggiunta dal transistore(tenendo appoggiato un dito - con attenzione !). Interrompere l’esperimento se latemperatura diventa eccessiva.

Vi Vu

Vcc

Rb

Rc

ViVu

+ 24 V

Rb

LP (28 V, 40 mA)


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II.2.3 Ritardi di commutazione nel diodo

Montare una maglia comprendente un diodo 1N400x e unaresistenza da 2,2 kΩ; applicando un segnale a onda quadra di +-5 V rilevare l’andamento della corrente nel diodo (dalla tensionemisurata sulla resistenza). Verificare gli effetti dovuti all’accumulodi cariche nella regione di giunzione.

II.2.4 Ritardi di commutazione net transistore BJT

Per il circuito del punto II.2.1, con Rb = 4.7 kΩ:

a) Applicare un segnale Vi a onda quadra con escursione 0 - 5 V e frequenza tale dapermettere di visualizzare agevolmente i ritardi, e misurare i ritardi di commutazione (tPLH

e tPHL) e i tempi di salita e discesa (tr e tf).

I tempi di salita/discesa sono definiti come tempo richiesto dal segnale per passare dal 10%al 90% del valore finale del transitorio. Vanno misurati con riferimento a un solo segnale (inquesto caso quello di uscita).

I ritardi di commutazione sono defiiti con riferimento al 50% dell’escursione del segnale, evanno misurati tra due segnali (rispettivamente ingresso e uscita).

VsVu

R1

Id

VO

10090

10

t

tf tr

0

VH

VL

VI

t

t

tPHL tPLH

VOH

VOL

VOH

VOL

(VOH + VOL)/2

VO(VOH + VOL)/2


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b) Ripetere la misura dei ritardi per le varianti sotto indicate nella maglia di base, egiustificare le differenze riscontrate.

Nel circuito 1) la maglia di base comprende solo laresistenza da 4,7 K; le correnti di carica e scarica dellacapacità BE transitano attraverso questa resistenza.Si possono notare maggiori ritardi nella transizioneL>>H (in uscita), dovuti alla necessità di svuotare laregione di base dalle cariche accumulate quando iltransistore viene portato in saturazione.

Nel circuito 2) il diodo inserito nella maglia di baseimpedisce (o meglio, rallenta fortemente) losvuotamento delle cariche sopra menzionate; aumentavisibilmente la costante di tempo L>>H.

Il circuito 3) ripristina un percorso di scarica dellecariche accumulate in base, e riduce il ritardo nelpassaggio L>>H; inoltre la resistenza tra B-E sottraecorrente alla base, e la saturazione del transistore èmeno forte rispetto al caso 1). La minore saturazionecontribuisce ad accelerare la commutazione.

Nello schema 4) il condensatore crea un percorso abassa impedenza per le transisizioni, sia H>L che L>H,annullando il rallentamento dovuto al diodo. Lo stessoschema può essere interpretato come un partitorecompensato, in cui la capacità esterna compensaparzialmente la Cbe interna.

Anche nello schema 5) il condensatore crea unpercorso a bassa impedenza per le transisizioni, siaH>L che L>H. Verificare le variazioni rispetto alloschema iniziare 1).

Nello schema 6) è stato inserito un diodo in paralleloalla giunzione BC. Quando il transistore si avvicina allasaturazione, il diodo sottrae corrente alla base, e vienecosì limitata la profondità di saturazione. Verificare ledifferenze rispetto allo schema iniziale 1).

c) Inserire capacità da 100 a 1000 pF nella maglia di ingresso (tra base e massa), e nellamaglia di uscita (tra collettore e massa). Quale è l’effetto sui tempi di ritardo, e su tr-tf ?

E’ possibile distinguere gli effetti del condensatore nella maglia di base da quelli delcondensatore nella maglia di collettore ?

220 pF

1)

3)

2)

4)

C

R1 4,7 kΩ

R1 4,7 kΩ

R1 4,7 kΩ

R1 4,7 kΩ

R11 kΩ

220 pF

5)

C

R1 4,7 kΩ

6)R1 4,7 kΩ


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Esercitazione II.3 Caratteristiche elettriche dei circuiti logici

II.3.1 Inverter a componenti discreti

Costruire il circuito dell’invertitore in logica DTL e verificarne il funzionamento.

a) Posizionando l’oscilloscopio in modalità XY, rilevare la transcaratteristica (VI, Vo). Pereseguire questa misura applicare all’ingresso dell’inverter (e all’asse x dell’oscilloscopio)un segnale triangolare compreso tra 0 e 5V.

b) Verificare l’andamento della trascaratteristica per diverse frequenze dell’onda triangolare

di ingresso. Giustificare le variazioni. c) Misurare I valori di VIH e VIL individuando il punto in cui la tangente alla trascaratteristica

ha inclinazione di 45 gradi. d) Applicare all’ingresso un segnala ad onda quadra con livelli opportuni (esterni all’intervallo

VIH - VIL), e determinare sperimentalmente i valori tPLH, tPHL, tr, tf. Giustificare leasimmetrie.

e) Verificare e giustificare l’effetto di un carico capacitivo di 100 pF.

II.3.2 Porte logiche

Modificare il circuito precedente in modo da ottenere una porta NAND a due ingressi everificarne il funzionamento.

Modificare il circuito o combinarlo con altri simili per ottenere una porta NOR a due ingressi;verificarne in funzionamento.

1k Ω10k Ω

2N2222

+5V

Vo

Vi

1N4148

+5V

t

Vi

0V


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II.3.3 Trascaratteristica di inverter integrato

Attenzione: collegare sempre gli ingressi non utilizzati all’alimentazionepositiva o alla massa, per evitare che si portino a stati logici non definiti.

Usando la tecnica indicata per il punto 3.1, rilevare la transcaratteristica di una porta logicaintegrata (inverter), e misurare i parametri VIH ,VIL , VOH e VOL (la misura di VOH/L è

immediata; quella di VIH/L richiede maggiore attenzione). Eseguire l’esperienza sui

componenti di diverse famiglie logiche, mettendo in evidenza le differenze (convienecollegare i componenti delle diverse famiglie con l’ingresso in parallelo, spostare il canale Ydell’oscilloscopio sulle uscite e osservare le differenze. Alcuni oscilloscopi accettano uningresso X e due ingressi Y).

1) 74HC04 inverter CMOS2) 74LS04 o 74S04 inverter TTL-LS o S3) 74LS05 inverter TTL con uscita OC4) 74HC14 inverter CMOS con ingresso a trigger

Per il trigger di Schmitt 74HC14 rilevare la transcaratteristica completa e determinare laposizione delle soglie di ingresso.

Verificare l’effetto sulla soglia di variazioni della tensione di alimentazione (da 3 a 6 V); cosacambia tra componenti CMOS e TTL ?

Verificare l’effeto di carichi in uscita, collegati verso massa o verso l’alimentazione(dimensionare i carichi in modo da far scorrere correnti prossime a IOH/L .

Esempio di trascaratterisitca perporta TTL-LS con alimentazione a 5V (curva A) e 3,5 V (B). Le scaledegli assi X e Y sono indicate nellafigura.

Notare che la VOH è sempre di

circa 1,5 V più bassa della tensionedi alimentazione, e che la VOLrimane costante a 0,2 V circa.La tensione di soglia rimanepressochè invariata a 0,7 V circa.


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Trascaratteristica diinvertitore CMOS, conalimentazione a 5 V (curvaC) e 3,5 V (D).

Notare che VOH e VOL sono

praticamente coincidentirispettivamente con latensione di alimentazione econ la massa.

La tensione di soglia VTH(evidenziata dalle fascegialle), è proporzionale allatensione di alimentazione.

Avvertenze:

In questa esperienza i circuiti logici vengono utilizzati con ingresso lineare, e quindi la sogliadi ingresso viene attraversata con un segnale a variazione lenta. Questo può determinareoscillazioni in corrispondenza dell’attraversamento della soglia. Curare i collegamenti dimassa e alimentazione (brevi e diretti); in presenza di auto-oscillazioni inserire uncondensatore di bypass sull’alimentazione (100 nF ceramico multistrato).

La misura di VOH e VOL sulla trascaratteristica è agevole, in quanto basta osservare la

tensione dei tratti orizzontali. Dato che questi parametri sono definiti da disuguaglianze e perdeterminati valori di corrente in uscita, per una verifica corretta occorre caricare il circuitosotto esame in modo da far scorrere nel morsetto di uscita la corrente IOH oppure IOL , ed

eseguire la misura in queste condizioni (vedi anche esperienza 3.5).

Più difficile è la misura di VIH e VIL : nei circuiti bipolari (TTL-LS) occorrerebbe rilevare il

punto con tangente a 45°. Nei circuiti CMOS la transcaratteristica di uno specificocomponente permette di identificare solo la tensione di soglia VTH del componente sotto

misura. Per rilevare VIH e VIL occorrerebbero più misure su vari componenti e in condizioni

operative (temperatura, alimentazione, ….) diverse.


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II.3.4 Ritardi di un inverter integrato

Per il 74LS04 (o per il 74HC04) misurare i tempi di ritardo collegando 6 invertitori in cascata,e misurare il ritardo tra uscita del primo inverter e ingresso dell’ultimo (in questo modo sifanno misure su porte che lavorano nelle condizioni di riferimento, cioè collegate ad altredella stessa famiglia). Il ritardo complessivo (nel caso della catena facilmente misurabile congli strumenti disponibili in laboratorio) va diviso per il numero di componenti interposti.

Dato che ogni elemento della catena è invertente, i fronti H>L diventano L>H e viceversa; lamisura complessiva corrisponde a una somma di una serie di tPHL e di tPLH.

Verificare le differenze fra le misure eseguite utilizzando, per collegare l’oscilloscopio, i cavidiretti e la sonda.

Avvertenze

Per eseguire la misura usare un segnale di ingresso a onda quadra, con livelliopportunamente predisposti (prima di collegare il generatore al circuito).

La misura è fortemente influenza dalle capacità parassite presenti sui nodi della catena.Utilizzare le sonde attenuate, sia per ridurre al minimo il carico capacitivo, sia per averecondizioni perfettamente simmetriche sui due canali dell’oscilloscopio.

Per verificare le differenze tra segnali misurati con un cavo diretto e attraverso le sondelasciare la sonda sempre collegata, e collegare e scollegare nello stesso punto di misura ilcavo diretto.

Vi Vi


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II.3.5 Variazioni dei parametri con il carico

Ripetere la misura delle tensioni e dei ritardi su una singola porta, variando il caricosull’uscita.

Le misure dei parametri di un dispositivo logico vanno eseguite in condizioni quanto piùpossibile prossime a quelle di funzionamento reale. Il dispositivo deve essere pilotato da uncircuito della stessa famiglia, e pilotare almeno un carico della stessa famiglia.

a) Collegare in uscita un carico statico (resistenza), calcolato in modo da simulare lecondizioni di carico massimo (IO = IOH e IOL). Verificare i valori di VOH e VOL .

b) Collegare in uscita una capacità da 300pF, e ripetere la misura dei tempi di propagazione(punto 3.4).

Per la cascata di due invertitori DTL in figura misurare la variazione di livello e del tempo diritardo sull’uscita intermedia V2 per R uguale a 10 kΩ e 1 kΩ (la variazione della resistenza Rsimula diverse condizioni di carico per la prima porta logica).

V12N2222

V2

ΩΩ 1k1k

+5V

R

10k Ω

Vu


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Esercitazione II.4 Circuiti sequenziali

II.4.1 Flip-Flop SR

Costruire un flip-flop SR utilizzando l’integrato 74HC00 o 74LS00, e calcolare la resistenzaR1 in modo tale che la corrente nei LED sia pari a 5mA.

Attenzione agli ingressi non utilizzati !

Determinare il campo di valori ammissibili per le resistenze R2 e R3 per le due famiglielogiche prima indicate, e scegliere per i componenti da montare nel circuito valori tali daminimizzare il consumo. Realizzare gli interruttori con un ponticello di filo

a) Agendo sugli interruttori agli ingressi, verificare la tabella di verità del circuito. b) Aggiungere le porte di abilitazione e verificare che le uscite cambiano soltanto quando

l’abilitazione è attiva (A=1). Ricavare la tabella di verità di questo nuovo circuito. c) La Iol per le famiglie logiche indicate è di 4 mA, ma in questo circuito nelle uscite che

pilotano i LED scorre una corrente di 5 mA. Verificare il valore di VOL in queste

condizioni, e confrontarlo con il valore presente sulle uscite non caricate. d) Misurare la caduta di tensione sui LED. e) Volendo ridurre al minimo il consumo, è preferibile usare resistenze di pull-up (R2) o di

pull-down (R3) ?

Note:

Il LED ha una caduta di tensione diretta di 2 V circa;la piedinatura è a lato.

R3

R1R2

R1

R2

+ 5 V

S

R

Q

QR1

R1

+ 5 V

S

R

Q

Q

R3

R2

A


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II.4.2 Contatore e decoder

a) Costruire il contatore a 2 bit mostrato in figura utilizzando l’integrato 74HC74.Attenzione agli ingressi non utilizzati !

Descrivere cosa accade a ogni cambiamento “manuale” dell’ingresso di clock delcontatore.

b) Inserire al posto dell’interruttore sul clock del primo D-FF il FF SR del punto 4.1, con funzione di circuito antirimbalzi, e ripetere l’esperienza.

c) Applicando all’ingresso del contatore una sequenza di impulsi (fornita dal generatore di segnali), misurare il ritardo di propagazione nei flip-flop.

Attenzione !: predisporre l’uscita del generatore in modo che fornisca livellilogici compatibili, oppure utilizzare l’uscita TTL (ove disponibile)

d) Progettare un circuito logico che prenda come ingressi le due uscite del contatore (out1, out2) e che generi un valore alto (1 logico) solo quando il contatore è nello stato 2 (out1 = 0, out2 = 1). Montarlo e verificare il funzionamento (conservare il montaggio per il successivo punto 4.3).

R2

Q

QQ

QD

R1out 2

R1

+ 5 V

+ 5 V

D

out 1

+5 V

R2

R2

Q

QQ

QD

R1out 2

R1

+ 5 V

+ 5 V

D

out 1


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II.4.3 Shift Register

Costruire lo shift register a 8 bit mostrato in figura utilizzando l’integrato 74HC374.

Inviare come clock l’onda quadra dal generatore di segnali e collegare all’ingresso l’uscita deldecodificatore progettato nel punto 4.2c.

Verificare con l’oscilloscopio il funzionamento dello shift register.(collegare un canale all’uscita del decodificatore; utilizzarlo come riferimento temporale esegnale di sincronismo; verificare il segnale presente sulle altre uscite (outA…H) con l’altrocanale).

Avvertenze

Lo shift register 74HC374 ha uscire 3-S, che devono essere abilitate per poter osservare lostato dei FF.

Per visualizzare direttamente lo stato dello shift register, è comodo utilizzare delle barrette diLED, con array di resistenze per la limitazione della corrente. Sono disponibili array di 5resistenze con un terminale comune (6 pin totali). Scegliere il valore di resistenza in modo dalimitare la corrente a valori inferiori alla IOL.

out H

CK

decodificatore

out ACK

DA QA

contatore delpunto 4.2

Logica delpunto 4.2.d

out 1

out 2

D Q


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Esercitazione II.5 Generatore onda quadra e triangolare

II.5.1 Progetto del generatore

Progettare il generatore secondo le specifiche fornite a lezione, prevedendo la possibilità divariare i parametri indicati (i valori dei componenti indicati in questa guida possonocorrispondere ad altre specifiche).

La specifica sull’ampiezza dell’onda triangolare è data in forma di disuguaglianza; perottenere valori precisi sarebbe necessario usare un circuito per stabilizzare a valori noti latensione di uscita del comparatore. Effettuare il progetto in modo da ottenere una ampiezzamaggiore di quella specificata, ma quanto piú possibile prossima a tale valore.

Per variare il valor medio dell’onda triangolare si spostano le soglie del comparatore (ladifferenza tra le soglie, cioé l’ampiezza picco-picco dell’onda triangolare, rimane inalterata).Dato che l’escursione di tensione tra le soglie rimane sempre costante, la frequenza rimanecostante. Anche variando il duty cycle la frequenza deve rimanere costante.

Lo schema completo è riportato in questa pagina; gli schemi per il circuito base e per le variefasi sono nelle pagine successive.

Elenco componenti

• C0 15 nF

• R0 100 kΩR1 47 kΩR2 150 kΩR3 1 kΩR4, R5 12 kΩ

• P1 10 kΩP2 10 kΩP3 100 kΩ

Il primo operazionale è l’integratore; il secondo forma il comparatore di soglia. Il rapportoR1/R2 definisce l’ampiezza dell’isteresi (cioé l’ampiezza picco-picco dell’onda triangolare). I

tre potenziometri permettono di regolare alcuni parametri come richiesto dalle specifiche

P1 varia la percentuale di tensione di uscita riportata verso l’integratore (cambia la

frequenza). E` richiesta una variazione di frequenza su un campo 1- 10. Se P1 e R3 sono in

rapporto 1:10, spostando il cursore il rapporto di partizione varia da 1:1 a 1:11, e viene cosi’ottenuta la variazione di frequenza richiesta.

P2 sposta la tensione di riferimento per il comparatore (cambia il valor medio dell’onda

triangolare). L’ampiezza dell’onda triangolare è legata al rapporto R1/R2, che determina

l’intervallo di isteresi. Variando la VR le soglie si spostano di una stessa quantitá, ma rimane

inalterato l’intervallo tre le soglie, e la frequenza non cambia.

P3 varia le resistenze nei singoli rami di carica dell’integratore senza modificare la somma

(quindi varia il duty cycle, mantenendo costante la frequenza). Il rapporto tra P3 ed RO va

dimensionato in base al campo di variazione richiesto per il duty cycle.

Nel montaggio del circuito predisporre inzialmente il solo circuito base; effettuare le misure eintrodurre le modifiche che permettono la variazione dei parametri una alla volta.

R2

R1

RO

CO

VT VQ

P1

R3

+VCC -VCC

P2R4 R5

P3

D1,D2


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II.5.2 Generatore quadro/triangolo con A.O.; circuito base

a) Misurare frequenza e duty cycle dell’ondaquadra;

b) Misurare ampiezza e valor medio dell’onda

triangolare

II.5.3 Generatore q/t con A.O.; variazione di frequenza

a) Misurare il campo di frequenze dell’ondaquadra;

b) Verificare che il duty cycle rimane costante al

variare della frequenza; c) Verificare che ampiezza e valor medio

dell’onda triangolare rimangono costanti.

II.5.4 Generatore q/t con A.O.; variazione di valor medio. a) Misurare la variazione del valor medio

dell’onda triangolare; b) Verificare che frequenza e duty cycle

rimangono costanti; c) Verificare che l’ampiezza dell’onda

triangolare rimane costante.

II.5.5 Generatore q/t con A.O.; variazione di duty cycle.

a) Misurare la variazione di duty cycledell’onda quadra;

b) Verificare che la frequenza rimane

costante; c) Verificare che ampiezza e valor medio

dell’onda triangolare rimangono costanti.

R2

150k ΩR

1

47kΩ

RO

100k Ω

CO

15nF

VT

VQ

R2

R1

RO

CO15nF

VT VQ

P110kΩR31kΩ

100k Ω

R2

R1RO

CO

VT VQ

P1

R3

+VCC -VCC

P210kΩ

R4

12kΩ

R5

12kΩ

R2

R1

RO

47k Ω

CO

VT VQ

P1

R3

+VCC -VCC

P2R4 R5

P3

100k Ω

D1,D2

1N4148


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II.5.6 Generatore di onda quadra basato su porta logica coningresso a trigger. Progettare un generatore di onda quadra basato sull’invertitore con isteresi 74HC14,secondo le seguenti specifche: frequenza 100 KHztensione di alimentazione 5 V

Quale è il campo di valori ammissibili per la resistenza R ? Il campo è lo stesso se vieneusata una porta 74LS14 ?

Montare il circuito e verificarne il funzionamento.

In laboratorio sono disponibili fotoresistenze (resistenze il cui valore dipendedall’illuminamento) tipo NSL 19-M51, con le seguenti caratteristiche (valori nominali): • resistenza in oscurità20 MΩ• resistenza a 10 lux 50 KΩ• resistenza a 100 lux 5 KΩ

Inserire la fotoresistenza nel circuito in modo da realizzare un oscillatore con frequenzacontrollata dalla luce ambiente, e verificarne il funzionamento.

Verificare che l’illuminazione al neon introduce una modulazione nella frequenzadell’oscillatore (illuminare la fotoresistenza con la luce al neon o con sorgenti costanti, qualiluce diurna o lampadina a incandescenza alimentata in continua).

Rimuovendo la fotoresistenza, mantenere il condensatore utilizzato in precedenza, e inserirenel circuito altri componenti che permettano la variazione di: • frequenza, nel campo 10 KHz - 1 MHz• duty cycle, nel campo 1% - 99%

Suggerimenti:

La frequenza dipende da R, C, Vu; quale di questi componenti o parametri è più comodovariare ? Come può essere variata la Vu (agli effetti della reazione) ?

Per la variazione del duty cycle utilizzare una tecnica simile a quella utilizzata per ilgeneratore quadro-triangolo.

C VC

_

VU(VS1, VS2)

R


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Esercitazione II.6 Convertitore D/A e A/D

II.6.1 Convertitore D/A

Lo schema di sinistra è un convertitore D/A a correnti pesate con uscita in corrente, in cui ildato digitale di ingresso proviene da un contatore binario a 4 bit (integrato CD 4029). Nelcircuito equivalente Thevenin di questo convertitore (sezione AA verso sinistra) la resistenzaequivalente di uscita è indipendente dalla posizione dei deviatori (stato delle uscite del CD4029 in questo caso), e quindi la tensione a vuoto è proporzionale alla corrente di uscita. Ilcircuito può essere direttamente trasformato in convertitore con uscita in tensione (schema didestra).

Oggetto di questa esercitazione sono verifiche e misure sul circuito del convertitore D/A a 4bit indicato nella figura di destra.

Fig6.1

1. Iniziare

montando il contatore, configurato per conteggio modulo 16 a salire. Verificare ilfunzionamento applicando un segnale di clock a onda quadra.

Collegare tutti gli ingressi del contatore CMOSAttenzione ai livelli del clock esterno !

2. Montare la rete di peso: la resistenza da 50 Kohm è ottenuta con due resistenze da 100kohm in parallelo, e quella da 200 kohm con due resistenze in serie. Applicando unsegnale continuo di clock verificare che in uscita compaia una gradinata di 16 livelliequispaziati.

3. Mantenendo il clock continuo all’ingresso, misurare con l’oscilloscopio i livelli di ciascungradino; determinare il fondo scala S e il valore del LSB.

4. Facendo avanzare il contatore passo passo (con comando manuale e un circuitoantirimbalzo) misurare i livelli di ciascun gradino con il tester; e verificare che l’intervallotra gradini adiacenti corrisponde a 1 LSB.

5. Inserire sulle uscite del contatore i LED (con resistenza serie da 1 kohm), pervisualizzarne lo stato. Ripetere la verifica del punto 3); cosa è cambiato e perchè ? Comepossiamo collegare dei LED per visualizzare lo stato del contatore senza introdurre errorinell’uscita analogica ?

6. Modificare del 15% circa le resistenze corrispondenti a MSB, MSB-1, MSB-2, LSB (soloun ramo per volta - inserire un’altra resistenza in serie o in parallelo). Verificare l’effetto diciascuna modifica. Quale relazione c’è tra peso del ramo modificato e posizione in cuiviene alterata la caratteristica ?

7. Come e di quanto deve essere modificata la resistenza del MSB per introdurre errore dinon monotonicità ? Eseguire una verifica sperimentale.

CD 4029

Q1 Q2 Q3 Q4

R1 R2 R3 R4

CK

Iu

R1 390 kΩR2 200 kΩR3 100 kΩR4 50 kΩ

CD 4029

Q1 Q2 Q3 Q4

R1 R2 R3 R4

VuA

A

CK


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8. Inserire sulle uscite del contatore piccole capacità (da 50 pF a 1 nF) per variare i ritardi dicommutazione e introdurre dei glitch. Verificare la corrispondenza tra posizione delcondensatore e posizione/verso dei glitch.

9. Trasformare il circuito inserendo l’amplificatore di transresistenza come indicato in figura.Progettare R5 per ottenere un fondo scala di circa – 10 V

Fig. 6.2

10. Usare al posto delle resistenze pesate una rete a scala R/2R. Quale deve essere ilvalore R/2R per avere lo stesso fondo scala senza modificare R5 ?

11. Con la rete a scala, ripetere le verifiche sul funzionamento indicate al punto 2 e 3.

Esperienza dimostrativa D/A

La figura indica (per un DAC a 4 bit) la corrispondenza tra stati del contatore e rampa diuscita. Sono riconoscibili le posizioni corrispondenti a metà del fondo scala (commutazionedel MSB), quarti, e così via. Verificare che introducendo anomalie (ritardi, errori nella rete dipeso) su un determinato bit, gli effetti sono evidenti nel punto in cui il bit cambia stato.

Fig 6.3

CD 4029

Q1 Q2 Q3 Q4

R1 R2 R3 R4

CK

Vu

R5R1 390 kΩR2 200 kΩR3 100 kΩR4 50 kΩ


E

Nonlinearità differenziale

Le foto di questa pagina evidenziano errori di nonlinearità differenziale ottenuti modificando lacorrente di un ramo della rete di peso (o della rete a scala) con una resistenza inserita inparallelo al ramo stesso. La rampa è sempre formata da 64 gradini.

La resistenza è in parallelo al ramo del MSB.L’errore si manifesa come un incremento delpeso del MSB (dovuto all’incremento dellacorrente nel ramo), che determina un“innalzamento” della seconda metà dellacaratteristica (corrispondente alla parte in cuiMSB = 1).

Fig. 6.4

Inserendo la resistenza in parallelo al ramo delMSB-1 si modificano il secondo e il quarto“quarto”, in cui MSB-1 = 1. L’errore introdottosul ramo è sempre lo stesso; dato però che ilpeso del ramo è metà rispetto al casoprecedente, l’effetto in uscita è dimezzato.

A metà del fondo scala la caratteristica diventanon-monotona.

Fig. 6.5

Spostando la resistenza sul ramo MSB-2 sinota che l’errore interviene per “ottavi” delfondo scala, con ampiezza ulteriormentedimezzata.

L’entità dell’errore non è più tale dadeterminare non-monotonicità.

Fig. 6.6

Ritardando la commutazione del MSB-

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1; compaiono glitch in corrisponenzadella metà e dei quarti di fondo scala.La direzione del glitch dipende dalverso della commutazione del bit:ritardando il passaggio da 0 a 1 siintroduce uno stato temporaneo 000..(glitch verso massa); ritardando ilpassaggio da 1 a 0 lo stato transitorio è111…, che determina un glitch verso ilfondo scala.

Fig. 6.7


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II.6.2 Convertitore A/D

Trasformare il circuito in convertitore A/D, come indicato in figura (convertitore A/D ainseguimento). L’operazionale viene usato come comparatore tra la tensione Vu generatadalla rete di peso e la Vi di ingresso. Il contatore viene continuamente incrementato odecrementato (comando U/D), a seconda che la tensione Vu ricostruita attraverso il D/A siamaggiore o minore della Vi.

Per adattare i livelli presenti in uscitadell’operazionale ai livelli richiesti per ilcomando up/down del contatore si usa larete formata dalla resistenza R6 e diodozener. Scegliere uno zener adatto edeterminare il valore di R6.

Visualizzare lo stato del contatorecollegando dei LED alle uscite (per nonintrodurre errori troppo forti, inserire inserie ai LED resistenze da 4,7 KΩ.

Fig. 6.8

Facendo variare molto lentamente l’ingresso analogico Va, verificare il funzionamento etracciare la transcaratteristica D(A).

Esperienza dimostrativa A/D

E’ possibile verificare il funzionamento dinamico del convertitore applicando un segnale Vi diampiezza corrispondente al fondo scala e frequenza bassa, tale che lo slew rate massimosia inferiore allo slew rate ottenibile sulla Vu (pari ad Ad/Tck).

Nell’immaginecompaiono le tensioni Vae Vu: Va è la tensionesinusoidale, e Vu ilsegnale ricostruitoattraverso il D/A, che simodifica in modo dainseguire continuamenteVa. La differenza Va –Vu è l’errore diquantizzazione.

Fig. 6.9

CKCD 4029

Q1 Q2 Q3 Q4

R1 R2 R3 R4

Va

Vu

U/D

R6


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Espandendo l’asse tempi siosservano i singoli passidell’inseguimento, a gradinidi ampiezza costante indiscesa o in salita. Quandoil segnale varia entro 1 LSB(zona indicata dall’ellissegialla) si ha una sequenzadi passi in salita e discesaalternati.

Fig. 6.10

Aumentando la frequenza delsegnale cresce lo slew rate, ela tensione Vu non riesce ainseguire Va determinando unerrore di sovraccarico. Ilsegnale ricostruito diventaun’onda triangolare, conpendenza corrispondente almassimo slew rate, pari adAd/Tck.

Fig. 6.11

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