Lab E-1: Generatore e contatore

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Elettronica Applicata e Misure
ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 2
Queste istruzioni sono scaricabili da http://areeweb.polito.it/didattica/corsiddc/03MOA .
Generatore di onda quadra e contatore asincrono
Scopo dell’esercitazione
Gli obiettivi di questa esercitazione sono:
- Realizzare un generatore onda quadra con porte logiche (CD4093 / 74HC14);
- Verificare il comportamento di un contatore asincrono (CD4040);
- Misurare i ritardi del contatore;
- Realizzare la decodifica di uno stato di uscita;
- Verificare la presenza di rimbalzi su contatti meccanici.
Strumenti e componenti richiesti
I circuiti richiesti devono essere predisposti sulle basette per montaggi senza saldature.
Se non sono state utilizzate in precedenza, conviene scaricare dal sito web sopra indicato il
documento:
Materiale didattico > Descrizione e uso delle basette per montaggi
La strumentazione richiesta comprende:
 Alimentatore 5V
 Basetta per montaggio
 Componenti vari (indicati nel seguito)
 Multimetro
 Oscilloscopio
 Generatore di segnali (Se non viene realizzato il generatore di onda quadra)
Esecuzione delle misure
Le verifiche di funzionamento dei circuiti vanno eseguite con l’oscilloscopio.
Lo stato logico delle uscite può essere rilevato anche collegando dei LED tra uscita e
alimentazione, con resistenza da 3,3 k in serie. Al laboratorio LED è disponibile una basetta
premontata con 8 LED e relative resistenze.
Avvertenze





Verificare tipo e valore dei componenti; potrebbero essere collocati nei cassetti in posizione
errata (e rimetterli nella posizione giusta …).
La tensione di alimentazione richiesta è di 5V; verificarla prima di collegare il circuito.
Nei circuiti CMOS ingressi aperti assumono uno stato logico non definito, pertanto tutti gli
ingressi devono essere collegati (anche quelli a cui non sono applicati segnali) :
massa  stato 0 (basso); alimentazione  stato 1 (alto).
Ricordare che a un circuito integrato non deve mai essere applicata una tensione esterna
all’intervallo tra le alimentazioni (in questa esercitazione 0V – 5V).
Non eseguire modifiche con alimentazione attiva; spegnere, cambiare componente, e
riaccendere.
EleMisLab_2j.doc - © DDC/CP - rev 07/11/2014 16:02:00
1
Specifiche
Frequenza del generatore di onda quadra: 10 kHz
(dato di progetto; quella effettiva può essere differente a causa dei valori normalizzati e delle
tolleranze dei componenti).
Progetto
Unica parte da progettare prima di iniziare il montaggio è il generatore di onda quadra, con le
specifiche seguenti:
 Alimentazione 5 V;
 Uso di comparatore con isteresi (74HC14, CD4093 o simili; verificare il componente
effettivamente disponibile);
 Frequenza 10 kHz, duty cycle 50%
Il comparatore con isteresi (o “trigger di Schmitt”) è alimentato a 5 V. I dati di progetto sono:

Resistenza di reazione da 100 kΩ.

Ricavare le soglie dal data sheet.

Calcolare il valore del condensatore in modo da ottenere un’onda quadra con frequenza 10
kHz. (una relazione molto approssimata è: periodo = 0,9 R C; verificare come può essere
ricavata e quale è il livello di approssimazione)

Scegliere il valore normalizzato più vicino (serie al 10%), e calcolare la nuova frequenza.
Lo schema del circuito base generatore di onda quadra è a lato.
Il valore del condensatore è indicativo; in base alle specifiche potrebbe
essere richiesto un valore diverso da quello riportato nello schema.
Calcolare la frequenza effettiva di oscillazione (dovuta alla scelta
di un valore normalizzato).
Nota: per il comparatore con isteresi possono essere utilizzato diversi
componenti:
 74HC14 (o in genere 74XY14): il circuito integrato comprende 6
inverter con isteresi; i valori delle soglie dipendono dalla famiglia
(HC, LS, …)
 74HC132 (o 74XY132): analogo all’HC14, ma comprende 4 porte
NAND a 2 ingressi (con isteresi).
 CD4093: 4 NAND con isteresi; componente in tecnologia CMOS.
100 k
74HC14
Vu
1 nF
Fig 1 – Generatore di
onda quadra
Varianti al circuito base (da realizzare alla fine delle misure, se rimane tempo disponibile):
1. Modificare il circuito del generatore in modo da poter variare il Duty Cycle dal 10 al 90%.
Separare con due diodi i percorsi di carica e scarica del condensatore, con resistenze differenti.
Una delle resistenze rimane fissa a 100 kΩ, l’altra varia da 10 kΩ a 1 MΩ. Inserire resistenze in
questo campo di valori per operare in condizioni note; usare un potenziometro collegato come
resistenza variabile per osservare la variazione continua. Non modificare il valore del
condensatore.
2
Montaggio del genatore di onda quadra
Per il montaggio seguire le indicazioni del documento:
Descrizione e uso delle basette per montaggi ,
scaricabile dal sito indicato all’inizio di queste istruzioni.
Nel seguito sono riportati due esempi di cablaggi relativi ai punti di questa esercitazione.
Si tratta di “buoni esempi”, per mostrare come può essere eseguito il montaggio sulle basette a
disposizione. Il montaggio può anche essere eseguito in modo differente, rispettando le indicazioni
del documento sopra menzionato.
Prima di montare il circuito richiesto a ciascuna esperienza è opportuno predisporre schizzi di
questo tipo, indicando i punti su cui eseguire le misure.
Ricordare sempre che nei circuiti CMOS tutti gli ingressi devono essere collegati a un livello logico
corretto. Non lasciare scollegati gli ingressi inutilizzati.
Esempio 1: generatore di onda quadra e contatore
(notare i collegamenti degli ingressi non utilizzati)
Esempio 2: contatore con decodifica
Contatore con circuito combinatorio di decodifica
di uno stato specifico.
Si tratta di una funzione proposta tra le
“Esperienze opzionali”; può essere realizzata con
diversi circuiti; questo è solo un esempio di
montaggio.
3
Misure sul generatore di onda quadra
Utilizzare lo schema del punto precedente.
Attenzione: nei circuiti CMOS tutti gli ingressi devono essere collegati a un livello logico
corretto; gli ingressi dei trigger inutilizzati devono essere collegati alla tensione di massa o
alimentazione.
1. Verificare il funzionamento del trigger (HC14 o altro componente) applicando all’ingresso un
segnale triangolare da 0,5 a 4,5 V.
Attenzione: tensioni esterne all’intervallo Massa – Alimentazione (0 – 5V in questo caso) possono
distruggere l’integrato. Predisporre e verificare il segnale triangolare prima di collegarlo al circuito;
applicare in serie all’ingresso una resistenza di protezione da 10 kΩ, e accendere l’alimentatore
prima del generatore di onda triangolare (con sequenza inversa per lo spegnimento).
E’ possibile verificare i livelli a cui scatta il trigger di
rettamente dalle graduazioni sullo schermo, o
utilizzando i cursori (Soglia 1 e Soglia 2 nell’immagine
a lato).
2.
Confrontare le soglie misurate con quelle
indicate nel data sheet del componente usato
per il trigger.
Soglia 2
Soglia 1
Scollegare il generatore di segnale triangolare, e
completare il circuito del generatore di onda quadra
inserendo R e C (con i valori progettati in precedenza).
3. Verificare qualitativamente il funzionamento (onda
quadra in uscita e segmenti di esponenziale
all’ingresso)
Notare che i valori di picco del segnale sul condensatore
corrispondono alle soglie del comparatore. Il segnale
sul condensatore è apparentemente triangolare; i tratti
obliqui sono in realtà esponenziali.
4. Misurare la frequenza e i livelli del segnale
generato.
Soglia 1
Soglia 2
5. Confrontare i valori misurati con quelli calcolati in precedenza, e motivare eventuali differenze.
4
Montaggio e misure sul contatore asincrono
Esaminare i data sheet del contatore CD4040, e individuare la funzione dei vari ingressi.
Schema a blocchi e piedinatura del CD 4040 sono in fig. 2. Per le altre caratteristiche fare
riferimento al data sheet.
Fig 2 – Schema a blocchi e piedinatura del CD 4040
Montare il circuito CD4040 con alimentazione 5V (Vss  0V, Vdd  alimentazione positiva).
Predisporre il montaggio in modo da poter facilmente inserire altri circuiti integrati logici (usare le
barre per alimentazione e massa; vedi indicazioni nel documento “Descrizione e uso delle basette
per montaggi”.
Collegare il RESET a uno stato logico tale da abilitare il conteggio.
Eseguire in sequenza le seguenti verifiche sul circuito:
1. Collegare all’ingresso il segnale a onda quadra generato con il circuito montato al punto
precedente. Verificare usando l’oscilloscopio il corretto funzionamento del divisore
(sulle varie uscite devono essere presenti onde quadre con frequenza via via dimezzata;
conviene sincronizzare la base tempi sul segnale a frequenza più bassa).
Se non è disponibile il generatore di onda quadra previsto al punto precedente utilizzare il
generatore disponibile sul banco, verificando i livelli (devono essere tra o e 5V) prima di
collegarlo.
2. Verificare che il ritardo di commutazione aumenta mano a mano che si procede lungo la catena
di contatori.
(Per eseguire facilmente questa verifica conviene aumentare la frequenza del clock inserendo
nel generatore di onda quadra condensatori di valore più basso (valore minimo 10 pF), oppure
utilizzando un generatore esterno. In questo caso fare attensioni ai livelli (in particolare quello
5
basso). Ricordare che a un circuito integrato non devono essere applicate tensioni esterne
all’intervallo delle alimentazioni.
3. Determinare il ritardo di un singolo stadio (conviene misurare il ritardo su una catena di FF
abbastanza lunga, e dividere per il numero di FF interposti). Verificare che il ritardo dipende dal
numero di FF interposti.
Confrontare il risultato con i valori indicati sul data sheet.
V
AL
4. Scollegare dal clock il generatore di segnale; collegare all’ingresso di
clock una resistenza di pull-up RPU = 10 k e un interruttore verso
massa (può essere semplicemente un contatto volante con un filo), in
modo da poter applicare manualmente il segnale di clock CK. Far
avanzare a mano il contatore. Verificare che ad ogni azionamento del
contatto il contatore avanza di più passi (i rimbalzi del contatto
meccanico inviano numerosi impulsi di clock).
RPU
CK
Fig 3 – Clock
“manuale”
5. Rimuovere la resistenza di pull-up e lasciare collegato all’ingresso uno spezzone di filo (10 cm
circa), lasciato aperto; verificare che raccoglie i disturbi presenti nell’ambiente (agisce come
“antenna”): campo della rete elettrica (50 Hz), carica di oggetti elettrizzati posti in vicinanza (non
a contatto!) dell’ingresso, e così via. Verificare che toccando con una mano lo schermo del
monitor del PC e avvicinando l’altra all’ingresso fluttuante il contatore riceve segnale di clock
per accoppiamento capacitivo. Reinserendo RPU il potenziale dell’ingresso è fissato dalla
resistenza di pullup, che ha una Z molto più bassa rispetto all’accoppiamento capacitivo, e
riduce i disturbi. (una verifica analoga può essere fatta sull’ingresso di reset).
Esperienze opzionali
Parte da eseguire dopo aver concluso quella precedente, se rimane tempo a disposizione.
Per gli esperimenti seguenti ricollegare al clock il generatore di onda quadra.
6. Progettare e montare un circuito combinatorio che permette di riconoscere la configurazione
111 su tre uscite consecutive del contatore.
Per la decodifica si possono utilizzare le porte NAND rimaste libere (se il generatore di clock è
stato realizzato con porte NAND a Schmitt trigger), oppure inserire un nuovo componente (NAND
con 2 o 3 ingressi). Tracciare il diagramma di temporizzazione dei segnali di ingresso e di uscita
del circuito di decodifica.
7. Inserire sull’ingresso il circuito anti-rimbalzi (FlipFlop tipo SR realizzato con porte NAND tipo
74HC00).
Verificare che con questo circuito il contatore
avanza di un passo a ogni commutazione del
deviatore di ingresso.
VAL
RPU1
RPU2
A
B
S
Q*
R
Q
CK
8. Montare alcuni LED sulle prime uscite del contatore, secondo le indicazioni del punto
“Esecuzione delle misure”. Abbassare la frequenza del clock fino a poter verificare a vista la
sequenza di conteggio (con i LED è possibile tenere sotto controllo più uscite rispetto
all’oscilloscopio).
(I LED singoli disponibili in laboratorio operano con correnti di 10-20 mA)
6
Discussione dei risultati
Confrontare i risultati delle verifiche e delle misure con le specifiche di progetto o con i risultati previsti dai
calcoli.
Presentare i risultati delle misure e il confronto con i valori attesi nella relazione (massimo 6 pagine).
Errori più comuni e possibili malfunzionamenti
Una della cause più frequenti di malfunzionamento in questa esercitazione sono i falsi contatti
nella basetta. Leggere con attenzione le istruzioni del documento “Descrizione e uso delle basette
per montaggi”., e seguire le indicazioni seguenti:
-
Se i fili per collegamenti sono ossidati o piegati, usarne di nuovi.
-
Prestare attenzione a non introdurre nei fori della basetta tratti di filo con la guaina isolante,
perché i contatti interni a molla possono posizionarsi sopra l’isolante. In questo caso la
connessione sembra corretta, ma di fatto non vi è collegamento elettrico.
-
Verificare il valore dei componenti (non fidarsi dell’etichetta nella cassettiera!).
-
Verificare segnali e alimentazioni sull’integrato toccando con il puntale della sonda
direttamente i piedini (può esservi falso contatto tra basetta e integrato).
-
Verificare con cura i contatti tra i morsetti che portano alimentazione e segnali e i fili di
collegamento alla basetta. Anche qui fare attenzione che sul tratto di filo inserito nel morsetto
non sia presente guaina isolante.
Le pagine seguenti posso essere utilizzate come base per la relazione
7
Esercitazione 2: Generatore di onda quadra e contatore asincrono
Data: …………………
Gruppo ………; composizione:
ruolo
nome
firma
Strumenti utilizzati
Strumento
Generatore di segnali:
Marca e modello
Caratteristiche
Oscilloscopio
Alimentatore
…
Descrizione sintetica degli obiettivi
8
Punti da sviluppare nella relazione
Progetto del generatore di onda quadra
Descrivere la procedura utilizzata per il progetto e i risultati
Riportare lo schema elettrico e l’elenco componenti completo.
Indicare i valori attesi dei parametri (frequenza, livelli, duty cyle, …) , tenendo conto dei valori
normalizzati e delle tolleranze.
(questa parte può essere predisposta prima dell’esercitazione sperimentale).
Risultati delle misure sul generatore di onda quadra
Descrivere le misure effettuate, confrontando i risultati ottenuti con quelli attesi (valutati al punto
precedente).
Verificare se le differenze tra valori misurati e valori previsti in sede di progetto sono dovute alle
tolleranze dei componenti o ad altre cause.
Risultati delle misure sul contatore asincrono
Descrivere le misure effettuate, confrontando i risultati ottenuti con quelli attesi (valutati dal data
sheet dei componenti).
Verificare se le differenze tra valori misurati e quelli indicati dal costruttore rientrano negli errori di
misura; se così non è indicare le probabili cause delle variazioni, e come correggerle.
Altre osservazioni
Altri comportamenti o risultati di misure diversi da quanto atteso
(riportare quanto visto/misurato, indicare l’anomalia, indicare delle ipotesi sulle cause).
9

Lab E-1: Generatore e contatore

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