Note

ElapBe2
20/10/2015
ElapBe2
20/10/2015
Ingegneria dell’Informazione
Come utilizzare gli esercizi
• Esercizi sugli argomenti svolti nelle lezioni B4-B5
ELETTRONICA APPLICATA
E MISURE
• Risolvere come homework prima della lezione
• Soluzione e chiarimenti in aula
Dante DEL CORSO
• Argomenti esercizi parte B - 2:
Be2 – Esercizi parte B (2)
– Analisi di monostabili e circuiti di ritardo
– Analisi di generatore Q-T e Q
» Generatore Q-T e Q
» Monostabili
» Laboratorio ELN-1
• Laboratorio ELN-1:
– Generatore di onda quadra
– Contatore
– Decodifica stati del contatore
AA 2015-16
20/10/2015 - 1
© 2015 DDC
ElapBe2 - 2015 DDC
Page 1
1
20/10/2015 - 2
© 2015 DDC
ElapBe2 - 2015 DDC
Page 2
2
ElapBe2
20/10/2015
ElapBe2
20/10/2015
Esercitazione Be2: Elenco esercizi
Eserc. Be2.1: comparatore di soglia
• Obbiettivi di questi esercizi
• Progettare un comparatore di soglia invertente, con
soglie pari a +4V e -4V, utilizzando un Amplificatore
Operazionale con alimentazione +- 12V.
– Analisi di circuiti monostabili e astabili, generatore Q/T
– Progetto con un componente libero
– Indicare quali altri parametri influenzano i valori dei
componenti passivi
• Be2.1: Comparatore di soglia (p)
» Indicare valori ragionevoli per questi parametri
(fino a questo punto non occorre svolgere calcoli)
• Be2.2: Circuito monostabile (a)
• Be2.3: Generatore di onda quadra (a)
– Progettare tutti i componenti, partendo da una resistenza di
reazione di 100 kΩ
• Be2.4: Generatore Quadro/Triangolo (p)
– Modificare il circuito per ottenere soglie a +1 e -3 V
• Be2.5: Esempio da scritto di esame
(Istruzioni Esercitazione di laboratorio Eln-1)
20/10/2015 - 3
© 2015 DDC
ElapBe2 - 2015 DDC
Page 3
3
20/10/2015 - 4
© 2015 DDC
ElapBe2 - 2015 DDC
Page 4
4
ElapBe2
20/10/2015
ElapBe2
20/10/2015
Esercizio Be2.2-a: monostabile
Esercizio Be2.2-b: monostabile
• Generare un impulso positivo (010) di durata 2 μs in
corrispondenza delle transizioni HL e LH di un
segnale digitale.
• Occorre un elemento di ritardo e una porta, che deve
riconoscere sia 0,1 che 1,0: porta XOR
____
_____
_____
IN
\_______/
\______/
______
______
____
RIT
\______/
\_____/
_
_
_
_
OUT ____/ \_____/ \___/ \____/ \___
–
–
–
–
Individuare diverse soluzioni basate su porte logiche, C, R
Tracciare un circuito che utilizza un solo gruppo RC
Indicare da quali parametri dipende la durata dell’impulso
Determinare i valori dei componenti passivi (porte con soglia
VT a metà dell’alimentazione VAL)
– Indicare altre soluzioni, con soli componenti digitali.
20/10/2015 - 5
© 2015 DDC
ElapBe2 - 2015 DDC
Page 5
5
20/10/2015 - 6
© 2015 DDC
ElapBe2 - 2015 DDC
Page 6
6
ElapBe2
20/10/2015
ElapBe2
20/10/2015
Eserc. Be2.3-a: generatore di clock
Esercizio Be2.3-b: semiperiodo T1
• Calcolare la frequenza dell’onda quadra
all’uscita Vu
Vc
Vu
T1
VH
T2
VT+
–
–
–
–
VS2
VS1
VUH
VUL
=
=
=
=
VT-
VT-
2V
1,2 V
4.7 V
0.3 V
Vu
C
• Componenti
VT+
t
Vu
Vu commuta tra VH e VL ;
Vc è una sequenza di esponziali, tra VT- e VT+
R
T1: Vc(t) = VH + (VT- - VH)exp (- t/RC )
– R = 1 kΩ
– C = 10 nF
C
R
Quando t = T1  Vc(T1) = VT+
T1 = RC ln [(VH - VT-)/(VH - VT+)] = 3.4 s
20/10/2015 - 7
© 2015 DDC
Vc
VL
• Parametri del comparatore
ElapBe2 - 2015 DDC
Page 7
7
20/10/2015 - 8
© 2015 DDC
ElapBe2 - 2015 DDC
Page 8
8
ElapBe2
20/10/2015
ElapBe2
20/10/2015
Esercizio Be2.3-c: semiperiodo T2
Vc
Eserc. Be2.3-d: generatore di clock
Vu
T1
T2
1. Cosa limita la massima frequenza del generatore di
onda quadra?
VH
VT+
Vc
VL
VT-
VT-
2. Cosa limita la frequenza minima?
VT+
3. Quali sono i valori limite per R e per C?
t
4. Come si modifica la frequenza
al variare della tensione di
alimentazione?
Vu
T2: Vc(t) = VL + (VT+ - VL)exp (- t/RC )
Quando t = T2  Vc(T2) = VTT2 = RC ln [(VT+ - VL)/(VT- - VL)] = 8.5 μs
C
R
5. Per misurare la frequenza, è
preferibile collegare la sonda
dell’oscilloscopio su C o all’uscita?
T = T1 + T2 = 11.9 s
 f = 1/T = 84 kHz
20/10/2015 - 9
© 2015 DDC
ElapBe2 - 2015 DDC
Page 9
9
20/10/2015 - 10
© 2015 DDC
Vu
C
R
ElapBe2 - 2015 DDC
Page 10
10
ElapBe2
20/10/2015
ElapBe2
20/10/2015
Esercizio Be2.4-a: generatore Q/T
Es. Be2.4-b: schema base gener. Q/T
• Il generatore Q/T in figura ha alimentazioni +-15V.
Gli A.O. hanno tensioni di uscita fino a +- 14V, e per il
resto possono essere considerti ideali.
RO
100k
• Calcolare:
CO
15nF
VT
R1
47k
R2
150k
VQ
– Frequenza
– Ampiezza onda triangolare
– Duty Cycle
• Modificare il circuito per consentire variazioni di:
– Frequenza:
da F a F/10
– Duty Cycle:
dal 25% al 75 %
– Componente DC dell’onda triangolare:
20/10/2015 - 11
© 2015 DDC
C0 : 15 nF
R1 : 47 k
R3 : 1 k
da -2 a +2 V
ElapBe2 - 2015 DDC
Page 11
11
R 0:
100 k
R 2:
150 k
R4, R5: 12 k
20/10/2015 - 12
© 2015 DDC
ElapBe2 - 2015 DDC
Page 12
12
ElapBe2
20/10/2015
ElapBe2
20/10/2015
Esercizio Be2.4-c: soluzioni
Eserc. Be2.4-d: Variazione frequenza
• Frequenza
• Variare C (non fattibile!)
• Variare la corrente di carica/scarica di C
– Variando Ro
– Variando la tensione ai capi di Ro  partitore su Vq
• Variare le soglie
• Livelli onda triangolare
RO
100k
CO
15nF
VQ
R2
R1
P1
10k
R3
1k
• Duty cycle:
20/10/2015 - 13
© 2015 DDC
VT
ElapBe2 - 2015 DDC
Page 13
13
20/10/2015 - 14
© 2015 DDC
ElapBe2 - 2015 DDC
Page 14
14
ElapBe2
20/10/2015
ElapBe2
20/10/2015
Eserc. Be2.4-e: Variazione duty-cycle
Es. Be2.4-f: Variazione offset (triang.)
• Differenti correnti di carica/scarica dell’integratore
• Somma di una costante (DC) in uscita
– I = V/R; due possibilità:
– Variazione di V (poco comoda)
– Variazione di R (con limite di Rmin)
• Variazione delle soglie del comparatore
– Variazione della reazione positiva (R1, R2)
– Somma di un offset
VT
D1,D2
1N4148 RO
47k
P3
100k
VT
VQ
CO
R2
© 2015 DDC
R1
P1
R1
+VCC
R4
12k
ElapBe2 - 2015 DDC
Page 15
R2
RO
R3
20/10/2015 - 15
VQ
CO
15
20/10/2015 - 16
© 2015 DDC
R5
P2 12k
10k
-VCC
P1
R3
ElapBe2 - 2015 DDC
Page 16
16
ElapBe2
20/10/2015
ElapBe2
20/10/2015
Esercizio Be2.5: Esempio da scritto
Esercizio Be2.5-a: domanda a
Scritto 5/9/13 – Esercizio B.1 (4 punti max)
a. Tracciare lo schema di un generatore di onda quadra e
triangolare che utilizza due amplificatori operazionali,
alimentati con singola tensione di + 10V.
a. Tracciare lo schema di un generatore di onda quadra e
triangolare che utilizza due amplificatori operazionali, alimentati
con singola tensione di + 10V.
b. L'uscita a onda quadra viene utilizzata come segnale di Clock
per circuiti logici CMOS con alimentazione 5 V. Tracciare lo
schema di un circuito di interfaccia tra generatore di onda
quadra e circuiti logici che porti il Clock ai valori corretti.
•
Occorre ricavare una tensione
di riferimento Vr = 5V (tensione
di alimentazione Val/2).
c. Indicare come modificare lo schema base per mantenere
costante la frequenza in caso di piccole variazioni della tensione
di alimentazione.
•
Questa tensione sostituisce la
massa presente nel circuito a
doppia alimentazione.
d. Modificare il circuito in modo da poter variare il duty cycle
agendo su un potenziometro, mantenendo costante la
frequenza del segnale generato.
20/10/2015 - 17
© 2015 DDC
ElapBe2 - 2015 DDC
Page 17
17
20/10/2015 - 18
© 2015 DDC
ElapBe2 - 2015 DDC
Page 18
18
ElapBe2
20/10/2015
ElapBe2
20/10/2015
Esercizio Be2.5-b: domanda b
Esercizio Be2.5-c: domanda c
b. L'uscita a onda quadra viene utilizzata come segnale di
Clock per circuiti logici CMOS con alimentazione 5 V.
Tracciare lo schema di un circuito di interfaccia tra
generatore di onda quadra e circuiti logici che porti il Clock
ai valori corretti.
c. Indicare come modificare lo schema base per mantenere
costante la frequenza in caso di piccole variazioni della
tensione di alimentazione.
•
Un circuito CMOS richiede tensioni prossime a GND per lo 0 e
prossime all’alimentazione per l’1.
•
•
Il livello basso (0) è compatibile; il livello alto (1) deve essere
portato da 10 V a 5 V. Ci sono diverse possibilità:
Occorre rendere le soglie del
comparatore e la corrente di
carica dell’integratore
indipendenti dalla tensione
di alimentazione.
•
Si possono inserire circuiti di
regolazione con diodo Zener
all’uscita del comparatore, e riportare (sia in reazione positiva
che all’integratore) la tensione regolata presente ai capi dello
Zener.
– Partitore resistivo: occorre dimezzare la tensione, quindi due
resistenze uguali. Questa è la soluzione più semplice.
– Zener da 4-5V: gruppo R-Zener tra uscita a onda quadra e massa.
– Clamp a diodo verso 5V: resistenza (per limitazione della corrente)
tra uscita del comparatore e ingresso della logica; diodo standard
tra ingresso e alimentazione del circuito logico (impedisce che la
tensione di ingresso cresca oltre l’alimentazione).
20/10/2015 - 19
© 2015 DDC
ElapBe2 - 2015 DDC
Page 19
19
20/10/2015 - 20
© 2015 DDC
ElapBe2 - 2015 DDC
Page 20
20
ElapBe2
20/10/2015
ElapBe2
20/10/2015
Esercizio Be2.5-d: domanda d
Esperienza di laboratorio - a
d. Modificare il circuito in modo da poter variare il duty cycle
agendo su un potenziometro, mantenendo costante la
frequenza del segnale generato.
• Progetto, montaggio, verifica del funzionamento di
•
• Attività preliminari (homework):
•
– Generatore di onda quadra con porta a trigger
– Contatore integrato e circuito combinatorio (decoder)
Bisogna separare i percorsi di carica e scarica del
condensatore con due diodi. I due semiperiodi sono
proporzionali alle resistenze in ciascun ramo.
Per mantenere costante il periodo complessivo si possono
realizzare le due resistenze con un potenziometro; la resistenza
totale è fissa (e determina il periodo), quelle di carica e scarica
sono variabili (per avere la variazione di duty cycle).
– Progetto del generatore
– Rivedere istruzioni di laboratorio; manuale di uso basette
sito web, home  Descrizione e uso delle basette …
– Predisporre la relazione
• Il laboratorio
– Eseguire montaggio e misure
– Relazione da consegnare successivamente
20/10/2015 - 21
© 2015 DDC
ElapBe2 - 2015 DDC
Page 21
21
20/10/2015 - 22
© 2015 DDC
ElapBe2 - 2015 DDC
Page 22
22
ElapBe2
20/10/2015
ElapBe2
20/10/2015
Esperienza di laboratorio - b
Montaggio sulla basetta - c
• Specifiche per il generatore di onda quadra
Leggere:
“Descrizione e
uso delle basette
per montaggi”
– Usare porta CD4093: 4 NAND a 2 ingressi (trigger)
– Alimentazione 5 V (anche per altri punti)
– Frequenza del segnale generato: 50 kHz (+-20%)
• Specifiche per il contatore
OK
Fili corti,
Barre per massa
e alimentazione
– Usare circuito integrato CD 4040
– Verificare la sequenza di stati e i ritardi di commutazione
• Circuito combinatorio:
NO
Fili lunghi,
Incroci,
….
– Usare le porte libere del CD 4093
– Decodificare lo stato 111 del contatore
– Verificare il comportamento
20/10/2015 - 23
© 2015 DDC
ElapBe2 - 2015 DDC
Page 23
23
20/10/2015 - 24
© 2015 DDC
ElapBe2 - 2015 DDC
Page 24
24