Oscillatori digitali

Oscillatori digitali
Gli oscillatori digitali sono circuiti che producono un segnale ad onda quadra
di ampiezza e frequenza desiderata, senza l’ausilio di alcun segnale di
ingresso. Sono realizzati ad esempio sfruttando la carica/scarica di un condensatore
controllata da un circuito con tensioni di soglia di tensione predefinite.
Oscillatore con NE555
E' realizzato internamente con tre resistenze uguali da 5KΩ, due comparatori (C1 e C2) e un Latch SR (flipflop). Le tre resistenze da 5KΩ ripartiscono la tensione di alimentazione Vcc in tre parti uguali. All'ingresso
non invertente (+) del comparatore C1 c'è 1/3 di
Vcc e sull'ingresso invertente (-) del
comparatore C2 si ha 2/3 di Vcc. Il pin 5
permette di modificare tali tensioni di riferimento
ma nel nostro caso non verrà usato (in genere
si mette una capacità da 10 nF a 100nF verso
massa contro eventuali disturbi).
Il pin 4 è un comando reset (mantiene l'uscita a
0 se attivato); se non usato va posto a “1”= Vcc.
Il flip-flop viene comadato tramite gli ingressi di
SET e di RESET. Quando la tensione sul pin 6
supera i 2/3Vcc (sul pin 5) l'uscita del
comparatore C2 va a “1” e si ha un comando di
SET; quando invece la tensione sul pin 2 è
inferiore ad 1/3Vcc l'uscita del comparatore C1
va a “1” e si ha un comando di RESET.
Quando il flip-flop è SETTATO (Q=1) l'uscita (pin 3) sarà al valore “1”= Vcc ed il transistore di “scarica”
(connesso a Q=0) si comporta come un interruttore aperto (pin 7); viceversa se il flip-flop è RESETTATO
(Q=0 → Q=1) il transistore si comporta come un interruttore chiuso (verso massa) e può essere usato per
effettuare ad esempio la scarica di un condensatore.
L'NE555 come oscillatore
Funzionamento. All'accensione del circuito i pin 6 e 2 sono
a livello basso perché la capacità C è scarica (cioè
inizialmente Vc=0) pertanto il pin 2 (ingresso invertente di
C1) è a livello inferiore del corrispondente ingresso non
invertente di C1 che si trova a 1/3 di Vcc e di conseguenza
l'uscita del C1 = ingresso S del FF = “1” pertanto l'uscita Q
sarà “1” = Vcc (SET) e Q = 0V; in queste condizioni il
transistore è OFF (Q=0) e quindi il pin 7 è un circuito
aperto; il pin 6 (ingresso non invertente di C2) essendo pure
a massa si trova a livello inferiore dell'ingresso non
invertente che si trova a 2/3 di Vcc e pertanto l'uscita C2 è a
“0”=ingresso R del FF che non modifica la situazione di
SET del FF.
Il condensatore può quindi iniziare a caricarsi verso Vcc
tramite la serie di R1 e R2; quando la tensione sul
condensatore C supererà 1/3Vcc C1 porterà a “0” la sua uscita (cioè il comando S del FF) ma questo non
avrà nessun effetto sul FF pertanto Q continuerà ad essere a “1”=Vcc e Q si manterrà a 0V = livello di
massa.
Continuando la carica però ad un certo punto la tensione sulla C raggiungerà e supererà quella fissata sul
pin 5 di 2/3Vcc e quindi l'ingresso non invertente si troverà a una tensione maggiore dell'invertente;
sull'uscita di C2 si avrà un “1”=comando di RESET che porterà a 0V l'uscita pin 3 del 555 e Q andrà a “1”=
Vcc. In queste condizioni il transistore NPN riceve il comando sulla base e si comporterà come un
interruttore chiuso ma, poiché il pin 7 è collegato a R2, è come se si collegasse R2 a massa e quindi il
condensatore C non proseguirà la carica ma inizierà a scaricarsi attraverso R2 (notare che per la scarica R1
non conta nulla).
Quando la tensione sul condensatore scendendo verso massa va al di sotto di 2/3Vcc l'uscita del C2 torna
bassa sul comando R del FF ma ciò non muta la situazione e Q rimane a 0V; continuando la scarica però ad
un certo punto la tensione del C scenderà sotto 1/3Vcc e avremo un nuovo comando di SET sul FF cioè
Q=“1”=Vcc. Si è quindi ritornati alla condizione procedente e il ciclo quindi può riprendere ripetendosi poi
all'infinito.
Si ottiene così un oscillatore ad onda quadra (vedi figura).
Il tempo di carica e scarica dipende dal valore dei resistori e dal condensatore. Se indichiamo con
T1=tempo con uscita alta, T2=tempo con uscita bassa; T=periodo=T1+T2
Per quanto riguarda il DUTY CYCLE (ciclo di lavoro) cioè il rapporto tra l'intervallo di tempo in cui il segnale
è ALTO e la durata dell'intero ciclo (periodo T) si può scrivere:
Prendendo R2 di valore sufficientemente alto rispetto a R1 (almeno 10 volte) otterremo un'onda quadra
simmetrica con un duty cycle pari a circa il 50% (onda quadra); in generale comunque D>50%.
Prova pratica con l'NE555 come oscillatore
Esempio. Realizzare il circuito in figura con i valori indicati.
Con l'oscilloscopio si visualizzano le tensioni Vo (pin
3) e sul condensatore, come nella figura precedente
si misurano T1, T2 e T=T1+T2 e si confrontano con i
valori teorici.
Poichè nell'esempio R1 è molto piccola rispetto a R2
possiamo ritenere T1 circa T2; in ogni caso si ha:
T1 = 0,693·(R1+R2)·C = 0,700ms
T2 = 0,693·R2·C = 0,693ms
T = T1+T2 = 1,393ms → f = 1/T = 718Hz
Ripetere la prova progettando oscillatori alle
frequenze di 1Hz, 1KHz, 10KHz …. scegliendo in modo opportuno le resistenze e i condensatori.