ELETTRONICA PER L’INFORMATICA
ESERCITAZIONE DI LABORATORIO 2
Sede di IVREA
Esercitazione di laboratorio 2
Convertitore D/A e A/D con rete di peso
Scopo dell’esercitazione
Gli obiettivi di questa esercitazione sono:
- Verificare il funzionamento di un convertitore D/A a 4 bit,
- Individuare i punti critici per la nonlinearità differenziale
- Individuare i punti critici per i glitch
- Determinare gli errori di guadagno, offset, nonlinearità,
- Verificare il funzionamento di un convertitore A/D a inseguimento.
Moduli e componenti da utilizzare
I circuiti richiesti devono essere predisposti sulle basette per montaggi senza saldature.
Informazioni sull'uso delle basette sono reperibili sul sito web:
Materiale didattico > Uso delle basette per montaggi senza saldature
La rete che genera le correnti pesate comprende resistenze di valore scalato secondo le
potenze di 2 (5k, 10k, 20k, 40k), pilotate da deviatori di tensione. I deviatori di tensione sono
realizzati con uscite logiche CMOS. Viene usato il circuito integrato tipo CD 4029 (contatore a
4 bit programmabile). Il data sheet di questo componente è reperibile sul sito web:
L'uscita può essere prelevata direttamente come tensione a vuoto sul nodo di somma,
oppure come corrente di CC verso un nodo a massa virtuale (morsetto di ingresso di un
amplificatore a transresistenza).
Strumenti richiesti
Alimentatore (5 V), generatore di clock (1 MHz compatibile CMOS), oscilloscopio, multimetro.
Le verifiche di funzionamento dei circuiti vanno eseguite con l’oscilloscopio.
Le misure di tensione vanno eseguite con il multimetro.
Avvertenze
Ricordare che nei circuiti CMOS tutti gli ingressi devono essere collegati a una tensione
corrispondente a uno stato logico ben definito, e che a un circuito integrato non deve mai
essere applicata una tensione esterna all’intervallo tra le alimentazioni.
Predisporre i livelli del segnale di clock secondo questi criteri.
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ESERCITAZIONE DI LABORATORIO 2
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Convertitore D/A
Lo schema di sinistra è un convertitore D/A a correnti pesate con uscita in corrente, in cui il
dato digitale di ingresso proviene da un contatore binario a 4 bit (integrato CD 4029). Nel
circuito equivalente Thevenin di questo convertitore (sezione AA verso sinistra) la resistenza
equivalente di uscita è indipendente dalla posizione dei deviatori (cioè dallo stato delle uscite
del CD 4029), e quindi la tensione a vuoto è proporzionale alla corrente di cortocircuito in
uscita. Il circuito può quindi essere direttamente trasformato in convertitore con uscita in
tensione (schema di destra).
Nell’esercitazione viene utilizzato il circuito del D/A a 4 bit della figura di destra, con uscita in
tensione. La tensione va misurata a vuoto (solo oscilloscopio o multimetro). Per pilotare
eventuali carichi interporre un buffer, o usare il circuito di destra con amplificatore di
transresistenza.
CK
CD 4029
Q1 Q2 Q3 Q4
R1
R2
R3
R4
39 kΩ
20 kΩ
10 kΩ
5 kΩ
CD 4029
CK
Q1 Q2 Q3 Q4
R1 R2 R3 R4
R1 R2 R3 R4
A
A
Iu
Vu
1. Iniziare montando il contatore, configurato per conteggio modulo 16 a salire. Per
verificare il funzionamento applicare un segnale di clock a onda quadra, e controllare la
sequenza di stati sulle uscite del contatore.
Collegare tutti gli ingressi del contatore CMOS
Attenzione ai livelli del clock esterno !
2. Montare la rete di peso: la resistenza da 5 KΩ è ottenuta con due resistenze da 10 kΩ in
parallelo, e quella da 20 kΩ con due resistenze in serie. Applicando un segnale continuo
di clock verificare che in uscita compaia una gradinata di 16 livelli equispaziati.
3. Mantenendo il clock continuo all’ingresso, misurare con l’oscilloscopio i livelli di ciascun
gradino; determinare il fondo scala S e il valore del LSB.
4. Inserire sulle uscite del contatore i LED (con la basetta premontata o con una resistenza
serie da 1 kohm), per visualizzarne lo stato. Ripetere la verifica del punto 3); cosa è
cambiato e perchè ? Come possiamo collegare dei LED per visualizzare lo stato del
contatore senza introdurre errori nell’uscita analogica ?
5. Modificare del 15% circa le resistenze corrispondenti a MSB, MSB-1, MSB-2, LSB (solo
un ramo per volta - inserire un’altra resistenza in serie o in parallelo). Verificare l’effetto di
ciascuna modifica. Quale relazione c’è tra peso del ramo modificato e posizione in cui
viene alterata la caratteristica ?
6. Come e di quanto deve essere modificata la resistenza del MSB per introdurre errore di
non monotonicità ? Eseguire calcolo e verifica sperimentale.
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7. Inserire sulle uscite del contatore piccole capacità verso massa (da 50 pF a 1 nF), per
variare i ritardi di commutazione e introdurre dei glitch. Verificare la corrispondenza tra
posizione del condensatore e posizione/verso dei glitch.
8. Scollegare il generatore di clock, e dare singoli impulsi a mano (resistenza di pullup e
chiusura verso massa). Verificare che il numero di impulsi di clock forniti in questo modo
è casuale (conviene tenere i LED inseriti per visualizzare lo stato del contatore).
9. Inserire un circuito antirimbalzo con FF SR (come per l’ultima esercitazione di Sistemi
Elettronici), e verificare che con questo è possibile far avanzare il contatore uno stato alla
volta.
10. Facendo avanzare il contatore passo-passo con l’interruttore e circuito antirimbalzo
(oppure con il generatore esterno a frequenza molto bassa), misurare i livelli di ciascun
gradino con il tester; e verificare che l’intervallo tra gradini adiacenti corrisponde a 1 LSB.
Il risultato di questa misura è diverso a seconda che il gruppo di LED sia collegato o
meno. Con i LED collegati la corrente assorbita nello stato L alza il livello VOL. Per
confrontare le misure con la caratteristica ideale del convertitore D/A, occorre staccare i
LED (controllare lo stato con i LED, staccare il LED del ramo in cui si esegue la misura).
11. Trasformare il circuito inserendo l’amplificatore di transresistenza come indicato in figura.
Alimentare l0operazionale a +- 10 V. Progettare R5 per ottenere un fondo scala di–5V
(approssimativamente).
CK
CD 4029
Q1 Q2 Q3 Q4
R1
R2
R3
R4
39 kΩ
20 kΩ
10 kΩ
5 kΩ
R1 R2 R3 R4
R5
Vu
12. Usare al posto delle resistenze pesate una rete a scala R/2R. Quale deve essere il valore
R/2R per avere lo stesso fondo scala senza modificare R5 ?
13. Con la rete a scala, ripetere le verifiche sul funzionamento indicate al punto 2 e 3.
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Esperienza dimostrativa D/A
La figura indica (per un DAC a 4 bit) la
corrispondenza tra stati del contatore
e tensione di uscita (nel caso di
conteggio sequenziale una rampa).
Sono riconoscibili le posizioni
corrispondenti a metà del fondo scala
(commutazione del MSB), i quarti, e
così via. Verificare che introducendo
anomalie (ritardi, errori nella rete di
peso) su un determinato bit, gli effetti
sono evidenti nel punto in cui il bit
cambia stato.
Per osservare la rampa in uscita e i
segnali digitali conviene sincronizzare
l’oscilloscopio sul segnale digitale più
lento (uscita Q4).
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Nonlinearità differenziale
Le foto di questa pagina evidenziano errori di nonlinearità differenziale ottenuti modificando la
corrente di un ramo della rete di peso (o della rete a scala) con una resistenza inserita in
parallelo al ramo stesso. La rampa è formata da 64 gradini (convertitore a 6 bit).
La resistenza è in parallelo al ramo del MSB.
L’errore si manifesa come un incremento del
peso del MSB (dovuto all’incremento della
corrente nel ramo), che determina un
“innalzamento” della seconda metà della
caratteristica (corrispondente alla parte in cui
MSB = 1).
Inserendo la resistenza in parallelo al ramo del
MSB-1 si modificano il secondo e il quarto
“quarto”, in cui MSB-1 = 1. L’errore introdotto sul
ramo è sempre lo stesso; dato però che il peso
del ramo è metà rispetto al caso precedente,
l’effetto in uscita è dimezzato.
A metà del fondo scala la caratteristica diventa
non-monotona.
Spostando la resistenza sul ramo MSB-2 si nota
che l’errore interviene per “ottavi” del fondo
scala, con ampiezza ulteriormente dimezzata.
L’entità dell’errore non è più tale da determinare
non-monotonicità.
Ritardando la commutazione del MSB-1;
compaiono glitch in corrisponenza della
metà e dei quarti di fondo scala. La
direzione del glitch dipende dal verso della
commutazione del bit: ritardando il
passaggio da 0 a 1 si introduce uno stato
temporaneo 000.. (glitch verso massa);
ritardando il passaggio da 1 a 0 lo stato
transitorio è 111…, che determina un glitch
verso il fondo scala.
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Convertitore A/D
Trasformare il circuito in convertitore A/D, come indicato in figura (convertitore A/D a
inseguimento). L’operazionale viene usato come comparatore tra la tensione Vu generata
dalla rete di peso e la Vi di ingresso. Il contatore viene continuamente incrementato o
decrementato (comando U/D), a seconda che la tensione Vu ricostruita attraverso il D/A sia
maggiore o minore della Vi.
CK
CD 4029
U/D
Q1 Q2 Q3 Q4
R1 R2 R3 R4
Vu
Per adattare i livelli presenti in uscita
dell’operazionale ai livelli richiesti per il
comando up/down del contatore si usa la
rete formata dalla resistenza R6 e diodo
zener. Utilizzare uno zener da 3,9 o 4,1 V,
con R6 = 1 kΩ.
Va
In alternativa è possibile alimentare sia il contatore del D/A che il comparatore con una
tensione 0-7 V. In questo caso, per il comparatore, è preferibile usare amplificatori
operazionali con uscita “rail to rail”, ad esempio tipo TL081
Per questa esperienza occorrono due generatori;
- generatore del segnale Va (ingresso al convertitore A/D)
- generatore di onda quadra per il clock CK. Questo potrebbe essere realizzato con il
circuito oscillatore a onda quadra visto nell’esercitazione precedente.
Come comparatore conviene usare un operazionale veloce (ad esempio LM748), o un
comparatore vero e proprio. Il componente LM741 (operazionale compensato per essere
stabile a guadagno unitario) è molto lento, e i ritardi di commutazione dell’uscita possono
pregiudicare il funzionamento come convertitore A/D.
Visualizzare lo stato del contatore collegando alle uscite il gruppo di LED premontato, o
singoli LED con resistenze da 4,7 KΩ in serie (verso l’alimentazione).
Facendo variare molto lentamente l’ingresso analogico Va, verificare il funzionamento e
tracciare la transcaratteristica D(A).
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Esperienza dimostrativa A/D
E’ possibile verificare il funzionamento dinamico del convertitore applicando un segnale Vi di
ampiezza corrispondente al fondo scala e frequenza bassa, tale che lo slew rate massimo sia
inferiore allo slew rate ottenibile sulla Vu (pari ad Ad/Tck).
Nell’immagine compaiono
le tensioni Va e Vu: Va è
la tensione sinusoidale, e
Vu il segnale ricostruito
attraverso il D/A, che si
modifica in modo da
inseguire continuamente
Va. La differenza Va – Vu
è l’errore di
quantizzazione.
Espandendo l’asse tempi si
osservano i singoli passi
dell’inseguimento, a gradini
di ampiezza costante in
discesa o in salita. Quando
il segnale varia entro 1 LSB
(zona indicata dall’ellisse
gialla) si ha una sequenza
di passi in salita e discesa
alternati.
Nella zona a derivata massima (attraversamento del valor medio della sinusoide) il segnale
ricostruito varia alla massima velocità possibile (ellisse rossa, sequenza di gradini in salita)
Aumentando la frequenza del segnale
cresce lo slew rate, e la tensione Vu
non riesce a inseguire Va
determinando un errore di
sovraccarico. Il segnale ricostruito
diventa un’onda triangolare, con
pendenza corrispondente al massimo
slew rate, pari ad Ad/Tck (lo stesso
della zona entro l’ellisse rosso della
figura precedente).
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