NI ELVIS Introduzione

NI ELVIS
Introduzione
A cura del Prof. Barry Paton
Dalhousie University
Edizione Gennaio 2004
Part Number 323777A-01
Traduzione Marzo 2004
A Survey of Modern Computer-Based Experiments
Copyright
© 2004 National Instruments Corporation.
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NI ELVIS - Introduzione
ii
 National Instruments Corporation
Indice
Indice
Lab 1
NI Elvis - Ambiente di sviluppo
Obiettivi .............................................................................................................. 1-1
Soft Front Panels (SFP) utilizzati in questa esperienza...................................... 1-2
Componenti utilizzati in questa esperienza ........................................................ 1-2
Es. 1-1 Misurazione dei valori dei componenti.................................................. 1-3
Es. 1-2 Realizzazione di un circuito partitore di tensione
sulla scheda prototipi di NI ELVIS........................................................ 1-5
Es. 1-3 Utilizzo del DMM per la misurazione di corrente ................................. 1-7
Es. 1-4 Osservazione dell’evoluzione della tensione in un circuito RC ............ 1-8
Es. 1-5 Visualizzazione della tensione transitoria in un circuito RC ................. 1-10
Approfondimenti ................................................................................................ 1-12
Lab 2
Termometro digitale
Obiettivi .............................................................................................................. 2-1
Soft Front Panels (SFP) utilizzati in questa esperienza...................................... 2-2
Componenti utilizzati in questa esperienza ........................................................ 2-2
Es. 2-1 Misurazione dei valori delle resistenze .................................................. 2-3
Es. 2-2 Funzionamento della tensione di alimentazione variabile ..................... 2-4
Es. 2-3 Un circuito a termistore per il funzionamento di un DAQ..................... 2-5
Es. 2-4 Calibrazione del termistore .................................................................... 2-7
Es. 2-5 Realizzazione di un termometro digitale virtuale in NI ELVIS............. 2-8
Es. 2-6 Termometro digitale con caratteristiche di memorizzazione ................. 2-10
Approfondimenti ................................................................................................ 2-10
Lab 3
Strumenti per i circuiti in alternata
Obiettivi .............................................................................................................. 3-1
Soft Front Panels (SFP) utilizzati in questa esperienza...................................... 3-1
Componenti utilizzati in questa esperienza ........................................................ 3-1
Es. 3-1 Misurazione dei valori dei componenti del circuito............................... 3-3
Es. 3-2 Misurazione delle componenti e dell’impedenza circuitale Z ............... 3-4
Es. 3-3 Test di un circuito RC serie con il generatore di funzioni e
l’oscilloscopio........................................................................................ 3-7
Es. 3-4 Diagrammi di Bode delle ampiezze e delle fasi nel circuito RC ........... 3-11
Approfondimenti ................................................................................................ 3-13
 National Instruments Corporation
iii
NI ELVIS - Introduzione
Indice
Lab 4
Filtri con amplificatori operazionali
Obiettivi .............................................................................................................. 4-1
Soft Front Panels (SFP) utilizzati in questa esperienza...................................... 4-1
Componenti utilizzati in questa esperienza ........................................................ 4-2
Es. 4-1 Misurazione dei valori dei componenti del circuito............................... 4-3
Es. 4-2 Risposta in frequenza del circuito con amplificatore operazionale ....... 4-4
Es. 4-3 Misurazione del comportamento in frequenza dell’Op Amp................. 4-7
Es. 4-4 Filtro passa-alto...................................................................................... 4-9
Es. 4-5 Filtro passa-basso ................................................................................... 4-11
Es. 4-6 Filtro passa-banda .................................................................................. 4-13
Approfondimenti ................................................................................................ 4-14
Lab 5
I/O digitale
Obiettivi .............................................................................................................. 5-1
Soft Front Panels (SFP) utilizzati in questa esperienza...................................... 5-2
Componenti utilizzati in questa esperienza ........................................................ 5-2
Es. 5-1 Visualizzazione di pattern digitali.......................................................... 5-3
Es. 5-2 Circuito di clock digitale 555................................................................. 5-5
Es. 5-3 Realizzazione di un contatore digitale a 4 bit ........................................ 5-8
Es. 5-4 Analizzatore di stati logici in LabVIEW................................................ 5-10
Approfondimenti ................................................................................................ 5-12
Lab 6
Sensore di campo magnetico
Obiettivi .............................................................................................................. 6-2
Soft Front Panels (SFP) utilizzati in questa esperienza...................................... 6-2
Componenti utilizzati in questa esperienza ........................................................ 6-2
Es. 6-1 Prove su un sensore analogico di campo magnetico con
gli strumenti di NI ELVIS...................................................................... 6-3
Es. 6-2 Caratteristica di isteresi di un interruttore a campo magnetico.............. 6-5
Es. 6-3 Conteggio degli impulsi con un sensore magnetico a commutazione ... 6-6
Es. 6-4 Conteggio automatico utilizzando un programma in LabVIEW ........... 6-7
Approfondimenti ................................................................................................ 6-8
Lab 7
LED di segnalazione
Obiettivi .............................................................................................................. 7-2
Soft Front Panels (SFP) utilizzati in questa esperienza...................................... 7-2
Componenti utilizzati in questa esperienza ........................................................ 7-2
Es. 7-1 Prove sui diodi e determinazione della loro polarità.............................. 7-3
Es. 7-2 Curva caratteristica di un diodo ............................................................. 7-4
Es. 7-3 Prove manuali e controllo di un incrocio semaforico a 2 vie ................ 7-6
Es. 7-4 Funzionamento automatico di un incrocio semaforico a 2 vie .............. 7-9
Approfondimenti ................................................................................................ 7-10
NI ELVIS - Introduzione
iv
 National Instruments Corporation
Indice
Lab 8
Comunicazione ottica nello spazio libero
Obiettivi .............................................................................................................. 8-1
Soft Front Panels (SFP) utilizzati in questa esperienza...................................... 8-2
Componenti utilizzati in questa esperienza ........................................................ 8-2
Es. 8-1 Un rivelatore a fototransistor ................................................................. 8-3
Es. 8-2 Sorgente ottica a infrarossi..................................................................... 8-5
Es. 8-3 Collegamento ottico analogico a IR nello spazio libero ........................ 8-7
Es. 8-4 Modulazione (analogica) di ampiezza e di frequenza............................ 8-8
Approfondimenti ................................................................................................ 8-8
Lab 9
Comunicazione wireless in RF
Obiettivi .............................................................................................................. 9-1
Soft Front Panels (SFP) utilizzati in questa esperienza...................................... 9-2
Componenti utilizzati in questa esperienza ........................................................ 9-2
Es. 9-1 Il trasmettitore ........................................................................................ 9-3
Es. 9-2 Il ricevitore ............................................................................................. 9-4
Es. 9-3 Prove sul trasmettitore e sul ricevitore in RF......................................... 9-5
Es. 9-4 Il primo segnale transatlantico di Marconi ............................................ 9-6
Es. 9-5 Realizzazione di un segnale di test unico con il generatore
di forme d’onda arbitrarie ...................................................................... 9-7
Es. 9-6 Una dimostrazione del segnale di trasmissione in RF di Marconi......... 9-10
Approfondimenti ................................................................................................ 9-11
Lab 10
Movimento meccanico
Obiettivi .............................................................................................................. 10-1
Soft Front Panels (SFP) utilizzati in questa esperienza...................................... 10-2
Componenti utilizzati in questa esperienza ........................................................ 10-2
Es. 10-1 Signori, avviate i motori! ..................................................................... 10-3
Es. 10-2 Il tachimetro ......................................................................................... 10-4
Es. 10-3 Realizzazione di un sistema rotante ..................................................... 10-6
Es. 10-4 Prove sul sistema rotante...................................................................... 10-7
Es. 10-5 Misurazione di RPM con LabVIEW.................................................... 10-8
Approfondimenti ................................................................................................ 10-9
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v
NI ELVIS - Introduzione
Lab 1
NI ELVIS
Ambiente di sviluppo
L’ambiente di sviluppo di NI ELVIS consiste in una parte hardware, per
la realizzazione di circuiti e l’interfacciamento delle esperienze, e in una
parte software. Il software NI ELVIS, completamente creato in
LabVIEW, consta di due parti: gli strumenti soft front panel (SFP) e le
API di LabVIEW, che sono dei VI aggiuntivi di LabVIEW per il
controllo personalizzato e l’accesso alle caratteristiche della workstation
del banco di prova di NI ELVIS.
Obiettivi
Questa esperienza introduce alla workstation NI ELVIS per mostrare
come possano essere misurate le proprietà dei componenti elettronici. I
circuiti vengono dapprima realizzati su una scheda prototipi e quindi
analizzati con la suite software NI ELVIS di soft front panel (SFP) basati
su LabVIEW o di altri strumenti software. Inoltre questa esperienza
mostra l’uso di NI ELVIS all’interno dell’ambiente di programmazione di
LabVIEW.
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1-1
NI ELVIS – Introduzione
Lab 1
NI ELVIS – Ambiente di sviluppo
Soft front panels (SFP) utilizzati in questa esperienza
Ohmmetro digitale DMM[Ω], misuratore digitale di capacità DMM[C] e
il voltmetro digitale DMM[V].
Componenti utilizzati in questa esperienza
Resistore R1 da 1,0 kΩ (marrone, nero, rosso)
Resistore R2 da 2,2 kΩ (rosso, rosso, rosso)
Resistore R3 da 1,0 MΩ (marrone, nero, giallo)
Condensatore C da 1 µF
NI ELVIS – Introduzione
1-2
 National Instruments Corporation
Lab 1
Esercitazione 1-1
NI ELVIS – Ambiente di sviluppo
Misurazione dei valori dei componenti
Collegate due spinotti a banana agli ingressi di corrente del DMM sul
pannello frontale della workstation. Collegate gli altri terminali ad uno dei
resistori. Avviate NI ELVIS. Dopo l’inizializzazione compare sullo
schermo del computer la suite degli strumenti software di LabVIEW.
Selezionate Digital Multimeter.
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1-3
NI ELVIS - Introduzione
Lab 1
NI ELVIS – Ambiente di sviluppo
Il SFP Digital Multimeter può essere utilizzato per diverse operazioni.
Utilizzeremo la notazione DMM[X] per indicare l’operazione X
corrispondente. Cliccate sul pulsante Ohm [Ω] per utilizzare la funzione
Ohmmetro digitale DMM[Ω]. Misurate R1, R2 e R3. Utilizzando il
pulsante condensatore [┤├] misurate il condensatore C con DMM[C]
utilizzando gli stessi terminali. Riempite la tabella seguente.
R1
_______________ Ω
(1,0 kΩ nominale)
R2
_______________ Ω
(2,2 kΩ nominale)
R3
_______________ Ω
(1,0 kΩ nominale)
C
_______________ (µF)
(1 µF nominale)
Nota Se state utilizzando un condensatore elettrolitico assicuratevi di collegare
il polo + del condensatore all’ingresso di corrente + del DMM e cliccate sul
pulsante electrolytic del DMM[C].
Fine dell’esercitazione 1-1
NI ELVIS – Introduzione
1-4
 National Instruments Corporation
Lab 1
Esercitazione 1-2
NI ELVIS – Ambiente di sviluppo
Realizzazione di un circuito partitore di
tensione sulla scheda prototipi di NI
ELVIS
Utilizzando i due resistori, R1 e R2, assemblate il circuito seguente sulla
scheda prototipi di NI ELVIS.
La tensione d’ingresso V0 è collegata al morsetto [+5 V] e il comune al
morsetto NI ELVIS [Ground]. Collegate i conduttori esterni agli ingressi
di tensione (HI) e (LO) del DMM sul pannello frontale della workstation
NI ELVIS.
Nota NI ELVIS possiede terminali d’ingresso separati per misure di tensione e
di impedenza/corrente.
Verificate il vostro circuito e quindi applicate l’alimentazione al circuito
portando l’interruttore Prototyping Board Power nella posizione
superiore. I tre indicatori a LED dell’alimentazione +15V, -15V e +5V
dovrebbero accendersi.
Se uno di questi LED dovesse rimanere spento mentre gli altri sono
accesi, potrebbe essere intervenuto il fusibile della linea di alimentazione
corrispondente. Fate riferimento all’Appendice B del NI ELVIS User Manual
per la sostituzione dei fusibili.
Nota
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1-5
NI ELVIS - Introduzione
Lab 1
NI ELVIS – Ambiente di sviluppo
Collegate i morsetti del pannello frontale del DMM a V0 e misurate la
tensione d’ingresso utilizzando DMM[V].
Secondo la teoria dei circuiti, la tensione di uscita V1 dovrebbe essere
R2/(R1+R2)*V0. Utilizzando i valori misurati precedentemente per R1, R2
e V0, calcolate V1. Quindi utilizzate DMM[V] per misurare la tensione
istantanea V1.
V1 (calcolata)___________________V1 (misurata)__________________
Quanto è vicino il valore misurato a quello calcolato?
Fine dell’esercitazione 1-2
NI ELVIS – Introduzione
1-6
 National Instruments Corporation
Lab 1
Esercitazione 1-3
NI ELVIS – Ambiente di sviluppo
Utilizzo del DMM per la misurazione di
corrente
Dalla legge di Ohm, la corrente I che scorre nel circuito precedente è
uguale a V1/R2. Calcolate questa corrente con i valori misurati di V1 e R2.
Successivamente, eseguite una misurazione diretta. Per fare questo,
spostate i conduttori esterni sugli ingressi HI e LO del DMM (Current)
sul pannello frontale della workstation. Collegate le altre estremità al
circuito come mostrato sotto.
Selezionate la funzione DMM[A-] e misurate la corrente.
I (calcolata)___________________I (misurata)__________________
Quanto è vicino il valore misurato a quello calcolato?
Fine dell’esercitazione 1-3
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1-7
NI ELVIS - Introduzione
Lab 1
NI ELVIS – Ambiente di sviluppo
Esercitazione 1-4 Osservazione dell’evoluzione della tensione
in un circuito RC
Realizzate il circuito transitorio RC come mostrato sotto. Esso utilizza il
circuito partitore di tensione in cui R1 è ora sostituita da R3 (resistore da
1MΩ) e R2 è sostituita da un condensatore C da 1 µF. Spostate i vostri
terminali del pannello frontale sugli ingressi DMM(VOLTAGE) e
selezionate DMM[V].
La versione 1 di NI ELVIS possiede un’impedenza d’ingresso limitata
(1MΩ) per il canale DMM. Per leggere i valori corretti di tensione, dovreste
memorizzare la tensione d’ingresso per questa misurazione. Fate riferimento
alla sezione Soluzione con impedenza d’ingresso limitata per una semplice
soluzione basata su un circuito a guadagno unitario che utilizza un
amplificatore operazionale a FET. Questa limitazione verrà superata in una
versione futura. Inoltre, notate che se utilizzate i canali d’ingresso analogici
della scheda DAQ, come nell’Esercitazione 1-5, questo non costituisce un
problema.
Nota
Quando alimentate il circuito, la tensione ai capi del condensatore sale
esponenzialmente. Applicate l’alimentazione ed osservate le variazioni di
tensione sul display del DMM. Essa impiega circa 5 secondi per
raggiungere il valore a regime V0. Quando togliete l’alimentazione al
NI ELVIS – Introduzione
1-8
 National Instruments Corporation
Lab 1
NI ELVIS – Ambiente di sviluppo
circuito, la tensione ai capi del condensatore decrescerà esponenzialmente
a 0 V. Provatelo!
Potrebbe essere interessante visualizzare questo effetto transitorio su un
grafico con la tensione ai capi del condensatore rispetto al tempo.
Soluzione con impedenza d’ingresso limitata
Utilizzando un amplificatore operazionale a FET, come l’LM356,
realizzate un circuito a guadagno unitario e collegatelo come mostrato
sotto. Collegando l’uscita (pin 6) all’ingresso – (pin 2), il guadagno di
questo circuito viene fissato ad 1. Tuttavia, l’impedenza dell’ingresso +
(pin 3) vale ora centinaia di megaohm e la tensione di uscita (pin 6)
dovrebbe seguire fedelmente la tensione ai capi del condensatore
consentendo all’ingresso di tensione del DMM di leggere i valori corretti.
Questa limitazione sarà superata nelle future versioni di NI ELVIS.
Fine dell’esercitazione 1-4
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1-9
NI ELVIS - Introduzione
Lab 1
NI ELVIS – Ambiente di sviluppo
Esercitazione 1-5 Visualizzazione della tensione transitoria in
un circuito RC
Rimuovete il terminale dell’alimentazione a +5V e sostituitelo con un
cavetto collegato all’alloggiamento del piedino VPS[+] corrispondente
all’alimentazione variabile (Variable Power Supply). Collegate la
tensione di uscita, V1, a ACH0[+] e ACH0[-].
Chiudete la suite NI ELVIS ed avviate LabVIEW.
Dalla
libreria
di
VI
Hands-On
NI
ELVIS,
selezionate
RC
Transient.vi.
Questo programma utilizza le API di LabVIEW per porre l’alimentazione
su ON per 5 secondi e quindi OFF per 5 secondi mentre la tensione ai
capi del condensatore viene visualizzata su un grafico di LabVIEW.
NI ELVIS – Introduzione
1-10
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Lab 1
NI ELVIS – Ambiente di sviluppo
L’eccitazione ad onda quadra mostra in maniera evidente le caratteristiche
di carica e scarica di un semplice circuito RC. La costante di tempo τ del
circuito viene definita come il prodotto di R3 ed C.
Dalle leggi di Kirchoff è facile mostrare che la tensione di carica VC ai
capi del condensatore è data da:
VC = V0(1-exp(-t/τ))
e la tensione di scarica VD è data da:
VD = V0exp(-t/τ)
Potete ricavare la costante di tempo dal grafico rilevato?
Date un’occhiata allo schema a blocchi di LabVIEW per vedere come
lavora questo programma.
Il VI VPS Initialization sulla sinistra avvia NI ELVIS e seleziona
l’alimentazione +. Il VI successivo imposta su 5 V la tensione di uscita di
VPS+. Successivamente, la prima sequenza misura 50 letture sequenziali
di tensione ai capi del condensatore ad intervalli di 1/10 di secondo. Nel
ciclo For, il VI Analog Input Multiple Point prende 100 letture alla
frequenza di 1000 campioni al secondo e passa i valori ad un vettore
(linea arancione spessa).
 National Instruments Corporation
1-11
NI ELVIS - Introduzione
Lab 1
NI ELVIS – Ambiente di sviluppo
Il vettore viene quindi passato al VI Mean che restituisce il valore medio
delle 100 letture. Il valor medio viene quindi passata al grafico tramite un
terminale di variabile locale (RC Charging and Discharging). La sequenza
successiva imposta a 0 V la tensione VPS+ e quindi l’ultima sequenza
misura altri 50 campioni mediati per il ciclo di scarica.
Fine dell’esercitazione 1-5
Approfondimenti
Questa esercitazione ha introdotto lo strumento software DMM e ha
mostrato come i connettori del pannello frontale della workstation
possono essere usati per le misurazioni con DMM.
Tuttavia, non ci si limita a questi 4 ingressi, siccome essi sono presenti
anche sugli alloggiamenti della scheda prototipi, etichettati come:
Pannello frontale della
workstation
DMM(voltage) HI
DMM(voltage) LO
DMM(current) HI
DMM(current) LO
Scheda prototipi
DMM2 Voltage +
DMM2 Voltage DMM2 Current +
DMM2 Current -
Verificate la lista.
NI ELVIS – Introduzione
1-12
 National Instruments Corporation
Lab 2
Termometro digitale
Un termistore è un dispositivo a due fili prodotto a partire da un materiale
semiconduttore. Ha una curva di risposta non lineare ed un coefficiente di
temperatura negativo. I termistori sono i sensori ideali per la misurazione
di temperatura in un intervallo molto ampio e sono anche utili in circuiti
di allarme per la temperatura.
Obiettivi
Questa esperienza introduce all’alimentazione variabile di NI ELVIS. Può
essere utilizzata con i controlli del pannello frontale della workstation,
con i controlli virtuali sullo schermo del vostro computer o internamente
ad un programma in LabVIEW. La VPS viene utilizzata per alimentare un
termistore da 10 kΩ in un circuito partitore di tensione. La tensione
misurata ai capi del termistore dipende dalla sua resistenza che a sua volta
dipende dalla sua temperatura. Questa esperienza mostra come i controlli
e gli indicatori di LabVIEW siano utilizzati con le API di NI ELVIS per
realizzare un termometro digitale.
 National Instruments Corporation
2-1
NI ELVIS – Introduzione
Lab 2
Termometro digitale
Soft front panels (SFP) utilizzati in questa esperienza
Ohmmetro digitale DMM[Ω] e voltmetro digitale DMM[V], le API VPS.
Componenti utilizzati in questa esperienza
Resistore R1 da 10 kΩ (marrone, nero, arancione)
Termistore RT da 10 kΩ
NI ELVIS – Introduzione
2-2
 National Instruments Corporation
Lab 2
Esercitazione 2-1
Termometro digitale
Misurazione dei valori delle resistenze
Avviate NI ELVIS, selezionate Digital Multimeter e cliccate sul
pulsante Ohms. Dapprima collegate il resistore da 10 kΩ e quindi il
termistore e misurate i loro valori.
Riempite la tabella seguente.
Resistore da 10 kΩ
_____________________Ω
Termistore
_____________________Ω
Ora prendete il termistore con le punte delle dita per scaldarlo ed
osservare le variazioni di resistenza. Il fatto che la resistenza diminuisca
all’aumentare della temperatura (coefficiente negativo di temperatura) è
una delle caratteristiche fondamentali del termistore. I termistori vengono
realizzati a partire da materiale semiconduttore la cui resistività dipende
esponenzialmente dalla temperatura ambiente e determina la seguente
risposta non lineare. Confrontate la risposta del termistore con un RTD
(100 Ω Platinum Resistance Temperature Device) come mostrato sotto.
Fine dell’esercitazione 2-1
 National Instruments Corporation
2-3
NI ELVIS - Introduzione
Lab 2
Termometro digitale
Esercitazione 2-2
Funzionamento della
alimentazione variabile
tensione
di
Dal pannello di avvio di NI ELVIS, selezionate Variable Power
Supplies. Ci sono due alimentazioni controllabili in NI ELVIS, una da 0 a
–12 V e l’altra da 0 a +12V, ciascuna con un limite di corrente di 500
mA.
Sulla workstation di NI ELVIS, portate il selettore VPS+ su Manual.
Osservate sulla finestra virtuale della VPS come i controlli siano resi
opachi e non siano controllabili da mouse. Anche un LED verde segnala il
fatto che VPS si trova in controllo manuale. Solo i controlli del pannello
frontale possono modificare la tensione di uscita.
Collegate i cavetti da [VPS+] e [Ground] agli ingressi di tensione DMM
della workstation.
Selezionate DMM[V].
Ruotate il potenziometro manuale VPS sulla workstation ed osservate le
variazioni di tensione su DMM[V].
La posizione di zero per la tensione del controllo VPS+ si raggiunge in
senso antiorario e per il controllo VPS- in senso orario.
Nota
Spostate verso il basso (not Manual) il selettore VPS+ della workstation.
Potete utilizzare ora i controlli virtuali VPS sullo schermo del computer.
Cliccate sul potenziometro virtuale e muovetelo per variare la tensione di
uscita. Osservate il pulsante [RESET] che riporta la tensione rapidamente
a zero. VPS- opera in modo analogo, ma la tensione di uscita è negativa.
Fine dell’esercitazione 2-2
NI ELVIS – Introduzione
2-4
 National Instruments Corporation
Lab 2
Esercitazione 2-3
Un circuito a termistore
funzionamento di un DAQ
Termometro digitale
per
il
Sulla scheda prototipi della workstation, realizzate un circuito partitore di
tensione utilizzando un resistore da 10 kΩ ed un termistore. La tensione
d’ingresso è collegata ai morsetti [VPS+] e [Ground]. Misurate la
tensione ai capi del termistore con DMM[V] e i puntali della workstation.
Figura 2-1. Circuito con termistore
Assicuratevi che il potenziometro VPS+ stia a zero e il selettore a cursore
sia su Manual. Alimentate la scheda prototipi e osservate i livelli di
tensione sul DMM[V]. Quando aumentate la tensione da 0 a +5V, la
tensione ai capi del termistore VT dovrebbe aumentare di circa 2,5 V.
Riducete l’alimentazione a +3 V.
Scaldate il termistore con le punta delle dita ed osservate la diminuzione
della tensione.
Possiamo ora risistemare l’equazione standard del partitore di tensione
per calcolare la resistenza del termistore.
RT = R1 * VT/(3- VT)
Ad una temperatura ambiente di 25 °C la resistenza dovrebbe essere di
circa 10 kΩ. Verificatelo!
Questa equazione, chiamata funzione di scala, consente di convertire la
tensione misurata nella resistenza del termistore. VT può essere
facilmente misurata con il DMM di NI ELVIS o con un programma in
LabVIEW.
 National Instruments Corporation
2-5
NI ELVIS - Introduzione
Lab 2
Termometro digitale
In LabVIEW la suddetta equazione è codificata come subVI ed appare
come segue:
Fine dell’esercitazione 2-3
NI ELVIS – Introduzione
2-6
 National Instruments Corporation
Lab 2
Termometro digitale
Esercitazione 2-4 Calibrazione del termistore
Una tipica curva di risposta di un termistore dimostra la relazione tra la
resistenza e la temperatura del dispositivo. È chiaro da questa curva che
un termistore ha tre caratteristiche: il coefficiente di temperatura ∆R/∆T è
negativo, la curva di risposta è non lineare (esponenziale) e la resistenza
varia di diverse decadi (fate riferimento all’Esercitazione 2-1). Una curva
di calibrazione può essere prodotta mediante fitting di un’equazione
matematica sulla curva di risposta. LabVIEW possiede diversi strumenti
matematici fare ciò. Una volta trovato il modo, la temperatura può essere
calcolata per ogni resistenza nell’intervallo di calibrazione. Il VI di
calibrazione seguente è tipico per un termistore e dimostra come il
formula node di LabVIEW possa essere utilizzato per valutare equazioni
matematiche.
Fine dell’esercitazione 2-4
 National Instruments Corporation
2-7
NI ELVIS - Introduzione
Lab 2
Termometro digitale
Esercitazione 2-5 Realizzazione di un termometro digitale
virtuale in NI ELVIS
Il programma digital thermometer attiva VPS per alimentare il circuito
del termistore, quindi legge la tensione ai capi del termistore e la converte
in temperatura. Il programma di base è una variante della Simple Variable
Power Supply Application che si trova in NI ELVIS User Manual, Figura
4-1. Lo schema a blocchi è mostrato sotto.
NI ELVIS ha lo stesso Device Number (di solito 1) della scheda DAQ. La
NI ELVIS Initialization seleziona VPS Supply+. Quindi il livello di
tensione sull’alimentazione viene impostato su +3 V con il VI
VPS[Update].
La misura, la scalatura, la calibrazione e la visualizzazione avvengono in
sequenza nel ciclo While. VoltsIn.vi misura la tensione del termistore.
Scaling.vi converte la tensione misurata in resistenza secondo
l’equazione di scala descritta precedentemente. Convert R-T.vi
utilizza un’equazione di calibrazione nota per convertire la resistenza del
termistore in temperatura. Infine, la temperatura viene visualizzata sul
pannello frontale di LabVIEW in tanti formati diversi.
La funzione Wait di 100 ms assicura che la tensione sia campionata ogni
1/10 di secondo.
Il digital thermometer rimane in esecuzione finché non viene premuto il
pulsante [Stop] sul pannello frontale. Quando il ciclo ha termine, il
riferimento di alimentazione viene terminato e VPS viene impostato su 0
V.
Dalla Hands-On NI ELVIS Library, aprite Digital Thermometer.vi.
Aprite il programma e i subVI per visualizzare il flusso del programma e
vedere come sono codificati i subVI e le funzioni Read e Convert.
NI ELVIS – Introduzione
2-8
 National Instruments Corporation
Lab 2
Termometro digitale
Con il file di calibrazione del vostro termistore potete generare il subVI
corretto (Convert R->T) e utilizzarlo per avere un termometro digitale
funzionante.
Se desiderate scrivere il vostro programma, potete utilizzare il DT
Template.vi (che si trova nella Hands-On NI ELVIS VI Library) e
aggiungere il vostro stile di programmazione. Troverete le API VPS nel
menu Instruments (I/O)/Instruments Drivers/NI ELVIS/NI ELVIS/
Variable Power Supply.
Fine dell’esercitazione 2-5
 National Instruments Corporation
2-9
NI ELVIS - Introduzione
Lab 2
Termometro digitale
Esercitazione 2-6 Termometro digitale con caratteristiche di
memorizzazione
Il semplice programma digital thermometer visualizza tre indicatori sul
pannello frontale: un display digitale, un meter e un termometro. Spesso
solo uno o due formati di display sono necessari. Tuttavia, aggiungendo
una caratteristica di memorizzazione, si consente di osservare
l’andamento della temperatura. Nel DT Logger.vi (che si trova nella
Hands-On NI ELVIS VI Library) è stato aggiunto un grafico al pannello
frontale. Questa caratteristica può essere aggiunta al pannello frontale
come singolo controllo di LabVIEW (Waveform Chart) dal menu
Controls/Graph.
Dalla Hands-On NI ELVIS VI Library caricate e visualizzate il
programma DT Logger.vi.
Fine dell’esercitazione 2-6
Approfondimenti
La VPS di NI ELVIS può essere utilizzata con i controlli WS del pannello
frontale o i controlli virtuali all’interno di un programma in LabVIEW per
realizzare strumenti speciali. Ci sono molte altre caratteristiche da
aggiungere a piacimento al programma digital thermometer. Ad esempio
un pulsante [Hold/Update] affinché possiate campionare e mantenere il
valore corrente sul display digitale. Successivamente, rilasciando il
pulsante, la temperatura verrebbe aggiornata. Oppure rappresentare ∆T
rispetto al tempo decidendo la temperatura di riferimento. Buon
divertimento!
NI ELVIS – Introduzione
2-10
 National Instruments Corporation
Lab 3
Strumenti per i circuiti in alternata
La maggior parte dei circuiti è in corrente alternata (AC) e la nostra
capacità di progettare buoni circuiti dipende dagli strumenti disponibili
per misurare i componenti, le impedenze e visualizzare le proprietà del
circuito. Con buoni strumenti ed un po’ di conoscenza sui circuiti, si può
fare in modo di ottenere un comportamento ottimale da un circuito.
Obiettivi
Questa esperienza introduce agli strumenti di NI ELVIS per i circuiti in
corrente alternata: multimetro digitale, generatore di funzioni,
oscilloscopio, analizzatore d’impedenza e analizzatore di Bode.
Soft front panels (SFP) utilizzati in questa esperienza
Ohmmetro digitale DMM[Ω], generatore di funzioni FGEN, oscilloscopio
OSC, analizzatore d’impedenza IA e analizzatore di Bode BodeA.
 National Instruments Corporation
3-1
NI ELVIS – Introduzione
Lab 3
Strumenti per i circuiti in alternata
Componenti utilizzati in questa esperienza
Resistore R1 da 1 kΩ (marrone, nero, rosso)
Condensatore C da 1 µF
NI ELVIS – Introduzione
3-2
 National Instruments Corporation
Lab 3
Esercitazione 3-1
Strumenti per i circuiti in alternata
Misurazione dei valori dei componenti
del circuito
Avviate NI ELVIS e selezionate Digital Multimeter. Utilizzate
DMM[Ω] per misurare il resistore R e quindi DMM[C] per misurare il
condensatore C.
Riempite la tabella seguente.
Resistore
R
________________Ω (valore nominale 1 kΩ)
Condensatore C
________________µF (valore nominale 1 µF)
Chiudete il DMM
Fine dell’esercitazione 3-1
 National Instruments Corporation
3-3
NI ELVIS - Introduzione
Lab 3
Strumenti per i circuiti in alternata
Esercitazione 3-2
Misurazione delle componenti
dell’impedenza circuitale Z
e
Per un resistore l’impedenza coincide con la resistenza in corrente
continua (DC). Può essere rappresentata in un grafico 2-D come una linea
lungo l’asse X, spesso chiamata componente reale. Per un condensatore
l’impedenza (o più in dettaglio, la reattanza) XC è immaginaria, dipende
dalla frequenza e può essere rappresentata come una linea lungo l’asse Y
di un grafico 2-D. Viene chiamata componente immaginaria.
Matematicamente, la reattanza di un condensatore viene rappresentata da:
XC=1/jωC
in cui ω è la pulsazione (misurata in rad/s) e j è un simbolo utilizzato per
la rappresentazione di un numero immaginario. L’impedenza di un
circuito RC in serie è la somma di queste due componenti in cui R è la
componente resistiva (reale) e XC è la componente reattiva
(immaginaria).
Z = R + XC = R + 1/jωC (Ω)
Questa equazione può essere rappresentata come un fasore su un
diagramma polare con:
ampiezza = √(R2+XC2) e fase θ = tan-1(XC/R)
Una resistenza ha un fasore lungo l’asse reale (X). Un condensatore ha un
fasore lungo l’asse immaginario negativo (Y). Ricordate dall’algebra
complessa che 1/j = -j.
Non sarebbe interessante visualizzare il fasore in tempo reale?
Selezionate Impedance Analyzer dal menu di avvio di NI ELVIS.
NI ELVIS – Introduzione
3-4
 National Instruments Corporation
Lab 3
Strumenti per i circuiti in alternata
Collegate i puntali dagli ingressi (corrente) del pannello frontale del
DMM al resistore da 1 kΩ. Verificate che il fasore sia lungo l’asse reale e
la fase sia zero. Ora collegate i puntali al condensatore. Verificate che il
fasore sia lungo l’asse immaginario negativo e la fase sia di 270 o –90
gradi. Regolate il controllo Measurement Frequency per osservare che la
reattanza (lunghezza del fasore) diventa più piccola quando aumentate la
frequenza e più grande quando diminuite la frequenza. Ora collegate i
puntali ai capi del resistore e del condensatore in serie (assicuratevi che il
circuito non sia collegato a terra). Il fasore del circuito ha sia una
componente reale che una immaginaria. Modificate la frequenza ed
osservate il fasore che si sposta.
Regolate la frequenza finché la componente di reattanza (X) non diventa
uguale alla componente resistiva (R). Questo è un particolare valore di
frequenza in cui la fase è:
__________gradi
 National Instruments Corporation
3-5
NI ELVIS - Introduzione
Lab 3
Strumenti per i circuiti in alternata
Anche l’ampiezza ha un significato particolare a questa frequenza o
angolo di fase.
Qual è l’ampiezza del fasore in questo punto?
Risposta:R√2.
Chiudete l’Impedance Analyzer.
Fine dell’esercitazione 3-2
NI ELVIS – Introduzione
3-6
 National Instruments Corporation
Lab 3
Esercitazione 3-3
Strumenti per i circuiti in alternata
Test di un circuito RC serie con il
generatore di funzioni e l’oscilloscopio
Sulla scheda prototipi della workstation, realizzate un circuito partitore di
tensione con un condensatore da 1 µF ed un resistore da 1 kΩ. Collegate
gli ingressi del circuito RC ai morsetti [FGEN] e [Ground].
L’alimentazione di un circuito in AC è spesso ottenuta da un generatore
di funzioni che utilizzeremo per testare il nostro circuito RC. Dal pannello
di avvio di NI ELVIS selezionate Function Generator.
 National Instruments Corporation
3-7
NI ELVIS - Introduzione
Lab 3
Strumenti per i circuiti in alternata
FGEN SFP possiede i controlli usuali per l’impostazione della frequenza
per decadi e per Hertz (fine), per la selezione del tipo di forma d’onda
(sinusoide, quadra o triangolare) e per la selezione dell’ampiezza. Tutti
questi controlli sono disponibili anche sul pannello frontale della
workstation come controlli reali. Essi possono essere selezionati
spostando su Manual il cursore del generatore di funzioni sul pannello
frontale della workstation. Come nel caso dell’alimentazione variabile, il
controllo manuale accende il LED verde su SFP e rende inattivi i controlli
virtuali.
Nota Se volete aggiungere un offset DC al segnale AC, questo è disponibile
solo su SFP FGEN.
Utilizzeremo l’oscilloscopio per analizzare i segnali di tensione sul
circuito RC.
NI ELVIS – Introduzione
3-8
 National Instruments Corporation
Lab 3
Strumenti per i circuiti in alternata
Dal pannello iniziale di NI ELVIS selezionate Oscilloscope.
L’oscilloscopio SFP è simile alla maggior parte degli oscilloscopi, ma
l’oscilloscopio di NI ELVIS può collegare automaticamente gli ingressi
ad una gran varietà di sorgenti. Cliccate sul riquadro CHANNEL A
Source e osservate l’elenco.
BNC/Board CH A, ACH0, ACH1, ACH2, ACH5,
FGEN FUNC_OUT, FGEN SYNC_OUT e DMM Voltage.
Impostate Source su Channel A, Source su Channel B, gli ingressi
TRIGGER e TIMEBASE come mostrato sopra. Questa configurazione
consente all’oscilloscopio di guardare l’uscita del generatore di funzioni
sul canale A, il segnale di sincronizzazione FGEN TTL (SYNC_OUT) sul
canale B e di effettuare il trigger con il segnale SYNC_OUT. Assicuratevi
di aver cliccato sul pulsante Run di FGEN SFP e su OSC SFP. Giocate
con i controlli FGEN (virtuali o reali) e osservate i cambiamenti sulla
finestra dell’oscilloscopio.
Ci sono opzioni di misurazione come la frequenza, l’ampiezza piccopicco e altre, cui si può accedere cliccando sui pulsanti MEAS per i
canali A e B. Le misure appaiono in basso sullo schermo
dell’oscilloscopio.
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3-9
NI ELVIS - Introduzione
Lab 3
Strumenti per i circuiti in alternata
Anche i cursori A o B possono essere attivati per effettuare misure di
ampiezza o di tempo.
Ora collegate al resistore da 1 kΩ l’ingresso CH B di BNC SCOPE della
workstation.
Potreste anche aver utilizzato gli ingressi del canale B sui piedini della
scheda prototipi etichettati con Oscilloscope CH B+ e CH B-.
Nota
Vedrete come prima il segnale d’ingresso sul Channel A e il segnale di
uscita per il nostro circuito RC sul Channel B. Effettuate il trigger come
prima su FGEN SYNC_OUT e selezionate Sine wave su FGEN. Il
rapporto di ampiezza tra il canale B e il canale A definisce il guadagno
del circuito ad una particolare frequenza. Siccome non c’è un
amplificatore nel circuito, il guadagno sarà inferiore ad uno. Effettuando
osservazioni a frequenze diverse, potete farvi un’idea del comportamento
in frequenza del circuito passivo RC.
Sfida
Trovate la frequenza per cui il guadagno è pari a 1/√2. Sullo schermo
dell’oscilloscopio misurate la differenza di fase tra la traccia del Channel
A e quella del Channel B a questa frequenza.
Potete collegare questa misura di fase alla misura di fase del fasore
trovata con l’Impedance Analyzer dell’Esercitazione 3-2?
Chiudete il generatore di funzioni e l’oscilloscopio.
Fine dell’esercitazione 3-3
NI ELVIS – Introduzione
3-10
 National Instruments Corporation
Lab 3
Strumenti per i circuiti in alternata
Esercitazione 3-4 Diagrammi di Bode delle ampiezze e delle
fasi nel circuito RC
Un diagramma di Bode rappresenta in forma grafica realistica le
caratteristiche in frequenza di un circuito in AC. La risposta in ampiezza
viene rappresentata come il guadagno del circuito misurato in decibel in
funzione del logaritmo della frequenza e la risposta di fase viene
rappresentata come differenza di fase tra i segnali d’ingresso e di uscita in
una scala lineare rispetto al logaritmo della frequenza.
Dal pannello di avvio di NI ELVIS selezionate Bode Analyzer.
Bode Analyzer consente la scansione in un intervallo di frequenza; da una
frequenza iniziale ad una finale con passo ∆F. Potete anche impostare
l’ampiezza della sinusoide di prova. Bode Analyzer utilizza il generatore
di funzioni SFP per generare la forma d’onda di test. I morsetti di uscita
di FGEN devono essere collegati al vostro circuito di test ed anche a
ACH1. L’uscita del circuito sotto test va su ACH0. Ulteriori dettagli si
possono trovare cliccando sul pulsante [Help] nell’angolo inferiore destro
della finestra Bode Analyzer.
Realizzate nuovamente sulla scheda prototipi di NI ELVIS il circuito RC,
in maniera simile al circuito seguente e realizzate i collegamenti come
descritto sopra.
 National Instruments Corporation
3-11
NI ELVIS - Introduzione
Lab 3
Strumenti per i circuiti in alternata
Verificate che il vostro circuito sia collegato come sopra e cliccate sul
pulsante Run.
Utilizzate le opzioni Display per selezionare il formato grafico e i cursori
per leggere i punti sulla caratteristica della frequenza.
Nota La frequenza in cui l’ampiezza del segnale scende sotto i –3 dB coincide
con la frequenza in cui la fase è di 45 gradi.
Fine dell’esercitazione 3-4
NI ELVIS – Introduzione
3-12
 National Instruments Corporation
Lab 3
Strumenti per i circuiti in alternata
Approfondimenti
Sia il pannello frontale di Oscilloscope che quello di Bode Analyzer
possiedono un pulsante di Log. Quando è attivo, i dati presentati sui
grafici vengono scritti in formato elettronico su un file del vostro hard
disk. Potete quindi leggere questi dati per analisi successive con Excel,
LabVIEW, DIAdem o altri programmi di analisi o di rappresentazione.
 National Instruments Corporation
3-13
NI ELVIS - Introduzione
Lab 4
Filtri con amplificatori operazionali
Aggiungendo alcuni condensatori e resistenze ad un semplice circuito con
amplificatore operazionale (Op Amp) si possono ottenere molti circuiti
analogici interessanti come filtri attivi, integratori e derivatori. I filtri sono
usati per far passare specifiche bande di frequenza, gli integratori
vengono utilizzati nei controlli proporzionali e i derivatori sono utilizzati
nella soppressione del rumore e nei circuiti di generazione di forme
d’onda.
Obiettivi
Questa esperienza introduce agli strumenti di NI ELVIS per misurare le
caratteristiche di un filtro passa-basso, passa-alto e passa-banda.
Soft front panels (SFP) utilizzati in questa esperienza
Multimetro digitale DMM, generatore di funzioni FGEN, oscilloscopio
OSC, analizzatore d’impedenza IA e analizzatore di Bode BodeA.
 National Instruments Corporation
4-1
NI ELVIS – Introduzione
Lab 4
Filtri con amplificatori operazionali
Componenti utilizzati in questa esperienza
Resistore R1 da 10 kΩ (marrone, nero, arancione)
Resistore Rf da 100 kΩ (marrone, nero, giallo)
Condensatore C da 1 µF
Condensatore C da 0,01 µF
Amplificatore operazionale 741
NI ELVIS – Introduzione
4-2
 National Instruments Corporation
Lab 4
Esercitazione 4-1
Filtri con amplificatori operazionali
Misurazione dei valori dei componenti
del circuito
Avviate NI ELVIS e selezionate Digital Multimeter. Utilizzate
DMM[Ω] per misurare i resistori R e quindi DMM[C] per misurare i
condensatori.
Riempite la tabella seguente.
R1
________________Ω
(valore nominale 10 kΩ)
Rf
________________Ω
(valore nominale 100 kΩ)
C1
________________µF
(valore nominale 1 µF)
Cf
________________µF
(valore nominale 0,01 µF)
Chiudete il DMM.
Fine dell’esercitazione 4-1
 National Instruments Corporation
4-3
NI ELVIS - Introduzione
Lab 4
Filtri con amplificatori operazionali
Esercitazione 4-2
Risposta in frequenza del circuito con
amplificatore operazionale
Sulla scheda prototipi della workstation realizzate un semplice circuito
invertente basato su un Op Amp 741 con un guadagno di 10, come
mostrato nello schema circuitale sottostante.
Ecco come appare il circuito sulla scheda prototipi di NI ELVIS.
NI ELVIS – Introduzione
4-4
 National Instruments Corporation
Lab 4
Filtri con amplificatori operazionali
Osservate che l’Op Amp utilizza le alimentazioni +15 V e –15V DC.
Queste si trovano sui piedini della scheda prototipi (etichettati come +15
V, -15 V e Ground). Collegate la tensione d’ingresso V1 dell’Op Amp ai
morsetti [FGEN] e [Ground]. Collegate la tensione di uscita Vout ai
morsetti d’ingresso dell’oscilloscopio [CHA+] e [CHA-].
Dal pannello di avvio di NI ELVIS selezionate Function Generator e
Oscilloscope.
Sul pannello dell’oscilloscopio impostate Channel A Source su
[BNC/Board CH A]. Per visualizzare il segnale d’ingresso, impostate
Channel B Source su [FGEN FUNC_OUT].
Nota
Questa scelta rapida sul canale B consente di non dover effettuare
connessioni sulla scheda prototipi collegando l’ingresso del canale B
all’oscilloscopio.
Sul pannello del generatore di funzioni impostate i seguenti parametri:
Waveform:
Sine wave
Peak Amplitude:
.1 V
Frequency:
1 kHz
DC Offset:
0.0 V
Verificate il vostro circuito, quindi alimentate la scheda prototipi. Avviate
FGEN e OSC in modalità continua.
Osservate che la tensione di test V1 appare sul canale B e la tensione di
uscita dell’Op Amp Vout sul canale A.
Dato che il segnale di test prende origine da FGEN, potete selezionare
SYNC_OUT come sorgente di trigger.
 National Instruments Corporation
4-5
NI ELVIS - Introduzione
Lab 4
Filtri con amplificatori operazionali
Misurate l’ampiezza dell’ingresso (CH B) e dell’uscita (CH A) dell’Op
Amp dalla finestra dell’oscilloscopio. Osservate che il segnale di uscita è
invertito rispetto all’ingresso. C’era da aspettarselo dato che il circuito è
in configurazione invertente.
Calcolate il guadagno di tensione (ampiezza del rapporto canale A/canale
B). Provate un intervallo di frequenze da 100 Hz fino a 10 kHz. Ci sono
cambiamenti?
Le misure sono in accordo con il guadagno teorico di (Rf/R1)?
Potevate utilizzare una sorgente di trigger analogico dal CH A o dal CH
B: questa scelta imposta il Trigger Type su Analog (SW), consentendo di
impostare la pendenza e il livello del trigger. Provate!
Nota
Chiudete le finestre FGEN e OSC.
Fine dell’esercitazione 4-2
NI ELVIS – Introduzione
4-6
 National Instruments Corporation
Lab 4
Esercitazione 4-3
Filtri con amplificatori operazionali
Misurazione del comportamento
frequenza dell’Op Amp
in
Il modo migliore di studiare la curva di risposta caratteristica in AC
dell’Op Amp è di valutare il diagramma di Bode. Esso costituisce
essenzialmente una rappresentazione del guadagno (in dB) e della fase (in
gradi) in funzione del logaritmo della frequenza. La funzione di
trasferimento per un circuito invertente è data da:
Vout= - (Rf/R1)V1
in cui Vout è l’uscita dell’Op Amp e V1 è l’ingresso (ampiezza di FGEN
nel nostro circuito). Il guadagno è proprio la quantità (Rf/R1). Osservate
che il segno meno inverte il segnale di uscita rispetto a quello d’ingresso.
Su un diagramma di Bode, ci si aspetta una linea retta con ampiezza
20*log(guadagno). Per un guadagno pari a 10, l’ampiezza di Bode
dovrebbe essere di 20 dB.
Dal pannello di avvio di NI ELVIS selezionate Bode Analyzer.
I segnali, ingresso (V1) e uscita (Vout), devono essere collegati ai piedini
Analog Input come segue:
V1+ ................... ACH1+
V1- .................... ACH1Vout+ ................. ACH0+
Vout- .................. ACH0-
(dall’uscita di FGEN)
(dall’uscita di Op Amp)
Dal Bode Analyzer impostate i parametri di scansione nel modo seguente:
Start ................... 5 (Hz)
Stop ................... 50000 (Hz)
Steps .................. 10 (per decade)
Premete Run e osservate il diagramma di Bode per il circuito in
configurazione invertente.
Verificate anche la risposta di fase.
 National Instruments Corporation
4-7
NI ELVIS - Introduzione
Lab 4
Filtri con amplificatori operazionali
In verità il guadagno è piatto fino a 10000 Hz in cui inizia a scendere. Ciò
è quello che ci si aspettava dato che la risposta in alta frequenza dell’Op
Amp dipende dal guadagno del circuito nel limite dell’alta frequenza. In
questa esperienza considereremo questa curva come il diagramma di
Bode fondamentale per l’Op Amp 741.
Fine dell’esercitazione 4-3
NI ELVIS – Introduzione
4-8
 National Instruments Corporation
Lab 4
Filtri con amplificatori operazionali
Esercitazione 4-4 Filtro passa-alto
Aggiungendo un condensatore C1 in serie con il resistore d’ingresso R1 si
ottiene un filtro passa-alto. La frequenza di taglio inferiore fL è data
dall’equazione:
2πfL = 1/R1C1
dove fL viene misurata in hertz. Questa è la frequenza per cui il guadagno
(in dB) è sceso a –3 dB. Questo punto (-3 dB) si presenta quando
l’impedenza del condensatore uguaglia quella del resistore. L’equazione
del filtro passa-alto con Op Amp è simile. Nel punto a –3 dB,
l’impedenza del resistore d’ingresso è uguale all’impedenza del
condensatore d’ingresso:
R1 = 1/(2π fLC1) = XC
Aggiungete un condensatore C1 da 1 µF in serie con il resistore
d’ingresso R1 da 1 kΩ nel circuito con l’Op Amp.
Circuito sulla scheda prototipi di NI ELVIS.
 National Instruments Corporation
4-9
NI ELVIS - Introduzione
Lab 4
Filtri con amplificatori operazionali
Avviate un secondo diagramma di Bode utilizzando gli stessi parametri di
scansione dell’Esercitazione 4-3.
Osservate che la risposta in bassa frequenza è attenuata mentre la risposta
in alta frequenza è simile a quella del diagramma di Bode dell’Op Amp di
base.
Utilizzate la funzione cursore per trovare il punto corrispondente alla
frequenza di taglio inferiore; il che equivale alla frequenza in cui
l’ampiezza è scesa di – 3 dB o in cui la variazione di fase è di 45 gradi.
Che accordo c’è con la predizione teorica di 2πfL = 1/R1C1?
Fine dell’esercitazione 4-4
NI ELVIS – Introduzione
4-10
 National Instruments Corporation
Lab 4
Filtri con amplificatori operazionali
Esercitazione 4-5 Filtro passa-basso
L’attenuazione in alta frequenza del circuito con Op Amp è dovuta alla
capacità interna del chip 741 che si trova in parallelo con il resistore di
controreazione Rf. Se aggiungiamo un condensatore esterno Cf in
parallelo con il resistore di controreazione Rf, si può ridurre a fU il valore
corrispondente alla frequenza di taglio superiore. Ne deriva che questo
nuovo valore, corrispondente alla frequenza di taglio, può essere previsto
tramite l’equazione:
2πfU = 1/RfCf
Cortocircuitate il condensatore d’ingresso (senza rimuoverlo, in quanto lo
utilizzeremo nell’Esercitazione 4-6) e aggiungete il condensatore di
controreazione Cf in parallelo con il resistore di controreazione da 100
kΩ.
Avviate un terzo diagramma di Bode utilizzando gli stessi parametri di
scansione.
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4-11
NI ELVIS - Introduzione
Lab 4
Filtri con amplificatori operazionali
Ora noterete che la risposta in alta frequenza è attenuata di più rispetto
alla risposta dell’Op Amp di base. Utilizzate la funzione cursore per
trovare il punto corrispondente alla frequenza di taglio superiore; il che
equivale alla frequenza in cui l’ampiezza è scesa di – 3 dB o in cui la
variazione di fase è di 45 gradi.
Che accordo c’è con la predizione teorica di 2πfU = 1/RfCf?
Fine dell’esercitazione 4-5
NI ELVIS – Introduzione
4-12
 National Instruments Corporation
Lab 4
Filtri con amplificatori operazionali
Esercitazione 4-6 Filtro passa-banda
Se inserite sia un condensatore d’ingresso che uno di controreazione nel
circuito con Op Amp, la curva di risposta in frequenza possiede sia una
frequenza di taglio inferiore fL che una superiore fU. L’intervallo di
frequenza (fU - fL) viene chiamato banda passante. Per esempio un buon
amplificatore stereo dovrebbe avere una banda passante di almeno 20000
Hz.
Un filtro passa-banda sulla scheda prototipi NI ELVIS.
Rimuovete il corto circuito di C1 ed avviate un quarto diagramma di Bode
utilizzando gli stessi parametri di scansione di prima.
 National Instruments Corporation
4-13
NI ELVIS - Introduzione
Lab 4
Filtri con amplificatori operazionali
Se si disegna una linea a 3 dB sotto la regione con ampiezza massima,
l’intervallo di tutte le frequenze con componenti al di sopra di questa
linea definisce la banda passante.
Fine dell’esercitazione 4-6
Approfondimenti
La funzione di trasferimento generalizzata dell’Op Amp è data
dall’equazione del fasore
Vout = - (Zf/Z1)Vin
in cui i valori di impedenza per i quattro circuiti sono:
Op Amp
Base
Passa-alto
Passa-basso
Passa-banda
Zf
Rf
Rf
Rf + XCf
Rf + XCf
Z1
R1
R1 + XC1
R1
R1 + XC1
Guadagno
Rf/R1
Rf /(R1 + XC1)
(Rf + XCf)/R1
(Rf + XCf)/(R1 + XC1)
Per una qualsiasi frequenza potete utilizzare Impedance Analyzer per
misurare le impedenze Zf e Z1. Un programma in LabVIEW può
calcolare il rapporto di due numeri complessi. L’ampiezza del rapporto
Zf / Z1è il guadagno. Provate!
Potevate anche utilizzare Impedance Analyzer per trovare le frequenze
per cui R1 uguaglia XC1 e Rf uguaglia XCf per verificare che le frequenze di
taglio inferiore e superiore dei diagrammi di Bode sono uguali a queste
frequenze.
Nota
NI ELVIS – Introduzione
4-14
 National Instruments Corporation
Lab 5
I/O digitale
L’elettronica digitale è il cuore dei moderni computer. La capacità di
scrivere e di leggere linee digitali è essenziale per la diagnostica di
circuiti digitali.
Obiettivi
Questa esperienza introduce agli strumenti per il digitale di NI ELVIS per
studiare circuiti come un clock digitale, un contatore digitale ed un
analizzatore di stati logici.
 National Instruments Corporation
5-1
NI ELVIS – Introduzione
Lab 5
I/O digitale
Soft front panels (SFP) utilizzati in questa esperienza
Digital Writer, Digital Reader, FGEN (uscite TTL) e Oscilloscope.
Componenti utilizzati in questa esperienza
Resistore RA da 10 kΩ (marrone, nero, arancione)
Resistore RB da 100 kΩ (marrone, nero, giallo)
Condensatore C da 1 µF
Chip temporizzatore 555
Contatore binario a 4 bit 7493
NI ELVIS – Introduzione
5-2
 National Instruments Corporation
Lab 5
Esercitazione 5-1
I/O digitale
Visualizzazione di pattern digitali
La scheda prototipi di NI ELVIS ha un banco di otto LED verdi con
piedini etichettati come LED <0-7>. Essi possono essere utilizzati come
indicatori visivi di stati logici digitali (On=HI e Off=LO). Per questa
esercitazione collegate i LED ai piedini del bus di uscita parallelo a 8 bit,
etichettati Write <0-7>. Per esempio, collegate Write <0> cioè Bit 0 al
piedino LED<0>, ecc.. Solo un puntale è richiesto dato che le terre sono
collegate internamente in NI ELVIS.
Avviate NI ELVIS e selezionate Digital Writer. Si apre una nuova
finestra di diagnostica per la logica digitale che consente all’utente di
impostare ciascuna linea Write sullo stato HI o LO.
I bit Digital Output (DO) sono etichettati da 0 a 7 da destra a sinistra nel
riquadro Manual Pattern. Ciascun bit può essere impostato (HI/LO)
cliccando sulla parte superiore o inferiore dell’interruttore virtuale. Tutti
insieme questi 8 bit costituiscono un byte che può essere letto in un
formato binario, esadecimale o decimale nella finestra di dialogo sopra gli
interruttori.
Cliccando sulla parte grigia, potete impostare il formato di questo
indicatore.
 National Instruments Corporation
5-3
NI ELVIS - Introduzione
Lab 5
I/O digitale
Una volta impostato il pattern digitale, cliccate su Write (freccia verde)
per inviare il pattern alle linee Write <0-7> della porta di uscita parallela
che viene passato ai LED verdi.
Nota Mode può essere impostato per produrre un singolo pattern oppure per
produrre pattern continuativamente. In modalità continua il pattern può essere
modificato al volo.
Il pattern impostato viene riprodotto sugli indicatori blu “LED” del Bus
State sul pannello frontale software (SFP). Inoltre, su SFP nel riquadro
Action potete Toggle (passare dall’uno all’altro), Rotate (ruotare) o Shift
(far scorrere) il vostro pattern a destra o a sinistra.
Premete il pulsante Stop (riquadro rosso) per smettere di aggiornare la
porta.
Nel test dei circuiti digitali, ci sono diversi pattern spesso utilizzati per
verifiche diagnostiche. Cliccate sul selettore Pattern su SFP per
visualizzare le opzioni disponibili.
Manual
Carica un qualsiasi pattern a 8 bit
Ramp (0-255)
Istruzione del computer INC
Alternating 1/0’s
Istruzione del computer INVERT
Walking 1’s
Istruzione del computer SHIFT LEFT LOGIC
Fate fare un giro ai vostri bit!
Chiudete Digital Writer.
Fine dell’esercitazione 5-1
NI ELVIS – Introduzione
5-4
 National Instruments Corporation
Lab 5
Esercitazione 5-2
I/O digitale
Circuito di clock digitale 555
Un chip Timer 555 insieme con i resistori RA, RB e un condensatore C
può essere configurato per operare come sorgente di clock digitale.
Utilizzando DMM[Ω]e DMM[C] misurate i valori dei componenti e
riempite la tabella seguente.
RA
________________Ω
(valore nominale 10 kΩ)
RB
________________Ω
(valore nominale 100 kΩ)
C
________________µF
(valore nominale 1 µF)
Realizzate il circuito di clock sulla scheda prototipi come mostrato sotto.
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5-5
NI ELVIS - Introduzione
Lab 5
I/O digitale
L’alimentazione (+5 V) va sui piedini 8 e 4. La terra è sul piedino 1. La
catena di temporizzazione di RA, RB e C prende l’alimentazione tramite
un collegamento tra i resistori che vanno al piedino 7 ed un collegamento
tra RB e C che va ai piedini 2 e 6.
Collegate il piedino 3 di uscita del 555 al piedino della porta d’ingresso
parallela Read <0>.
Dal pannello di avvio di NI ELVIS selezionate Digital Reader e abilitate
sulla workstation di NI ELVIS l’alimentazione della scheda prototipi.
Il Digital Bus Reader consente allo stato corrente della porta d’ingresso
parallela di essere letta su richiesta (singola) o continuativamente. Se il
circuito di clock sta funzionando correttamente, dovreste vedere il bit
meno significativo lampeggiare, se siete in modalità continua (come
mostrato sopra). Altrimenti, utilizzate DMM[V] per verificare la tensione
sui piedini del 555. Con il circuito di clock in funzione, si possono fare
alcune misurazioni interessanti sul circuito.
Il circuito oscillatore 555 Timer ha un periodo T di:
T = 0,695 (RA+2RB)C secondi
La frequenza del circuito dell’oscillatore 555 Timer è legata al periodo
da:
F = 1/T Hertz
Il circuito oscillatore 555 Timer ha un duty cycle (tempo di On rispetto al
periodo) di:
DC = (RA+RB)/(RA+2RB)
Chiudete tutti i SFP e selezionate Oscilloscope.
Collegate i puntali dell’ingresso BNC Scope CH A del pannello frontale
al piedino 3 del chip 555 Timer e ad una terra qualsiasi. Dovreste ora
NI ELVIS – Introduzione
5-6
 National Instruments Corporation
Lab 5
I/O digitale
osservare la forma d’onda digitale sul canale A dell’oscilloscopio.
Selezionate Trigger Source CH A. Questa opzione prende il segnale dal
canale A, imposta il Trigger Type su [Analog (SW)] e consente all’utente
di impostare la pendenza e il livello del trigger. Impostate il livello a +1
V.
Utilizzando l’opzione [MEAS] del canale A, osservate la frequenza nella
finestra dell’oscilloscopio. Spostate il pulsante CURSORS CH A su
[ON]. Cliccando e trascinando i cursori, misurate il periodo e il duty
cycle.
Riempite la tabella seguente:
T
=
_____________________
(secondi)
Ton =
_____________________
(secondi)
DC =
_____________________
F
_____________________
=
(Hertz)
Confrontate le vostre misure con la predizione teorica precedente.
Chiudete tutti i SFP.
Fine dell’esercitazione 5-2
 National Instruments Corporation
5-7
NI ELVIS - Introduzione
Lab 5
I/O digitale
Esercitazione 5-3
Realizzazione di un contatore digitale a
4 bit
Accanto al circuito di clock digitale del 555, inserite sulla scheda
prototipi un contatore di ripple binario 7493 a 4 bit. Questo chip contiene
un divisore per due e uno per otto. Per configurare il chip come divisore
per sedici, il pin 12 (Q1) dev’essere collegato al piedino 1 Clock 2 del
chip 7493, come mostrato sotto.
Per il chip contatore binario 7493, l’alimentazione a +5 V è collegata al
piedino 5 e alla terra, piedino 10. Assicuratevi anche che 0set, piedini 2 e
3, sia a terra. Collegate le uscite ai cinque LED verdi e ai piedini Read
secondo lo schema seguente.
Q1 pin 12 ..........
a
LED<4> e Read<4>
Q2 pin 9 ............
a
LED<5> e Read<5>
Q4 pin 8 ............
a
LED<6> e Read<6>
Q8 pin 11 ..........
a
LED<7> e Read<7>
pin 3 del Clock 555
a
LED<0> e Read<0>
Collegate l’uscita del clock digitale 555 (pin 3) all’ingresso clock1 del
7493 (pin 14). Una fotografia di un tipico circuito sulla scheda prototipi di
NI ELVIS è mostrato nella prima pagina di questa esperienza.
Alimentate i chip ed osservate il conteggio binario che si accumula sui
LED.
NI ELVIS – Introduzione
5-8
 National Instruments Corporation
Lab 5
I/O digitale
Dal pannello di avvio di NI ELVIS selezionate Digital Reader. Ciò vi
consente di monitorare gli stati binari sul computer e allo stesso tempo di
vedere gli stati sui LED verdi.
Chiudete NI ELVIS.
Fine dell’esercitazione 5-3
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5-9
NI ELVIS - Introduzione
Lab 5
I/O digitale
Esercitazione 5-4 Analizzatore di stati logici in LabVIEW
Fino a questo punto abbiamo osservato solo lo stato delle uscite digitali
un valore alla volta. Un diagramma di temporizzazione è formato da stati
sequenziali accordati, campionati insieme e uniformemente nel tempo.
Rappresentare diverse linee digitali insieme sugli stessi grafici genera un
diagramma di temporizzazione digitale. Un contatore binario possiede un
unico diagramma di temporizzazione in cui il fronte di discesa del bit
precedente provoca la commutazione del bit successivo.
Utilizzando le API di LabVIEW per il Digital I/O, si può realizzare un
semplice analizzatore di stati logici a 4 bit. Troverete la palette Digital I/O
in Functions»All Functions»Instrument I/O»Instrument Drivers»NI
ELVIS.
Nella riga superiore di DIO VIs (da sinistra a destra) ci sono Initialize,
Read, Write e Close.
Avviate LabVIEW e quindi selezionate Binary Counter.vi dalla
Hands-On NI ELVIS Library.
NI ELVIS – Introduzione
5-10
 National Instruments Corporation
Lab 5
I/O digitale
Sullo schema a blocchi, l’icona NI ELVIS DIO (sulla sinistra) inizializza
la funzione Read sul dispositivo 1 (default) e crea un refnum (linea
verde). L’icona centrale DIO legge la porta e l’icona DIO (sulla destra)
chiude l’operazione DIO liberando la memoria utilizzata nell’esecuzione
del programma e passando i messaggi di errore al panello frontale.
L’analizzatore di stati logici a 4 bit campiona la porta parallela di NI
ELVIS (NI ELVIS DIO – Read.vi) e presenta i bit come un numero
(linea blu). LabVIEW converte quindi il numero in un array booleano a 8
bit (linea spessa grigia). Il bit 4 sulla porta (Q1) viene mappato sul quinto
elemento dell’array (indice 4) dell’array. Il VI Index Array estrae un bit
particolare, quello corrispondente all’indice 4 e invia Q1 a Trace 0 e
quindi alla routine di visualizzazione. Ogni bit booleano è convertito in
un valore numerico (0 o 1) e quindi collegato con le altre tracce per la
rappresentazione del diagramma di temporizzazione per Q1, Q2, Q3 e Q4.
I molteplici formati disponibili per i grafici in LabVIEW consentono di
presentare i dati nel diagramma di temporizzazione nel formato
desiderato.
Fine dell’esercitazione 5-4
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5-11
NI ELVIS - Introduzione
Lab 5
I/O digitale
Approfondimenti
Se scegliete un IC 74393 (contatore binario a 8 bit), potete modificare il
programma di LabVIEW precedente per realizzare un analizzatore di stati
logici a 8 bit.
NI ELVIS – Introduzione
5-12
 National Instruments Corporation
Lab 6
Sensore di campo magnetico
Nel 1879, Erwin Hall scoprì che quando una corrente scorre attraverso un
blocco di materiale semiconduttore in presenza di campo magnetico, si
genera una tensione ai suoi capi. Egli trovò che questa tensione, che ora
prende il suo nome, era uguale al prodotto vettoriale della corrente e del
campo magnetico.
VH = γIxB
Ciò significa che una sonda di Hall può essere usata per misurare
corrente, campo magnetico o l’angolo tra l’asse del sensore ed un campo
esterno. Oggi i sensori ad effetto di Hall integrati hanno una sorgente di
corrente interna costante ed un Op Amp per memorizzare il segnale di
uscita. Questi sensori sono a basso costo, robusti e possono essere
interfacciati con circuiti analogici e digitali.
 National Instruments Corporation
6-1
NI ELVIS – Introduzione
Lab 6
Sensore di campo magnetico
Obiettivi
Questa esperienza introduce agli strumenti di NI ELVIS per studiare le
proprietà dei sensori ad effetto Hall. A questo proposito vengono
realizzati un semplice Gaussmetro e un’interfaccia per contatore digitale
utilizzando rispettivamente un sensore lineare ad effetto Hall ed un
interruttore ad effetto Hall.
Soft front panels (SFP) utilizzati in questa esperienza
DMM[V], oscilloscopio OSC e VI di LabVIEW per il contatore digitale.
Componenti utilizzati in questa esperienza
Sensore lineare di campo magnetico Allegro A3240UA e interruttore ad
effetto Hall A3212UA.
Contattate Allegro a www.allegro.com e richiedete un campione
gratuito di questi sensori.
NI ELVIS – Introduzione
6-2
 National Instruments Corporation
Lab 6
Esercitazione 6-1
Sensore di campo magnetico
Prove su un sensore analogico di
campo magnetico con gli strumenti di NI
ELVIS
I dispositivi Allegro hanno solo tre terminali: alimentazione + Vcc, Gnd e
l’uscita di Hall. Inserite sulla scheda prototipi un dispositivo lineare ad
effetto Hall (A3240) . Collegate l’alimentazione a +5 V al piedino + Vcc.
Il piedino Ground a Gnd. Collegate DMM (tensione) all’uscita di Hall e a
Gnd.
Avviate NI ELVIS e selezionate Digital Multimeter.
Ponete un piccolo magnete (intensità del campo di diverse centinaia di
gauss) in prossimità del sensore di Hall. In assenza di campo magnetico il
sensore legge 1/2 di Vcc o circa +2,5 V. Quando il magnete viene
avvicinato al sensore, la tensione di Hall diventa più grande di 2,5 V o
scende al di sotto di 2,5 V in funzione della polarità del magnete. Il polo
sud del magnete causa un aumento, il polo nord una diminuzione. Il
sensore saturerà intorno ai +5 V o a 0 V per un campo superiore a ±500
gauss. Osservate che la tensione di Hall è non lineare rispetto alla distanza
tra il sensore e il magnete. Per osservare questa relazione, misuriamo la
distanza e la tensione e quindi rappresentiamo su un pezzo di carta le
nostre osservazioni.
La distanza tra piedini adiacenti è di 1/10 di pollice. Disponete il magnete
direttamente sulla scheda prototipi di fronte al sensore e misurate la
tensione di Hall ad incrementi di 0,1 o di 0,05 pollici su una distanza di
circa un pollice. Registrate ogni lettura su carta. Ora rappresentate la
tensione di Hall rispetto alla distanza.
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6-3
NI ELVIS - Introduzione
Lab 6
Sensore di campo magnetico
Il vostro grafico dovrebbe essere simile a quello mostrato sopra.
Osservate che la risposta non è lineare. Ciò dimostra l’importanza di
conoscere la distanza di funzionamento tra sensore e magnete.
Fine dell’esercitazione 6-1
NI ELVIS – Introduzione
6-4
 National Instruments Corporation
Lab 6
Esercitazione 6-2
Sensore di campo magnetico
Caratteristica di isteresi di
interruttore a campo magnetico
un
Sostituite il sensore lineare con l’interruttore ad effetto Hall A3212. I
collegamenti per l’alimentazione sono gli stessi del circuito lineare.
Ripetete le misure per la tensione di Hall rispetto alla distanza sia
aumentando che diminuendo la distanza. Rappresentate ciascun grafico
sullo stesso sistema di assi. Esso dovrebbe apparire simile al seguente
grafico.
L’interruttore di Hall è un sensore digitale la cui uscita è sia HI (∼+5 V)
che LO (0,8 V). Esiste un campo critico Bmax al di sopra del quale
l’uscita è sempre HI ed un campo critico Bmin al di sotto del quale l’uscita
è sempre LO. Un grafico della tensione di Hall rispetto alla portata del
sensore dimostra l’isteresi tra la risposta che si ottiene avvicinando il
sensore da quella che si ottiene allontanandolo. La differenza tra i due
limiti:
h = Bmax - Bmin
costituisce una misura di immunità al rumore del sensore. Per esempio, se
il sensore copre un certo campo per passare da LO ad HI, esso richiede un
campo più piccolo (Bmax - h) per passare allo stato opposto da HI a LO.
Siccome stiamo usando un magnete permanente, questi campi critici
possono essere portati dalla precedente esercitazione nelle posizioni
critiche.
Chiudete Digital Multimeter.
Fine dell’esercitazione 6-2
 National Instruments Corporation
6-5
NI ELVIS - Introduzione
Lab 6
Sensore di campo magnetico
Esercitazione 6-3
Conteggio degli impulsi con un sensore
magnetico a commutazione
Inizialmente disponete il magnete abbastanza lontano dal sensore affinché
esso sia nello stato LO. Ora avvicinate il polo sud del magnete al sensore.
Il campo magnetico potrebbe superare Bmax e lo stato logico diventare
HI. Allora quando il magnete viene allontanato e il campo diventa
inferiore a Bmin, esso torna allo stato LO. L’intera sequenza LO-HI-LO
genera un impulso positivo. Ripetendo questa operazione più volte si
genera un treno di impulsi positivi.
Dalla finestra di avvio di NI ELVIS selezionate Oscilloscope. Collegate il
connettore BNC (Channel A) del pannello frontale della workstation al
segnale di uscita dall’interruttore a effetto Hall (piedini 3 e 2).
Sul pannello dell’oscilloscopio selezionate:
Source: BNC/Board CH A
Trigger:
Level (V): 0,2 V
Osservate la tensione di Hall sul canale A quando muovete rapidamente il
magnete, avvicinandolo o allontanandolo dal sensore. Con la traccia
dell’oscilloscopio su una base tempi grande (100 ms/div), dovreste essere
in grado di osservare il treno di impulsi. Provate!
Un encoder angolare, un tachimetro ed un sensore di arresto utilizzano
tutti commutatori magnetici per generare impulsi. Il conteggio degli
impulsi accumula gli eventi. Il conteggio degli impulsi in un intervallo
prefissato di tempo misura la frequenza. Più avanti utilizzeremo un VI di
LabVIEW per contare gli impulsi generati dal vostro sensore.
Fine dell’esercitazione 6-3
NI ELVIS – Introduzione
6-6
 National Instruments Corporation
Lab 6
Esercitazione 6-4 Conteggio automatico
programma in LabVIEW
Sensore di campo magnetico
utilizzando
un
Collegate l’uscita del commutatore ad effetto Hall agli ingressi contatore
di NI ELVIS:
Hall Output (piedino 3)
CTRO_SOURCE
Hall Ground (piedino 1)
GROUND
Avviate LabVIEW. Dalla Hands-On NI ELVIS Library, selezionate Hall
Counter.vi. Questo semplice programma consente di accumulare
conteggi quando il campo magnetico viene avvicinato o allontanato dal
commutatore ad effetto Hall. Il programma consente anche di avviare ed
arrestare le operazioni di conteggio e allo stesso tempo di tenere traccia
del tempo di conteggio. Dividendo i conteggi accumulati per il tempo
trascorso (Elapsed time) si ottiene il tempo medio per conteggio o la
frequenza.
 National Instruments Corporation
6-7
NI ELVIS - Introduzione
Lab 6
Sensore di campo magnetico
NI ELVIS ha accesso ai contatori della scheda DAQ e questa esperienza
utilizza Device Number 1, Counter 0. Osservate che il contatore del ciclo
va al subVI [Count Events or Time]. Questa opzione assicura che il
contatore venga riportato a zero ogni volta che avviate il programma. Due
funzioni [Tick Count] vengono utilizzate per misurare l’intervallo di
temporizzazione.
Fine dell’esercitazione 6-4
Approfondimenti
In un’esercitazione precedente avete raccolto i dati a mano e quindi li
avete rappresentati su un grafico. Tuttavia, utilizzando in LabVIEW le
API di NI ELVIS per il voltmetro digitale DMM[V], si può realizzare un
semplice programma per raccogliere i dati di Hall “a richiesta”, soluzione
semi-automatica.
Dalla Hands-On NI ELVIS Library selezionate Hall Sample.vi.
Disponete il magnete ad una distanza nota di fronte al sensore ad effetto
Hall (A3240) ed inserite la posizione dell’estremità del magnete nel
riquadro Position. Premete il pulsante sample quando siete pronti. Questi
valori (Position, Hall Voltage) saranno automaticamente inseriti in un
array di valori campionati. Quando avete terminato il campionamento,
premete plot ed appare un grafico. Aprite lo schema a blocchi per vedere
il flusso del programma.
NI ELVIS – Introduzione
6-8
 National Instruments Corporation
Lab 7
LED di segnalazione
Un diodo elettronico ha la caratteristica che in un verso la corrente scorre
facilmente (polarizzazione diretta) mentre nell’altro verso il flusso di
corrente viene bloccato. Questa semplice caratteristica di commutazione
dei diodi, uno stato OFF e uno stato ON, consente di realizzare molti
interessanti circuiti, analogici e digitali.
 National Instruments Corporation
7-1
NI ELVIS – Introduzione
Lab 7
LED di segnalazione
Obiettivi
Questa esperienza si concentra sull’uso di NI ELVIS per chiarire le
proprietà dei diodi, i metodi di test dei diodi, i pattern di bit per un
incrocio semaforico a due vie e l’uso delle API di NI ELVIS inun
programma in LabVIEW per avviare automaticamente le luci di stop.
Soft front panels (SFP) utilizzati in questa esperienza
Tester digitale per diodi DMM[ d], analizzatore corrente-tensione a due
fili, Digital Writer.
Componenti utilizzati in questa esperienza
Un diodo al silicio e 6 led (2 rossi, 2 gialli e 2 verdi).
NI ELVIS – Introduzione
7-2
 National Instruments Corporation
Lab 7
Esercitazione 7-1
LED di segnalazione
Prove sui diodi e determinazione della
loro polarità
Un diodo semiconduttore a giunzione è un dispositivo con un’estremità,
spesso etichettata con una banda, chiamata catodo e l’altra chiamata
anodo. Mentre ci sono molti modi di indicare questa polarità nella
custodia di un diodo, una cosa rimane la stessa. Una tensione positiva
applicata all’anodo provocherà una polarizzazione diretta tale da far
circolare corrente. Possiamo utilizzare NI ELVIS per trovare la polarità
del diodo.
Avviate NI ELVIS e selezionate DMM.
Cliccate sul pulsante [ d].
Collegate uno dei LED ai morsetti della workstation DMM (corrente) HI
e LO. Quando il diodo blocca la corrente, il display leggerà lo stesso
valore che si ha quando il diodo non è collegato (circuito aperto). Quando
il diodo consente la circolazione di corrente, il LED si spegnerà e il
display leggerà un livello di tensione inferiore al valore a circuito aperto.
Provate un LED rosso in entrambe le direzioni. Quando vedete luce, il
morsetto del diodo collegato a LO o allo spinotto a banana nero è l’anodo.
Potete utilizzare questo semplice test su altri diodi per determinare la loro
polarità. Per un diodo raddrizzatore al silicio in polarizzazione diretta, il
display mostrerà una tensione inferiore a 3,5 V e visualizzerà la parola
“Good”. In polarizzazione inversa, il display leggerà il valore a circuito
aperto (∼3,5 V) e visualizzerà la parola “Open”. Provate!
Come funziona? Il display mostra la tensione necessaria per generare una
piccola corrente di circa 1 mA. Nella regione di polarizzazione diretta,
questo livello di tensione è piccolo e collegato ai materiali utilizzati nella
fabbricazione del diodo. In polarizzazione inversa, non scorre corrente e il
tester visualizza la tensione a circuito aperto di circa 3,5 V.
Fine dell’esercitazione 7-1
 National Instruments Corporation
7-3
NI ELVIS - Introduzione
Lab 7
LED di segnalazione
Esercitazione 7-2
Curva caratteristica di un diodo
La curva caratteristica di un diodo, che è una rappresentazione della
corrente che scorre attraverso il dispositivo in funzione della tensione ai
capi del diodo, visualizza bene le sue proprietà elettroniche. Inserite il
diodo al silicio tra i morsetti DMM (corrente). Assicuratevi che l’anodo
sia collegato all’ingresso a banana nero.
Avviate NI ELVIS e selezionate Two Wire Current-Voltage Analyzer.
Si aprirà una nuova SFP che consente di visualizzare la curva (I-V) del
dispositivo sotto test. Questa SFP applicherà una tensione di test al diodo
da un livello di tensione iniziale ad uno finale con passi incrementali di
tensione (tutto selezionabile dall’utente).
Per un diodo al silicio impostate i parametri seguenti:
Start
–2 V
Stop
+2,0 V
Increment
0,1 V
Osservate che la corrente massima in ciascuna direzione può essere
impostata per assicurare che il diodo non lavori in una regione di corrente
in cui possono verificarsi dei danni. Cliccate su Run ed osservate la curva
I-V che appare.
In polarizzazione inversa, la corrente dovrebbe essere molto piccola
(microampere) e negativa. In polarizzazione diretta dovreste vedere che al
di sopra di una soglia di tensione la corrente cresce esponenzialmente fino
ad un limite massimo di corrente. Provate a cambiare i pulsanti Display
[Linear/Log] per vedere la curva rappresentata in scala differente.
NI ELVIS – Introduzione
7-4
 National Instruments Corporation
Lab 7
LED di segnalazione
Provate il funzionamento di Cursor. Esso fornisce i valori delle
coordinate (I, V) man mano che spostate il cursore lungo la traccia.
Si nota che la tensione di soglia è collegata al materiale semiconduttore
del diodo. Per diodi al silicio la tensione di soglia è di circa 0,6 V mentre
per diodi al germanio è di circa 0,3 V. Un modo di stimare la tensione di
soglia è di tracciare una linea tangente nella regione di polarizzazione
diretta in prossimità della corrente massima (fate riferimento alla figura
seguente). Il punto in cui la tangente interseca l’asse delle tensioni
definisce la tensione di soglia.
Figura 7-1. Curva caratteristica (I,V) per un diodo emettitore di luce. La tensione di soglia
V è data dall’intersezione della linea tangente con l’asse delle tensioni.
Utilizzando Two Wire Current-Voltage Analyzer determinate la
tensione di soglia per un LED rosso, uno giallo e uno verde e riempite la
tabella seguente.
LED rosso
____________V
LED giallo ____________V
LED verde ____________V
Notate un qualche andamento?
Fine dell’esercitazione 7-2
 National Instruments Corporation
7-5
NI ELVIS - Introduzione
Lab 7
LED di segnalazione
Esercitazione 7-3
Prove manuali e controllo di un incrocio
semaforico a 2 vie
Installate sei LED colorati sulla scheda prototipi di NI ELVIS
posizionandoli come su un incrocio semaforico tra due strade.
Ogni LED sarà controllato da un bit binario sul bus parallelo a 8 bit della
scheda prototipi di NI ELVIS. I piedini di uscita sono etichettati con
Write <0-7>. Collegate il piedino Write <0> all’anodo del LED rosso in
direzione Nord-Sud (Su-Giù). Collegate l’altra estremità del LED alla
terra digitale. Collegate i restanti LED colorati in maniera simile.
Questo è lo schema completo dei collegamenti.
Write<0>Rosso direzione N-S
Write<1>Giallo direzione N-S
Write<2>Verde direzione N-S
Write<4> Rosso direzione E-O
Write<5> Giallo direzione E-O
Write<6> Verde direzione E-O
Dal pannello di avvio di NI ELVIS selezionate Digital Writer.
Utilizzando i cursori verticali potete utilizzare ciascun pattern da 8 bit ed
emetterlo sulle linee digitali di NI ELVIS. Ricordate che Bit 0 è collegato
al piedino della scheda prototipi etichettato con Write<0> ecc..
Impostate Mode su Continuous e Pattern su Manual (come mostrato
nella figura seguente).
Per attivare la porta, cliccate sul pulsante Write.
NI ELVIS – Introduzione
7-6
 National Instruments Corporation
Lab 7
LED di segnalazione
Quando tutti gli interruttori (Bit 0-2 e 4-6) sono HI, tutti i LED dovrebbe
essere accesi. Quando tutti questi interruttori sono LO, tutti i LED
dovrebbero essere spenti.
Potete ora utilizzare questi interruttori per trovare quali codici a 8 bit
siano necessari per controllare i vari cicli di un incrocio semaforico.
Ecco alcuni suggerimenti per il nostro incrocio. L’operazione di base di
un semaforo si basa su un intervallo temporale di 60 secondi, con 30
secondi per il rosso, seguito da 25 secondi per il verde, seguito da 5
secondi per il giallo. Per un incrocio a due vie la luce gialla, nella
direzione Nord-Sud è accesa mentre la luce rossa nella direzione EstOvest è anch’essa accesa. Questo modifica l’intervallo di 30 secondi per
il rosso in due intervalli; un ciclo da 25 secondi seguito da uno da 5
secondi. Ci sono quattro intervalli temporali (T1, T2, T3 e T4 ) per un
incrocio a due vie.
 National Instruments Corporation
7-7
NI ELVIS - Introduzione
Lab 7
LED di segnalazione
Studiate la tabella seguente per vedere come funziona un incrocio
semaforico a 2 vie.
Direzione
Luci
Bit #
T1
T2
T3
T4
25 s
5s
25 s
5s
N-S
RGV
012
001
010
100
100
E-O
RGV
456
100
100
001
010
Codice a 8
bit
00010100
Valore
numerico
20
Utilizzate Digital Writer per calcolare quale codice a 8 bit dev’essere
scritto sulla porta digitale per controllare le luci del semaforo in ciascuno
dei 4 intervalli temporali.
Per esempio: il primo periodo di temporizzazione T1 richiede il codice
[00101000]. I computer leggono i bit in ordine inverso (il bit meno
significativo sulla destra) il codice di cui sopra diventa {00010100}. Nel
riquadro sopra, quello dei selettori DO per il Digital Bus Writer di NI
ELVIS, potete leggere la radice del pattern in binario {00010100}, in
decimale {20} o in esadecimale {14}. Cliccate sulla X bianca su sfondo
grigio per cambiare la radice. Potete utilizzare questa caratteristica per
determinare i codici numerici per gli altri intervalli di temporizzazione
T2, T3 e T4. Ora, se voi ponete in uscita il codice a 8 bit per ciascun
intervallo di temporizzazione in sequenza, potete manualmente azionare
le luci del semaforo.
Ripetendo questa sequenza per i quattro cicli si rende automatico il nostro
incrocio.
Fine dell’esercitazione 7-3
NI ELVIS – Introduzione
7-8
 National Instruments Corporation
Lab 7
LED di segnalazione
Esercitazione 7-4 Funzionamento automatico dell’incrocio
semaforico a due vie
Chiudete NI ELVIS e aprite LabVIEW. Aprite il programma
StopLights.vi. Sul pannello frontale c’è solo un controllo, un
interruttore booleano per arrestare il funzionamento dei semafori. Passate
allo schema a blocchi (Window»Show Block Diagram). Osservate la
sequenza di 4 cicli generata dal ciclo For. Il subVI con la matita (NI
ELVIS DIO-Write) è la struttura che pone in uscita il codice a 8 bit sui
semafori. Questo subVI si aspetta che il codice d’ingresso sia un numero.
Per esempio, il primo intervallo di temporizzazione T1 richiede il codice
20 (numerico venti). I quattro codici a 8 bit (valore numerico) devono
essere trasferiti dalla vostra tabella di cui sopra nei quattro elementi vuoti
dell’array dei codici (blu) etichettata Output Pattern.
Il subVI NI ELVIS DIO - Initialize sulla sinistra richiede il
numero (1) di porta digitale e un’operazione di IO (Write). Come tutte le
strutture di programma in NI ELVIS, il canale DIO necessita di essere
chiuso dal subVI DIO[X] sulla destra quando ha terminato (il ciclo While
viene arrestato).
Gli intervalli di temporizzazione sono immagazzinati nei quattro elementi
dell’array Time Delay (arancione). Per velocizzare l’operazione,
l’intervallo di 25 secondi viene ridotto a 5 secondi e quello da 5 secondi
ad 1 secondo.
Fine dell’esercitazione 7-4
 National Instruments Corporation
7-9
NI ELVIS - Introduzione
Lab 7
LED di segnalazione
Approfondimenti
I LED sono dispositivi sorprendenti. Se moltiplicate la tensione di soglia
VT per la carica dell’elettrone e, il prodotto è l’energia ed è vicina
all’energia della banda proibita del materiale semiconduttore utilizzato
nella fabbricazione del diodo semiconduttore. Inoltre, nella regione di
polarizzazione diretta, la luce del LED ha un’energia di hc/λ in cui h è la
costante di Planck, c è la velocità della luce e λ è la lunghezza d’onda del
centro della distribuzione di energia. La conservazione dell’energia porta
all’equazione:
eVT ∼hc/λ
in cui e è la carica dell’elettrone.
Dalle specifiche dei LED potete determinare la lunghezza d’onda o il
colore dei LED. Per esempio i LED rossi hanno una lunghezza di circa
560 nanometri. Dalla curva caratteristica I-V del LED (fate riferimento
all’Esercitazione 7-2) potete misurare la tensione di soglia VT. Se
rappresentate VT rispetto a 1/λ per tre LED di colore diverso, troverete
una linea retta con una pendenza circa uguale a hc/e, costante
fondamentale.
NI ELVIS – Introduzione
7-10
 National Instruments Corporation
Lab 8
Comunicazione ottica
nello spazio libero
Noi abbiamo confidenza con i telecomandi presenti in casa per controllare
TV, stereo, lettori DVD e altri apparecchi. Come funzionano? Il segreto si
trova in un collegamento ottico a infrarossi, un tipo di comunicazione
ottica nello spazio libero.
Obiettivi
Questa esperienza utilizza una sorgente ottica a infrarossi per trasmettere
informazioni nello spazio libero ad un fototransistor rivelatore. Vengono
presentati diversi schemi di modulazione, compresa la modulazione di
ampiezza ed una modulazione digitale Non-Return-Zero (NRZ).
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8-1
NI ELVIS – Introduzione
Lab 8
Comunicazione ottica nello spazio libero
Soft front panels (SFP) utilizzati in questa esperienza
I-V Analyzer a due fili, I-V Curve Tracer a tre fili, generatore di funzioni,
oscilloscopio e Digital Writer.
Componenti utilizzati in questa esperienza
Resistore da 220 Ω (rosso, rosso, marrone)
Resistore da 470 Ω (giallo, viola, marrone)
Resistore da 1 kΩ (marrone, nero, rosso)
Resistore da 22 kΩ (rosso, rosso, arancione)
Condensatore da 0,01 µF
Emettitore IR (LED)
Rivelatore IR (fotoresistore)1
Transistor npn 2N3904
Chip temporizzatore 555
___________________________
1
La coppia IR Emitter e Detector RS276-142 è reperibile presso www.radioshack.com.
NI ELVIS – Introduzione
8-2
 National Instruments Corporation
Lab 8
Esercitazione 8-1
Comunicazione ottica nello spazio libero
Un rivelatore a fototransistor
Per capire come funziona un fototransistor si deve partire dallo studio
delle curve caratteristiche del transistor. Un transistor è
fondamentalmente un amplificatore di corrente controllato in corrente.
Una piccola corrente di base controlla il flusso di corrente attraverso il
transistor dal collettore all’emettitore. Inserite un transistor 2N904 sulla
scheda prototipi di NI ELVIS nei piedini etichettati come Current +,
Current – e 3-wire come mostrato sotto.
Current + → Base, Current - →Emettitore, e 3-Wire→Morsetti del
collettore
Nota
Avviate NI ELVIS e selezionate Three-Wire Current-Voltage
Analyzer. Alimentate la scheda prototipi. Impostate Base Current e
Collector Voltage come mostrato sotto e cliccate su Run.
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8-3
NI ELVIS - Introduzione
Lab 8
Comunicazione ottica nello spazio libero
Il grafico visualizza la corrente di collettore rispetto alla tensione di
collettore per differenti valori della corrente di base. Osservate che si
possono impostare diversi parametri per la tensione di collettore e la
corrente di base. Quando viene avviato, questo SFP dapprima pone in
uscita la corrente di base impostata, poi la tensione di collettore e quindi
misura la corrente di collettore. I valori (I, V) vengono graficati e i punti
sequenziali con la stessa corrente di base vengono collegati con una linea.
Potete vedere le curve mentre si formano, generando una famiglia di
curve [IV], ciascuna con una differente corrente di base. Osservate che
per una data tensione di collettore, la corrente di collettore aumenta
all’aumentare della corrente di base.
Un fototransistor non ha un morsetto per la base. La luce che colpisce il
transistor genera una corrente di base proporzionale all’intensità della
luce. Per esempio, senza luce, il transistor segue la curva gialla inferiore.
Un basso livello di luce segue la linea rossa centrale ed una luce con
intensità più alta genera la curva verde superiore. Per tensioni di collettore
superiori di 0,2 V, ad esempio 1,0 V, la corrente di collettore segue
l’intensità della luce che colpisce la regione di base in modo quasi lineare.
Per realizzare un rivelatore ottico, tutto quello che serve è
un’alimentazione, un resistore limitatore di corrente ed un fototransistor.
Chiudete tutti gli SFP.
Fine dell’esercitazione 8-1
NI ELVIS – Introduzione
8-4
 National Instruments Corporation
Lab 8
Esercitazione 8-2
Comunicazione ottica nello spazio libero
Sorgente ottica a infrarossi
Il trasmettitore ottico viene realizzato con due componenti: un LED a IR
(polarizzato direttamente) ed un resistore limitatore di corrente. Collegate
il LED a IR agli ingressi di corrente del DMM. Assicuratevi che il puntale
nero sia collegato all’anodo del LED (puntale corto). Selezionate TwoWire Current-Voltage Analyzer e impostate lo spazzolamento di
tensione nel modo seguente:
Start
0,0 V
Stop
+2,0 V
Increment
0,05 V
e premete Run. La curva [IV] del diodo a infrarossi si sviluppa nel modo
visualizzato nella figura seguente.
Nella regione di polarizzazione diretta, il LED a IR emette luce per
tensioni superiori a 0,9 V. la luce viene emessa ad una lunghezza di 950
nm, al di fuori dell’intervallo spettrale del visibile e nella regione del
vicino infrarosso. Le specifiche del LED ci dicono che la massima
corrente consentita è superiore a 100 mA, rendendo i LED a IR circa 10
volte più luminosi dei normali LED visibili. Questo è il motivo per cui i
telecomandi sono così diffusi. Collegando i LED in serie con un resistore
da 220 Ω, un’alimentazione da 5 V produce una corrente di circa 11 mA
cui corrisponde una potenza ottica invisibile di circa 10 mW. Sarà
necessario un rivelatore speciale come il nostro fototransistor per vederlo.
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8-5
NI ELVIS - Introduzione
Lab 8
Comunicazione ottica nello spazio libero
Realizzate il circuito trasmettitore a LED e il circuito a fototransistor sulla
scheda prototipi come mostrato sotto.
Collegate l’alimentazione del LED all’uscita del generatore di funzioni.
Collegate l’uscita del fototransistor ai piedini ACH (1). Presi insieme
questi circuiti formano un semplice collegamento ottico. Ecco una foto di
questo circuito sulla scheda prototipi di NI ELVIS:
Chiudete tutti gli SFP.
Fine dell’esercitazione 8-2
NI ELVIS – Introduzione
8-6
 National Instruments Corporation
Lab 8
Esercitazione 8-3
Comunicazione ottica nello spazio libero
Collegamento ottico analogico a IR nello
spazio libero
Dal pannello di avvio di NI ELVIS selezionate Function Generator e
Oscilloscope. Il generatore di funzioni fornirà il segnale analogico da
trasmettere. L’oscilloscopio monitorerà il segnale d’ingresso CH A
(selezionate FUNC_OUT) e il segnale di uscita CH B (Selezionate
ACH0).
Per trasmettere il segnale analogico sul LED, è necessario polarizzare il
LED in una regione “lineare” con una tensione più grande di quella
critica. Assicuratevi che il generatore di funzioni non sia impostato su
Manual sul pannello frontale della workstation. Sul pannello di controllo
virtuale FGEN impostate la tensione di offset su +1,5 V.
Impostate i seguenti parametri sull’SFP FGEN:
Amplitude ..............0,5 V
Waveform .............. Sine
Frequency .............. 1 kHz
Avviate il generatore di funzioni e l’oscilloscopio per osservare i segnali
trasmessi e ricevuti. Provate diversi valori di tensione di offset e di livelli
di ampiezza. Quando la sinusoide ricevuta inizia ad essere distorta, il
trasmettitore diventa non lineare. Trovate i migliori valori di offset e di
ampiezza per un collegamento trasmissivo lineare (senza distorsione). Il
vostro collegamento è ora pronto per l’invio di dati.
Lasciate aperti gli SFP del generatore di funzioni e dell’oscilloscopio.
Fine dell’esercitazione 8-3
 National Instruments Corporation
8-7
NI ELVIS - Introduzione
Lab 8
Comunicazione ottica nello spazio libero
Esercitazione 8-4 Modulazione (analogica) di ampiezza e di
frequenza
Collegate i piedini di uscita del convertitore digitale/analogico DAC0 e
DAC1 ai piedini del generatore di funzioni della scheda prototipi di NI
ELVIS etichettati rispettivamente [AM IN] Amplitude Modulation e [FM
IN] Frequency Modulation. Avviate LabVIEW. Selezionate
Modulation.vi da Hand’s-On NI ELVIS Library. Questo programma
invia segnali in DC dall’uscita DAC di NI ELVIS al generatore di
funzioni per produrre un segnale modulato in ampiezza o in frequenza. Il
segnale modulato viene convertito in impulsi luminosi, inviato sul nostro
collegamento nello spazio libero e quindi rilevato sul fototransistor e
convertito in un segnale elettrico. Avete appena realizzato un semplice
collegamento ottico nello spazio libero per segnali analogici.
Chiudete tutti gli SFP e LabVIEW.
Fine dell’esercitazione 8-4
Approfondimenti
Modulazione digitale NRZ
I telecomandi a IR utilizzano una particolare codifica chiamata NRZ. Un
livello HI viene segnalato da un pacchetto di toni di forme d’onda quadra
a 40 kHz mentre il livello LO segnala l’assenza di qualsiasi segnale. Il
pacchetto di toni viene generato utilizzando il circuito temporizzatore 555
mostrato sotto. Un selettore digitale viene collegato al piedino 4
[RESET], così quando il selettore è HI, viene generato un pacchetto di
toni, quando è LO non ci sono oscillazioni.
Per mostrare lo schema di modulazione, utilizzeremo un pacchetto di toni
a 1,0 kHz affinché sia più facile vederlo sull’oscilloscopio.
Realizzate un oscillatore controllato utilizzando un chip temporizzatore
555 e i seguenti componenti:
RA
RB
C
NI ELVIS – Introduzione
→
→
→
1,0 kΩ
10,0 kΩ
0,1 µF
8-8
 National Instruments Corporation
Lab 8
Comunicazione ottica nello spazio libero
Il piedino 4 sul chip del temporizzatore 555 va sulla porta parallela di
uscita, linea digitale Write<0>, della scheda prototipi di NI ELVIS. Il
piedino 3 di uscita dell’oscillatore diventa l’alimentazione del
trasmettitore LED a IR. L’uscita del circuito rivelatore è collegata ai
piedini ACH0. La terra è il piedino 1 del chip 555.
Dal pannello di avvio di NI ELVIS, selezionate Oscilloscope e Digital
Writer.
Per l’oscilloscopio selezionate il Channel A Source come ACH0.
Utilizzate il trigger analogico per il Channel A con un livello di trigger a
0,5 V.
Durante il funzionamento, ogni volta che impostate su HI Bit 0
(Write<0>) del Digital Writer, compare sull’oscilloscopio un segnale da
1,0 kHz. Nessun segnale è presente quando Bit 0 è LO.
Provate altri pattern digitali come Walking 1’s o Ramp e visualizzate lo
schema di modulazione sul pannello dell’oscilloscopio.
Nei telecomandi lo schema di codifica è leggermente più complicato. Se
siete interessati alla realizzazione di un vostro trasmettitore remoto a IR
controllato dal computer per controllare il vostro stereo, o altre
apparecchiature, leggete il Chapter 6, Sensors, Transducers and LabVIEW
per ulteriori dettagli.
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8-9
NI ELVIS - Introduzione
Lab 8
Comunicazione ottica nello spazio libero
NI ELVIS – Introduzione
8-10
 National Instruments Corporation
Lab 9
Comunicazione wireless in RF
A mezzogiorno a Signal Hill, St. John’s Newfoundland in Canada,
Geglielmo Marconi appoggiò il suo orecchio alla cornetta del telefono
collegata ad un ricevitore wireless sperimentale. A 1700 miglia di
distanza, a Poldu Cornwall, in Inghilterra, i suoi collaboratori stavano per
inviare la lettera “S” del codice Morse, costituita da tre punti. Debole ma
chiaro “psht-psht-psht” pausa “psht-psht-psht” arrivò alla cornetta. La
data era il 12 dicembre 1901 e il primo messaggio transatlantico era stato
appena inviato e ricevuto.
Obiettivi
In questa esperienza viene usata un’antenna costituita da un fermaglio
per inviare questo classico messaggio e molto altro tramite un
collegamento wireless in RF. Il generatore di funzioni di NI ELVIS è il
trasmettitore e un Op Amp ad elevato guadagno viene usato come
 National Instruments Corporation
9-1
NI ELVIS – Introduzione
Lab 9
Comunicazione wireless in RF
ricevitore. Il classico messaggio viene formulato utilizzando il generatore
di forme d’onda arbitrarie di NI ELVIS.
Soft front panels (SFP) utilizzati in questa esperienza
Oscilloscopio (OSC) e generatore di forme d’onda arbitrarie (ARB).
Componenti utilizzati in questa esperienza
Un resistore da 1 kΩ (marrone, nero, rosso)
Due resistori da 100 kΩ (marrone, nero, giallo)
Un Op Amp 741 e un Op Amp FET 753
Fermaglio
NI ELVIS – Introduzione
9-2
 National Instruments Corporation
Lab 9
Esercitazione 9-1
Comunicazione wireless in RF
Il trasmettitore
Un fermaglio viene srotolato e tagliato a formare un pezzo lungo 2,5
pollici. Un’estremità viene inserita nel piedino di uscita del generatore di
funzioni. Quando FGEN è in funzione, la tensione di uscita passa dal
piedino all’antenna fermaglio e irradia un piccolo segnale in RF.
Un’antenna simile a circa un centimetro può rilevare questo segnale e
amplificarlo, creando un livello di segnale più alto.
Inizialmente utilizzeremo una sinusoide per testare il trasmettitore.
Impostate il generatore di funzioni su sinusoide, con ampiezza di 5 V e
frequenza di 10 kHz. Realizzate una semplice antenna a partire da un
fermaglio.
Fine dell’esercitazione 9-1
 National Instruments Corporation
9-3
NI ELVIS - Introduzione
Lab 9
Comunicazione wireless in RF
Esercitazione 9-2
Il ricevitore
Un secondo fermaglio è curvato a forma di gradino con il lato lungo circa
2,5 pollici, l’altezza di circa 1/4 di pollice e la larghezza di circa 1/2
pollice. Il lato corto è inserito in un alloggiamento della scheda prototipi.
La sezione centrale supporta l’antenna sulla scheda prototipi e consente di
ruotare l’antenna sul lato corto. Il lato lungo è verticale ed è parallelo
all’antenna trasmittente (vedi la figura sopra).
Un amplificatore ad elevato guadagno è realizzato utilizzando un Op
Amp 741 o un Op Amp 753 a FET in semplice configurazione invertente.
Collegate il resistore da 1 kΩ all’ingresso – (piedino 2) e collegate il
resistore di polarizzazione da 100 kΩ all’ingresso + (piedino 3) con l’altro
terminale collegato a Ground. Utilizzate l’altro resistore da 100 kΩ come
resistore di controreazione Rf. L’alimentazione è +15 V sul piedino 7 e –
15 V sul piedino 4. Il guadagno nominale dell’Op Amp è pari a 100. Altre
combinazioni di resistori consentono di ottenere guadagni più elevati.
L’antenna ricevente è collegata all’ingresso (piedino 3). L’uscita dell’Op
Amp, piedino 6, sarà collegata all’oscilloscopio. Realizzate questo
circuito sulla scheda prototipi di NI ELVIS.
Fine dell’esercitazione 9-2
NI ELVIS – Introduzione
9-4
 National Instruments Corporation
Lab 9
Esercitazione 9-3
Comunicazione wireless in RF
Prove sul trasmettitore e sul ricevitore
in RF
Viene usato un segnale sinusoidale per testare la coppia trasmettitorericevitore. Verificate i collegamenti, quindi alimentate la scheda prototipi.
Spostate l’antenna ricevente alcuni millimetri da quella trasmittente.
Collegate gli ingressi BNC del Channel A della workstation all’uscita
dell’Op Amp, Pin 6 e alla terra. Le impostazioni tipiche dell’oscilloscopio
sono:
Channel A BNC/Board
Trigger Settings FUNC_SYNC
Aumentate il guadagno dell’oscilloscopio finché vedete una sinusoide. Se
non potete vedere un segnale, toccate le punte delle antenne con le vostre
dita. Ciò simulerà l’elevata impedenza dell’atmosfera e consentirà ad un
piccolo segnale di propagarsi. Ora aggiustate l’ampiezza e la frequenza di
FGEN per ottenere un buon segnale. Misurate il livello del segnale
quando separate l’antenna ricevente da quella trasmittente. La separazione
può essere facilmente misurata con un righello. Potete avere rapidamente
un’idea di come il livello del segnale precipiti velocemente con la
distanza. Una lunga antenna aiuta, e Marconi, a Signal Hill, utilizzò un
aquilone per portare la sua antenna centinaia di piedi su nell’atmosfera.
Ora che il sistema trasmettitore-ricevitore sta funzionando, è ora di
duplicare il classico messaggio di Marconi.
Fine dell’esercitazione 9-3
 National Instruments Corporation
9-5
NI ELVIS - Introduzione
Lab 9
Comunicazione wireless in RF
Esercitazione 9-4 Il primo segnale transatlantico di Marconi
Il primo trasmettitore RF di Marconi consisteva in uno spinterometro
collegato ad un circuito risonante ed un’antenna molto lunga spesso
sollevata con un pallone o un aquilone. Quando una scintilla si scarica tra
gli elettrodi, viene generato un impulso RF di breve durata (alcuni
millisecondi). Ricordate che ci vogliono 30000 V per produrre una
scintilla tra elettrodi separati da un centimetro e la corrente può essere
grande. Una singola scintilla seguita da una pausa costituisce un punto.
Una scintilla più lunga seguita da una pausa costituisce una linea. Questi
erano gli ingredienti necessari per una trasmissione in codice Morse. La
lettera “S” è costituita proprio da tre punti in rapida successione. La
lettera “O” è costituita da tre linee in rapida successione. Il segnale di
soccorso S-O-S (Save Our Souls) è proprio:
punto-punto-punto
linea-linea-linea
punto-punto-punto
Per il primo messaggio transatlantico Marconi scelse il segnale più
semplice punto-punto-punto.
Fine dell’esercitazione 9-4
NI ELVIS – Introduzione
9-6
 National Instruments Corporation
Lab 9
Comunicazione wireless in RF
Esercitazione 9-5 Realizzazione di un segnale di test unico
con il generatore di forme d’onda arbitrarie
Un punto è un segnale, di solito un’oscillazione, seguita da silenzio
(assenza di segnale). Ciascuna parte dura circa 1/10 di secondo. Una linea
è un segnale che dura quanto tre punti, o 3/10 di secondo, seguito da una
pausa. Lo schema di codifica è un semplice pacchetto di toni con diverse
durate temporali. La lettera “S” viene codificata come punto-punto-punto
o in binario 101010 in cui 1 è il punto e 0 è la pausa. Un messaggio più
lungo consistente in più lettere come “SSS” ha una pausa più lunga (4/10
di secondo) inserita tra ogni lettera. Questo messaggio in binario è:
101010 0000 101010 000 101010 000
Se possiamo generare questa forma d’onda sul convertitore digitaleanalogico (DAC) di NI ELVIS, allora l’uscita del DAC può essere
utilizzata per comandare il generatore di funzioni. Il segnale del pacchetto
di toni generato da FGEN può irradiare il vostro messaggio al mondo
intero.
Dal pannello di avvio di NI ELVIS selezionate Arbitrary Waveform. Il
generatore di forme d’onda arbitrarie consente di creare forme d’onda
singole come il primo segnale di Marconi. Può essere utilizzato un
programma particolare chiamato Waveform Editor per creare tutti i tipi di
forme d’onda per la diagnostica e il controllo. Cliccando sul pulsante
Waveform Editor vi collegate a questo programma.
 National Instruments Corporation
9-7
NI ELVIS - Introduzione
Lab 9
Comunicazione wireless in RF
L’SFP [Arbitrary Waveform] fornisce il controllo di forme d’onda sulle
uscite DAC0 e DAC1. Cliccate sull’icona di navigazione accanto al
riquadro di Waveform Name del DAC0 . Dal menu waveform selezionate
il file 1Vsine1000.wdt. Quando cliccate sul pulsante di play del DAC0,
viene applicata al piedino del DAC0 una sinusoide di ampiezza di 1,0 V a
1000 Hz. Collegate l’ingresso Channel A dell’oscilloscopio al piedino del
DAC0. Quando viene premuto il pulsante [Play/Stop] del DAC0
osservate un segnale sinusoidale da 1 kHz sulla finestra
dell’oscilloscopio.
Nota Per una traccia stazionaria del segnale, effettuate il trigger su Channel A.
Tornate all’icona di navigazione del DAC0 e andate su Hands-On NI
ELVIS Library e selezionate Morse.wdt. Questo file fornisce la forma
d’onda corrispondente alla lettera “S” in codice Morse. Cliccate su Play
ed osservate questo segnale sull’oscilloscopio.
NI ELVIS – Introduzione
9-8
 National Instruments Corporation
Lab 9
Comunicazione wireless in RF
Per la trasmissione reale dovete cambiare il contenuto del riquadro
Update Rate e inserire 10000,0 S/s
Fine dell’esercitazione 9-5
 National Instruments Corporation
9-9
NI ELVIS - Introduzione
Lab 9
Comunicazione wireless in RF
Esercitazione 9-6 Una dimostrazione del segnale
trasmissione in RF di Marconi
di
Per completare la nostra stazione trasmittente, installate sulla scheda
prototipi un integrato 7408 (quad 2-input AND). Ponete l’alimentazione
(+5 V) al piedino 14 e Ground al piedino 7. Collegate l’uscita del DAC0
sulla scheda prototipi di NI ELVIS al piedino 1 dell’IC 7408. Collegate
l’uscita FGEN al piedino 2 dell’IC 7408. Il trasmettitore, piedino 3
dell’IC 7408 è collegato all’antenna trasmittente costituita dal fermaglio.
Ora configurate l’SFP del generatore di funzioni per livelli di uscita TTL.
Selezionate
Amplitude
→
2,2 V
Offset
→
2,5 V
Waveform
→
Square
Frequency
→
1 kHz
Potete osservare sull’oscilloscopio i segnali trasmessi e ricevuti,
Channel A va sul piedino 3 del chip 7408 (segnale trasmettitore)
e Channel B va sul piedino 6 dell’Op Amp (segnale ricevitore).
Trigger su Channel A
Dovreste essere in grado di vedere il messaggio trasmesso “S” su Channel
A e il segnale ricevuto su Channel B.
Fine dell’esercitazione 9-6
NI ELVIS – Introduzione
9-10
 National Instruments Corporation
Lab 9
Comunicazione wireless in RF
Approfondimenti
Ascoltare per credere
Con un po’ più di guadagno lato ricevitore ed una conversione del segnale
in corrente, potete pilotare un piccolo altoparlante per ascoltare un debole
ma chiaro “bip-bip-bip-pausa-bip-bip-bip”. Raccogliete la sfida.
 National Instruments Corporation
9-11
NI ELVIS - Introduzione
Lab 10
Movimento meccanico
La nostra capacità di trasformare segnali elettrici in un movimento nel
mondo reale, abbinata alla nostra capacità di misurare la posizione,
consente di sfruttare la potenza del computer per generare automazione,
causa della maggior parte delle comodità del mondo moderno.
Obiettivi
In questa esperienza viene utilizzata la possibilità di NI ELVIS di
generare un’alimentazione variabile per avviare e controllare la velocità
di un piccolo motore in DC. Modificando un collegamento ottico IR nello
spazio libero, verrà realizzato un tachimetro per misurare la velocità del
motore. Abbinando al motore e al tachimetro un programma in LabVIEW
si otterrà l’automazione del sistema.
 National Instruments Corporation
10-1
NI ELVIS – Introduzione
Lab 10
Movimento meccanico
Soft front panels (SFP) utilizzati in questa esperienza
Alimentazione variabile VPS, oscilloscopio OSC e LabVIEW.
Componenti utilizzati in questa esperienza
Resistore da 1 kΩ (marrone, nero, rosso)
Resistore da 10 kΩ (marrone, nero, arancione)
Modulo LED a IR/fototransistor
Motore in DC
NI ELVIS – Introduzione
10-2
 National Instruments Corporation
Lab 10
Esercitazione 10-1
Movimento meccanico
Signori, avviate i motori!
Potete acquistare per pochi euro un piccolo motore in DC, come il motore
Radio Shack SR65S che potete trovare in molti negozi di elettronica o di
hobbystica. Questo motore richiede una sorgente di alimentazione da 0 a
12 V, producendo un numero massimo di RPM (giri al minuto) pari a
15000 a 12 V. Senza carico la richiesta di corrente è di circa 300 mA. La
VPS di NI ELVIS può fornire fino a 500 mA a 12 V. Inoltre, cambiando
la polarità della tensione applicata, si può cambiare la direzione di
rotazione del motore. Collegate un motore DC ai terminali di uscita VPS+
(Supply+ e Ground).
Avviate NI ELVIS e selezionate Variable Power Supply.
Fate un test con il motore sia tramite i controlli del pannello frontale della
workstation, sia tramite i controlli virtuali del SFP.
Fine dell’esercitazione 10-1
 National Instruments Corporation
10-3
NI ELVIS - Introduzione
Lab 10
Movimento meccanico
Esercitazione 10-2
Il tachimetro
Utilizzando un LED a IR ed un fototransistor o un modulo integrato
LED/fototransistor, si può realizzare un semplice sensore di movimento.
Inserite sulla scheda prototipi i componenti mostrati nello schema
circuitale della figura sottostante. Nel caso di un modulo
LED/fototransistor, viene utilizzato un LED interno come sorgente ottica,
con alimentatazione di +5 V. Osservate che viene utilizzato un resistore
da 1 kΩ in serie con il LED per limitare la corrente. Un resistore da 10
kΩ viene collegato dall’emettitore del fototransistor a terra e la stessa
alimentazione viene riportata al collettore del fototransistor. La tensione
sviluppata ai capi del resistore da 10 kΩ costituisce il segnale del
fototransistor o del tachimetro. Collegate i puntali dal resistore da 10 kΩ
ai piedini ACH4+ e ACH4-.
Selezionate Oscilloscope dal pannello di avvio di NI ELVIS e quindi
eseguite le impostazioni come in figura:
Gli ingressi ACH4 sono la stessa sorgente del BNC/Board CH B della
scheda prototipi.
Nota
NI ELVIS – Introduzione
10-4
 National Instruments Corporation
Lab 10
Movimento meccanico
Alimentate la scheda prototipi ed avviate l’SFP Oscilloscope.
Utilizzate un pezzo di carta e passatelo attraverso il sensore di movimento
a IR. Dovreste veder cambiare la traccia dell’oscilloscopio (HI-LO-HI)).
Con un pezzo sottile di carta dovreste essere in grado di catturare
l’impulso generate quando lo trascinate attraverso il sensore. Provate con
un pettine con molti denti. Trascinandolo attraverso il sensore esso
genererà un treno di impulsi. Potete anche spostarlo avanti e indietro
come una sega per generare un flusso continuo di impulsi, come mostrato
sopra.
Fine dell’esercitazione 10-2
 National Instruments Corporation
10-5
NI ELVIS - Introduzione
Lab 10
Movimento meccanico
Esercitazione 10-3
Realizzazione di un sistema rotante
Un sistema rotante dimostrativo consiste in un motore DC controllato da
un’alimentazione variabile e da un sensore di movimento a IR configurato
come tachimetro. Per completare il tachimetro, è necessario fissare un
disco di circa 2 pollici di diametro all’asse del motore. Tagliate il disco a
partire da un pezzo sottile ma resistente di plastica. Tagliate un pezzo
(slot) largo circa 1/4 di pollice e profondo 1/4 di pollice vicino al
perimetro del disco. Create un piccolo foro al centro del disco. Ora
incollate il disco sulla parte terminale dell’asse del motore. Ora montate il
motore in maniera tale che lo slot sia allineato con il fascio del
trasmettitore/ricevitore a IR. Durante il funzionamento ogni giro genererà
un impulso.
Fine dell’esercitazione 10-3
NI ELVIS – Introduzione
10-6
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Lab 10
Esercitazione 10-4
Movimento meccanico
Prove sul sistema rotante
Alimentate la scheda prototipi ed avviate il motore manualmente dal
controllo VPS della workstation. Regolate la posizione del motore
affinché il disco non tocchi lo slot del sensore. Osservate la traccia
dell’oscilloscopio cioè gli impulsi generati dal motore rotante.
Utilizzando l’opzione di misura del Channel B [MEAS], effettuate misure
di frequenza per diversi livelli di alimentazione. Un grafico della
frequenza rispetto alla tensione VPS dimostrerà la linearità del nostro
sistema rotante.
Chiudete NI ELVIS e tutti gli SFP.
Fine dell’esercitazione 10-4
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10-7
NI ELVIS - Introduzione
Lab 10
Movimento meccanico
Esercitazione 10-5
Misurazione di RPM con LabVIEW
LabVIEW possiede diversi VI che si trovano nella palette Functions»All
Functions»Waveform»Waveform Measurements. Essi sono utili per la
misura di intervalli di tempo di forme d’onda continue. Il Pulse
Measurements.vi può misurare il periodo, la durata dell’impulso o il
duty cycle da un array di forme d’onda.
Se state usando LabVIEW 7.0 potete utilizzare i modelli Express per
Timing and Transitions Measurements.
Nota
La misura di periodo può essere convertita in giri al minuto (RPM)
invertendo il periodo per ottenere la frequenza e poi moltiplicando il
risultato per 60. Per ottenere i kRPM divideremo per mille.
Avviate LabVIEW ed aprite il programma RPM.vi dalla Hands-On NI
ELVIS Library. Aprite lo schema a blocchi e studiate il programma.
I VI DAQ vengono utilizzati per campionare il segnale del tachimetro e
fornire un array di segnali d’ingresso a Pulse Measurements.vi. il
segnale RPM viene inviato al misuratore del pannello frontale e
visualizzato in unità kRPM. Il segnale RPM va anche ad un registro a
scorrimento di 5 elementi. Ciò fornisce un segnale RPM medio sul
pannello frontale.
NI ELVIS – Introduzione
10-8
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Lab 10
Movimento meccanico
La velocità del motore viene controllata manualmente dal potenziometro
del pannello frontale etichettato [Setpoint]. Sempre disponibile sul
pannello frontale c’è un grafico del segnale del tachimetro in funzione del
tempo.
Avviate questo VI e il motore. Osservate ed ascoltate quanto prontamente
risponde il motore ad una rapida variazione di un valore impostato di
RPM.
Fine dell’esercitazione 10-5
Approfondimenti
Automazione completa di un sistema rotante
National Instruments fornisce un PID Toolkit che possiede ulteriori VI
per aggiungere automazione al nostro sistema rotante. PID sta per
proporzionale, integrale e differenziale. Questi algoritmi di controllo
spostano un sistema da un valore impostato (RPM iniziale) ad un altro
(RPM finale) in maniera ottimizzata. L’aggiunta di un singolo VI
(PID.vi) consente un controllo ottimale del nostro programma.
L’algoritmo confronta l’RPM obbiettivo (RPM finale) con quello corrente
(segnale RPM medio) per generare un segnale di errore in DC che pilota
l’alimentazione variabile. I parametri d’integrazione e di derivazione
vengono utilizzati per regolare l’alimentazione VPS in maniera graduale
da una misura ad una successiva.
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10-9
NI ELVIS - Introduzione
Lab 10
Movimento meccanico
Per chi ha più familiarità con i controlli, può essere utilizzato un altro VI
(PID Autotuning.vi) per impostare automaticamente i parametri
iniziali del PID. Quindi si possono regolare in maniera più accurata i
parametri per il vostro sistema specifico. Verificatelo sul sito ni.com.
Non pensavo che l’automazione basata su computer fosse così semplice.
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10-10
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