SCH 33
Obiettivi
Voltmetro a 3 digit
Comprendere il funzionamento dei convertitori V/f
Saper effettuare misure di collaudo
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IC1 = CA 3162 A/D converter for 3-Digit Display
IC2 = CA 3161 BCD to seven segment decoder/driver
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Strumenti e
componenti
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T1 ÷ T3 BC 177 Low power PNP transistor
RV1 = 50 kΩ Trimmer multigiri; RV2 = 10 kΩ Trimmer multigiri
C1 = 100 nF Condensatore poliestere; C2 = 0,27 µF Condensatore
poliestere
3 display anodo comune TIL 321 (o equivalente)
VCC = 5 V
Il circuito
Il voltmetro rappresentato nello schema elettrico di Fig. 33.1 è in grado di misurare tensioni
continue in un range di valori compresi tra 0 e 999 mV. La portata di questo strumento può essere
facilmente estesa fino a 100 V c.c. utilizzando un attenuatore di ingresso formato da un partitore
resistivo di precisione del tipo rappresentato in Fig. 33.2. Il circuito è costituito dai seguenti blocchi:
un convertitore A/D
uno stadio di decodifica per display a 7 segmenti ad anodo comune
un visualizzatore con 3 display a 7 segmenti a LED.
Il convertitore A/D utilizzato è l’integrato CA 3162, un convertitore a doppia rampa che contiene al
suo interno anche il circuito di conteggio in BCD a tre decadi con sistema di multiplexaggio delle
uscite. Questo integrato è in grado di convertire la tensione continua applicata al suo ingresso in
una serie di impulsi che vengono poi conteggiati da un blocco di conteggio a tre decadi, interno
all’integrato. Il risultato del conteggio delle tre decadi viene trasferito sulle quattro uscite DCBA con
un sistema multiplexato: sulle quattro uscite DCBA compaiono sequenzialmente, in base a un
clock interno di frequenza 384 Hz, i valori delle uscite dei tre contatori decadici presenti nel
dispositivo. Contemporaneamente allo scorrere dei risultati del conteggio sulle 4 uscite DCBA,
sulle 3 uscite digit select outputs sono presenti i segnali di abilitazione per i display del circuito di
decodifica e visualizzazione. Il funzionamento elementare può essere descritto in questo modo:
quando sulle quattro uscite DCBA compaiono i dati della decade meno significativa si attiva la
linea LSD, quando sono presenti i dati della decade più significativa si attiva la linea MSD, così
anche per l’altra decade (NSD). Questi segnali vengono utilizzati per abilitare attraverso i BJT i
rispettivi display in modo tale che quando sulle uscite DCBA sono presenti i dati di una certa
decade sei abilitato solo il display corrispondente.
Lo schema completo del voltmetro è in Fig. 33.1. Il circuito di decodifica per pilotare i display a
LED ad anodo comune è costituito dall’integrato CA 3161. Questa decodifica contiene un buffer di
uscita che alimenta i segmenti con una corrente costante di 25 mA.
Fig. 33.1 Il voltmetro è in grado di misurare tensioni continue nel range compreso tra 0 e 999 mV.
I tre display, collegati in parallelo alle uscite a...g del convertitore, vengono abilitati in sequenza
dalle uscite digit driver attraverso i BJT PNP in funzionamento ON/OFF che collegano gli anodi dei
singoli display alla tensione di alimentazione.
La tensione massima che può essere applicata all’ingresso del convertitore A/D è 999 mV,
pertanto questo valore rappresenta la portata di questo strumento. Se viene superato tale valore
sui display compare l’indicazione “EEE” che segnala la condizione Overrange.
Lo strumento è in grado di misurare anche tensioni negative (pin 11 a potenziale inferiore al pin
10), perdendo però in questo caso un digit, in quanto la prima cifra di sinistra (MSD) verrebbe
utilizzata per l’indicazione “-”. Le caratteristiche essenziali dello strumento proposto sono la
semplicità e l’economicità della realizzazione;
viene
impiegato
principalmente
come
strumento da pannello o come tester portatile.
L’aggiunta del partitore riportato in Fig. 33.2
consente di estendere le prestazioni dello
strumento. Attraverso tale partitore, che deve
essere realizzato con resistori di elevata
precisione, la tensione Vx da misurare può
essere attenuata di un fattore 10 o 100
ottenendo in tal modo 3 portate: 1, 10 V, 100
V.
Fig. 33.2 Questo partitore consente di aumentare la portata del voltmetro: la Vx risulta attenuata di
10 o di 100 nelle due portate aggiuntive.
I componenti
CA 3162
L’integrato CA 3162 è un convertitore A/D a doppia rampa che converte la tensione continua
applicata al suo ingresso in un segnale digitale BCD a 3 digit su uscite multiplexate. È progettato
per essere utilizzato insieme al decoder/driver CA 3161 con il quale, con l’aggiunta di pochi
componenti esterni, costituiscono un misuratore completo a 3 digit.
In Fig. 33.3 è riportato lo schema a blocchi dell’integrato. In esso si individuano facilmente i blocchi
tipici dei convertitori A/D ad integrazione. Il convertitore V/I converte il valore di tensione applicato
all’ingresso, tra in pin 11 e 10, in una corrente che carica per un tempo determinato il
condensatore dell’integratore collegato tra il pin 12 e l’alimentazione (integrating capacitor).
Terminato l’intervallo di carica, il condensatore viene scaricato attraverso un generatore di corrente
costante. Durante la fase di scarica, che è proporzionale al valore della tensione applicata, al
contatore vengono applicati impulsi di clock generati da un oscillatore interno. Il conteggio di tali
impulsi fornisce la misura della tensione applicata.
Attraverso il pin 6 è possibile stabilire la frequenza di campionamento del convertitore: collegato a
5 V vale 96 Hz, collegato a massa vale 4 Hz.
Fig. 33.3 Schema a blocchi del CA 3162 (da Intersil databook)
CA 3161
Il CA 3161 è un decoder da BCD a 7 segmenti per display a LED ad anodo comune. È munito di
un buffer di uscita in grado di alimentare con corrente costante i segmenti del display. Le sue
caratteristiche principali sono:
ingressi TTL compatibili
corrente costante di 25 mA per segmento
pin compatibile con altri decoder
bassa dissipazione di potenza in standby
Lo schema a blocchi è riportato in Fig. 33.4
Fig. 33.4 Schema a blocchi del decoder/driver CA 3161 (Intersil databook)
Realizzazione e collaudo
Lo schema di Fig.33.1 è utilizzabile unicamente per misurare tensioni positive comprese tra 0 e
999 mV, quindi l’indicazione sui display è diretta e non è necessario prevedere i punti decimali.
Come detto in precedenza è possibile estendere la portata dello strumento attraverso l’attenuatore
riportato in Fig. 33.2. Nel caso si utilizzi tale soluzione, per la portata 10 V occorre predisporre il
punto decimale tra il primo digit (MSD) e il secondo (NSD). In tal modo lo strumento sarà in grado
di misurare tensioni fino a 9,99 V. Nel caso si utilizzi la portata 100 V occorre predisporre il punto
decimale tra il secondo digit (NSD) e il terzo (LSD). In tal modo lo strumento sarà in grado di
misurare tensioni fino a 99,9 V. Per attivare il punto decimale è necessario collegare il catodo
corrispondente a massa attraverso una resistenza di 150 Ω.
Per la taratura dello strumento sono previsti due trimmer, RV1 (zero adj) e RV2 (gain adj).
Il condensatore di bypass da 100 nF serve ad eliminare i disturbi presenti sull’alimentazione e va
collocato il più vicino possibile ai terminali VCC e GND dell’integrato CA 3162.
La taratura si esegue nel seguente modo:
1. si collega inizialmente a massa l’ingresso del voltmetro, pin 11 del CA 3162, con un
collegamento il più corto possibile per evitare che possa captare disturbi;
2. si regola il trimmer multigiri zero adj fino ad ottenere l’indicazione “000” sui display;
3. si rimuove il collegamento dell’ingresso verso massa e si applica una tensione continua
di 900 mV, misurata con uno strumento di buone caratteristiche, assunto come
campione;
4. si regola il trimmer gain adj fino ad ottenere sui display la medesima indicazione “900”
5. si ripetono le operazioni descritte nei 2 punti iniziali per verificare che permanga la
regolazione.
Effettuata la taratura sui due valori, si può valutare la linearità del voltmetro applicando al suo
ingresso valori compresi tra 0 e 999 mV e confrontando i risultati con quelli dello strumento
assunto come campione.
