Esercitazione 4 Caratterizzazione e misure su circuiti digitali 1

Modulo SISTEMI ELETTRONICI
AA 2004-05
ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 4
Esercitazione 4
Caratterizzazione e misure su circuiti digitali
1. Introduzione
Scopo dell’esercitazione
Gli obiettivi di questa esercitazione sono:
- Misurare i parametri elettrici di porte logiche,
- Verificare le differenze tra le diverse famiglie di porte logiche.
Gli homework da preparare prima di iniziare la parte sperimentale sono calcoli e simulazioni
dei circuiti su cui vengono eseguite le misure.
Moduli e strumenti da utilizzare
I circuiti richiesti sono premontati; durante l’esercitazione devono solo essere collegati gli
strumenti (alimentatore, generatore di segnale all’ingresso e oscilloscopio doppia traccia sui
punti di misura).
Viene utilizzato il modulo A6 CIRCUITI LOGICI.
Esecuzione delle misure
Per ciascuna misura viene utilizzato uno dei circuiti premontati sul modulo sperimentale,
predisposto secondo la configurazione indicata.
Note:
Anche in questa esercitazione vengono utilizzati circuiti attivi (richiedono alimentazione).
Utilizzare una tensione di alimentazione di 5V nominali, ricavata da una delle sezioni a
tensione variabile (alcune misure richiedono di variare l’alimentazione). Rivedere le
avvertenze generali sull’uso degli alimentatori nelle esercitazioni precedenti.
Anche nel caso in cui vengano utilizzati i circuiti premontati (dotati di protezioni sugli ingressi
dei circuiti logici), verificare i livelli del segnale fornito dal generatore esterno PRIMA di
collegarlo al circuito. Ricordare che tensioni esterne al campo individuato dalle alimentazioni
(massa-5V in questo caso) possono danneggiare i circuiti integrati.
Per evitare danni al circuito U4, predisporre l’interruttore 10 in posizione 1 PRIMA di dare
alimentazione. Portarlo in posizione 2 solo quando richiesto nell’esperienza 2.4.
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2. Misure e simulazioni
2.1 –Transcaratteristica e parametri elettrici di porte logiche
Predisposizione del modulo
Utilizzare il modulo denominato Carico Variabile.
Il circuito da caratterizzare è riportato in figura:
Tabella selettori:
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
1 - connessione uscita a GND
2 - connessione uscita a +5V
1 - selezione connessione verso uscita di R da
330Ω e 100Ω
2 - selezione connessione verso uscita di R da
10kΩ e 1kΩ
1 – connessione verso uscita di R da 100Ω
2 - connessione verso uscita di R da 330Ω
1 – connessione verso uscita di R da 1kΩ
2 - connessione verso uscita di R da 10kΩ
1 – connessione al carico di U5A e U6A
2 – connessione al carico di U3A e U4A
1 – connessione al carico di U4A
2 – connessione al carico di U3A
1 – connessione al carico di U6A
2 – connessione al carico di U5A
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Homework
Simulare con Pspice il comportamento del circuito applicando in ingresso un’onda triangolare.
Tracciare le tensioni di uscita delle varie porte, nelle condizioni di carico indicate per
l’esecuzione delle misure.
Misure
Come per tutti i circuiti con alimentazione, ricordare di alimentare prima l’integrato, poi
applicare il segnale in ingresso. Utilizzare una tensione di alimentazione di 5 V nominali
(vedi note all’inizio di questa guida).
Caricare le porte con la resistenza da 10kΩ connessa verso massa (selettori S1=1, S2=2,
S4=2,).
Transcaratteristica
1. Regolare il generatore di segnali in modo tale che produca una forma d’onda triangolare,
con frequenza di 1 kHz circa e tensione compresa tra 0 V e la tensione di alimentazione
(agire opportunamente sui comandi di ampiezza e offset del generatore).
Dopo aver controllato con l’oscilloscopio che il segnale sia corretto, collegare l’uscita del
generatore all’ingresso delle porte logiche (J1).
2. Collegare il canale 1 dell’oscilloscopio all’ingresso delle porte logiche (J2) e il canale 2
all’uscita (J3). Con l’oscilloscopio in modalità standard (Y,t) verificare la presenza dei
segnali di ingresso e di uscita
3. Selezionare la modalità XY dell’oscilloscopio (negli oscilloscopi analogici abbassare la
luminosità dello schermo per non bruciare i fosfori del tubo catodico).
4. Visualizzare le transcaratteristiche Vo(Vi) delle porte logiche HCT04, HC04 e LS04
(selezionare la porta su cui eseguire le misure operando sui selettori S5, S6 e S7).
5. Riportare su grafici quotati le forme d’onda osservate.
6. Individuare e discutere le differenze tra le transcaratteristiche delle porte.
Effetti della tensione di alimentazione
1. Modificare l’alimentazione (con cautela – variazioni massime del - 40% + 20%) e
verificare cosa si modifica nelle forme d’onda di uscita e sulle transcaratteristiche.
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Caratteristica V(I) di uscita
Inizialmente eseguire le misure complete indicate in questo punto solo per la porta HC nello
stato di uscita alto; ripetere le misure per lo stato basso e per la porta LS (operazioni indicate
tra [ ]) dopo aver completato i punti successivi di questa esercitazione.
1. Riportare l’alimentazione al valore nominale (5 V), e tornare con l’oscilloscopio in
modalità (y,t).
Applicare all’ingresso un segnale a onda quadra con livelli esterni a VIH, VIL (e tali da non
danneggiare i componenti).
2. Fare riferimento allo schema iniziale del punto 2.1 e alle figure seguenti:
Connettendo alternativamente le 4 resistenze di uscita (operando sui selettori S2, S3 e
S4), ricavare il grafico VO(IO) per lo stato H [per lo stato L] per le porte HC04 [LS04]
(interpolare l’andamento dai 4 valori misurati). Per lo stato L connettere le resistenze a
+5V, per lo stato H connetterle a GND (selettore S1). Calcolare la corrente IO come
rapporto tra la caduta di tensione sulla resistenza di pull-up o pull-down e il valore della
resistenza stessa.
VO [V]
VAL
VOH
IOH
IO [mA]
Dai grafici e dai valori delle IOH ed IOL riportati sui DataSheet ricavare i valori delle VOH e VOL.
Discutere i motivi dei diversi comportamenti delle varie porte logiche.
La porta U5A è un Trigger di Schmitt invertente; la sua caratteristica Vo(Vi) presenta isteresi.
Per questo componente:
1. Verificare l’effettiva presenza di isteresi all’ingresso della porta e riportare il grafico di ciò
che si osserva sull’oscilloscopio, commentandone l’andamento.
2. Verificare il comportamento delle soglie del trigger al variare dell’alimentazione.
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2.2 –Caratteristiche di porte Open Collector e Totem Pole.
Predisposizione del modulo
Il circuito da caratterizzare è riportato in figura:
J15
U4B - 74HC04
J14
J29
J16
U5B - 74HC14
15 kΩ
74HC14
P1
J17
+5 V
U7A - 74HC05
10 kΩ
10 nF
S8
Tabella interruttori (1 = Aperto 2 = Chiuso)
S8
Aperto - resistenza 10 kΩ non connessa a +5V
Chiuso - resistenza 10 kΩ connessa a +5V
Homework
Calcolare la frequenza di oscillazione dell’oscillatore in ingresso.
Misure
Per le misure non è necessario il generatore di segnali in quanto l’ingresso è generato
direttamente dalla porta NOT UC5 connessa in modo da ottenere un circuito astabile (la
forma d’onda generata corrisponde ad un’onda quadra con frequenza di circa 10 kHz;
verificarlo sul punto di test J14).
1. Tenere l’interruttore S8 aperto e verificare la differenza tra le forme d’onda osservate alle
uscite delle diverse porte logiche (punti di test J15, J16, J17).
2. Si verifichi che l’uscita della porta Open Collector U7A non va a un livello di tensione
corretto per lo stato alto. Toccare con un dito l’uscita della porta in modo da iniettare un
rumore e notare che per lo stato L la tensione di uscita va a un valore corretto, mentre
nello stato H rimane libera.
3. Chiudere l’interruttore S8 in modo tale da connettere la resistenza da 10 kΩ
all’alimentazione. Verificare il corretto funzionamento di U7A.
4. Misurare il tempo di salita e quello di discesa.
5. Confrontarli con quelli delle uscite delle porte U4B e U5B.
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2.3 – Misura del ritardo di inverter integrati.
Un numero dispari di inverter collegati a catena richiusa su se stessa forma un oscillatore: le
variazioni di stato logico in uscita vengono riportate all’ingresso con inversione e con un
ritardo corrispondente alla somma dei tempi di propagazione. L’oscillatore ad anello (ring) di
inverter permette così di misurare il ritardo della singola porta logica.
J4
Predisposizione del modulo
Le misure vanno eseguite su due
catene di inverter delle famiglie HC
(circuito Ring Oscillator 1) ed AC
(circuito Ring Oscillator 2) connessi
come riportato in figura. Non ci
sono interruttori.
J5
J6
J7
J8
74HC04
Ring
Oscillator 1
J26
J25
J10
J9
J11
J12
J13
74AC04
Ring
Oscillator 2
J27
J28
Misure
Misurare i tempi di ritardo sulle due cascate da 5 inverter.
1. Misurare la frequenza di oscillazione, e da questa il ritardo complessivo della catena.
Dividerlo per il numero di componenti, per ottenere il ritardo del singolo inverter. Dato
che ogni elemento della catena è invertente, la misura complessiva corrisponde ad
una serie di tPHL e tPLH.
2. Eseguire la misura sia con le sonde dell’oscilloscopio, sia con un cavo diretto.
Verificare le differenze. Il cavo diretto introduce un carico capacitivo che varia i ritardi;
usando le sonde su entrambi i canali il sistema di misura è più simmetrico (stesso
ritardo e stesse condizioni operative per i due canali).
3. Misurare dove possibile i ritardi intermedi.
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2.4 – Effetti degli ingressi logici aperti (floating).
Predisposizione del modulo
Per evitare danni al circuito U4, predisporre S10 in
posizione 1 PRIMA di dare alimentazione. Portarlo in
posizione 2 solo nei punti 3, 4 e 5 delle misure.
Riportarlo in 1 a misure concluse
J18
2 S9
Le misure vanno eseguite utilizzando le porte riportate
nella figura a lato.
1
Tabella selettori:
J22
S9
S10
1 - ingresso di U6B a GND
2 - ingresso di U6B a J18 (aperto)
1 - ingresso di U4C a GND
2 - ingresso di U4C a J22 (aperto)
2 S10
J20
U6B– 74LS04
J19
U4C- 74HC04
1
Misure
1. Connettere le porte a GND (S9=S10=1) e verificare di avere le uscite a 1 logico.
2. Commutare gli ingressi su J18 e J22 e collegare agli ingressi un filo lungo circa 20cm.
3. Portare S10 e S9 in posizione 2. Lasciare il filo sconnesso (floating) e verificare gli effetti
sulle uscite (J20 e J19).
4. Prendere tra le dita l’estremità libera del filo e con l’altra mano toccare prima VCC, poi
GND e poi l’uscita delle porte. Giustificare i diversi comportamenti riscontrati.
5. Passare un corpo carico (penna di plastica strofinata su di un panno) in prossimità degli
ingressi e notare cosa capita in uscita. Non toccare direttamente i morsetti per evitare di
danneggiare i componenti. Giustificare il diverso comportamento delle due uscite.
Avvertenza:
La sonda dell'oscilloscopio ha una impedenza equivalente di 10 Mohm. Se collegata
all'ingresso di una porta CMOS, lo porta a massa (stato logico L) attraverso questa
impedenza. Per eseguire le osservazioni dei punti 3, 4 e 5, l'ingresso deve essere
effettivamente aperto; pertanto NON collegare sonde agli ingressi delle porte.
Nota:
I componenti CMOS hanno ingressi ad altissima impedenza, pertanto un ingresso CMOS
aperto si porta a una tensione che dipende dai campi elettrici esterni. Se questa tensione ha
un valore intermedio tra Vih e Vil (prossima alla tensione di soglia), anche l’uscita può portarsi
a un livello intermedio tra Voh e Vol (non è più applicabile il modello dell’uscita vista come
deviatore tra Val e GND). In queste condizioni il circuito può assorbire una corrente anche
molto elevata, e dissipare potenze tale da danneggiarlo. Per questo motivo non bisogna mai
lasciare ingressi CMOS scollegati. Gli ingressi di logiche bipolari lasciati aperti si portano allo
stato H (1). In questo caso non vi è rischio di dani al componente, ma è comunque
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necessario collegare l’ingresso a un livello opportuno per garantire il corretto funzionamento
del sistema.
Inoltre, quanto descritto ai punti 4 e 5 è giustificato per una esperienza di laboratorio, ma va
assolutamente evitato su un circuito reale. Toccando gli ingressi di un circuiti integrato gli si
applica una tensione statica (anche molto elevata), che può danneggiarlo in modo
permanente. Questo vale per tutti i circuiti; i CMOS sono più delicati e vanno maneggiati con
maggior cura.
Nel manipolare circuiti integrati e piastre elettroniche è buona norma eliminare le cariche
statiche, toccando i telai metallici o altri parti a massa del sistema in cui è inserita la piastra, o
poggiando l’integrato su un piano conduttore collegato a massa, e toccando tale piano prima
di prendere in mano il componente. In ogni caso, manipolando componenti elettronici, è
opportuno evitare di toccare i piedini.
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Modulo per la relazione
Esercitazione 4: Caratterizzazione e misure su circuiti digitali
Data:
Gruppo ………; composizione:
ruolo
nome
firma
Strumenti utilizzati
strumento
Generatore di segnali:
Marca e modello
caratteristiche
Oscilloscopio
Alimentatore
Circuito premontato
Descrizione sintetica degli obiettivi
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Risultati delle misure
5.1 – Misura transcaratteristiche e parametri di porte logiche
Transcaratteristiche misurate in modalità XY
VU3A [V]
VIN [V]
VU4A [V]
VIN [V]
VU6A [V]
VIN [V]
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Differenze tra le transcaratteristiche delle varie porte.
Variazioni derivanti dalla modifica della tensione di alimentazione.
Grafici di VO su IO delle porte U4A
VO [V]
IO [mA]
Grafici di VO su IO delle porte U6A
VO [V]
IO [mA]
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Valori di VOH e VOL delle porte
Effetto di diversi carichi su VOH e VOL.
Considerazioni sull’isteresi della porta U5A.
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5.2 – Misura caratteristiche di porte Open Collector e Totem Pole.
Differenza tra le forme d’onda osservate alle uscite delle diverse porte logiche sui punti di test
J15, J16, J17.
Considerazioni sul comportamento dell’uscita della porta Open Collector .
Tempi di salita di U7A e confronto con quelli delle uscite delle porte U4B e U5B.
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5.3 –Misura del ritardo di inverter integrati.
Ritardo complessivo misurato
Differenze riscontrate nelle misure con e senza le sonde dell’oscilloscopio
Ritardi intermedi misurati
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5.4 – Studio degli effetti sull’uscita di porte logiche con ingressi floating
Effetti col filo disconnesso (floating). Considerazioni.
Ingressi connessi tramite le dita a VCC poi GND e poi l’uscita delle porte. Diversi
comportamenti riscontrati e loro giustificazioni.
Corpo carico in prossimità degli ingressi. Giustificare il comportamento delle uscite.
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Storia del documento
Rev
Rev
Rev
Rev
Rev
Rev
Rev
Rev
Rev
06.01.2002 DDM
10.01.2002 DDM
13.01.2002 DDM
17.01.2002 DDC
27.11.2002 DDC-FR
07 01 2004 DDC
21 11 2004 DDC
29 11 2004 DDC
07 12 2004 DDC
bozza con primi schemi ottenuti
completamento con schemi definitivi
variazioni segnalate da DDC e MZ
revisioni varie
Esercitazione 6 Esercitazione 5, revisioni varie
revisioni varie
piccole correzioni
piccole correzioni, portata a Eserc 4
riduzione caratt uscita e nota ingr aperti
Documenti collegati
Selabman1.doc
74HC04.pdf
74HC_FAMILY.pdf
74LS04.pdf
manuale generale per le esercitazioni di laboratorio
DataSheet 74HC04
DataSheet famiglia 74HC
DataSheet 74LS04
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