Modulo SISTEMI ELETTRONICI
ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 1
Esercitazione 1 Misure e simulazioni su circuiti RC e RLC
1. Introduzione
Scopo dell’esercitazione
Questa esercitazione sperimentale ha due obiettivi principali:
- fornire le tecniche di base per l’utilizzo del simulatore PSPICE e verificare tramite
simulazione i risultati ottenuti con calcoli e misure.
- verificare il comportamento di celle RC e RLC di vario tipo, confrontando i risultati dei
calcoli, delle simulazioni e delle misure.
La relazione dell’esercitazione è già predisposta e va solo completata nei campi che riportano
i risultati delle misure, delle simulazioni e dei calcoli, oltre ai dati specifici di ciascun banco.
L’esercitazione richiede il preventivo svolgimento di homework (calcoli). Per completare
l’esercitazione e la relazione nei tempi previsti, tali attività devono essere completate PRIMA
di iniziare il lavoro sperimentale in laboratorio.
Moduli e strumenti da utilizzare
I circuiti richiesti sono premontati; durante l’esercitazione devono solo essere collegati gli
strumenti (generatore di segnale all’ingresso e oscilloscopio sui punti di misura).
Viene utilizzato solo il modulo A1 (PASSIVI).
Nota:
Qualunque relazione di misure sperimentali deve contenere informazioni che permettano di
ricostruire la situazione in cui sono state eseguite le misure. E’ quindi necessario specificare
le caratteristiche degli strumenti usati (marca, modello, serial number). Prima di avviare le
misure deve essere verificata (almeno qualitativamente) la funzionalità degli strumenti e la
rispondenza dei dati di targa a quanto richiesto per l’esperimento. Nella bozza di relazione per
questa prima esperienza alcuni di questi dati sono precompilati (dati minimi, validi per la
maggior parte degli strumenti a disposizione).
Per l’esercitazione occorre disporre del programma MicroSim Schematics – Evaluation
Version 8. Il programma è di libero utilizzo, e può essere scaricato dall’indirizzo
http://ladispe.eln.polito.it/main/materiale.asp
Lo stesso simulatore è disponibile nei laboratori didattici (LADISPE). Questo documento
costituisce la guida allo svolgimento dell’intera esercitazione. Per quanto riguarda in
particolare l’uso di PSPICE, occorre riferirsi al fascicolo
Introduzione all’utilizzo di MicroSim Schematics (scaricabile dal sito di Sistemi
Elettronici), utilizzabile come manualetto di riferimento anche per l’uso del simulatore nelle
esercitazioni successive ed in altri casi non previsti dalle esercitazioni.
Predisposizione delle basette
I circuiti oggetto delle misure sono premontati su piastre a circuito stampato realizzate
appositamente per queste esercitazioni. Eventuali variazioni nel valore dei componenti o nella
configurazione circuitale si ottengono tramite interruttori o deviatori, come indicato nella
descrizione di ciascuna esperienza. La posizione e il nome degli interruttori sono indicati da
Page 1 of 17
SElab08R1h.doc - © DDC, GG, FM, MRC - rev 27/02/2008 3:14 PM
Modulo SISTEMI ELETTRONICI
ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 1
una serigrafia sul circuito stampato. Codici, significati ed uso sono descritti nel testo di ogni
esperienza.
Per i collegamenti con l’esterno sono predisposti connettori coassiali (ingresso segnali),
boccole/morsetti (alimentazioni, quando richieste), e ancoraggi sui punti di misura (per
collegare le sonde dell’oscilloscopio o altri strumenti).
Di norma non devono essere inseriti o cambiati componenti durante l’esercitazione.
Homework
L’esercitazione richiede lo svolgimento di un “homework”, che deve essere completato
PRIMA che sia iniziato il lavoro sperimentale in laboratorio, per poter completare
l’esercitazione e la relazione nei tempi previsti, poichè per alcune misure è previsto il
confronto con i risultati dei calcoli.
I dati numerici per il calcolo comprendono sia i valori nominali sia le tolleranze dei
componenti; il calcolo può essere eseguito usando solo i valori nominali, oppure cercando di
determinare il campo di risultati possibili in base alle tolleranze.
Il risultato della misura è a sua volta affetto da errori per l’imprecisione degli strumenti e altre
cause.
E’ quindi ragionevole aspettarsi una discrepanza tra i risultati di calcoli e le misure (anzi, valori
perfettamente identici inducono perplessità sulla corretta esecuzione delle misure). Le fasce
dovute a tolleranze ed errori devono avere campi di sovrapposizione. In queste esercitazioni
non è espressamente richiesta una verifica quantitativa di questa corrispondenza, ma è utile
esprimere sintetiche considerazioni qualitative.
Esecuzione delle misure
Per ciascuna misura viene utilizzato uno dei circuiti premontati sul modulo sperimentale,
predisposto (quando esista possibilità di scelta) secondo la configurazione indicata.
Salvo diverse indicazioni, il generatore di segnali va predisposto su tensioni di uscita di circa
1 Vpp (sinusoidale o a onda quadra, a seconda del tipo di misura).
Nota:
Quando si usa un generatore di segnali occorre sempre chiedersì a quale livello di uscita va
impostato. Tensioni troppo basse rendono difficoltosa l’esecuzione delle misure, e tensioni
troppo alte potrebbero danneggiare alcuni componenti.
I risultati delle misure eseguite vanno riportati nelle tabelle già predisposte per ciascuna
misura e raggruppate nella traccia di relazione, riportata in coda a questo documento. Deve
essere consegnata la traccia completata con i dati richiesti.
Page 2 of 17
SElab08R1h.doc - © DDC, GG, FM, MRC - rev 27/02/2008 3:14 PM
Modulo SISTEMI ELETTRONICI
ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 1
2. Misure
2.1 Cella R-C passa-basso
Predisposizione del modulo
Utilizzare il modulo “passa basso”, che
contiene il circuito RC indicato a lato,
con R6 = 1k ± 5%, C4 = 10 nF ± 10%.
S2: 1 → aperto
2 → chiuso
R6
S2
VI
VO
C4
C5
Lasciare S2 sempre aperto in questa
esperienza
Esecuzione delle simulazioni
a) Eseguire la simulazione SPICE della risposta in frequenza ed all’onda quadra, come
indicato nel nel cap.5 della guida allegata. I grafici possono essere stampati ed allegati alla
relazione, oppure ricopiati manualmente nei grafici della relazione.
Esecuzione delle misure
a) Applicare all’ingresso un’onda quadra con frequenza 20 kHz, ampiezza 1 Vpp, offset 0 V.
Verificare sull’oscilloscopio l’impostazione dell’accoppiamento DC.
b) Verificare e riportare su apposito grafico l’andamento della forma d’onda d’uscita.
Misurare la costante di tempo (con la tecnica del 63% della variazione complessiva).
c) Applicare segnale sinusoidale (1 Vpp), e misurare il guadagno alla frequenza del polo.
d) Verificare e giustificare l’effetto sulla forma d’onda d’uscita di una modifica
nell’impostazione dell’offset.
e) Rimettere ingresso ad onda quadra, e modificare il duty cycle. Verificare e giustificare
l’effetto sulla tensione d’uscita.
Page 3 of 17
SElab08R1h.doc - © DDC, GG, FM, MRC - rev 27/02/2008 3:14 PM
Modulo SISTEMI ELETTRONICI
ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 1
2.2 Cella R-C passa-alto
Predisposizione del modulo
Utilizzare il modulo “passa alto”, che
contiene il circuito RC indicato a lato,
con R1 = 1k ± 5%, C1 = 10 nF ± 10%.
C1
VI
R1
VO
Esecuzione delle simulazioni
a) Eseguire la simulazione SPICE della risposta in frequenza ed all’onda quadra, come per il
circuito passa basso.
Esecuzione delle misure
a) Applicare all’ingresso un’onda quadra, con ampiezza 2 Vpp e frequenza superiore a quella
del polo (calcolata).
b) Verificare e riportare su apposito grafico l’andamento della forma d’onda d’uscita.
c) Ridurre la frequenza dell’onda quadra (all’incirca una decade al di sotto della frequenza
del polo).
d) Verificare e riportare su apposito grafico l’andamento della forma d’onda d’uscita.
e) Confrontare i due grafici e giustificare l’andamento della tensione d’uscita nei due casi.
f) Variare l’offset del generatore e giustificare l’assenza di ripercussione di tale azione sulla
forma d’onda d’uscita.
g) Qualora il generatore di segnali lo consenta, modificare il duty cycle dell’onda quadra.
Verificare e giustificare il comportamento della tensione d’uscita.
Page 4 of 17
SElab08R1h.doc - © DDC, GG, FM, MRC - rev 27/02/2008 3:14 PM
Modulo SISTEMI ELETTRONICI
ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 1
2.3 Celle R-L-C passa-basso con poli complessi
S1
Utilizzare il modulo
“Filtro RLC con Q variabile”,
R4 = R5 = 47Ω,
L1 = 1 mH, C3 = 2,2 nF
R4
L1
Predisposizione del modulo
50Ω
Vi
R5
VO
C3
S1: 1 → aperto
2 → chiuso
La R=50Ω rappresenta la resistenza interna del generatore, e non può essere variata.
Homework
Determinare frequenza di risonanza e smorzamento, tenendo conto che la resistenza interna
del generatore è 50 Ω, per le due condizioni dell'interruttore. (le verifiche sperimentali sono
solo a interruttore aperto)
Esecuzione delle simulazioni
Eseguire la simulazione SPICE della risposta in frequenza, come indicato nel nel cap.2 della
guida allegata. I grafici possono essere stampati ed allegati alla relazione. oppure ricopiati
manualmente nei grafici della relazione.
Eseguire la simulazione SPICE della risposta all’onda quadra, come indicato nel nel cap.3
della guida allegata. I grafici possono essere stampati ed allegati alla relazione. oppure
ricopiati manualmente nei grafici della relazione.
Le dimensioni delle stampe devono essere almeno di mezza pagina A4.
Esecuzione delle misure
1. Applicare un segnale Vi a onda quadra alla frequenza di 5 kHz con ampiezza 1V e
rilevare la risposta al gradino ; riportare i risultati ( con interruttore aperto)
• sulle corrispondenti stampe ottenute da PSpice,
• sugli stessi grafici disegnati manualmente in base ai dati forniti da Pspice
•
2. Applicare all’ingresso un segnale sinusoidale con ampiezza 1V e frequenza da 50kHz a
160kHz, (scegliere una diecina di valori) ; riportare i risultati ( con interruttore aperto )
• sulle corrispondenti stampe ottenute da PSpice,
• sugli stessi grafici disegnati manualmente in base ai dati forniti da Pspice
Page 5 of 17
SElab08R1h.doc - © DDC, GG, FM, MRC - rev 27/02/2008 3:14 PM
Modulo SISTEMI ELETTRONICI
ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 1
2.4 Partitore compensato
Predisposizione del modulo
C7
Utilizzare il modulo
“Partitore compensato”,
R9 = R10 = 120 k,
C7 = 150 pF,
C8 = 100 pF,
C9 = variabile.
R10
VI
C8+C9
R9
VO
Homework
- Calcolare la posizione di poli e zeri per C8+C9=180pF
- Analizzare che cosa capiterebbe se fosse R10 C7 = R9 (C8+C9).
Esecuzione delle misure
(è necessario usare la sonda)
Applicare un segnale a onda quadra con frequenza di 2 kHz, e rilevare la forma d’onda in
uscita. Discutere il risultato, al variare di C9, con riferimento alle risposte date nell’homework
Esecuzione delle simulazioni
Ripetere le misure in simulazione, aggiungendo al rilievo della risposta all’onda quadra il
rilievo del diagramma di Bode dell’ampiezza. Scegliere le frequenze più significative e le scale
più adatte . Confrontare i risultati con quelli delle misure e dei calcoli
Page 6 of 17
SElab08R1h.doc - © DDC, GG, FM, MRC - rev 27/02/2008 3:14 PM
Modulo SISTEMI ELETTRONICI
ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 1
2.5 Sonde compensate per misure con oscilloscopio
I collegamenti tra l’oscilloscopio e il circuito in misura possono essere effettuati con cavi diretti
o con le sonde. Le sonde contengono all’interno un partitore compensato, che attenua il
segnale (generalmente 1:10), e di conseguenza presenta un carico minore sul punto di
misura.
L’impedenza equivalente di ingresso dell’oscilloscopio è solitamente di 1 Mohm con circa
10 pF in parallelo. Nel caso di collegamento diretto a questa capacità si aggiunge quella del
cavo coassiale usato per il collegamento (circa 100 pF/metro).
Usando la sonda si inserisce tra punto sotto misura e strumento un partitore compensato
come quello del punto 2.4. La capacità C8 coincide con la capacità del cavo, C9 è la C di
ingresso dell’oscilloscopio e R9 la resistenza di ingresso dell’oscilloscopio. La capacità
effettivamente collegata al punto di misura è la serie di C7 e (C8+C9).
Per una attenuazione 1:10, R10 = 9 R9 e C7= (1/9) (C8+C9).
Rispetto al collegamento diretto, la capacità di carico si riduce di 10 volte, mentre la
resistenza equivalente di carico viene aumentata di 10 volte.
Quando si usano le sonde occorre tener conto dell’attenuazione nelle misure effettuate con
l’oscilloscopio. Alcuni strumenti permettono di impostare la presenza della sonda, e cambiano
di conseguenza le scale indicate sul display.
Una verifica degli effetti del carico capacitivo si può eseguire collegando all’uscita del partitore
compensato descritto al punto 2.4 uno spezzone di cavo coassiale, di lunghezza circa 1,5 m
(corrispondente alla lunghezza dei cavi delle sonde). La misura va fatta mantenendo una
sonda sempre connessa all’uscita e applicando all’ingresso un segnale a onda quadra.
Collegando e scollegando lo spezzone di cavo coassiale (senza rimuovere la sonda), si
possono osservare le modifiche al segnale dovute alla capacità del cavo stesso.
Per operare correttamente le sonde devono essere compensate. Indicazioni su come
eseguire una verifica della compensazione sono riportate nella guida generale di laboratorio.
Page 7 of 17
SElab08R1h.doc - © DDC, GG, FM, MRC - rev 27/02/2008 3:14 PM
Modulo SISTEMI ELETTRONICI
ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 1
3. Modulo per la relazione
Esercitazione 1: Misure e calcoli su circuiti RC
Data:
Composizione del Gruppo
nome
firma
Strumenti utilizzati
strumento
Generatore di segnali:
Marca e modello
caratteristiche
Generatore onda Q/T/Sin,
fino a 2 MHz
Oscilloscopio
Doppio canale,
banda > 60 MHz
Circuito premontato
Basetta con vari circuiti
passivi
Descrizione sintetica degli obiettivi
Scopo di questa esercitazione è verificare la risposta di alcune celle passive (RC,
RLC) a segnali sinusoidali e al gradino, tramite misure e simulazioni.
Verranno tracciati diagrammi di Bode e risposte nel tempo (con ingresso a
gradino)
Per ogni circuito vengono confrontati i risultati dei calcoli e delle simulazioni con
le misure, discutendo i motivi di eventuali discrepanze
Page 8 of 17
SElab08R1h.doc - © DDC, GG, FM, MRC - rev 27/02/2008 3:14 PM
Modulo SISTEMI ELETTRONICI
ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 1
Cella R-C passa-basso
Utilizzato il modulo “passa basso”, che
contiene il circuito RC indicato a lato,
con R6 = 1k± 5%, C4 = 10 nF± 10%.
R6
S2
VI
VO
C4
C5
Completare tabelle grafici dopo aver seguìto le istruzioni-guida per homework e per misure, riportate nel seguito
Risultati delle misure
Confronto tra i valori del guadagno misurato alla frequenza calcolata del polo
calcolo
Misura
Motivazione delle differenze tra calcoli e misure
Descrizione e giustificazione del comportamento dell’uscita al variare dell’offset.
Page 9 of 17
SElab08R1h.doc - © DDC, GG, FM, MRC - rev 27/02/2008 3:14 PM
Modulo SISTEMI ELETTRONICI
ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 1
Forme d’onda ingresso e uscita al variare dell’offset
Vo (V)
t (s)
fig.2.1.1 - diagramma di risposta nel tempo
Effetto della variazione del duty cycle sulla tensione d’uscita: giustificazione del fenomeno
osservato e forme d’onda ingresso uscita.
Vo (V)
t (s)
fig.2.1.2 - diagramma di risposta nel tempo
Altri commenti
Page 10 of 17
SElab08R1h.doc - © DDC, GG, FM, MRC - rev 27/02/2008 3:14 PM
Modulo SISTEMI ELETTRONICI
ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 1
Cella R-C passa-alto
C1
Utilizzato il modulo “passa alto”,
R1 = 1kΩ ± 5%, C1 = 10 nF± 10%
VI
R1
VO
Risultati delle misure
a) b) Riportare l’andamento della forma d’onda d’uscita.
fig.2.2.1 - diagramma di risposta nel tempo
Vo (V)
t (s)
c), d) Ridotta la frequenza dell’onda quadra, riportare l’andamento della forma d’onda in
uscita.
fig.2.2.2 - diagramma di risposta nel tempo
Vo (V)
t (s)
Page 11 of 17
SElab08R1h.doc - © DDC, GG, FM, MRC - rev 27/02/2008 3:14 PM
Modulo SISTEMI ELETTRONICI
ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 1
e) Confronto e giustificazione dell’andamento nei due casi.
f) effetto dell'offset
Page 12 of 17
SElab08R1h.doc - © DDC, GG, FM, MRC - rev 27/02/2008 3:14 PM
Modulo SISTEMI ELETTRONICI
ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 1
Celle R-L-C passa-basso con poli complessi
Utilizzare il modulo
“Filtro RLC con Q variabile”,
R4 = R5 = 41Ω,
L1 = 1 mH, C3 = 2,2 nF
S1
R4
L1
50Ω
R5
Vi
C3
VO
Vo (V)
t (s)
fig.2.1.3 - diagramma di risposta nel tempo
Homework:
- Determinare frequenza di risonanza e smorzamento
frisonanza
smorzamento
con int. chiuso
con int. aperto
-
Eseguita simulazione PSPICE del comportamento del circuito
risposta in frequenza per modulo e fase, riportati i valori in tab.2.1 riportate le curve
in fig.2.1.1 e fig.2.1.2 sia per int. aperto sia per int. chiuso
risposta all’onda quadra, riportati i grafici in fig.2.1.3
Page 13 of 17
SElab08R1h.doc - © DDC, GG, FM, MRC - rev 27/02/2008 3:14 PM
Modulo SISTEMI ELETTRONICI
ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 1
Confronto tra i valori di frequenza di risonanza
calcolo
simulazione
misura
Motivare brevemente le differenze tra calcoli, simulazioni e misure
Altri commenti
Page 14 of 17
SElab08R1h.doc - © DDC, GG, FM, MRC - rev 27/02/2008 3:14 PM
Modulo SISTEMI ELETTRONICI
ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 1
Partitore compensato
C7
Utilizzare il modulo
“partitore compensato”,
R9 = R10 = 120 k,
C7 = 150 pF,
C8 = 100 pF,
C9 = variabile.
R10
VI
R9
C8+
C9
VO
Homework
Calcolate la posizione del polo e dello zero per C8+C9=180pF
fpolo =
fzero =
Se fosse R10 C7 = R9 (C8+C9)
Effetti su
risposta In
frequenza
Effetti su
risposta nel
tempo
Page 15 of 17
SElab08R1h.doc - © DDC, GG, FM, MRC - rev 27/02/2008 3:14 PM
Modulo SISTEMI ELETTRONICI
ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 1
Esecuzione delle misure
Applicato un segnale a onda quadra con frequenza di 2 kHz, e rilevata la forma d’onda in
uscita al variare di C9
Vo (V)
t (s)
Esecuzione delle simulazioni
Ripetute le misure in simulazione,.
Vo (V)
t (s)
Confronto dei risultati con quelli delle misure e dei calcoli
determinato in simulazione il diagramma di Bode del modulo
|VO /VI|
[dB]
300
1k
3k
10k
30k
100k
0.3M
f
[Hz]
Page 16 of 17
SElab08R1h.doc - © DDC, GG, FM, MRC - rev 27/02/2008 3:14 PM
Modulo SISTEMI ELETTRONICI
ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 1
Sonde compensate per misure con oscilloscopio
Verifica dell’effetto del carico capacitivo
Risposta a onda quadra senza cavo (-----) e con cavo (+--+--+)
Vo (V)
Page 17 of 17
SElab08R1h.doc - © DDC, GG, FM, MRC - rev 27/02/2008 3:14 PM
