Svolgimento delle esercitazioni di laboratorio e stesura delle relazioni

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1 Svolgimento delle esercitazioni di laboratorio e stesura delle relazioni Rev DDC Da Etlis8e, Elesis8p Rev /0930 DDC rev generale Sommario Questo documento descrive come svolgere le esercitazioni sperimentali al LADISPE e come redigere le relative relazioni per i corsi di Elettronica Applicata I e II (DU) e di Elettronica delle Telecomunicazioni. Le indicazioni di questo documento vanno integrate con le informazioni fornite di volta in volta per le singole esercitazioni, e con le norme generali di uso del laboratorio. Obbiettivi Le esercitazioni di laboratorio costituiscono parte integrante dei corsi di elettronica, e hanno come obbiettivi principali: verificare la rispondenza dei circuiti reali con quanto progettato; stendere relazioni di attività sperimentali; svolgere lavoro di gruppo collaborativo. La verifica di cui sopra va intesa in senso positivo e negativo: mediante le misure effettuate in laboratorio è possibile sia controllare che quanto ricavato con il calcolo corrisponda a ciò che si verifica in un circuito reale, sia evidenziare i limiti dei modelli matematici, o situazioni in cui le analisi semplificate effettuate nelle lezioni non sono valide. Ogni esercitazione comprende l'esecuzione di un semplice montaggio (di solito da progettare partendo dalle specifiche indicate), una serie di misure sul circuito stesso, e la stesura di una relazione sul progetto (se previsto) e sui risultati delle misure (sempre). Scopo di queste esercitazioni è anche insegnare a redigere relazioni sintetiche nel momento stesso in cui viene eseguita l esperienza; pertanto la relazione va redatta durante la permanenza in laboratorio, contestualmente al procedere delle varie attività. I quaderni devono restare in laboratorio, e di norma le relazioni non possono essere completate in tempi successivi. Uno degli obbiettivi principali di queste esercitazioni è abituare alla collaborazione nell ambito di un gruppo di lavoro. Pertanto, il progetto, l'esecuzione dell'esperienza e la stesura della relazione devono essere svolti dal gruppo in modo coordinato, definendo prima di iniziare l esercitazione stessa - ruoli, compiti e responsabilità di ciascuno. I temi delle esercitazioni sono calibrati in modo tale che i punti proposti possono essere completati solo suddividendo il lavoro nell ambito del gruppo, e organizzandolo in modo opportuno. 1

2 Progetto Per ciascuna esercitazione viene indicato direttamente il circuito finale, oppure vengono fornite delle specifiche per eseguire il progetto. In genere i progetti non sono totalmente deterministici: partendo dalle specifiche indicate è possibile realizzare le funzioni richieste con diversi circuiti o con più combinazioni di valori dei componenti. In molti casi la sequenza di operazioni proposta per sviluppare il progetto non è l'unica possibile; sono accettabili anche altre procedure, purchè conducano al risultato finale (circuito realizzabile con componenti standard e funzionante secondo le specifiche). Ogni progetto va sviluppato secondo la sequenza: 1. scelta e definizione dello schema di massima (elettrico o a blocchi) 2. calcolo del valore nominale dei componenti 3. scelta dei componenti di valore normalizzato opportuno 4. valutazione dell'effetto di questa variazione sul comportamento del circuito 5. valutazione dell'effetto delle tolleranze dei componenti A conclusione del progetto devono sempre essere riportati lo schema elettrico e l'elenco dettagliato componenti. Lo schema deve utilizzare i simboli funzionali standard per i diversi elementi circuitali. Nel caso di circuiti integrati riportare per ciascun piedino il nome all'interno e il numero all'esterno. Dato che il tempo disponibile in laboratorio è limitato, il progetto va sviluppato completamente prima dell'esercitazione. Ciascun gruppo deve arrivare in laboratorio con l elenco componenti già pronto, e un piano di massima per lo svolgimento del lavoro. Simulazione I progetti sviluppati per le esercitazioni possono essere verificati prima del montaggio utilizzando simulatori elettrici di vario tipo (ad esempio PSPICE); in alcuni casi questa verifica è parte dell esercitazione stessa. Questo consente di verificare la correttezza e la rispondenza alle specifiche, entro i limiti dei modelli a disposizione. È disponibile, sia al LADISPE che per uso personale, la versione dimostrativa di PSPICE "Design Center v. 5.4" (per Windows). E' opportuno che la simulazione sia eseguita a casa o al LAIB, prima della esercitazione in laboratorio. Al LADISPE sono diponibili (solo per uso nel laboratorio) Matlab 5 e Simulink 2. Montaggio All'inizio di ogni esercitazione ogni gruppo deve verificare che il materiale e gli strumenti disponibili coincidano con gli elenchi presenti sul banco e riportati nelle norme generali relative all'uso del laboratorio. Ogni gruppo preleva dal magazzino componenti quanto necessario al montaggio. Al termine dell'esercitazione il circuito deve essere smontato, e i componenti devono essere rimessi nel posto da cui sono stati prelevati. Altre avvertenze relative all esecuzione dei montaggi e alle dotazioni di laboratorio sono nel documento Uso delle basette per montaggi. 2

3 Misure Le misure da eseguire sono quelle necessarie per verificare la funzionalità del circuito e il soddisfacimento delle specifiche, e per verificare l'effetto di alcune varianti al circuito base. Eseguire le misure secondo la sequenza indicata nelle istruzioni dell'esercitazione. Per non rischiare di danneggiare il circuito o gli strumenti collegati, evitare di applicare su qualunque nodo segnali o tensioni continue esterne all'intervallo tra le alimentazioni (massa - 5 V per circuiti logici, solitamente V per circuiti analogici con amplificatori operazionali). Segnali esterni all'intervallo compreso tra la massima tensione di alimentazione positiva e la minima negativa portano in polarizzazione diretta le giunzioni presenti tra morsetto e massa o alimentazione, determinando fenomeni di latch-up che possono danneggiare il circuito. Sempre per questo motivo, non applicare dall'esterno segnali a circuiti non alimentati, e spegnere i generatori o sconnettere gli ingressi esterni prima di togliere l'alimentazione. Se occorre inviare al circuito una tensione di controllo variabile (ad esempio per crearsi una tensione di riferimento), conviene ricavarla con un potenziometro dalla tensione di alimentazione del circuito stesso. Questo evita il rischio di inviare al circuito tensioni che possano danneggiarlo (perchè esterne all'intervallo compreso tra le tensioni di alimentazione). Eventualmente usare due potenziometri di valore opportuno, collegati in modo da permettere una regolazione grossolana e una regolazione fine. Sempre per evitare possibili danneggiamenti, applicare le tensioni di prova attraverso resistenze di valore tale da limitare la corrente in caso di errori di montaggio o contatti accidentali. Se la tensione viene misurata a valle della resistenza, la caduta su questa non infuisce sui risultati dell esperienza. Per i circuiti con alimentazione duale, ricordarsi di collegare il punto intermedio dei due alimentatori alla massa del circuito. Sono disponibili per gli oscilloscopi e altri strumenti di misura cavi diretti e sonde. Le sonde generalmente attenuano il segnale (di un fattore 10), e caricano poco il punto di misura (solitamente con 10 MΩ e pf in parallelo). Nelle misure effettuate con l'oscilloscopio è necessario tener conto di questa attenuazione. I cavi diretti non attenuano, ma riportano totalmente sul punto di misura il carico costituito dall'ingresso dello strumento (1 MΩ per gli oscilloscopi). Nel caso di cavi coassiali, questi aggiungono in parallelo una capacità dell'ordine di 100 pf per metro di lunghezza. Valutare caso per caso quale dei due tipi di connessione utilizzare. Gli oscilloscopi hanno l'ingresso tra un morsetto e massa (collegata alla carcassa metallica dello strumento). Questa a sua volta, per motivi di sicurezza elettrica, è collegata alla terra (attraverso il cordone di alimentazione dalla rete). Lo stesso può valere per altri strumenti, quindi le masse di strumenti diversi possono essere collegate tra di loro attraverso la terra; in assenza di indicazioni esplicite tutte le masse degli strumenti vanno considerate collegate tra di loro attraverso la terra (della rete elettrica). Quindi non è possibile eseguire misure differenziali usando direttamente conduttore centrale e massa di cavi diretti o sonde: la massa metterebbe in cortocircuito (a terra!) il punto a cui è collegata. Gli alimentatori, normalmente, hanno i morsetti di uscita fluttuanti rispetto a massa. 3

4 Qualunque misura è affetta da un errore, quindi i risultati devono essere riportati con un numero di cifre significative correlato a questo errore. In mancanza di altre indicazioni, si può stimare che l'errore nelle misure effettuate con oscilloscopio sia dell'ordine del 5% (del fondo scala), e quello di strumenti numerici di qualche unità sulla cifra meno significativa. I cursori degli oscilloscopi, anche se con lettura numerica della posizione, hanno tutti gli errori legati all allineamento visivo di due tracce. La valutazione dell'errore e l'indicazione esplicita della sua entità fanno parte della procedura di misura e devono essere riportati nella relazione. Salvo casi molto particolari (misure multiple eseguite in condizioni opportune), l elaborazione matematica dei risultati di una misura non ne aumenta la precisione. Ad esempio, partendo da misure fate con un oscilloscopio (errore del 5%) non è possibile ottenere risultati con 6 cifre significative! Anche quando sono disponibili strumenti più precisi, quali multimetri e frequenzimetri digitali, conviene usare l'oscilloscopio per mantenere sotto controllo il funzionamento del circuito, per effettuare le misure per cui non è richiesta elevata precisione, e per verificare l'ordine di grandezza delle misure eseguite con altri strumenti. Analisi dei malfunzionamenti Scopo delle esercitazioni è verificare sperimentalmente l esecuzione di un progetto, il funzionamento di un circuito, e rendersi conto dei motivi di eventuali discrepanze rispetto ai calcoli. Se un montaggio non soddisfa le specifiche di progetto, riportare i risultati delle misure e analizzare i motivi della non rispondenza. Evitare nel modo più assoluto di cambiare componenti fino a raggiungere le specifiche richieste. Solo nel caso di mancato funzionamento o di forte discordanza con i risultati delle simulazioni, seguire la procedura di analisi guasto sotto indicata: 1. verificare che il circuito sia correttamente alimentato e collegato agli strumenti esterni; 2. controllare che gli strumenti siano opportunamente predisposti e funzionanti (tensioni di alimentazione, scale dell'oscilloscopio, livelli e frequenza dei generatori di segnale,...); 3. verificare la corrispondenza del montaggio con lo schema; 4. verificare il valore dei componenti utilizzati; 5. controllare l'eventuale presenza di falsi contatti verificando i segnali direttamente sui piedini degli integrati; 6. separare il circuito in parti verificabili individualmente, ripetendo su ciascuna i passi sopra indicati; 7. verificare ed eventualmente ripetere il progetto. 4

5 Relazione di laboratorio Di ogni esperienza deve essere redatta una relazione, che deve riportare: 1. il titolo dell'esperienza, la data, i partecipanti; 2. il circuito indicato o le specifiche del progetto. Nel caso di sviluppo di un progetto, riportare anche un breve cenno sullo svolgimento del progetto stesso (metodo, approssimazioni introdotte, risultati); 3. lo schema elettrico del circuito (usando i simboli funzionali dei componenti); 4. l'elenco completo dei componenti, con tutte le indicazioni necessarie per identificare tipo e valore degli stessi; 5. l'indicazione delle misure previste per verificare il funzionamento; 6. gli strumenti utilizzati per effettuare le misure; 7. la descrizione delle misure effettuate e relativi risultati, con la valutazione degli errori; usare tabelle, grafici, istogrammi, e quanto altro necessario per chiarire o evidenziare aspetti importanti dei risultati. La tabella dei risultati deve essere completata durante l'esecuzione dell'esperienza; eventuali altri grafici possono essere tracciati e aggiunti successivamente; 8. un confronto dei risultati delle misure con quanto previsto dai calcoli (tenendo conto delle tolleranze), e la spiegazione di eventuali divergenze. Non è necessario riportare schemi topografici del montaggio o degli integrati. Come per qualunque rapporto su attività sperimentali, la relazione deve fornire tutte le informazioni necessarie per poter ripetere l'esperienza e verificarne i risultati. Come per ogni altro documento, deve contenere i dati utili per rintracciare l originale (data, autore, eventuale indice di revisione ). Esperienza dimostrativa Per alcune esercitazioni è anche prevista una parte conclusiva, che non richiede misure vere e proprie, ma mette in evidenza comportamenti particolari del circuito realizzato. Talvolta richiede strumentazione aggiuntiva rispetto a quanto presente sul banco; in tal caso viene svolta dal docente su quei banchi che terminano in tempo utile la prima parte dell'esperienza, o su un banco dimostrativo appositamente predisposto. 5