Misure e simulazioni su circuiti RC

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1 Esercitazione 2 Misure e simulazioni su circuiti RC 1. Introduzione Scopo dell esercitazione Questa esercitazione sperimentale ha tre obiettivi principali: - fornire le tecniche di base per l utilizzo del simulatore PSPICE - perfezionare le capacità di sperimentazione acquisite con la precedente esercitazione - verificare il comportamento di celle passive di vario tipo, confrontando i risultati dei calcoli, dalla simulazione, 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 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 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 allegato Introduzione all utilizzo di MicroSim Schematics, utilizzabile come manualetto di riferimento anche per l uso del simulatore nelle esercitazioni successive ed in altri casi non previsti dalle esercitazioni. Page 1 of 14

2 Predisposizione delle basette I circuiti su cui eseguire le misure sono premontati su piastre a circuito stampato realizzate appositamente per queste esercitazioni. In questa esercitazione viene usata una basetta in cui sono già predisposti i circuiti su cui eseguire le misure. 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 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 Per alcune misure è previsto il confronto con risultati di calcoli. I calcoli vanno eseguiti prima dell esercitazione, con i dati numerici forniti nella guida. I dati numerici comprendono i valori nominali e le tolleranze dei componenti; calcolo e simulazione possono essere eseguiti 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 risultati di calcoli/simulazioni e misure (anzi, valori perfettamente identici inducono perplessità sulla corretta esecuzione delle misure). In altri termini, 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 e delle simulazioni Per ciascuna misura viene utilizzato uno dei circuiti premontati sul modulo sperimentale, predisposto 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 e delle simulazioni eseguite vanno riportati nelle tabelle già predisposte per ciascun caso 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 14

3 2. Misure e simulazioni 2.1 Celle R-L-C passa-basso con poli complessi Predisposizione del modulo S1 R4 L1 Utilizzare il modulo Filtro RLC con Q variabile, R4 = R5 = 41Ω, L1 = 1 mh, C3 = 2,2 nf 50Ω V i R5 C3 V O S 1 : 1 aperto 2 chiuso La R=50Ω rappresenta la resistenza interna del generatore, e pertanto 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. 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. Page 3 of 14

4 Esecuzione delle misure a) Applicare all ingresso un segnale sinusoidale con ampiezza 1V e frequenza da 50kHz a 160kHz, (scegliere una diecina di valori) ; riportare i risultati ( per le due condizioni dell'interruttore ) o sulle corrispondenti stampe ottenute da PSpice, o sugli stessi grafici disegnati manualmente in base ai dati forniti da PSpice b) Applicare un segnale Vi a onda quadra alla frequenza di 5 khz con ampiezza 1V e rilevare la risposta al gradino ; riportare i risultati ( per le due condizioni dell'interruttore ) o sulle corrispondenti stampe ottenute da PSpice, o sugli stessi grafici disegnati manualmente in base ai dati forniti da PSpice 2.2 Cella R-C passa-basso Esecuzione delle simulazioni 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. V I R6 S 2 V O C4 C5 Confrontare i risultati con quelli ottenuti dall esercitazione precedente. Motivare brevemente eventuali forti differenze tra calcoli, simulazioni e misure Page 4 of 14

5 2.3 Partitore compensato Predisposizione del modulo Utilizzare il modulo Partitore compensato, R9 = R10 = 120 k, C7 = 150 pf, C8 = 100 pf, C9 = variabile. C7 R10 V I R9 C8 C9 V O 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 5 of 14

6 2.4 Sonde compensate per misure con oscilloscopio I collegamenti tra l oscilloscopio e il circuito in misura possono essere effettuati con cavi diretti (cavi coassiali con connettore BNC a un estremo e pinze a coccodrillo all altro), 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, la capacità C8 coincide con la capacità del cavo, mentre C9 è la capacità equivalente 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 circa 10 volte, mentre la resistenza equivalente di carico viene aumentata di 10 volte. Una verifica degli effetti del carico capacitivo si può eseguire con il partitore compensato utilizzato al punto 2.3, applicando all ingresso un segnale a onda quadra, e collegando in uscita una sonda, con cui osservare il segnale sull oscilloscopio. Collegando nello stesso punto (l uscita) un cavo coassiale (quelli predisposti con pinze a coccodrillo) si può verificare l effetto del carico capacitivo: con il cavo collegato la risposta tende a diventare di tipo passa basso. L effetto è più marcato se l altro estremo del cavo è collegato a un altro ingresso dell oscilloscopio, perchè interviene anche la capacità di ingresso dell oscilloscopio stesso. Questa configurazione (cavo collegato all oscilloscopio) rispecchia la situazione reale in cui viene eseguita una misura impiegando il cavo anzichè la sonda. Il carico capacitivo introdotto dalla connessione con cavo diretto modifica la forma d onda del segnale; per questo motivo nelle misure devono essere sempre utilizzate le sonde (correttamente tarate e compensate). Nel rilevare i risultati di una misura eseguita sull oscilloscopio occorre tener conto dell attenuazione introdotta dalla sonda. Attenzione: alcuni oscilloscopi rilevano la presenza di una sonda attenuata e correggono i dati di scala automaticamente; è possibile verificare se questo avviene collegando e scollegando le sonde dal connettore frontale. Se l indicazione di scala cambia, lo strumento rileva la presenza di sonda con attenuazione. Per operare correttamente le sonde devono essere compensate. Indicazioni su come eseguire una verifica sono riportate nella guida generale di laboratorio. Se viene rilevato un difetto (o una non corretta compensazione) delle sonde AVVISARE IL PERSONALE DI ASSISTENZA. Altri riferimenti alle sonde compensate sono reperibili nell ultimo paragrafo della guida generale alle esercitazioni di laboratorio (SElabman2). Page 6 of 14

7 3. Modulo per la relazione Esercitazione 2: Misure e simulazioni su circuiti RC Data: Gruppo ; composizione: ruolo nome firma Esecuzione misure Stesura relazione Strumenti utilizzati strumento Marca e modello caratteristiche Generatore di segnali: Generatore onda Q/T/Sin, fino a 2 MHz Oscilloscopio Circuito premontato Doppio canale, banda 60 MHz Basetta con vari circuiti passivi Descrizione sintetica degli obiettivi Scopo di questa esercitazione è verificare la risposta di alcune celle passive (RC, RRC e LRC) a segnali sinusoidali e al gradino. Verranno tracciati diagrammi di Bode e risposte nel tempo (con ingresso a gradino) Per ogni circuito vengono confrontati i risultati di calcoli e simulazioni con le misure, discutendo i motivi di eventuali discrepanze Page 7 of 14

8 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 50Ω S1 R5 R4 L1 V i C3 V O frequenza (khz) 50 pulsazione (rad/s) Vo/Vi (db) da calcolo φ(g) (rad) da calcolo Vo/Vi (db) da simulaz. φ(g) (rad) da simulaz. Vo/Vi (db) da misura tab.2.1 risposta in frequenza con interruttore chiuso frequenza (khz) pulsazione (rad/s) Vo/Vi (db) da calcolo φ(g) (rad) da calcolo Vo/Vi (db) da simulaz. φ(g) (rad) da simulaz. Vo/Vi (db) da misura tab.2.1 risposta in frequenza con interruttore aperto Page 8 of 14

9 V O /V I f [khz] fig risposta in frequenza: diagramma del guadagno V O /V I [rad] f [khz] fig risposta in frequenza: diagramma della fase Vo (V) t (s) fig diagramma di risposta nel tempo Page 9 of 14

10 Homework: - Determinare frequenza di risonanza e smorzamento con int. chiuso con int. aperto frisonanza smorzamento - 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 e fig sia per int. aperto sia per int. chiuso - risposta all onda quadra, riportati i grafici in fig Risultati delle misure a) b) Curve di risposta in tab.2.1, fig fig fig Confronto tra i valori di frequenza di risonanza calcolo simulazione misura Motivare brevemente le differenze tra calcoli, simulazioni e misure Page 10 of 14

11 Partitore compensato Utilizzare il modulo partitore compensato C7 R9 = R10 = 120 k, C7 = 150 pf, C8 = 100 pf, C9 = variabile. V I R10 R9 C8 C9 V O 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 11 of 14

12 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 Page 12 of 14

13 determinato in simulazione il diagramma di Bode del modulo V O /V I [db] 300 1k 3k 10k 30k 100k 0.3M f [Hz] Sonde compensate per misure con oscilloscopio Verifica effetto del carico capacitivo Una verifica degli effetti del carico capacitivo si può eseguire collegando all uscita del partitore compensato realizzato al punto 2.3 uno spezzone di cavo coassiale, di lunghezza circa 1,5 m (corrispondente alla lunghezza dei cavi delle sonde). La misura va fatta con una sonda. Applicando all ingresso un segnale a onda quadra si può verificare l effetto della presenza o meno dello spezzone di cavo. Risposta a onda quadra senza cavo (-----) e con cavo ( ) Vo (V) Page 13 of 14