Generatore di onda quadra e contatore asincrono

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1 Queste istruzioni sono scaricabili da Generatore di onda quadra e contatore asincrono Scopo dell esercitazione Gli obiettivi di questa esercitazione sono: - Realizzare un generatore onda quadra con porte logiche (CD4093 / 74HC14); - Verificare il comportamento di un contatore asincrono (CD4040); - Misurare i ritardi del contatore; - Realizzare la decodifica di uno stato di uscita; - Verificare la presenza di rimbalzi su contatti meccanici. Strumenti e componenti richiesti I circuiti richiesti devono essere predisposti sulle basette per montaggi senza saldature. Se non sono state utilizzate in precedenza, conviene scaricare dal sito web sopra indicato il documento: Materiale didattico > Descrizione e uso delle basette per montaggi La strumentazione richiesta comprende: Alimentatore 5V Basetta per montaggio Componenti vari (indicati nel seguito) Multimetro Oscilloscopio Generatore di segnali (Se non viene realizzato il generatore di onda quadra) Esecuzione delle misure Le verifiche di funzionamento dei circuiti vanno eseguite con l oscilloscopio. Lo stato logico delle uscite può essere rilevato anche collegando dei LED tra uscita e alimentazione, con resistenza da 3,3 k in serie. Al laboratorio LED è disponibile una basetta premontata con 8 LED e relative resistenze. Avvertenze Verificare tipo e valore dei componenti; potrebbero essere collocati nei cassetti in posizione errata (e rimetterli nella posizione giusta ). La tensione di alimentazione richiesta è di 5V; verificarla prima di collegare il circuito. Nei circuiti CMOS ingressi aperti assumono uno stato logico non definito, pertanto tutti gli ingressi devono essere collegati (anche quelli a cui non sono applicati segnali) : massa stato 0 (basso); alimentazione stato 1 (alto). Ricordare che a un circuito integrato non deve mai essere applicata una tensione esterna all intervallo tra le alimentazioni (in questa esercitazione 0V 5V). Non eseguire modifiche con alimentazione attiva; spegnere, cambiare componente, e riaccendere. 1

2 Specifiche Frequenza del generatore di onda quadra: 10 khz (dato di progetto; quella effettiva può essere differente a causa dei valori normalizzati e delle tolleranze dei componenti). Progetto Unica parte da progettare prima di iniziare il montaggio è il generatore di onda quadra, con le specifiche seguenti: Alimentazione 5 V; Uso di comparatore con isteresi (74HC14, CD4093 o simili; verificare il componente effettivamente disponibile); Frequenza 10 khz, duty cycle 50% Il comparatore con isteresi (o trigger di Schmitt ) è alimentato a 5 V. I dati di progetto sono: Resistenza di reazione da 100 kω. Ricavare le soglie dal data sheet. Calcolare il valore del condensatore in modo da ottenere un onda quadra con frequenza 10 khz. (una relazione molto approssimata è: periodo = 0,9 R C; verificare come può essere ricavata e quale è il livello di approssimazione) Scegliere il valore normalizzato più vicino (serie al 10%), e calcolare la nuova frequenza. Lo schema del circuito base generatore di onda quadra è a lato. Il valore del condensatore è indicativo; in base alle specifiche potrebbe essere richiesto un valore diverso da quello riportato nello schema. Calcolare la frequenza effettiva di oscillazione (dovuta alla scelta di un valore normalizzato). Nota: per il comparatore con isteresi possono essere utilizzato diversi componenti: 74HC14 (o in genere 74XY14): il circuito integrato comprende 6 inverter con isteresi; i valori delle soglie dipendono dalla famiglia (HC, LS, ) 74HC132 (o 74XY132): analogo all HC14, ma comprende 4 porte NAND a 2 ingressi (con isteresi). CD4093: 4 NAND con isteresi; componente in tecnologia CMOS. 100 k 1 nf 74HC14 Vu Fig 1 Generatore di onda quadra Varianti al circuito base (da realizzare alla fine delle misure, se rimane tempo disponibile): 1. Modificare il circuito del generatore in modo da poter variare il Duty Cycle dal 10 al 90%. Separare con due diodi i percorsi di carica e scarica del condensatore, con resistenze differenti. Una delle resistenze rimane fissa a 100 kω, l altra varia da 10 kω a 1 MΩ. Inserire resistenze in questo campo di valori per operare in condizioni note; usare un potenziometro collegato come resistenza variabile per osservare la variazione continua. Non modificare il valore del condensatore. 2

3 Montaggio del genatore di onda quadra Per il montaggio seguire le indicazioni del documento: Descrizione e uso delle basette per montaggi, scaricabile dal sito indicato all inizio di queste istruzioni. Nel seguito sono riportati due esempi di cablaggi relativi ai punti di questa esercitazione. Si tratta di buoni esempi, per mostrare come può essere eseguito il montaggio sulle basette a disposizione. Il montaggio può anche essere eseguito in modo differente, rispettando le indicazioni del documento sopra menzionato. Prima di montare il circuito richiesto a ciascuna esperienza è opportuno predisporre schizzi di questo tipo, indicando i punti su cui eseguire le misure. Ricordare sempre che nei circuiti CMOS tutti gli ingressi devono essere collegati a un livello logico corretto. Non lasciare scollegati gli ingressi inutilizzati. Esempio 1: generatore di onda quadra e contatore (notare i collegamenti degli ingressi non utilizzati) Esempio 2: contatore con decodifica Contatore con circuito combinatorio di decodifica di uno stato specifico. Si tratta di una funzione proposta tra le Esperienze opzionali ; può essere realizzata con diversi circuiti; questo è solo un esempio di montaggio. 3

4 Misure sul generatore di onda quadra Utilizzare lo schema del punto precedente. Attenzione: nei circuiti CMOS tutti gli ingressi devono essere collegati a un livello logico corretto; gli ingressi dei trigger inutilizzati devono essere collegati alla tensione di massa o alimentazione. 1. Verificare il funzionamento del trigger (HC14 o altro componente) applicando all ingresso un segnale triangolare da 0,5 a 4,5 V. Attenzione: tensioni esterne all intervallo Massa Alimentazione (0 5V in questo caso) possono distruggere l integrato. Predisporre e verificare il segnale triangolare prima di collegarlo al circuito; applicare in serie all ingresso una resistenza di protezione da 10 kω, e accendere l alimentatore prima del generatore di onda triangolare (con sequenza inversa per lo spegnimento). E possibile verificare i livelli a cui scatta il trigger di rettamente dalle graduazioni sullo schermo, o utilizzando i cursori (Soglia 1 e Soglia 2 nell immagine a lato). 2. Confrontare le soglie misurate con quelle indicate nel data sheet del componente usato per il trigger. Scollegare il generatore di segnale triangolare, e completare il circuito del generatore di onda quadra inserendo R e C (con i valori progettati in precedenza). 3. Verificare qualitativamente il funzionamento (onda quadra in uscita e segmenti di esponenziale all ingresso) Notare che i valori di picco del segnale sul condensatore corrispondono alle soglie del comparatore. Il segnale sul condensatore è apparentemente triangolare; i tratti obliqui sono in realtà esponenziali. Soglia 2 Soglia 1 Soglia 1 4. Misurare la frequenza e i livelli del segnale generato. Soglia 2 5. Confrontare i valori misurati con quelli calcolati in precedenza, e motivare eventuali differenze. 4

5 Montaggio e misure sul contatore asincrono Esaminare i data sheet del contatore CD4040, e individuare la funzione dei vari ingressi. Schema a blocchi e piedinatura del CD 4040 sono in fig. 2. Per le altre caratteristiche fare riferimento al data sheet. Fig 2 Schema a blocchi e piedinatura del CD 4040 Montare il circuito CD4040 con alimentazione 5V (Vss 0V, Vdd alimentazione positiva). Predisporre il montaggio in modo da poter facilmente inserire altri circuiti integrati logici (usare le barre per alimentazione e massa; vedi indicazioni nel documento Descrizione e uso delle basette per montaggi. Collegare il RESET a uno stato logico tale da abilitare il conteggio. Eseguire in sequenza le seguenti verifiche sul circuito: 1. Collegare all ingresso il segnale a onda quadra generato con il circuito montato al punto precedente. Verificare usando l oscilloscopio il corretto funzionamento del divisore (sulle varie uscite devono essere presenti onde quadre con frequenza via via dimezzata; conviene sincronizzare la base tempi sul segnale a frequenza più bassa). Se non è disponibile il generatore di onda quadra previsto al punto precedente utilizzare il generatore disponibile sul banco, verificando i livelli (devono essere tra o e 5V) prima di collegarlo. 2. Verificare che il ritardo di commutazione aumenta mano a mano che si procede lungo la catena di contatori. (Per eseguire facilmente questa verifica conviene aumentare la frequenza del clock inserendo nel generatore di onda quadra condensatori di valore più basso (valore minimo 10 pf), oppure utilizzando un generatore esterno. In questo caso fare attensioni ai livelli (in particolare quello 5

6 basso). Ricordare che a un circuito integrato non devono essere applicate tensioni esterne all intervallo delle alimentazioni. 3. Determinare il ritardo di un singolo stadio (conviene misurare il ritardo su una catena di FF abbastanza lunga, e dividere per il numero di FF interposti). Verificare che il ritardo dipende dal numero di FF interposti. Confrontare il risultato con i valori indicati sul data sheet. 4. Scollegare dal clock il generatore di segnale; collegare all ingresso di clock una resistenza di pull-up R PU = 10 k e un interruttore verso massa (può essere semplicemente un contatto volante con un filo), in modo da poter applicare manualmente il segnale di clock CK. Far avanzare a mano il contatore. Verificare che ad ogni azionamento del contatto il contatore avanza di più passi (i rimbalzi del contatto meccanico inviano numerosi impulsi di clock). 5. Rimuovere la resistenza di pull-up e lasciare collegato all ingresso uno spezzone di filo (10 cm circa), lasciato aperto; verificare che raccoglie i disturbi presenti nell ambiente (agisce come antenna ): campo della rete elettrica (50 Hz), carica di oggetti elettrizzati posti in vicinanza (non a contatto!) dell ingresso, e così via. Verificare che toccando con una mano lo schermo del monitor del PC e avvicinando l altra all ingresso fluttuante il contatore riceve segnale di clock per accoppiamento capacitivo. Reinserendo R PU il potenziale dell ingresso è fissato dalla resistenza di pullup, che ha una Z molto più bassa rispetto all accoppiamento capacitivo, e riduce i disturbi. (una verifica analoga può essere fatta sull ingresso di reset). R PU V AL Fig 3 Clock manuale CK Esperienze opzionali Parte da eseguire dopo aver concluso quella precedente, se rimane tempo a disposizione. Per gli esperimenti seguenti ricollegare al clock il generatore di onda quadra. 6. Progettare e montare un circuito combinatorio che permette di riconoscere la configurazione 111 su tre uscite consecutive del contatore. Per la decodifica si possono utilizzare le porte NAND rimaste libere (se il generatore di clock è stato realizzato con porte NAND a Schmitt trigger), oppure inserire un nuovo componente (NAND con 2 o 3 ingressi). Tracciare il diagramma di temporizzazione dei segnali di ingresso e di uscita del circuito di decodifica. 7. Inserire sull ingresso il circuito anti-rimbalzi (Flip- Flop tipo SR realizzato con porte NAND tipo 74HC00). Verificare che con questo circuito il contatore avanza di un passo a ogni commutazione del deviatore di ingresso. V AL R PU2 R PU1 S Q* CK A B R Q 8. Montare alcuni LED sulle prime uscite del contatore, secondo le indicazioni del punto Esecuzione delle misure. Abbassare la frequenza del clock fino a poter verificare a vista la sequenza di conteggio (con i LED è possibile tenere sotto controllo più uscite rispetto all oscilloscopio). (I LED singoli disponibili in laboratorio operano con correnti di ma) 6

7 Discussione dei risultati Confrontare i risultati delle verifiche e delle misure con le specifiche di progetto o con i risultati previsti dai calcoli. Presentare i risultati delle misure e il confronto con i valori attesi nella relazione (massimo 6 pagine). Errori più comuni e possibili malfunzionamenti Una della cause più frequenti di malfunzionamento in questa esercitazione sono i falsi contatti nella basetta. Leggere con attenzione le istruzioni del documento Descrizione e uso delle basette per montaggi., e seguire le indicazioni seguenti: - Se i fili per collegamenti sono ossidati o piegati, usarne di nuovi. - Prestare attenzione a non introdurre nei fori della basetta tratti di filo con la guaina isolante, perché i contatti interni a molla possono posizionarsi sopra l isolante. In questo caso la connessione sembra corretta, ma di fatto non vi è collegamento elettrico. - Verificare il valore dei componenti (non fidarsi dell etichetta nella cassettiera!). - Verificare segnali e alimentazioni sull integrato toccando con il puntale della sonda direttamente i piedini (può esservi falso contatto tra basetta e integrato). - Verificare con cura i contatti tra i morsetti che portano alimentazione e segnali e i fili di collegamento alla basetta. Anche qui fare attenzione che sul tratto di filo inserito nel morsetto non sia presente guaina isolante. Le pagine seguenti posso essere utilizzate come base per la relazione 7

8 Esercitazione 2: Generatore di onda quadra e contatore asincrono Data: Gruppo ; composizione: ruolo nome firma Strumenti utilizzati Strumento Marca e modello Caratteristiche Generatore di segnali: Oscilloscopio Alimentatore Descrizione sintetica degli obiettivi 8

9 Punti da sviluppare nella relazione Progetto del generatore di onda quadra Descrivere la procedura utilizzata per il progetto e i risultati Riportare lo schema elettrico e l elenco componenti completo. Indicare i valori attesi dei parametri (frequenza, livelli, duty cyle, ), tenendo conto dei valori normalizzati e delle tolleranze. (questa parte può essere predisposta prima dell esercitazione sperimentale). Risultati delle misure sul generatore di onda quadra Descrivere le misure effettuate, confrontando i risultati ottenuti con quelli attesi (valutati al punto precedente). Verificare se le differenze tra valori misurati e valori previsti in sede di progetto sono dovute alle tolleranze dei componenti o ad altre cause. Risultati delle misure sul contatore asincrono Descrivere le misure effettuate, confrontando i risultati ottenuti con quelli attesi (valutati dal data sheet dei componenti). Verificare se le differenze tra valori misurati e quelli indicati dal costruttore rientrano negli errori di misura; se così non è indicare le probabili cause delle variazioni, e come correggerle. Altre osservazioni Altri comportamenti o risultati di misure diversi da quanto atteso (riportare quanto visto/misurato, indicare l anomalia, indicare delle ipotesi sulle cause). 9