Laboratorio di Progettazione Elettronica: Esercitazione 3

Transcript

1 Laboratorio di Progettazione Elettronica: Esercitazione 3 In questa esercitazione verranno realizzati fisicamente su breadboard i circuiti progettati durante la prima esercitazione. Una esempio di breadboard è riportato in Figura 1: si tratta di una piastra di plastica con all interno varie connessioni metalliche già realizzate Figura 1: breadboard In particolare le connessioni della breadboard che utilizzeremo sono indicate nella parte destra di Figura 1: Le sezioni A e D sono connesse orizzontalmente ( tipicamente si utilizzano per portare l alimentazione e la massa al circuito), mentre le sezioni C e D sono connesse in verticale. L utilizzo della breadboard rappresenta uno strumento semplice e veloce di prima prototipazione per verificare il comportamento del circuito che si vuole progettare. I fori nelle piastre B e C sono disposti a una distanza di 2.54 mm l uno dall altro, tale distanza, infatti è usata in quasi tutti i package di circuiti integrati. Avendo quindi, come nel nostro caso un package a 8 pin, possiamo sistemarlo nei fori della breadboard a cavallo tra la zona B e la zona C. Tutte le altre interconnessioni dovranno essere fatte tenendo conto del circuito che si vuole progettare e della struttura della breadboard, prestando attenzione a non fare corti indesiderati mappando, per esempio, due nodi diversi sulla stessa colonna nelle zone B o C. Per svolgere l esercitazione avrete a disposizione: - Una breadboard - Un componente OPA2137 (dual) - Tutti i componenti presenti nel kit della TI myparts Kit (trovate l elenco dei componenti nel coperchio) - Un Kit analog discovery 2 della digilent che può essere utilizzato come alimentatore, come generatore di segnale e come oscilloscopio. (il manuale è a disposizione all indirizzo - Un adattatore con BNC per il kit analog discovery, - 2 sonde per oscilloscopio - 1 cavo BNC

2 Gli strumenti che vi possono essere utili per svolgere l esercitazione sono: - Il software waveforms 2015, per gestire la board analog discovery. Potete trovarlo a link: scaricatelo e installatelo sul vostro PC. Il software è di utilizzo abbastanza intuitivo, per ogni difficoltà il manuale di utilizzo è disponibile al link: (ma delle indicazioni di utilizzo sono fornite anche nel seguito). - Codice a colori delle resistenze (Figura 2): Figura 2: codice a colori per le resistenze a foro passante - La codifica dei valori di capacità: Per quanto riguarda i capacitori elettrolitici (Figura 3a), trovate il valore direttamente scritto sul componente. Prestate attenzione al fatto che questo tipo di capacitori ha una polarità, dovete quindi mettere il piedino con il segno meno dal lato della tensione minore. Per quanto riguarda i capacitori ceramici (Figura 3b) invece per interpretare il codice bisogna tenere presente che:

3 L unità di misura è il picofarad Le prime due cifre stampate rappresentano le prime due cifre del valore della capacità, mentre la terza cifra rappresenta il numero di zeri che seguono le prime due cifre, ad esempio se trovate scritto 103, significa che quel capacitore ha un valore pari a C=10*10 3 pf, cioè 10nF. (a) Capacitori elettrolitici Figura 3 (b) Capacitori ceramici Utilizzo del kit basato sulla Analog discovery 2 Il kit che vi viene messo a disposizione è composto da diverse parti: il componente principale che vi consentirà di generare le alimentazioni, i segnali di ingresso e di visualizzare le uscite è proprio la board Analog discovery 2 della Digilent. In Figura 4 sono raffigurate la analog discovery 2 (riquadro rosso sulla destra) e l adattatore (riquadro azzurro) che serve per connettere le sonde dell oscilloscopio e il cavo per connettere il generatore di segnale al circuito implementato sulla breadboard. Figura 4

4 Come prima cosa connettete una sonda dell oscilloscopio (Figura 5) all adattatore sul connettore BNC indicato come CH1 (cerchio arancione in Figura 4) e il cavo nero per portare il segnale del generatore al BNC indicato con W1 in Figura 4. Utilizzare inoltre 3 dei cavetti femmina presenti nel kit della Texas Instruments per portare le alimentazioni verso la breadboard. Per fare questa operazione prestate attenzione alla numerazione dei piedini, come vedete in Figura 6, vicino ad ogni piedino c è l indicazione del segnale che portano. In particolare nel nostro caso ci interessa la massa (la massa di uno strumento di misura o di un generatore deve SEMPRE essere in comune con il circuito con il quale ci si vuole interfacciare) e le due alimentazioni V+ e V-. Come evidenziato in Figura 6, tali segnali sono mappati sui piedini 3 e 4, in particolare troviamo la massa sui piedini 3 (sia nella fila più in alto, fila 1, che nella fila in basso, fila 2). Per quanto riguarda le alimentazioni invece le troviamo nei piedini 4: l alimentazione positiva (valore massimo=5v) V+ è nella fila 1, mentre l alimentazione negativa (valore massimo -5V) è sempre nella 4 coppia di piedini, ma nella fila 2 (quella più in basso). Sonda oscilloscopio Cavi per massa e alim. Cavo gen. segnale Figura 5 Figura 6 SOLO UNA VOLTA EFFETTUATE QUESTE CONNESSIONI, connettere l adattatore alla board attraverso il connettore a 30 PIN (2 file x 15 contatti).

5 Figura 7 Dopo aver realizzato il vostro circuito secondo quanto indicato negli esercizi 1 e 2, quello che dovreste ottenere è un sistema complessivamente interconnesso come in Figura 7. A questo punto potete connettere la analog discovery 2 al PC tramite la porta USB e lanciare il software WAVEforms La schermata che vi comparirà è riportata in Figura 8, nel menu a sinistra trovate varie voci: quelle che utilizzeremo in questa esercitazione sono Scope, Wavegen e Supplies. Figura 8 Scope Selezionando il tasto Scope da Figura 8, verrà aperta la finestra di Figura 9, in cui ci sono tutti gli strumenti per controllare un oscilloscopio a due canali. Nel menu a destra, evidenziato in rosso, è possibile regolare i parametri relativi ai due canali e alla base dei tempi: in particolare si può scegliere l intervallo di tempo da fare corrispondere a ogni divisione (sezione: Time, campo: Base), nell esempio l oscilloscopio è settato per visualizzare 1ms per ogni divisione, con divisione si intende l intervallo di tempo (in ascissa) o di tensione (in

6 ordinata) indicato in giallo in Figura 8. Per quanto riguarda i due canali, nel campo Range è possibile scegliere quanti Volt a divisione si vogliono visualizzare (nel caso in esempio, vengono visualizzati 500mV/div per entrambi i canali), mentre nel campo Offset si può impostare un offset in tensione sul segnale che si sta visualizzando. Un elemento fondamentale, è il livello di trigger, in Figura 8 è indicato con la freccia gialla sulla parte destra del monitor dell oscilloscopio. Il trigger indica il livello di tensione a partire dal quale inizia la visualizzazione a monitor del segnale che si sta misurando. E quindi importante che il segnale, per essere visualizzato in maniera stabile sul monitor, sia ben triggerato ossia che il trigger sia impostato a un livello che il segnale può raggiungere (soprattutto nel caso di segnali periodici). Per impostare il trigger si può semplicemente muovere con il mouse la freccetta gialla sulla destra. Altri parametri che riguardano le impostazioni del trigger son indicati con il riquadro celeste in Figura 9. Parametri del trigger 500mV/div massa trigger 1ms/div Figura 9 Tra i parametri configurabili relativi al trigger troviamo: La possibilità di scegliere tra single: l acquisizione si ferma nel momento in cui il livello di trigger viene raggiunto Run: acquisizione continua Si può inoltre scegliere tra le opzioni: None: il trigger non è attivo Auto: l acquisizione attende 2 secondi la rilevazione del livello di trigger, se tale livello non viene raggiunto parte comunque con un segnale non triggerato (quindi non stabile sul monitor). Normal: l acquisizione parte solo nel momento in cui rileva un livello di tensione pari al trigger. Source: permette di scegliere su quale canale impostare il trigger

7 Condition: Indica se il livello di trigger si riferisce a una segnale che cresce o che decresce. Nel primo caso, il primo istante di acquisizione sarà quello in cui il segnale raggiunge il livello di trigger quando è in fase crescente (Figura 11a), mentre nel secondo caso l acquisizione partirà quando il segnale raggiunge il livello di trigger in fase discendente (Figura 11b). Dal menù view si può accedere a una serie di opzioni utili, come l inserimento dei cursori, la misura di parametri caratteristici del segnale, o ancora di vedere lo spettro o l istogramma del segnale. Con la freccia gialla a sinistra in Figura 9 invece si può spostare il riferimento di massa sul monitor. Un ulteriore fattore da tenere presente per quanto riguarda l oscilloscopio è il fatto che sulle sonde che avete a disposizione si può scegliere un attenuazione di 1x o 10x, attraverso una piccola levetta arancione (Figura 10). Per vedere il segnale corretto dovete quindi settare nell oscilloscopio il valore di attenuazione che avete nella sonda. Per fare ciò dovete andare nell icona segnata in viola in Figura 9 e selezionare il valore corretto nel campo attenuation. Le sonde hanno, ovviamente due terminali, quello nero a coccodrillo rappresenta il riferimento di massa, mentre la pinza principale della sonda deve essere connessa al segnale che si vuole visualizzare (Figura 10). Connettore BNC Pinza Attenuazione Massa Figura 10 Infine, sull adattatore trovate un piccolo jumper in corrispondenza di ogni canale che vi consente di accoppiare il segnale in continua (cioè di vedere anche la componente continua del segnale come in Figura 12a) oppure di disaccoppiarlo e vedere quindi il segnale centrato in zero (Figura 12b).

8 (a) Condition: Rising (b) Condition: Falling Figura 11: trigger ascendente e discendente (a) Segnale accoppiato in continua Figura 12 (b) Segnale disaccoppiato in continua Wavegen Lo strumento Wavegen, consente invece di scegliere le impostazioni per il generatore di segnale. Per attivarlo cliccare sul + nel testo Welcome come indicato in Figura 13 Figura 13

9 Vi comparirà la schermata di Figura 14, in cui potete scegliere la forma d onda da generare e i parametri che la caratterizzano. Nell esempio abbiamo impostato una sinusoide centrata in 0, con frequenza pari a 1 khz e ampiezza pari a 1V. Esiste la possibilità di scegliere tra diverse forme d onda e di generare quindi onde quadre, onde triangolare, rampe e forme d onda trapezoidali. Per mandare in uscita la forma d onda selezionata cliccare su run. Figura 14 Il cavo per il generatore di segnale ha due pin in uscita con due cavetti, il cavo nero è il terminale di massa, mentre quello rosso è il terminale che porta il segnale generato dal generatore. Supplies Con questo comando si aprirà la possibilità di settare le alimentazioni. E possibile settare l alimentazione positiva o quella negativa, oppure entrambe. Per l alimentazione positiva può essere scelto un valore dai 500mV ai 5V, dal menu a tendina sulla destra in Figura 15, a fianco a Positive Supply (V+), può essere accettato qualsiasi valore in questo range, non solo quelli predefiniti nel menù a tendina, è sufficiente inserire il valore a mano. Le stesse considerazioni possono essere fatte per l alimentazione negativa, settando il valore di tensione a fianco a Negative Supply (V-). Per mandare in uscita le tensioni desiderate cliccare sui bottoni relativi alla tensione che si vuole abilitare e su Master Enable.

10 Figura 15 Esercizio 1: Progettare un amplificatore operazionale in configurazione invertente come rappresentato in Figura 16. Utilizzare l amplificatore operazionale commerciale della Texas Instruments OPA2137. Figura 16 a) Scegliere i componenti da montare sulla breadboard in modo da avere un guadagno pari a 10V/V b) Montare i componenti sulla breadbord con le relative interconnessioni c) Il sistema verrà alimentato con un alimentazione single supply Vdd=5V, che verrà fornita dall alimentatore presente nella board analog discovery. È quindi necessario anche generare la Vref=2.5V. Dovrete quindi aggiungere un partitore resistivo tra massa e Vdd per generare la Vref. d) Connettere alimentazione, generatore di segnale e oscilloscopio per visualizzare l uscita alla board analog discovery, nel fare le connessioni prestare particolare attenzione a connettere tutte le masse insieme (sistema da testare, cavo del generatore e sonda dell oscilloscopio). PRESTATE ATTENZIONE AL MODO IN CUI CONNETTETE GENERATORE DI SEGNALE, OSCILLOSCOPIO E ALIMENTAZIONI ALLA BREADBOARD, ASSICURATEVI DI NON AVER FATTO CORTI TRA I VARI SEGNALI

11 ATTRAVERSO LE CONNESSIONI DELLA BREADBOARD O ACCIDENTALMENTE ATTRAVERSO CAVETTI VOLANTI. e) Impostare nel software waveforms 2015 una sinusoide di ingresso con ampiezza 50 mv e frequenza 1kHz (centrata su 2.5V) f) Attivare i segnali e monitorare l uscita, fate delle prove facendo variare ampiezza e frequenza del segnale di ingresso per vedere come risponde l amplificatore. ATTIVARE IL GENERATORE E LE ALIMENTAZIONI VIA SW SOLO UNA VOLTA CHE AVETE VERIFICATO ATTENTAMENTE L ASSENZA DI CORTI, IN QUANTO UN CORTO ACCIDENTALE POTREBBE DANNEGGIARE LO STRUMENTO. g) Apportate al circuito tutte le modifiche necessarie per utilizzare un alimentazione dual supply e ripetete l esperimento. Esercizio 2: Progettare un amplificatore a due stadi (Figura 17), utilizzando l amplificatore operazionale commerciale della Texas Instruments OPA2137. a) Dimensionare le resistenze per avere un guadagno pari a 60dB, utilizzare un alimentazione dual supply. 1 stadio CAP 2 stadio Figura 17 È necessario introdurre la capacità di disaccoppiamento C1 perché, come specificato nel datasheet, il componente ha una tensione di offset dell ordine dei mv, e tale tensione sarebbe amplificata dal secondo stadio causando possibili problemi di saturazione verso le alimentazioni). Dimensionare i componenti (R1, R2, R3, R4 e C1) in modo che: Il guadagno di 60 db sia distribuito tra i due stadi (40 db per il primo stadio e 20 db per il secondo) La frequenza di taglio del passa alto introdotta da C1-R4 sia pari a circa 1 Hz b) Scegliere i componenti da montare sulla breadboard per soddisfare le specifiche c) Montare i componenti sulla breadbord con le relative interconnessioni d) Connettere alimentazione, segnale di ingresso e oscilloscopio per visualizzare l uscita sia del primo che del secondo stadio alla board analog discovery, nel fare le connessioni prestare particolare

12 attenzione a connettere tutte le masse insieme (sistema da testare, cavo del generatore e sonda dell oscilloscopio). PRESTATE ATTENZIONE AL MODO IN CUI CONNETTETE GENERATORE DI SEGNALE, OSCILLOSCOPIO E ALIMENTAZIONI ALLA BREADBOARD, ASSICURATEVI DI NON AVER FATTO CORTI TRA I VARI SEGNALI ATTRAVERSO LE CONNESSIONI DELLA BREADBOARD O ACCIDENTALMENTE ATTRAVERSO CAVETTI VOLANTI. e) Impostare nel software waveforms 2015 una sinusoide di ingresso con ampiezza 5 mv e frequenza 1kHz f) Attivare i segnali e monitorare le uscite del primo e secondo stadio usando entrambe le sonde dell oscilloscopio, fate delle prove facendo variare ampiezza e frequenza del segnale di ingresso per vedere come risponde l amplificatore. ATTIVARE IL GENERATORE E LE ALIMENTAZIONI VIA SW SOLO UNA VOLTA CHE AVETE VERIFICATO ATTENTAMENTE L ASSENZA DI CORTI, IN QUANTO UN CORTO ACCIDENTALE POTREBBE DANNEGGIARE LO STRUMENTO.