Esercitazione 1 Misure e simulazioni su circuiti RC e RLC

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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 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

2 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

3 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%. R6 S 2 S 2 : 1 aperto 2 chiuso V I C4 C5 V O Lasciare S 2 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

4 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 V I R1 V O 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

5 2.3 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 = 47Ω, 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 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

6 2.4 Partitore compensato Predisposizione del modulo Utilizzare il modulo Partitore compensato, R9 = R10 = 120 k, C7 = 150 pf, C8 = 100 pf, C9 = variabile. C7 R10 C8+C9 V I R9 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 6 of 17

7 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

8 3. Modulo per la relazione Esercitazione 1: Misure e calcoli su circuiti RC Data: Composizione del Gruppo nome firma 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, 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

9 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 S 2 V I C4 C5 V O 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

10 Forme d onda ingresso e uscita al variare dell offset Vo (V) t (s) fig 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 diagramma di risposta nel tempo Altri commenti Page 10 of 17

11 Cella R-C passa-alto C1 Utilizzato il modulo passa alto, R1 = 1kΩ ± 5%, C1 = 10 nf± 10% V I R1 V O Risultati delle misure a) b) Riportare l andamento della forma d onda d uscita. fig 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 diagramma di risposta nel tempo Vo (V) t (s) Page 11 of 17

12 e) Confronto e giustificazione dell andamento nei due casi. f) effetto dell'offset Page 12 of 17

13 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 V i S1 R5 R4 L1 C3 V O Vo (V) t (s) fig diagramma di risposta nel tempo 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 Page 13 of 17

14 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

15 Partitore compensato 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 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

16 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 V O /V I [db] 300 1k 3k 10k 30k 100k 0.3M f [Hz] Page 16 of 17

17 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