ELETTRONICA APPLICATA E MISURE

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1 Ingegneria dell Informazione ELETTRONICA APPLICATA E MISURE Dante DEL CORSO B8 Esercizi parte B (2)» Generatore Q-T e Q» Monostabili» Laboratorio ELN-1 22/10/ ElapB DDC Page DDC 1

2 Come utilizzare gli esercizi Esercizi sugli argomenti svolti nelle lezioni B5-B7 Risolvere come homework prima della lezione Soluzione e chiarimenti in aula Argomenti esercizi parte B - 2: Analisi di monostabili e circuiti di ritardo Analisi di generatore Q-T e Q Laboratorio ELN-1: Generatore di onda quadra Contatore Decodifica stati del contatore 22/10/ ElapB DDC Page DDC 2

3 B8: Elenco esercizi Obbiettivi di questi esercizi Analisi di circuiti monostabili e astabili, generatore Q/T Progetto con un componente libero B8.1: Comparatore di soglia (p) B8.2: Circuito monostabile (a) B8.3: Generatore di onda quadra (a) B8.4: Generatore Quadro/Triangolo (p) Esercitazione di laboratorio Eln-1 22/10/ ElapB DDC Page DDC 3

4 Esercizio B8.1: comparatore di soglia Progettare un comparatore di soglia con soglie a +4V e -4V, utilizzando un Amplificatore Operazionale con alimentazione +- 12V. Indicare quali altri parametri influenzano i valori dei componenti passivi Progettare tutti i componenti, partendo da una resistenza di reazione di 100 kω Modificare il circuito per ottenere soglie a +1 e -3 V 22/10/ ElapB DDC Page DDC 4

5 Esercizio B8.2: monostabile Generare un impulso positivo (010) di durata 2 μs in corrispondenza delle transizioni H L e L H di un segnale digitale. Individuare diverse soluzioni basate su porte logiche, C, R Tracciare un circuito che utilizza un solo gruppo RC Indicare da quali parametri dipende la durata dell impulso Determinare i valori dei componenti passivi (porte con soglia V T a metà dell alimentazione V AL ) Indicare altre soluzioni, con soli componenti digitali. 22/10/ ElapB DDC Page DDC 5

6 Esercizio B8.2-a: monostabile Occorre un elemento di ritardo e una porta, che deve riconoscere sia 0,1 che 1,0: porta XOR IN \ / \ / RIT \ / \ / OUT / \ / \ / \ / \ 22/10/ ElapB DDC Page DDC 6

7 Eserc. B8.3-a: generatore di clock Calcolare la frequenza dell onda quadra all uscita Vu Parametri del comparatore V S2 = 2 V V S1 = 1,2 V V UH = 4.7 V V UL = 0.3 V Componenti R = 1 kω C = 10 nf C R Vu 22/10/ ElapB DDC Page DDC 7

8 Esercizio B8.3-c: semiperiodo T1 Vc T1 T2 V H Vu VT+ Vc VT- V L V T+ V T- t Vu Vu commuta tra V H e V L ; Vc è una sequenza di esponziali, tra V T- e V T+ T1: Vc(t) = V H + (V T- -V H )exp (- t/rc ) C R Quando t = T1 Vc(T1) = V T+ T1 = RC ln [(V H -V T -)/(V H -V T+ )] = 3.4 s 22/10/ ElapB DDC Page DDC 8

9 Esercizio B8.3-d: semiperiodo T2 Vc T1 T2 V H Vu VT+ VT- V L V T+ Vc V T- t T2: Vc(t) = V L + (V T+ -V L )exp (- t/rc ) Vu Quando t = T2 Vc(T2) = V T- T2 = RC ln [(V T+ -V L )/(V T- -V L )] = 8.5 μs T = T1 + T2 = 11.9 s f = 1/T = 84 khz C R 22/10/ ElapB DDC Page DDC 9

10 Eserc. B8.3-e: generatore di clock Cosa limita la massima frequenza del generatore di onda quadra? Cosa limita la frequenza minima? Quali sono i valori limite per R e per C? Come si modifica la frequenza al variare della tensione di alimentazione? Per misurare la frequenza, è preferibile collegare la sonda dell oscilloscopio su C o all uscita? C R Vu 22/10/ ElapB DDC Page DDC 10

11 Esercizio B8.4: generatore Q/T Il generatore Q/T in figura ha alimentazioni +-15V. Gli A.O. hanno tensioni di uscita fino a +- 14V, e per il resto possono essere considerti ideali. Calcolare: Frequenza Ampiezza onda triangolare Duty Cycle Modificare il circuito per consentire variazioni di: Frequenza: da F a F/10 Duty Cycle: dal 25% al 75 % Componente DC dell onda triangolare: da -2 a +2 V 22/10/ ElapB DDC Page DDC 11

12 Es. B8.4-a: schema base gener. Q/T R O 100k C O 15nF V T R 1 47k R 2 150k V Q C 0 15 nf R k R 1 47 k R k R 3 1 k R 4, R 5 12 k 22/10/ ElapB DDC Page DDC 12

13 Esercizio B8.4-b: soluzioni Frequenza Livelli onda triangolare Duty cycle: 22/10/ ElapB DDC Page DDC 13

14 Eserc. B8.4-c: Variazione frequenza Variare C (non fattibile!) Variare la corrente di carica/scarica di C Variando Ro Variando la tensione ai capi di Ro partitore su Vq Variare le soglie C O 15nF V T V Q R O 100k R 1 R 2 P 1 10k R 3 1k 22/10/ ElapB DDC Page DDC 14

15 Eserc. B8.4-d: Variazione duty-cycle Differenti correnti di carica/scarica dell integratore I = V/R; due possibilità: Variazione di V (poco comoda) Variazione di R (con limite di Rmin) D 1,D 2 1N4148 R O 47k C O V T V Q R 1 R 2 P 3 100k +V CC -V CC R 4 P 2 R 5 P 1 R 3 22/10/ ElapB DDC Page DDC 15

16 Es. B8.4-e: Variazione offset (triang.) Somma di una costante (DC) in uscita Variazione delle soglie del comparatore Variazione della reazione positiva (R1, R2) Somma di un offset V T V Q C O R 2 R O R 1 R 4 R 5 +V CC -V CC 12k P 2 10k 12k P 1 R 3 22/10/ ElapB DDC Page DDC 16

17 Esercizio B8.5: Esempio da scritto Scritto 5/9/13 Esercizio B.1 (4 punti max) a. Tracciare lo schema di un generatore di onda quadra e triangolare che utilizza due amplificatori operazionali, alimentati con singola tensione di + 10V. b. L'uscita a onda quadra viene utilizzata come segnale di Clock per circuiti logici CMOS con alimentazione 5 V. Tracciare lo schema di un circuito di interfaccia tra generatore di onda quadra e circuiti logici che porti il Clock ai valori corretti. c. Indicare come modificare lo schema base per mantenere costante la frequenza in caso di piccole variazioni della tensione di alimentazione. d. Modificare il circuito in modo da poter variare il duty cycle agendo su un potenziometro, mantenendo costante la frequenza del segnale generato. 22/10/ ElapB DDC Page DDC 17

18 Esercizio B8.5-a: domanda a a. Tracciare lo schema di un generatore di onda quadra e triangolare che utilizza due amplificatori operazionali, alimentati con singola tensione di + 10V. Occorre ricavare una tensione di riferimento Vr = 5V (tensione di alimentazione Val/2). Questa tensione sostituisce la massa presente nel circuito a doppia alimentazione. 22/10/ ElapB DDC Page DDC 18

19 Esercizio B8.5-b: domanda b b. L'uscita a onda quadra viene utilizzata come segnale di Clock per circuiti logici CMOS con alimentazione 5 V. Tracciare lo schema di un circuito di interfaccia tra generatore di onda quadra e circuiti logici che porti il Clock ai valori corretti. Un circuito CMOS richiede tensioni prossime a GND per lo 0 e prossime all alimentazione per l 1. Il livello basso (0) è direttamente compatibile; il livello alto (1) deve essere portato da 10 V a 5 V. Ci sono diverse possibilità: Partitore resistivo: occorre dimezzare la tensione, quindi due resistenze uguali. Questa è la soluzione più semplice. Diodo Zener da 4-5V: gruppo R-Zener tra uscita a onda quadra e massa. Clamp a diodo verso 5V: resistenza (per limitazione della corrente) tra uscita del comparatore e ingresso della logica; diodo standard tra ingresso e alimentazione del circuito logico (impedisce che la tensione di ingresso cresca oltre l alimentazione). 22/10/ ElapB DDC Page DDC 19

20 Esercizio B8.5-c: domanda c c. Indicare come modificare lo schema base per mantenere costante la frequenza in caso di piccole variazioni della tensione di alimentazione. Occorre rendere le soglie del comparatore e la corrente di carica dell integratore indipendenti dalla tensione di alimentazione. Si possono inserire circuiti di regolazione con diodo Zener all uscita del comparatore, e riportare (sia in reazione positiva che all integratore) la tensione regolata presente ai capi dello Zener. 22/10/ ElapB DDC Page DDC 20

21 Esercizio B8.5-d: domanda d d. Modificare il circuito in modo da poter variare il duty cycle agendo su un potenziometro, mantenendo costante la frequenza del segnale generato. Bisogna separare i percorsi di carica e scarica del condensatore con due diodi. I due semiperiodi sono proporzionali alle resistenze in ciascun ramo. Per mantenere costante il periodo complessivo si possono realizzare le due resistenze con un potenziometro; la resistenza totale è fissa (e determina il periodo), quelle di carica e scarica sono variabili (per avere la variazione di duty cycle). 22/10/ ElapB DDC Page DDC 21

22 Esperienza di laboratorio - a Progetto, montaggio, verifica del funzionamento di Generatore di onda quadra con porta a trigger Contatore integrato e circuito combinatorio (decoder) Attività preliminari (homework): Progetto del generatore Rivedere istruzioni di laboratorio; manuale di uso basette sito web, home Descrizione e uso delle basette Predisporre la relazione Il laboratorio Eseguire montaggio e misure Relazione da consegnare successivamente 22/10/ ElapB DDC Page DDC 22

23 Esperienza di laboratorio - b Specifiche per il generatore di onda quadra Usare porta CD4093: 4 NAND a 2 ingressi (trigger) Alimentazione 5 V (anche per altri punti) Frequenza del segnale generato: 50 khz (+-20%) Specifiche per il contatore Usare circuito integrato CD 4040 Verificare la sequenza di stati e i ritardi di commutazione Circuito combinatorio: Usare le porte libere del CD 4093 Decodificare lo stato 111 del contatore Verificare il comportamento 22/10/ ElapB DDC Page DDC 23

24 Montaggio sulla basetta - c Leggere: Descrizione e uso delle basette per montaggi OK Fili corti Barre per massa e alimentazione NO Fili lunghi Incroci. 22/10/ ElapB DDC Page DDC 24