Elettronica delle Telecomunicazioni

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1 Guida alle esercitazioni di laboratorio per il corso di Elettronica delle Telecomunicazioni (AA ) Dante Del Corso, Luciano Lavagno, Marcello Chiaberge, Claudio Passerone, Claudio Sansoè Quaderni del LADISPE N. 8b rev

2 Indice INTRODUZIONE E INDICAZIONI GENERALI 3 ESERCITAZIONE 1 : AMPLIFICATORE A TRANSISTORE 9 ESERCITAZIONE 2 : FILTRO ATTIVO 11 ESERCITAZIONE 3 : AMPLIFICATORE LOGARITMICO 13 ESERCITAZIONE 4 : CONVERTITORE D/A CON RETE A SCALA 15 ESERCITAZIONE 5 : PLL CON CIRCUITO INTEGRATO CD ESERCITAZIONE 6 : DECODIFICATORE DI TONO CON C.I. NE ESERCITAZIONE 7 : PLL SW REALIZZATO CON DSP ADI ESERCITAZIONE 8 : LINEE DI TRASMISSIONE 40 2

3 INTRODUZIONE E INDICAZIONI GENERALI Il principale obbiettivo del corso di Elettronica delle Telecomunicazioni èsviluppare le capacitàdi progetto di circuiti e sistemi elettronici. Le esercitazioni consentono di verificare la rispondenza dei circuiti reali con quanto progettato. Ogni esercitazione consiste in un piccolo progetto da sviluppare secondo le specifiche indicate, e successivamente da realizzare e verificare in laboratorio. Queste note comprendono una parte introduttiva generale e spiegazioni particolari per ciascuna esercitazione, articolate nei punti: 1. Specifiche 2. Progetto 3. Montaggio 4. Misure 5. Relazione 6. Esperienza dimostrativa Vanno integrate con le informazioni presenti nei manualetti disponibili in laboratorio per l'esecuzione delle esercitazioni sperimentali di Elettronica delle Telecomunicazioni e la raccolta di data-sheets giàutilizzati per i corsi di Elettronica Applicata, e con le norme generali per l'uso del laboratorio. Per ogni esercitazione deve sempre essere stesa una relazione sul progetto e sui risultati delle misure; tale relazione va redatta durante la permanenza in laboratorio. Il progetto, l'esecuzione dell'esperienza e la stesura della relazione sono svolti congiuntamente da un gruppo di allievi. Per uniformare la preparazione, èopportuno che le varie fasi (quali ad esempio calcoli, manipolazione degli strumenti, stesura,...) siano svolte a turno da tutti i componenti del gruppo. In questo contesto èassolutamente inaccettabile cambiare componenti fino a raggiungere le specifiche richieste. Se un montaggio non soddisfa le specifiche di progetto, riportare i risultati delle misure e analizzare i motivi della non rispondenza. Specifiche Questa parte indica la funzione del circuito e le specifiche generali di progetto. Le specifiche esatte possono essere diverse da quelle qui riportate, e vengono di volta in volta indicate a lezione. Progetto Questa parte fornisce indicazioni su come sviluppare il progetto stesso. Le indicazioni sono in sequenza, e vanno seguite nell'ordine con cui sono presentate. 3

4 In generale i progetti non sono totalmente deterministici; partendo dalle specifiche indicate èpossibile realizzare le funzioni richieste con circuiti diversi. Lungo l'iter del progetto vi sono punti in cui occorre effettuare scelte o definire (a volte quasi arbitrariamente, ma comunque con criterio) il valore di alcune variabili. In molti casi quella proposta non èl'unica sequenza possibile; sono accettabili anche altre procedure, purchéconducano al risultato finale (modulo realizzabile con componenti standard e funzionante secondo le specifiche). Ogni progetto va sviluppato secondo la sequenza: 1. scelta e definizione dello schema di massima (elettrico o a blocchi) 2. calcolo del valore nominale dei componenti 3. scelta dei componenti di valore normalizzato opportuni 4. valutazione dell'effetto di questa scelta sul comportamento del circuito 5. valutazione dell'effetto delle tolleranze dei componenti A conclusione del progetto devono essere riportati lo schema elettrico e l'elenco componenti. Lo schema deve utilizzare i simboli funzionali standard per i diversi elementi circuitali. Nel caso di circuiti integrati riportare per ciascun piedino il nome all'interno e il numero all'esterno. Dato che il tempo disponibile in laboratorio èlimitato, il progetto va sviluppato completamente prima dell'esercitazione. Simulazione I progetti sviluppati per le esercitazioni possono essere verificati prima del montaggio utilizzando simulatori elettrici di vario tipo. Questo consente di verificare la correttezza e la rispondenza alle specifiche, entro i limiti dati dalla accuratezza dei modelli a disposizione. Èdisponibile, sia al LADISPE che per uso personale, la versione dimostrativa di PSPICE "Design Center v. 5.4" (per Windows). E' opportuno che la simulazione sia eseguita a casa o al LAIB, prima della esercitazione in laboratorio. Montaggio Ogni gruppo preleva dal magazzino componenti quanto necessario al montaggio. Al termine dell'esercitazione il circuito deve essere smontato, e i componenti devono essere rimessi nel posto da cui sono stati prelevati. Nel laboratorio sono disponibili: 1. resistenze a strato di carbone da 1/4 W, 5%, per i soli valori della serie E12 (10%); 2. condensatori (ceramici, ceramici multistrato, film plastico), con tolleranze del 10% o 20%, secondo la serie E6 (qualche valore secondo E12); 3. condensatori elettrolitici con tolleranza del 20% o 40%; 4

5 4. i componenti attivi richiesti per ciascuna esercitazione; 5. potenziometri di vari valori 6. deviatori e LED (per forzare e rilevare stati logici) Il valore dei componenti passivi (R, C) ènormalmente indicato con tre cifre, rappresentate con il codice dei colori o direttamente stampate sul componente. Le tre cifre, lette da sinistra, indicano: 1. prima cifra significativa 2. seconda cifra significativa 3. moltiplicatore decimale Per le resistenze il valore èespresso in Ω, per i condensatori ceramici e a film plastico in pf. Componenti di precisione (ad esempio resistenze all'1%) possono avere 4 fasce (si aggiunge una terza cifra significativa). Altre indicazioni (fasce colorate o lettere) indicano la tolleranza e altri parametri. Dato che i componenti possono essere stati rimessi nel posto sbagliato, èopportuno verificarne sempre il valore. Le tolleranze rendono illusori valori intermedi tra quelli di una serie normalizzata ottenuti collegando in serie o in parallelo componenti della stessa serie. Ad esempio, non ha senso realizzare una resistenza di valore non disponibile con due al 10% in parallelo o in serie, quindi tanto vale usare valori giàpresenti nella serie 10%. E' invece possibile ottenere un componente con incertezza del 10% con due resistenze al 5% in parallelo o in serie. Le basette a disposizione permettono il montaggio di semplici circuiti senza dover eseguire saldature. Usare solo componenti e fili con terminali di diametro 0,5-0,7 mm (resistenze e condensatori piccoli); terminali piùgrossi danneggiano i contatti. Per evitare falsi contatti e altri malfunzionamenti conviene sempre pulire la parte di conduttore infilata nella basetta; evitare anche terminali attorcigliati e piegati. Eventualmente tagliare i terminali o il filo. Usando fili troppo sottili si rischia di infilare tra i contatti la parte isolata; per evitare questo rischio togliere almeno 1 cm di isolante. Nella basetta usare le barre orizzontali per massa e alimentazioni (in ordine di valore; la piùpositiva in alto). Studiare il montaggio in modo da avere collegamenti diretti e corti. Per quanto possibile rispettare la disposizione topografica dello schema elettrico. Evitare rimandi multipli (collegamenti a catena). Questo vale specialmente per i nodi ad alta impedenza, per gli ingressi di amplificatori operazionali, per collegamenti di massa e alimentazione. Può essere necessario disaccoppiare le alimentazioni verso massa con condensatori da nf (ceramici multistrato) collegati in prossimitàdei piedini dell'integrato. Montare gli integrati tutti nello stesso verso (ad esempio con il pin 1 in basso a sinistra). Per gli amplificatori operazionali usare preferibilmente componenti singoli in contenitore Dual-in-line (DIL, DIP) a 8 pin, che permettono di raggruppare il montaggio stadio per stadio. 5

6 Nel caso di circuiti complessi èconsigliabile montare uno stadio (o una parte autonoma) per volta, e verificarne via via il funzionamento. L'elevatissima impedenza di ingresso dei circuiti CMOS fa si che il morsetto si porti ad un potenziale dipendente dai campi elettrici esterni; oltre che modificare il funzionamento, questo puòdanneggiare il circuito (ad esempio perchéporta i circuiti logici a operare in zona di funzionamento lineare con elevata dissipazione). Pertanto, gli ingressi di circuiti CMOS non devono mai essere lasciati sconnessi. Misure Le misure da eseguire sono quelle necessarie per verificare la funzionalitàdel circuito e il soddisfacimento delle specifiche, e per verificare l'effetto di alcune varianti al circuito base. Eseguire le misure secondo la sequenza indicate nelle istruzioni dell'esercitazione. Per non rischiare di danneggiare il circuito o gli strumenti collegati, evitare di applicare su qualunque nodo segnali o tensioni continue esterne all'intervallo tra le alimentazioni (massa e +5 V per circuiti logici, solitamente V per circuiti analogici con amplificatori operazionali). Segnali esterni all'intervallo compreso tra la massima tensione di alimentazione positiva e la minima negativa portano in polarizzazione diretta le giunzioni presenti tra morsetto e massa o alimentazione, determinando fenomeni di latchup che possono danneggiare il circuito. Sempre per questo motivo, evitare di applicare segnali a circuiti non alimentati, e spegnere o sconnettere i generatori di segnale esterni prima di spegnere l'alimentazione. Se occorre inviare al circuito una tensione di controllo variabile (ad esempio per modificare la frequenza di un VCO, o altro), conviene ricavarla con un potenziometro dalla tensione di alimentazione. Questo evita il rischio di inviare al circuito tensioni che possono danneggiarlo (esterne all'intervallo compreso tra le tensioni di alimentazione). Eventualmente usare due potenziometri di valore opportuno, collegati in modo da permettere una regolazione grossolana e una regolazione fine. Per i circuiti con alimentazione duale collegare il punto intermedio dei due alimentatori alla massa del circuito. Sono disponibili per oscilloscopi e altri strumenti di misura cavi diretti e sonde. Valutare caso per caso quale utilizzare, ricordando che il cavo presenta sul punto di misura un carico capacitivo molto piùelevato della sonda. Ricordare la differenza tra massa (nodo di riferimento per tutti i potenziali elettrici in un circuito) e terra (conduttore collegato ad un paletto conficcato nel terreno). La terra corrisponde al filo giallo-verde degli impianti elettrici, e deve essere presente per ridurre i rischi di folgorazione in tutte le apparecchiature con parti metalliche che possono entrare in contatto con l'operatore. Gli oscilloscopi hanno l'ingresso tra un morsetto e massa, e questa per garantire la sicurezza elettrica ècollegata alla terra. Lo stesso puòvalere per altri strumenti, quindi le masse di strumenti diversi possono essere collegate tra di loro attraverso la terra. Non cercare di eseguire misure differenziali usando direttamente conduttore centrale e massa 6

7 di cavi diretti o sonde; la massa mette in cortocircuito (a terra!!!) il punto a cui è collegata. Gli alimentatori dovrebbero avere i morsetti di uscita fluttuanti rispetto a massa. Questa condizione non èverificata per alcuni alimentatori tripli presenti al LADISPE, che hanno il morsetto negativo della sezione a tensione fissa collegato in modo permanente a terra. In caso di dubbio verificare con un ohmetro (staccando l'alimentatore dalla rete). Qualunque misura èaffetta da un errore; la sua valutazione e l'indicazione esplicita della sua entitàfa parte dei risultati della misura e deve essere riportata nella relazione. Anche quando sono disponibili strumenti piùprecisi, quali multimetri e frequenzimetri digitali, conviene usare l'oscilloscopio per mantenere sotto controllo il funzionamento del circuito e per effettuare le misure per cui non èrichiesta elevata precisione. Analisi dei malfunzionamenti Evitare assolutamente di correggere il valore dei componenti fino a raggiungere le specifiche richieste. Scopo delle esercitazioni èsviluppare un progetto, verificarne sperimentalmente il funzionamento, e rendersi conto dei motivi di eventuali discrepanze. Solo nel caso di mancato funzionamento o di forte discordanza con i risultati delle simulazioni: 1. verificare che il circuito sia correttamente alimentato e collegato con strumenti esterni; 2. controllare che gli strumenti siano opportunamente predisposti e funzionanti (tensioni di alimentazione, scale dell'oscilloscopio e dei voltmetri, livelli e frequenza dei generatori di segnale,...); 3. verificare la corrispondenza del montaggio con lo schema; 4. verificare il valore dei componenti utilizzati; 5. controllare l'eventuale presenza di falsi contatti verificando i segnali direttamente sui piedini degli integrati; 6. separare il circuito in parti verificabili individualmente, ripetendo su ciascuna i passi sopra indicati; 7. verificare il progetto; Relazioni di laboratorio Di ogni esperienza deve essere redatta una relazione, che deve riportare: 1. il titolo dell'esperienza, la data, i partecipanti; 2. le specifiche del progetto; 3. un breve cenno sullo sviluppo del progetto stesso (metodo, approssimazioni introdotte, risultati); 4. lo schema elettrico del circuito (usando i simboli funzionali dei componenti); 5. l'elenco completo dei componenti, con tutte le indicazioni necessarie per identificare tipo e valore degli stessi; 6. l'indicazione delle misure previste per verificare il funzionamento; 7. l'elenco degli strumenti utilizzati per effettuare le misure; 7

8 8. la descrizione delle misure effettuate e i relativi risultati, con la valutazione degli errori; usare tabelle, grafici, istogrammi, e quanto altro necessario per chiarire o evidenziare aspetti importanti dei risultati. La tabella dei risultati deve essere completata durante l'esecuzione dell'esperienza; eventuali altri grafici possono essere tracciati e aggiunti successivamente; 9. un confronto dei risultati delle misure con quanto previsto dai calcoli (tenendo conto delle tolleranze), e la spiegazione di eventuali divergenze; 10.una breve discussione conclusiva che verifica la rispondenza alle specifiche del progetto (o evidenzia i punti di non-rispondenza). Come per qualunque rapporto su attivitàsperimentali, la relazione deve fornire tutte le informazioni necessarie per poter ripetere l'esperienza e verificarne i risultati. Evitare di riportare schemi topografici del montaggio o degli integrati. Esperienza Dimostrativa Per queste esercitazioni èanche prevista una parte conclusiva, che non richiede misure vere e proprie, ma mette in evidenza comportamenti particolari del circuito realizzato. In alcuni casi richiede strumentazione aggiuntiva rispetto a quanto presente sul banco; in tal caso la parte viene svolta dal docente sui banchi che concludono in tempo utile la prima parte delle misure. 8

9 Esercitazione 1 : AMPLIFICATORE A TRANSISTORE Specifiche Progettare un amplificatore con un transistore secondo le seguenti specifiche: 1. Guadagno di tensione = Banda a -3 db da 300 Hz a 20 khz 3. Dinamica di uscita 3 V picco-picco Queste caratteristiche devono essere verificate entro un margine del +/- 10%, a temperatura ambiente, con una resistenza di carico di 10kΩ. Le specifiche su guadagno e dinamica valgono per segnali di ingresso di 1 khz. È disponibile una tensione di alimentazione da 12 V. Le specifiche sopra indicate possono variare in caso di indicazioni fornite a lezione Progetto Iniziare fissando il punto di funzionamento del transistore. Scegliere (in alternativa): Ve a riposo (Ver); da questa calcolare Vu a vuoto e Rc ; Rc ; da questa calcolare Vu a vuoto e Ver ; Da Rc e Ver calcolare Ic, in modo da avere escursioni di tensione simmetriche sul collettore (prendere un margine sulla Vce rispetto alla saturazione). Fissare Re per ottenere la Ic voluta. Dimensionare le resistenze del partitore di base, in modo tale che le variazioni di β non spostino troppo il punto di funzionamento. La resistenza Re èformata da due resistenze Re1 e Re2, quest'ultima con un condensatore in parallelo. Calcolare la Re1 in modo da ottenere il guadagno desiderato (tenendo conto della presenza del carico). Dimensionare i condensatori in modo da ottenere la banda passante indicata nelle specifiche. Scegliere componenti di valore normalizzato. Determinare le variazioni nelle caratteristiche dell'amplificatore dovute all'uso di componenti di valore normalizzato. Calcolare le variazioni nelle caratteristiche dell'amplificatore dovute alle tolleranze dei componenti attivi e passivi. 9

10 Tracciare la maschera entro cui deve essere compresa la funzione di trasferimento del circuito reale, tenendo conto dei valori nominali e delle tolleranze. Misure Verificare il punto di funzionamento a riposo (Ic, Vce). Conviene effettuare questa e altre misure di corrente per via indiretta, misurando la tensione ai capi di una resistenza in cui scorre la corrente stessa, e misurando il valore esatto della resistenza. Questo evita modifiche al circuito (per inserire il milliamperometro in serie). Misurare la corrente di base e valutare hfe del transistore. Con segnale di ingresso di ampiezza molto bassa (tale che valga con buona approssimazione il circuito equivalente linearizzato del transistore) verificare il guadagno alla frequenza di 1 khz, con il carico indicato dalle specifiche. Tracciate la curva di risposta in frequenza (diagramma di Bode) e confrontarla con la maschera prevista dai calcoli. Verificare che sia soddisfatta la specifica sulla dinamica. Determinare il massimo livello di uscita per segnale apparentemente indistorto. Eseguire la misura del guadagno a 1 khz per diverse ampiezze del segnale di ingresso. Verificare che, al di sopra di una certa ampiezza, il guadagno diminuisce all'aumentare del livello del segnale. Esperienza dimostrativa Mediante un analizzatore di spettro èpossibile verificare il contenuto di armoniche nel segnale di uscita in funzione dell'ampiezza del segnale di ingresso. Conviene usare una scala lineare sull'asse della frequenza, per riconoscere agevolmente la posizione delle armoniche. Occorre verificare la purezza spettrale del segnale di ingresso, e valutare la distorsione introdotta dall'amplificatore dalla differenza tra ampiezza tra armoniche in ingresso e in uscita. 10

11 Esercitazione 2 : FILTRO ATTIVO Specifiche Progettare un filtro passa basso, con funzione di trasferimento tale da rispettare la maschera indicata a lezione. Sono disponibili AO tipo LM748, da alimentare a +/- 15v. Progetto Determinare il tipo di approssimazione piùopportuno tra quelle riportate nel testo (Bessel, Butterworth, Chebischeff). Determinare il numero di poli necessario per soddisfare le specifiche con la funzione di trasferimento nominale (dai grafici del testo). Determinare il numero di celle del I e II ordine, e i parametri di ciascuna cella (dalle tabelle riportate nel testo). Sviluppare completamente il progetto di almeno una delle celle del II ordine con poli complessi, calcolando il valore dei componenti. Indicare i componenti reali da utilizzare, con valori scelti tra quelli normalizzati secondo la serie E12 per le resistenze, e E6 per i condensatori. Calcolare la funzione di trasferimento nominale ottenuta impiegando i componenti di valore normalizzato. Devono essere determinati i nuovi valori di H(0), della pulsazione e dello smorzamento ; dai grafici standard per funzioni del II ordine puòessere tracciata la funzione di trasferimento. Determinare la maschera entro cui puòtrovarsi la funzione di trasferimento della cella progettata, tenendo conto delle tolleranze dei componenti. Usare il metodo della sensitivity, o altre tecniche eventualmente note (riportando una breve spiegazione). Misure Montare almeno una cella del II ordine e verificarne la funzione di trasferimento. Scegliere una cella con basso smorzamento, in cui èpiùfacile misurare posizione e ampiezza del picco di risonanza. Confrontare i risultati della misura con la fascia di variazione ricavata dai calcoli. Verificare in particolare i valori di H(0), la pulsazione del picco di risposta e l'ampiezza del picco di risposta rispetto alla risposta a frequenze basse (per celle passa basso). Queste grandezze sono direttamente misurabili e riportate nelle tabelle del testo, mentre sarebbe piùdifficile misurare direttamente e la pulsazione e lo smorzamento. Discutere e motivare eventuali divergenze. 11

12 Montare e verificare le altre celle. Tracciare la funzione di trasferimento complessiva. Stimare la precisione necessaria per i componenti, volendo ottenere una funzione di trasferimento reale che rispetti la maschera indicata nelle specifiche. Esperienza dimostrativa Con l'analizzatore di spettro èpossibile visualizzare la risposta in frequenza del filtro. Per osservare direttamente il diagramma di Bode, usare una scala logaritmica per la frequenza e scala in db per l'ampiezza. Il segnale di ingresso puòessere ricavato da un generatore abbinato alla scansione dell'analizzatore di spettro (tracking generator; non sempre disponibile), oppure può essere un rumore a larga banda con densitàspettrale costante. Con un filtro formato da piùcelle, èpossibile verificare la pendenza asintotica in banda attenuata spostando l'ingresso dell'analizzatore lungo la catena. La pendenza deve essere di 20 db/dec (o 6 db/ottava) per ogni polo presente nella parte di filtro inserita. 12

13 Esercitazione 3 : AMPLIFICATORE LOGARITMICO Specifiche Progettare un amplificatore con funzione di trasferimento logaritmica tra i punti dati : VI VU 10 mv 0 V 10 V 8 V Progetto Per minimizzare gli errori dovuti alle variazioni della temperatura, posizionare il punto a metàdinamica in corrispondenza della corrente di riferimento della giunzione di compensazione. Posizionare la dinamica in corrente tenendo conto delle correnti di ingresso del primo operazionale e della resistenza intrinseca della giunzione logaritmica. Per ottenere la funzione di trasferimento indicata dalle specifiche, traslare la funzione di trasferimento ottenuta sommando una tensione opportuna all ingresso del secondo operazionale. Posizionare la dinamica in tensione in base alle specifiche. Per le giunzioni logaritmiche si usano transistori duali o multipli, tutti collocati sullo stesso chip per avere garanzia che siano alla stessa temperatura. Ove presente, usare una coppia di transistori giàconnessi in configurazione differenziale. Misure Per una verifica di massima del funzionamento, applicare all'ingresso un segnale triangolare tra 0 e 10 V circa, e controllare che la forma d'onda in uscita abbia andamento approssimativamente logaritmico. Effettuare una rilevazione per punti della Vu in funzione della Vi, spaziando i valori di ingresso uniformemente su scala logaritmica (mantenere un rapporto costante tra valori successivi, ad esempio 1, 3, 10,... oppure 1, 2, 5, 10...). La tensione di ingresso puòessere ricavata dall'alimentazione, con un partitore formato da due potenziometri, collegati in modo da avere una regolazione grossolana e una regolazione fine. Riportare il risultato su un diagramma semilogaritmico. 13

14 Dopo aver effettuato le misure punto per punto, la caratteristica complessiva puòessere visualizzata come un segmento rettilineo sull'oscilloscopio, applicando all'ingresso un segnale con andamento esponenziale nel tempo, con valori iniziale e finale corrispondenti alla dinamica prevista dal progetto. Eseguendo il logaritmo dell'esponenziale si riottiene l'argomento dell'esponenziale (in questo caso il tempo). La tensione di uscita ha quindi andamento lineare nel tempo (visualizzato sull'oscilloscopio come traccia rettilinea inclinata). Il segnale esponenziale puòessere ricavato da un`onda quadra con una rete RC passa alto (il periodo dell'onda quadra e la costante di tempo devono essere dimensionate in modo da consentire una comoda visualizzazione). A pari costante di tempo, aumentando il periodo dell'onda quadra l'esponenziale scende a livelli piùbassi; in questo modo si evidenziano le deviazioni dal comportamento logaritmico verso l'estremo inferiore della dinamica. Inserire un circuito di recupero dell'offset per il primo operazionale, e usarlo per ridurre gli errori all'estremo inferiore della dinamica (valutare questi errori con la configurazione indicata in precedenza; l'errore èminimo quando la risposta all'esponenziale èlineare). Verificare che usando come giunzioni logaritmiche diodi anzichétransistori cambia la pendenza della caratteristica (cambia il coefficiente della giunzione utilizzata). Verificare che impiegando diodi o transistori separati e scaldando uno solo dei due la deriva termica èmolto piùforte. Esperienza dimostrativa Con elementi logaritmici monolitici, gli effetti termici sono osservabili polarizzando uno degli altri transistori dell'array con e note, per usarlo come elemento riscaldante (valutare la potenza dissipabile dal data-sheet dell'array). Verificare che la variazione di temperatura del chip provoca una variazione di pendenza della caratteristica. Questo effetto si puònotare osservano con scale espanse i due estremi della caratteristica rettilinea tracciata con il circuito sopra indicato, e verificando che si spostano in direzioni opposte. 14

15 Esercitazione 4 : CONVERTITORE D/A CON RETE A SCALA Specifiche Progettare un convertitore D/A a 6 bit utilizzando una rete a scala pilotata con deviatori di tensione. I deviatori sono costituiti dallo stadio di uscita di integrati logici CMOS tipo CD4029 e CD4013. Sono disponibili reti a scala con R = 50 kω o R = 13.5 kω, e amplificatori operazionali tipo LM741. L'uscita deve coprire il campo 0-10 V. Usare tensioni di alimentazione di 5 V (per i circuiti logici) e di +/-15 V (per gli amplificatori operazionali). Progetto I circuiti logici sono collegati in modo da formare un contatore a 6 bit (64 stati). Questo permette di applicare i diversi valori di ingresso (digitale) facendo avanzare il contatore. Per valutare gli errori di non linearitàoccorre determinare la resistenza equivalente delle uscite (R ON ), e confrontarla con il valore di R (rete a scala). La R ON puòessere diversa tra i due integrati e per i due stati di uscita. Il valore della R ON puòessere determinato dalle specifiche di tensione/corrente delle uscite riportate sui cataloghi. Realizzare il contatore in modo da minimizzare l'errore in uscita dovuto alla R ON. Misure Nel predisporre il generatore che invia il clock al contatore, fare attenzione a limitare il livello del segnale tra 0 e 5 V (o comunque entro il campo tra massa e alimentazione dei circuiti logici). Verificare con l'oscilloscopio il corretto funzionamento del divisore. Sincronizzare la base tempi con il segnale a frequenza piùbassa, e verificare frequenza e fase delle altre uscite. Con la rete a scala collegata e il contatore comandato da un clock continuo verificare che venga generata in uscita una rampa continua di 64 livelli. La rampa èosservabile anche scollegando l'uscita (in corrente) della rete a scala e osservando la tensione a vuoto sul morsetto. 15

16 Facendo avanzare il contatore a passi singoli (a partire da una condizione nota), misurare ciascuno dei 64 livelli. Dato che successivamente dovranno essere effettuate delle differenze tra i valori misurati, usare gli strumenti in modo da ottenere la massima risoluzione possibile, e non effettuare arrotondamenti. Se il generatore usato per il clock non permette di inviare singoli impulsi, montare un deviatore manuale con circuito antirimbalzo per generare impulsi singoli. Dalle misure effettuate ricavare i parametri della retta approssimante con il metodo dei minimi quadrati (descritto nel manualetto di laboratorio); da questi calcolare gli errori di offset e di guadagno. Tracciare i diagrammi della non-linearitàassoluta e non-linearitàdifferenziale, prendendo come riferimento la retta approssimante. Indicare nei diagrammi l'errore di misura (in questo caso èconfrontabile con il risultato della misura stessa). Esperienza dimostrativa Visualizzando la caratteristica completa (clock continuo), verificare l'effetto di errori nella rete a scala, variando le resistenze dei diversi rami (inserire altre resistenze in serie o in parallelo). Valutare la relazione tra errore introdotto nel ramo (variazione di resistenza) ed errore in uscita, in funzione della posizione del ramo (MSB,...LSB). Sempre visualizzando la caratteristica completa (clock continuo), aumentare la cadenza del clock fino a evidenziare i glitch. Aumentare il ritardo di commutazione di un ramo inserendo in parallelo alla corrispondente uscita logica un condensatore, e verificare l'effetto sui vari rami. 16

17 Esercitazione 5 : PLL CON CIRCUITO INTEGRATO CD4046 Specifiche Verificare il funzionamento in diverse condizioni e il valore di alcuni parametri del PLL integrato CD4046. Il circuito comprende due demodulatori di fase. Per ciascuno di essi viene verificato il funzionamento su due diversi campi di frequenza. Caso 1: Campo di mantenimento: 5 khz - 30 khz Campo di cattura: 10% del campo di mantenimento Caso 2: Campo di mantenimento: 20 khz - 30 khz Campo di cattura: 30% del campo di mantenimento Tensione di alimentazione: 5 V Progetto Utilizzare i grafici e le formule riportati sulle caratteristiche del 4046 (nella raccolta di data-sheet). I parametri di questo circuito integrato hanno tolleranze molto ampie. I risultati delle misure possono discostarsi dai dati di progetto anche del 20% in piùo in meno. Misure Ad anello aperto, ricavare la caratteristica del VCO (applicare una tensione di controllo compresa tra massa e alimentazione). La misura va ripetuta per i due campi di frequenza indicati nelle specifiche. Determinare il coefficiente (Hz/V) per i due campi di frequenza. Verificare le forme d'onda sul condensatore del VCO. Un circuito presente su uno degli ingressi del comparatore di fase ripristina il valore opportuno di tensione continua; il segnale deve essere quindi applicato tramite un condensatore (determinarne il valore opportuno in base alla resistenza equivalente di ingresso). Applicare segnali di valore picco-picco inferiore al campo massa-alimentazione (o anche molto piùpiccoli; l'ingresso ha un circuito squadratore). 17

18 Per le misure indicate nel seguito, la frequenza del generatore esterno deve poter essere variata anche di piccole quantità. Se il generatore non ha una regolazione fine di frequenza, inserire una piccola corrente variabile di correzione nell'ingresso di controllo esterno (VCG). Ad anello chiuso, verificare qualitativamente che il PLL agganci il segnale di ingresso (applicare all'ingresso segnali con frequenza prossima a quella centrale del campo misurato in precedenza). Per verificare l'aggancio collegare i due canali dell'oscilloscopio all oscillatore esterno e al VCO, sincronizzando l'asse tempi su uno dei due; a PLL agganciato i due segnali sono stabili sullo schermo. Verificare che le frequenze del segnale di ingresso e del VCO siano uguali. Variando la frequenza del segnale di ingresso, misurare le frequenze di aggancio e di sgancio. Esplorare nei due versi un campo di frequenze leggermente piùampio di quello misurato come caratteristica del VCO, per rilevare i campi di cattura e di mantenimento. La misura va ripetuta in quattro condizioni diverse (due campi di frequenza, due demodulatori di fase). Rilevare l'andamento dello sfasamento tra segnale di ingresso e oscillatore locale al variare della frequenza del segnale di ingresso (entro il campo di mantenimento). Determinare il coefficiente (V/rad) per ciascun demodulatore di fase. Verificare l'esistenza di campi di aggancio secondari (tra armoniche dei segnali di ingresso e del VCO). Spostare il condensatore di timing del VCO da uno dei morsetti verso massa; verificare le nuove forme d'onda sul condensatore e indicare il motivo del cambiamento. Realizzare un demodulatore di fase esterno (ad esempio con FF S-R sensibile alle transizioni, come indicato nel testo), inserirlo in sostituzione di quelli interni e verificare il comportamento del PLL. Esperienza dimostrativa Con un generatore modulato in frequenza èpossibile visualizzare la caratteristica a farfalla direttamente sullo schermo di un oscilloscopio. L'oscilloscopio deve essere predisposto in modo X-Y; inviare all'ingresso orizzontale il segnale modulante (onda triangolare) e sull'asse Y la tensione presente sul condensatore del filtro d'anello. Verificare la differenza tra caratteristica con DF I e con DF II: nel primo caso il valore medio della tensione di controllo del VCO èpari alla tensione a riposo (circa VDD/2); nel secondo fuori del campo di mantenimento la tensione di controllo satura a V CC oppure a massa. Spostando la frequenza centrale del generatore di segnale collegato all'ingresso si osservano agevolmente i campi di aggancio secondari (centrati sulle armoniche dispari della frequenza a riposo del VCO). 18

19 Verificare che il campo di cattura dipende dalla risposta in frequenza del filtro d'anello del PLL. Verificare che riducendo la variazione di frequenza del segnale di ingresso fino a restare dentro il campo di mantenimento il PLL non perde l'aggancio (non occorre che il segnale di ingresso rientri nel campo di cattura). In queste condizioni il PLL opera come demodulatore di frequenza. Ripristinando il funzionamento Y-T dell'oscilloscopio, osservare su un canale il segnale modulante e sull'altro la tensione in uscita dal filtro, che rappresenta la demodulazione FM del segnale di ingresso. Per segnale modulante a onda quadra e con filtro R-R-C, verificare la variazione dello smorzamento al variare del rapporto R1/R2 (con R1+R2 costante: le due resistenze vanno realizzate con un potenziometro). Verificare nelle stesse condizioni la risposta a modulazioni sinusoidali (con sovraelongazione per bassi smorzamenti). 19

20 Esercitazione 6 : DECODIFICATORE DI TONO CON C.I. NE567 Specifiche Verificare il funzionamento e il valore di alcuni parametri del demodulatore di tono integrato NE567. Progettare i componenti per un campo di rivelazione centrato su 20 khz con ampiezza del 10% (attorno alla frequenza centrale, massimo possibile per questo integrato). Tensione di alimentazione: 5 V La presenza del tono viene segnalata da un LED collegato all'uscita del 567. Dimensionare la resistenza serie in modo tale che, a tono presente, nel LED circoli una corrente di 5 ma. Progetto Per il progetto utilizzare i grafici e le formule riportati nelle caratteristiche del NE567. Misure Anche in questo circuito viene ripristinato internamente il valore opportuno di tensione continua all'ingresso del PLL, e il segnale deve essere applicato tramite un condensatore. Il valore di questo va calcolato tenendo conto della resistenza equivalente di ingresso. Il componente NE567 èun circuito analogico, il cui comportamento dipende dal livello del segnale applicato all'ingresso. Verificare sui data-sheet quale éil livello opportuno. Il campo di frequenze su cui opera il demodulatore di tono èristretto; le misure seguenti richiedono che la frequenza del generatore esterno venga variata di piccole quantità. Se il generatore non ha una regolazione fine di frequenza, inserire una piccola corrente variabile di correzione nell'ingresso di controllo esterno (VCG). Ad anello chiuso, verificare qualitativamente che il PLL agganci il segnale di ingresso (applicare all'ingresso segnali con frequenza prossima a quella centrale del campo misurato in precedenza). Per verificare l'aggancio collegare i due canali dell'oscilloscopio all'oscillatore esterno e al VCO, sincronizzando l'asse tempi su uno dei due; a PLL agganciato i due segnali sono stabili sullo schermo. Con frequenza di ingresso uguale alla frequenza di oscillazione a riposo del VCO, variare l'ampiezza del segnale per determinare la soglia del rivelatore di tono. Confrontare il risultato della misura con quanto indicato sul data-sheet. 20

21 Con livello di ingresso corrispondente all'inizio della saturazione del demodulatore di fase, variare la frequenza del segnale e misurare le frequenze di aggancio e di sgancio, per rilevare i campi di cattura e di mantenimento. Ripetere la misura a livelli di ingresso piùalti e piùbassi, tali da portarsi sicuramente in zona lineare e in saturazione (per il demodulatore di fase). Confrontare e discutere i risultati. Con livello di ingresso tale da mantenere il circuito in linearità, esplorare un campo di frequenze poco piùampio del campo di mantenimento e rilevare la tensione presente sul morsetto corrispondente all'uscita del demodulatore di ampiezza (prima del comparatore). Tracciare il diagramma della tensione demodulata in funzione della frequenza e spiegarne l'andamento. Rilevare l'andamento dello sfasamento tra segnale di ingresso e oscillatore locale al variare della frequenza del segnale di ingresso (entro il campo di mantenimento). Determinare il coefficiente K D (V/rad). Verificare l'esistenza di campi di aggancio secondari (tra armoniche dei segnali di ingresso e del VCO). Ricavare la caratteristica del VCO. In questo circuito non èpossibile aprire l'anello e inserire direttamente una tensione di controllo esterna. La tensione di controllo puòessere variata iniettando una corrente nel nodo corrispondente all'uscita del demodulatore di fase (mantenendo l'ingresso di segnale a massa). Tracciare il grafico della frequenza del VCO in funzione della tensione di controllo con un primo gruppo di misure; una volta individuato il campo utile effettuare una serie di misure piùfitta nella zona utile. Per non influenzare la misura, il segnale del VCO deve essere prelevato sul piedino collegato alla sola resistenza. Verificare le varie forme d'onda sul VCO. Determinare il valore del coefficiente K O (Hz/V). Misurare la tensione di controllo del VCO al variare della frequenza entro il campo di aggancio. Visualizzazione caratteristica a farfalla Anche in questo caso, con un generatore modulato in frequenza èpossibile visualizzare la caratteristica a farfalla direttamente sullo schermo di un oscilloscopio. L'oscilloscopio deve essere predisposto in modo X-Y; inviare all'ingresso orizzontale il segnale modulante (onda triangolare) e sull'asse Y la tensione presente sul condensatore del filtro d'anello. Nelle stesse condizioni, visualizzare sull'oscilloscopio anche la caratteristica del demodulatore di ampiezza (canale verticale collegato al filtro del demodulatore AM). Verificare che per bassi segnali di ingresso l'uscita del demodulatore AM èproporzionale al livello di ingresso, e che per livelli alti si ha saturazione. 21

22 Variando l'ampiezza del segnale di ingresso, verificare la variazione dei campi di mantenimento e di cattura (il demodulatore di fase deve lavorare in zona lineare, con livelli di ingresso molto bassi). Verificare la saturazione (campi di mantenimento e di cattura costanti) presente al di sopra di una determinata ampiezza dell'ingresso. Verificare che il campo di cattura dipende dalla risposta in frequenza del filtro d'anello del PLL. Esperienza dimostrativa Spostando la frequenza centrale del generatore di segnale collegato all'ingresso si osservano agevolmente i campi di aggancio secondari (centrati sulle armoniche dispari della frequenza a riposo del VCO). Per la seconda parte dell'esperienza dimostrativa, collegare all'ingresso un generatore di segnale + rumore, con frequenza pari alla frequenza a riposo del VCO. Predisporre il generatore per N/S = 0 db. Verificare il corretto funzionamento del demodulatore di tono in presenza di rumore, variando la frequenza del tono, e osservando l'indicazione fornita dal LED. Ripristinando il funzionamento Y-T dell'oscilloscopio, osservare il segnale all'ingresso (in queste condizioni il rumore ènettamente prevalente). Verificare il valore limite di N/S per cui viene ancora correttamente riconosciuto il tono. 22

23 Esercitazione 7 : PLL SW REALIZZATO CON DSP ADI2181 Introduzione I moderni sistemi per le telecomunicazioni utilizzano sempre piùdati in forma numerica, perchéhanno una maggiore insensibilitàal rumore e si prestano ad elaborazioni di qualunque tipo; proprio per questo motivo ènata l'esigenza di avere a disposizione dei processori in grado di svolgere in tempi molto brevi operazioni di calcolo dedicate all'elaborazione dei segnali digitali, non supportate o poco efficienti in architetture di tipo generale, come per esempio i microprocessori utilizzati nei calcolatori. Questa tipologia di processore, nota con il nome di DSP, presenta delle caratteristiche peculiari che ne rende difficile la programmazione con tecniche tradizionali, e perciòrecentemente la ricerca si èdedicata allo sviluppo di sistemi CAD che consentano la descrizione ad alto livello di un algoritmo, e la sua successiva trasposizione automatica in un linguaggio adatto al processore. In questa esercitazione si affronteràil progetto di un sistema elettronico basato su elaborazione numerica dei segnali e l'analisi di blocchi che lo costituiscono. Questa esperienza viene suddivisa in due parti: la prima si svolgerànel laboratorio di CAD facendo uso del programma Ptolemy, specificatamente ideato per la progettazione ad alto livello e la sintesi di hardware e software; con Ptolemy si genereranno i file sorgenti C che realizzeranno il nostro sistema completo e si simuleràil comportamento globale e dei blocchi che lo costituiscono. La seconda parte si svolgerànormalmente nel laboratorio LADISPE, trasferendo attraverso il protocollo FTP i file generati con Ptolemy (N.B. èopportuno che ogni gruppo abbia almeno un dischetto, per trasferire i file di progetto tra il laboratorio CAD ed il LADISPE). Questi file verranno compilati e caricati sulla piastra DSP fornita ad ogni gruppo, per effettuare le misure Attenzione: queste piastre sono abbastanza delicate, e ne abbiamo soltanto 8. Quindi vanno trattate con molta cura. Nel dubbio chiedere agli assistenti. Si consiglia di leggere interamente questa sezione del manuale prima di iniziare. Prima parte - laboratorio CAD L'ambiente di lavoro Ptolemy èstato realizzato presso l'universitàdella California a Berkeley, e richiede il sistema operativo Unix dotato di interfaccia grafica Xwindows. Al Politecnico di Torino esso gira su workstation di tipo Sun Sparc ubicate nel laboratorio CAD. Per poter accedere al programma èprima necessario fornire al sistema operativo il proprio identificativo (username), che verràassegnato ad ogni gruppo di lavoro. Esso ècostituito da una prima parte uguale per tutti e corrispondente al titolo del corso abbreviato (eltlc), 23

24 seguita da due cifre che individuano un singolo gruppo. Al prompt del calcolatore occorre quindi rispondere con eltlcxx, dove al posto di xx bisogna sostituire due cifre; non devono comparire spazi all'interno dello username. Esempi: login: eltlc05 login: eltlc32 <ENTER> <ENTER> La password èxxeltlc, dove xx èl'identificativo del gruppo. Maiuscole e minuscole sono significative per UNIX. Sullo schermo appariràuna finestra con la quale si possono introdurre dei comandi. Il sistema operativo utilizzato èunix con sistema a finestre mwm. Le operazioni principali attivabili sulle finestre sono le seguenti: Spostamento posizionare il puntatore del mouse sulla barretta del titolo, quindi premere il tasto sinistro e trascinare nella nuova posizione. Ridimensionamento portare il mouse su uno dei quattro angoli e cambiare le dimensioni utilizzando il tasto sinistro. Riduzione ad icona cliccare sull'apposito tasto sulla destra della barretta del titolo, contraddistinto da un punto. Ripristino cliccare rapidamente due volte sull'icona della finestra che si vuole ripristinare. Spostare in primo piano cliccare sulla barretta del titolo o su uno dei lati o degli angoli. Chiusura posizionare il mouse sulla finestra e premere CTRL-d, oppure scegliere l'opzione close dal menùattivabile con il bottone sulla sinistra della barretta del titolo. Con mwm la finestra attiva non deve essere necessariamente quella in primo piano, ma è sempre quella sulla quale èposizionato il cursore del mouse. Attenzione quindi che tutti i comandi saranno eseguiti sulla finestra che in quel momento risulta attiva; essa si riconosce perchéil contorno assume un colore diverso. Ptolemy Per eseguire il programma Ptolemy bisogna dare, da una qualunque finestra con funzione di terminale (xterm, shell, cmd-tool), il comando pigi, seguito dal nome del progetto che si vuole realizzare. Nel caso della presente esercitazione si puòutilizzare la forma seguente: cadlab3% pigi pll <ENTER> 24

25 Dopo un breve periodo appariranno sullo schermo tre finestre: quella in alto a sinistra ha la funzione di console del sistema: in essa cioècompaiono tutti i messaggi testuali ed è possibile utilizzarla per impartire comandi. La barretta posta sul lato sinistro consente di esaminare anche la parte ormai finita fuori dallo schermo: posizionandovisi sopra con il mouse si puòsalire o scendere di una pagina (tasti destro e sinistro), o scegliere una qualunque posizione intermedia (tasto centrale). La seconda finestra (chiamata facet nell'ambiente Ptolemy) èquella in cui verràrealizzato il progetto mediante l'interconnessione di blocchi elementari. La terza finestra èsolo informativa, e riporta la versione del programma che si sta utilizzando: per eliminarla èsufficiente premere su dismiss con il tasto sinistro del mouse. Il progetto viene realizzato tramite dei blocchi che possono essere collegati a piacere: nella terminologia di Ptolemy ogni blocco elementare viene chiamato star, ed ha almeno un ingresso o una uscita. Le star possono anche essere combinate in livelli gerarchici in modo da creare macroblocchi (galaxy), riutilizzabili piùvolte nello stesso progetto. Il livello piùalto della gerarchia viene detto universo. Ad ogni elemento, sia esso una star, una galassia o l'intero universo, sono associabili dei parametri, ed èfornito un meccanismo per permettere l'ereditarietàdei valori assegnati attraverso la gerarchia stabilita. Ptolemy èstato ideato avendo in mente applicazioni anche molto diverse, e per questo esistono dei domini specifici, tra i quali bisogna scegliere quello le cui caratteristiche meglio si adattano alle operazioni che deve svolgere il sistema. Nel caso di progetti eterogenei èpossibile mischiare, attraverso uno speciale meccanismo, domini diversi, ottenendo comunque un comportamento consistente. Esempi di domini sono: SDF Synchronous Data Flow: utilizzato per implementare le reti data flow statiche, che sono completamente determinate. DE Discrete Events: adatto in modo particolare per sistemi reattivi, che devono cioè reagire il piùpresto possibile a stimoli provenienti dall'esterno. CGC Code Generation C: a partire da una specifica di tipo data flow genera il codice C che la realizza; il codice puòessere compilato sulla workstation stessa, oppure caricato su un altro microprocessore. Ogni dominio dispone di una libreria di star e galassie fornite con il sistema, da cui l'utente puòattingere per realizzare i componenti del progetto. Col tempo ognuno potrà arricchire la dotazione di base con nuovi oggetti di propria ideazione, che spesso vengono utilizzati in sistemi anche molto diversi. Per quanto riguarda l'esercitazione ègià stata realizzata una libreria speciale che contiene, raggruppati secondo la funzione svolta, tutti i componenti necessari (e anche qualcuno in più). Uso di Ptolemy I comandi in Ptolemy possono essere dati in tre modi diversi: 25

26 Digitandone direttamente il nome sulla tastiera, facendolo precedere dal carattere : (due punti). Richiamandolo tramite i menùa tendina attivabili con il tasto centrale del mouse, contemporaneamente o non con il tasto shift. Premendo il carattere sulla tastiera che corrisponde al comando scelto; la corrispondenza tra tasti e comandi èriassunta nei menùa tendina. Attenzione che minuscole e maiuscole selezionano comandi diversi. Spesso i comandi richiedono dei parametri, che possono essere delle stringhe, delle entità geometriche o degli oggetti. Notare che i parametri devono precedere il comando cui si riferiscono, ed èimportante l'ordine con cui vengono inseriti. Le stringhe sono normalmente introdotte con la tastiera, mentre le entitàgeometriche e gli oggetti si ottengono piùfacilmente facendo uso del mouse. Scelta del dominio ( d / edit-domain) La prima operazione da fare sulla facet quando compare sullo schermo èla scelta del dominio: per attivarla èsufficiente premere il tasto d, al quale faràseguito l'apertura di una finestra con l'elenco di tutti i domini. La scelta avviene con il mouse, e si puòpoi confermare il cambiamento con OK o cancellare l'operazione. Apertura di una palette ( O / open-palette) I blocchi che compongono un progetto vengono prelevati da una libreria, chiamata palette. Per accedere alla palette bisogna dare il comando open-palette, o digitare il tasto O (o maiuscola); nella finestra successiva saranno elencate tutte le librerie, una per ogni dominio disponibile, piùla palette definibile dall'utente, chiamata user.pal. Anche in questo caso, effettuata la scelta, la si puòconfermare con il tasto OK oppure annullare con Cancel. Se il comando viene portato a termine con successo appariràuna nuova finestra, del tutto simile alla facet iniziale, contenente i blocchi della libreria. Apertura di una facet ( F / open-facet) In sistemi complessi si èsoliti progettare i componenti in modo gerarchico, cioècostruendo blocchi sempre piùcomplicati che, interconnessi tra loro danno luogo alle funzioni volute. Ognuno di questi componenti viene realizzato in una propria facet, che puòessere aperta (o creata se ancora non esiste) con il comando open-facet. Mediante una finestra di dialogo èpossibile selezionare le facet giàpresenti nel progetto, crearne di nuove, o aprire, se presenti nella directory esaminata, delle palette. Le entitàgeometriche Con il mouse èpossibile creare tre tipi di figure geometriche: punto : cliccare con il tasto sinistro del mouse all'interno della facet. segmento : creare un punto (quindi premere il tasto sinistro del mouse e rilasciarlo), poi cliccare e tenere premuto il tasto sinistro del mouse alle coordinate del punto appena creato, trascinare il puntatore all'altro estremo del segmento e rilasciare il tasto del mouse. Se si vuole ottenere una spezzata si puòproseguire da uno degli estremi del segmento appena creato. 26