(E4-U18) Gli homework da preparare prima di iniziare la parte sperimentale sono calcoli e simulazioni dei circuiti su cui vengono eseguite le misure.

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1 Esercitazione 5 (E4-U18) Caratterizzazione e misure su circuiti digitali Scopo dell esercitazione Gli obiettivi di questa esercitazione sono: - Misurare i parametri elettrici di porte logiche, - Verificare le differenze tra le diverse famiglie di porte logiche. Gli homework da preparare prima di iniziare la parte sperimentale sono calcoli e simulazioni dei circuiti su cui vengono eseguite le misure. Moduli e strumenti da utilizzare I circuiti richiesti sono premontati; durante l esercitazione devono solo essere collegati gli strumenti (alimentatore, generatore di segnale all ingresso e oscilloscopio doppia traccia sui punti di misura). Viene utilizzato solo il modulo A6 CIRCUITI LOGICI. Esecuzione delle misure Per ciascuna misura viene utilizzato uno dei circuiti premontati sul modulo sperimentale, predisposto secondo la configurazione indicata. Note: Anche in questa esercitazione vengono utilizzati circuiti attivi (richiedono alimentazione). Rivedere le avvertenze in merito nelle esercitazioni precedenti. Nel caso in cui non vengano utilizzati i circuiti premontati (dotati di protezioni sugli ingressi dei circuiti logici), verificare i livelli del segnale fornito dal generatore esterno PRIMA di collegarlo al circuito. Ricordare che tensioni esterne al campo individuato dalle alimentazioni (massa-alimentazione in questo caso) possono danneggiare i circuiti integrati. Page 1 of 16

2 5.1 Misura transcaratteristica e parametri di porte logiche Predisposizione del modulo Utilizzare il modulo denominato Carico Variabile. Il circuito da caratterizzare è riportato in figura: Tabella selettori: S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 1 - connessione uscita a GND 2 - connessione uscita a +5V 1 - selezione connessione verso uscita di R da 330Ω e 100Ω 2 - selezione connessione verso uscita di R da 10kΩ e 1kΩ 1 connessione verso uscita di R da 100Ω 2 - connessione verso uscita di R da 330Ω 1 connessione verso uscita di R da 1kΩ 2 - connessione verso uscita di R da 10kΩ 1 connessione al carico di U5A e U6A 2 connessione al carico di U3A e U4A 1 connessione al carico di U4A 2 connessione al carico di U3A 1 connessione al carico di U6A 2 connessione al carico di U5A Page 2 of 16

3 Homework Valutare le operazioni logiche compiute dalle due porte. Simulare con Pspice il comportamento del circuito dando in ingresso un onda triangolare. Misure Si utilizzi la cautela di alimentare prima l integrato, poi dare il segnale in ingresso. Caricare le porte con la resistenza da 10kΩ connessa verso massa (selettori S4=2, S2=2, S1=1). Trascaratteristica 1. Regolare il generatore di segnali in modo tale che produca una forma d onda triangolare, con frequenza di 1 khz circa e compresa tra 0 V e la tensione di alimentazione (agire opportunamente sui comandi di ampiezza e offset del generatore). Dopo aver controllato con l oscilloscopio che il segnale sia corretto, collegare l uscita del generatore all ingresso delle porte logiche (J1). 2. Collegare il canale 1 dell oscilloscopio all ingresso delle porte logiche (J2) e il canale 2 sull uscita (J3). Selezionare la modalità XY dell oscilloscopio (negli oscilloscopi analogici è spesso necessario abbassare la luminosità dello schermo per non bruciare i fosfori del tubo catodico). 3. Visualizzare le transcaratteristiche delle porte logiche HCT04, HC04 e LS04 (selezionare la porta su cui eseguire le misure operando sui selettori S5, S6 e S7). 4. Individuare le differenze tra le transcaratteristiche delle porte. 5. Riportare su grafici quotati le forme d onda osservate. Effetti della tensione di alimentazione sul comportamento delle porte logiche 1. Modificare l alimentazione (con cautela!) variandola al massimo del 30% del suo valore e verificare cosa si modifica nelle forme d onda di uscita e sulle transcaratteristiche (J3). Caratteristica V(I) di uscita e livelli di tensione in uscita 1. Riportare l alimentazione al valore nominale (5 V), e tornare con l oscilloscopio in modalità normale (y,t). Applicare all ingresso un segnale a onda quadra con livelli esterni a V IH, V IL (e tali da non danneggiare i componenti). Page 3 of 16

4 2. Fare riferimento allo schema di pag. 2 e alle figure seguenti: Connettendo alternativamente le 4 resistenze di uscita (operando sui selettori S2, S3 e S4) ricavare il grafico V O (I O ) per lo stato H e per lo stato L per le porte HC04 e LS04 (interpolare l andamento dai 4 valori misurati). Per lo stato L connettere le resistenze a +5V, per lo stato H connetterle a GND (selettore S1). Calcolare la corrente I O come rapporto tra la caduta di tensione sulla resistenza di pull-up/pulldown e il valore della resistenza stessa. Dai grafici e dai valori delle I OH ed I OL riportati sui DataSheet ricavare i valori delle V OH e V OL. Discutere i motivi dei diversi comportamenti delle porte logiche. La porta U5A è un Trigger di Schmitt invertente. Ha pertanto una caratteristica con isteresi. 1. Verificare l isteresi della porta e riportare il grafico di ciò che si osserva sull oscilloscopio, commentandone l andamento. 2. Verificare il comportamento delle soglie al variare dell alimentazione. Page 4 of 16

5 5.2 Misura caratteristiche di porte Open Collector e Totem Pole. Predisposizione del modulo Il circuito da caratterizzare è riportato in figura: J15 U4B - 74HC04 J29 J14 J16 15 kω U5B - 74HC14 10 nf 74HC14 P1 U7A - 74HC05 J17 10 kω S8 +5 V Tabella interruttori (1 = Aperto 2 = Chiuso) S8 Aperto - resistenza 10 kω non connessa a +5V Chiuso - resistenza 10 kω connessa a +5V Homework Valutare le operazioni logiche compiute dalle porte. Calcolare la frequenza di oscillazione dell oscillatore in ingresso. Misure Per le misure non è necessario il generatore di segnali in quanto l ingresso è generato direttamente dalla porta NOT UC5 connessa in modo da ottenere un circuito astabile (la forma d onda generata corrisponde ad un onda quadra con frequenza di circa 10 khz; verificarlo sul punto di test J14). 1. Tenere l interruttore S8 aperto e verificare la differenza tra le forme d onda osservate alle uscite delle diverse porte logiche (punti di test J15, J16, J17). 2. Si verifichi che l uscita della porta Open Collector U7A non va a un livello di tensione corretto per lo stato alto. Toccare con un dito l uscita della porta in modo da iniettare un rumore e notare che per lo stato L la tensione di uscita va a un valore corretto, mentre nello stato H rimane libera. 3. Chiudere l interruttore S8 in modo tale da connettere la resistenza da 10 kω all alimentazione. Verificare il corretto funzionamento di U7A. 4. Misurare il tempo di salita e quello di discesa. 5. Confrontarli con quelli delle uscite delle porte U4B e U5B. Page 5 of 16

6 5.3 Misura del ritardo di inverter integrati. Predisposizione del modulo Le misure vanno eseguite su due catene di inverter delle famiglie HC (circuito Ring Oscillator 1) ed AC (circuito Ring Oscillator 2) connessi come riportato in figura. Non ci sono interruttori. J4 J5 J6 J7 J8 74HC04 Ring Oscillator 1 J25 J26 J9 J10 J11 J12 J13 74AC04 Ring Oscillator 2 J27 J28 Misure Misurare i tempi di ritardo sulle due cascate da 6 inverter. 1. Misurare il ritardo complessivo e dividerlo per il numero di componenti interposti, ottenendo il ritardo singolo. Dato che ogni elemento della catena è invertente, si noti che la misura complessiva corrisponde ad una serie di t PHL e t PLH. 2. Eseguire la misura sia con le sonde dell oscilloscopio, sia con un cavo diretto. Verificare le differenze. (La misura con le sonde riduce il carico capacitivo che influenza la misura e migliora la simmetria delle misure eseguite con due canali dell oscilloscopio). 3. Misurare dove possibile i ritardi intermedi. Page 6 of 16

7 5.4 Studio degli effetti sull uscita di porte logiche con ingressi fluttuanti (floating). Predisposizione del modulo Le misure vanno eseguite utilizzando le porte riportate in figura. J18 J20 2 S9 U6B 74LS04 1 J22 2 S10 1 U4C -74HC04 J19 Tabella selettori: S9 S connessione ingresso di U6B a GND 2 - connessione ingresso di U6B a J connessione ingresso di U4C a GND 2 - connessione ingresso di U4C a J22 Misure 1. Connettere le porte a GND (S9=S10=1) e verificare di avere uscita ad 1 logico. 2. Girare gli ingressi su J18 e J22 e collegare agli ingressi un filo lungo circa 20 cm 3. Lasciare il filo sconnesso (floating) e verificare gli effetti sulle uscite (J20 e J19). 4. Prendere tra le dita l estremità libera del filo e con l altra mano toccare prima V CC, poi GND e poi l uscita delle porte. Giustificare i diversi comportamenti riscontrati. 5. Passare un corpo carico (penna di plastica strofinata su di un panno) in prossimità degli ingressi e notare cosa capita in uscita. Giustificare tale comportamento. Nota: Quanto descritto al punto 4 è giustificato per una esperienza di laboratorio, ma va assolutamente evitato su un circuito reale. Toccando gli ingressi di un circuiti integrato CMOS gli si applica una tensione statica (anche molto elevata), che può danneggiarlo in modo permanente. Nel manipolare circuiti integrati e piastre elettroniche è buona norma eliminare le cariche statiche, toccando i telai metallici o altri parti a massa del sistema in cui è inserita la piastra, o poggiando l integrato su un piano conduttore collegato a massa, e toccando tale piano prima di prendere in mano il componente. In ogni caso, manipolando componenti elettronici, Page 7 of 16

8 è opportuno evitare di toccare i piedini. Modulo SISTEMI ELETTRONICI AA Page 8 of 16

9 Modulo per la relazione Modulo SISTEMI ELETTRONICI AA Esercitazione 5: Caratterizzazione e misure su circuiti digitali Data: Gruppo n Tavolo n Composizione del Gruppo Nome firma Strumenti utilizzati strumento Marca e modello caratteristiche Generatore di segnali: Oscilloscopio Alimentatore Circuito premontato Descrizione sintetica degli obiettivi Page 9 of 16

10 Risultati delle misure 5.1 Misura transcaratteristiche e parametri di porte logiche Transcaratteristiche misurate in modalità XY V U3A [V] V IN [V] V U4A [V] V IN [V] V U6A [V] V IN [V] Page 10 of 16

11 Differenze tra le transcaratteristiche delle due porte. Variazioni derivanti dalla modifica della tensione di alimentazione. Grafici di V O su I O delle porte U4A V O [V] I O [ma] Grafici di V O su I O delle porte U6A V O [V] I O [ma] Page 11 of 16

12 Valori di V OH e V OL delle porte Effetto di diversi carichi su V OH e V OL. Considerazioni sull isteresi della porta U5A. Page 12 of 16

13 5.2 Misura caratteristiche di porte Open Collector e Totem Pole. Differenza tra le forme d onda osservate alle uscite delle diverse porte logiche sui punti di test J15, J16, J17. Considerazioni sul comportamento dell uscita della porta Open Collector. Tempi di salita di U7A e confronto con quelli delle uscite delle porte U4B e U5B. Page 13 of 16

14 5.3 Misura del ritardo di inverter integrati. Ritardo complessivo misurato Differenze riscontrate nelle misure con e senza le sonde dell oscilloscopio Ritardi intermedi misurati Page 14 of 16

15 5.4 Studio degli effetti sull uscita di porte logiche con ingressi floating Effetti col filo disconnesso (floating). Considerazioni. Ingressi connessi tramite le dita a V CC poi GND e poi l uscita delle porte. Diversi comportamenti riscontrati e loro giustificazioni. Corpo carico in prossimità degli ingressi. Giustificare il comportamento delle uscite. Page 15 of 16

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