Comprendere il funzionamento dei convertitori V/f Saper effettuare misure di collaudo

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1 SCH 33 Voltmetro a 3 digit Obiettivi Comprendere il funzionamento dei convertitori V/f Saper effettuare misure di collaudo IC1 = CA 3162 A/D converter for 3-Digit Display IC2 = CA 3161 BCD to seven segment decoder/driver Strumenti e componenti T 1 T 3 BC 177 Low power PNP transistor R V1 = 50 kω Trimmer multigiri; R V2 = 10 kω Trimmer multigiri C1 = 100 nf Condensatore poliestere; C2 = 0,27 µf Condensatore poliestere 3 display anodo comune TIL 321 (o equivalente) VCC = 5 V Il circuito Il voltmetro rappresentato nello schema elettrico di Fig è in grado di misurare tensioni continue in un range di valori compresi tra 0 e 999 mv. La portata di questo strumento può essere facilmente estesa fino a 100 V c.c. utilizzando un attenuatore di ingresso formato da un partitore resistivo di precisione del tipo rappresentato in Fig Il circuito è costituito dai seguenti blocchi: un convertitore A/D uno stadio di decodifica per display a 7 segmenti ad anodo comune un visualizzatore con 3 display a 7 segmenti a LED. Il convertitore A/D utilizzato è l integrato CA 3162, un convertitore a doppia rampa che contiene al suo interno anche il circuito di conteggio in BCD a tre decadi con sistema di multiplexaggio delle uscite. Questo integrato è in grado di convertire la tensione continua applicata al suo ingresso in una serie di impulsi che vengono poi conteggiati da un blocco di conteggio a tre decadi, interno all integrato. Il risultato del conteggio delle tre decadi viene trasferito sulle quattro uscite DCBA con un sistema multiplexato: sulle quattro uscite DCBA compaiono sequenzialmente, in base a un clock interno di frequenza 384 Hz, i valori delle uscite dei tre contatori decadici presenti nel dispositivo. Contemporaneamente allo scorrere dei risultati del conteggio sulle 4 uscite DCBA, sulle 3 uscite digit select outputs sono presenti i segnali di abilitazione per i display del circuito di decodifica e visualizzazione. Il funzionamento elementare può essere descritto in questo modo: quando sulle quattro uscite DCBA compaiono i dati della decade meno significativa si attiva la linea LSD, quando sono presenti i dati della decade più significativa si attiva la linea MSD, così anche per l altra decade (NSD). Questi segnali vengono utilizzati per abilitare attraverso i BJT i rispettivi display in modo tale che quando sulle uscite DCBA sono presenti i dati di una certa decade sei abilitato solo il display corrispondente. Lo schema completo del voltmetro è in Fig Il circuito di decodifica per pilotare i display a LED ad anodo comune è costituito dall integrato CA Questa decodifica contiene un buffer di uscita che alimenta i segmenti con una corrente costante di 25 ma.

2 Fig Il voltmetro è in grado di misurare tensioni continue nel range compreso tra 0 e 999 mv. I tre display, collegati in parallelo alle uscite a...g del convertitore, vengono abilitati in sequenza dalle uscite digit driver attraverso i BJT PNP in funzionamento ON/OFF che collegano gli anodi dei singoli display alla tensione di alimentazione. La tensione massima che può essere applicata all ingresso del convertitore A/D è 999 mv, pertanto questo valore rappresenta la portata di questo strumento. Se viene superato tale valore sui display compare l indicazione EEE che segnala la condizione Overrange. Lo strumento è in grado di misurare anche tensioni negative (pin 11 a potenziale inferiore al pin 10), perdendo però in questo caso un digit, in quanto la prima cifra di sinistra (MSD) verrebbe utilizzata per l indicazione -. Le caratteristiche essenziali dello strumento proposto sono la semplicità e l economicità della realizzazione; viene impiegato principalmente come strumento da pannello o come tester portatile. L aggiunta del partitore riportato in Fig consente di estendere le prestazioni dello strumento. Attraverso tale partitore, che deve essere realizzato con resistori di elevata precisione, la tensione Vx da misurare può essere attenuata di un fattore 10 o 100 ottenendo in tal modo 3 portate: 1, 10 V, 100 V. Fig Questo partitore consente di aumentare la portata del voltmetro: la Vx risulta attenuata di 10 o di 100 nelle due portate aggiuntive.

3 I componenti CA 3162 L integrato CA 3162 è un convertitore A/D a doppia rampa che converte la tensione continua applicata al suo ingresso in un segnale digitale BCD a 3 digit su uscite multiplexate. È progettato per essere utilizzato insieme al decoder/driver CA 3161 con il quale, con l aggiunta di pochi componenti esterni, costituiscono un misuratore completo a 3 digit. In Fig è riportato lo schema a blocchi dell integrato. In esso si individuano facilmente i blocchi tipici dei convertitori A/D ad integrazione. Il convertitore V/I converte il valore di tensione applicato all ingresso, tra in pin 11 e 10, in una corrente che carica per un tempo determinato il condensatore dell integratore collegato tra il pin 12 e l alimentazione (integrating capacitor). Terminato l intervallo di carica, il condensatore viene scaricato attraverso un generatore di corrente costante. Durante la fase di scarica, che è proporzionale al valore della tensione applicata, al contatore vengono applicati impulsi di clock generati da un oscillatore interno. Il conteggio di tali impulsi fornisce la misura della tensione applicata. Attraverso il pin 6 è possibile stabilire la frequenza di campionamento del convertitore: collegato a 5 V vale 96 Hz, collegato a massa vale 4 Hz. Fig Schema a blocchi del CA 3162 (da Intersil databook)

4 CA 3161 Il CA 3161 è un decoder da BCD a 7 segmenti per display a LED ad anodo comune. È munito di un buffer di uscita in grado di alimentare con corrente costante i segmenti del display. Le sue caratteristiche principali sono: ingressi TTL compatibili corrente costante di 25 ma per segmento pin compatibile con altri decoder bassa dissipazione di potenza in standby Lo schema a blocchi è riportato in Fig Fig Schema a blocchi del decoder/driver CA 3161 (Intersil databook) Realizzazione e collaudo Lo schema di Fig.33.1 è utilizzabile unicamente per misurare tensioni positive comprese tra 0 e 999 mv, quindi l indicazione sui display è diretta e non è necessario prevedere i punti decimali. Come detto in precedenza è possibile estendere la portata dello strumento attraverso l attenuatore riportato in Fig Nel caso si utilizzi tale soluzione, per la portata 10 V occorre predisporre il punto decimale tra il primo digit (MSD) e il secondo (NSD). In tal modo lo strumento sarà in grado di misurare tensioni fino a 9,99 V. Nel caso si utilizzi la portata 100 V occorre predisporre il punto decimale tra il secondo digit (NSD) e il terzo (LSD). In tal modo lo strumento sarà in grado di misurare tensioni fino a 99,9 V. Per attivare il punto decimale è necessario collegare il catodo corrispondente a massa attraverso una resistenza di 150 Ω. Per la taratura dello strumento sono previsti due trimmer, RV1 (zero adj) e RV2 (gain adj). Il condensatore di bypass da 100 nf serve ad eliminare i disturbi presenti sull alimentazione e va collocato il più vicino possibile ai terminali VCC e GND dell integrato CA La taratura si esegue nel seguente modo: 1. si collega inizialmente a massa l ingresso del voltmetro, pin 11 del CA 3162, con un collegamento il più corto possibile per evitare che possa captare disturbi; 2. si regola il trimmer multigiri zero adj fino ad ottenere l indicazione 000 sui display;

5 3. si rimuove il collegamento dell ingresso verso massa e si applica una tensione continua di 900 mv, misurata con uno strumento di buone caratteristiche, assunto come campione; 4. si regola il trimmer gain adj fino ad ottenere sui display la medesima indicazione si ripetono le operazioni descritte nei 2 punti iniziali per verificare che permanga la regolazione. Effettuata la taratura sui due valori, si può valutare la linearità del voltmetro applicando al suo ingresso valori compresi tra 0 e 999 mv e confrontando i risultati con quelli dello strumento assunto come campione.

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