I principi di funzionamento della strumentazione digitale. prof. Cleto Azzani IPSIA Moretto Brescia SOMMARIO

Transcript

1 SOMMRIO I PRIIPI I ZIOMTO LL STRMTZIO IIT...1 RQZIMTRO IIT...2 Osservazione Tabella I...3 Osservazione ase dei Tempi...4 onaore igiale...4 iclo di Misura del requenzimero...4 Osservazione PRIOIMTRO IIT...5 Osservazione Tabella II...6 Osservazione ROOMTRO IIT...7 MISR I RPPORTO R RQZ...7 IRITO I OVRR...8 IRITO I TOR...8 RQZIMTRO IIT MOS...8 RQZIMTRO SHM RISSTIVO...9 OTTOR MOS 6 IR O OVRR...10 S I TMPI QRZT...11 OSILOR QRZO (XTL)...11 ILIORI:...11 I principi di unzionameno della srumenazione digiale pro. leo zzani IPSI Moreo rescia Maggio 1995

2 requenzimero igiale Il requenzimero digiale è il caposipie di ua la srumenazione digiale presene in campo indusriale. Lo schema a blocchi di ig. 1 rappresena la sruura base di ale apparao; in esso disinguiamo una pora unzionane come elemeno di ransio di segnali digiali, un circuio ase dei Tempi cui è aidao il compio di manenere apera la pora (Main ae) per un deerminao empo Tc noo con esrema precisione (gli oscillaori a quarzo preseni in esso ci danno garanzie in al senso); un generaore di segnali (sinusoidale o di alra orma d'onda) connesso ad un comparaore con iseresi (rigger di Schmi) che squadra la orma d'onda presene in ingresso ma non ne modiica il periodo T e la requenza. Il circuio unziona come segue (ig. 2): - quando il segnale si rova a livello logico basso la pora risula chiusa e sulla sua uscia si presena un livello logico basso ("0", Low). - quando il segnale si rova a livello logico alo la pora risula apera, il segnale presene sull'ingresso ransia e si rirova sull'uscia ; i roni di salia (o di discesa) del segnale provocheranno l'avanzameno del onaore igiale. La relazione che inercorre ra, Tc ed è acile da dimosrare. Inai rappresena il numero di cicli al secondo della orma d'onda alernaa sinusoidale presene nel segnale Vi; rappresena anche il numero di roni di salia al secondo che si presenano all'ingresso della pora. È ovvio che se Tc rappresena il empo di aperura della pora il prodoo Tc rappresena il numero complessivo di roni che il conaore riceve sul suo ingresso di clock. Perano : T 1.1 risula quindi proporzionale sia a sia a Tc. Risula pure evidene che noo (indicazione del conaore) e noo Tc (base dei empi campione) risula immediaamene deerminaa la dalla relazione : = 1.2 T Osservazione 1 La divisione indicaa nella ormula 1.2 non viene di ao eseguia nella srumenazione da laboraorio; in al caso Tc assume valori che sono rappresenai da mulipli o soomulipli del sec. (come indicao in abella I). iolo di esempio si supponga di porre Tc=10 ms. (3 a riga della Tabella I): in al caso l'espressione 1.2 diviene: = = = Hz = KHz T Il problema della moliplicazione per 100 viene rasormao in un problema di divisione per 10 con scela dell'unià di misura immediaamene superiore. Ma dividere il risulao di un coneggio per 10 è acile: basa aivare il puno decimale desro della cira delle decine P2. Si dovrà inolre aivare un indicaore dell'unià di misura, in queso speciico caso KHz. Vi SHMITT TRIR MI T Tc TIM S ig. 1 Schema a blocchi del requenzimero digiale PORT PRT ig. 2 raici relaivi ai segnali,, Tc PORT HIS IITL OTR leo zzani 2

3 Osservazione 2 Tabella I Per la verià, la ormula 1.1 non è del uo esaa. Si consideri la siuazione riprodoa in ig. 3; il segnale di Tc /Tc nià di Hz KHz MHz oe Misura 1 s Hz 100 ms *10 Hz /100 P1 = O 10 ms *100 Hz /10 P2 = O 1 ms *1000 Hz 100 µs *10 KHz /100 P1 = O 10 µs *100 KHz /10 P2 = O 1 µs *1000 KHz P1 = Puno decimale desro isplay delle eninaia aperura ha duraa Tc che vale esaamene 3 T (T = 1/); ciò nonosane in uscia alla pora giungono ben quaro roni di salia che aranno perciò avanzare il conaore di 4 unià. La siuazione anomala è causaa dal ao che quando la pora si apre (rone di salia su ) il segnale è già a livello alo, quesa coincidenza da origine ad un rone di salia aggiunivo rispeo al numero dao dall'espressione 1.1. In quesa siuazione paricolare si ha perciò : = T È evidene che la 1.4 diviene nella sosanza ancora la 1.1 qualora si uilizzi un conaore con elevaa capacià di coneggio ossia : = T + 1 T 1.5 se T >> 1 Tc=3/X I conaori impiegai nella srumenazione hanno cire che vanno da un minimo di 3 (volmeri digiali) ad un massimo di 9 nel caso di conaori eleronici (requenzimeri, periodimeri ecc.). =4 ig. 3 perura della con =1 leo zzani 3

4 ase dei Tempi La sruura del circuio "Time ase" o ase dei empi, è riporaa in ig. 4; in essa si noa la presenza di un generaore di segnali a requenza conrollaa a quarzo (1 o 10 MHz); in cui saranno preseni diversi divisori decadici (decadi, conaori 0-9 impiegai come divisori di requenza) uilizzai per ricavare segnali a requenza mulipla di 1 Hz (10, 100 Hz; 1, 10, 100 KHz, ecc.) così da avere periodi campioni mulipli o soomulipli del secondo. In uscia al generaore è connesso un bisabile sincrono JK con JK a livello alo (unzionameno Toggle). d ogni periodo del segnale Sg, l'uscia Q del bisabile commua alernaivamene da 0 a 1 (consenendo l'aperura della pora) e da 1 a 0 (provocandone la chiusura). onaore igiale In ig. 5 è riporao un semplice schema a blocchi di conaore a 3 digi (capacià di coneggio ino a 999). sso può essere realizzao con 3 conaori decadici (ad es.: 7490 se in ecnologia TTL o se in ecnologia MOS), 3 decoder per display a 7 segmeni con memoria (ad es.: 9368 se in ecnologia TTL, se in ecnologia MOS), un gruppo di 3 display a 7 segmeni a caodo comune (le uscie delle decodiiche 9368 e sono aive a livello alo). l blocco conaore anno capo i segnali di LOK, RST (ingressi); e il segnale di OVRR (uscia). l gruppo di decoder per display a 7 segmeni a capo il segnale di H (aiva e disaiva la memorizzazione enro i decoder). iclo di Misura del requenzimero RQY RTOR H LOK RST ig. 4 sempio di ase Tempi ISPLY TR IR OII O MMORI OTTOR 3 IIT OVRR ig. 5 Schema a blocchi di un conaore a 3 digi K OT RST XTL MMORI TTIVT 1MHz 1Hz J K K Q Q OT acendo rierimeno ai graici di ig. 6, ora verranno descrii i crieri per coordinare i segnali ondamenali relaivi allo schema a blocchi di ig. 5. Se immaginiamo ig. 6 iclo di misura del requenzimero di doarci di una base dei empi del ipo indicao in ig.4, è evidene che in uscia al lip lop JK avremo una alernanza di inervalli di empo in cui Q assume valore logico 1 (pora apera) e inervalli di empo in cui Q assume valore logico 0 (pora chiusa) (segnale OT di ig.6). urane la ase in cui la pora risula apera, il segnale di RST deve essere inaivo perciò deve rovarsi a 0; il segnale Lach nable dovrà manenere aivaa la unzione di memorizzazione dei lach dei decoder ( a livello 1). ell'inervallo di empo in cui la pora risula chiusa dovranno essere eeuae le segueni operazioni (nell'ordine in cui sono indicae): 1) il segnale dovrà andare a livello 0 per un deerminao empo suiciene alla acquisizione del risulao del coneggio appena concluso (ig. 6); 2) il segnale RST dovrà andare a livello 1 per un deerminao empo suiciene a porare a 0 il conenuo delle decadi di coneggio (ig. 6) e dovrà riornare a 0 prima che il successivo ciclo di coneggio abbia inizio. iò consenirà che successivamene possa essere correamene avviao un alro ciclo di misura. In ig. 7 è rappresenao un esempio di circuio capace di generare i segnali e RS come prescrio. La pora OT 1 provvede ad abiliare le due pore: 3 e 4 solo quando la Main ae del requenzimero è chiusa (OT a livello 0). In quese condizioni quando K va a 1 l'uscia di 3 va anch'essa a 1 (rone di leo zzani 4

5 salia); il circuio ormaore di impulso (gruppo R con diodo) provvede a generare un impulso di duraa opporuna; 5 invere l'impulso e rende i roni più ripidi. Quando poi K va o 0, l'uscia di 4 va a 0 (rone di discesa); il circuio ormaore di impulso (gruppo R con diodo) provvede a generare un impulso di duraa opporuna; 6 invere l'impulso e rende i roni più ripidi. Osservazione 3 OT K ormaori di Impulso RS ig. 7 ircuio generaore dei segnali e RS MOOSTI iova osservare che non sempre il circuio di ig. 7 OR è di per sè soddisacene; inai in ale circuio la velocià di aggiornameno dei lach coincide con la ig. 7b ircuio di emporizzazione del segnale requenza di ripeizione della misura. on la ase dei Tempi posizionaa su elevai valori di requenza il numero degli aggiornameni dai lach è eccessivo e non consene una acile leura dei display (soprauo delle ulime due cire: unià e decine). Può essere allora uile realizzare un circuio che riduca il numero degli aggiornameni ad un valore acceabile dalle esigenze di leura. Si ricorre in queso caso al circuio di ig. 7b che viene inerposo ra uscia del circuio di ig. 7 e gli ingressi dei decoder. Periodimero igiale J Q Lo schema a blocchi di ig. 8 rappresena la sruura base di un IITL T K OTR K Q periodimero digiale; sruuralmene è c simile al requenzimero analizzao in TIM S precedenza; l'unica dierenza consise nel ao che nel requenzimero l'aperura e la chiusura della "Main ig. 8 Schema a blocchi del periodimero digiale ae" è deerminaa dal segnale proveniene dalla ase dei Tempi, nel periodimero è causaa dal segnale di cui si deve deerminare il periodo incognio T. La ase dei Tempi nel circuio di ig. 8 unge da generaore di requenza c. La relazione ondamenale 1.1 conserva ancora la sua validià : T 1.6 c X da cui si desume la ormula inversa : TX = 1.7 c SHMITT TRIR T leo zzani 5

6 Osservazione 4 La divisione indicaa nella ormula 1.7 non viene di ao eseguia nella srumenazione da laboraorio; in al caso c assume valori che sono rappresenai da mulipli di 1 Hz (come indicao in abella II). iolo di esempio si supponga di porre c=100 KHz (6 a riga della Tabella II): in al caso l'espressione 1.7 diviene: TX = = = = ms sec Osservazione 5 Tabella II c /c nià di sec. ms. µs. oe Misura 1 Hz sec. 10 Hz /10 sec. /10 P2 = O 100 Hz /100 sec. /100 P1 = O 1 KHz /1000 sec. 10 KHz /10 ms. /10 P2 = O 100 KHz /100 ms. /100 P1 = O 1 MHz /1000 ms. P1 = Puno decimale desro isplay delle eninaia P2 = Puno decimale desro isplay delle ecine Sorge sponaneo chiedersi ora che senso abbia disporre di due srumeni il requenzimero ed il periodimero dal momeno che misuraa una delle due grandezze, ad esempio la requenza, è possibile risalire al periodo dalla relazione ben noa : T = La quesione, pur essendo semplice non può essere liquidaa in modo sbrigaivo. on bisogna dimenicare che per avere una misura precisa, disponendo di una srumenazione adeguaa, bisogna are in modo che sia veriicaa la relazione: X T >> 1 (requenzimero) 1.10 TX >> 1 (periodimero) 1.11 per rendere rascurabile quell'evenuale rone in più che nasce in paricolari condizioni (vedi Osservazione 2). Perano quando si misurano segnali a requenza elevaa è piú conveniene misurare la requenza del segnale. La relazione 1.10 é ceramene soddisaa da una scela opporuna del empo di aperura della pora Tc. Quando si misurano segnali a requenza bassa ossia con periodo elevao è piú conveniene misurare il periodo del segnale. La relazione 1.11 in queso caso é ceramene soddisaa da una scela opporuna della requenza campione c della base dei empi. leo zzani 6

7 ronomero igiale V Lo schema a blocchi di ig. 9 rappresena la sruura base di un T STRT S Q IITL cronomero digiale; sruuralmene OTR è simile al periodimero analizzao R in precedenza; l'unica dierenza c STOP consise nel ao che in queso caso, TIM S il segnale di aperura e chiusura della "Main ae" proviene da un ig. 9 Schema di principio di un ronomero igiale bisabile RS che riceve in ingresso i due segnali o comandi di STRT e di STOP. La relazione ondamenale che ci consene di misurare correamene il empo che inercorre ra il segnale di STRT e quello di STOP è la 1.7: TX = 1.12 Misura di rapporo ra due requenze Lo schema a blocchi di ig. 10 rappresena la sruura base di un sisema per la misura del rapporo che inercorre ra due segnali a requenza diversa. sso è simile al periodimero analizzao in precedenza; l'unica dierenza consise nel ao che al poso del generaore campione con requenza c ora ci riroviamo un generaore con requenza 2. La relazione ondamenale 1.7 riscria per il circuio di ig. 10 pora alla seguene conclusione : 1 = SHMITT TRIR SHMITT TRIR J K ig. 10 Misura del rapporo ra due requenze K Q IITL OTR da cui deriva : = leo zzani 7

8 ircuio di Overrange ei conaori eleronici, soprauo in quelli OVRR J Q impiegai in ambio srumenazione sorge il LK problema di accerare se l'indicazione da essi ornia () K R sia correa oppure se abbiano già raggiuno e superao il proprio ondo scala (capacià di coneggio). RS aa la consisene velocià di coneggio non è possibile riconoscere quesa siuazione se non ricorrendo ad un circuio capace di avverire la siuazione ig.11 ircuio per rilevare la condizione di OVRR e memorizzarla. In ig 11 è rappresenao un circuio doao di pora OT e bisabile JK con J=1 e K=0. Tale circuio deve essere collegao sul bi più signiicaivo ( oppure ) dell'ulimo conaore della caena di coneggio. scopo esempliicaivo immaginiamo di disporre di una caena di coneggio a 4 cire (massimo coneggio correo 9999); ora se al conaore giungessero o o impulsi, il conaore indicherebbe sempre e solano 2457 non essendovi isicamene presene la quina cira. La siuazione di OVRR si veriica quando il conaore della cira più signiicaiva (nel nosro caso le migliaia) si azzera ossia passa dallo sao 9 (1001) allo sao 0 (0000); basa quindi memorizzare un evenuale rone di discesa che si presena sull'uscia piú signiicaiva del conaore; il circuio di ig. 11 è appuno preposo a ale conrollo. L'ingresso RS al circuio di ig. 11 serve per azzerare la segnalazione di OVRR disponibile in uscia al bisabile; ale ingresso va soliamene collegao al RST del conaore. ircuio di uorange Il segnale di OVRR può essere il puno di parenza per cosruire un circuio sequenziale che permea di realizzare una unzionalià di ipo "auo-range" necessaria per adeguare la poraa dello srumeno alle necessià del segnale di ingresso sia che il sisema unzioni da requenzimero che da periodimero. In alri ermini si può pensare ad un sisema auomaico di scela del empo di aperura della "Main ae" (requenzimero) o della requenza campione, inalizzao a eeuare una misura nelle condizioni oimali; elemeni di ale sisema possono essere un conaore / (up/down), un MPX a 3 ingressi di selezione, una circuieria che diroi il clock in direzione up o down a seconda che sia necessario aumenare o diminuire il empo di aperura della pora (requenzimero) o la requenza campione (periodimero). requenzimero digiale MOS elle pagine che seguono vengono presenai alcuni schemi relaivi al progeo di un requenzimero digiale MOS realizzao nei laboraori dell'isiuo Proessionale Moreo come eserciazione di laboraorio. leo zzani 8

9 requenzimero schema riassunivo -I R1 V MI T 3 3 OTTOR LOK IPT PTR RST 3 3 H S_TMPI J S Q LK K R Q ormaore di Impulso 1 100p 3 R leo zzani 9

10 onaore MOS a 6 cire con Overrange Il circuio è cosiuio da 6 decadi con decoder per display a 7 segmeni connesse ra di loro in cascaa asincrona. 13 e 1 cosiuiscono il circuio di overrange. 2,, e 13 cosiuiscono il uer (ampliicaore di correne) per il. LOK RST 5 LK 4 I Y1 IT' H 5 LK 6 I Y2 500 I 8 LK 7 I Y3 500 TII R 8 LK 11 LK 9 I 10 I Y4 Y L5R R LK 12 I 13 Y OVRR 1 J S Q LK K R Q 4027 leo zzani 10

11 ase dei Tempi Quarzaa 19, 19, 20, 20, 21, 21 sono conaori decadici impiegai come divisori di requenza per 10; il gruppo 14,,, e 15,, unzionano da pore OT; 15, il gruppo 16,,, 17, e inine 18 cosiuiscono il MPX a 7 ingressi. OSILOR QRZO 1MHZ LK LK LK LK LK LK V R4 14 1Hz 15 V R Hz 16 O V V V R6 R7 R Hz 1KHz Hz V R KHz 17 V R MHz 17 Oscillaore a Quarzo (XTL) R12 2K XT1 1MHz 1MHZ 2 R11 10M 3 20/120p 5/30p ibliograia: igial Insrumen ourse par 2.J.ouwens Philips serciazioni igiali Philips igial and nalog aa onversions Malmsad nke rouch enjamin Inc. leo zzani 11