Modulo SISTEMI ELETTRONICI ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 4

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1 Esercitazione 4 Caratterizzazione e misure su circuiti digitali 1. Introduzione 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 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). Utilizzare una tensione di alimentazione di 5V nominali, ricavata da una delle sezioni a tensione variabile (alcune misure richiedono di variare l alimentazione). Rivedere le avvertenze generali sull uso degli alimentatori nelle esercitazioni precedenti. Anche nel caso in cui 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-5v in questo caso) possono danneggiare i circuiti integrati. Per evitare danni al circuito U4, predisporre l interruttore 10 in posizione 1 PRIMA di dare alimentazione. Portarlo in posizione 2 solo quando richiesto nell esperienza 2.4. Page 1 of 16

2 2. Misure e simulazioni 2.1 Transcaratteristica e parametri elettrici 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 Simulare con Pspice il comportamento del circuito applicando in ingresso un onda triangolare. I modelli di porta logica disponibili nelle versioni 8 e 9 di PSPICE sono della famiglia standard (bipolare), le cui caratteristiche sono simili alla LS. Tracciare le tensioni di uscita delle porte standard e di quella con ingresso a trigger (7414), nelle condizioni di carico indicate per l esecuzione delle misure. Nel simulatore SPICE le tensioni di ingresso comprese tra V IL e V IH determinano in uscita uno stato anomalo: V O viene portato al valore di tensione pari alla soglia V T nominale. Questo per indicare esplicitamente che tali valori di ingresso determinano un risultato in uscita non predicibile. Nel circuito reale l uscita si porta sempre a valori prossimi a V OH o V OL, a seconda che l ingresso sia sopra o sotto la soglia V T del componente specifico. Misure Come per tutti i circuiti con alimentazione, ricordare di alimentare prima l integrato, poi applicare il segnale in ingresso. Utilizzare una tensione di alimentazione di 5 V nominali (vedi note all inizio di questa guida). Caricare le porte con la resistenza da 10kΩ connessa verso massa (selettori S1=1, S2=2, S4=2,). Transcaratteristica 1. Regolare il generatore di segnali in modo tale che produca una forma d onda triangolare, con frequenza di 1 khz circa e tensione che varia 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 all uscita (J3). Con l oscilloscopio in modalità standard (Y,t) verificare la presenza dei segnali di ingresso e di uscita 3. Selezionare la modalità XY dell oscilloscopio (negli oscilloscopi analogici abbassare la luminosità dello schermo per non bruciare i fosfori del tubo catodico). 4. Visualizzare le transcaratteristiche Vo(Vi) delle porte logiche HCT04, HC04 e LS04 (selezionare la porta su cui eseguire le misure operando sui selettori S5, S6 e S7). 5. Riportare su grafici quotati le forme d onda osservate. 6. Individuare e discutere le differenze tra le transcaratteristiche delle porte. Effetti della tensione di alimentazione 1. Modificare l alimentazione (con cautela variazioni massime del - 40% + 20%) e verificare cosa si modifica nelle forme d onda di uscita e sulle transcaratteristiche. Page 3 of 16

4 Caratteristica V(I) di uscita Inizialmente eseguire le misure complete indicate in questo punto solo per la porta HC nello stato di uscita alto; ripetere le misure per lo stato basso e per la porta LS (operazioni indicate tra [ ]) dopo aver completato i punti successivi di questa esercitazione. 1. Riportare l alimentazione al valore nominale (5 V), e tornare con l oscilloscopio in modalità (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). 2. Fare riferimento allo schema iniziale del punto 2.1 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 [per lo stato L] per le porte HC04 [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 o pull-down e il valore della resistenza stessa. V O [V] V AL V OH I OH I O [ma] 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 varie porte logiche. La porta U5A è un Trigger di Schmitt invertente; la sua caratteristica Vo(Vi) presenta isteresi. Per questo componente: 1. Verificare l effettiva presenza di isteresi all ingresso della porta e riportare il grafico di ciò che si osserva sull oscilloscopio, commentandone l andamento. 2. Verificare il comportamento delle soglie del trigger al variare dell alimentazione. Page 4 of 16

5 2.2 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 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 l uscita rimane aperta, e quindi raccoglie rumore dall ambiente o da contatti esterni. 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 2.3 Misura del ritardo di inverter integrati. Un numero dispari di inverter collegati a catena richiusa su se stessa forma un oscillatore: le variazioni di stato logico in uscita vengono riportate all ingresso con inversione e con un ritardo corrispondente alla somma dei tempi di propagazione. L oscillatore ad anello (ring) di inverter permette così di misurare il ritardo della singola porta logica. J4 J5 J6 J7 J8 Predisposizione del modulo 74HC04 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. 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 5 inverter. 1. Misurare la frequenza di oscillazione, e da questa il ritardo complessivo della catena. Dividerlo per il numero di componenti, per ottenere il ritardo del singolo inverter. Dato che ogni elemento della catena è invertente, 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. Il cavo diretto introduce un carico capacitivo che varia i ritardi; usando le sonde su entrambi i canali il sistema di misura è più simmetrico (stesso ritardo e stesse condizioni operative per i due canali). 3. Misurare dove possibile i ritardi intermedi. Page 6 of 16

7 2.4 Effetti degli ingressi logici aperti (floating). Predisposizione del modulo Per evitare danni al circuito U4, predisporre S10 in posizione 1 PRIMA di dare alimentazione. Portarlo in posizione 2 solo nei punti 3, 4 e 5 delle misure. Riportarlo in 1 a misure concluse J18 2 S9 U6B 74LS04 J20 Le misure vanno eseguite utilizzando le porte riportate nella figura a lato. 1 J22 Tabella selettori: S9 S ingresso di U6B a GND 2 - ingresso di U6B a J18 (aperto) 1 - ingresso di U4C a GND 2 - ingresso di U4C a J22 (aperto) 2 S10 1 U4C - 74HC04 J19 Misure 1. Connettere le porte a GND (S9=S10=1) e verificare di avere le uscite a 1 logico. 2. Commutare gli ingressi su J18 e J22 e collegare agli ingressi un filo lungo circa 20cm. 3. Portare S10 e S9 in posizione 2. 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. Non toccare direttamente i morsetti per evitare di danneggiare i componenti. Giustificare il diverso comportamento delle due uscite. Avvertenza: La sonda dell'oscilloscopio ha una impedenza equivalente di 10 Mohm. Se collegata all'ingresso di una porta CMOS, lo porta a massa (stato logico L) attraverso questa impedenza. Per eseguire le osservazioni dei punti 3, 4 e 5, l'ingresso deve essere effettivamente aperto; pertanto NON collegare sonde agli ingressi delle porte. Nota: I componenti CMOS hanno ingressi ad altissima impedenza, pertanto un ingresso CMOS aperto si porta a una tensione che dipende dai campi elettrici esterni. Se questa tensione ha un valore intermedio tra Vih e Vil (prossima alla tensione di soglia), anche l uscita può portarsi a un livello intermedio tra Voh e Vol (non è più applicabile il modello dell uscita vista come deviatore tra Val e GND). In queste condizioni il circuito può assorbire una corrente anche molto elevata, e dissipare potenze tale da danneggiarlo. Per questo motivo non bisogna mai lasciare ingressi CMOS scollegati. Gli ingressi di logiche bipolari lasciati aperti si portano allo stato H (1). In questo caso non vi è rischio di dani al componente, ma è comunque Page 7 of 16

8 necessario collegare l ingresso a un livello opportuno per garantire il corretto funzionamento del sistema. Inoltre, quanto descritto ai punti 4 e 5 è giustificato per una esperienza di laboratorio, ma va assolutamente evitato su un circuito reale. Toccando gli ingressi di un circuiti integrato gli si applica una tensione statica (anche molto elevata), che può danneggiarlo in modo permanente. Questo vale per tutti i circuiti; i CMOS sono più delicati e vanno maneggiati con maggior cura. 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, è opportuno evitare di toccare i piedini. Page 8 of 16

9 Modulo per la relazione Esercitazione 4: Caratterizzazione e misure su circuiti digitali Data: Gruppo ; composizione: ruolo 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 varie 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