NI ELVIS Introduzione

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1 NI ELVIS Introduzione A cura del Prof. Barry Paton Dalhousie University Edizione Gennaio 2004 Part Number A-01 Traduzione Marzo 2004 A Survey of Modern Computer-Based Experiments Copyright 2004 National Instruments Corporation. Università, colleges e altre istituzioni che si occupano di didattica possono riprodurre in toto o in parte questa pubblicazione per scopi didattici. Per tutti gli altri usi, questa pubblicazione non può essere riprodotta o trasmessa in alcuna forma elettronica o meccanica, inclusa la fotocopia, la registrazione, la memorizzazione in banche dati, o tradotta, completamente o parzialmente, senza il consenso preventivo scritto della National Instruments Corporation. Marchi DIAdem, LabVIEW, National Instruments, NI e ni.com sono marchi registrati di National Instruments Corporation. I prodotti o le società citate sono marchi registrati o marchi delle rispettive società. Brevetti Per la copertura brevettuale dei prodotti National Instruments, fate riferimento al menu Help»Patents del vostro software, al file patents.txt del vostro CD o all indirizzo ni.com/legal/patents.

2 Indice National Instruments Corporate Headquarters North Mopac Expressway Austin, Texas USA Tel: Worldwide Offices Australia , Austria , Belgium , Brazil , Canada (Calgary) , Canada (Montreal) , Canada (Ottawa) , Canada (Québec) , Canada (Toronto) , Canada (Vancouver) , China , Czech Republic , Denmark , Finland , France , Germany , Greece , India , Israel , Italy , Japan , Korea , Malaysia , Mexico , Netherlands , New Zealand , Norway , Poland , Portugal , Russia , Singapore , Slovenia , South Africa , Spain , Sweden , Switzerland , Taiwan , Thailand , United Kingdom NI ELVIS - Introduzione ii National Instruments Corporation

3 Indice Indice Lab 1 NI Elvis - Ambiente di sviluppo Obiettivi Soft Front Panels (SFP) utilizzati in questa esperienza Componenti utilizzati in questa esperienza Es. 1-1 Misurazione dei valori dei componenti Es. 1-2 Realizzazione di un circuito partitore di tensione sulla scheda prototipi di NI ELVIS Es. 1-3 Utilizzo del DMM per la misurazione di corrente Es. 1-4 Osservazione dell evoluzione della tensione in un circuito RC Es. 1-5 Visualizzazione della tensione transitoria in un circuito RC Approfondimenti Lab 2 Termometro digitale Obiettivi Soft Front Panels (SFP) utilizzati in questa esperienza Componenti utilizzati in questa esperienza Es. 2-1 Misurazione dei valori delle resistenze Es. 2-2 Funzionamento della tensione di alimentazione variabile Es. 2-3 Un circuito a termistore per il funzionamento di un DAQ Es. 2-4 Calibrazione del termistore Es. 2-5 Realizzazione di un termometro digitale virtuale in NI ELVIS Es. 2-6 Termometro digitale con caratteristiche di memorizzazione Approfondimenti Lab 3 Strumenti per i circuiti in alternata Obiettivi Soft Front Panels (SFP) utilizzati in questa esperienza Componenti utilizzati in questa esperienza Es. 3-1 Misurazione dei valori dei componenti del circuito Es. 3-2 Misurazione delle componenti e dell impedenza circuitale Z Es. 3-3 Test di un circuito RC serie con il generatore di funzioni e l oscilloscopio Es. 3-4 Diagrammi di Bode delle ampiezze e delle fasi nel circuito RC Approfondimenti National Instruments Corporation iii NI ELVIS - Introduzione

4 Indice Lab 4 Filtri con amplificatori operazionali Obiettivi Soft Front Panels (SFP) utilizzati in questa esperienza Componenti utilizzati in questa esperienza Es. 4-1 Misurazione dei valori dei componenti del circuito Es. 4-2 Risposta in frequenza del circuito con amplificatore operazionale Es. 4-3 Misurazione del comportamento in frequenza dell Op Amp Es. 4-4 Filtro passa-alto Es. 4-5 Filtro passa-basso Es. 4-6 Filtro passa-banda Approfondimenti Lab 5 I/O digitale Obiettivi Soft Front Panels (SFP) utilizzati in questa esperienza Componenti utilizzati in questa esperienza Es. 5-1 Visualizzazione di pattern digitali Es. 5-2 Circuito di clock digitale Es. 5-3 Realizzazione di un contatore digitale a 4 bit Es. 5-4 Analizzatore di stati logici in LabVIEW Approfondimenti Lab 6 Sensore di campo magnetico Obiettivi Soft Front Panels (SFP) utilizzati in questa esperienza Componenti utilizzati in questa esperienza Es. 6-1 Prove su un sensore analogico di campo magnetico con gli strumenti di NI ELVIS Es. 6-2 Caratteristica di isteresi di un interruttore a campo magnetico Es. 6-3 Conteggio degli impulsi con un sensore magnetico a commutazione Es. 6-4 Conteggio automatico utilizzando un programma in LabVIEW Approfondimenti Lab 7 LED di segnalazione Obiettivi Soft Front Panels (SFP) utilizzati in questa esperienza Componenti utilizzati in questa esperienza Es. 7-1 Prove sui diodi e determinazione della loro polarità Es. 7-2 Curva caratteristica di un diodo Es. 7-3 Prove manuali e controllo di un incrocio semaforico a 2 vie Es. 7-4 Funzionamento automatico di un incrocio semaforico a 2 vie Approfondimenti NI ELVIS - Introduzione iv National Instruments Corporation

5 Indice Lab 8 Comunicazione ottica nello spazio libero Obiettivi Soft Front Panels (SFP) utilizzati in questa esperienza Componenti utilizzati in questa esperienza Es. 8-1 Un rivelatore a fototransistor Es. 8-2 Sorgente ottica a infrarossi Es. 8-3 Collegamento ottico analogico a IR nello spazio libero Es. 8-4 Modulazione (analogica) di ampiezza e di frequenza Approfondimenti Lab 9 Comunicazione wireless in RF Obiettivi Soft Front Panels (SFP) utilizzati in questa esperienza Componenti utilizzati in questa esperienza Es. 9-1 Il trasmettitore Es. 9-2 Il ricevitore Es. 9-3 Prove sul trasmettitore e sul ricevitore in RF Es. 9-4 Il primo segnale transatlantico di Marconi Es. 9-5 Realizzazione di un segnale di test unico con il generatore di forme d onda arbitrarie Es. 9-6 Una dimostrazione del segnale di trasmissione in RF di Marconi Approfondimenti Lab 10 Movimento meccanico Obiettivi Soft Front Panels (SFP) utilizzati in questa esperienza Componenti utilizzati in questa esperienza Es Signori, avviate i motori! Es Il tachimetro Es Realizzazione di un sistema rotante Es Prove sul sistema rotante Es Misurazione di RPM con LabVIEW Approfondimenti National Instruments Corporation v NI ELVIS - Introduzione

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7 Lab 1 NI ELVIS Ambiente di sviluppo L ambiente di sviluppo di NI ELVIS consiste in una parte hardware, per la realizzazione di circuiti e l interfacciamento delle esperienze, e in una parte software. Il software NI ELVIS, completamente creato in LabVIEW, consta di due parti: gli strumenti soft front panel (SFP) e le API di LabVIEW, che sono dei VI aggiuntivi di LabVIEW per il controllo personalizzato e l accesso alle caratteristiche della workstation del banco di prova di NI ELVIS. Obiettivi Questa esperienza introduce alla workstation NI ELVIS per mostrare come possano essere misurate le proprietà dei componenti elettronici. I circuiti vengono dapprima realizzati su una scheda prototipi e quindi analizzati con la suite software NI ELVIS di soft front panel (SFP) basati su LabVIEW o di altri strumenti software. Inoltre questa esperienza mostra l uso di NI ELVIS all interno dell ambiente di programmazione di LabVIEW. National Instruments Corporation 1-1 NI ELVIS Introduzione

8 Lab 1 NI ELVIS Ambiente di sviluppo Soft front panels (SFP) utilizzati in questa esperienza Ohmmetro digitale DMM[Ω], misuratore digitale di capacità DMM[C] e il voltmetro digitale DMM[V]. Componenti utilizzati in questa esperienza Resistore R 1 da 1,0 kω (marrone, nero, rosso) Resistore R 2 da 2,2 kω (rosso, rosso, rosso) Resistore R 3 da 1,0 MΩ (marrone, nero, giallo) Condensatore C da 1 µf NI ELVIS Introduzione 1-2 National Instruments Corporation

9 Lab 1 NI ELVIS Ambiente di sviluppo Esercitazione 1-1 Misurazione dei valori dei componenti Collegate due spinotti a banana agli ingressi di corrente del DMM sul pannello frontale della workstation. Collegate gli altri terminali ad uno dei resistori. Avviate NI ELVIS. Dopo l inizializzazione compare sullo schermo del computer la suite degli strumenti software di LabVIEW. Selezionate Digital Multimeter. National Instruments Corporation 1-3 NI ELVIS - Introduzione

10 Lab 1 NI ELVIS Ambiente di sviluppo Il SFP Digital Multimeter può essere utilizzato per diverse operazioni. Utilizzeremo la notazione DMM[X] per indicare l operazione X corrispondente. Cliccate sul pulsante Ohm [Ω] per utilizzare la funzione Ohmmetro digitale DMM[Ω]. Misurate R 1, R 2 e R 3. Utilizzando il pulsante condensatore [ ] misurate il condensatore C con DMM[C] utilizzando gli stessi terminali. Riempite la tabella seguente. R 1 Ω (1,0 kω nominale) R 2 Ω (2,2 kω nominale) R 3 Ω (1,0 kω nominale) C (µf) (1 µf nominale) Nota Se state utilizzando un condensatore elettrolitico assicuratevi di collegare il polo + del condensatore all ingresso di corrente + del DMM e cliccate sul pulsante electrolytic del DMM[C]. Fine dell esercitazione 1-1 NI ELVIS Introduzione 1-4 National Instruments Corporation

11 Lab 1 NI ELVIS Ambiente di sviluppo Esercitazione 1-2 Realizzazione di un circuito partitore di tensione sulla scheda prototipi di NI ELVIS Utilizzando i due resistori, R 1 e R 2, assemblate il circuito seguente sulla scheda prototipi di NI ELVIS. La tensione d ingresso V 0 è collegata al morsetto [+5 V] e il comune al morsetto NI ELVIS [Ground]. Collegate i conduttori esterni agli ingressi di tensione (HI) e (LO) del DMM sul pannello frontale della workstation NI ELVIS. Nota NI ELVIS possiede terminali d ingresso separati per misure di tensione e di impedenza/corrente. Verificate il vostro circuito e quindi applicate l alimentazione al circuito portando l interruttore Prototyping Board Power nella posizione superiore. I tre indicatori a LED dell alimentazione +15V, -15V e +5V dovrebbero accendersi. Nota Se uno di questi LED dovesse rimanere spento mentre gli altri sono accesi, potrebbe essere intervenuto il fusibile della linea di alimentazione corrispondente. Fate riferimento all Appendice B del NI ELVIS User Manual per la sostituzione dei fusibili. National Instruments Corporation 1-5 NI ELVIS - Introduzione

12 Lab 1 NI ELVIS Ambiente di sviluppo Collegate i morsetti del pannello frontale del DMM a V 0 e misurate la tensione d ingresso utilizzando DMM[V]. Secondo la teoria dei circuiti, la tensione di uscita V 1 dovrebbe essere R 2 /(R 1 +R 2 )*V 0. Utilizzando i valori misurati precedentemente per R 1, R 2 e V 0, calcolate V 1. Quindi utilizzate DMM[V] per misurare la tensione istantanea V 1. V 1 (calcolata) V 1 (misurata) Quanto è vicino il valore misurato a quello calcolato? Fine dell esercitazione 1-2 NI ELVIS Introduzione 1-6 National Instruments Corporation

13 Lab 1 NI ELVIS Ambiente di sviluppo Esercitazione 1-3 Utilizzo del DMM per la misurazione di corrente Dalla legge di Ohm, la corrente I che scorre nel circuito precedente è uguale a V 1 /R 2. Calcolate questa corrente con i valori misurati di V 1 e R 2. Successivamente, eseguite una misurazione diretta. Per fare questo, spostate i conduttori esterni sugli ingressi HI e LO del DMM (Current) sul pannello frontale della workstation. Collegate le altre estremità al circuito come mostrato sotto. Selezionate la funzione DMM[A-] e misurate la corrente. I (calcolata) I (misurata) Quanto è vicino il valore misurato a quello calcolato? Fine dell esercitazione 1-3 National Instruments Corporation 1-7 NI ELVIS - Introduzione

14 Lab 1 NI ELVIS Ambiente di sviluppo Esercitazione 1-4 Osservazione dell evoluzione della tensione in un circuito RC Realizzate il circuito transitorio RC come mostrato sotto. Esso utilizza il circuito partitore di tensione in cui R 1 è ora sostituita da R 3 (resistore da 1MΩ) e R 2 è sostituita da un condensatore C da 1 µf. Spostate i vostri terminali del pannello frontale sugli ingressi DMM(VOLTAGE) e selezionate DMM[V]. Nota La versione 1 di NI ELVIS possiede un impedenza d ingresso limitata (1MΩ) per il canale DMM. Per leggere i valori corretti di tensione, dovreste memorizzare la tensione d ingresso per questa misurazione. Fate riferimento alla sezione Soluzione con impedenza d ingresso limitata per una semplice soluzione basata su un circuito a guadagno unitario che utilizza un amplificatore operazionale a FET. Questa limitazione verrà superata in una versione futura. Inoltre, notate che se utilizzate i canali d ingresso analogici della scheda DAQ, come nell Esercitazione 1-5, questo non costituisce un problema. Quando alimentate il circuito, la tensione ai capi del condensatore sale esponenzialmente. Applicate l alimentazione ed osservate le variazioni di tensione sul display del DMM. Essa impiega circa 5 secondi per raggiungere il valore a regime V 0. Quando togliete l alimentazione al NI ELVIS Introduzione 1-8 National Instruments Corporation

15 Lab 1 NI ELVIS Ambiente di sviluppo circuito, la tensione ai capi del condensatore decrescerà esponenzialmente a 0 V. Provatelo! Potrebbe essere interessante visualizzare questo effetto transitorio su un grafico con la tensione ai capi del condensatore rispetto al tempo. Soluzione con impedenza d ingresso limitata Utilizzando un amplificatore operazionale a FET, come l LM356, realizzate un circuito a guadagno unitario e collegatelo come mostrato sotto. Collegando l uscita (pin 6) all ingresso (pin 2), il guadagno di questo circuito viene fissato ad 1. Tuttavia, l impedenza dell ingresso + (pin 3) vale ora centinaia di megaohm e la tensione di uscita (pin 6) dovrebbe seguire fedelmente la tensione ai capi del condensatore consentendo all ingresso di tensione del DMM di leggere i valori corretti. Questa limitazione sarà superata nelle future versioni di NI ELVIS. Fine dell esercitazione 1-4 National Instruments Corporation 1-9 NI ELVIS - Introduzione

16 Lab 1 NI ELVIS Ambiente di sviluppo Esercitazione 1-5 Visualizzazione della tensione transitoria in un circuito RC Rimuovete il terminale dell alimentazione a +5V e sostituitelo con un cavetto collegato all alloggiamento del piedino VPS[+] corrispondente all alimentazione variabile (Variable Power Supply). Collegate la tensione di uscita, V 1, a ACH0[+] e ACH0[-]. Chiudete la suite NI ELVIS ed avviate LabVIEW. Dalla libreria di VI Hands-On NI ELVIS, selezionate RC Transient.vi. Questo programma utilizza le API di LabVIEW per porre l alimentazione su ON per 5 secondi e quindi OFF per 5 secondi mentre la tensione ai capi del condensatore viene visualizzata su un grafico di LabVIEW. NI ELVIS Introduzione 1-10 National Instruments Corporation

17 Lab 1 NI ELVIS Ambiente di sviluppo L eccitazione ad onda quadra mostra in maniera evidente le caratteristiche di carica e scarica di un semplice circuito RC. La costante di tempo τ del circuito viene definita come il prodotto di R 3 ed C. Dalle leggi di Kirchoff è facile mostrare che la tensione di carica V C ai capi del condensatore è data da: e la tensione di scarica V D è data da: V C = V 0 (1-exp(-t/τ)) V D = V 0 exp(-t/τ) Potete ricavare la costante di tempo dal grafico rilevato? Date un occhiata allo schema a blocchi di LabVIEW per vedere come lavora questo programma. Il VI VPS Initialization sulla sinistra avvia NI ELVIS e seleziona l alimentazione +. Il VI successivo imposta su 5 V la tensione di uscita di VPS+. Successivamente, la prima sequenza misura 50 letture sequenziali di tensione ai capi del condensatore ad intervalli di 1/10 di secondo. Nel ciclo For, il VI Analog Input Multiple Point prende 100 letture alla frequenza di 1000 campioni al secondo e passa i valori ad un vettore (linea arancione spessa). National Instruments Corporation 1-11 NI ELVIS - Introduzione

18 Lab 1 NI ELVIS Ambiente di sviluppo Approfondimenti Il vettore viene quindi passato al VI Mean che restituisce il valore medio delle 100 letture. Il valor medio viene quindi passata al grafico tramite un terminale di variabile locale (RC Charging and Discharging). La sequenza successiva imposta a 0 V la tensione VPS+ e quindi l ultima sequenza misura altri 50 campioni mediati per il ciclo di scarica. Fine dell esercitazione 1-5 Questa esercitazione ha introdotto lo strumento software DMM e ha mostrato come i connettori del pannello frontale della workstation possono essere usati per le misurazioni con DMM. Tuttavia, non ci si limita a questi 4 ingressi, siccome essi sono presenti anche sugli alloggiamenti della scheda prototipi, etichettati come: Pannello frontale della Scheda prototipi workstation DMM(voltage) HI DMM2 Voltage + DMM(voltage) LO DMM2 Voltage - DMM(current) HI DMM2 Current + DMM(current) LO DMM2 Current - Verificate la lista. NI ELVIS Introduzione 1-12 National Instruments Corporation

19 Lab 2 Termometro digitale Un termistore è un dispositivo a due fili prodotto a partire da un materiale semiconduttore. Ha una curva di risposta non lineare ed un coefficiente di temperatura negativo. I termistori sono i sensori ideali per la misurazione di temperatura in un intervallo molto ampio e sono anche utili in circuiti di allarme per la temperatura. Obiettivi Questa esperienza introduce all alimentazione variabile di NI ELVIS. Può essere utilizzata con i controlli del pannello frontale della workstation, con i controlli virtuali sullo schermo del vostro computer o internamente ad un programma in LabVIEW. La VPS viene utilizzata per alimentare un termistore da 10 kω in un circuito partitore di tensione. La tensione misurata ai capi del termistore dipende dalla sua resistenza che a sua volta dipende dalla sua temperatura. Questa esperienza mostra come i controlli e gli indicatori di LabVIEW siano utilizzati con le API di NI ELVIS per realizzare un termometro digitale. National Instruments Corporation 2-1 NI ELVIS Introduzione

20 Lab 2 Termometro digitale Soft front panels (SFP) utilizzati in questa esperienza Ohmmetro digitale DMM[Ω] e voltmetro digitale DMM[V], le API VPS. Componenti utilizzati in questa esperienza Resistore R 1 da 10 kω (marrone, nero, arancione) Termistore R T da 10 kω NI ELVIS Introduzione 2-2 National Instruments Corporation

21 Lab 2 Termometro digitale Esercitazione 2-1 Misurazione dei valori delle resistenze Avviate NI ELVIS, selezionate Digital Multimeter e cliccate sul pulsante Ohms. Dapprima collegate il resistore da 10 kω e quindi il termistore e misurate i loro valori. Riempite la tabella seguente. Resistore da 10 kω Termistore Ω Ω Ora prendete il termistore con le punte delle dita per scaldarlo ed osservare le variazioni di resistenza. Il fatto che la resistenza diminuisca all aumentare della temperatura (coefficiente negativo di temperatura) è una delle caratteristiche fondamentali del termistore. I termistori vengono realizzati a partire da materiale semiconduttore la cui resistività dipende esponenzialmente dalla temperatura ambiente e determina la seguente risposta non lineare. Confrontate la risposta del termistore con un RTD (100 Ω Platinum Resistance Temperature Device) come mostrato sotto. Fine dell esercitazione 2-1 National Instruments Corporation 2-3 NI ELVIS - Introduzione

22 Lab 2 Termometro digitale Esercitazione 2-2 Funzionamento della tensione di alimentazione variabile Dal pannello di avvio di NI ELVIS, selezionate Variable Power Supplies. Ci sono due alimentazioni controllabili in NI ELVIS, una da 0 a 12 V e l altra da 0 a +12V, ciascuna con un limite di corrente di 500 ma. Sulla workstation di NI ELVIS, portate il selettore VPS+ su Manual. Osservate sulla finestra virtuale della VPS come i controlli siano resi opachi e non siano controllabili da mouse. Anche un LED verde segnala il fatto che VPS si trova in controllo manuale. Solo i controlli del pannello frontale possono modificare la tensione di uscita. Collegate i cavetti da [VPS+] e [Ground] agli ingressi di tensione DMM della workstation. Selezionate DMM[V]. Ruotate il potenziometro manuale VPS sulla workstation ed osservate le variazioni di tensione su DMM[V]. Nota La posizione di zero per la tensione del controllo VPS+ si raggiunge in senso antiorario e per il controllo VPS- in senso orario. Spostate verso il basso (not Manual) il selettore VPS+ della workstation. Potete utilizzare ora i controlli virtuali VPS sullo schermo del computer. Cliccate sul potenziometro virtuale e muovetelo per variare la tensione di uscita. Osservate il pulsante [RESET] che riporta la tensione rapidamente a zero. VPS- opera in modo analogo, ma la tensione di uscita è negativa. Fine dell esercitazione 2-2 NI ELVIS Introduzione 2-4 National Instruments Corporation

23 Lab 2 Termometro digitale Esercitazione 2-3 Un circuito a termistore per il funzionamento di un DAQ Sulla scheda prototipi della workstation, realizzate un circuito partitore di tensione utilizzando un resistore da 10 kω ed un termistore. La tensione d ingresso è collegata ai morsetti [VPS+] e [Ground]. Misurate la tensione ai capi del termistore con DMM[V] e i puntali della workstation. Figura 2-1. Circuito con termistore Assicuratevi che il potenziometro VPS+ stia a zero e il selettore a cursore sia su Manual. Alimentate la scheda prototipi e osservate i livelli di tensione sul DMM[V]. Quando aumentate la tensione da 0 a +5V, la tensione ai capi del termistore V T dovrebbe aumentare di circa 2,5 V. Riducete l alimentazione a +3 V. Scaldate il termistore con le punta delle dita ed osservate la diminuzione della tensione. Possiamo ora risistemare l equazione standard del partitore di tensione per calcolare la resistenza del termistore. R T = R 1 * V T /(3- V T ) Ad una temperatura ambiente di 25 C la resistenza dovrebbe essere di circa 10 kω. Verificatelo! Questa equazione, chiamata funzione di scala, consente di convertire la tensione misurata nella resistenza del termistore. V T può essere facilmente misurata con il DMM di NI ELVIS o con un programma in LabVIEW. National Instruments Corporation 2-5 NI ELVIS - Introduzione

24 Lab 2 Termometro digitale In LabVIEW la suddetta equazione è codificata come subvi ed appare come segue: Fine dell esercitazione 2-3 NI ELVIS Introduzione 2-6 National Instruments Corporation

25 Lab 2 Termometro digitale Esercitazione 2-4 Calibrazione del termistore Una tipica curva di risposta di un termistore dimostra la relazione tra la resistenza e la temperatura del dispositivo. È chiaro da questa curva che un termistore ha tre caratteristiche: il coefficiente di temperatura R/ T è negativo, la curva di risposta è non lineare (esponenziale) e la resistenza varia di diverse decadi (fate riferimento all Esercitazione 2-1). Una curva di calibrazione può essere prodotta mediante fitting di un equazione matematica sulla curva di risposta. LabVIEW possiede diversi strumenti matematici fare ciò. Una volta trovato il modo, la temperatura può essere calcolata per ogni resistenza nell intervallo di calibrazione. Il VI di calibrazione seguente è tipico per un termistore e dimostra come il formula node di LabVIEW possa essere utilizzato per valutare equazioni matematiche. Fine dell esercitazione 2-4 National Instruments Corporation 2-7 NI ELVIS - Introduzione

26 Lab 2 Termometro digitale Esercitazione 2-5 Realizzazione di un termometro digitale virtuale in NI ELVIS Il programma digital thermometer attiva VPS per alimentare il circuito del termistore, quindi legge la tensione ai capi del termistore e la converte in temperatura. Il programma di base è una variante della Simple Variable Power Supply Application che si trova in NI ELVIS User Manual, Figura 4-1. Lo schema a blocchi è mostrato sotto. NI ELVIS ha lo stesso Device Number (di solito 1) della scheda DAQ. La NI ELVIS Initialization seleziona VPS Supply+. Quindi il livello di tensione sull alimentazione viene impostato su +3 V con il VI VPS[Update]. La misura, la scalatura, la calibrazione e la visualizzazione avvengono in sequenza nel ciclo While. VoltsIn.vi misura la tensione del termistore. Scaling.vi converte la tensione misurata in resistenza secondo l equazione di scala descritta precedentemente. Convert R-T.vi utilizza un equazione di calibrazione nota per convertire la resistenza del termistore in temperatura. Infine, la temperatura viene visualizzata sul pannello frontale di LabVIEW in tanti formati diversi. La funzione Wait di 100 ms assicura che la tensione sia campionata ogni 1/10 di secondo. Il digital thermometer rimane in esecuzione finché non viene premuto il pulsante [Stop] sul pannello frontale. Quando il ciclo ha termine, il riferimento di alimentazione viene terminato e VPS viene impostato su 0 V. Dalla Hands-On NI ELVIS Library, aprite Digital Thermometer.vi. Aprite il programma e i subvi per visualizzare il flusso del programma e vedere come sono codificati i subvi e le funzioni Read e Convert. NI ELVIS Introduzione 2-8 National Instruments Corporation

27 Lab 2 Termometro digitale Con il file di calibrazione del vostro termistore potete generare il subvi corretto (Convert R->T) e utilizzarlo per avere un termometro digitale funzionante. Se desiderate scrivere il vostro programma, potete utilizzare il DT Template.vi (che si trova nella Hands-On NI ELVIS VI Library) e aggiungere il vostro stile di programmazione. Troverete le API VPS nel menu Instruments (I/O)/Instruments Drivers/NI ELVIS/NI ELVIS/ Variable Power Supply. Fine dell esercitazione 2-5 National Instruments Corporation 2-9 NI ELVIS - Introduzione

28 Lab 2 Termometro digitale Esercitazione 2-6 Termometro digitale con caratteristiche di memorizzazione Il semplice programma digital thermometer visualizza tre indicatori sul pannello frontale: un display digitale, un meter e un termometro. Spesso solo uno o due formati di display sono necessari. Tuttavia, aggiungendo una caratteristica di memorizzazione, si consente di osservare l andamento della temperatura. Nel DT Logger.vi (che si trova nella Hands-On NI ELVIS VI Library) è stato aggiunto un grafico al pannello frontale. Questa caratteristica può essere aggiunta al pannello frontale come singolo controllo di LabVIEW (Waveform Chart) dal menu Controls/Graph. Dalla Hands-On NI ELVIS VI Library caricate e visualizzate il programma DT Logger.vi. Fine dell esercitazione 2-6 Approfondimenti La VPS di NI ELVIS può essere utilizzata con i controlli WS del pannello frontale o i controlli virtuali all interno di un programma in LabVIEW per realizzare strumenti speciali. Ci sono molte altre caratteristiche da aggiungere a piacimento al programma digital thermometer. Ad esempio un pulsante [Hold/Update] affinché possiate campionare e mantenere il valore corrente sul display digitale. Successivamente, rilasciando il pulsante, la temperatura verrebbe aggiornata. Oppure rappresentare T rispetto al tempo decidendo la temperatura di riferimento. Buon divertimento! NI ELVIS Introduzione 2-10 National Instruments Corporation

29 Lab 3 Strumenti per i circuiti in alternata La maggior parte dei circuiti è in corrente alternata (AC) e la nostra capacità di progettare buoni circuiti dipende dagli strumenti disponibili per misurare i componenti, le impedenze e visualizzare le proprietà del circuito. Con buoni strumenti ed un po di conoscenza sui circuiti, si può fare in modo di ottenere un comportamento ottimale da un circuito. Obiettivi Questa esperienza introduce agli strumenti di NI ELVIS per i circuiti in corrente alternata: multimetro digitale, generatore di funzioni, oscilloscopio, analizzatore d impedenza e analizzatore di Bode. Soft front panels (SFP) utilizzati in questa esperienza Ohmmetro digitale DMM[Ω], generatore di funzioni FGEN, oscilloscopio OSC, analizzatore d impedenza IA e analizzatore di Bode BodeA. National Instruments Corporation 3-1 NI ELVIS Introduzione

30 Lab 3 Strumenti per i circuiti in alternata Componenti utilizzati in questa esperienza Resistore R 1 da 1 kω (marrone, nero, rosso) Condensatore C da 1 µf NI ELVIS Introduzione 3-2 National Instruments Corporation

31 Lab 3 Strumenti per i circuiti in alternata Esercitazione 3-1 Misurazione dei valori dei componenti del circuito Avviate NI ELVIS e selezionate Digital Multimeter. Utilizzate DMM[Ω] per misurare il resistore R e quindi DMM[C] per misurare il condensatore C. Riempite la tabella seguente. Resistore R Ω (valore nominale 1 kω) Condensatore C µf (valore nominale 1 µf) Chiudete il DMM Fine dell esercitazione 3-1 National Instruments Corporation 3-3 NI ELVIS - Introduzione

32 Lab 3 Strumenti per i circuiti in alternata Esercitazione 3-2 Misurazione delle componenti e dell impedenza circuitale Z Per un resistore l impedenza coincide con la resistenza in corrente continua (DC). Può essere rappresentata in un grafico 2-D come una linea lungo l asse X, spesso chiamata componente reale. Per un condensatore l impedenza (o più in dettaglio, la reattanza) X C è immaginaria, dipende dalla frequenza e può essere rappresentata come una linea lungo l asse Y di un grafico 2-D. Viene chiamata componente immaginaria. Matematicamente, la reattanza di un condensatore viene rappresentata da: X C =1/jωC in cui ω è la pulsazione (misurata in rad/s) e j è un simbolo utilizzato per la rappresentazione di un numero immaginario. L impedenza di un circuito RC in serie è la somma di queste due componenti in cui R è la componente resistiva (reale) e X C è la componente reattiva (immaginaria). Z = R + X C = R + 1/jωC (Ω) Questa equazione può essere rappresentata come un fasore su un diagramma polare con: ampiezza = (R 2 +X C2 ) e fase θ = tan -1 (X C /R) Una resistenza ha un fasore lungo l asse reale (X). Un condensatore ha un fasore lungo l asse immaginario negativo (Y). Ricordate dall algebra complessa che 1/j = -j. Non sarebbe interessante visualizzare il fasore in tempo reale? Selezionate Impedance Analyzer dal menu di avvio di NI ELVIS. NI ELVIS Introduzione 3-4 National Instruments Corporation

33 Lab 3 Strumenti per i circuiti in alternata Collegate i puntali dagli ingressi (corrente) del pannello frontale del DMM al resistore da 1 kω. Verificate che il fasore sia lungo l asse reale e la fase sia zero. Ora collegate i puntali al condensatore. Verificate che il fasore sia lungo l asse immaginario negativo e la fase sia di 270 o 90 gradi. Regolate il controllo Measurement Frequency per osservare che la reattanza (lunghezza del fasore) diventa più piccola quando aumentate la frequenza e più grande quando diminuite la frequenza. Ora collegate i puntali ai capi del resistore e del condensatore in serie (assicuratevi che il circuito non sia collegato a terra). Il fasore del circuito ha sia una componente reale che una immaginaria. Modificate la frequenza ed osservate il fasore che si sposta. Regolate la frequenza finché la componente di reattanza (X) non diventa uguale alla componente resistiva (R). Questo è un particolare valore di frequenza in cui la fase è: gradi National Instruments Corporation 3-5 NI ELVIS - Introduzione

34 Lab 3 Strumenti per i circuiti in alternata Anche l ampiezza ha un significato particolare a questa frequenza o angolo di fase. Qual è l ampiezza del fasore in questo punto? Risposta:R 2. Chiudete l Impedance Analyzer. Fine dell esercitazione 3-2 NI ELVIS Introduzione 3-6 National Instruments Corporation

35 Lab 3 Strumenti per i circuiti in alternata Esercitazione 3-3 Test di un circuito RC serie con il generatore di funzioni e l oscilloscopio Sulla scheda prototipi della workstation, realizzate un circuito partitore di tensione con un condensatore da 1 µf ed un resistore da 1 kω. Collegate gli ingressi del circuito RC ai morsetti [FGEN] e [Ground]. L alimentazione di un circuito in AC è spesso ottenuta da un generatore di funzioni che utilizzeremo per testare il nostro circuito RC. Dal pannello di avvio di NI ELVIS selezionate Function Generator. National Instruments Corporation 3-7 NI ELVIS - Introduzione

36 Lab 3 Strumenti per i circuiti in alternata FGEN SFP possiede i controlli usuali per l impostazione della frequenza per decadi e per Hertz (fine), per la selezione del tipo di forma d onda (sinusoide, quadra o triangolare) e per la selezione dell ampiezza. Tutti questi controlli sono disponibili anche sul pannello frontale della workstation come controlli reali. Essi possono essere selezionati spostando su Manual il cursore del generatore di funzioni sul pannello frontale della workstation. Come nel caso dell alimentazione variabile, il controllo manuale accende il LED verde su SFP e rende inattivi i controlli virtuali. Nota Se volete aggiungere un offset DC al segnale AC, questo è disponibile solo su SFP FGEN. Utilizzeremo l oscilloscopio per analizzare i segnali di tensione sul circuito RC. NI ELVIS Introduzione 3-8 National Instruments Corporation

37 Lab 3 Strumenti per i circuiti in alternata Dal pannello iniziale di NI ELVIS selezionate Oscilloscope. L oscilloscopio SFP è simile alla maggior parte degli oscilloscopi, ma l oscilloscopio di NI ELVIS può collegare automaticamente gli ingressi ad una gran varietà di sorgenti. Cliccate sul riquadro CHANNEL A Source e osservate l elenco. BNC/Board CH A, ACH0, ACH1, ACH2, ACH5, FGEN FUNC_OUT, FGEN SYNC_OUT e DMM Voltage. Impostate Source su Channel A, Source su Channel B, gli ingressi TRIGGER e TIMEBASE come mostrato sopra. Questa configurazione consente all oscilloscopio di guardare l uscita del generatore di funzioni sul canale A, il segnale di sincronizzazione FGEN TTL (SYNC_OUT) sul canale B e di effettuare il trigger con il segnale SYNC_OUT. Assicuratevi di aver cliccato sul pulsante Run di FGEN SFP e su OSC SFP. Giocate con i controlli FGEN (virtuali o reali) e osservate i cambiamenti sulla finestra dell oscilloscopio. Ci sono opzioni di misurazione come la frequenza, l ampiezza piccopicco e altre, cui si può accedere cliccando sui pulsanti MEAS per i canali A e B. Le misure appaiono in basso sullo schermo dell oscilloscopio. National Instruments Corporation 3-9 NI ELVIS - Introduzione

38 Lab 3 Strumenti per i circuiti in alternata Anche i cursori A o B possono essere attivati per effettuare misure di ampiezza o di tempo. Ora collegate al resistore da 1 kω l ingresso CH B di BNC SCOPE della workstation. Nota Potreste anche aver utilizzato gli ingressi del canale B sui piedini della scheda prototipi etichettati con Oscilloscope CH B+ e CH B-. Vedrete come prima il segnale d ingresso sul Channel A e il segnale di uscita per il nostro circuito RC sul Channel B. Effettuate il trigger come prima su FGEN SYNC_OUT e selezionate Sine wave su FGEN. Il rapporto di ampiezza tra il canale B e il canale A definisce il guadagno del circuito ad una particolare frequenza. Siccome non c è un amplificatore nel circuito, il guadagno sarà inferiore ad uno. Effettuando osservazioni a frequenze diverse, potete farvi un idea del comportamento in frequenza del circuito passivo RC. Sfida Trovate la frequenza per cui il guadagno è pari a 1/ 2. Sullo schermo dell oscilloscopio misurate la differenza di fase tra la traccia del Channel A e quella del Channel B a questa frequenza. Potete collegare questa misura di fase alla misura di fase del fasore trovata con l Impedance Analyzer dell Esercitazione 3-2? Chiudete il generatore di funzioni e l oscilloscopio. Fine dell esercitazione 3-3 NI ELVIS Introduzione 3-10 National Instruments Corporation

39 Lab 3 Strumenti per i circuiti in alternata Esercitazione 3-4 Diagrammi di Bode delle ampiezze e delle fasi nel circuito RC Un diagramma di Bode rappresenta in forma grafica realistica le caratteristiche in frequenza di un circuito in AC. La risposta in ampiezza viene rappresentata come il guadagno del circuito misurato in decibel in funzione del logaritmo della frequenza e la risposta di fase viene rappresentata come differenza di fase tra i segnali d ingresso e di uscita in una scala lineare rispetto al logaritmo della frequenza. Dal pannello di avvio di NI ELVIS selezionate Bode Analyzer. Bode Analyzer consente la scansione in un intervallo di frequenza; da una frequenza iniziale ad una finale con passo F. Potete anche impostare l ampiezza della sinusoide di prova. Bode Analyzer utilizza il generatore di funzioni SFP per generare la forma d onda di test. I morsetti di uscita di FGEN devono essere collegati al vostro circuito di test ed anche a ACH1. L uscita del circuito sotto test va su ACH0. Ulteriori dettagli si possono trovare cliccando sul pulsante [Help] nell angolo inferiore destro della finestra Bode Analyzer. Realizzate nuovamente sulla scheda prototipi di NI ELVIS il circuito RC, in maniera simile al circuito seguente e realizzate i collegamenti come descritto sopra. National Instruments Corporation 3-11 NI ELVIS - Introduzione

40 Lab 3 Strumenti per i circuiti in alternata Verificate che il vostro circuito sia collegato come sopra e cliccate sul pulsante Run. Utilizzate le opzioni Display per selezionare il formato grafico e i cursori per leggere i punti sulla caratteristica della frequenza. Nota La frequenza in cui l ampiezza del segnale scende sotto i 3 db coincide con la frequenza in cui la fase è di 45 gradi. Fine dell esercitazione 3-4 NI ELVIS Introduzione 3-12 National Instruments Corporation

41 Lab 3 Strumenti per i circuiti in alternata Approfondimenti Sia il pannello frontale di Oscilloscope che quello di Bode Analyzer possiedono un pulsante di Log. Quando è attivo, i dati presentati sui grafici vengono scritti in formato elettronico su un file del vostro hard disk. Potete quindi leggere questi dati per analisi successive con Excel, LabVIEW, DIAdem o altri programmi di analisi o di rappresentazione. National Instruments Corporation 3-13 NI ELVIS - Introduzione

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43 Lab 4 Filtri con amplificatori operazionali Aggiungendo alcuni condensatori e resistenze ad un semplice circuito con amplificatore operazionale (Op Amp) si possono ottenere molti circuiti analogici interessanti come filtri attivi, integratori e derivatori. I filtri sono usati per far passare specifiche bande di frequenza, gli integratori vengono utilizzati nei controlli proporzionali e i derivatori sono utilizzati nella soppressione del rumore e nei circuiti di generazione di forme d onda. Obiettivi Questa esperienza introduce agli strumenti di NI ELVIS per misurare le caratteristiche di un filtro passa-basso, passa-alto e passa-banda. Soft front panels (SFP) utilizzati in questa esperienza Multimetro digitale DMM, generatore di funzioni FGEN, oscilloscopio OSC, analizzatore d impedenza IA e analizzatore di Bode BodeA. National Instruments Corporation 4-1 NI ELVIS Introduzione

44 Lab 4 Filtri con amplificatori operazionali Componenti utilizzati in questa esperienza Resistore R 1 da 10 kω (marrone, nero, arancione) Resistore R f da 100 kω (marrone, nero, giallo) Condensatore C da 1 µf Condensatore C da 0,01 µf Amplificatore operazionale 741 NI ELVIS Introduzione 4-2 National Instruments Corporation

45 Lab 4 Filtri con amplificatori operazionali Esercitazione 4-1 Misurazione dei valori dei componenti del circuito Avviate NI ELVIS e selezionate Digital Multimeter. Utilizzate DMM[Ω] per misurare i resistori R e quindi DMM[C] per misurare i condensatori. Riempite la tabella seguente. R 1 Ω (valore nominale 10 kω) R f Ω (valore nominale 100 kω) C 1 µf (valore nominale 1 µf) C f µf (valore nominale 0,01 µf) Chiudete il DMM. Fine dell esercitazione 4-1 National Instruments Corporation 4-3 NI ELVIS - Introduzione

46 Lab 4 Filtri con amplificatori operazionali Esercitazione 4-2 Risposta in frequenza del circuito con amplificatore operazionale Sulla scheda prototipi della workstation realizzate un semplice circuito invertente basato su un Op Amp 741 con un guadagno di 10, come mostrato nello schema circuitale sottostante. Ecco come appare il circuito sulla scheda prototipi di NI ELVIS. NI ELVIS Introduzione 4-4 National Instruments Corporation

47 Lab 4 Filtri con amplificatori operazionali Osservate che l Op Amp utilizza le alimentazioni +15 V e 15V DC. Queste si trovano sui piedini della scheda prototipi (etichettati come +15 V, -15 V e Ground). Collegate la tensione d ingresso V 1 dell Op Amp ai morsetti [FGEN] e [Ground]. Collegate la tensione di uscita V out ai morsetti d ingresso dell oscilloscopio [CHA+] e [CHA-]. Dal pannello di avvio di NI ELVIS selezionate Function Generator e Oscilloscope. Sul pannello dell oscilloscopio impostate Channel A Source su [BNC/Board CH A]. Per visualizzare il segnale d ingresso, impostate Channel B Source su [FGEN FUNC_OUT]. Nota Questa scelta rapida sul canale B consente di non dover effettuare connessioni sulla scheda prototipi collegando l ingresso del canale B all oscilloscopio. Sul pannello del generatore di funzioni impostate i seguenti parametri: Waveform: Peak Amplitude: Frequency: DC Offset: Sine wave.1 V 1 khz 0.0 V Verificate il vostro circuito, quindi alimentate la scheda prototipi. Avviate FGEN e OSC in modalità continua. Osservate che la tensione di test V 1 appare sul canale B e la tensione di uscita dell Op Amp V out sul canale A. Dato che il segnale di test prende origine da FGEN, potete selezionare SYNC_OUT come sorgente di trigger. National Instruments Corporation 4-5 NI ELVIS - Introduzione

48 Lab 4 Filtri con amplificatori operazionali Misurate l ampiezza dell ingresso (CH B) e dell uscita (CH A) dell Op Amp dalla finestra dell oscilloscopio. Osservate che il segnale di uscita è invertito rispetto all ingresso. C era da aspettarselo dato che il circuito è in configurazione invertente. Calcolate il guadagno di tensione (ampiezza del rapporto canale A/canale B). Provate un intervallo di frequenze da 100 Hz fino a 10 khz. Ci sono cambiamenti? Le misure sono in accordo con il guadagno teorico di (R f /R 1 )? Nota Potevate utilizzare una sorgente di trigger analogico dal CH A o dal CH B: questa scelta imposta il Trigger Type su Analog (SW), consentendo di impostare la pendenza e il livello del trigger. Provate! Chiudete le finestre FGEN e OSC. Fine dell esercitazione 4-2 NI ELVIS Introduzione 4-6 National Instruments Corporation

49 Lab 4 Filtri con amplificatori operazionali Esercitazione 4-3 Misurazione del comportamento in frequenza dell Op Amp Il modo migliore di studiare la curva di risposta caratteristica in AC dell Op Amp è di valutare il diagramma di Bode. Esso costituisce essenzialmente una rappresentazione del guadagno (in db) e della fase (in gradi) in funzione del logaritmo della frequenza. La funzione di trasferimento per un circuito invertente è data da: V out = - (R f /R 1 )V 1 in cui V out è l uscita dell Op Amp e V 1 è l ingresso (ampiezza di FGEN nel nostro circuito). Il guadagno è proprio la quantità (R f /R 1 ). Osservate che il segno meno inverte il segnale di uscita rispetto a quello d ingresso. Su un diagramma di Bode, ci si aspetta una linea retta con ampiezza 20*log(guadagno). Per un guadagno pari a 10, l ampiezza di Bode dovrebbe essere di 20 db. Dal pannello di avvio di NI ELVIS selezionate Bode Analyzer. I segnali, ingresso (V 1 ) e uscita (V out ), devono essere collegati ai piedini Analog Input come segue: V ACH1+ V ACH1- V out +... ACH0+ V out -... ACH0- (dall uscita di FGEN) (dall uscita di Op Amp) Dal Bode Analyzer impostate i parametri di scansione nel modo seguente: Start... 5 (Hz) Stop (Hz) Steps (per decade) Premete Run e osservate il diagramma di Bode per il circuito in configurazione invertente. Verificate anche la risposta di fase. National Instruments Corporation 4-7 NI ELVIS - Introduzione

50 Lab 4 Filtri con amplificatori operazionali In verità il guadagno è piatto fino a Hz in cui inizia a scendere. Ciò è quello che ci si aspettava dato che la risposta in alta frequenza dell Op Amp dipende dal guadagno del circuito nel limite dell alta frequenza. In questa esperienza considereremo questa curva come il diagramma di Bode fondamentale per l Op Amp 741. Fine dell esercitazione 4-3 NI ELVIS Introduzione 4-8 National Instruments Corporation

51 Lab 4 Filtri con amplificatori operazionali Esercitazione 4-4 Filtro passa-alto Aggiungendo un condensatore C 1 in serie con il resistore d ingresso R 1 si ottiene un filtro passa-alto. La frequenza di taglio inferiore f L è data dall equazione: 2πf L = 1/R 1 C 1 dove f L viene misurata in hertz. Questa è la frequenza per cui il guadagno (in db) è sceso a 3 db. Questo punto (-3 db) si presenta quando l impedenza del condensatore uguaglia quella del resistore. L equazione del filtro passa-alto con Op Amp è simile. Nel punto a 3 db, l impedenza del resistore d ingresso è uguale all impedenza del condensatore d ingresso: R 1 = 1/(2π f L C 1 ) = X C Aggiungete un condensatore C 1 da 1 µf in serie con il resistore d ingresso R 1 da 1 kω nel circuito con l Op Amp. Circuito sulla scheda prototipi di NI ELVIS. National Instruments Corporation 4-9 NI ELVIS - Introduzione

52 Lab 4 Filtri con amplificatori operazionali Avviate un secondo diagramma di Bode utilizzando gli stessi parametri di scansione dell Esercitazione 4-3. Osservate che la risposta in bassa frequenza è attenuata mentre la risposta in alta frequenza è simile a quella del diagramma di Bode dell Op Amp di base. Utilizzate la funzione cursore per trovare il punto corrispondente alla frequenza di taglio inferiore; il che equivale alla frequenza in cui l ampiezza è scesa di 3 db o in cui la variazione di fase è di 45 gradi. Che accordo c è con la predizione teorica di 2πf L = 1/R 1 C 1? Fine dell esercitazione 4-4 NI ELVIS Introduzione 4-10 National Instruments Corporation

53 Lab 4 Filtri con amplificatori operazionali Esercitazione 4-5 Filtro passa-basso L attenuazione in alta frequenza del circuito con Op Amp è dovuta alla capacità interna del chip 741 che si trova in parallelo con il resistore di controreazione R f. Se aggiungiamo un condensatore esterno C f in parallelo con il resistore di controreazione R f, si può ridurre a f U il valore corrispondente alla frequenza di taglio superiore. Ne deriva che questo nuovo valore, corrispondente alla frequenza di taglio, può essere previsto tramite l equazione: 2πf U = 1/R f C f Cortocircuitate il condensatore d ingresso (senza rimuoverlo, in quanto lo utilizzeremo nell Esercitazione 4-6) e aggiungete il condensatore di controreazione C f in parallelo con il resistore di controreazione da 100 kω. Avviate un terzo diagramma di Bode utilizzando gli stessi parametri di scansione. National Instruments Corporation 4-11 NI ELVIS - Introduzione

54 Lab 4 Filtri con amplificatori operazionali Ora noterete che la risposta in alta frequenza è attenuata di più rispetto alla risposta dell Op Amp di base. Utilizzate la funzione cursore per trovare il punto corrispondente alla frequenza di taglio superiore; il che equivale alla frequenza in cui l ampiezza è scesa di 3 db o in cui la variazione di fase è di 45 gradi. Che accordo c è con la predizione teorica di 2πf U = 1/R f C f? Fine dell esercitazione 4-5 NI ELVIS Introduzione 4-12 National Instruments Corporation

55 Lab 4 Filtri con amplificatori operazionali Esercitazione 4-6 Filtro passa-banda Se inserite sia un condensatore d ingresso che uno di controreazione nel circuito con Op Amp, la curva di risposta in frequenza possiede sia una frequenza di taglio inferiore f L che una superiore f U. L intervallo di frequenza (f U - f L ) viene chiamato banda passante. Per esempio un buon amplificatore stereo dovrebbe avere una banda passante di almeno Hz. Un filtro passa-banda sulla scheda prototipi NI ELVIS. Rimuovete il corto circuito di C 1 ed avviate un quarto diagramma di Bode utilizzando gli stessi parametri di scansione di prima. National Instruments Corporation 4-13 NI ELVIS - Introduzione

56 Lab 4 Filtri con amplificatori operazionali Approfondimenti Se si disegna una linea a 3 db sotto la regione con ampiezza massima, l intervallo di tutte le frequenze con componenti al di sopra di questa linea definisce la banda passante. Fine dell esercitazione 4-6 La funzione di trasferimento generalizzata dell Op Amp è data dall equazione del fasore V out = - (Z f /Z 1 )V in in cui i valori di impedenza per i quattro circuiti sono: Op Amp Z f Z 1 Guadagno Base R f R 1 R f /R 1 Passa-alto R f R 1 + X C1 R f /(R 1 + X C1 ) Passa-basso R f + X Cf R 1 (R f + X Cf )/R 1 Passa-banda R f + X Cf R 1 + X C1 (R f + X Cf )/(R 1 + X C1 ) Per una qualsiasi frequenza potete utilizzare Impedance Analyzer per misurare le impedenze Z f e Z 1. Un programma in LabVIEW può calcolare il rapporto di due numeri complessi. L ampiezza del rapporto Z f / Z 1 è il guadagno. Provate! Nota Potevate anche utilizzare Impedance Analyzer per trovare le frequenze per cui R 1 uguaglia X C1 e R f uguaglia X Cf per verificare che le frequenze di taglio inferiore e superiore dei diagrammi di Bode sono uguali a queste frequenze. NI ELVIS Introduzione 4-14 National Instruments Corporation

57 Lab 5 I/O digitale L elettronica digitale è il cuore dei moderni computer. La capacità di scrivere e di leggere linee digitali è essenziale per la diagnostica di circuiti digitali. Obiettivi Questa esperienza introduce agli strumenti per il digitale di NI ELVIS per studiare circuiti come un clock digitale, un contatore digitale ed un analizzatore di stati logici. National Instruments Corporation 5-1 NI ELVIS Introduzione

58 Lab 5 I/O digitale Soft front panels (SFP) utilizzati in questa esperienza Digital Writer, Digital Reader, FGEN (uscite TTL) e Oscilloscope. Componenti utilizzati in questa esperienza Resistore R A da 10 kω (marrone, nero, arancione) Resistore R B da 100 kω (marrone, nero, giallo) Condensatore C da 1 µf Chip temporizzatore 555 Contatore binario a 4 bit 7493 NI ELVIS Introduzione 5-2 National Instruments Corporation

59 Lab 5 I/O digitale Esercitazione 5-1 Visualizzazione di pattern digitali La scheda prototipi di NI ELVIS ha un banco di otto LED verdi con piedini etichettati come LED <0-7>. Essi possono essere utilizzati come indicatori visivi di stati logici digitali (On=HI e Off=LO). Per questa esercitazione collegate i LED ai piedini del bus di uscita parallelo a 8 bit, etichettati Write <0-7>. Per esempio, collegate Write <0> cioè Bit 0 al piedino LED<0>, ecc.. Solo un puntale è richiesto dato che le terre sono collegate internamente in NI ELVIS. Avviate NI ELVIS e selezionate Digital Writer. Si apre una nuova finestra di diagnostica per la logica digitale che consente all utente di impostare ciascuna linea Write sullo stato HI o LO. I bit Digital Output (DO) sono etichettati da 0 a 7 da destra a sinistra nel riquadro Manual Pattern. Ciascun bit può essere impostato (HI/LO) cliccando sulla parte superiore o inferiore dell interruttore virtuale. Tutti insieme questi 8 bit costituiscono un byte che può essere letto in un formato binario, esadecimale o decimale nella finestra di dialogo sopra gli interruttori. Cliccando sulla parte grigia, potete impostare il formato di questo indicatore. National Instruments Corporation 5-3 NI ELVIS - Introduzione

60 Lab 5 I/O digitale Una volta impostato il pattern digitale, cliccate su Write (freccia verde) per inviare il pattern alle linee Write <0-7> della porta di uscita parallela che viene passato ai LED verdi. Nota Mode può essere impostato per produrre un singolo pattern oppure per produrre pattern continuativamente. In modalità continua il pattern può essere modificato al volo. Il pattern impostato viene riprodotto sugli indicatori blu LED del Bus State sul pannello frontale software (SFP). Inoltre, su SFP nel riquadro Action potete Toggle (passare dall uno all altro), Rotate (ruotare) o Shift (far scorrere) il vostro pattern a destra o a sinistra. Premete il pulsante Stop (riquadro rosso) per smettere di aggiornare la porta. Nel test dei circuiti digitali, ci sono diversi pattern spesso utilizzati per verifiche diagnostiche. Cliccate sul selettore Pattern su SFP per visualizzare le opzioni disponibili. Manual Ramp (0-255) Alternating 1/0 s Walking 1 s Carica un qualsiasi pattern a 8 bit Istruzione del computer INC Istruzione del computer INVERT Istruzione del computer SHIFT LEFT LOGIC Fate fare un giro ai vostri bit! Chiudete Digital Writer. Fine dell esercitazione 5-1 NI ELVIS Introduzione 5-4 National Instruments Corporation

61 Lab 5 I/O digitale Esercitazione 5-2 Circuito di clock digitale 555 Un chip Timer 555 insieme con i resistori R A, R B e un condensatore C può essere configurato per operare come sorgente di clock digitale. Utilizzando DMM[Ω]e DMM[C] misurate i valori dei componenti e riempite la tabella seguente. R A Ω (valore nominale 10 kω) R B Ω (valore nominale 100 kω) C µf (valore nominale 1 µf) Realizzate il circuito di clock sulla scheda prototipi come mostrato sotto. National Instruments Corporation 5-5 NI ELVIS - Introduzione

62 Lab 5 I/O digitale L alimentazione (+5 V) va sui piedini 8 e 4. La terra è sul piedino 1. La catena di temporizzazione di R A, R B e C prende l alimentazione tramite un collegamento tra i resistori che vanno al piedino 7 ed un collegamento tra R B e C che va ai piedini 2 e 6. Collegate il piedino 3 di uscita del 555 al piedino della porta d ingresso parallela Read <0>. Dal pannello di avvio di NI ELVIS selezionate Digital Reader e abilitate sulla workstation di NI ELVIS l alimentazione della scheda prototipi. Il Digital Bus Reader consente allo stato corrente della porta d ingresso parallela di essere letta su richiesta (singola) o continuativamente. Se il circuito di clock sta funzionando correttamente, dovreste vedere il bit meno significativo lampeggiare, se siete in modalità continua (come mostrato sopra). Altrimenti, utilizzate DMM[V] per verificare la tensione sui piedini del 555. Con il circuito di clock in funzione, si possono fare alcune misurazioni interessanti sul circuito. Il circuito oscillatore 555 Timer ha un periodo T di: T = 0,695 (R A +2R B )C secondi La frequenza del circuito dell oscillatore 555 Timer è legata al periodo da: F = 1/T Hertz Il circuito oscillatore 555 Timer ha un duty cycle (tempo di On rispetto al periodo) di: DC = (R A +R B )/(R A +2R B ) Chiudete tutti i SFP e selezionate Oscilloscope. Collegate i puntali dell ingresso BNC Scope CH A del pannello frontale al piedino 3 del chip 555 Timer e ad una terra qualsiasi. Dovreste ora NI ELVIS Introduzione 5-6 National Instruments Corporation

63 Lab 5 I/O digitale osservare la forma d onda digitale sul canale A dell oscilloscopio. Selezionate Trigger Source CH A. Questa opzione prende il segnale dal canale A, imposta il Trigger Type su [Analog (SW)] e consente all utente di impostare la pendenza e il livello del trigger. Impostate il livello a +1 V. Utilizzando l opzione [MEAS] del canale A, osservate la frequenza nella finestra dell oscilloscopio. Spostate il pulsante CURSORS CH A su [ON]. Cliccando e trascinando i cursori, misurate il periodo e il duty cycle. Riempite la tabella seguente: T = (secondi) T on = (secondi) DC = F = (Hertz) Confrontate le vostre misure con la predizione teorica precedente. Chiudete tutti i SFP. Fine dell esercitazione 5-2 National Instruments Corporation 5-7 NI ELVIS - Introduzione

64 Lab 5 I/O digitale Esercitazione 5-3 Realizzazione di un contatore digitale a 4 bit Accanto al circuito di clock digitale del 555, inserite sulla scheda prototipi un contatore di ripple binario 7493 a 4 bit. Questo chip contiene un divisore per due e uno per otto. Per configurare il chip come divisore per sedici, il pin 12 (Q1) dev essere collegato al piedino 1 Clock 2 del chip 7493, come mostrato sotto. Per il chip contatore binario 7493, l alimentazione a +5 V è collegata al piedino 5 e alla terra, piedino 10. Assicuratevi anche che 0set, piedini 2 e 3, sia a terra. Collegate le uscite ai cinque LED verdi e ai piedini Read secondo lo schema seguente. Q1 pin a LED<4> e Read<4> Q2 pin 9... a LED<5> e Read<5> Q4 pin 8... a LED<6> e Read<6> Q8 pin a LED<7> e Read<7> pin 3 del Clock 555 a LED<0> e Read<0> Collegate l uscita del clock digitale 555 (pin 3) all ingresso clock1 del 7493 (pin 14). Una fotografia di un tipico circuito sulla scheda prototipi di NI ELVIS è mostrato nella prima pagina di questa esperienza. Alimentate i chip ed osservate il conteggio binario che si accumula sui LED. NI ELVIS Introduzione 5-8 National Instruments Corporation

65 Lab 5 I/O digitale Dal pannello di avvio di NI ELVIS selezionate Digital Reader. Ciò vi consente di monitorare gli stati binari sul computer e allo stesso tempo di vedere gli stati sui LED verdi. Chiudete NI ELVIS. Fine dell esercitazione 5-3 National Instruments Corporation 5-9 NI ELVIS - Introduzione

66 Lab 5 I/O digitale Esercitazione 5-4 Analizzatore di stati logici in LabVIEW Fino a questo punto abbiamo osservato solo lo stato delle uscite digitali un valore alla volta. Un diagramma di temporizzazione è formato da stati sequenziali accordati, campionati insieme e uniformemente nel tempo. Rappresentare diverse linee digitali insieme sugli stessi grafici genera un diagramma di temporizzazione digitale. Un contatore binario possiede un unico diagramma di temporizzazione in cui il fronte di discesa del bit precedente provoca la commutazione del bit successivo. Utilizzando le API di LabVIEW per il Digital I/O, si può realizzare un semplice analizzatore di stati logici a 4 bit. Troverete la palette Digital I/O in Functions»All Functions»Instrument I/O»Instrument Drivers»NI ELVIS. Nella riga superiore di DIO VIs (da sinistra a destra) ci sono Initialize, Read, Write e Close. Avviate LabVIEW e quindi selezionate Binary Counter.vi dalla Hands-On NI ELVIS Library. NI ELVIS Introduzione 5-10 National Instruments Corporation

67 Lab 5 I/O digitale Sullo schema a blocchi, l icona NI ELVIS DIO (sulla sinistra) inizializza la funzione Read sul dispositivo 1 (default) e crea un refnum (linea verde). L icona centrale DIO legge la porta e l icona DIO (sulla destra) chiude l operazione DIO liberando la memoria utilizzata nell esecuzione del programma e passando i messaggi di errore al panello frontale. L analizzatore di stati logici a 4 bit campiona la porta parallela di NI ELVIS (NI ELVIS DIO Read.vi) e presenta i bit come un numero (linea blu). LabVIEW converte quindi il numero in un array booleano a 8 bit (linea spessa grigia). Il bit 4 sulla porta (Q1) viene mappato sul quinto elemento dell array (indice 4) dell array. Il VI Index Array estrae un bit particolare, quello corrispondente all indice 4 e invia Q1 a Trace 0 e quindi alla routine di visualizzazione. Ogni bit booleano è convertito in un valore numerico (0 o 1) e quindi collegato con le altre tracce per la rappresentazione del diagramma di temporizzazione per Q1, Q2, Q3 e Q4. I molteplici formati disponibili per i grafici in LabVIEW consentono di presentare i dati nel diagramma di temporizzazione nel formato desiderato. Fine dell esercitazione 5-4 National Instruments Corporation 5-11 NI ELVIS - Introduzione

68 Lab 5 I/O digitale Approfondimenti Se scegliete un IC (contatore binario a 8 bit), potete modificare il programma di LabVIEW precedente per realizzare un analizzatore di stati logici a 8 bit. NI ELVIS Introduzione 5-12 National Instruments Corporation

69 Lab 6 Sensore di campo magnetico Nel 1879, Erwin Hall scoprì che quando una corrente scorre attraverso un blocco di materiale semiconduttore in presenza di campo magnetico, si genera una tensione ai suoi capi. Egli trovò che questa tensione, che ora prende il suo nome, era uguale al prodotto vettoriale della corrente e del campo magnetico. V H = γ IxB Ciò significa che una sonda di Hall può essere usata per misurare corrente, campo magnetico o l angolo tra l asse del sensore ed un campo esterno. Oggi i sensori ad effetto di Hall integrati hanno una sorgente di corrente interna costante ed un Op Amp per memorizzare il segnale di uscita. Questi sensori sono a basso costo, robusti e possono essere interfacciati con circuiti analogici e digitali. National Instruments Corporation 6-1 NI ELVIS Introduzione

70 Lab 6 Sensore di campo magnetico Obiettivi Questa esperienza introduce agli strumenti di NI ELVIS per studiare le proprietà dei sensori ad effetto Hall. A questo proposito vengono realizzati un semplice Gaussmetro e un interfaccia per contatore digitale utilizzando rispettivamente un sensore lineare ad effetto Hall ed un interruttore ad effetto Hall. Soft front panels (SFP) utilizzati in questa esperienza DMM[V], oscilloscopio OSC e VI di LabVIEW per il contatore digitale. Componenti utilizzati in questa esperienza Sensore lineare di campo magnetico Allegro A3240UA e interruttore ad effetto Hall A3212UA. Contattate Allegro a e richiedete un campione gratuito di questi sensori. NI ELVIS Introduzione 6-2 National Instruments Corporation

71 Lab 6 Sensore di campo magnetico Esercitazione 6-1 Prove su un sensore analogico di campo magnetico con gli strumenti di NI ELVIS I dispositivi Allegro hanno solo tre terminali: alimentazione + V cc, Gnd e l uscita di Hall. Inserite sulla scheda prototipi un dispositivo lineare ad effetto Hall (A3240). Collegate l alimentazione a +5 V al piedino + V cc. Il piedino Ground a Gnd. Collegate DMM (tensione) all uscita di Hall e a Gnd. Avviate NI ELVIS e selezionate Digital Multimeter. Ponete un piccolo magnete (intensità del campo di diverse centinaia di gauss) in prossimità del sensore di Hall. In assenza di campo magnetico il sensore legge 1/2 di V cc o circa +2,5 V. Quando il magnete viene avvicinato al sensore, la tensione di Hall diventa più grande di 2,5 V o scende al di sotto di 2,5 V in funzione della polarità del magnete. Il polo sud del magnete causa un aumento, il polo nord una diminuzione. Il sensore saturerà intorno ai +5 V o a 0 V per un campo superiore a ±500 gauss. Osservate che la tensione di Hall è non lineare rispetto alla distanza tra il sensore e il magnete. Per osservare questa relazione, misuriamo la distanza e la tensione e quindi rappresentiamo su un pezzo di carta le nostre osservazioni. La distanza tra piedini adiacenti è di 1/10 di pollice. Disponete il magnete direttamente sulla scheda prototipi di fronte al sensore e misurate la tensione di Hall ad incrementi di 0,1 o di 0,05 pollici su una distanza di circa un pollice. Registrate ogni lettura su carta. Ora rappresentate la tensione di Hall rispetto alla distanza. National Instruments Corporation 6-3 NI ELVIS - Introduzione

72 Lab 6 Sensore di campo magnetico Il vostro grafico dovrebbe essere simile a quello mostrato sopra. Osservate che la risposta non è lineare. Ciò dimostra l importanza di conoscere la distanza di funzionamento tra sensore e magnete. Fine dell esercitazione 6-1 NI ELVIS Introduzione 6-4 National Instruments Corporation

73 Lab 6 Sensore di campo magnetico Esercitazione 6-2 Caratteristica di isteresi di un interruttore a campo magnetico Sostituite il sensore lineare con l interruttore ad effetto Hall A3212. I collegamenti per l alimentazione sono gli stessi del circuito lineare. Ripetete le misure per la tensione di Hall rispetto alla distanza sia aumentando che diminuendo la distanza. Rappresentate ciascun grafico sullo stesso sistema di assi. Esso dovrebbe apparire simile al seguente grafico. L interruttore di Hall è un sensore digitale la cui uscita è sia HI ( +5 V) che LO (0,8 V). Esiste un campo critico B max al di sopra del quale l uscita è sempre HI ed un campo critico B min al di sotto del quale l uscita è sempre LO. Un grafico della tensione di Hall rispetto alla portata del sensore dimostra l isteresi tra la risposta che si ottiene avvicinando il sensore da quella che si ottiene allontanandolo. La differenza tra i due limiti: h = B max - B min costituisce una misura di immunità al rumore del sensore. Per esempio, se il sensore copre un certo campo per passare da LO ad HI, esso richiede un campo più piccolo (B max - h) per passare allo stato opposto da HI a LO. Siccome stiamo usando un magnete permanente, questi campi critici possono essere portati dalla precedente esercitazione nelle posizioni critiche. Chiudete Digital Multimeter. Fine dell esercitazione 6-2 National Instruments Corporation 6-5 NI ELVIS - Introduzione

74 Lab 6 Sensore di campo magnetico Esercitazione 6-3 Conteggio degli impulsi con un sensore magnetico a commutazione Inizialmente disponete il magnete abbastanza lontano dal sensore affinché esso sia nello stato LO. Ora avvicinate il polo sud del magnete al sensore. Il campo magnetico potrebbe superare B max e lo stato logico diventare HI. Allora quando il magnete viene allontanato e il campo diventa inferiore a B min, esso torna allo stato LO. L intera sequenza LO-HI-LO genera un impulso positivo. Ripetendo questa operazione più volte si genera un treno di impulsi positivi. Dalla finestra di avvio di NI ELVIS selezionate Oscilloscope. Collegate il connettore BNC (Channel A) del pannello frontale della workstation al segnale di uscita dall interruttore a effetto Hall (piedini 3 e 2). Sul pannello dell oscilloscopio selezionate: Source: BNC/Board CH A Trigger: Level (V): 0,2 V Osservate la tensione di Hall sul canale A quando muovete rapidamente il magnete, avvicinandolo o allontanandolo dal sensore. Con la traccia dell oscilloscopio su una base tempi grande (100 ms/div), dovreste essere in grado di osservare il treno di impulsi. Provate! Un encoder angolare, un tachimetro ed un sensore di arresto utilizzano tutti commutatori magnetici per generare impulsi. Il conteggio degli impulsi accumula gli eventi. Il conteggio degli impulsi in un intervallo prefissato di tempo misura la frequenza. Più avanti utilizzeremo un VI di LabVIEW per contare gli impulsi generati dal vostro sensore. Fine dell esercitazione 6-3 NI ELVIS Introduzione 6-6 National Instruments Corporation

75 Lab 6 Sensore di campo magnetico Esercitazione 6-4 Conteggio automatico utilizzando un programma in LabVIEW Collegate l uscita del commutatore ad effetto Hall agli ingressi contatore di NI ELVIS: Hall Output (piedino 3) Hall Ground (piedino 1) CTRO_SOURCE GROUND Avviate LabVIEW. Dalla Hands-On NI ELVIS Library, selezionate Hall Counter.vi. Questo semplice programma consente di accumulare conteggi quando il campo magnetico viene avvicinato o allontanato dal commutatore ad effetto Hall. Il programma consente anche di avviare ed arrestare le operazioni di conteggio e allo stesso tempo di tenere traccia del tempo di conteggio. Dividendo i conteggi accumulati per il tempo trascorso (Elapsed time) si ottiene il tempo medio per conteggio o la frequenza. National Instruments Corporation 6-7 NI ELVIS - Introduzione

76 Lab 6 Sensore di campo magnetico Approfondimenti NI ELVIS ha accesso ai contatori della scheda DAQ e questa esperienza utilizza Device Number 1, Counter 0. Osservate che il contatore del ciclo va al subvi [Count Events or Time]. Questa opzione assicura che il contatore venga riportato a zero ogni volta che avviate il programma. Due funzioni [Tick Count] vengono utilizzate per misurare l intervallo di temporizzazione. Fine dell esercitazione 6-4 In un esercitazione precedente avete raccolto i dati a mano e quindi li avete rappresentati su un grafico. Tuttavia, utilizzando in LabVIEW le API di NI ELVIS per il voltmetro digitale DMM[V], si può realizzare un semplice programma per raccogliere i dati di Hall a richiesta, soluzione semi-automatica. Dalla Hands-On NI ELVIS Library selezionate Hall Sample.vi. Disponete il magnete ad una distanza nota di fronte al sensore ad effetto Hall (A3240) ed inserite la posizione dell estremità del magnete nel riquadro Position. Premete il pulsante sample quando siete pronti. Questi valori (Position, Hall Voltage) saranno automaticamente inseriti in un array di valori campionati. Quando avete terminato il campionamento, premete plot ed appare un grafico. Aprite lo schema a blocchi per vedere il flusso del programma. NI ELVIS Introduzione 6-8 National Instruments Corporation

77 Lab 7 LED di segnalazione Un diodo elettronico ha la caratteristica che in un verso la corrente scorre facilmente (polarizzazione diretta) mentre nell altro verso il flusso di corrente viene bloccato. Questa semplice caratteristica di commutazione dei diodi, uno stato OFF e uno stato ON, consente di realizzare molti interessanti circuiti, analogici e digitali. National Instruments Corporation 7-1 NI ELVIS Introduzione

78 Lab 7 LED di segnalazione Obiettivi Questa esperienza si concentra sull uso di NI ELVIS per chiarire le proprietà dei diodi, i metodi di test dei diodi, i pattern di bit per un incrocio semaforico a due vie e l uso delle API di NI ELVIS inun programma in LabVIEW per avviare automaticamente le luci di stop. Soft front panels (SFP) utilizzati in questa esperienza Tester digitale per diodi DMM[ ], analizzatore corrente-tensione a due fili, Digital Writer. Componenti utilizzati in questa esperienza Un diodo al silicio e 6 led (2 rossi, 2 gialli e 2 verdi). NI ELVIS Introduzione 7-2 National Instruments Corporation

79 Lab 7 LED di segnalazione Esercitazione 7-1 Prove sui diodi e determinazione della loro polarità Un diodo semiconduttore a giunzione è un dispositivo con un estremità, spesso etichettata con una banda, chiamata catodo e l altra chiamata anodo. Mentre ci sono molti modi di indicare questa polarità nella custodia di un diodo, una cosa rimane la stessa. Una tensione positiva applicata all anodo provocherà una polarizzazione diretta tale da far circolare corrente. Possiamo utilizzare NI ELVIS per trovare la polarità del diodo. Avviate NI ELVIS e selezionate DMM. Cliccate sul pulsante [ ]. Collegate uno dei LED ai morsetti della workstation DMM (corrente) HI e LO. Quando il diodo blocca la corrente, il display leggerà lo stesso valore che si ha quando il diodo non è collegato (circuito aperto). Quando il diodo consente la circolazione di corrente, il LED si spegnerà e il display leggerà un livello di tensione inferiore al valore a circuito aperto. Provate un LED rosso in entrambe le direzioni. Quando vedete luce, il morsetto del diodo collegato a LO o allo spinotto a banana nero è l anodo. Potete utilizzare questo semplice test su altri diodi per determinare la loro polarità. Per un diodo raddrizzatore al silicio in polarizzazione diretta, il display mostrerà una tensione inferiore a 3,5 V e visualizzerà la parola Good. In polarizzazione inversa, il display leggerà il valore a circuito aperto ( 3,5 V) e visualizzerà la parola Open. Provate! Come funziona? Il display mostra la tensione necessaria per generare una piccola corrente di circa 1 ma. Nella regione di polarizzazione diretta, questo livello di tensione è piccolo e collegato ai materiali utilizzati nella fabbricazione del diodo. In polarizzazione inversa, non scorre corrente e il tester visualizza la tensione a circuito aperto di circa 3,5 V. Fine dell esercitazione 7-1 National Instruments Corporation 7-3 NI ELVIS - Introduzione

80 Lab 7 LED di segnalazione Esercitazione 7-2 Curva caratteristica di un diodo La curva caratteristica di un diodo, che è una rappresentazione della corrente che scorre attraverso il dispositivo in funzione della tensione ai capi del diodo, visualizza bene le sue proprietà elettroniche. Inserite il diodo al silicio tra i morsetti DMM (corrente). Assicuratevi che l anodo sia collegato all ingresso a banana nero. Avviate NI ELVIS e selezionate Two Wire Current-Voltage Analyzer. Si aprirà una nuova SFP che consente di visualizzare la curva (I-V) del dispositivo sotto test. Questa SFP applicherà una tensione di test al diodo da un livello di tensione iniziale ad uno finale con passi incrementali di tensione (tutto selezionabile dall utente). Per un diodo al silicio impostate i parametri seguenti: Start Stop Increment 2 V +2,0 V 0,1 V Osservate che la corrente massima in ciascuna direzione può essere impostata per assicurare che il diodo non lavori in una regione di corrente in cui possono verificarsi dei danni. Cliccate su Run ed osservate la curva I-V che appare. In polarizzazione inversa, la corrente dovrebbe essere molto piccola (microampere) e negativa. In polarizzazione diretta dovreste vedere che al di sopra di una soglia di tensione la corrente cresce esponenzialmente fino ad un limite massimo di corrente. Provate a cambiare i pulsanti Display [Linear/Log] per vedere la curva rappresentata in scala differente. NI ELVIS Introduzione 7-4 National Instruments Corporation

81 Lab 7 LED di segnalazione Provate il funzionamento di Cursor. Esso fornisce i valori delle coordinate (I, V) man mano che spostate il cursore lungo la traccia. Si nota che la tensione di soglia è collegata al materiale semiconduttore del diodo. Per diodi al silicio la tensione di soglia è di circa 0,6 V mentre per diodi al germanio è di circa 0,3 V. Un modo di stimare la tensione di soglia è di tracciare una linea tangente nella regione di polarizzazione diretta in prossimità della corrente massima (fate riferimento alla figura seguente). Il punto in cui la tangente interseca l asse delle tensioni definisce la tensione di soglia. Figura 7-1. Curva caratteristica (I,V) per un diodo emettitore di luce. La tensione di soglia V è data dall intersezione della linea tangente con l asse delle tensioni. Utilizzando Two Wire Current-Voltage Analyzer determinate la tensione di soglia per un LED rosso, uno giallo e uno verde e riempite la tabella seguente. LED rosso V LED giallo V LED verde V Notate un qualche andamento? Fine dell esercitazione 7-2 National Instruments Corporation 7-5 NI ELVIS - Introduzione

82 Lab 7 LED di segnalazione Esercitazione 7-3 Prove manuali e controllo di un incrocio semaforico a 2 vie Installate sei LED colorati sulla scheda prototipi di NI ELVIS posizionandoli come su un incrocio semaforico tra due strade. Ogni LED sarà controllato da un bit binario sul bus parallelo a 8 bit della scheda prototipi di NI ELVIS. I piedini di uscita sono etichettati con Write <0-7>. Collegate il piedino Write <0> all anodo del LED rosso in direzione Nord-Sud (Su-Giù). Collegate l altra estremità del LED alla terra digitale. Collegate i restanti LED colorati in maniera simile. Questo è lo schema completo dei collegamenti. Write<0>Rosso direzione N-S Write<1>Giallo direzione N-S Write<2>Verde direzione N-S Write<4> Rosso direzione E-O Write<5> Giallo direzione E-O Write<6> Verde direzione E-O Dal pannello di avvio di NI ELVIS selezionate Digital Writer. Utilizzando i cursori verticali potete utilizzare ciascun pattern da 8 bit ed emetterlo sulle linee digitali di NI ELVIS. Ricordate che Bit 0 è collegato al piedino della scheda prototipi etichettato con Write<0> ecc.. Impostate Mode su Continuous e Pattern su Manual (come mostrato nella figura seguente). Per attivare la porta, cliccate sul pulsante Write. NI ELVIS Introduzione 7-6 National Instruments Corporation

83 Lab 7 LED di segnalazione Quando tutti gli interruttori (Bit 0-2 e 4-6) sono HI, tutti i LED dovrebbe essere accesi. Quando tutti questi interruttori sono LO, tutti i LED dovrebbero essere spenti. Potete ora utilizzare questi interruttori per trovare quali codici a 8 bit siano necessari per controllare i vari cicli di un incrocio semaforico. Ecco alcuni suggerimenti per il nostro incrocio. L operazione di base di un semaforo si basa su un intervallo temporale di 60 secondi, con 30 secondi per il rosso, seguito da 25 secondi per il verde, seguito da 5 secondi per il giallo. Per un incrocio a due vie la luce gialla, nella direzione Nord-Sud è accesa mentre la luce rossa nella direzione Est- Ovest è anch essa accesa. Questo modifica l intervallo di 30 secondi per il rosso in due intervalli; un ciclo da 25 secondi seguito da uno da 5 secondi. Ci sono quattro intervalli temporali (T1, T2, T3 e T4 ) per un incrocio a due vie. National Instruments Corporation 7-7 NI ELVIS - Introduzione

84 Lab 7 LED di segnalazione Studiate la tabella seguente per vedere come funziona un incrocio semaforico a 2 vie. Direzione N-S E-O Luci RGV RGV Bit # Valore numerico Codice a 8 bit T1 25 s T2 5 s T3 25 s T4 5 s Utilizzate Digital Writer per calcolare quale codice a 8 bit dev essere scritto sulla porta digitale per controllare le luci del semaforo in ciascuno dei 4 intervalli temporali. Per esempio: il primo periodo di temporizzazione T1 richiede il codice [ ]. I computer leggono i bit in ordine inverso (il bit meno significativo sulla destra) il codice di cui sopra diventa { }. Nel riquadro sopra, quello dei selettori DO per il Digital Bus Writer di NI ELVIS, potete leggere la radice del pattern in binario { }, in decimale {20} o in esadecimale {14}. Cliccate sulla X bianca su sfondo grigio per cambiare la radice. Potete utilizzare questa caratteristica per determinare i codici numerici per gli altri intervalli di temporizzazione T2, T3 e T4. Ora, se voi ponete in uscita il codice a 8 bit per ciascun intervallo di temporizzazione in sequenza, potete manualmente azionare le luci del semaforo. Ripetendo questa sequenza per i quattro cicli si rende automatico il nostro incrocio. Fine dell esercitazione 7-3 NI ELVIS Introduzione 7-8 National Instruments Corporation

85 Lab 7 LED di segnalazione Esercitazione 7-4 Funzionamento automatico dell incrocio semaforico a due vie Chiudete NI ELVIS e aprite LabVIEW. Aprite il programma StopLights.vi. Sul pannello frontale c è solo un controllo, un interruttore booleano per arrestare il funzionamento dei semafori. Passate allo schema a blocchi (Window»Show Block Diagram). Osservate la sequenza di 4 cicli generata dal ciclo For. Il subvi con la matita (NI ELVIS DIO-Write) è la struttura che pone in uscita il codice a 8 bit sui semafori. Questo subvi si aspetta che il codice d ingresso sia un numero. Per esempio, il primo intervallo di temporizzazione T1 richiede il codice 20 (numerico venti). I quattro codici a 8 bit (valore numerico) devono essere trasferiti dalla vostra tabella di cui sopra nei quattro elementi vuoti dell array dei codici (blu) etichettata Output Pattern. Il subvi NI ELVIS DIO - Initialize sulla sinistra richiede il numero (1) di porta digitale e un operazione di IO (Write). Come tutte le strutture di programma in NI ELVIS, il canale DIO necessita di essere chiuso dal subvi DIO[X] sulla destra quando ha terminato (il ciclo While viene arrestato). Gli intervalli di temporizzazione sono immagazzinati nei quattro elementi dell array Time Delay (arancione). Per velocizzare l operazione, l intervallo di 25 secondi viene ridotto a 5 secondi e quello da 5 secondi ad 1 secondo. Fine dell esercitazione 7-4 National Instruments Corporation 7-9 NI ELVIS - Introduzione

86 Lab 7 LED di segnalazione Approfondimenti I LED sono dispositivi sorprendenti. Se moltiplicate la tensione di soglia V T per la carica dell elettrone e, il prodotto è l energia ed è vicina all energia della banda proibita del materiale semiconduttore utilizzato nella fabbricazione del diodo semiconduttore. Inoltre, nella regione di polarizzazione diretta, la luce del LED ha un energia di hc/λ in cui h è la costante di Planck, c è la velocità della luce e λ è la lunghezza d onda del centro della distribuzione di energia. La conservazione dell energia porta all equazione: in cui e è la carica dell elettrone. ev T hc/λ Dalle specifiche dei LED potete determinare la lunghezza d onda o il colore dei LED. Per esempio i LED rossi hanno una lunghezza di circa 560 nanometri. Dalla curva caratteristica I-V del LED (fate riferimento all Esercitazione 7-2) potete misurare la tensione di soglia V T. Se rappresentate V T rispetto a 1/λ per tre LED di colore diverso, troverete una linea retta con una pendenza circa uguale a hc/e, costante fondamentale. NI ELVIS Introduzione 7-10 National Instruments Corporation

87 Lab 8 Comunicazione ottica nello spazio libero Noi abbiamo confidenza con i telecomandi presenti in casa per controllare TV, stereo, lettori DVD e altri apparecchi. Come funzionano? Il segreto si trova in un collegamento ottico a infrarossi, un tipo di comunicazione ottica nello spazio libero. Obiettivi Questa esperienza utilizza una sorgente ottica a infrarossi per trasmettere informazioni nello spazio libero ad un fototransistor rivelatore. Vengono presentati diversi schemi di modulazione, compresa la modulazione di ampiezza ed una modulazione digitale Non-Return-Zero (NRZ). National Instruments Corporation 8-1 NI ELVIS Introduzione

88 Lab 8 Comunicazione ottica nello spazio libero Soft front panels (SFP) utilizzati in questa esperienza I-V Analyzer a due fili, I-V Curve Tracer a tre fili, generatore di funzioni, oscilloscopio e Digital Writer. Componenti utilizzati in questa esperienza Resistore da 220 Ω (rosso, rosso, marrone) Resistore da 470 Ω (giallo, viola, marrone) Resistore da 1 kω (marrone, nero, rosso) Resistore da 22 kω (rosso, rosso, arancione) Condensatore da 0,01 µf Emettitore IR (LED) Rivelatore IR (fotoresistore) 1 Transistor npn 2N3904 Chip temporizzatore La coppia IR Emitter e Detector RS è reperibile presso NI ELVIS Introduzione 8-2 National Instruments Corporation

89 Lab 8 Comunicazione ottica nello spazio libero Esercitazione 8-1 Un rivelatore a fototransistor Per capire come funziona un fototransistor si deve partire dallo studio delle curve caratteristiche del transistor. Un transistor è fondamentalmente un amplificatore di corrente controllato in corrente. Una piccola corrente di base controlla il flusso di corrente attraverso il transistor dal collettore all emettitore. Inserite un transistor 2N904 sulla scheda prototipi di NI ELVIS nei piedini etichettati come Current +, Current e 3-wire come mostrato sotto. Nota Current + Base, Current - Emettitore, e 3-Wire Morsetti del collettore Avviate NI ELVIS e selezionate Three-Wire Current-Voltage Analyzer. Alimentate la scheda prototipi. Impostate Base Current e Collector Voltage come mostrato sotto e cliccate su Run. National Instruments Corporation 8-3 NI ELVIS - Introduzione

90 Lab 8 Comunicazione ottica nello spazio libero Il grafico visualizza la corrente di collettore rispetto alla tensione di collettore per differenti valori della corrente di base. Osservate che si possono impostare diversi parametri per la tensione di collettore e la corrente di base. Quando viene avviato, questo SFP dapprima pone in uscita la corrente di base impostata, poi la tensione di collettore e quindi misura la corrente di collettore. I valori (I, V) vengono graficati e i punti sequenziali con la stessa corrente di base vengono collegati con una linea. Potete vedere le curve mentre si formano, generando una famiglia di curve [IV], ciascuna con una differente corrente di base. Osservate che per una data tensione di collettore, la corrente di collettore aumenta all aumentare della corrente di base. Un fototransistor non ha un morsetto per la base. La luce che colpisce il transistor genera una corrente di base proporzionale all intensità della luce. Per esempio, senza luce, il transistor segue la curva gialla inferiore. Un basso livello di luce segue la linea rossa centrale ed una luce con intensità più alta genera la curva verde superiore. Per tensioni di collettore superiori di 0,2 V, ad esempio 1,0 V, la corrente di collettore segue l intensità della luce che colpisce la regione di base in modo quasi lineare. Per realizzare un rivelatore ottico, tutto quello che serve è un alimentazione, un resistore limitatore di corrente ed un fototransistor. Chiudete tutti gli SFP. Fine dell esercitazione 8-1 NI ELVIS Introduzione 8-4 National Instruments Corporation

91 Lab 8 Comunicazione ottica nello spazio libero Esercitazione 8-2 Sorgente ottica a infrarossi Il trasmettitore ottico viene realizzato con due componenti: un LED a IR (polarizzato direttamente) ed un resistore limitatore di corrente. Collegate il LED a IR agli ingressi di corrente del DMM. Assicuratevi che il puntale nero sia collegato all anodo del LED (puntale corto). Selezionate Two- Wire Current-Voltage Analyzer e impostate lo spazzolamento di tensione nel modo seguente: Start Stop Increment 0,0 V +2,0 V 0,05 V e premete Run. La curva [IV] del diodo a infrarossi si sviluppa nel modo visualizzato nella figura seguente. Nella regione di polarizzazione diretta, il LED a IR emette luce per tensioni superiori a 0,9 V. la luce viene emessa ad una lunghezza di 950 nm, al di fuori dell intervallo spettrale del visibile e nella regione del vicino infrarosso. Le specifiche del LED ci dicono che la massima corrente consentita è superiore a 100 ma, rendendo i LED a IR circa 10 volte più luminosi dei normali LED visibili. Questo è il motivo per cui i telecomandi sono così diffusi. Collegando i LED in serie con un resistore da 220 Ω, un alimentazione da 5 V produce una corrente di circa 11 ma cui corrisponde una potenza ottica invisibile di circa 10 mw. Sarà necessario un rivelatore speciale come il nostro fototransistor per vederlo. National Instruments Corporation 8-5 NI ELVIS - Introduzione

92 Lab 8 Comunicazione ottica nello spazio libero Realizzate il circuito trasmettitore a LED e il circuito a fototransistor sulla scheda prototipi come mostrato sotto. Collegate l alimentazione del LED all uscita del generatore di funzioni. Collegate l uscita del fototransistor ai piedini ACH (1). Presi insieme questi circuiti formano un semplice collegamento ottico. Ecco una foto di questo circuito sulla scheda prototipi di NI ELVIS: Chiudete tutti gli SFP. Fine dell esercitazione 8-2 NI ELVIS Introduzione 8-6 National Instruments Corporation

93 Lab 8 Comunicazione ottica nello spazio libero Esercitazione 8-3 Collegamento ottico analogico a IR nello spazio libero Dal pannello di avvio di NI ELVIS selezionate Function Generator e Oscilloscope. Il generatore di funzioni fornirà il segnale analogico da trasmettere. L oscilloscopio monitorerà il segnale d ingresso CH A (selezionate FUNC_OUT) e il segnale di uscita CH B (Selezionate ACH0). Per trasmettere il segnale analogico sul LED, è necessario polarizzare il LED in una regione lineare con una tensione più grande di quella critica. Assicuratevi che il generatore di funzioni non sia impostato su Manual sul pannello frontale della workstation. Sul pannello di controllo virtuale FGEN impostate la tensione di offset su +1,5 V. Impostate i seguenti parametri sull SFP FGEN: Amplitude...0,5 V Waveform...Sine Frequency...1 khz Avviate il generatore di funzioni e l oscilloscopio per osservare i segnali trasmessi e ricevuti. Provate diversi valori di tensione di offset e di livelli di ampiezza. Quando la sinusoide ricevuta inizia ad essere distorta, il trasmettitore diventa non lineare. Trovate i migliori valori di offset e di ampiezza per un collegamento trasmissivo lineare (senza distorsione). Il vostro collegamento è ora pronto per l invio di dati. Lasciate aperti gli SFP del generatore di funzioni e dell oscilloscopio. Fine dell esercitazione 8-3 National Instruments Corporation 8-7 NI ELVIS - Introduzione

94 Lab 8 Comunicazione ottica nello spazio libero Esercitazione 8-4 Modulazione (analogica) di ampiezza e di frequenza Approfondimenti Collegate i piedini di uscita del convertitore digitale/analogico DAC0 e DAC1 ai piedini del generatore di funzioni della scheda prototipi di NI ELVIS etichettati rispettivamente [AM IN] Amplitude Modulation e [FM IN] Frequency Modulation. Avviate LabVIEW. Selezionate Modulation.vi da Hand s-on NI ELVIS Library. Questo programma invia segnali in DC dall uscita DAC di NI ELVIS al generatore di funzioni per produrre un segnale modulato in ampiezza o in frequenza. Il segnale modulato viene convertito in impulsi luminosi, inviato sul nostro collegamento nello spazio libero e quindi rilevato sul fototransistor e convertito in un segnale elettrico. Avete appena realizzato un semplice collegamento ottico nello spazio libero per segnali analogici. Chiudete tutti gli SFP e LabVIEW. Fine dell esercitazione 8-4 Modulazione digitale NRZ I telecomandi a IR utilizzano una particolare codifica chiamata NRZ. Un livello HI viene segnalato da un pacchetto di toni di forme d onda quadra a 40 khz mentre il livello LO segnala l assenza di qualsiasi segnale. Il pacchetto di toni viene generato utilizzando il circuito temporizzatore 555 mostrato sotto. Un selettore digitale viene collegato al piedino 4 [RESET], così quando il selettore è HI, viene generato un pacchetto di toni, quando è LO non ci sono oscillazioni. Per mostrare lo schema di modulazione, utilizzeremo un pacchetto di toni a 1,0 khz affinché sia più facile vederlo sull oscilloscopio. Realizzate un oscillatore controllato utilizzando un chip temporizzatore 555 e i seguenti componenti: R A 1,0 kω R B 10,0 kω C 0,1 µf NI ELVIS Introduzione 8-8 National Instruments Corporation

95 Lab 8 Comunicazione ottica nello spazio libero Il piedino 4 sul chip del temporizzatore 555 va sulla porta parallela di uscita, linea digitale Write<0>, della scheda prototipi di NI ELVIS. Il piedino 3 di uscita dell oscillatore diventa l alimentazione del trasmettitore LED a IR. L uscita del circuito rivelatore è collegata ai piedini ACH0. La terra è il piedino 1 del chip 555. Dal pannello di avvio di NI ELVIS, selezionate Oscilloscope e Digital Writer. Per l oscilloscopio selezionate il Channel A Source come ACH0. Utilizzate il trigger analogico per il Channel A con un livello di trigger a 0,5 V. Durante il funzionamento, ogni volta che impostate su HI Bit 0 (Write<0>) del Digital Writer, compare sull oscilloscopio un segnale da 1,0 khz. Nessun segnale è presente quando Bit 0 è LO. Provate altri pattern digitali come Walking 1 s o Ramp e visualizzate lo schema di modulazione sul pannello dell oscilloscopio. Nei telecomandi lo schema di codifica è leggermente più complicato. Se siete interessati alla realizzazione di un vostro trasmettitore remoto a IR controllato dal computer per controllare il vostro stereo, o altre apparecchiature, leggete il Chapter 6, Sensors, Transducers and LabVIEW per ulteriori dettagli. National Instruments Corporation 8-9 NI ELVIS - Introduzione

96 Lab 8 Comunicazione ottica nello spazio libero NI ELVIS Introduzione 8-10 National Instruments Corporation

97 Lab 9 Comunicazione wireless in RF A mezzogiorno a Signal Hill, St. John s Newfoundland in Canada, Geglielmo Marconi appoggiò il suo orecchio alla cornetta del telefono collegata ad un ricevitore wireless sperimentale. A 1700 miglia di distanza, a Poldu Cornwall, in Inghilterra, i suoi collaboratori stavano per inviare la lettera S del codice Morse, costituita da tre punti. Debole ma chiaro psht-psht-psht pausa psht-psht-psht arrivò alla cornetta. La data era il 12 dicembre 1901 e il primo messaggio transatlantico era stato appena inviato e ricevuto. Obiettivi In questa esperienza viene usata un antenna costituita da un fermaglio per inviare questo classico messaggio e molto altro tramite un collegamento wireless in RF. Il generatore di funzioni di NI ELVIS è il trasmettitore e un Op Amp ad elevato guadagno viene usato come National Instruments Corporation 9-1 NI ELVIS Introduzione

98 Lab 9 Comunicazione wireless in RF ricevitore. Il classico messaggio viene formulato utilizzando il generatore di forme d onda arbitrarie di NI ELVIS. Soft front panels (SFP) utilizzati in questa esperienza Oscilloscopio (OSC) e generatore di forme d onda arbitrarie (ARB). Componenti utilizzati in questa esperienza Un resistore da 1 kω (marrone, nero, rosso) Due resistori da 100 kω (marrone, nero, giallo) Un Op Amp 741 e un Op Amp FET 753 Fermaglio NI ELVIS Introduzione 9-2 National Instruments Corporation

99 Lab 9 Comunicazione wireless in RF Esercitazione 9-1 Il trasmettitore Un fermaglio viene srotolato e tagliato a formare un pezzo lungo 2,5 pollici. Un estremità viene inserita nel piedino di uscita del generatore di funzioni. Quando FGEN è in funzione, la tensione di uscita passa dal piedino all antenna fermaglio e irradia un piccolo segnale in RF. Un antenna simile a circa un centimetro può rilevare questo segnale e amplificarlo, creando un livello di segnale più alto. Inizialmente utilizzeremo una sinusoide per testare il trasmettitore. Impostate il generatore di funzioni su sinusoide, con ampiezza di 5 V e frequenza di 10 khz. Realizzate una semplice antenna a partire da un fermaglio. Fine dell esercitazione 9-1 National Instruments Corporation 9-3 NI ELVIS - Introduzione

100 Lab 9 Comunicazione wireless in RF Esercitazione 9-2 Il ricevitore Un secondo fermaglio è curvato a forma di gradino con il lato lungo circa 2,5 pollici, l altezza di circa 1/4 di pollice e la larghezza di circa 1/2 pollice. Il lato corto è inserito in un alloggiamento della scheda prototipi. La sezione centrale supporta l antenna sulla scheda prototipi e consente di ruotare l antenna sul lato corto. Il lato lungo è verticale ed è parallelo all antenna trasmittente (vedi la figura sopra). Un amplificatore ad elevato guadagno è realizzato utilizzando un Op Amp 741 o un Op Amp 753 a FET in semplice configurazione invertente. Collegate il resistore da 1 kω all ingresso (piedino 2) e collegate il resistore di polarizzazione da 100 kω all ingresso + (piedino 3) con l altro terminale collegato a Ground. Utilizzate l altro resistore da 100 kω come resistore di controreazione R f. L alimentazione è +15 V sul piedino 7 e 15 V sul piedino 4. Il guadagno nominale dell Op Amp è pari a 100. Altre combinazioni di resistori consentono di ottenere guadagni più elevati. L antenna ricevente è collegata all ingresso (piedino 3). L uscita dell Op Amp, piedino 6, sarà collegata all oscilloscopio. Realizzate questo circuito sulla scheda prototipi di NI ELVIS. Fine dell esercitazione 9-2 NI ELVIS Introduzione 9-4 National Instruments Corporation

101 Lab 9 Comunicazione wireless in RF Esercitazione 9-3 Prove sul trasmettitore e sul ricevitore in RF Viene usato un segnale sinusoidale per testare la coppia trasmettitorericevitore. Verificate i collegamenti, quindi alimentate la scheda prototipi. Spostate l antenna ricevente alcuni millimetri da quella trasmittente. Collegate gli ingressi BNC del Channel A della workstation all uscita dell Op Amp, Pin 6 e alla terra. Le impostazioni tipiche dell oscilloscopio sono: Channel A BNC/Board Trigger Settings FUNC_SYNC Aumentate il guadagno dell oscilloscopio finché vedete una sinusoide. Se non potete vedere un segnale, toccate le punte delle antenne con le vostre dita. Ciò simulerà l elevata impedenza dell atmosfera e consentirà ad un piccolo segnale di propagarsi. Ora aggiustate l ampiezza e la frequenza di FGEN per ottenere un buon segnale. Misurate il livello del segnale quando separate l antenna ricevente da quella trasmittente. La separazione può essere facilmente misurata con un righello. Potete avere rapidamente un idea di come il livello del segnale precipiti velocemente con la distanza. Una lunga antenna aiuta, e Marconi, a Signal Hill, utilizzò un aquilone per portare la sua antenna centinaia di piedi su nell atmosfera. Ora che il sistema trasmettitore-ricevitore sta funzionando, è ora di duplicare il classico messaggio di Marconi. Fine dell esercitazione 9-3 National Instruments Corporation 9-5 NI ELVIS - Introduzione

102 Lab 9 Comunicazione wireless in RF Esercitazione 9-4 Il primo segnale transatlantico di Marconi Il primo trasmettitore RF di Marconi consisteva in uno spinterometro collegato ad un circuito risonante ed un antenna molto lunga spesso sollevata con un pallone o un aquilone. Quando una scintilla si scarica tra gli elettrodi, viene generato un impulso RF di breve durata (alcuni millisecondi). Ricordate che ci vogliono V per produrre una scintilla tra elettrodi separati da un centimetro e la corrente può essere grande. Una singola scintilla seguita da una pausa costituisce un punto. Una scintilla più lunga seguita da una pausa costituisce una linea. Questi erano gli ingredienti necessari per una trasmissione in codice Morse. La lettera S è costituita proprio da tre punti in rapida successione. La lettera O è costituita da tre linee in rapida successione. Il segnale di soccorso S-O-S (Save Our Souls) è proprio: punto-punto-punto linea-linea-linea punto-punto-punto Per il primo messaggio transatlantico Marconi scelse il segnale più semplice punto-punto-punto. Fine dell esercitazione 9-4 NI ELVIS Introduzione 9-6 National Instruments Corporation

103 Lab 9 Comunicazione wireless in RF Esercitazione 9-5 Realizzazione di un segnale di test unico con il generatore di forme d onda arbitrarie Un punto è un segnale, di solito un oscillazione, seguita da silenzio (assenza di segnale). Ciascuna parte dura circa 1/10 di secondo. Una linea è un segnale che dura quanto tre punti, o 3/10 di secondo, seguito da una pausa. Lo schema di codifica è un semplice pacchetto di toni con diverse durate temporali. La lettera S viene codificata come punto-punto-punto o in binario in cui 1 è il punto e 0 è la pausa. Un messaggio più lungo consistente in più lettere come SSS ha una pausa più lunga (4/10 di secondo) inserita tra ogni lettera. Questo messaggio in binario è: Se possiamo generare questa forma d onda sul convertitore digitaleanalogico (DAC) di NI ELVIS, allora l uscita del DAC può essere utilizzata per comandare il generatore di funzioni. Il segnale del pacchetto di toni generato da FGEN può irradiare il vostro messaggio al mondo intero. Dal pannello di avvio di NI ELVIS selezionate Arbitrary Waveform. Il generatore di forme d onda arbitrarie consente di creare forme d onda singole come il primo segnale di Marconi. Può essere utilizzato un programma particolare chiamato Waveform Editor per creare tutti i tipi di forme d onda per la diagnostica e il controllo. Cliccando sul pulsante Waveform Editor vi collegate a questo programma. National Instruments Corporation 9-7 NI ELVIS - Introduzione

104 Lab 9 Comunicazione wireless in RF L SFP [Arbitrary Waveform] fornisce il controllo di forme d onda sulle uscite DAC0 e DAC1. Cliccate sull icona di navigazione accanto al riquadro di Waveform Name del DAC0. Dal menu waveform selezionate il file 1Vsine1000.wdt. Quando cliccate sul pulsante di play del DAC0, viene applicata al piedino del DAC0 una sinusoide di ampiezza di 1,0 V a 1000 Hz. Collegate l ingresso Channel A dell oscilloscopio al piedino del DAC0. Quando viene premuto il pulsante [Play/Stop] del DAC0 osservate un segnale sinusoidale da 1 khz sulla finestra dell oscilloscopio. Nota Per una traccia stazionaria del segnale, effettuate il trigger su Channel A. Tornate all icona di navigazione del DAC0 e andate su Hands-On NI ELVIS Library e selezionate Morse.wdt. Questo file fornisce la forma d onda corrispondente alla lettera S in codice Morse. Cliccate su Play ed osservate questo segnale sull oscilloscopio. NI ELVIS Introduzione 9-8 National Instruments Corporation

105 Lab 9 Comunicazione wireless in RF Per la trasmissione reale dovete cambiare il contenuto del riquadro Update Rate e inserire 10000,0 S/s Fine dell esercitazione 9-5 National Instruments Corporation 9-9 NI ELVIS - Introduzione

106 Lab 9 Comunicazione wireless in RF Esercitazione 9-6 Una dimostrazione del segnale di trasmissione in RF di Marconi Per completare la nostra stazione trasmittente, installate sulla scheda prototipi un integrato 7408 (quad 2-input AND). Ponete l alimentazione (+5 V) al piedino 14 e Ground al piedino 7. Collegate l uscita del DAC0 sulla scheda prototipi di NI ELVIS al piedino 1 dell IC Collegate l uscita FGEN al piedino 2 dell IC Il trasmettitore, piedino 3 dell IC 7408 è collegato all antenna trasmittente costituita dal fermaglio. Ora configurate l SFP del generatore di funzioni per livelli di uscita TTL. Selezionate Amplitude 2,2 V Offset 2,5 V Waveform Square Frequency 1 khz Potete osservare sull oscilloscopio i segnali trasmessi e ricevuti, Channel A va sul piedino 3 del chip 7408 (segnale trasmettitore) e Channel B va sul piedino 6 dell Op Amp (segnale ricevitore). Trigger su Channel A Dovreste essere in grado di vedere il messaggio trasmesso S su Channel A e il segnale ricevuto su Channel B. Fine dell esercitazione 9-6 NI ELVIS Introduzione 9-10 National Instruments Corporation

107 Lab 9 Comunicazione wireless in RF Approfondimenti Ascoltare per credere Con un po più di guadagno lato ricevitore ed una conversione del segnale in corrente, potete pilotare un piccolo altoparlante per ascoltare un debole ma chiaro bip-bip-bip-pausa-bip-bip-bip. Raccogliete la sfida. National Instruments Corporation 9-11 NI ELVIS - Introduzione

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109 Lab 10 Movimento meccanico La nostra capacità di trasformare segnali elettrici in un movimento nel mondo reale, abbinata alla nostra capacità di misurare la posizione, consente di sfruttare la potenza del computer per generare automazione, causa della maggior parte delle comodità del mondo moderno. Obiettivi In questa esperienza viene utilizzata la possibilità di NI ELVIS di generare un alimentazione variabile per avviare e controllare la velocità di un piccolo motore in DC. Modificando un collegamento ottico IR nello spazio libero, verrà realizzato un tachimetro per misurare la velocità del motore. Abbinando al motore e al tachimetro un programma in LabVIEW si otterrà l automazione del sistema. National Instruments Corporation 10-1 NI ELVIS Introduzione

110 Lab 10 Movimento meccanico Soft front panels (SFP) utilizzati in questa esperienza Alimentazione variabile VPS, oscilloscopio OSC e LabVIEW. Componenti utilizzati in questa esperienza Resistore da 1 kω (marrone, nero, rosso) Resistore da 10 kω (marrone, nero, arancione) Modulo LED a IR/fototransistor Motore in DC NI ELVIS Introduzione 10-2 National Instruments Corporation

111 Lab 10 Movimento meccanico Esercitazione 10-1 Signori, avviate i motori! Potete acquistare per pochi euro un piccolo motore in DC, come il motore Radio Shack SR65S che potete trovare in molti negozi di elettronica o di hobbystica. Questo motore richiede una sorgente di alimentazione da 0 a 12 V, producendo un numero massimo di RPM (giri al minuto) pari a a 12 V. Senza carico la richiesta di corrente è di circa 300 ma. La VPS di NI ELVIS può fornire fino a 500 ma a 12 V. Inoltre, cambiando la polarità della tensione applicata, si può cambiare la direzione di rotazione del motore. Collegate un motore DC ai terminali di uscita VPS+ (Supply+ e Ground). Avviate NI ELVIS e selezionate Variable Power Supply. Fate un test con il motore sia tramite i controlli del pannello frontale della workstation, sia tramite i controlli virtuali del SFP. Fine dell esercitazione 10-1 National Instruments Corporation 10-3 NI ELVIS - Introduzione

112 Lab 10 Movimento meccanico Esercitazione 10-2 Il tachimetro Utilizzando un LED a IR ed un fototransistor o un modulo integrato LED/fototransistor, si può realizzare un semplice sensore di movimento. Inserite sulla scheda prototipi i componenti mostrati nello schema circuitale della figura sottostante. Nel caso di un modulo LED/fototransistor, viene utilizzato un LED interno come sorgente ottica, con alimentatazione di +5 V. Osservate che viene utilizzato un resistore da 1 kω in serie con il LED per limitare la corrente. Un resistore da 10 kω viene collegato dall emettitore del fototransistor a terra e la stessa alimentazione viene riportata al collettore del fototransistor. La tensione sviluppata ai capi del resistore da 10 kω costituisce il segnale del fototransistor o del tachimetro. Collegate i puntali dal resistore da 10 kω ai piedini ACH4+ e ACH4-. Selezionate Oscilloscope dal pannello di avvio di NI ELVIS e quindi eseguite le impostazioni come in figura: Nota Gli ingressi ACH4 sono la stessa sorgente del BNC/Board CH B della scheda prototipi. NI ELVIS Introduzione 10-4 National Instruments Corporation

113 Lab 10 Movimento meccanico Alimentate la scheda prototipi ed avviate l SFP Oscilloscope. Utilizzate un pezzo di carta e passatelo attraverso il sensore di movimento a IR. Dovreste veder cambiare la traccia dell oscilloscopio (HI-LO-HI)). Con un pezzo sottile di carta dovreste essere in grado di catturare l impulso generate quando lo trascinate attraverso il sensore. Provate con un pettine con molti denti. Trascinandolo attraverso il sensore esso genererà un treno di impulsi. Potete anche spostarlo avanti e indietro come una sega per generare un flusso continuo di impulsi, come mostrato sopra. Fine dell esercitazione 10-2 National Instruments Corporation 10-5 NI ELVIS - Introduzione

114 Lab 10 Movimento meccanico Esercitazione 10-3 Realizzazione di un sistema rotante Un sistema rotante dimostrativo consiste in un motore DC controllato da un alimentazione variabile e da un sensore di movimento a IR configurato come tachimetro. Per completare il tachimetro, è necessario fissare un disco di circa 2 pollici di diametro all asse del motore. Tagliate il disco a partire da un pezzo sottile ma resistente di plastica. Tagliate un pezzo (slot) largo circa 1/4 di pollice e profondo 1/4 di pollice vicino al perimetro del disco. Create un piccolo foro al centro del disco. Ora incollate il disco sulla parte terminale dell asse del motore. Ora montate il motore in maniera tale che lo slot sia allineato con il fascio del trasmettitore/ricevitore a IR. Durante il funzionamento ogni giro genererà un impulso. Fine dell esercitazione 10-3 NI ELVIS Introduzione 10-6 National Instruments Corporation

115 Lab 10 Movimento meccanico Esercitazione 10-4 Prove sul sistema rotante Alimentate la scheda prototipi ed avviate il motore manualmente dal controllo VPS della workstation. Regolate la posizione del motore affinché il disco non tocchi lo slot del sensore. Osservate la traccia dell oscilloscopio cioè gli impulsi generati dal motore rotante. Utilizzando l opzione di misura del Channel B [MEAS], effettuate misure di frequenza per diversi livelli di alimentazione. Un grafico della frequenza rispetto alla tensione VPS dimostrerà la linearità del nostro sistema rotante. Chiudete NI ELVIS e tutti gli SFP. Fine dell esercitazione 10-4 National Instruments Corporation 10-7 NI ELVIS - Introduzione