eln 2 Elettronica E. Cuniberti L. De Lucchi Elettronica Componenti analogici e programmabili Scienze e Tecnologie
E. Cuniberti L. De Lucchi Elettronica Componenti analogici e programmabili eln 2 Scienze e Tecnologie
internet: www.petrini.it e-mail: scienze&tecnologie@petrini.it Proprietà letteraria riservata 2008 De Agostini Scuola SpA Novara 1ª edizione: gennaio 2008 Printed in Italy Le fotografi e di copertina sono state fornite da: Circuit board, Gunter Marx/Corbis; Future development by Tes One, Thunderdog Studios, Inc./Thunderdog Collective/Corbis; Computer chip, Michael Agliolo/Corbis. L Editore dichiara la propria disponibilità a regolarizzare eventuali omissioni o errori di attribuzione. Nel rispetto del DL 74/92 sulla trasparenza nella pubblicità, le immagini escludono ogni e qualsiasi possibile intenzione o effetto promozionale verso i lettori. Tutti i diritti riservati. Nessuna parte del materiale protetto da questo copyright potrà essere riprodotta in alcuna forma senza l autorizzazione scritta dell Editore. Fotocopie per uso personale del lettore possono essere effettuate nei limiti del 15% di ciascun volume/fascicolo di periodico dietro pagamento alla SIAE del compenso previsto dall art. 68, comma 4, della legge 22 aprile 1941, n. 633. Le riproduzioni ad uso differente da quello personale potranno avvenire, per un numero di pagine non superiore al 15% del presente volume/fascicolo, solo a seguito di specifica autorizzazione rilasciata da AIDRO Corso di Porta Romana, 108 20122 Milano e-mail: segreteria@aidro.org; www.aidro.org Eventuali segnalazioni di errori o refusi e richieste di chiarimenti sulle scelte operate dagli autori e dalla Casa Editrice possono essere inviate all indirizzo di posta elettronica della redazione. Stampa: Rotolito Lombarda - Pioltello (MI) Edizione: I II III IV V VI Anno: 2008 2009 2010 2011 2012 2013
Presentazione ELN 2 Componenti analogici e programmabili III La nuova edizione del corso di Elettronica e di questo volume in particolare risponde alla duplice esigenza di potenziare ancor più l apparato didattico, valendosi anche dei moderni strumenti informatici, e di aggiornare i contenuti con l inserimento dei più recenti componenti e delle nuove tecniche di progettazione che si sono imposti in ambito elettronico. Ci si riferisce in particolare ai componenti programmabili, che, grazie all enorme potenzialità del software, stanno creando in ogni settore tecnologico una infinità di nuovi oggetti elettronici «intelligenti» e stanno cambiando sostanzialmente il modo «di fare elettronica». Pertanto, per soddisfare queste esigenze, da una parte si è provveduto ad arricchire l apparato didattico-strumentale sia definendo, per ogni unità, i prerequisiti e gli obiettivi che lo studente potrà conseguire in termini di conoscenze e competenze, sia fornendo nuovi materiali, in forma cartacea e multimediale (su CD-ROM), per la verifica e l approfondimento. Dall altra parte ci si è resi conto che non è più possibile continuare a vedere i componenti programmabili, in particolare il microcontrollore, come appendice del computer, ma occorre invece considerarli come normali componenti elettronici, anche se più complessi, e trattarli didatticamente allo stesso modo, per esempio, dei transistori e degli amplificatori operazionali. Oltre tutto, da un punto di vista didattico, l introduzione del microcontrollore consente di realizzare una infinità di progetti e di esperienze fortemente motivanti per gli studenti, irrealizzabili fino a qualche anno fa in un laboratorio scolastico.
IV Presentazione Mettendo a frutto capacità e conoscenze hardware e software si possono per esempio realizzare, con una certa facilità, schermi a LED con immagini e scritte scorrevoli oppure comandare, via cavo o via radio, robot e macchine di tutti i tipi. E ancora è possibile collegare il microcontrollore, incorporato a bordo della macchina, con un personal computer, consentendo così di ottenere un controllo tramite interfacce amichevoli, realizzate per esempio con LabView o Visual Basic, come è mostrato nelle figure qui riportate. Componenti analogici e programmabili: volume ELN 2 Nella prima unità viene approfondita la trattazione del microcontrollore, già introdotto alla fine del volume precedente, ponendo in risalto in particolare le tecniche di progettazione hardware e software. Si passa poi ad argomenti più tradizionali, che costituiscono la base dell elettronica analogica, quali le reti elettriche e la loro risposta nel dominio del tempo e della frequenza. Si introducono quindi i componenti a semiconduttore di base, diodi, transistori e amplificatori operazionali, esaminati sia in funzionamento lineare sia in commutazione. Si trattano infine gli amplificatori di segnale e la loro risposta in frequenza per terminare con il non semplice ma fondamentale argomento della reazione. In questo caso accanto a una trattazione rigorosa vengono forniti anche strumenti per una visione semplificata e di tipo applicativo del fenomeno.
ELN 2 Componenti analogici e programmabili V Gli apparati didattici Particolarmente ricca è la dotazione di esercizi, interamente svolti e di difficoltà crescente, su tutti gli argomenti trattati; alcuni esercizi vengono proposti senza la soluzione completa, che può essere controllata alla fine del volume. Per ogni unità viene proposto un test utile per mettere a fuoco alcuni concetti e per l autoverifica (le risposte sono in fondo al volume). Per ogni unità è fornita una scheda di sintesi finale, in italiano e inglese fianco a fianco, per favorire l apprendimento del lessico specifico e della corretta terminologia nell ambito elettronico oltre a un approccio interdisciplinare nello studio. UNITÀ 9 Summary The operational amplifier is a multi-stage, direct-coupled amplifier having ideally: amplification A OL = 3, input resistance R i = 3, output resistance R o = 0, bandwidth BW = 3. It has two input terminals, inverting (-) and non-inverting (+), between which a differential input voltage v i = v - - v + is determined, and in output has a voltage expressed by v o = A OL (v + - v - ) or v o =- A OL v i It generally requires a dual power supply!v. Its output dynamic is limited between the saturation voltages V sat and V sat. In open loop form, the operational amplifier only operates linearly for very low values of v i (since A OL = 3) and is therefore used as a voltage comparator. In a closed loop configuration, that is when inserted in a negative feedback network, the operational amplifier can be used to form linear circuits with stable gain and depending only on external passive elements. In a linear zone, a virtual short circuit is considered to be present between the inputs so the following approximations are considered valid i + =i - =0 v i =0 The fundamental configurations of the operational amplifier in linear operation with the relative expressions of the relations between inputs and output are L amplificatore operazionale è un con accoppiamento in continua c amplificazione A OL = 3, resiste resistenza di uscita R o = 0, larghe Dotato di due terminali di ing non invertente (+), fra i quali si di ingresso differenziale v i = v - una tensione espressa dalla rel v o = A OL (v + - v - ) os Richiede generalmente alimen sua dinamica di uscita è limi saturazione V sat e -V sat. Ad anello aperto l amplificator un funzionamento lineare solo di v i (essendo A OL = 3) e viene comparatore di tensione. Ad anello chiuso, ossia inseri zione negativa, l amplificatore di realizzare circuiti lineari c dipendente solo da elementi p lineare si considera che fra gli cortocircuito virtuale ovvero s seguenti approssimazioni i + =i - =0 v i =0 Le configurazioni fondamental razionale in funzionamento l espressioni delle relazioni fra riali semiconduttori ionico i portatori di carica lacune introdotti con nte inversa di saturacresce sensibilmente sa cresce con la tempee orzionale alla tempeente con la tensione a anodo e catodo a la funzione di: ro capacitivo I parametri principali di un LED sono: 7 corrente continua diretta massima (I F max ), tensione diretta (V F ), tensione inversa massima (V R ). Valori tipici sono: A 1 A; 2 V; 5 V B 50 ma; 2 V; 3 V C 20 ma; 2 V; 70 V D 50 ma; 0,7 V; 3 V 8 Completare il circuito di figura per ottenere un duplicatore di tensione. v i La curva caratteristica del diodo rappresenta la relazione fra... 9 e... nel diodo. 10 Completare il circuito di figura per ottenere un raddrizzatore a doppia semionda. 4 1 R VERIFICA Il laboratorio Un intera sezione, alla fine del volume, è dedicata alle attività di laboratorio. Le schede LAB descrivono esercitazioni sia di verifica sia di progetto puntualmente correlate con gli argomenti trattati nelle Unità di teoria, scelte fra quelle più significative per evidenziare problematiche realistiche con effettivi riscontri applicativi. Le proposte di lavoro sono sempre formulate in modo chiaro e immediato e sono accompagnate da indicazioni sullo svolgimento, da osservazioni e da quesiti di approfondimento. UNITÀ 9 LAB 35 Derivatore L esercitazione consiste nella verifica del funzionamento del derivatore attivo in regime sinusoidale e applicando in ingresso un onda triangolare. In particolare si richiede di tracciare grafici delle forme d onda e delle curve di risposta in frequenza. I diagrammi possono essere confrontati con quelli ottenuti mediante la simulazione. Componenti Integrati... TL081 Resistori... 100 X; 270 X; 5,6 kx; 10 kx; 27 kx Condensatori... 100 nf Strumenti In alto: v s, 5 V/div., DC In basso: v o, 50 mv/div., AC, INV Asse tempi: 0,5 ms/div. 1 Realizzare il circuito di fig. 1 e, applicando in ingresso un segnale v s costituito da un onda triangolare con escursione da -1 V a 1 V e frequenza 1 khz, rilevare la forma d onda di uscita. Riportare le forme d onda su un grafico. Si ha x = RlC = 27 ns ( 11 TY2 = 500 ns); il circuito si comporta come derivatore ideale, ovvero dvs Dvs vo =-RC --RC dt Dt Il segnale v s compie variazioni Dv s YDt =! 2 VY500 ns. v s R 10kΩ R' C +15V v o 270Ω 100nF + 15V Fig. 1
VI Presentazione Grande rilievo è riservato alle possibilità offerte dalla simulazione dei circuiti; questa può precedere una fase di realizzazione o consentire un analisi approfondita del funzionamento di un circuito o, in certi casi, sostituire la realizzazione vera e propria. Per rendere più agevole il lavoro dello studente, sono forniti i file di simulazione dei circuiti proposti nelle schede LAB, che possono essere usati con il programma Multisim. In alternativa, si offrono strumenti ed esempi di simulazione eseguiti con OrCAD/PSpice. Il CD-ROM A completamento di quanto offerto nei volumi del corso, sono forniti due CD-ROM (allegati ai volumi ELN1 ed ELN2) con una varietà di materiali: un ricco archivio di fogli tecnici relativi a tutti i componenti da usare nelle attività di laboratorio e ad altri componenti particolarmente interessanti; note di laboratorio riguardanti gli strumenti di base; file di simulazione dei circuiti proposti nelle attività di laboratorio, con estensioni e ampliamenti, da utilizzare con il programma Multisim; esempi di circuiti di particolare interesse con la relativa simulazione da eseguire con OrCAD/PSpice; una presentazione dei risultati di simulazione di alcuni circuiti; un glossario con i principali termini inerenti la disciplina; ciascun termine è anche tradotto in inglese ed enunciato con la corretta pronuncia.
Indice Unità 1 Progettare con il microcontrollore r LAB 1-3 1.1 Impiego del microcontrollore... 1 1.2 Struttura e caratteristiche del PIC16F84A... 3 1.2.1 Disposizione dei terminali 1.2.2 Caratteristiche e organizzazione 1.3 Registri di uso speciale... 6 1.4 Istruzioni... 10 1.5 Schemi hardware di base... 12 1.5.1 nc schema base 1.5.2 nc pulsanti, interruttori e LED 1.5.3 nc e display BCD 1.5.4 nc decoder 1.5.5 nc e latch 1.5.6 nc e line driver 1.6 Procedure software di base... 17 1.6.1 Ritardi 1.6.2 Test di linee di ingresso 1.6.3 Conteggio e visualizzazione in BCD 1.6.4 Test, flag e struttura del programma 1.6.5 Interrupt 1.6.6 Registro TMR0 1.6.7 Lettura/scrittura di una tabella in memoria dati RAM 1.6.8 Lettura di una tabella in memoria di programma 1.7 Un applicazione: progetto di frequenzimetro... 25 Summary... 28 Esercizi... 30 Verifica... 36 Unità 2 Reti elettriche e segnali analogici r LAB 4-6 2.1 Reti ed elementi elettrici... 37 2.1.1 Resistenza 2.1.2 Capacità 2.1.3 Induttanza 2.1.4 Mutua induttanza 2.1.5 Generatori 2.2 Elementi in serie e in parallelo... 44 2.3 Reti elettriche in regime continuo... 46 2.3.1 Leggi fondamentali 2.4 Teoremi delle reti elettriche... 48 2.4.1 Teorema della sovrapposizione degli effetti 2.4.2 Teorema di Thévenin 2.4.3 Teorema di Norton 2.4.4 Teorema di Millman 2.5 Tipi di segnale... 51 2.5.1 Segnali periodici 2.6 Rappresentazione di grandezze sinusoidali... 55 2.6.1 Metodo simbolico 2.7 Resistenza, capacità, induttanza in regime sinusoidale... 58 2.8 Soluzione di reti elettriche in regime sinusoidale... 60 2.9 Potenze... 62 2.9.1 Regime sinusoidale Summary... 65 Esercizi... 67 Verifica... 78 Unità 3 Risposta nel dominio del tempo r LAB 7-10 3.1 Carica e scarica del condensatore... 80 3.2 Carica e scarica dell induttore... 83 3.3 Circuiti a resistenza e capacità... 85 3.3.1 Circuito RC derivatore 3.3.2 Circuito RC integratore 3.4 La trasformata di Laplace... 88 3.4.1 Proprietà 3.4.2 Forme d onda 3.4.3 Elementi circuitali passivi 3.5 Antitrasformata... 90 3.6 Analisi circuitale... 92 3.7 Risposta di un circuito RCL... 94 3.7.1 Carica 3.7.2 Scarica Summary... 99 Esercizi... 101 Verifica... 110
VIII Indice Unità 4 Analisi nel dominio della frequenza r LAB 11-13 4.1 Segnali periodici e componenti armoniche... 111 4.1.1 Teorema di Fourier 4.1.2 Analisi spettrale 4.2 Quadripoli e trasferimento di energia... 114 4.2.1 Parametri 4.2.2 Trasferimento di energia 4.3 Funzione di trasferimento e risposta in frequenza... 117 4.3.1 Funzione di trasferimento 4.3.2 Risposta in frequenza 4.4 Diagrammi di Bode... 119 4.5 Risposta in frequenza di circuiti RC ed RL... 125 4.5.1 Filtro RC passa-basso 4.5.2 Filtro RC passa-alto 4.5.3 Filtro RL passa-basso 4.5.4 Filtro RL passa-alto 4.6 Circuiti risonanti... 129 4.6.1 Circuito risonante serie 4.6.2 Circuito risonante parallelo Summary... 134 Esercizi... 136 Verifica... 144 Unità 5 Diodi e applicazioni r LAB 14-19 5.1 Materiali semiconduttori... 145 5.1.1 Semiconduttori drogati 5.1.2 La giunzione pn 5.1.3 Polarizzazione della giunzione 5.2 Il diodo a semiconduttore... 148 5.2.1 Caratteristica del diodo 5.3 Il diodo come elemento circuitale... 150 5.3.1 Modelli approssimati del diodo 5.3.2 Transcaratteristica 5.3.3 Parametri dei diodi reali 5.4 Modello del diodo per piccoli segnali 154 5.5 Circuiti raddrizzatori... 156 5.5.1 Parametri principali 5.5.2 Raddrizzatore con filtro capacitivo 5.6 Circuiti limitatori... 160 5.6.1 Confronti e osservazioni 5.6.2 Limitatori a più livelli 5.7 Circuiti fissatori... 163 5.8 Moltiplicatori di tensione... 165 5.9 Altre applicazioni dei diodi... 167 5.10 Il diodo Zener... 168 5.10.1 Circuito stabilizzatore 5.11 Altri tipi di diodi... 170 Summary... 172 Esercizi... 174 Verifica... 181 Unità 6 Transistore bipolare (BJT) r LAB 20-23 6.1 Struttura e funzionamento del BJT... 183 6.1.1 Struttura 6.1.2 Polarizzazione e correnti 6.2 Comportamento circuitale del BJT... 186 6.3 Curve caratteristiche del BJT... 187 6.3.1 Caratteristiche di ingresso 6.3.2 Caratteristiche di uscita 6.4 Zone di funzionamento del BJT... 189 6.4.1 Zona attiva 6.4.2 Zona di saturazione 6.4.3 Zona di interdizione 6.5 Il BJT come interruttore... 191 6.5.1 Stato ON 6.5.2 Stato OFF 6.5.3 Tempi di commutazione 6.6 Il BJT in funzionamento lineare... 194 6.6.1 Determinazione del punto di lavoro 6.6.2 Instabilità del punto di lavoro con la temperatura 6.6.3 Dispersione dei valori di h FE 6.6.4 Stabilizzazione del punto di funzionamento 6.7 Reti di polarizzazione automatica... 196 6.7.1 Analisi 6.7.2 Progetto 6.8 Il BJT come amplificatore di segnale... 200 6.8.1 Analisi grafica 6.8.2 Metodo generale di analisi 6.9 Modello del BJT per piccoli segnali... 203 6.9.1 Modello a parametri h e 6.9.2 Modello approssimato generalizzato 6.10 Configurazioni amplificatrici fondamentali... 205 6.10.1 Configurazione a emettitore comune (CE)
Indice IX 6.10.2 Configurazione a collettore comune o inseguitore di emettitore (CC) 6.10.3 Configurazione a base comune (CB) 6.10.4 Proprietà delle configurazioni e livelli di resistenza 6.11 Configurazioni particolari... 214 6.11.1 Configurazione a doppio carico 6.11.2 Configurazione Darlington 6.12 Modello equivalente del BJT in alta frequenza... 217 6.12.1 Significato fisico dei parametri del circuito 6.12.2 Circuito equivalente a r-ibrido in bassa frequenza 6.12.3 Frequenza di transizione f T Summary... 222 Esercizi... 224 Verifica... 235 Unità 7 Transistori a effetto di campo (FET) r LAB 24-26 7.1 Il JFET: struttura e funzionamento... 237 7.1.1 Struttura 7.1.2 Funzionamento 7.1.3 Struttura reale 7.2 Caratteristiche e parametri statici... 240 7.2.1 Caratteristiche di uscita 7.2.2 Caratteristica di trasferimento o transcaratteristica 7.3 Il JFET come interruttore... 242 7.4 Polarizzazione del JFET... 243 7.4.1 Rete di autopolarizzazione 7.4.2 Rete di polarizzazione mista 7.4.3 Analisi 7.5 Il JFET come amplificatore di segnale... 246 7.5.1 Analisi grafica 7.5.2 Metodo generale di analisi 7.5.3 Modello del JFET per piccoli segnali 7.6 Configurazioni amplificatrici fondamentali... 249 7.6.1 Source comune (CS) 7.6.2 Drain comune (CD) 7.6.3 Gate comune (CG) 7.6.4 Doppio carico 7.7 Il MOS: struttura e funzionamento... 253 7.7.1 MOS ad arricchimento (enhancement MOS) 7.7.2 MOS a svuotamento (depletion MOS) 7.8 Modi di operare del MOS... 256 7.8.1 Il MOS in commutazione 7.8.2 Il MOS in funzionamento lineare: polarizzazione 7.8.3 Il modello del MOS per piccoli segnali Summary... 259 Esercizi... 261 Verifica... 268 Unità 8 Amplificatori di segnale r LAB 27-29 8.1 Classificazione e parametri degli amplificatori... 269 8.1.1 Classificazione 8.1.2 Parametri funzionali 8.2 Amplificatori multistadi... 272 8.2.1 Amplificatore multistadio in regime dinamico 8.2.2 Accoppiamento degli stadi 8.2.3 Osservazioni 8.3 Amplificatore differenziale... 276 8.3.1 Funzionamento statico 8.3.2 Funzionamento dinamico 8.3.3 Amplificatore differenziale alimentato a corrente costante 8.4 Risposta in frequenza degli amplificatori... 282 8.4.1 Banda passante 8.4.2 Risposta in frequenza e distorsioni 8.5 Risposta alle basse frequenze... 286 8.5.1 Capacità di accoppiamento 8.5.2 Capacità di by-pass 8.5.3 Amplificatore con più capacità 8.6 Risposta alle alte frequenze... 291 8.6.1 Concetti generali 8.7 Comportamento in transitorio e banda passante... 292 8.7.1 Tempo di salita e frequenza di taglio superiore 8.7.2 Tilt e frequenza di taglio inferiore 8.7.3 Prova all onda quadra Summary... 297 Esercizi... 299 Verifica... 309
X Indice Unità 9 Amplificatori operazionali r LAB 30-38 9.1 L amplificatore operazionale... 311 9.2 Funzionamento ad anello aperto... 313 9.3 Funzionamento ad anello chiuso... 314 9.3.1 Amplificatore invertente 9.3.2 Sommatore invertente 9.3.3 Amplificatore non invertente 9.3.4 Inseguitore di tensione 9.3.5 Sommatore non invertente 9.3.6 Amplificatore differenziale 9.4 Convertitori IYV e VYI... 321 9.4.1 Convertitore corrente-tensione 9.4.2 Convertitore tensione-corrente 9.4.3 Amplificatore di corrente 9.5 Caratteristiche degli amplificatori operazionali reali... 325 9.6 Compensazione in frequenza... 331 9.7 Integratore e derivatore... 332 9.7.1 Integratore 9.7.2 Derivatore 9.8 Amplificatori logaritmici... 337 9.8.1 Amplificatore logaritmico 9.8.2 Amplificatore antilogaritmico 9.9 Amplificatori operazionali e diodi... 339 9.9.1 Raddrizzatore di precisione a una semionda 9.9.2 Raddrizzatore di precisione a doppia semionda 9.9.3 Circuiti limitatori di precisione 9.10 Amplificatori con singola alimentazione 346 9.11 Comparatori... 348 9.11.1 Trigger di Schmitt 9.11.2 Dinamica di uscita nei comparatori 9.12 Applicazioni scelte... 352 Summary... 355 Esercizi... 357 Verifica... 377 Unità 10 Reazione r LAB 39-41 10.1 La reazione... 380 10.1.1 Amplificazione ad anello aperto 10.1.2 Funzione di reazione 10.1.3 Amplificazione ad anello chiuso 10.1.4 Amplificatore reazionato ideale e reale 10.2 Proprietà della reazione negativa... 383 10.2.1 Stabilità dell amplificazione ad anello chiuso 10.2.2 Aumento del rapporto segnaleydisturbo 10.2.3 Riduzione della distorsione armonica 10.3 Configurazioni ideali degli amplificatori reazionati... 386 10.3.1 Casi fondamentali di controreazione 10.3.2 Resistenza di ingresso dell amplificatore reazionato 10.3.3 Resistenza di uscita dell amplificatore reazionato 10.4 Amplificatori reazionati reali... 392 10.4.1 Procedura di analisi 10.4.2 Configurazione tensione-serie 10.4.3 Configurazione tensione-parallelo 10.4.4 Configurazione corrente-serie 10.4.5 Configurazione corrente-parallelo 10.5 Metodo di analisi rapido... 402 10.5.1 La controreazione nell amplificatore operazionale 10.6 Risposta in frequenza di un amplificatore reazionato... 405 10.6.1 Funzione di trasferimento con un polo dominante alle AF e alle BF 10.7 Stabilità in frequenza di un amplificatore reazionato... 407 Summary... 412 Esercizi... 414 Verifica... 423 LABORATORIO U.1 LAB 1 Realizzazione di un frequenzimetro... 426 LAB 2 Lettura di tastiera esadecimale... 430 LAB 3 Scrittura su display LCD... 435 U.2 LAB 4 Resistenze, partitore di tensione e rete R-2R... 441 LAB 5 Misure su segnali... 444 LAB 6 Circuiti RC ed RL in regime sinusoidale... 446 U.3 LAB 7 Circuito RC derivatore... 448 LAB 8 Circuito RC integratore... 449 LAB 9 Partitore compensato... 450 LAB 10 Transitori nel circuito RCL... 452
Indice XI U.4 LAB 11 Sintesi frequenziale... 453 LAB 12 Filtri RC... 455 LAB 13 Circuito risonante... 457 U.5 LAB 14 Parametri e caratteristiche dei diodi... 458 LAB 15 Raddrizzatore con filtro capacitivo... 460 LAB 16 Circuiti limitatori... 462 LAB 17 Circuiti fissatori... 464 LAB 18 Moltiplicatore di tensione... 465 LAB 19 Applicazioni del diodo Zener 466 U.6 LAB 20 Parametri del BJT... 468 LAB 21 Il BJT in commutazione... 471 LAB 22 Reti di polarizzazione per BJT 473 LAB 23 Stadi amplificatori a BJT... 475 U.7 LAB 24 Parametri del JFET... 479 LAB 25 Il JFET come interrutttore... 481 LAB 26 Stadi amplificatori a JFET... 483 U.8 LAB 27 Amplificatori multistadio... 486 LAB 28 Amplificatore differenziale... 490 LAB 29 Banda passante di un amplificatore... 492 U.9 LAB 30 Operazionale ad anello aperto... 495 LAB 31 Configurazioni base... 497 LAB 32 Rilievo di temperatura... 499 LAB 33 Misura di V z nei diodi Zener 501 LAB 34 Integratore... 502 LAB 35 Derivatore... 504 LAB 36 Amplificatore logaritmico e antilogaritmico... 505 LAB 37 Raddrizzatori... 507 LAB 38 Comparatore a finestra... 509 U.10 LAB 39 Amplificatore con reazione tensione-parallelo... 511 LAB 40 Amplificatore con reazione corrente-parallelo... 513 LAB 41 Progetto di amplificatore con reazione tensione-serie... 516 Appendice... 519 Soluzioni... 527 Indice analitico... 531
UNITÀ 1 Progettare con il microcontrollore Prerequisiti Fondamenti dell Elettronica digitale, cablata e programmabile. Integrati digitali di tipo combinatorio e sequenziale. Memorie e microprocessori. Conoscenze elementari di programmazione. Obiettivi Conoscenze: Struttura e istruzioni del microcontrollore (nc), con riferimento al PIC 16F84A. Schemi hardware di base e procedure software generali. Analisi di applicazioni scelte incentrate sul nc. Competenze: Programmare in assembly. Ideare e realizzare hardware e software di progetti anche complessi basati sul nc. La diffusione del microcontrollore (nc) ha contribuito in modo determinante a quella «svolta» che negli anni 90 ha caratterizzato lo sviluppo dell Elettronica favorendone la penetrazione sistematica in tutti i settori della tecnologia, dai più sofisticati quali le telecomunicazioni e la robotica ai più familiari e comprensibili quali la domotica. Conseguentemente una svolta di analogo impatto si è verificata nell arte della progettazione, cioè nel modo di «fare elettronica». Soluzioni circuitali raffinate, messe a punto per risolvere problemi progettuali complessi, molto spesso sono state rese obsolete dall impiego di questo componente. Nella progettazione con il nc la ricerca di soluzioni brillanti tende infatti a trasferirsi prevalentemente dall ambito dell hardware a quello del software o meglio del firmware. La grande novità del microcontrollore è stata quella di estendere il potente apporto del software al vasto campo dell elettronica diffusa, facendolo uscire dall ambito specialistico della scienza dei computer. Il binomio hardware e software al giorno d oggi caratterizza ormai tutte le apparecchiature elettroniche, dai sofisticati videofonini di tendenza alla modesta lavatrice di casa. Occorre quindi che il tecnico elettronico conosca a fondo entrambi questi aspetti della moderna progettazione e sia in grado di gestirli con competenza. 1.1 Impiego del microcontrollore Il microcontrollore (nc) è un vero e proprio elaboratore (fig. 1.1) dotato di una potente CPU (central processing unit: unità centrale di elaborazione), di memoria di programma non volatile (PROM) e di memoria dati RAM, caratterizzato da un elevato numero di microcontrollore È un circuito integrato costituito da una CPU, da memoria di programma PROM, da memoria dati RAM, da linee di, da timer e da periferiche di vario tipo.
2 Unità 1 Fig. 1.1 Struttura generale del microcontrollore. programma Il firmware, scritto al PC, viene scaricato in forma di codice oggetto nella memoria di programma del nc tramite un apposito programmatore. Memoria di programma Memorie dati Port di I/O CPU Timer Periferiche linee di ingresso-uscita raccolte in port (o porte) per il controllo dell ambiente esterno, da unità di temporizzazione (timer) e da periferiche di vario tipo per il trasferimento di dati e l elaborazione di segnali. Il tutto racchiuso nelle ridotte dimensioni di un normale circuito integrato. Il programma, scritto e assemblato al computer, tramite un apposito dispositivo programmatore viene caricato come codice oggetto nella memoria di programma del nc. Questa può essere di tipo PROM e in tal caso i microcontrollori sono detti OTP (one time programmable), ossia programmabili una sola volta, oppure può essere di tipo riprogrammabile, in particolare E 2 PROM o FLASH. È chiaro che in fase di sviluppo o per piccole serie vengono preferiti microcontrollori con memorie riprogrammabili. La memoria dati RAM, strutturata in registri, consente di immagazzinare i dati e di elaborarli. Ed è proprio nella efficiente utilizzazione e nella corretta gestione dei registri che si concentra gran parte del lavoro di programmazione del progettista. Le linee di sono a loro volta i mezzi che rendono possibile il collegamento elettrico ai dispositivi esterni con cui il nc deve interfacciarsi. È evidente che il numero di queste linee è un parametro importante per valutare la potenza del microcontrollore. Almeno un unità di temporizzazione è sempre presente nel microcontrollore; la sua utilità nella gestione temporale degli eventi è fondamentale. La dotazione di unità periferiche infine caratterizza in modo marcato il controllore, ne determina il campo di impiego ed è un indice della sua flessibilità e delle sue possibilità applicative. Porte per la trasmissione seriale USART, I 2 C, SPI, porte USB, porte di trasmissione a radiofrequenza sono ormai in dotazione di molti microcontrollori. A queste periferiche si deve ancora aggiungere la dotazione di comparatori analogici, convertitori analogico-digitali, generatori PWM, ecc., che allargano ancor più le potenzialità del nc. Le caratteristiche peculiari di questo innovativo componente in definitiva possono essere sintetizzate in: elevata potenza di elaborazione dei dati; estesa capacità di controllo sui dispositivi esterni; ridotte dimensioni e grande flessibilità, che consentono soluzioni hardware semplici e compatte; facilità di programmazione, supportata da sistemi di sviluppo completi e potenti. Tutto questo spiega il grande successo e la vasta diffusione dei microcontrollori nella moderna progettazione elettronica. Sul mercato sono disponibili nc di tutti i tipi, dai più semplici ed essenziali in contenitori da 8 pin ai più complessi forniti di ogni tipo di periferica per arrivare infine ai potenti DSC (digital signal controller) adatti a elaborare in tempo reale segnali audio e video. Molte delle principali Case costruttrici di semiconduttori offrono sul mercato le loro famiglie di microcontrollori: Intel, NEC, Toshiba, Philips Semiconductors, Texas Instruments, Atmel con gli AT Mega, Zilog con il suo Z8, ST Microelectronics con l ST7 e derivati, Microchip Technology con le varie famiglie PIC. In questa unità faremo riferimento al PIC 16F84A della Microchip (fig. 1.2) anzitutto perché si tratta di un classico microprocessore di media potenza, semplice da usare e nel contempo dotato di tutte le caratteristiche peculiari del suo genere. In secondo luogo perché è un componente molto conosciuto e utilizzato, che dispone di un abbondante letteratura e di una ricca biblioteca di programmi scaricabili da Internet.
Progettare con il microcontrollore 3 Fig. 1.2 Il microcontrollore PIC 16F84A della Microchip. 1.2 Struttura e caratteristiche del PIC 16F84A Il PIC 16F8A è un microcontrollore di fascia media dotato di un set di 35 istruzioni da 14 bit, che tratta dati da 8 bit ed è provvisto di memoria programma da 1 K e di 68 registri dati. Presenta inoltre 13 linee di ingresso-uscita ed è in grado di sentire interrupt di diversa origine. 1.2.1 Disposizione dei terminali Nella versione in contenitore DIP il PIC 16F84A si presenta con la disposizione dei terminali illustrata in fig. 1.3a. La descrizione dei suoi 18 pin, raggruppati secondo lo schema funzionale di fig. 1.3b, viene fornita nella tab. 1.1. PIC 16F84A È dotato di una memoria programmata di 1 K, di una memoria dati di 68 registri da 8 bit, di un timer e di 13 linee di. V DD Fig. 1.3 (a) Pin-out e (b) schema funzionale. RA2 RA3 RA4/T0CK1 MCLR 1 2 3 4 18 17 16 15 RA1 RA0 OSC1/CLKIN OSC2/CLKOUT V SS 5 14 V DD RB0/INT RB1 RB2 RB3 6 7 8 9 13 12 11 10 RB7 RB6 RB5 RB4 PIC 16F84A (a) MCLR OSC1/CLKIN OSC2/CLKOUT 4 16 15 14 PIC 16F84A 5 17 RA0 18 RA1 1 RA2 2 RA3 3 RA4 6 RB0 7 RB1 8 RB2 9 RB3 10 RB4 11 RB5 12 RB6 13 RB7 PortA PortB (b) V SS
4 Unità 1 Tab. 1.1 Terminali del PIC 16F84A. Nome n. YP Buffer Descrizione V DD 14 V SS 5 RA0 RA1 RA2 RA3 RA4YT 0CKI RB0YINT RB1 RB2 RB3 RB4 RB5 RB6 RB7 17 18 1 2 3 6 7 8 9 10 11 12 13 P P TTL TTL TTL TTL ST TTLYST TTL TTL TTL TTL TTL TTLYST TTLYST Alimentazione positiva. Riferimento di massa GND. Port A con 5 linee di tipo bidirezionale. Può essere selezionata come ingresso di clock per TMR0. Come uscita è di tipo open drain (drain aperto). Port B con 8 linee di tipo bidirezionale. Può essere selezionata anche come linea di interrupt. Linea di interrupt sul cambio di livello. Linea di interrupt sul cambio di livello. Linea di interrupt sul cambio di livello. In fase di programmazione è l ingresso di clock, di tipo ST. Linea di interrupt sul cambio di livello. In fase di programmazione è l ingresso dati, di tipo ST. MCLR 4 IYP ST Master clear (reset) attivo basso. In fase di programmazione gli viene applicata la tensione di programmazione. OSC1YCLKIN OSC2YCLKOUT 16 15 I O STYCMOS Ingresso dell oscillatoreyingresso clock esterno. Uscita dell oscillatoreyuscita clock con frequenza f osc Y4. I = ingresso, O = uscita, P = alimentazione, TTL = ingresso TTL, ST = ingresso a trigger di Schmitt. Alimentazione. Fra il terminale positivo V DD (14) e il terminale di massa V SS (5) va applicata la tensione di alimentazione, che deve presentare valori compresi fra 4 e 5,5 V. linee Le linee sia del port A sia del port B possono essere configurate individualmente come ingressi o come uscite. Port A e port B. Si individuano le 5 linee del port A (RA0 ' RA4) e le 8 linee del port B (RB0 ' RB7). Queste linee, che possono essere configurate come ingressi oppure come uscite, presentano livelli TTL compatibili e, se configurate come uscite, possono erogare o assorbire correnti di source o di drain fino a 25 ma. Si noti che RA4, che può fungere anche come ingresso di clock del timer TMR0, presenta uscita di tipo open drain e quindi come tale necessita di un resistore di pull-up esterno. Le linee del port B sono dotate di un pull-up interno, attivabile via software. La linea RB0 può essere usata come linea di interrupt. Anche le linee RA4 ' RA7 possono essere impiegate come ingressi di interrupt sensibili ai cambi di livello logico. MCLR. Il master reset, attivo a livello basso, presenta il suo vettore nella locazione della memoria di programma 000h, dalla quale il program counter (PC) riparte ogni volta che la linea MCLR viene attivata. In fase di programmazione del PIC a questa linea viene fornita la tensione di programmazione, mentre le linee RB6 e RB7 vengono usate rispettivamente come ingresso di clock e ingresso dati. OSC1/CLKIN, OSC2/CLKOUT. Sono rispettivamente il pin di ingresso e quello di uscita del segnale di clock. Normalmente vengono collegati a un circuito esterno che, insieme con l amplificatore interno all integrato, viene a costituire un vero e proprio oscillatore per la generazione del clock (vedi par. 1.5.1). Gli oscillatori previsti, che devono essere dichiarati in fase di programmazione del PIC, possono essere del seguente tipo: RC, che impiega una rete a resistenza e capacità; LP (low power), con rete a risonatore ceramico fino a 200 khz; XT (crystal), con quarzo fino a 4 MHz; HS (high speed), con quarzi fino a 20 MHz.
Progettare con il microcontrollore 5 1.2.2 Caratteristiche e organizzazione Il PIC 16F84A è dotato di tre diversi tipi di memoria: Memoria di programma. È di tipo FLASH, quindi elettricamente cancellabile, e comprende 1024 locazioni (1 K) di 14 bit con indirizzo da 000h a 3FFh (fig. 1.4). Nelle locazioni 000h e 004h sono allocati i vettori rispettivamente del reset e dell interrupt; ciò significa che dopo un reset o dopo un interrupt il programma riparte rispettivamente da 000h o da 004h. Memoria dati RAM. È costituita (fig. 1.5) da un blocco di registri di uso speciale e da un blocco di 68 registri di uso generale, tutti da 8 bit (1 byte). I registri di uso speciale sono suddivisi in due banchi, il Bank 0 con indirizzi da 00h a 0Bh e il Bank 1 da 80h a 8Bh. Quelli di uso generale sono allocati nel Bank 0 con indirizzi da 0Ch a 4Fh. La selezione dei bank avviene tramite il bit RP0 del registro STATUS (vedi più avanti). Vettore di RESET Vettore di INTERRUPT 000h 001h 002h 003h 004h 005h 3FEh 3FFh Fig. 1.4 Memoria di programma di tipo FLASH con locazioni di 14 bit. registri di uso speciale Sono suddivisi in due banchi, Bank 0 e Bank 1. registri di uso generale Sono 68 con indirizzo da 0Ch a 4Fh. File Address 00h Indirect addr. (1) 01h TMR0 02h PCL 03h STATUS 04h FSR 05h PORTA 06h PORTB 07h 08h EEDATA 09h EEADR 0Ah PCLATH 0Bh INTCON 0Ch Indirect addr. (1) OPTION PCL STATUS FSR TRISA TRISB EECON1 EECON2 (1) PCLATH INTCON File Address 80h 81h 82h 83h 84h 85h 86h 87h 88h 89h 8Ah 8Bh 8Ch Fig. 1.5 Memoria dati RAM con registri di 8 bit. 68 General Purpose Registers (SRAM) Mapped (accesses) in Bank 0 4Fh 50h CFh D0h 7Fh FFh Bank 0 Bank 1 Unimplemented data memory location, read as «0». (1) Not a physical register.
6 Unità 1 Memoria dati E 2 PROM. Di tipo non volatile e cancellabile elettricamente, è in grado di immagazzinare con una particolare procedura fino a 64 byte di dati. Fra i registri di uso corrente di cui dispone il PIC segnaliamo: Contatore di programma (PC). Il program counter a 13 bit si compone di un registro basso (PCL) a 8 bit e un registro alto PCH a 5 bit. In totale con 13 bit il PC è in grado di indirizzare fino a 8 K di memoria di programma. Questa caratteristica è pertanto sovrabbondante per la memoria di programma del PIC 16F84A, la cui estensione è di 1 K, ma è adatta invece per altri componenti della famiglia PIC, con memoria più ampia. Il PCL (indirizzo 02h o 82h) può essere letto e scritto direttamente come un normale registro. Per scrivere nel PCH occorre invece passare attraverso un particolare registro, il PCLATH (0Ah o 8Ah). Registro di lavoro W. È l accumulatore che nel PIC assume particolare importanza perché tutti gli spostamenti fra registri lo coinvolgono. TMR0. Questo registro a 8 bit, dotato di un prescaler, può fungere sia da timer sensibile a impulsi generati all interno del nc sia da contatore per impulsi esterni applicati dalla linea RA4YT 0CKI. Stack o Pila. Contiene gli indirizzi di ritorno delle subroutine ed è strutturata su 8 livelli consentendo così al programma di utilizzare fino a 8 subroutine nidificate, cioè interne una all altra. 1.3 Registri di uso speciale Come si può vedere in fig. 1.5 i registri di uso speciale (special function register) sono distribuiti su due banchi con indirizzo rispettivamente da 00h a 0Bh e da 80h a 8Bh. Nella tab. 1.2 accanto a ogni registro viene riportata la funzione o le sigle che contraddistinguono i suoi 8 bit. PORTA (05h) e PORTB (06h). A ogni loro bit corrisponde una ben determinata linea del porta e del portb. Se per esempio le linee del portb sono state configurate come uscite, caricare il registro PORTB con 01010101 significa portare la linea RB0 a livello alto, RB1 a livello basso, RB2 a livello alto e così via. Se invece le linee sono configurate come ingressi, la lettura dei registri fornisce il livello logico presente sulle linee. Le linee possono essere trattate sia individualmente sia complessivamente per registro. TRISA (85h) e TRISB (86h). Sono i registri che configurano individualmente le linee del porta e del portb come ingressi o come uscite. Ponendo i bit a 1 si configurano le linee corrispondenti come ingressi, ponendoli a 0 come uscite. PCL (02h) e PCLATH (0Ah). Il primo contiene gli 8 bit meno significativi del program counter PC. Può essere letto e scritto; la scrittura provoca il salto immediato del programma al nuovo indirizzo. Il PCLATH (PC latch high) può a sua volta essere scritto o letto. Il suo contenuto viene trasferito nel registro alto PCH del program counter in seguito a una istruzione di scrittura nel PCL oppure durante l esecuzione delle istruzioni GOTO e CALL. FSR (04h) e INDF (00h). Il primo viene usato come puntatore nell indirizzamento indiretto a registro. Una qualsiasi istruzione che coinvolga il secondo registro, INDF, in realtà viene ad avere come registro destinazione quello puntato da FSR, ossia quello il cui indirizzo è contenuto in FSR (vedi par. 1.6.7).