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Gene fu d Di eratore unzioni digitale i Marco Francesco e di
Generatore di
funzioni
digitale
Di Marco Francesco
Generatore di
funzioni
digitale
Di Marco Francesco
Generatore di
funzioni
Istituto Tecnico Industriale Statale
“Alessandro Volta”
Palermo
Progetto di un generatore di
funzioni digitale programmabile
Anno scolastico 2008/2009
Classe 5B
Di Marco Francesco
1
Indice:
1. Introduzione pag.2
2. Specifiche di progetto pag.3
3. Analisi progettuale pag.3
4. Generatore di clock pag.5
5. Contatore pag.9
6. Eprom pag.12
7. DAC pag.16
8. Condizionamento segnale pag.19
9. Alimentatore pag.21
10. Realizzazione pratica pag.24
11. Schemi e fotografie pag.26
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Introduzione
Lo studio della risposta dei circuiti elettronici necessita dell’utilizzo di un
generatore di funzioni che possa sollecitare l’ingresso di un circuito con diverse
forme d’onda, con frequenze e ampiezze regolabili in un elevato range.
I primi generatori di funzioni, di tipo analogico, basavano il loro funzionamento
su diversi oscillatori sinusoidali che, grazie a complessi circuiti di
sincronizzazione e controllo di frequenza e ampiezza, riproducevano forme
d’onda più o meno complesse (segnale rettangolare, a dente di sega,
triangolare, etc).
Tali circuiti andavano incontro a numerose problematiche, soprattutto per
quanto riguarda la stabilità dei parametri impostati (frequenza, ampiezza, duty
cycle) in funzione del tempo, della temperatura o di altre variabili che possono
influire la risposta di un qualsiasi componente elettronico.
Con l’avvento delle prime tecnologie digitali, i generatori di funzioni divennero
ben presto molto più precisi e personalizzabili. L’utilizzo di memorie digitali
come per la memorizzazione del valore istantaneo da mandare in uscita, portò
numerosi vantaggi: un numero più alto di segnali generabili, possibilità di
creare forme d’onda molto complesse, maggiore immunità ai disturbi, etc.
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Specifiche del progetto
Si è scelto di voler progettare un semplice generatore di funzioni che faccia uso
di logiche di tipo digitale per la generazione delle forme d’onda. Il dispositivo
deve avere le seguenti caratteristiche:
• Generazione di 16 segnali
• Ampiezza di uscita regolabile tra ± 1 ÷ 10v; con offset di ± 10v
• Frequenza del segnale 0.1 ÷ 1000 Hz
Analisi progettuale
Il dispositivo da progettare genera le forme d’onda analogiche in base a una
tabella di valori digitali. Un generatore di clock pilota un contatore binario che
permette lo scorrimento di locazioni di memoria dove è memorizzato il valore
esadecimale istantaneo di diversi campioni del segnali da riprodurre, tali dati
vengono quindi trasferiti sequenzialmente a un convertitore D/A, che provvede
a generare un segnale analogico proporzionale al valore binario ricevuto. Il
segnale analogico generato viene quindi condizionato tramite un amplificatore
operazionale, per adattare il suo livello in valori rispettanti le specifiche di
progetto. Un secondo op-amp aggiunge un offset al segnale risultante. In fig.1 è
mostrato lo schema a blocchi del circuito da realizzare.
Fig. 1: Schema a blocchi dell’intero sistema
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Come possiamo notare dalla fig.1, l’accuratezza dell’intero dispositivo dipende
principalmente dalla quantità di locazioni di memoria disponibili e dal numero
di bit usati per ogni campione. Dato che le specifiche non impongono vincoli
sull’accuratezza del segnale ricostruito in uscita, la risoluzione del DAC può
essere anche molto modesta per rispettare dei criteri di economicità; in
commercio si trovano a prezzo irrisorio memorie e DAC con capaci di lavorare
con 8 bit, più che sufficienti per il semplice uso a cui è destinato il generatore di
funzioni in una realizzazione didattica.
Viene quindi scelto un convertitore con 8 bit di ingresso, e una memoria
organizzata in 4K x 8bit, ovvero 4096 parole da 8 bit. In tal modo a ciascuna
delle 16 forme d’onda saranno assegnate 256 parole che convertite tramite il
DAC costituiscono 256 campioni per periodo. Per ottenere un corretto
indirizzamento devono essere collegati alle 8 linee meno significative di
ingresso in memoria i segnali provenienti da un contatore modulo 256. Le
restanti 4 linee verranno collegate a un selettore binario a 4bit, ovvero a 16
posizioni, tale selettore servirà per scegliere quale forma d’onda mandare in
uscita. La frequenza del segnale all’uscita del dispositivo dipenderà quindi
direttamente dalla frequenza del segnale di clock generato da un
multivibratore astabile; dato che per ogni periodo vengono letti 256 campioni
di segnale, la frequenza del segnale di clock dovrà essere 256 volte maggiore
rispetto alla frequenza del segnale che desideriamo in uscita.
Allo schema di fig.1 si dovrà quindi aggiungere un alimentatore stabilizzato che
fornisca i rail di alimentazione a tutte le parti del circuito.
Per comprendere meglio il funzionamento delle varie parti che compongono il
generatore è stata fatta un approfondita analisi di ognuno dei blocchi che
compone il sistema mettendo in evidenza le scelte progettuali e le soluzioni
circuitali.
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Generatore di clock
Il generatore di clock è un dispositivo che genera un segnale di tipo periodico
che viene utilizzato per scandire ad intervalli regolari la successione delle
operazioni in larga parte dei circuiti di tipo digitale. Nel caso del progetto in
esame viene usato come generatore della base dei tempi per il funzionamento
dell’intero generatore di funzioni. Tale segnale consiste in un onda quadra con
duty cycle del 50%, e periodo variabile in un ampio range di frequenze. Viene
generato tramite un multivibratore astabile, un dispositivo che presenta un
funzionamento a scatto, che spontaneamente passa per due condizioni
simmetriche di funzionamento con una precisa tempistica.
La soluzione circuitale scelta è basata sul comparatore LM311, di fig. 2, che
presenta due caratteristiche che lo rendono ideale per il nostro circuito:
• Bassa impedenza di uscita, realizzata con la soluzione circuitale
dell’open-drain, che permette un diretto interfacciamento a logiche di
tipo TTL o CMOS
• Condensatore di tempistica connesso tra un punto e la massa, per poter
più facilmente utilizzare capacità multiple commutate e quindi cambiare
facilmente il range di frequenze generate
Per il progetto in questione, è necessario di un generatore di clock che
consenta di variare la frequenza in un ampio range di valori, da 25.6 Hz a
256KHz. Il periodo di oscillazione potrà facilmente essere modificato mediante
l’inserimento di quattro valori di capacità e di un potenziometro resistivo. Un
selettore rotativo a quattro posizioni permetterà di selezionare la decade di
frequenza desiderata, mentre il potenziometro regolerà i valori entro la decade
scelta.
Fig. 2: Schema elettrico del generatore di clock
Proseguiamo ora con un attenta analisi del circuito proposto.
reazione positiva fa dipendere la tensione di ingresso non invertente V
tensione di uscita V0. L’LM311 è un comparatore di
in funzione degli ingressi secondo la seguente legge:
La V0 al livello basso è circa 0, poiché rappresenta la tensione V
del transistor che pilota l’uscita del comparato
dalla caduta di tensione ai capi di R
causata dalla corrente che scorre su R
condensatore. Per minimizzare gli effetti dovuti a questa caduta di t
ottenere un fronte di salita ripido e compatibile con il blocco digitale successivo
(contatore modulo 256), occorre che la corrente di carica del condensatore sia
piccola, e che la tensione sulla R
livello alto sia quasi 5v. Si assumono i seguenti valori:
: Schema elettrico del generatore di clock
Proseguiamo ora con un attenta analisi del circuito proposto.
reazione positiva fa dipendere la tensione di ingresso non invertente V
. L’LM311 è un comparatore di tensione, la sua uscita varia
in funzione degli ingressi secondo la seguente legge:
al livello basso è circa 0, poiché rappresenta la tensione V
del transistor che pilota l’uscita del comparatore. Al livello alto, V
dalla caduta di tensione ai capi di R3. Questa d.d.p., che risulta indesiderata, è
causata dalla corrente che scorre su R6, e dalla corrente che carica il
condensatore. Per minimizzare gli effetti dovuti a questa caduta di t
ottenere un fronte di salita ripido e compatibile con il blocco digitale successivo
(contatore modulo 256), occorre che la corrente di carica del condensatore sia
piccola, e che la tensione sulla R3 si riduca velocemente, in modo tale che V
livello alto sia quasi 5v. Si assumono i seguenti valori:
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Proseguiamo ora con un attenta analisi del circuito proposto. La rete di
reazione positiva fa dipendere la tensione di ingresso non invertente V+ dalla
tensione, la sua uscita varia
al livello basso è circa 0, poiché rappresenta la tensione Vce di saturazione
re. Al livello alto, V0 dipende
. Questa d.d.p., che risulta indesiderata, è
, e dalla corrente che carica il
condensatore. Per minimizzare gli effetti dovuti a questa caduta di tensione, ed
ottenere un fronte di salita ripido e compatibile con il blocco digitale successivo
(contatore modulo 256), occorre che la corrente di carica del condensatore sia
locemente, in modo tale che V0 al
7
R3 = 330Ω; R4 = R5 = 22KΩ; R6 = 33KΩ. Con questi valori la V0 arriva a 4.9v,
ovvero molto prossima a 5v.
R1 ed R2 vanno dimensionati in base alla frequenza desiderata per il segnale di
uscita. Per mantenere piccola la corrente che scorre sul condensatore, R1 non
deve avere valore troppo basso. Le costanti di carica e di scarica sono:
;
Le soglie imposte tramite R4, R5 ed R6, fanno caricare ciclicamente la capacità
tra 1.8v e 3.1v. Dalla relazione:
Otteniamo che 0.5 e che 0.5 ; il periodo sarà quindi uguale a:
0.5 2 2
A seconda del valore assunto dal potenziometro R2, il periodo avrà come valori
limite:
0.5 2 2 ; 0.5 2
Che rappresentano i valori estremi di ogni decade di frequenza. Pertanto si
deduce che:
10 " 10 5
Se Tmin = 3.7µs (frequenza massima, pari a 270KHz), se poniamo C = 1nF, si ha
che 2R1 + R3 = 7.4KΩ, quindi R1=3.5KΩ. Per semplicità si sceglie la coppia di
valori commerciali R1 = 3.3KΩ, R2 = 47KΩ.
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Fig. 3: Il processo di carica e scarica della capacità
Vc
Vo
3.1v
1.8v
5v
Contatore
Il circuito digitale che segue il generatore di clock è un contatore binario a 8 bit
modulo 256 ottenuto mediante
bit modulo 16, montato come in fig.4.
piloteranno le linee indirizzi
sequenziale in grado incrementare il valore binario
volta incontra un impulso di clock.
utilizzato per il conteggio, deve esistere un sufficiente intervallo di tempo
due impulsi successivi perché il contatore riesca a registrarli cor
questo tempo minimo si chiama risoluzione del sistema e determina la
massima frequenza di lavoro. Il modulo di un contatore è il numero di
configurazioni differenti che egli consente di ottenere; ad esempio, un
contatore binario a 3 bit consent
si dice che è modulo 8. In generale M = 2
Un contatore si avvale di diverse unità di memoria semplici ad un bit, chiamate
flip-flop, collegate l’una in cascata all’altra.
Fig. 4: Schema elettrico di un contatore modulo 256
Il circuito digitale che segue il generatore di clock è un contatore binario a 8 bit
modulo 256 ottenuto mediante il collegamento in cascata di due contatori a 4
, montato come in fig.4. Le 8 linee d’uscita del contatore
oteranno le linee indirizzi A0 : A7 della EPROM. Il contatore è una rete
incrementare il valore binario presente in uscita ogni qual
volta incontra un impulso di clock. In generale, qualunque sia il dispositivo
utilizzato per il conteggio, deve esistere un sufficiente intervallo di tempo
due impulsi successivi perché il contatore riesca a registrarli cor
questo tempo minimo si chiama risoluzione del sistema e determina la
massima frequenza di lavoro. Il modulo di un contatore è il numero di
configurazioni differenti che egli consente di ottenere; ad esempio, un
contatore binario a 3 bit consente di ottenere 23 configurazioni diverse, per cui
si dice che è modulo 8. In generale M = 2n, in cui n è il numero di bit.
Un contatore si avvale di diverse unità di memoria semplici ad un bit, chiamate
flop, collegate l’una in cascata all’altra.
: Schema elettrico di un contatore modulo 256
9
Il circuito digitale che segue il generatore di clock è un contatore binario a 8 bit
il collegamento in cascata di due contatori a 4
Le 8 linee d’uscita del contatore
della EPROM. Il contatore è una rete
presente in uscita ogni qual
In generale, qualunque sia il dispositivo
utilizzato per il conteggio, deve esistere un sufficiente intervallo di tempo tra
due impulsi successivi perché il contatore riesca a registrarli correttamente;
questo tempo minimo si chiama risoluzione del sistema e determina la
massima frequenza di lavoro. Il modulo di un contatore è il numero di
configurazioni differenti che egli consente di ottenere; ad esempio, un
configurazioni diverse, per cui
, in cui n è il numero di bit.
Un contatore si avvale di diverse unità di memoria semplici ad un bit, chiamate
10
I contatori possono distinguersi in sincroni e asincroni, ciò in relazione alla
modalità di acquisizione ed elaborazione del dato.
Nei contatori asincroni l’impulso di conteggio non è inviato
contemporaneamente a tutti i flip-flop e quindi questi non possono commutare
simultaneamente. Considerando la disposizione in cascata dei flip-flop, segue
che l’uscita di ciascuno genera l’impulso di comando del flip-flop successivo. Si
parla, per questo motivo di contatori asincroni di tipo serie. Questo modo di
funzionamento produce la configurazione d’uscita con un tempo di ritardo
dipendente dal numero di flip-flop in cascata che hanno commutato. Tale
ritardo limita pesantemente il valore massimo della frequenza di conteggio; di
contro questo contatore presenta una notevole semplicità circuitale.
Nei contatori sincroni invece l’impulso di conteggio è inviato in modo
contemporaneo a tutti i flip-flop permettendone la commutazione simultanea;
i vari flip-flop hanno quindi la stessa priorità, e si parla per questo di contatori
di tipo parallelo. Il ritardo di commutazione di questo contatore è dovuto
quindi al tempo di commutazione di un singolo flip-flop, quindi la massima
frequenza di conteggio è maggiore di quella ammessa per i contatori asincroni.
Essendo il nostro blocco di conteggio costituito da due contatori modulo 16
perfettamente identici sarà sufficiente analizzare il funzionamento di uno, in
quanto rispecchierà il principio di funzionamento di conteggio del blocco.
Fig. 5: Schema interno di un 74LS393
11
In fig.5 possiamo osservare lo schema funzionale di un 74LS393, che contiene
al suo interno quattro flip-flop di tipo JK.Il segnale di clock proveniente dal
blocco precedente viene applicato all’incresso CP del primo flip-flop. Ad ogni
impulso di clock, in corrispondenza di uno dei due fronti del segnale, il primo
flip-flop varia la sua uscita invertendone lo stato logico. Abbiamo quindi
ottenuto un segnale in uscita di frequenza dimezzata rispetto al segnale di
comando. Collegando l’uscita di questo flip-flop all’ingresso del seguente,
otteniamo il risultato desiderato. In fig.6 possiamo vedere lo schema dei vari
segnali generati in funzione del tempo.
Fig. 6: Diagramma tempistiche delle uscite di un 74LS393
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Eprom
La EPROM, acronimo di Erasable Programmable Read Only Memory, è una
memoria di sola lettura cancellabile tramite un esposizione ai raggi ultravioletti.
Si tratta di un evoluzione della PROM, che una volta programmata non poteva
più essere cancellata; la EPROM invece può essere totalmente cancellata (per
un numero limitato di volte) e riprogrammata a piacimento. Sono quindi
utilizzabili anche nel caso si preveda una modifica del loro contenuto.
Le EPROM sono realizzate in tecnologia MOS, il principio di funzionamento
delle EPROM infatti si basa su un particolare transistor detto FAMOS (Flooting
Gate Avalance Injection MOS) di cui se ne mostra la costruzione fisica in fig.7
Fig. 7: Struttura interna di un FAMOS e relativo simbolo elettrico
Lo scopo del progetto è quello di costruire un generatore di funzioni che possa
fornire forme d’onda complesse utilizzando tecniche digitali secondo il
principio di funzionamento dei generatori di funzioni arbitrarie (AFG). Questo
tipo di generatori implica l’utilizzo di una memoria ad alta velocità all’interno
della quale deve essere preventivamente caricata una sequenza di valori
numerici che definisce la forma, il periodo ed il contenuto armonico delle
funzioni desiderate. Ogni cella di memoria conterrà un valore numerico
(espresso in bit) che insieme ai valori contenuti nelle altre celle di una ben
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definita area di memoria dovrà riprodurre la forma del segnale in questione. I
segnali analogici saranno allora costituiti da campioni, ottenibili tramite una
conversione digitale-analogica, la cui ampiezza sarà proporzionale al valore
numerico contenuto nelle rispettive celle.
L’accuratezza con la quale sarà possibile ricostruire il segnale dipenderà dal
numero di campioni che lo definiscono, quindi dal numero di celle di memoria e
in definitiva dalla capacità della memoria stessa. Per quanto i segnali in uscita al
generatore non presentino andamento perfettamente continuo, gli AFG
permettono di ottenere qualsiasi segnale desiderato purché esprimibile
attraverso una formula matematica. Per questo motivo, e per la stabilità del
segnale ottenuto, in molte applicazioni i generatori a tecnica digitale
sostituiscono i classici generatori a tecnica analogica.
Scelta della memoria
La realizzazione del generatore di funzioni programmabile necessita di una
memoria che sia in grado di memorizzare parole corrispondenti a campioni dei
segnali da generare per renderli successivamente disponibili in sequenza,
indirizzando in modo incrementale le successive celle di memoria. Considerato
che un generatore di forme d’onda deve essere una apparecchiatura
trasportabile e che sarebbe, comunque, impensabile tenerlo continuamente
alimentato, la scelta della memoria ricade su di un tipo non volatile. Scartata la
possibilità di scegliere memorie RAM aventi buoni tempi di accesso, bisogna
trovare una memoria di tipo ROM o SAM altrettanto veloce come le già citate
memorie volatili. Tra le specifiche del progetto, infatti, è richiesta una
frequenza massima selezionabile di 1KHz a cui corrisponde un periodo di 1ms;
considerato ciò bisogna scegliere una memoria che abbia tempi d’accesso
molto minori del periodo del segnale da generare. A questo punto si possono
escludere dalla nostra scelta anche le memorie SAM, i quali tempi i accesso,
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oltre ad essere dipendenti dalla posizione del dato in memoria, sono compresi
tra il microsecondo ed il centinaio di microsecondi. Tra le memorie di tipo ROM
si è scelto di utilizzare una EPROM, infatti, si sono scartate le PROM poiché si è
considerata la necessità di cambiare col tempo le forme d’onda da generare
adeguandosi alle necessità del momento. Così si è scelta una EPROM 2732A a
32Kbit di capacità; le specifiche non richiedevano d'altronde particolare
precisione nei segnali di uscita, migliorabile, da questo punto di vista, da una
EPROM a capacità più elevata che potesse immagazzinare al proprio interno un
numero di campioni maggiori in un periodo. La soluzione scelta è risultata
comunque la più economica e sicuramente la più pratica.
L’EPROM 2732A, è una memoria con capacità di 32Kbit. Tali bit sono organizzati
in 4K (4096) parole ciascuna di lunghezza 8 bit. Sebbene sia realizzata in
tecnologia NMOS, tutti i piedini supportano lo standard TTL.
Fig. 8: Schema a blocchi interno della EPROM 2732A
La 2732A si presenta in un
contenitore a 24 pin e lavora
correttamente in un range di
temperatura compreso tra 0 e
70°C. In fig.8 si mostra lo schema
funzionale dell’integrato nel quale
si osserva la presenza di 12 linee
di indirizzo A0……A11 per la selezione dei 4096 byte, 8 linee dati di uscita
Q1……Q8 e due linee di controllo: G/Vpp per abilitare le linee di uscita e E per
l’abilitazione dell’integrato.
Organizzazione della memoria
Si è scelto di sfruttare la EPROM 2732° utilizzando 16 locazioni da 256 byte
ciascuna a cui corrispondono 16 diversi se
si è suddivisa la memoria per poter accogliere i 16 segnali:
Fig. 9: Mappa della memoria
Organizzazione della memoria
Si è scelto di sfruttare la EPROM 2732° utilizzando 16 locazioni da 256 byte
ciascuna a cui corrispondono 16 diversi segnali. Nella fig.9 viene mostrato come
si è suddivisa la memoria per poter accogliere i 16 segnali:
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Si è scelto di sfruttare la EPROM 2732° utilizzando 16 locazioni da 256 byte
Nella fig.9 viene mostrato come
16
Convertitore digitale-analogico
Il DAC (Digital Analog Converter) è un circuito integrato capace di convertire un
segnale di tipo digitale in un altro di tipo analogico, proporzionale ad esso. Lo
schema a blocchi di un DAC è mostrato in fig.10. Un importante distinzione da
fare a priori è quindi quella tra segnale digitale e segnale analogico.
Fig. 10: Schema funzionale di un DAC
E considerato segnale digitale quello la cui forma d’onda presenta, almeno
idealmente, transizioni nette tra valori distinti (bit), mentre i segnali che
possono assumere qualsiasi valore sono detti analogici. Per quanto riguarda i
segnali digitali, al livello di tensione basso viene attribuito valore logico 0,
mentre a quello alto si è dato valore logico 1. Le transizioni non sono
comunque continue ma si alterano secondo l’informazione che contengono,
costituita da un determinato numero di bit a durata costante. L’insieme di un
determinato numero di bit viene detto “parola”, ed ha un contenuto
informatico che il DAC dovrà convertire in analogico. È ovvio che con n bit si
possono rappresentare 2n informazioni. Fatta distinzione tra i due tipi di
segnale, è importante comprendere perché è preferibile, a volte, lavorare con
17
segnali digitali rispetto ai segnali analogici. L’elaborazione puramente analogica
soffre di notevoli limitazioni riguardanti il rumore, la variazione dei parametri
circuitali nel tempo, l’influenza delle condizioni ambientali. Per ovviare a tali
problemi, si utilizzano quindi segnali di tipo digitale, i quali sono leggibili anche
se la loro forma d’onda risulta distorta; con ciò non è detto che comunque i
segnali digitali non presentano problemi. Un sistema digitale non è in grado di
elaborare il segnale in maniera continua dato che il loro funzionamento
dipende da un segnale di clock e quindi ogni operazione può avvenire soltanto
in istanti di tempo ben definiti dal segnale di clock.
Come già detto, un segnale analogico può assumere infiniti valori, mentre la
sua rappresentazione digitale può assumere soltanto un numero limitato di
valori, detti discreti. Il processo di quantizzazione si occupa di associare ad un
determinato range di valori analogici una corrispettiva approssimazione
digitale. Una parola composta da un numero più elevato di bit permette
un’approssimazione minore ed una conseguente riduzione dell’errore di
quantizzazione. Un numero di bit maggiore porta quindi all’aumentare della
risoluzione di conversione di un DAC.
L’introduzione del DAC nel circuito del generatore di funzioni, è utile per poter
convertire i segnali digitali uscenti dalla EPROM, espressi in codice binario, in
un segnale analogico che segue l’andamento del segnale desiderato. Utilizzato
per tale proposito è il DAC 0800 il quale ha una scarsa risoluzione, infatti
dispone di solo 8 ingressi digitali, che permettono di avere in uscita solo 28
valori, ovvero 256 livelli di tensione, ognuno dei quali rappresenterà un
possibile valore istantaneo della forma d’onda in uscita. Se avessimo voluto una
migliore risoluzione avremmo dovuto utilizzare un DAC con un maggior numero
di ingressi, una EPROM che lavora ad un numero di bit maggiore, un contatore
a modulo più elevato.
18
In fig.11 è mostrato lo schema a blocchi del DAC 0800 dove sono ben visibili la
rete a scala R2R e le uscite di corrente.
Fig. 11: Schema a blocchi del DAC 0800
Fig. 12: Schema elettrico di collegamento del blocco DAC.
Come si può vedere dallo
schema elettrico di fig.12, VR-
deve essere posta a massa in
modo che l’uscita di tale
comparatore dia una tensione di
saturazione massima utile per
polarizzare direttamente le basi
dei transistor utilizzati come
deviatori, che vengono
comandati dallo stato dei bit in
ingresso.
19
Condizionamento segnale di uscita
La scelta dell’utilizzo di due amplificatori operazionali per il condizionamento
del segnale di uscita, non è stata particolarmente difficile, in quanto uno dei
vantaggi che si ottiene impiegando un amplificatore operazionale è quello di
avere a disposizione dentro un piccolo involucro una catena di transistor
amplificatori già elettricamente collegati fra loro con resistenze di
polarizzazione e condensatori di disaccoppiamento, che, se venisse realizzato
con componenti discreti richiederebbe spazi notevoli. Inoltre, un amplificatore
operazionale può essere utilizzato per amplificare segnali sia alternati che
continui; altra caratteristica fondamentale risiede nell’impedenza di uscita
bassissima che permette un accoppiamento perfetto con qualsiasi tipo di
circuito a valle senza ottenere attenuazioni.
Nel nostro progetto utilizziamo un TL082, un integrato che in un semplice case
DIP-8 integra al suo interno due amplificatori operazionali, che possiedono uno
slew-rate elevato che permette di garantire delle rapide commutazioni quando
il segnale si uscita raggiunge velocemente un valore limite.
Il principale vantaggio che presenta un amplificatore operazionale è quello di
poterlo reazionare molto facilmente senza pericoli che si creino delle
autoscillazioni e di poterlo adattare ad un determinato guadagno modificando
semplicemente una resistenza, indipendentemente dalla tensione di
alimentazione.
La rete di reazione che è necessaria all’amplificatore è molto semplice, in
quanto si tratta, nella configurazione più semplice, di sole due resistenze.
Dalla retroazione dipendono:
• il guadagno di tensione che, una volta fissato non subisce più alcuna
variazione anche alimentando l’amplificatore con tensioni diverse, tale
guadagno è anche insensibile a variazioni di temperatura
• l’impedenza di ingresso che è possibile modificare realizzando così uno
stadio ad alta impedenza a seconda delle esigenze
• la risposta in frequenza dell’amplificatore, in quanto è possibile realizzare
con estrema facilità filtri passa alto, passa basso, passa banda,
integratori, derivatori, sommatori, amplificatori logaritmici,
semplicemente con l’aggiunta di pochi componenti esterni
Il TL082 è un dispositivo composto da due amplificatori operazionali con i
differenziale a JFET, ad alta velocità ed a basso costo, con una regolazione
interna della tensione di offset di ingresso
è quella di sottrarre alla corrente entrate nel DAC (poiché negata), una corrente
offset di 1mA, in modo che nell’anello di reazione passi una corrente
alternativa tra +1mA e
corrente in una tensione di ampiezza regolabile attraverso il potenziometro R
Fig. 13: Schema elettrico del circuito di condizionamento
l’impedenza di ingresso che è possibile modificare realizzando così uno
lta impedenza a seconda delle esigenze
a in frequenza dell’amplificatore, in quanto è possibile realizzare
con estrema facilità filtri passa alto, passa basso, passa banda,
integratori, derivatori, sommatori, amplificatori logaritmici,
nte con l’aggiunta di pochi componenti esterni
Il TL082 è un dispositivo composto da due amplificatori operazionali con i
, ad alta velocità ed a basso costo, con una regolazione
interna della tensione di offset di ingresso. La funzione del primo amplificatore
è quella di sottrarre alla corrente entrate nel DAC (poiché negata), una corrente
offset di 1mA, in modo che nell’anello di reazione passi una corrente
alternativa tra +1mA e -1mA. Esso ha anche il compito di convertire tale
rrente in una tensione di ampiezza regolabile attraverso il potenziometro R
: Schema elettrico del circuito di condizionamento
20
l’impedenza di ingresso che è possibile modificare realizzando così uno
a in frequenza dell’amplificatore, in quanto è possibile realizzare
con estrema facilità filtri passa alto, passa basso, passa banda,
integratori, derivatori, sommatori, amplificatori logaritmici,
nte con l’aggiunta di pochi componenti esterni
Il TL082 è un dispositivo composto da due amplificatori operazionali con input
, ad alta velocità ed a basso costo, con una regolazione
ione del primo amplificatore
è quella di sottrarre alla corrente entrate nel DAC (poiché negata), una corrente
offset di 1mA, in modo che nell’anello di reazione passi una corrente
1mA. Esso ha anche il compito di convertire tale
rrente in una tensione di ampiezza regolabile attraverso il potenziometro R15.
21
Il secondo amplificatore svolge la funzione di sommatore invertente in quanto
inverte la tensione uscente dal primo amplificatore ed in più somma ad essa
una tensione di offset compresa tra ± 10v. La tensione di offset viene regolata
attraverso una rete composta dalle resistenze R17 e R19, dal potenziometro R18 e
dal deviatore Sw3, che permette di inserire o meno la tensione di offset. Questa
tensione viene ricavata tramite il partitore composto da R17, R18 e R19.
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Alimentatore
Ogni circuito elettrico necessita di una adeguata alimentazione. I vari circuiti
proposti nelle pagine precedenti richiedono diversi rail di alimentazione:
Integrato Alimentazione
LM 311 5v 74LS393 5v
2732A 5v
DAC 0800 ± 12v
TL 082 ± 12v
Si rende quindi necessario progettare un alimentatore stabilizzato capace di
fornire una tensione duale di 12v e una tensione positiva di 5v.
L’energia viene prelevata dalla rete elettrica nazionale, quindi avremo una
tensione alternata sinusoidale, di valore efficace 230v, e frequenza 50Hz.
Come possiamo vedere in fig.14 viene utilizzato un trasformatore con un
secondario provvisto di presa centrale, capace di fornire due tensioni alternate
in fase, ognuna di ampiezza 15v efficaci.
Fig. 14: Schema elettrico alimentatore stabilizzato
I quattro diodi posti all’uscita del trasformatore hanno il compito di raddrizzare
la tensione sinusoidale trasformandola in un segnale unipolare semi-
sinusoidale. Tale segnale, inadatto a pilotare direttamente i dispositivi di
stabilizzazione, viene trasformato in un due rail tensione continua dalle
capacità elettrolitiche da 470µF. I tre integrati utilizzati sono stabilizzatori
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lineari di tensione, che provvedono a creare una tensione continua con
bassissimo ripple, che non cambia il suo valore in base al carico applicato. Il
7812 provvede a fornire in uscita una tensione positiva di 12v, il rail negativo
complementare viene fornito invece dal 7912. Il 7805 fornisce invece la
tensione di +5v, utile al funzionamento del generatore di clock, del contatore,
della EPROM e del led indicante l’accensione del dispositivo. Le capacità
ceramiche da 100nF presenti tra l’ingresso di ogni stabilizzatore e la massa
servono a prevenire eventuali oscillazioni interne degli stabilizzatori.
Il led è collegato alla tensione di 5v tramite una resistenza limitatrice da 330Ω,
posta in serie allo stesso, con lo scopo di far scorrere una corrente di circa
10mA nel diodo, più che sufficienti per una chiara indicazione dello stato.
Realizzazione pratica
Vista la complessità del circuito, la realizzazione dell’intero progetto in un'unica
scheda sarebbe stata di
dovute usare basette presensibilizzate a doppia faccia, c
ne conseguono.
Si è scelto quindi di realizzare il circuito come in fig.15, in maniera modulare,
realizzando 5 schede separate. Osservando
possibile realizzare:
1. una scheda per il generatore
2. una scheda che racchiude il contatore modulo 256, la EPROM e il DAC
3. una scheda per il circuito di condizionamento
4. una scheda per l’alimentatore
5. una scheda di bus
Fig. 15: Progetto realizzazione pratica generatore di funzioni
Realizzazione pratica
Vista la complessità del circuito, la realizzazione dell’intero progetto in un'unica
difficile realizzazione pratica in quanto
basette presensibilizzate a doppia faccia, con tutti i problemi che
Si è scelto quindi di realizzare il circuito come in fig.15, in maniera modulare,
realizzando 5 schede separate. Osservando gli schemi elettrici si è notato che è
una scheda per il generatore di clock
una scheda che racchiude il contatore modulo 256, la EPROM e il DAC
una scheda per il circuito di condizionamento
una scheda per l’alimentatore
: Progetto realizzazione pratica generatore di funzioni
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Vista la complessità del circuito, la realizzazione dell’intero progetto in un'unica
difficile realizzazione pratica in quanto si sarebbero
on tutti i problemi che
Si è scelto quindi di realizzare il circuito come in fig.15, in maniera modulare,
gli schemi elettrici si è notato che è
una scheda che racchiude il contatore modulo 256, la EPROM e il DAC
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Le schede 1 – 2 – 3 – 4, verranno montate in verticale sulla scheda 5, tramite
dei connettori a 12 pin. La scheda bus è semplicemente realizzata tramite 4
connettori collegati l’un l’altro in parallelo. In fig.16 è mostrata la funzione di
ogni pin. Per ragioni estetiche e funzionali si è scelto di utilizzare una
dimensione standard per le quattro schede, come mostrato in fig.17. Nei punti
A – B – C verranno posti i comandi presenti in ogni scheda, secondo la tabella in
fig.18, al fine di avere le manopole allineate nel pannello frontale. La presa BNC
viene collocata nella scheda 4 (alimentatore)
Fig. 16: Piedinatura connettore Fig. 17: Dimensione scheda 1 – 2 – 3 – 4
Fig. 18: Posizione controlli
Scheda Controllo
A B C
1 Selezione frequenza −
Regolazione frequenza
2 Selezione funzione − −
3 Regolazione
ampiezza Regolazione
offset Offset
ON/OFF
4 Led − BNC
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Schemi elettrici e fotografie
Nelle pagine seguenti verranno mostrati gli schemi elettrici finali di ciascuna
delle cinque schede che compongono il circuito
1. Scheda “Generatore di clock”
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2. Scheda “Contatore + memoria + DAC”
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3. Scheda “Condizionamento”
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4. Scheda “Alimentatore”
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5. Scheda “Bus”
