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ElapB5
23/09/2014
Ingegneria dell’Informazione
Lez. B5: generatori di onda quadra
• Generatori di impulsi (monostabili)
ELETTRONICA APPLICATA
E MISURE
• Generatori di onda quadra
– Circuito con Schmitt trigger
– Generatore di onda quadra e triangolare
Dante DEL CORSO
• Altri generatori di segnale
B5 – Generatori di onda quadra
»
»
»
»
– Porte e reti RC
– Generatori con quarzo
Generatori di impulsi
Circuito con Schmitt trigger
Circuito con integratore
Altri generatori di segnale
• Riferimenti
– N. Storey:
EN: Chapt. 24.3
– F. Maloberti: Understanding Microelectr…:
AA 2014-15
23/09/2014 - 1
ElapB5 - 2014 DDC
IT: no
Chapt. 14.2/3
23/09/2014 - 2
ElapB5 - 2014 DDC
Oscillatori, generatori di segnale
Parametri di segnali a onda quadra
• Generatori di segnale continuo (oscillatori):
TH
– Forma (sinusoide, quadro, triangolo, ..)
– Ampiezza
– Frequenza/periodo
TL
VH
VL
T
Parametri di segnali a
onda quadra o rettangolare
Livelli:
VH,VL
Periodo:
T = TH + TL
Frequenza:
f = 1/T
Duty Cycle:
DC = TH/T
TL = TH (DC del 50 %)
 ONDA QUADRA
• Generatori di impulsi
TL ≠ TH (DC qualsiasi),
 ONDA RETTANGOLARE
(serie di IMPULSI)
– Monostabili
– Durata, frequenza, duty cycle
(tempi di salita e discesa TR , TF non indicati nei diagrammi)
23/09/2014 - 3
ElapB5 - 2014 DDC
23/09/2014 - 4
ElapB5 - 2014 DDC
Parametri di segnali impulsivi
Generatore di impulso
• E’ un circuito MONOSTABILE
W
• Genera un singolo impulso di larghezza W in
corrispondenza di una transizione all’ingresso
A
T
Parametri:
Ampiezza:
Larghezza:
Periodo:
VI
A
W
T
t1
(Frequenza f = 1/T)
(Duty Cycle: DC = TH/T)
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© 2014 DDC
VI
Attivato dal fronte
di salita di Vi
ElapB5 - 2014 DDC
23/09/2014 - 6
VO
W
VO
t1
Impulso positivo
all’uscita Vo
ElapB5 - 2014 DDC
1
ElapB5
23/09/2014
Impulso su fronte di salita
Come generare impulsi/ritardi
• Elementi di ritardo + rete combinatoria (analog., digit.)
• Circuiti analogici
– Celle passa basso/alto (RC, LRC, integrative/derivative, …)
» Variazione lenta del segnale, transizioni multiple,
– Porte logiche (ritardo legato alla tecnologia)
• Impulso ottenuto dal segnale di ingresso e sua copia
con ritardo
SIG-A
• Occorre
riconoscere
lo stato 1, 0:
• Circuiti digitali
T
SIG-B
SIG-C
– SIG-C = SIG-A and SIG-B*
– Circuiti sequenziali (FSM), contatori
– Durata precisa
– Soluzione adatta per sistemi integrati
• Realizzato con
SIG-A
rete combinatoria
+ elemento di ritardo
• Direttamente a SW (loop, …)
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ElapB5 - 2014 DDC
SIG-B
T
23/09/2014 - 8
ElapB5 - 2014 DDC
Allungatore (stretcher) di impulso
Ritardo con cella RC
• Tecnica analoga al generatore di impulsi
VH
R
• Possibili diverse combinazioni salita/discesa
VI
SIG-B
T
SIG-A
SIG-C
VS
VC
C
VL
T’
SIG-D
t
VC(t) = VH - (VH - VL) e-t/RC
SIG-A
VC(T’) = VS = VH - (VH - VL) e-T’/RC
T
T
e-T’/RC = (VS - VH) / (VH - VL)
SIG-B
SIG-D
T’ = RC ln [(VH - VS)/(VH - VL)]
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ElapB5 - 2014 DDC
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ElapB5 - 2014 DDC
Monostabili derivativi
Monostabile rigenerativo
C
VI
R
VO
C
t
VT
V’I
T = loge (VH/VT)
23/09/2014 - 11
© 2014 DDC
R
VO
t
 = RC
VT = VH e -T/
VI
L’impulso di ingresso
viene “allungato” dalla
reazione attraverso la
porta OR
VO
T
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ElapB5 - 2014 DDC
2
ElapB5
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Esercizio B5.1: monostabile
•
Generare un impulso positivo (010) di durata 1 μs in
corrispondenza della transizione HL di un segnale
digitale.
a. Tracciare un circuito che utilizza porte logiche e ritardo (C,
R)
b. Indicare da quali parametri dipende la durata dell’impulso
c. Tracciare un circuito (digitale) in cui la durata dell’impulso è
controllata da un Clock esterno
Esercizio B5.1-a: monostabile
• Occorre un elemento di ritardo e una porta, che deve
riconoscere 0, 1: AND con un ingresso negato
____
_____
_____
IN
\_______/
\______/
_______
______
___
RIT
\______/
\_____/
___
__
OUT ____/
\__________/ \________
d. Proporre altre soluzioni
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ElapB5 - 2014 DDC
Lez. B5: generatori di onda quadra
• Generatori di impulsi (monostabili)
Generatore di onda quadra - a
• Rete RC passa-basso pilotata
da un segnale binario
– Derivativi
– Integrativi
R
– il condensatore si carica/scarica
con andamento esponenziale
C
VC
• Generatori di onda quadra
– Circuito con Schmitt trigger
– Generatore di onda quadra e triangolare
• Confronto della tensione su
C con livello min e max
– Porte e reti RC
– Generatori con quarzo
• L’uscita del comparatore
pilota la rete RC
• Esperienza di laboratorio
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C
Il condensatore si
carica e scarica tra
le soglie S1 e S2
VU
VC
C
VU
VC
ElapB5 - 2014 DDC
VS2
VS1
VUL
VS2
VC
T’
t
VC(t) = VUL - (VUL - VS2) e-t/RC
VC
VC(T’) = VS1 = VUL - (VUL - VS2) e-T’/RC
VS1
VU
© 2014 DDC
R
Semiperiodo
VUH
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VU
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Generatore di onda quadra – b
R
VC
– Comparatore con isteresi
• Altri generatori di segnale
T’ = RC ln [(VUL - VS2)/(VUL - VS1)]
VUL
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ElapB5 - 2014 DDC
3
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Periodo complessivo
• Resistenza di reazione R
VUH
VS2
Gener. Onda quadra: limiti operativi
– Max: in R deve circolare una corrente maggiore della corrente
di ingresso del comparatore (Iih, Iil)
– Min: R è vista come carico all’uscita; valori troppo bassi
limitano la dinamica di uscita
VC
» cambia il calcolo della frequenza,
» non pilota correttamente altri circuiti logici
VS1
VUL
• Condensatore C
T”
T’
– Valore minimo: capacità parassita di ingresso
T
• Limiti in frequenza:
t
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– Max: limitata anche dallo slew rate dell’uscita (Tr, Tf)
– Min: Cmax, Rmax
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Generatore di onda quadra
• Cosa determina la frequenza?
• Parametri del comparatore:
Tensione di uscita e soglie
–
–
–
–
VS2
• Componenti
–R
–C
• Cosa limita la massima frequenza del generatore di
onda quadra?
Vu
C
VS2
VS1
VUH
VUL
Gener. Onda quadra: altri parametri
• Cosa limita la frequenza minima?
R
• Quali sono i valori limite per R e per C?
• Come si modifica la frequenza
al variare della tensione di
alimentazione?
VUH
• Per misurare la frequenza, è
preferibile collegare la sonda
dell’oscilloscopio su C o
all’uscita?
VS1
VUL
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23/09/2014 - 22
Vu
C
R
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Lez. B5: generatori di onda quadra
Onda triangolare da onda quadra
• Circuito con Schmitt trigger
– Limiti operativi
VC
• Circuito con integratore onda quadra e triangolare
– Controllo dei parametri
-
• Altri generatori di segnale
+
– Oscillatori sinusoidali
– Oscillatori a quarzo
• Esperienza di laboratorio
© 2014 DDC
R
C
VT
t
– Obbiettivo e procedure
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IC
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23/09/2014 - 24
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4
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Onda quadra da onda triangolare
Oscillatore quadro-triangolo
IC
VC
R
C
VS1
+
+
VS2
(VS1, VS2)
+
VT
VU
(VS1, VS2)
VU
VS1
VS2
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23/09/2014 - 26
ElapB5 - 2014 DDC
Oscillatore quadro-triangolo
• Il condensatore viene caricato a corrente costante
(circuito integratore con AO)
• La tensione sul condensatore e’ un segnale
triangolare a tratti lineari
VS1
VC IC
VS2
+
VT = -VC = -IC t /C
IC = VU /R
Calcolo del periodo
VT = -VC = -IC t /C;
IC = VU /R
VS2 - VS1 = (VUH/R T1)/C
T1
T1 = C(VS2 - VS1) R/VUH
VUH
R
VS2
C
VC
VT
(VS1, VS2)
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VS1
VU
VUL
VU
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ElapB5 - 2014 DDC
Variazione della frequenza
Variazione del duty cycle
• Variazione di parametri tra i due semiperiodi
IC
VC
– asimmetria di VUH rispetto a VUL
– sdoppiamento di R (diodi)
R
C
+
+
VT
(VS1, VS2)
VU
-
VS1
+
VS2
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© 2014 DDC
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C
VT
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5
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Circuito con trigger
• Generatore di impulsi in cui la cadenza di ripetizione
dipende da una corrente
• Analoghe varianti per il circuito con il solo trigger
(integratore con rete RC)
– P1 controlla
la frequenza
Esempio: CCO
– CCO: Current Controlled Oscillator:
misuratore di luce con fotodiodo
P2
– P2 controlla
il duty cycle
– Carica del condensatore
attraverso il fotodiodo
(Id = K * illuminamento)
Vu
C
Id
D2
Vu
– Scarica attraverso il
diodo in reazione
(rapida, durata costante)
P1
D1
C
– Uscita Vu: onda quadra,
con frequenza legata all’illuminamento
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23/09/2014 - 32
ElapB5 - 2014 DDC
Lez. B5: generatori di onda quadra
• Circuito con Schmitt trigger
Oscillatori sinusoidali
• Obbiettivi:
– Limiti operativi
– Precisione della frequenza
– Stabilità
– Bassa distorsione
• Circuito con integratore onda quadra e triangolare
– Controllo dei parametri
• Struttura generale:
• Altri generatori di segnale
– Amplificatore con reazione positiva;
– Elemento con sfasamento legato alla frequenza, realizzato in
diversi modi:
– Oscillatori sinusoidali
– Oscillatori a quarzo
»
»
»
»
• Esperienza di laboratorio
– Obbiettivo e procedure
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Ponte RC
Circuito risonante LC
Cristallo piezoelettrico (quarzo)
...
23/09/2014 - 34
ElapB5 - 2014 DDC
Quarzi piezoelettrici
• Quarzo (o altro materiale piezoelettrico)
Oscillatori con reti RC e porte
• Circuiti con reazione comprendenti
– Si deforma in presenza di un campo elettrico,
– Genera tensione se sottoposto a sollecitazioni meccaniche
– ”amplificazione” fornita da porte logiche
– Elementi di ritardo (celle RC o propagazione)
– Frequenza legata al ritardo complessivo (rete RC + porte)
• Alla frequenza di risonanza (meccanica)
• Realizzazione con diversi circuiti
– Basso rapporto energia consumata/restituita
– Brusca variazione della Z(f)
– Due inverter e RC
» Frequenza legata a elementi passivi R e C (e ritardi porte)
• Può essere usato come elemento risonante con
– Anello di inverter
– Basse perdite
– Alta precisione (della frequenza di risonanza)
23/09/2014 - 35
© 2014 DDC
» Frequenza legata alla tecnologia (ritardo delle porte)
» Utilizzato entro circuiti integrati
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23/09/2014 - 36
ElapB5 - 2014 DDC
6
ElapB5
23/09/2014
Oscillatori sincronizzati
• Segnali sincroni o sincronizzati:
Esperienza di laboratorio - a
• Progetto, montaggio, verifica del funzionamento di
– Relazione di fase costante  stessa frequenza
– Generatore di onda quadra con porta a trigger
– Contatore integrato e circuito combinatorio (decoder)
• Non ottenibili con oscillatori separati (derive, …)
• Attività preliminari (homework):
• Richiedono circuiti appositi:
– Progetto del generatore
– Rivedere istruzioni di laboratorio; manuale di uso basette
sito web, home  Descrizione e uso delle basette …
– Predisporre la relazione
– Anelli ad aggancio di fase (Phase Lock Loop: PLL)
– Divisori sincronizzati (stesso clock base)
• Usati per
• Il laboratorio
– Demodulazione di segnali numerici
– Evitare metastabilità nei FF
(sincronizzazione di parti con clock diversi)
23/09/2014 - 37
– Eseguire montaggio e misure
– Relazione da consegnare successivamente
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23/09/2014 - 38
ElapB5 - 2014 DDC
Esperienza di laboratorio - b
• Specifiche per il generatore di onda quadra
Montaggio sulla basetta - c
• Leggere le
istruzioni per i
montaggi
– Usare porta CD4093 (4 NAND x 2 in) o 7414 (6 inverter)
– Alimentazione 5 V (anche per altri punti)
– Frequenza del segnale generato: 50 kHz (+-20%)
OK
Fili corti
Barre per massa
e alimentazione
• Specifiche per il contatore
– Usare circuito integrato CD 4040
– Verificare la sequenza di stati e i ritardi di commutazione
• Circuito combinatorio:
NO
Fili lunghi
Incroci
….
– Usare le porte libere del CD 4093 o altro integrato
– Decodificare lo stato 111 del contatore
– Verificare il comportamento
23/09/2014 - 39
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23/09/2014 - 40
ElapB5 - 2014 DDC
Lezione B5: domande di riepilogo
• Quali parametri descrivono un generatore di segnale?
• In un generatore di impulso realizzato con elemento di ritardo e
porte logiche, come cambia la durata dell’impulso se la capacità
raddoppia?
• Tracciare lo schema di un generatore di onda quadra, e indicare
cosa determina le frequenze massima e minima ottenibili.
• Tracciare lo schema di un generatore di onda quadra/triangolare,
con possibilità di variare la frequenza con un potenziometro.
• Modificare il circuito del punto precedente, aggiungendo la
possibilità di variare il duty cycle.
• In un generatore di onda quadra con integratore e trigger, come
cambia la frequenza raddoppiando la capacità dell’integratore?
• Quali sono i vantaggi degli oscillatori a quarzo?
23/09/2014 - 41
© 2014 DDC
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