Generatori di clock

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Stesura preliminare

Spesso un circuito digitale necessita di un clock per sincronizzare le varie parti di cui è composto. In questa pagina vediamo alcune soluzioni circuitali che possono essere realizzate usando una breadboard.

Al fine di garantire le migliori prestazioni è necessario:

Mantenere corti i collegamenti tra i componenti
(importante) Collegare tutti gli ingressi non utilizzati a massa oppure a V_CC
Inserire un condensatore (valore indicativo 100 nF) tra massa ed alimentazione (nota 2)

Questi circuiti non possono essere simulati con Deeds.

Attività 1 - Trigger di Schmitt

Un generatore di onda quadra può essere realizzato con un inverter con ingresso a trigger di Schmitt, una resistenza (indicativamente da 1 kΩ a 100 kΩ) ed un condensatore (indicativamente da 100 pF a 100 µF).

La frequenza del segnale generato dipende esclusivamente (o quasi: nota 1) dal valore di C e di R:

f ≈ 1 / ( R · C )

Di seguito quanto visibile sullo schermo di un Picoscope; in blu l'uscita digitale della porta, in rosso l'ingresso:

Due domande:

Quanto valgono frequenza, Duty Cycle, periodo, T_ON e T_OFF del segnale d'uscita. Le definizioni di queste grandezze le trovate in questa pagina, un modo per effettuare le misure in questa pagina
Spiegare il funzionamento del circuito. Un suggerimento: il segnale rosso "assomiglia" a carica e scarica di un condensatore...

Attività 2 - Usare tre (o cinque) inverter

Consideriamo il seguente circuito (nota 4) costituito da tre inverter oppure da tre porte NAND/NOR con i due ingressi collegati insieme oppure da tre inverter con ingresso a trigger di Schmitt:

Quesiti:

Perché questo circuito è in grado di generare un segnale ad onda quadra?
Cosa succede se gli inverter sono cinque? E se sono in un altro numero dispari? E se sono in numero pari?
Quale legame esiste tra numero di inverter, tempo di propagazione della singola porta logica, frequenza del segnale generato? Cercare sui fogli tecnici una risposta quantitativa.

Il seguente diagramma temporale è stato ottenuto con un integrato 74HC14 alimentato a 3.3 V:

Quanto vale il tempo il tempo di propagazione di un inverter, in base al grafico? (nota 5)
Quanto vale la frequenza del segnale generato?

Di seguito un generatore di onda quadra costituito da cinque inverter con ingresso a trigger di Schmitt ed il il grafico che mostra tutte le loro uscite. Si può ben osservare il tempo di propagazione.

Attività 3 - Arduino

Arduino permette di generare segnali digitali periodici, anche se a volte con una frequenza piuttosto bassa.

Un primo modo può essere quello di alternare nel loop() le funzioni che impostano alto e basso un pin. Qui un esempio.

In alternativa è possibile usare la modalità PWM (Pulse Width Modulation, modulazione a larghezza di impulso), disponibile su alcuni pin e controllabile dall'hardware attraverso la funzione AnalogWrite() (nota 3).

Di seguito un esempio di codice e le corrispondenti uscite:

Tre domande:

Quanto valgono frequenze e DC% (Duty Cycle)? Le misure possono essere fatte con i "righelli" oppure attraverso il menu Measurements.
Come impostare il DC%?
(difficile) Come posso impostare la frequenza?

Un altro esempio è costituito dal segnale di clock dell'interfaccia SPI.

Attività 4 - NE555

NE555 è un circuito integrato piuttosto vecchio ancora utilizzato per generare onde quadre e molto altro; nei fogli tecnici (da cercare su internet) sono disponibili numerosissimi impieghi che ne hanno fatto uno dei circuiti integrati più popolari nella storia dell'elettronica.

Attività 5 - Oscillatori al quarzo

Rispetto agli altri oscillatori descritti in questa pagina, l'uso di un cristallo di quarzo permette al segnale generato di essere stabile nel tempo ed accurato nella frequenza. In genere è la scelta preferita anche se il cristallo di quarzo:

è piuttosto delicato dal punto di vista meccanico e richiede un involucro metallico robusto e sigillato
a differenza di condensatori e resistori non può essere inserito all'interno di un circuito integrato e quindi occupa spazio
è costoso, anche 10 centesimi a pezzo

L'uso potrebbe essere non banale se si vogliono ottenere prestazioni elevate, ma per circuiti digitali ordinari il circuito di riferimento è piuttosto semplice. La frequenza del clock dipende (quasi) esclusivamente dal tipo quarzo utilizzato. Di seguito lo schema di riferimento, adatto per cristalli di qualche MHz.Il valore dei singoli componenti non è critico e potrebbe essere un po' modificato per meglio adattarsi al quarzo utilizzato

Attività 6 - Tempo di propagazione

Il tempo di propagazione di una porta logica dipende dal tipo di porta logica e dalla tensione di alimentazione. Di seguito sono mostrate entrata ed uscita di un inverter, viste sia in modalità analogica (In alto) che digitale (in basso).

L'ingresso è stato ottenuto con uno qualunque dei circuiti presentati in questa pagina.

Attività 7 - Alea statica

Consideriamo il seguente circuito:

L'ingresso è D1 e l'uscita D2; in base alle tabelle di verità, D2 dovrebbe essere sempre uno, ma questo non succede...

I grafici seguenti mostrano i due ingressi della porta XOR (D0 e D1, blu e rosso) e l'uscita (D2, verde). Qui una spiegazione.

Note

La frequenza ottenuta dipende anche da un fattore correttivo compreso indicativamente tra 0.6 e 1.2 in funzione della tensione di alimentazione. Per i dettaglio potete consultare i fogli tecnici del componente utilizzato
Se si realizza il circuito su breadboard questo accorgimento potrebbe essere inutile o addirittura controproducente. Utile verificare con un oscilloscopio la tensione di alimentazione
La frequenza è fissa e dipende dal pin utilizzato. T_ON e T_OFF possono essere invece impostati. Si noti inoltre che, malgrado il nome della funzione, l'uscita non è analogica, ma digitale
Questo circuito non è simulabile con Deeds, come del resto gli altri presenti in questa pagina
Praticamente nessuno dei produttori pubblica il tempo di propagazione quando l'alimentazione è 3.3 V. Se necessario, può essere stimato con un confronto con i valori più vicini, tenendo conto che nei circuiti CMOS tensione di alimentazione e velocità sono direttamente proporzionali, o quasi

Pagina creata nel novembre 2020
Ultima modifica: 20 dicembre 2022