Laboratorio: porte logiche

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L’obbiettivo della prova è verificare praticamente la tabella di verità ed alcune caratteristiche elettriche delle porte logiche. Inizieremo, soprattutto, a consultare i fogli tecnici (data sheet) di un componente digitale.

IMPORTANTE - Seguire rigorosamente la sequenza delle operazioni

Porta in tecnologia CMOS (serie 4000 oppure High-speed CMOS)

Per i primi due dei punti seguenti è necessario disporre dei fogli tecnici del componente da utilizzare, in formato cartaceo (ok, cose da ventesimo secolo...) oppure digitale.

Per cercare un foglio tecnico su Internet usare un motore di ricerca qualunque e scrivere il nome del componente (per esempio: HCF4008 oppure CD4010 oppure 74HC04 oppure 74HCT08) seguito da PDF oppure data sheet. Si consiglia l'uso del sito di un produttore (per esempio www.ti.com, www.nexperia.com, www.st.com, www.onsemi.com...) o siti di università o scuole (nota 1).

1. Individuare la funzione logica e la piedinatura (pin-out) del circuito integrato che vi è stato consegnato, consultando i fogli tecnici e, se serve, la pagina Porte logiche:

Due ingressi per ciascuna delle quattro porte presenti
Un'uscita per ciascuna porta
Due pin di alimentazione, comuni all'intero circuito integrato

Attenzione alla numerazione dei piedini, in senso antiorario; in particolare occorre individuare il pin numero uno facendo riferimento al semicerchio inciso nel contenitore (evidenziato qui sotto in rosso) oppure al punto (evidenziato in blu).

Il pinout di un 74HC00

2. Individuare sui fogli tecnici la massima e la minima tensione di alimentazione raccomandata. Non utilizzare la tabella Absolute Maximum Ratings / Limiting Values, ma i contenuti della tabella Recommended Operating Conditions. Leggere la breve descrizione in genere presente sotto la tabella stessa, consultando se necessario la pagina Caratteristiche DC delle porte logiche.

3. Per alimentare il circuito utilizzeremo a scelta:

la porta USB di un PC
un alimentatore
un power bank (nota 5)

È ovviamente necessario disporre di un qualche connettore semplice da collegare alla breadboard, come per esempio il micro-alimentatore nella fotografia di apertura; oppure possiamo usare una scheda Arduino (nota 3).

4. Inserire con convinzione il circuito integrato nella breadboard prestando attenzione all’orientamento e a non piegare/spezzare i pin

5. Collegare i pin di alimentazione alle apposite linee sulla breadboard (individuate da + e -, rosso e blu/nero) utilizzando un filo rosso (VCC) ed uno blu/nero (GND)

Filo rosso: VCC, VDD, +5 V
Filo nero (oppure blu): GND, VSS, 0 V, massa

L’uso dei colori corretti per i fili è fortissimamente raccomandato, direi obbligatorio!

Misurare con un multimetro la tensione di alimentazione, in genere ± 5% del valore nominale.

6. Scegliere una delle quattro porte, collegare i due ingressi della porta a GND (0 logico) usando fili di colore diverso da rosso e blu/nero e misurare la tensione di uscita con il multimetro usato come voltmetro: puntale nero collegato a massa, puntale rosso all’uscita della porta.

Riportare la misura in una tabella simile al seguente esempio:

VCC = 5,13 V	V_IN A	V_IN B	V_OUT
	0 V	0 V	5,12 V
	0 V	5,13 V
	5,13 V	0 V
	5,13 V	5,13 V

Per interpretare correttamente il legame tra tensione e valore logico possiamo per il momento ritenere:

1 → tensione alta, VCC circa
0 → tensione bassa, 0 V circa

Verificare la corrispondenza con la tabella di verità descritte alla pagina Porte logiche.

7. Collegare i due ingressi a VCC (1 logico) e misurare la tensione di uscita con il multimetro. Verificare la corrispondenza con la tabella di verità

8. Collegare un ingresso a 1, l’altro a 0 (e... viceversa) e verificare la corrispondenza con la tabella di verità

9. [Approfondimento] Verificare il funzionamento utilizzando un'alimentazione a 3.3 V invece che 5 V

Porta AND, OR, NOT...

1. [Approfondimento, utile solo se rimangono dubbi sul punto precedente] Effettuare le stesse operazioni di cui al punto precedente con un circuito integrato diverso, contenente una diverse porta logica

Utilizzo di un LED (1)

1. Collegare in uscita alla porta logica un LED in serie ad una resistenza di qualche centinaio di ohm, collegato verso massa. Attenzione alla polarità del LED: il piedino più corto del led (catodo) va collegato a massa, a destra nello schema seguente.

2. Utile disegnare e tenere a portata di mano lo schema elettrico (nota 2):

NAND+interruttore

Decisamente meno utile in questo contesto un disegno foto-realistico come il seguente, fatto con Fritzing :

Porta logica e LED

4. Collegare l’alimentazione

5. Misurare la tensione di uscita della porta logica con il multimetro (puntale rosso collegato all'uscita, puntale nero a massa)) e confrontarlo con quanto misurato nella prova precedente. Misurare inoltre la tensione ai capi del LED e della resistenza (un puntale collegato ad un capo del componente, l'altro puntale collegato all'altro capo del componente); calcolare infine la corrente di uscita a partire dai precedenti dati (nota 4). Riportare questi dati in una tabella:

VCC = 5,13 V; R = 560 Ω	V_IN A	V_IN B	V_OUT	V_LED	V_R1	I_OUT
	0 V	0 V
	0 V	5,13 V
	5,13 V	0 V
	5,13 V	5,13 V

Suggerimento: V_OUT è pari in modulo alla somma di V_LED e V_R1 (per chi lo conosce già: principio di Kirchhoff alle maglie)

7. Sostituire la resistenza con una circa doppia e, successivamente, con una circa metà. Come varia la tensione di uscita, la corrente di uscita (nota 4), la luce emessa dal LED, la tabella di verità?

8. Disegnare un grafico che mostra il legame tra corrente di uscita e tensione di uscita della porta logica per il livello logico alto in uscita (nota 6)

8. Commentare i risultati descritti dal grafico. La corrente massima in uscita da una porta logica quanto vale? Questa informazione è presente nei fogli tecnici?

Utilizzo di un LED (2)

1. Collegare in uscita alla porta logica un LED collegato verso VCC in serie ad una resistenza da qualche centinaio di ohm. Attenzione alla polarità del LED: il piedino più lungo (anodo) va collegato a VCC.

2. Disegnare lo schema elettrico del circuito descritto al precedente punto 1

3. Che percorso fa la corrente? Sembra entrare dall’uscita della porta logica...

4. Raccogliere in una tabella i valori della tensione di uscita e della corrente di uscita per il livello logico basso. Utilizzare le stesse tre resistenze già utilizzate in precedenza

5. Inserire in un grafico il legame tra tensione di uscita e corrente per il livello logico basso. Commentare questo risultato

[Approfondimento] Corrente di ingresso

1. Collegare il pin di ingresso a VCC (oppure massa) non utilizzando un filo, ma una resistenza di 100 kΩ

2. Misurare la tensione ai capi di questo resistore e calcolare con la legge di Ohm la corrente corrispondente (che sarà molto vicina a 0 µA). Eventualmente usare una resistenza più grande

3. Secondo i fogli tecnici: quanto vale la corrente di ingresso (attenzione alle colonne massimo/minimo/tipico)

[Approfondimento] Arduino

Misurare il legame tra corrente e tensione di uscita per il processore ATmega328P, per entrambi i livelli logici. Cercare le stesse informazioni sui fogli tecnici (quasi 300 pagine!).

Note

Se volete evitare pubblicità invasiva, meglio escludere siti che, genericamente, contengono "datasheet" o simili nel loro URL.
Lo schema elettrico usa i simboli dei componenti e non la loro immagine. In genere negli schemi l’alimentazione non è disegnata, ma ovviamente deve essere presente
A momento useremo la scheda Arduino solo come sorgente di alimentazione e quindi non serve scrivere codice o installare software
La corrente in uscita è la stessa che scorre nel resistore e nel LED. Il modo più comodo per misurarla è usare la tensione ai capi della resistenza ed applicare la legge di Ohm
Quasi tutti i power bank si spengono automaticamente dopo pochi minuti quando, come in questo caso, la corrente è piccola
Se avete seguito alla lettera le istruzioni avete quattro valori per tensioni e correnti (pur avendo usato solo tre resistenze...)

Pagina creata nel settembre 2020
Ultima modifica: 4 ottobre 2021