Caratteristiche elettriche

L’obbiettivo della prova è verificare in laboratorio alcune caratteristiche elettriche delle porte logiche. Inizieremo inoltre a consultare i fogli tecnici (data sheet) di un componente digitale. 

Questa pagina utilizza Arduino ed un oscilloscopio; se non li avete a disposizione, meglio passare alla pagina Laboratorio: caratteristiche elettriche dei circuiti digitali.

Una simile attività con il simulatore è disponibile alla pagina: caratteristiche elettriche dei circuiti digitali.

IMPORTANTE - Seguire rigorosamente la sequenza delle operazioni

Porta in tecnologia CMOS (serie 40xx oppure 74HCxx)

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. scoprire la funzione logica e la piedinatura (pinout) del circuito integrato che vi è stato consegnato, consultando i fogli tecnici e, se serve, la pagina Porte logiche. In particolare individuare:

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).

Di seguito il pinout del circuito integrato 74HC04 (sei inverter), che useremo come esempio in seguito:

Il pinout di un 74HC04

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 elettriche delle porte logiche.

3. Per alimentare il circuito utilizzeremo i pin di Arduino contrassegnati con GND e +5V

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

5. Collegare i pin di alimentazione alle apposite linee longitudinali sulla breadboard (a volte individuate da + e - e/o una linea rossa ed una nera - nota 7) utilizzando un filo rosso (VCC) ed uno nero (GND):

Per evitare problemi quando il circuito si farà complesso, l’uso dei colori corretti per i fili è fortissimamente raccomandato; meglio: è obbligatorio usare SOLO fili rossi per il collegamento dell'alimentazione positiva e SOLO fili neri per il collegamento di massa. Per i rimanenti collegamenti SOLO fili di altri colori!

Misurare con l'oscilloscopio la tensione di alimentazione, in genere ± 5% del valore nominale: collegare la sonda direttamente a VCC, il "coccodrillo" nero direttamente a massa (come sempre...).

6. Scegliere uno degli inverter presenti nel circuito integrato, collegare l'ingresso ad uno dei pin digitali di Arduino (D2 nello schema seguente).

Scrivere il codice seguente, dall'ovvio significato:

void setup() { pinMode(2, OUTPUT);
             }
void loop() { digitalWrite(2, HIGH);
              delay(1);
              digitalWrite(2, LOW);
              delay(1);
              }

Inverter collegato ad Arduino

Misurare la tensione in uscita e in ingresso con l'oscilloscopio: coccodrillo nero collegato a massa (come sempre...), sonda di un canale collegata all’uscita della porta, sonda dell'altro canale collegata all'ingresso.

Riportare le tensioni misurate in una tabella, simile alla seguente:

VCC = 5,1 V IN VIN VOUT
  L    
  H    

Verificare la corrispondenza con la tabella di verità descritta alla pagina Porte logiche e con le tensioni descritte alla pagina Caratteristiche elettriche dei circuiti integrati digitali.

Corrente di uscita (1)

1. Collegare in uscita all'inverter una resistenza di qualche centinaio di ohm, collegata a massa.

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

Inverter collegato ad un resistore

3. Collegare l’alimentazione

4. Misurare la tensione di uscita della porta logica e confrontarla con quanto misurato nella prova precedente; calcolare infine la corrente di uscita a partire dai precedenti dati (nota 4). Riportare questi dati in una tabella (nota 3):

VCC = 5,1 V; R = 560 Ω IN VIN VOUT IOUT
  L                  
  H      

Suggerimento: IOUT = IR1 = VR1 / R1  (legge di Ohm)

5. 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 tabella di verità?

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

Corrente di uscita (2)

1. Collegare in uscita alla porta logica un resistore di qualche centinaio di ohm collegato verso VCC. Collegare l'ingresso dell'inverter al pin 2 di Arduino ed eseguire il medesimo codice mostrato in precedenza

2. Disegnare lo schema elettrico del circuito descritto al precedente punto; utile consultare questo esercizio

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. 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.

Comportamento dinamico

Per poter osservare chiaramente i tempi di transizione e di propagazione occorre impostare la base dei tempi a 50 ns circa.

Tempo di salita

Misur del temo di propagazione

[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

  1. Se volete evitare pubblicità invasiva, meglio escludere siti che, genericamente, contengono "datasheet" o simili nel loro URL.
  2. 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
  3. Nel circuito potrebbe anche essere inserito un LED: VOUT è pari in modulo alla somma di VLED e VR1 (principio di Kirchhoff alle maglie)
  4. La corrente in uscita è la stessa che scorre nel resistore
  5. Quasi tutti i power bank si spengono automaticamente dopo pochi minuti quando, come in questo caso, la corrente è piccola
  6. Se avete seguito alla lettera le istruzioni avete quattro valori per tensioni e correnti (pur avendo usato solo tre resistenze...)
  7. Soprattutto nel mondo anglosassone per la massa è utilizzato il colore blu invece che nero
  8. Utile applicare il principio di Kirchhoff alle maglie
  9. Tale misura non è per nulla rigorosa se non si tiene conto del tempo di salita dell'oscilloscopio e del segnale di ingresso, producendo spesso un risultato lontano dalla realtà


Pagina creata nel gennaio 2025
Ultima modifica: 31 gennaio 2025


Licenza "Creative Commons" - Attribuzione-Condividi allo stesso modo 3.0 Unported


Pagina principaleAccessibilitàNote legaliPosta elettronicaXHTML 1.0 StrictCSS 3

Vai in cima