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ELETTRONICA

Diodo Zener

Il diodo Zener è un componente elettronico che viene utilizzato come stabilizzatore di tensioni continue, dove il valore di quest’ultima è uguale alla tensione di Zener. Questo diodo e diverso da quello classico perché per utilizzarlo come si deve dobbiamo polarizzarlo inversamente e cioè: collegando il positivo dell’alimentazione all’anodo del diodo ed il suo catodo al negativo. Per permetterci di avere in uscita una tensione continua costante esso utilizza l’effetto breakdown con il quale tutta la tensione in eccesso(cioè maggiore alla tensione di Zener) viene dissipata in calore

In quest’esperienza verificheremo la caratteristica del diodo Zener assemblando un semplice circuito,utilizzando:

-Due multimetri digitali con i quali misureremo la tensione d’uscita ed anche la corrente.

-Un diodo Zener con tensione Zener di 5V

-Tre resistenze di cui una da 1Kohm utilizzata come carico e due de 330 e 470 utilizzate per dissipare la corrente in eccesso sull’uscita dello Zener.

-Un alimentatore con display analogico.

-Una breadoard sulla quale abbiamo montato il circuito,e vari cavi per collegare gli strumenti al circuito.

Successivamente realizzate 4 circuiti simili tra loro:

1-Il primo è un nostro esperimento perché vogliamo osservare come si comporta il diodo Zener qundo viene polarizzato direttamente come un diodo normale.

 

ZenerTabella zener

2-Nel secondo polarizziamo il diodo inversamente utilizzando la resistenza R (330ohm) come dissipatore. zener 2tabella zener 23-Nel terzo caso sostituiamo semplicemente la resistenza R con un’altra resistenza di valore più grande cioè 470ohm.

zener 2Tabella zener 3

4-Nell’ultimo caso levate la resistenza RC per avere in uscita una misura più precisa.

Immagin4terye

Tabella zener 4Finite le misurazioni con questi vari circuiti possiamodire che:

1-Se la tensione E-VR non è maggiore alla tensione del diodo Zener esso si comporterà come un interruttore aperto anche se passa soltanto una piccolissima quantità di corrente.

2-Se invece E-VR è superiore alla tensione di Zener avremo ai capi del diodo una tensione continua costante il cui valore sarà uguale alla tensione di Zener.

3-Senza la resistenza R rischieremmo di bruciare il diodo,perché il suo compito è quello di dissipare in calore tutta la corrente in eccesso che arriva sullo Zener.

4-Utilizzando il diodo Zener come un normale diodo abbiamo osservato che il suo comportamento è analogo ad esso.

 

 

ELETTRONICA

Intregratore con Operazionale

Lo schema elettrico di un circuito integratore è il seguente:

Integratore

possiamo notare la presenza del condensatore C il quale riporta indietro parte della tensione di uscita. In pratica il circuito funziona nel seguente modo. Partendo dall’istante iniziale in cui il condensatore è scarico, applichiamo in ingresso una certa tensione Vi che ritroviamo in uscita sfasata e amplificata; poiché l’ingresso invertente si trova a massa virtuale, cioè non assorbe corrente e la sua tensione rispetto a massa è zero, il condensatore C si carica seguendo la Vu, che è sfasata di 180° rispetto alla Vi  ma a corrente costante, infatti tutta la corrente in ingresso percorre sia il resistore R che il condensatore C, poiché l’ingresso invertente è a massa virtuale e non assorbe corrente. Il tempo i cui il condensatore si carica è t = RC, cioè raggiunge la carica a piena tensione nel tempo t, sempre che il segnale vi si mantenga costante fino a farlo caricare. Tuttavia per il corretto funzionamento del circuito, occorre fare in modo che il condensatore non si carichi mai, cioè il segnale in ingresso deve avere un periodo più piccolo di t, altrimenti, uno volta carico, il condensatore si comporta come un circuito aperto, che non assorbe corrente, quindi ha impedenza infinita, e il guadagno dell’amplificatore operazionale sarebbe al massimo, perché viene meno la reazione negativa del condensatore, e quindi l’amplificatore va in saturazione smettendo di funzionare da integratore.

Se applichiamo in ingresso un segnale di tipo rettangolare, come il seguente, avente un periodo T minore di t, otteniamo che Vu = Vc, secondo il seguente diagramma:

Integratore grafico

Il diagramma superiore rappresenta il segnale di ingresso, che è di tipo rettangolare, e quello inferiore il segnale di uscita a regime, cioè trascurando l’istante iniziale. In pratica all’istante t=0 il condensatore è carico ad un certo valore vu0; il segnale vi , durante il semiperiodo positivo dell’onda rettangolare, fa sì che il condensatore si carichi con tensione negativa, quindi la tensione del condensatore decresce, fino a raggiungere il valore massimo negativo, che abbiamo detto, deve essere inferiore alla saturazione; invertendo ora il segnale di ingresso, che diventa negativo, il condensatore è costretto prima a scaricarsi e poi a caricarsi con segno contrario, cioè positivo. Notiamo che partendo da una forma d’onda di tipo rettangolare abbiamo ottenuto una forma d’onda di tipo triangolare, della stessa frequenza del segnale di ingresso.

Per evitare che l’amplificatore vada in saturazione alle basse frequenze, si mette in parallelo al condensatore C un resistore R2, secondo il seguente schema:

integratore reale

Dallo schema, possiamo notare, che alle basse frequenze, essendo il periodo della tensione di ingresso abbastanza lungo, il condensatore si carica al valore massimo e quindi non assorbe più corrente, e si comporta come una impedenza infinita, di conseguenza il guadagno diventa:

Av = – R2/R1

Questo tipo di integratore, viene detto integratore limitato. Sapendo che la frequenza di taglio(ft) deve essere minore di fs 10Khz abbiamo scelto il valore di ft, mettendola a 5000 hz,successivamente abbiamo calcolato i valori della resistenza e del condensatore, utilizzando la formula inversa di ft.

Ft=1/(2*3,14*R1*C)

R1C=1/2*3,14*ft)=0,000031

conoscendo il valore di R1C possiamo trovarci il valore dei due componenti,basterà soltanto rispettare la seguente relazione:

R1C=0,000031

Detto ciò abbiamo assegnato ad :

R1=31Kohm

C=1nF

R2=1Kohm valore scelto per convenzione

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Derivatore con Operazionale

Il derivatore analogico è un circuito che fornisce in uscita un segnale proporzionale alla derivata del segnale di ingresso. Tale circuito si ottiene dalla configurazione invertente sotto indicata, sostituendo all’impedenza Z1 il condensatore C e all’impedenza Z2 la resistenza R.

Derivatore

L’uso dei derivatori, invece delle reti RC passive, è diffuso sia per la possibilità di amplificazione offerta dagli amplificatori operazionali, sia per l’impedenza di uscita trascurabile degli stessi.

Derivatore ideale

L’appellativo ideale è necessario quando si parla di amplificatori operazionali poiché si introducono ipotesi semplificative. Dalla figura si vede che il derivatore ideale è costituito da un amplificatore operazionale invertente con un condensatore in serie all’ingresso.

Derivatore ideale

Poiché non entra corrente nell’amplificatore operazionale allora la corrente che attraversa il condensatore è la stessa che attraversa la resistenza R, per cui I1 = I2.

Ricordando la relazione che lega la corrente alla tensione per il condensatore :

I = C dV/dt

e considerando il circuito sopra indicato ne deriva che:

I1 = C ( dVin / dt ) = I2 = – ( Vout / R )

Ricavando V out da quest’ultima:

Vout = -RC ( dVin / dt )

Risulta evidente che la tensione di uscita V out dipende dalla derivata della tensione di ingresso ( dVin / dt ) attraverso un fattore di guadagno pari a (-RC) . In tal modo associando alla tensione di ingresso un segnale, in uscita otteniamo il segnale derivato (e amplificato).

Il difetto principale del derivatore ideale è che il guadagno del derivatore cresce sensibilmente all’aumentare della frequenza del segnale di ingresso, risultando molto sensibile ai disturbi di frequenza elevata.

Deriva allora, che il guadagno del derivatore risulta limitato solo dalla risposta in frequenza dell’amplificatore operazionale, che porta facilmente la V out ai livelli di saturazione.

Derivatore reale

Si ricorre a tale configurazione per ottenere un circuito che limiti la risposta alle alte frequenze. Il derivatore reale si ottiene inserendo in serie al condensatore C una resistenza R1 .

Derivatore Reale

Naturalmente, affinché il circuito si comporti come derivatore, occorre che la frequenza del segnale di ingresso sia molto minore della frequenza fp = 1 / (2p R1 C).

Il massimo valore a cui la frequenza fp si può collocare è determinato dai criteri di stabilità: in ogni caso, fp non può essere troppo elevata affinché la curva di risposta propria dell’amplificatore operazionale non interferisca con la risposta del derivatore.

Tabella derivatore

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Protocolli tra TX ed RX

Come fanno due microcontrollori (TX ed RX)  ad accordarsi tra loro sulla lunghezza del messaggio? Per farlo utilizziano un protocollo ovvero un accordo tra il trasmettitore ed il ricevitore. Un metodo con il quale il trasmettitore dice al ricevitore quanto è lungo il dato è quello di mettere all’inizio un numero uguale alla lunghezza del dato. Naturalmente quando questo numero è maggiore di 0 vuol dire che il trasmettitore INVIA un dato, mentre quando questo numero è uguale a 0 vuol dire che il trasmettitore non sta inviando nulla. Il trasmettitore non invia un dato ma un pacchetto di dati chiamato Frame  che possiede una lunghezza massima e minima (la minima non è per forza uguale a 0). Un altro metodo con cui possiamo dire al ricevitore quanto è lungo il pacchetto è quello di scrivere alla fine del messaggio un carattere che non viene utilizzato per indicare la fine del messaggio. Ipotizziamo di voler inviare un messaggio di testo come “ciao” ad un ricevitore, accanto a questo messaggio inseriamo il simbolo “§” (il simbolo che va preso non deve essere utilizzato), perciò il ricevitore riceverà questo messaggio “ciao§” fatto ciò il trasmettitore potrà inviare un nuovo messaggio che si concluderà sempre con “§”. Naturalmente il simbolo che si utilizza deve essere inserito in codice ascii. Una volta si utilizzavano dei codici che andavano dal numero decimale 0 al numero decimale 32 e li possiamo osservare nella tabella. Infatti se volevamo inviare un messaggio di testo bisognava inserire :

“02” + (inizio testo)”messaggio” + “03”(fine testo) + “04”(fine trasmissione)

.Tabella codice ASCII

 

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Multiplexer

Ipotizziamo di voler convertire più di un segnale analogico con un adc la domanda che sorge spontanea e come?

Una soluzione può essere quella di mettere un adc per ogni segnale,ma ciò comporta la costruzione di un circuito molto dispendioso e complesso.

L’alternativa a quest’idea è la multiplazione analogica o digitale:

–Il multiplatore analogico (Amux) può essere visto come un commutatore unipolare a più vie,in cui il polo comune è connesso all’ingresso di un buffer con elevata impedenza d’ingresso e bassa impedenza d’uscita.

Multiplazione

 

           CT1            CT2              CS
             0              0              S0
             0              1              S1
             1              0              S2
             1              1              S3

 

Questo è un semplice esempio di Amux a 4 canali,dall’immagine si capisce che al suo interno è come se ci fosse un interruttore che sceglie a quale canale collegarsi,per controllare questo “selezionatore” utilizziamo 2 piedini dell’ Amux il piedino CT1 ed il piedino CT2 con i quali potremo scegliere da quale canale prendere il segnale,inoltre,possiamo utilizzare anche il pin ENABLE che ci permetterà di attivare o disattivare il nostro amux di solito con 1è attivato e con 0 è disattivato.

La struttura circuitale in cui si inserisce l’Amux può avere, essenzialmente, tre varianti:

1° soluzione prevede l’uso di un solo convertitore A/D avente in ingresso l’uscita dell’Amux. Dopodichè ci sarà un sistema di controllo che gestirà il tutto, anche il tempo con cui il multiplexer dovrà cambiare canale.

2° soluzione è uguale alla prima,ma si differenzia per una semplice aggiunta,perché tra l uscita dell’Amux e l’ingresso del convertitore A/D abbiamo un S/H,controllato anch’esso dal sistema di controllo che avrà il compito di farlo lavorare in sincronia con il multiplexer.

3° soluzione consiste nell’avere la configurazione una configurazione simile alla 1°, ma con qualche aggiunta, infatti, all’ingresso di ogni canale dell’ Amux sono collegati degli S/H controllati come al solito dal sistema di controllo. Questo metodo viene di solito impiegato in sistemi ad alta velocità quando è necessario campionare simultaneamente segnali in un determinato momento.

 

– Il multiplatore digitale (Dmux). Con la diffusione dei convertitori A/D integrati a basso costo, e con l’esigenza di trattare segnali a frequenza elevata hanno determinato l’affermarsi della tecnica di multiplazione digitale, in cui ciascun canale analogico viene trattato da un proprio ADC. Le   uscite digitali dei vari convertitori vengono poi multiplate mediante un multiplatore digitale (Dmux) comandato dall’unità centrale e convogliate sul bus dati.

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Codifica

I dati digitali forniti dai convertitori A/D sono caratterizzati, oltre che dal numero di bit, anche da altri parametri, quali il codice, il formato ed i livelli di tensione.

Il codice più frequentemente utilizzato nella conversione di segnali unipolari(cioè o positivi o negativi) è il binario naturale espresso così:

es:adc a 4 bit

USCITA = N*23 + N*22 + N*21 + N*20

N potrà assumere solamente 2 valori o 1 o 0.

In questo modo avremo il valore binario 1111 che corrisponderà a 15 ed il valore binario 0001 che corrisponderà ad 1. Tuttavia il valore di tensione effettivamente corrispondente a questi numeri dipende dal fondo scala nominale fissato per il convertitore, se per esempio si fissa il valore di fondo scala a 10,24 V il livello di quantizzazione sarà uguale a 10,24/16=640 mV ed il valore corrispondente allo stato 1111 risulta 9,6 V.

La codifica binary-coded decimal (BCD) è un modo comunemente utilizzato in informatica ed elettronica per rappresentare le cifre decimali in codice binario, ed è di solito usata negli strumenti di misurazione.

Un altro tipo di codice è il codice Gray prevede che si passi da un intero al successivo modificando un solo bit; questa caratteristica (detta a cambio 1) semplifica e rende meno soggette ad errori le operazioni di dispositivi elettronici che devono scorrere informazioni organizzate in sequenze. Evidentemente la codifica di Gray risulta poco sensata per interi da sottoporre ad operazioni come somme o prodotti.

         Valore reale          BCD   8421          Binario Puro              GRAY
               1          0000   0001              0001              0001
               2          0000   0010              0010              0011
               3          0000   0011              0011              0010
               4          0000   0100              0100              0110
               5          0000   0101              0101              0111
               6          0000   0110               0110              0101
               7          0000   0111              0111              0100
               8          0000   1000              1000              1100
               9          0000   1001              1001              1101
               10          0001   0000              1010              1111
               11          0001   0001              1011              1110
               12          0001   0010              1100              1010
               13          0001   0011              1101              1011
               14          0001   0100              1110              1001
               15          0001   0101              1111              1000
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Quantizzazione

L’adc non fa altro che convertire un segnale entrante analogico in un segnale digitale. Il processo di digitalizzazione dei segnali introduce come prima cosa il concetto di quantizzazione, infatti,  mentre il segnale entrante può assumere infiniti valori nel tempo, il segnale uscente può assumere solamente un numero di valori limitati dai bit con cui lavora il convertitore.

Possiamo dire che la quantizzazione è la divisione in fasce del segnale entrante, e la loro ampiezza si chiama livello di quantizzazione, se avessimo un segnale da campionare con range 0-5V, ed un convertitore ad 8 bit il livello di quantizzazione sarebbe uguale a:

LDQ = ( Vmax – Vmin ) / 2n = ( 5 – 0 ) / 28 = 5 / 256 = 0,019 V = 19 mV  

Perciò finchè in ingresso avremmo un segnale con tensione pari o inferiore a 19 mV, il convertitore ci restituirà in uscita un segnale pari al seguente numero binario 00000000, con Vin compresa tra 20 mV e 38 mV avremmo una Vout pari al seguente numero binario 00000001. Tutto ciò ci dimostra come il segnale che uscirà dall’adc non sarà MAI la conversione perfetta del segnale entrante. Due caratteristiche dei convertitori sono l’errore di quantizzazione,pari alla metà di un livello di quantizzazione, e la risoluzione, che indica qual è la minima variazione del segnale di ingresso che può essere rivelata in uscita.

Quatizzazione

freccia a sinistra freccia a destra

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Sample and Hold (prelevare e mantenere)

A volte nei convertitori ci possono essere dei problemi nella fase di campionamento,soprattutto quando il segnale entrante varia più velocemente del tempo di campionamento del nostro adc, in tal caso alla sua uscita non avremo la conversione desiderata e per questo motivo è stato creato il Sample-Hold, un circuito composto da 2 amplificatori operazionali in configurazione di inseguitore (buffer), da un condensatore C e da una tensione di controllo Vc.

Sample hold

Il funzionamento di questo circuito si può dividere nelle due fasi di Vc:

  1. Quando Vc è a livello logico 1 (interruttore chiuso) il condensatore C si caricherà fino a raggiungere un valore di tensione pari a Va,inoltre il tempo di carica sarà molto ridotto perché l’unica resistenza in gioco è quella all’uscita dell’operazionale che ha un valore molto piccolo.
  2. Quando Vc è a livello logico 0 (interruttore aperto) il condensatore C si scaricherà all’ingresso del nostro convertitore.

Detto ciò possiamo definire il Sample Hold come un circuito di memorizzazione dati che permette all’adc di lavorare con i suoi tempi.Per sapere se utilizzare o no il circuito basterà verificare la seguente condizione:

 dV / dt   <= [ ( Vmax – Vmin ) / 2n ] * 1 / Tconv

freccia a sinistra freccia a destra

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Conversione Analogico-Digitale

Quando un segnale può assumere più valori di tensione(V) durante un periodo (T), esso è detto analogico, mentre un segnale che può assumere solamente 2 valori logici 0 ed 1 è detto digitale.

Esistono due tipi di convertitori :

  • Gli adc che ci permettono di convertire un segnale analogico in digitale.
  • I dac invece ci permettono di convertire un segnale digitale in analogico.

Un adc per funzionare correttamente deve svolgere questi 3 procedimenti:

  1. Campionamento
  2. Quantizzazione
  3. Codifica
Campionamento

La conversione consiste nel prelevare un campione dal segnale entrante, per poi convertirlo in un valore digitale, naturalmente l’uscita non cambierà di valore finchè non avremo in ingresso un nuovo campione da convertire. La frequenza con cui il segnale viene prelevato è detta frequenza di campionamento, più essa sarà elevata, e più sarà fedele il segnale d’uscita a quello entrante.

Questa Fc si può stabilire grazie al teorema si Shannon che enuncia:

dato un segnale a banda limitata, cioè avente una frequenza massima nota, è possibile campionare tale segnale e ricostruire da esso il segnale di partenza, senza alcuna distorsione, purchè la frequenza di campionamento sia almeno il doppio rispetto alla massima frequenza del segnale analogico.

Fc => 2Fmax

Se questa condizione però non viene rispettata Fc < 2Fmax, il metodo di ricostruzione del segnale perde la sua efficacia a causa delle sovrapposizioni che si creano nella ripetizione periodica del segnale trasformato, questa sovrapposizione tra segnali crea distorsioni irreversibili perché introduce nuove componenti non presenti nello spettro originale, rendendo impossibile la ricostruzione del segnale. Questo effetto è chiamato aliasing, e per poterlo eliminare viene messo prima del convertitore un filtro passa-basso che elimina le frequenze indesiderate.

campionamentofreccia a destra