Creazione di un segnale a dente di sega

CREAZIONE DI UN SEGNALE A DENTE DI SEGA

Materiale usato :

Alimentatore

Generatore di clock per il contatore da 5V e frequenza 1KHz

Oscilloscopio

Multimetro

2 Contatori 74LS191

1 DAC 0830

1 Not 7404

3 Resistenze da 5.1 kΩ

1 Condensatore da 100 nF

1 Amplificatore operazionale LF351

Schema :

In allegato.

Cenni teorici :

DAC :

Il convertitore digitale analogico (o Dac) è un dispositivo in grado di convertire un segnale digitale avente un determinato valore binario in una tensione d'uscita. I convertitori digitali analogici si basano tutti sul principio di avere in uscita una corrente proporzionale al valore dell'ingresso digitale.

Un generico convertitore digitale analogico è quello a scala R-2R:

Vengono utilizzati solamente due valori per i resistori, R e 2R. Questo convertitore a quattro bit presenta quattro interruttori comandati dagli ingressi digitali. L'operazionale invertente finale ha solamente il compito di convertire la corrente proveniente dal circuito in una tensione. Cambiando lo stato degli interruttori varia solo la corrente che giunge all'ingresso invertente dell'operazionale (la corrente Vref resta uguale).

Quando poniamo gli ingressi a 0, all'ingresso invertente dell'operazionale non si avranno collegamenti col circuito e quindi, essendo a massa virtuale, l'uscita sarà 0. Negli altri casi, applicando il teorema di Thevenin si ha che la corrente erogata da Vref è uguale a Vref/R e le correnti che scorrono nei resistori variano proporzionalmente per potenze di due.

La corrente totale che giungerà all'operazionale sarà quindi:

La tensione d'uscita Vo sarà :

In generale la Vo di un convertitore digitale analogico, nel caso in cui le resistenze siano uguali, è:

Con n che rappresenta il numero di bit del convertitore e N  la combinazione binaria dell'ingresso. Ovviamente col meno davanti se il convertitore è invertente.

Le caratteristiche più importanti di un convertitore digitale analogico sono la risoluzione, ovvero il numero di bit in ingresso; la precisione, la differenza tra valore del segnale analogico reale e teorico; la linearità, cioè il rapporto tra ingresso e uscita deve essere proporzionale; e il tempo di assestamento, ossia il tempo necessario per avere un'uscita stabile. 

Un altra caratteristica dei dac è che in corrispondenza di certe commutazioni possono verificarsi degli impulsi indesiderati di breve durata ma di ampiezza considerevole chiamati glitch. Ad esempio nel passaggio tra la combinazione binaria 0111 a quella 1000, in quanto il tempo di commutazione alto-basso è diverso da quello basso-alto (più piccolo) si avrà per un istante la combinazione in uscita 0000, che tradotta diventa un impulso che da metà della tensione di riferimento va a zero, come in figura.

Il convertitore usato nella nostra prova era il DAC 0830 per il montaggio su breadboard, mentre per la simulazione al multisim, come si vede nello schema allegato, abbiamo usato il DAC 0808.

Un altro tipo di convertitore digitale analogico è quello a resistenze pesate :

Il circuito è costituito da n deviatori pilotati e da un sommatore invertente i cui n ingressi sono le uscite dei deviatori. I deviatori D_n-1, D_n-1 D₀ sono pilotati dai corrispondenti bit P_n-1, P_n-2 P₀ della parola di ingresso in modo tale che:

_v          Quando il generico bit è a 1 il corrispondente deviatore viene collegato a -V_REF

v    Quando lo stesso bit è a 0 il deviatore viene collegato a massa (0 V).

I rami di ingresso del sommatore sono costituiti da resistenze il cui valore è un multiplo secondo le potenze di 2, del valore di R.

Le singole correnti si determinano facilmente grazie alla massa virtuale dell'operazionale, quindi abbiamo:

I_n-1=P_n-1(-V_REF/R) ; I_n-2=P_n-2(-V_REF/2R) ; ; I₀=P₀(-V_REF/2^n-1R)

Per effetto del DAC si ha che la tensione di uscita v_out=-Rf I, tenendo conto che I è data dalla somma di tutti gli n ingressi ossia : I_n-1+I_n-2+ +I₀ si ottiene, quindi una v_out=V_REFRf/R(P_n-1+P_n-2/2²+ +P₀/2ⁿ)

Questa soluzione circuitale, però, presenta un pesante inconveniente costruttivo. Affinché il dispositivo funzioni correttamente, le resistenze di ingresso devono assumere esattamente i valori pesati secondo le potenze di 2, e anche avendo pochi ingressi i valori delle resistenze sarebbero troppo alti per poter realizzare un adeguato circuito contenendo i prezzi di costruzione. E' quindi sconveniente e si usano principalmente i DAC a scala.

DAC 0808 e DAC 0830 sono entrambi DAC realizzati a scala R-2R perché come detto prima i DAC a resistenze pesate sono sconsigliati per un numero alto di ingressi.

CONTATORE 74LS191 :

Nello schema realizzato con multisim abbiamo usato le uscite, generate da un clock con frequenza di 1 KHz, dei due contatori 74LS191 per creare la variazione degli 8 ingressi digitali del DAC.

Questo integrato è un contatore sincrono up/down, quindi appunto per questo abbiamo usato il not per collegare i due contatori tramite i loro clock, per fare in modo che fossero entrambi in sincronia.

LF351 :

In questa prova ci è servito per trasformare il segnale di uscita del DAC in una tensione che generava appunto una caratteristica di trasferimento a dente di sega, come si vede dal grafico 1 in allegato. Abbiamo usato questo operazionale seguendo i suggerimenti del datasheet del DAC 0808

Parte pratica :

Abbiamo montato il circuito sulla breaboard alimentando l'integrato del contatore con una tensione Vcc pari a +5V. La frequenza del clock del contatore era di 1KHz.

Il DAC 0830 è stato anch'esso alimentato con una Vcc = +5V; con una Vee = -5V;  Vref = -5V con relativo condensatore da 100nF. Abbiamo usato lo 0830 perché consigliatoci dal prof.

L'alimentazione dell'operazionale era di ±5V perché l'integrato LF351 ha bisogno di un'alimentazione duale.

In questa prova non c'erano calcoli da fare, abbiamo usato i valori di resistenze e condensatori consigliati nei datasheet dei singoli componenti consultandoci anche con l'insegnante per verificarne l'esattezza.

Descrizione della prova :

Questa prova serviva per imparare a usare il convertitore digitale-analogico e usarlo come generatore di forme d'onda, in questo caso di un'onda a dente di sega.

Descrizione della prova in inglese :

This electronic's experience served us to learning use of the digital-analogic converter and to use it like wave's generator.