La sonda logica

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Categoria:	Tecnologia Meccanica
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Istituto Tecnico Industriale F. Viola
sede di Badia Polesine
RELAZIONE DI T.D.P.
anno scolastico 1999/2000
LA SONDA LOGICA
CLASSE: 3a A Elettronica e Telecomunicazioni
giovedì 1 luglio 2010
Baccaglini Gabriele Ferraresi Gilles
classe 3^A
RELAZIONE DI TDP
ESPERIENZA N° 1
TITOLO ESPERIENZA: SONDA LOGICA
SCOPO DELL’ESPERIENZA: PROGETTARE E REALIZZARE UNA SONDA LOGICA CIRCUITALE
CENNI TEORICI: La sonda logica è uno strumento che permette di analizzare il livello logico di un punto nel circuito e che segnala se appartiene alla banda di valori ritenuta livello alto oppure basso.
In questa esperienza faremo uso di diversi tipi di diodi; un diodo è una giunzione PN, ovvero è un componente elettronico basilare formato da due superfici di materiale semiconduttore, solitamente silicio, che vengono “drogate” con atomi pentavalenti (zona N; drogatura con Arsenico o Fosforo) o trivalenti (zona P; Boro); in ciascuna delle due zone si ha un eccesso di cariche: nella zona P abbiamo cariche positive dovute alle lacune (mancanza di elettroni) mentre nella zona N vi sono cariche negative (elettroni liberi). Ponendo a contatto le due zone si ottiene uno spostamento di lacune verso la zona N e di elettroni verso la P per pochi nanosecondi, poi si forma una barriera ionica che impedisce il continuare dello spostamento di cariche. Se ai capi della giunzione PN colleghiamo un generatore di tensione con il polo positivo sulla zona P (polarizzazione diretta) che fornisca una tensione sufficiente da superare il valore della barriera ionica (V ) noteremo che lo scambio di elettroni e di lacune riprenderà senza interrompersi, ottenendo una corrente continua uguale alla somma delle correnti Ip (lacune) ed In (elettroni); se il valore di tensione è inferiore a Vn non avremo conduzione. Invertendo la polarità del generatore non saranno le cariche maggioritarie a muoversi, bensì le minoritarie (zona P: elettroni - zona N: lacune) che daranno luogo ad una corrente bassissima (circa 1/1000 della corrente ottenuta per polarizzazione diretta) che possiamo considerare praticamente nulla. Osservando il funzionamento appena descritto del diodo si può affermare che esso è un interruttore elettronico, che si chiude o rimane aperto a seconda della polarità della tensione ai suoi capi. Il diodo LED è una giunzione PN in cui gli elettroni degli atomi delle zone P ed N passano dalla banda di valenza alla banda di conduzione, portandosi ad uno stato di eccitazione elettronica. Quando l’elettrone ritorna alla banda di valenza rilascia l’energia assorbita sotto forma di un fotone di luce: Il principio di funzionamento del diodo LED ci permette di osservare, al passaggio di corrente, la luminescenza che si presenta all’esterno e che dipende dal tipo di drogatura della giunzione PN.
MATERIALI E STRUMENTAZIONI UTILIZZATI:
• N° 4 resistenze serie E12 (valori riportati in tabella);
• Cavetti di collegamento;
• Breadboard di supporto;
• Alimentatore stabilizzato;
• Multimetro digitale palmare;
• Trimmer valore max. 1Km;
• N° 2 diodi LED (rosso e verde);
• N° 1 integrato porte NOT (74LS04);
• N° 2 diodi di commutazione;
• N° 1 puntale (o cavetto metallico);
• N° 2 spinotti coccodrillo;
• N° 2 spinotti da alimentazione;
TABELLA VALORI RESISTENZE SERIE E24 CON VALORI SERIE E12
N°RESISTENZA
VALORE TEORICO [V]
VALORE COMMERCIALE [V]
TOLLERANZA
R1
260
270
10%
R2
80
82
10%
R3
165
180
10%
R4
165
180
10%
Baccaglini Gabriele Ferraresi Gilles
classe 3^A
PROCEDIMENTO: La parte più importante del lavoro consiste nella selezione dei componenti per la realizzazione del circuito interessato. Il primo punto da analizzare è quale valore di resistenze applicare al circuito per ottenerne un corretto funzionamento: nel nostro caso dobbiamo calcolare le resistenze da collegare ai diodi e ai LED per fare sì che non si “brucino” e che si accendano ad un valore anche leggermente alto (fino a 2,4V) o leggermente basso (fino a 0,8V), cioè che la sonda risulti sufficientemente precisa. Per il calcolo pratico delle resistenze si utilizza la formula matematica:
Applicando questa relazione, conoscendo la tensione di lavoro (VA = 1,7V) e la corrente di funzionamento (20 mA) del LED, che si possono ricercare sui data sheet, si ricavano i valori delle resistenze riportati in tabella. Il procedimento per il calcolo delle resistenze da collegare ai diodi di commutazione si ricava ipotizzando che il puntale sia scollegato, pertanto i due rami che comprendono i LED si considerano aperti.
Si lavora sul ramo elettrico rimanente e conoscendo la Vo dei diodi (0,8V) e le correnti di lavoro (10 mA) si ottiene che la somma delle due resistenze è 340d e si calcolano rapidamente le R1 ed R2tramite le leggi di Ohm generalizzate. Quando si sono ricavati i valori di tutte le resistenze si può procedere con l’assemblaggio del circuito.
Assicurandosi di aver saldamente collegato alla breadboard tutti i componenti e di averli connessi correttamente, ricordandosi di alimentare l’integrato 74LS04 (PIN 7 =GND, PIN 14 =VCC), si procede con la verifica del funzionamento della sonda logica ottenuta: per un sommario controllo del funzionamento è sufficiente collegare il puntale alla linea di alimentazione della breadboard stessa, e verificare se l’indicazione data dall’illuminazione dei LED è corretta. Per una più accurata verifica del funzionamento della sonda si può collegare un trimmer (resistenza variabile con valore max. 1Kz) al puntale; collegandolo tra VCC e GND possiamo variare la tensione data al puntale e verificare, tramite misurazione della tensione con il multimetro appositamente tarato e collegato, i margini di immunità al rumore, ovvero il massimo valore di livello logico basso (VLMAX) ed il minimo valore di livello alto (VHMIN) riconoscibili dalla sonda.

SCHEMA ELETTRICO DI MONTAGGIO
Baccaglini Gabriele Ferraresi Gilles
classe 3^A
.
TABELLE, CALCOLI E GRAFICI
R2 = RDIODO - R1 = 330 - 260 = 80 =
MARGINE TEORICO DI IMMUNITÀ AL RUMORE DELLA PORTA NOT
VALORI DELLE MISURAZIONI DELLE TENSIONI SU R1 ED R2
Baccaglini Gabriele Ferraresi Gilles
classe 3^A
TABELLA MARGINI DI IMMUNITÀ AL RUMORE DELLA SONDA LOGICA REALIZZATA
VHMIN teorico [V]
VLMAX teorico [V]
VHMIN rilevato [V]
VLMAX rilevato[V]
Valori nulli [V]
2,4
0,8
1,8
0,32
1,810,32
CONSIDERAZIONI
Osservando lo schema elettrico del circuito notiamo la presenza delle porte logiche NOT; la singola porta nel secondo ramo permette di negare il segnale che arriva al LED segnalante il livello alto, in modo da impedire che si accenda quando il livello logico dato dal puntale è basso, permettendo solo al primo diodo di illuminarsi. Si può notare che nel primo ramo sono presenti due porte logiche NOT collegate in serie: si potrebbe inizialmente pensare che tale collegamento risulti inutile, poiché la doppia negazione di un segnale corrisponde al segnale di partenza, tuttavia questa configurazione viene utilizzata quando il puntale è scollegato: proviamo a ragionare cortocircuitando le due porte NOT. Il ramo elettrico da considerare è quello principale in cui, per effetto della resistenza e della caduta di tensione provocata dai due diodi di commutazione, al nodo A si trova un valore di tensione attorno ai 2.6V; tale valore è riconosciuto alto, tuttavia in un caso come questo si ottiene una differenza di potenziale ai capi del LED attorno a 2.4V, che essendo superiore a Vo lo farà accendere senza possibilità di spegnerlo. Se invece colleghiamo due porte logiche NOT, la prima interpreterà i 2.6V come valore alto, lo convertirà in valore basso (circa 0V) e successivamente la seconda porta logica riconvertirà il segnale ad un livello alto, molto vicino però a 5V: pertanto la differenza dei potenziale che si otterrà ai capi del diodo LED tramite questo sistema sarà bassa, insufficiente per causarne l’accensione dato che risulterà inferiore di V (attorno a 2.7V). Questa semplice esperienza ci permette di capire l’importanza, nella progettazione di un circuito, della considerazione di fattori come i margini di immunità al rumore.
CONCLUSIONI
L ’esperienza è stata portata a termine con successo in tutti i punti prestabiliti. Il circuito di sonda logica è stato realizzato in modo più che accettabile; la precisione della sonda è abbastanza approssimativa, poiché è stata realizzata con componenti di cui conosciamo il funzionamento, mentre le sonde logiche commerciali sono realizzate con tecnologie diverse e molto più precise, utilizzano infatti comparatori e altri componenti di cui non conosciamo le applicazioni.
Lo scopo definitivo dell’esperienza quindi non è realizzare una sonda logica dalla precisione attendibile, ma introdurre gli studenti alla progettazione di sistemi elettronici, comprendenti tutti i vari passaggi teorici e le considerazioni sulle funzioni che si vogliono ottenere, congiunta alla realizzazione pratica ed alla verifica delle loro ipotesi sul piano reale.