ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE STATALE

<<E. Fermi>>

72021 FRANCAVILLA FONTANA (Brindisi)

VIA CAPITANO DI CASTRI

Indirizzi: MECCANICA, ELETTRONICA E TELECOMUNICAZIONI, ELETTROTECNICA E AUTOMAZIONE

ANNO SCOLASTICO 2004/2005

PROGETTARE UN COMPARATORE CON ISTERESI AVENTE AMPIEZZA

DELL’ISTERESI V_H = 4 V E TENSIONE V_CC = 12V; V_RA = 2V; V_RB = 2V

Data:

Classe:

Docente : Ing. DE PAOLIS PIETRO STUDENTI : SARACINO FRANCESCO

Docente Tecnico: SANTORO GIUSEPPE CINIERI PIETRO

Assistente Tecnico di laboratorio: PALAZZO MINO CHIRICO FRANCESCO

• Premessa

• Progetto di massima

• Organizzazione temporizzazione delle fasi esecutive

• Apparecchiatura necessaria

• Collaudo

• Conclusioni

Nei rivelatori di zero e nei comparatori già visti esiste il problema dei disturbi sovrapposti al segnale di ingresso. Quando il segnale di ingresso passa per lo zero (o per una tensione di riferimento), ed è presente un disturbo sovrapposto al segnale di ingresso, si possono verificare all'uscita delle commutazioni indesiderate. Queste commutazioni indesiderate non ci permettono di stabilire univocamente il momento in cui si ha il passaggio per lo zero (o per la tensione di riferimento).Per risolvere questo problema si ricorre all'uso del comparatore con isteresi, dove però viene usata la retroazione positiva, cioè viene riportata parte della tensione di uscita all'ingresso non invertente.

Vediamo di analizzare il comportamento di questo dispositivo.

La retroazione positiva introduce due soglie, una positiva V_RA, e una negativa V _RB, che valgono rispettivamente:

V_RA = [R2/(R1+R2)](+V_CC), V_RB= [R2/(R1+R2)](-V_CC).

All'interno di queste due soglie, uguali in modulo, ma di segno opposto, il dispositivo non risente di eventuali disturbi presenti all'ingresso, sempre che l'ampiezza di questo non supera il valore di una delle soglie.

Come si nota in figura ora la commutazione dell'uscita non avviene più in corrispondenza dello zero ma avviene in corrispondenza di una delle due soglie, per cui l'eventuale disturbo sovrapposto al segnale di ingresso Vi, non influenzerà l'uscita.

Come mostrato in figura, l'uscita di questo circuito cambia stato quando l'ingresso supera una delle due soglie (negativa o positiva), ma per ottenere la successiva commutazione dell'uscita è necessario superare l'altra soglia. L'intervallo V_RA - V_RB= V_H è detto isteresi e dipende dalle due resistenze.

Vediamo di analizzare il tutto usando la caratteristica ingresso uscita detta anche "caratteristica di trasferimento".

Come si può vedere dalla figura, se la Vi si trova al di sotto della soglia negativa (Vt ^-) e cresce, la oltrepassa senza che l'uscita cambia stato; questo fino a quando arriva in corrispondenza della soglia positiva. In corrispondenza di questa si ha la commutazione, tornando indietro invece la commutazione si ha in corrispondenza della soglia negativa. L'intervallo tra le due soglie si chiama "isteresi" in cui il valore medio (Vt⁺ + Vt ^-)/2 vale zero, cioè la finestra è centrata nell'origine.

Il progetto prevede essenzialmente la realizzazione di un comparatore con in isteresi

avente ampiezza dell’isteresi: V_H = 4 V e tensione V_CC = 12V; V_RA = 2V; V_RB = 2V utilizzando i programmi

Orcad Capture, Orcad Layout e Microcam della Info.Tec.Service.

Per realizzare il disegno elettronico si viene ad utilizzare il software Orcad (Versione 9.2). per progettare

un’apparecchiatura elettronica è necessario sviluppare il circuito elettronico.

Il progetto di questo circuito va suddiviso in fasi:

- calcolo teorico dei resistori R1 e R2 per avere i valori richiesti dalla traccia

- disegno dello schema elettrico;

- realizzazione di un circuito stampato.

- verifica funzionale del circuito;

Tutto il lavoro da eseguire può essere suddiviso nelle seguenti fasi:

- calcolo teorico dei resistori R1 e R2 in base a valori dati dalla traccia

- disegno dello schema elettrico su PC utilizzando il programma Orcad Capture versione 9.2;

- sbrogliatura , ovvero disegno delle piste di rame partendo dallo schema elettrico,

su PC utilizzando il programma Orcad Layout;

- salvataggio del disegno del circuito stampato con Orcad Layout in un file Gerber

RS-274D

e scrittura di un file per le aperture;

- utilizzo del programma MicroCam in grado di prendere il file Gerber e trasformarlo in due file successivi,

uno di scontornatura delle piste in formato Camm-GL I, il quale contiene le istruzioni da inviare tramite la porta

parallela alla macchina fresatrice; un altro di foratura del centro delle piazzole (da utilizzare con il programma

mcdrill.exe) che invia le istruzioni alla macchina fresatrice per la realizzazione dei fori;

- realizzazione della scontornatura inviando i dati direttamente alla macchina fresatrice, mediante il programma MicroCam;

- realizzazione della foratura mediante il programma mcdrill.exe

- saldatura dei componenti prescelti, sulla basetta realizzata con la fresatrice:

- collaudo;

- produzione di documentazione: disegni, relazioni, ecc…

Per calcolare R1 e R2 poniamo come valore stabilito R1 = 1KΩ , mentre per il calcolo del resistore R2 abbiamo

utilizzato la seguente formula:

V_H = V_RA - V_RB = 2 Vcc R₁

R₁ + R₂

Da cui R₂ = 2 Vcc R₁ – R₁

V_H

Quando la tensione di uscita è positiva, abbiamo un certo valore di riferimento che chiamiamo V_RA,

cioè tensione di riferimento a livello alto, che sarà:

V_RA = Vcc R₁

R₁ + R₂

Quando, invece, la tensione di uscita sarà negativa, abbiamo una tensione di riferimento negativa, cioè a livello basso,

quindi:

V_RB = - Vcc R₁

R₁ + R₂

N°	Ref.	Q.	DESCRIZIONE
1	U1	1	Amplificatore operazionale uA 741
2	R1	1	Resistore a strato 1KW ± 5% 0.25W
3	R2	1	Resistore a strato 4.7 KW ± 5%,0.25W
4	HEADER1	1	Connettore a due ingressi
5	HEADER2	3	Connettore a uno ingresso
6	-	1	Basetta di rame monofaccia 20X25
7	-	1	Zoccolo per CI 8 pin

N°	Ref.	Q.	DESCRIZIONE
1	-	1	Alimentatore da banco ±12V
2	-	1	Generatore di funzione
3	-	1	Oscilloscopio
4	-	1	Sonde
5	-	1	Tester Digitale

Per la prova strumentale vi è indispensabile avere un generatore di tensione duale ±12 V, un oscilloscopio , un generatore di funzione e

alcune sonde. Presi tutti i componenti necessari, verifichiamo che il comparatore con isteresi effettua il confronto fra i due segnali

applicati in ingresso di cui una viene preso come tensione di riferimento (Vr). L’uscita da un valore alto o un valore basso in base

al risultato del confronto. Si passa ora alla fase di misura: il generatore di funzione lo utilizziamo per fornire all’ingresso invertente

dell’operazionale un segnale sinusoidale (V₁) aventi frequenza 1 KHz, l’oscilloscopio viene utilizzato per visualizzare le forme d’onda

dei due segnali, di cui uno la tensione applicata in ingresso (V1) e la tensione di uscita (Vu), mentre il generatore di tensione duale

±12V lo utilizziamo per alimentare l’amplificatore operazionale (uA741).

La prima misura viene eseguita a vuoto senza applicare nessun segnale in ingresso. Si rilevano i valori di tensione ai capi di R1 e

dell’uscita del mA741 e si rilevano i seguenti valori:

VR1=1,95 V ; Vu = 11,11 V;

Questi valori dimostrano che la tensione di riferimento è di circa 2V e che in uscita l’amplificatore và in saturazione positiva. Non appena Vi, crescendo, supera questa tensione, che è la soglia positiva, l'operazionale commuta, la Vu si porta a -V_RB più rapidamente che senza retroazione positiva e, questo perché nell'attimo in cui Vi raggiunge la tensione al terminale non invertente, l'uscita si porta a -V_RB, come si rileva dalla caratteristica dell'operazionale ideale e, questa Vu negativa, forza l'operazionale a commutare più rapidamente perché adesso la tensione all'ingresso non invertente è diventata negativa ed è a maggior ragione più bassa di quella presente nell'istante in cui si ha la commutazione.

Adesso il terninale non invertente si trova al valore –V_RB , che è la soglia negativa, e per avere una successiva commutazione è necessario che la Vi = -2V scenda sotto di questa. Raggiunto questo valore, l'operazionale commuta e la Vu si riporta a +V_RA e quindi anche la tensione al terminale non invertente ritorna ad essere positiva e uguale alla soglia positiva vista prima, forzando l'operazionale, come già visto, ad una commutazione più rapida.

Per verificare l’efficacia del comparatore con isteresi ad essere immune ai rumori , si collega al piedino 2 del mA741 un generatore di

tensione continua da 2V con in serie un generatore di funzione per simulare il disturbo.

Si vedrà che all’accensione l’uscita risulterà in saturazione negativa, misurando i valori di tensione ai capi di R1 e dell’uscita del mA741 e

si rilevano i seguenti valori:

VR1 = 1,80 V; Vu = 10,3 V

quando Vi = 3V; VRA = 1,89 V; Vu = 10,78 V;

quando Vi = 0 V; VRA=1,95 V ; Vu = 11,11 V;

Con componente continua:

Vi = 5V; VRA = 1,80 V; Vu = 10,3 V

Dalla verifica sperimentale abbiamo ottenuto dei risultati attendibili. E abbiamo costatato come il comparatore con isteresi sia utile

per verificare il confronto fra due tensioni applicate in ingresso, e anche la capacità di essere immune alla presenza di rumori.