Alunna : Arianna Vecchio
Classe : 5°a
Gruppo di lavoro : Barca Adele,
Cammarere Roberta, Furfaro Giuseppe,
Negrini Sandro Benedetto, Perrone
Pasquale, Scidone Caterina, Vecchio
Arianna.
Titolo dell’esperienza: Verifica pratica
di un astabile a trigger di Schmitt
Invertente.
Anno scolastico : 2011/2012
1
Sommario………………………………………………………………………………Pag 3
Cenni Teorici: Generatore di onde rettangolari ……………Pag 4.
A stabile a trigger di Schmitt invertente……...…………………..Pag 5
Componenti: Astabile ad amp. Operazionale…………………Pag 6
Risposta in tensione di un comparatore…………………………….Pag 7
Simulazione di un comparatore…………………………..…………......Pag 8
Carica relativa alla tensione di un condensatore .……………Pag 9
Grafico: Carica relativa alla tensione di un condensatore.Pag 10
Scarica relativa alla tensione di un condensatore …………..Pag 11
Grafico: arica relativa alla tensione di un condensatore …Pag 12
Carica di un condensatore relltiva all’intensità e alla tensione ai
capi della resistenza………..……………………………………………….…….Pag 13
•Scarica di un condensatore relativa all’intensità e alla tensione ai
capi della resistenza ……..………………………………………………………..Pag 14
Carica e scarica di un condensatore relatva all’intensità di
corrente elettrica………………………………………………………….………..Pag 15
Collaudo di un astabile con amplificatore operazionale…...Pag 16
Simulazione di un astabile a trigger di Schmitt invertente..Pag 17
Visualizzazione del segnale in uscita dall’astabile
sull’oscilloscopio ………………………………………………………………..…..Pag 18
Collaudo:Circuito di carica e scarica del condensatore…..Pag 19
Modulazione delle frequenze con note musicali…………..……..Pag 20
2
Con questa esperienza di laboratorio si è voluto verificare il corretto
funzionamento di un astabile a trigger di Schmitt invertente. Senza
introdurre alcun segnale in ingresso e alimentando opportunamente
l’operazionale (in funzione di comparatore) ‘astable genera in output
un onda quadra. Il suo funzionamento si basa sulla carica e la scarica di
un condensatore”C” attraverso un circuito resistivo “R”. Con un
oscilloscopio si è voluta visualizzare l’onda in output. Sono stati inoltre
calcolati e tabulati i dati previsti in output e indispensabili al collaudo
del circuito.
costruendo un circuito costituito da più astabili e collegato ad un
amplificatore acustico è stata riprodotta la scala di note musicali
mediante la modulazione di ogni singolo potenziometro calcolata
analiticamente grazie alla frequenza data di ogni singola nota.
Per un ulteriore arricchimento sono stati simulati i circuiti elettronici
mediante l’applicativo “Mltisim 09”. Tutte le elaborazioni dei dati
richieste durante l’esperienza sono state effettuate mediante i
software di elaborazione Microsoft Word e Microsoft Excel .
Whit this laboratory experience we wanted to verify the proper
operation of an astable to inverting Schmitt trigger. In this circuit
without introducing any input control, the appropriate operational
feeding (comparator function) is generated in a square wave output.
The operation is based on charging and discharging a capacitor "C"
through a resistive circuit "R". With an oscilloscope, you see the wave is
desired output. Were also calculated and tabulated the data provided in
the output and necessary testing of the circuit. To further enrich the
circuits were simulated in order to complete the required experience
through the application "Mltisim 09". All processing of data requests
were processed using processing software or Microsoft Word and
Excel.
3
Un generatore di onda rettangolare (o multivibratore astabile) è un circuito
che,senza alcun comando in ingresso produce in uscita un segnale che commuta
ciclicamente tra due livelli. Il suo funzionamento è basato sulla carica e la
scarica di un condensatore (C) attraverso un circuito resistivo (R) che preleva
una porzione di tensione in output per caricarsi.
Il tempo di carica e di scarica del condensatore, e quindi la frequenza del
segnale prodotto dipendono dalla costante di tempo τ = RC. Essendo un
circuito privo d’ingresso il segnale d’uscita è generato dal rumore dei
componenti presenti nel circuito. La costante di tempo all’istante t = 0 assume
un valore fisso di 0.63.
Il circuito che comanda il transitorio RC può essere realizzato con transistor,
amplificatori operazionali, porte logiche o intrigati dedicati. Nel nostro caso
utilizzeremo un amplificatore operazionale in funzione di comparatore.
Il Comparatore
Il comparatore è un circuito che fornisce in uscita un livello di tensione alto o
basso, in base al risultato del confronto tra le tensioni d’ingresso con una o più
tensioni di riferimento.
Il comparatore a soglia singola non è altro che un amplificatore operazionale
utilizzato ad anello aperto, cioè senza l’allegamento di altri componenti al
circuito. Dalla sua caratteristica di trasferimento si deduce che:
Per v+> v- l’uscita vale vo =+VSAT;
Per v+< v- l’uscita vale vo =-VSAT.
E’ quindi sufficiente porre un livello di tensione di riferimento (VREF) su un
terminale e il segnale d’ingresso sull’altro terminale per dedurre, dallo stato
dell’uscita, se la tensione d’ingresso ha superato o meno la tensione di
riferimento. Tale tensione può essere prodotta in vari modi direttamente da
un generatore di tensione, con un partitore di tensione alimentato da un
generatore, mediante un potenziometro, con uno stabilizzatore a zener,
tramite opportuni circuiti integrati, oppure può essere un’altra tensione
variabile da confrontare con il segnale d’ingresso.
4
Astabile a trigger di
Schmitt invertente
Generalmente il funzionamento di un astabile a trigger di Schmitt invertente
è realizzato mediante un amplificatore operazionale. Le tensioni di soglia
hanno modulo identico, ma segno opposte coincidono con le tensioni
all’ingresso non invertente quando l’uscita è pari a +VSAT o -VSAT.
Se l’ampiezza massima del rumore è inferiore alla distanza tra le soglie detta
isteresi in uscita non si verificano commutazioni.
Il funzionamento di un trigger si basa sulle considerazioni successive:
Per t = 0 si suppongono che vc (tensione ai capi del condensatore) = VT(tensione di soglia negativa)e vo (tensione in uscita) = VOH (livello alto
dell’onda quadra);
C si carica tramite R e vc aumenta tendendo al valore VOH;
Quando vc = VT+ l’uscita del trigger invertente commuta e si porta a VOL
(livello basso dell’onda quadra);
Ora C si carica attraverso R e vc tende al valore VOL;
Quando vc = VT- l’uscita commuta e ritorna al valore VOH; Ed il ciclo si
ripete.
Per l’importanza rivestita dai comparatori con isteresi in numerose
applicazioni, sarebbe bene analizzare le configurazioni più utilizzate per i
trigger di Schmitt.
Nota Bene:
In sostanza bisogna sapere che tra la resistenza R e la tensione in output vi
è u rapporto direttamente proporzionale, mentre tra il condensatore C e la
tensione d’uscita vi è un rapporto inversamente proporzionale.
5
Componenti:
Amp. Op. μA 741
R1= 12 k[Ω];
R2= 18 k[Ω];
R = 147 k[Ω];
C = 10 n[F]
Strumentazione
:
Alimentatore duale;
Oscilloscopio;
Voltmetro.
Software
Utilizzati:
Mulisim 09;
Microsoft Exel;
Microsoft Word;
Microsoft Power Point
Descrizione della Prova:
Montare su breadboard il multivibratore astabile invertente con
amplificatore operazionale invertente;
Simulare il circuito mediante un software di simulazione;
Rilevare analiticamente i dati utili al collaudo mediante un software di
calcolo;
Stabilire un tempo superiore a “5τ” e rilevare istante per istante i
rispettivi valori della tensione di carica e scarica del condensatore “C” e
della resistenza “R” mediante l’utilizzo di un voltmetro;
Rappresentare tali valori graficamente mediante un software di
calcolo;
Misurare con l’oscilloscopio (o frequenzimetro) la frequenza d’onda
quadra in uscita controllandola con quella prevista analiticamente;
Verificare che la tensione di soglia ai capi del condensatore varia tra i
valori delle soglie VT+ e VT- del Trigger invertente di Schmitt;
In modulazione della frequenza individuare analiticamente il valore di
ogni singola resistenza utile per riprodurre la scala di note musicali.
Varianti:
Per modificare il duty-cicle sostituire al resistore “R” un circuito
formato da un blocco composto da una resistenza “R” di 50 k[Ω] ed un
potenziometro “RPOT” da 100 k[Ω].
6
Risposta in tensione di un comparatore.
Calcolo dei valori di saturazione +VSAT e -VSAT.
+Vcc =
15
+VSAT =
+Vcc-2 =
[V]
13
[V]
-Vcc =
-15
-VSAT =
-Vcc+ 2 =
VI INGRESSO
Prova N°1
Prova N°2
Prova N°3
Prova N°4
Prova N°5
Prova N°6
[V]
-13
[V]
VO OUTPUT
V+ [V]
V- [V]
DVd [V]
Ad
Vo
1
0
1
200000
13
2
0
2
400000
13
3
0
3
600000
13
0
1
-1
-200000
-13
0
2
-2
-400000
-13
0
3
-3
-600000
-13
Compar at or e a soglia singola
Serie1
Vo [V]
15
10
5
0
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
-5
-10
-15
Vi [V]
7
8
Carica relativa alla tensione di un condensatore
C=
0,001
[F]
R=
22000
[Ω]
e=
2,718
E=
15
Ϯ=
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
0
3,0491663
5,478505
7,4140131
8,9560755
10,184671
11,16352
11,943391
12,564732
13,059768
13,454174
13,768406
14,018762
14,218225
14,377143
14,503756
14,604631
14,685001
14,749033
14,800049
14,840695
14,873078
14,898878
[s]
5 Ϯ = 110
[s]
[V]
Calcolata analiticamente
-t/RC
)
t [s] E*(1-e
22
Collaudata
e-t/RC
-t/RC
t [s]
vC
1
0,796722
0,634766
0,505732
0,402928
0,321022
0,255765
0,203774
0,162351
0,129349
0,103055
0,082106
0,065416
0,052118
0,041524
0,033083
0,026358
0,021
0,016731
0,01333
0,01062
0,008461
0,006741
0
-0,227273
-0,454545
-0,681818
-0,909091
-1,136364
-1,363636
-1,590909
-1,818182
-2,045455
-2,272727
-2,5
-2,727273
-2,954545
-3,181818
-3,409091
-3,636364
-3,863636
-4,090909
-4,318182
-4,545455
-4,772727
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
0,00
3,47
5,38
7,03
8,10
9,14
9,97
10,49
10,97
11,32
11,60
11,86
12,09
12,25
12,37
12,50
12,57
12,64
12,70
12,74
12,78
12,81
12,84
9
Grafico: Carica relativa alla tensione di un condensatore
16
14
12
Tensione [V
10
8
Serie1
Serie2
6
4
2
0
0
5
10
15
20
25
t [s]
10
Scarica relativa alla tensione di un condensatore
C=
0,001
[F]
Ϯ = 22
[s]
R=
22000
[Ω]
5 Ϯ = 110
[s]
e=
2,718
E=
15
[V]
Calcolata analiticamente
-t/RC
)
t [s] E*(e
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
15
11,95083
9,521495
7,585987
6,043924
4,815329
3,83648
3,056609
2,435268
1,940232
1,545826
1,231594
0,981238
0,781775
0,622857
0,496244
0,395369
0,314999
0,250967
0,199951
0,159305
0,126922
0,101122
Collaudata
e-t/RC
-t/RC
t [s]
vC
1
0,796722
0,634766
0,505732
0,402928
0,321022
0,255765
0,203774
0,162351
0,129349
0,103055
0,082106
0,065416
0,052118
0,041524
0,033083
0,026358
0,021
0,016731
0,01333
0,01062
0,008461
0,006741
0
-0,227273
-0,454545
-0,681818
-0,909091
-1,136364
-1,363636
-1,590909
-1,818182
-2,045455
-2,272727
-2,5
-2,727273
-2,954545
-3,181818
-3,409091
-3,636364
-3,863636
-4,090909
-4,318182
-4,545455
-4,772727
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
10,00
9,02
8,15
7,10
6,05
4,85
3,90
3,13
2,47
1,99
1,64
1,33
1,08
0,87
0,71
0,59
0,47
0,37
0,31
0,25
0,21
0,17
0,14
11
Grafico: Scarica relativa alla tensione di un condensatore
16
14
12
Tensione [V
10
8
Serie1
Serie2
6
4
2
0
0
5
10
15
20
25
t [s]
12
C=
0,001
[F]
Ϯ=
22
[s]
R=
22000
[Ω]
5Ϯ=
110
[s]
e=
2,718
E=
15
[V]
Carica relativa all'intensità di corrente elettrica
E/R*e-t/RC
e-t/RC
-t/RC
t
0,000681818
0,00054322
0,000432795
0,000344818
0,000274724
0,000218879
0,000174385
0,000138937
0,000110694
8,81924E-05
7,02648E-05
5,59816E-05
4,46017E-05
3,55352E-05
2,83117E-05
2,25566E-05
1,79713E-05
1,43181E-05
1,14076E-05
9,08867E-06
7,24115E-06
5,76918E-06
4,59644E-06
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
Calcolato Collaudato
15
11,95083366
9,521495014
7,585986875
6,043924487
4,81532908
3,836479791
3,056608789
2,435268214
1,940232356
1,545826277
1,23159418
0,981238479
0,781774523
0,622857152
0,496244148
0,395368751
0,314999079
0,250966773
0,199950811
0,159305259
0,126922043
0,101121615
0
0
0
-1
-1
-1
-1
-2
-2
-2
-2
-3
-3
-3
-3
-3
-4
-4
-4
-4
-5
-5
-5
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
VR = R*i
Serie1
0
9,61
7,69
6,04
4,85
3,91
3,167
2,56
2,055
1,7
1,423
1,165
0,965
0,784
0,633
0,547
0,471
0,397
0,351
0,297
0,265
0,239
0,215
Serie2
16
14
12
10
8
6
4
Tensione [V]
2
0
13
0
5
10
15
t [s]
20
25
C=
0,001000
[F]
Ϯ=
22
[s]
R=
22000,000000
[Ω]
5Ϯ=
110
[s]
e=
2,718
E=
15
[V]
Scarica relativa all'intensità di corrente elettrica
-E/R*(e-t/RC) e-t/RC
-t/RC
t
-0,000681818
-0,00054322
-0,000432795
-0,000344818
-0,000274724
-0,000218879
-0,000174385
-0,000138937
-0,000110694
-8,81924E-05
-7,02648E-05
-5,59816E-05
-4,46017E-05
-3,55352E-05
-2,83117E-05
-2,25566E-05
-1,79713E-05
-1,43181E-05
-1,14076E-05
-9,08867E-06
-7,24115E-06
-5,76918E-06
-4,59644E-06
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
VR = R/i
-15
-11,9508337
-9,52149501
-7,58598688
-6,04392449
-4,81532908
-3,83647979
-3,05660879
-2,43526821
-1,94023236
-1,54582628
-1,23159418
-0,98123848
-0,78177452
-0,62285715
-0,49624415
-0,39536875
-0,31499908
-0,25096677
-0,19995081
-0,15930526
-0,12692204
-0,10112162
0
0
0
-1
-1
-1
-1
-2
-2
-2
-2
-3
-3
-3
-3
-3
-4
-4
-4
-4
-5
-5
-5
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Calcolato Collaudato
Serie1
0
0
5
10
15
20
0
-7,41
-6,07
-4,77
-3,93
-3,02
-2,488
-1,988
-1,622
-1,341
-1,064
-0,873
-0,717
-0,585
-0,468
-0,383
-0,316
-0,26
-0,22
-0,179
-0,149
-0,124
-0,105
Serie2
25
-2
-4
Tensione [V]
-6
-8
-10
-12
-14
14
-16
t [s ]
Carica di un condensatore relativa all'intensità di corrente elettrica
0,0008
Intensità di corrente m[A]
0,0007
0,0006
0,0005
0,0004
Serie1
0,0003
0,0002
0,0001
0
0
5
10
15
20
25
t [s]
Intensità di corrente m[A]
Scarica di un condensatore relativa all'intensità di corrente elettrica
0,0008
0,0007
0,0006
0,0005
0,0004
Serie1
0,0003
0,0002
0,0001
0
0
5
10
t [s] 15
20
25
15
Collaudo di un astabile con amplificatore operazionale
C=
0,00000001
R=
147000
[F ]
[Ω]
R1 =
12000
[Ω]
R2 =
18000
[Ω]
VSAT =
10
[V]
Calcolo del periodo T
T=
0,00249106
=
2,5
m[s]
Calcolo delle tensioni di soglia
VT+ =
VT- =
4
-4
1° PROVA C alcolato
[V]
[V]
Misurato
VSAT =
10
10
-VSAT=
-10
-10
VT+ [V] =
4
4
VT- [V]=
-4
-4
Vc(t)Carica=
0
0
Vc(t)Scarica=
12
12
T m[s] =
2,5
2,5
f [Hz] =
400
400
16
Carica e scarica di
un condensatore
Trigger di
Schmitt
invertente
17
18
Collaudo:
Circuito di
carica e scarica
del
condensatore
Collaudo: Carica e scarica relativa alle tensioni
ai capi del condensatore ed ai capi della
resistenza “R”
19
Modulazione delle frequenze con note musicali
VSAT =
10
[V ]
VT+ =
4
[V ]
VT- =
-4
[V ]
C=
0,00000001
n[F ]
[Hz]
T [s]
R [Ω]
DO =
523
0,0019
95602,294
RE =
587
0,0017
85178,876
MI =
659
0,0015
75872,534
FA =
698
0,0014
71633,24
SOL =
784
0,0013
63775,51
Creazione del circuito riproduttore di note
musicali
20