Roberto Berardi (Robert8)

ELETTRONICA DIGITALE PRATICA I - PRIMIPASSI

15 November 2011

Il perché ed il come

Le ragioni di questo articolo

Capita che il percorso scolastico, il lavoro e le faccende della vita tengano unapersona distante dall'Elettronica anche se essa, vuoi per la sua natura pervasivanegli oggetti d'uso quotidiano oppure per il suo fascino intrinseco, un angolino nelcuore lo tiene occupato e negli anni scava e si espande finché non si riesce più adignorarla e si decide di darle spazio e tempo almeno come hobby. Si decide di darlespazio trovando un angolo di casa, un ripiano, un cassetto, una scatola dove riporree custodire componenti e strumenti. Si decide di dedicarle tempo impiegando le orelibere della sera o del weekend perché avvertiamo che non sarà tempo perso ma ciripagherà con soddisfazione, divertimento ed appagamento.

Oppure . . . . siamo semplicemente curiosi e desideriamo esplorare un nuovo mondosenza sapere il perché, ignorando il come e persino da dove iniziare.

Già, ecco il problema: da dove iniziare?

Un salto in edicola è già un primo passo e sfogliando 4 o 5 riviste è facile ricavarequalche spunto, un'idea, farsi attrarre da un progetto, da un kit di montaggio eottenere qualche indicazione su negozi e fiere locali di elettronica.

Se si è a digiuno di teorie e concetti sarà bene procurarsi qualche testo visitandoqualche libreria ma senza disdegnare la biblioteca sotto casa: è sorprendente laquantità di libri di elettronica che si trovano nelle biblioteche, sia a livellospecialistico sia di natura divulgativa.Un giro su Internet può fornire parecchi spunti, curiosando su siti e forumspecialistici ed incontrando, visto che siete qui, siti come questo con articoli checercano di raccogliere in un unico spazio, coerente e lineare, le informazioni di basee le indicazioni per muovere i primi passi.

ELECTROYOU.IT

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A chi è rivolto

Questa lettura può tornare utile a chi non ha studiato elettronica alle superiori ocomunque non ha mai messo piede in un laboratorio di elettronica. Possono trovarespunti pratici coloro che pur avendo nozioni di elettronica non hanno potuto fareesperimenti pratici come purtroppo succede a tanti studenti che raramente riesconoad entrare in un laboratorio.Insomma, l'articolo è per tutti quelli che vogliono entrare in questo affascinantemondo ma non hanno le idee chiare su come iniziare.

Rimandi teorici

Come si evince dal titolo, qui si parla solo di pratica. Per le basi teoriche consiglioqualche libro o qualche articolo in questo stesso sito (vedasi bibliografia e sitografia).

Contenuto dell' articolo

Primi passi significa proprio partire da zero, quindi, verranno fornite indicazionibasilari su componenti e strumenti necessari, su cosa comprare, dove acquistare equanto spenderemo. Eseguito l'acquisto passeremo a realizzare i primi semplicissimiesperimenti.

Quindi iniziamo col visualizzare ciò che ci serve.

Di cosa abbiamo bisogno?

Di seguito un elenco degli strumenti indispensabili, con breve descrizione e foto, eduna rassegna dei componenti necessari al primo esperimento:

BreadBoardSono delle basette di plastica traforate sulle quali inserire resistenze, condensatori,pulsanti, circuiti integrati ed altri componenti. Permettono di realizzare semplicicircuiti senza la necessità di costruire un circuito stampato e senza dover saldarvi icomponenti. Vedremo come usarle durante l'assemblaggio

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Filo rigidoPer collegare tra loro i componenti abbiamo bisogno del filo di rame di diametroadatto ai fori della breadboard. Possiamo usare il filo rigido che si trova nei cavettitelefonici essendo di facile reperibilità nei negozi di accessori elettrici o nei varibrico center

BreadBoard.JPG

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MultimetroStrumento di misurazione digitale o analogico in grado di misurare tensione,intensità di corrente e resistenza come minimo

DoppinoTelefonico.JPG

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AlimentatorePer i nostri primi esperimenti abbiamo bisogno di un generatore di tensione a 5 V ingrado di erogare una corrente continua di almeno 100 mA. Per iniziare va benissimoil classico alimentatore PC. Vedasi, per buoni consigli, l'articolo citato in Sitografia.

In alternativa si può usare un qualsiasi trasformatore da Corrente Alternata (AC) 220V a Corrente Continua (CC) 5 V sempre con almeno 100 mA.Insomma, qualunque alimentatore si usi ed eventualmente anche delle pile,l'importante è che fornisca una tensione minima di 4,75 V e massima di 5,25 Vperchè questa è la variazione di tensione accettabile per un corretto funzionamentodei circuiti integrati che useremo

Multimetro.JPG

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Condensatori ElettroliticiNei nostri primi esperimenti li useremo solo come protezione da sbalzi di tensione inbassa frequenza

Alimentatore.JPG

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Condensatori PoliestereQui li useremo solo come protezione da sbalzi di tensione in alta frequenza

CondensatoriElettrolitici.JPG

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ResistenzePer ora ci serviranno per limitare le correnti in uscita dai circuiti integrati

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LEDUsiamo i LED per visualizzare lo stato delle uscite dei circuiti integrati

Resistenze.JPG

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Circuiti Integrati (IC)Useremo Circuiti Integrati TTL (Transistor Transistor Logic) della serie 74LSxx conpackage DIL o DIP (Dual In-line Package) o PDIP (Plastic Dual In-line Package) inquanto hanno un formato adatto all'inserimento nelle BreadBoard

Led.JPG

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Visualizzati strumenti e componenti vediamo dove acquistarli e quanto ci costano.

Lista della spesa minima per i più cauti

Escludo dalla lista l'alimentatore perché spesso si ha in casa un vecchio PC oppure cisi avvale delle alternative viste sopra.Per i primi pochi componenti indispensabili conviene acquistare presso il negoziolocale di componenti elettronici oppure alla prima fiera di elettronica nei paraggi.

Quantità Articolo Costo approssimato in euro1 Multimetro 201 BreadBoard 81 Doppino telefonico 35 LED 5 mm di diametro 25 Resistenze da 1 kOhm 0,25 W 15 Condensatori elettrolitici da 10 uF 16 V 15 Condensatori poliestere da 100 nF 16 V 11 Circuito Integrato 74LS08 1

IC.JPG

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Totale spesa: da 30 a 40 euro circa.

Lista della spesa euforica per i più entusiasti

Nel caso si sia già convinti di voler approfondire l'argomento e di voler fare piùesperimenti, conviene pensare ad un acquisto comprendente un buon assortimentodi componenti per essere in grado di compiere anche esperimenti più avanzati.In questo caso, per un acquisto in grande stile, conviene effettuare un ordine viaInternet presso Farnell, RS-Component, Futurlec, Distrilec, Elettroweb etc.

Quantità Articolo1 Multimetro

10 BreadBoard1 Doppino telefonico

30 LED 5 mm di diametro (10 rossi, 10 verdi e 10 gialli)100 Resistenze 0,25 W (valori misti da 100 a 100.000 Ohm)30 Condensatori elettrolitici 16 V (valori misti da 1, 10, 100 uF)30 Condensatori poliestere 16 V (valori misti da 2,2 a 470 nF)5 74LS00 - Quad 2 input NAND Gate5 74LS04 - Hex Inverter5 74LS08 - Quad 2 input AND Gate5 74LS32 - Quad 2 input OR Gate5 74LS48 - BCD to 7 seg. Decoder/Driver5 74LS85 - 4 bit Magnitude Comparator5 74LS90 - Decade Counter5 74LS132 - Quad 2 input NAND Schmitt Trigger5 74LS138 - 3 to 8 Decoder/Demultiplexer5 74LS139 - 2 to 4 Decoder/Demultiplexer5 74LS151 - 8 input Multiplexer5 74LS193 - Binary Up/Down Counter5 74LS245 - Octal Bus Transc.Tri-State5 74LS574 - Octal D-type F/F Edge-Trigg. Tri-State5 74LS590 - 8 bit Binary Counter w/o Reg. Tri-State1 74LS682 - 8 bit Magnitude Comparator2 LM555CN - Timer1 AD557 - Microprocessor Compatible 8-Bit DAC1 ADC0804LCN - 8 bit A/D Converter2 ULN2803A - Hi-Volt Hi-Current Darl. Array

Totale spesa: l'euforia non ha prezzo.

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Anche se molti esercizi si possono fare utilizzando LED per il controllo visivo diingressi e uscite prima o poi ci renderemo conto che un oscilloscopio è indispensabilee tanto vale acquistarlo subito. Con 150 euro si acquista il PoScope Basic più chesufficiente per iniziare.

Ora che abbiamo tutto il necesssario possiamo procedere col primo esperimento: testdel circuito integrato 74LS08. Di cosa si tratta? A che serve questo integrato? Loscopriremo andando a leggere il suo Data Sheet.

Il Data Sheet

Innanzi tutto è indispensabile munirsi del datasheet facilmente reperibile in rete.A prima vista, la lettura di un datasheet può risultare ostica ma non deprimiamoci:con un po' di pazienza e procedendo per gradi cerchiamo di capire cosa ci dice.Leggiamo le prime righe:

PoScope.JPG

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Bene, si tratta di un circuito integrato con 4 porte AND, indipendenti una dall'altra, a2 ingressi.Focalizziamo ora l'attenzione sul Connection Diagram con lo scopo di identificare ipiedini:

Per capire qual'è il piedino n. 1 esaminiamo la figura in Physical Dimension:

IC_1_descrizione.JPG

IC_2_ConnectioDiagram.JPG

IC_3_PhysicalDimension.JPG

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dove notiamo la tacchetta semitonda ed il cerchietto vicino al pin n.1Ora siamo in grado di associare ogni piedino alla sua funzione descritta neldiagramma di connessione:

• Il piedino numero 7 (GND) andrà collegato a massa (0 V);• Il 14 (Vcc) all'alimentatore (+5 V);• I piedini A e B sono ingressi;• I piedini Y sono le uscite.

Passiamo alla Function Table o "tabella delle verità" che descrive il comportamentodi ognuna delle 4 porte:

La funzione specificata è Y = AB ovvero Y = A AND B.A e B sono gli ingressi che in tutti i casi possibili possono assumere i 4 stati descritti:

• entrambi a Low (0 V),• uno Low (0 V) e uno High (5 V),• uno High (5 V) e uno Low (0 V),• entrambi High (5 V).

Nei primi 3 casi l'uscita Y è Low (0 V) e solo nel quarto caso risulta High (5 V).

A titolo di esempio, vediamo lo schema elettrico del quarto caso:

IC_4_FunctionTable.JPG

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Chiarite le funzioni dei pin del nostro Circuito Integrato non ci resta che procederecon l'esperimento per verificare dal vivo quanto affermato nella Function Table.

Assemblaggio e test

Prendiamo la BreadBoard e, per evitare confusioni, vi scriviamo sopra un bel "+"ed un "-" sulle 2 canaline laterali di alimentazione. Quindi incastriamo il circuitointegrato a cavallo della linea centrale.Posizioniamo il condensatore elettrolitico da 10 uF e quello in poliestere da 100 nFsul pin 14 (attenzione alla polarità del condensatore elettrolitico).Scegliamo una delle 4 porte disponibili collegando il LED, la resistenza ed in fine i filidi collegamento alla massa (-) e quelli di alimentazione al (+). Il tutto come in figuraseguente:

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I due condensatori sul pin di alimentazione servono per attenuare sbalzi di tensioneed evitare che l'IC funzioni in modo irregolare.Il LED serve per evidenziare visivamente se l'uscita della porta è High o Low.La resistenza a valle del LED serve per limitare la corrente in uscita dalla porta.Per la prima prova colleghiamo 2 fili volanti dal + agli ingressi A e B.Bene, ora possiamo collegare l'alimentazione e verificare che il LED si accenda.Poi proviamo le altre 3 configurazioni viste nella Function Table per verificare che ilLED rimane spento.Ottimo, funziona tutto proprio come previsto: congratulazioni!

Un'ultima prova: lasciando acceso il circuito, togliamo i due fili volanti sugli ingressi.Che succede? Il LED rimane acceso o spento? Può darsi che resti spento ma ancheacceso perché lasciando gli ingressi scollegati l'uscita sarà irregolare ed inaffidabile,quindi: mai lasciare scollegati gli ingressi delle porte in uso!

Per concludere verifichiamo, con l'aiuto del data sheet, di aver rispettato le condizionioperative consigliate dal costruttore.

Verifica condizioni operative

Andiamo a leggere le Recommended Operating Conditions sul data sheet:

Esperimento.JPG

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Col multimetro verifichiamo che la tensione Vcc sia effettivamente compresa tra 4,75e 5,25 V.La VIH (V Input High: tensione High sugli ingressi) deve essere maggiore di 2 V: nelnostro caso lo è sicuramente dato che l'abbiamo collegata al + 5 V.La VIL (V Input Low : tensione Low sugli ingressi) deve essere minore di 0,8 V: anchequi siamo in regola perché l'abbiamo collegata a massa.

Passiamo a leggere le Electrical Characteristics:

Misuriamo la tensione sull'uscita col LED acceso: VOH (V Output High) è maggiore di2,7 V e tipicamente intorno a 3,4 V ?Misuriamo la tensione sull'uscita col LED spento: VOL (V Output Low) è inferiore a0,5 V ?

Bene, ora controlliamo le correnti.

Per verificare IIH e IIL togliamo uno dei fili volanti sugli ingressi sostituendolodirettamente col multimetro configurato sulla lettura delle correnti.Misuriamo la corrente in ingresso col LED acceso: IIH (I Input High) è minore di

IC_5_ROC.JPG

IC_6_EC.JPG

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0,020 mA ? Si!Misuriamo la corrente in ingresso col LED spento (multimetro tra massa e uno degliingressi) : IIL (I Input Low) è inferiore a 0,36 mA ? Si!

Per verificare IOH e IOL scolleghiamo la resistenza dalla massa e vi interponiamo ilmultimetro.

Misuriamo la corrente in uscita col LED spento: IOL (I Output Low) è inferiore a 8mA ? Si!Misuriamo la corrente in uscita col LED acceso: IOH (I Output High) è minore di 0,4mA ? No!

Poffarbacco: come NO! Ebbene abbiamo sbagliato qualcosa! Difatti la IOH rilevata è1,4 mA ben al di sopra del consentito di 0,4 mA! Quindi?Quindi non possiamo accendere un LED sul valore High di una uscita di un CircuitoIntegrato TTL: non è in grado di fornire sufficiente corrente.Notiamo, invece, che la IOL è maggiore della IOH, ben 8 mA: sufficienti per accendereil LED.Allora, per concludere positivamente il nostro esperimento non ci resta che faraccendere il LED quando l'uscita è Low. La soluzione ci sembra contro intuitiva manon abbiamo scelta: quando il LED è acceso significa che l'uscita è a zero. Rivediamolo schema elettrico per correggere la disposizione della resistenza e del LED:

Quindi basta collegare la resistenza al + 5 V e girare il LED per assecondare la nuovapolarità.Ripetiamo la misura della IOH e della IOL: questa volta rientriamo nei valoriraccomandati.

Tutto chiaro? Dubbi? Perplessità?

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Una perplessità la anticipo io: perchè abbiamo usato una resistenza da 1 kOhm?Perchè non 100 o 100.000 Ohm?Perplessità più che legittima e la risposta è: provate per vedere che succede!Provate con una R da 100 kOhm: che succede?Provate con una R da 100 Ohm: che succede?Ricordate che la corrente IOL non deve superare 8 mA affinchè l'integrato possasopravvivere a lungo.Provate, infine, con un potenziometro da 0 a 1 kOhm in serie al multimetro percontrollare la corrente su tutta la scala di valori.

In genere, nota la caduta di tensione ai capi del LED (VLED), si dimensiona la R conla legge di Ohm in modo da non superare la IOL ammessa:

Nel nostro caso, VLED = 1,9 V, quindi:

ma, per non tirare il collo al povero integrato, conviene stare sui 1000 Ohm.

Bene, questo è tutto per ora, abbiamo verificato i parametri più rilevanti del nostrocircuito integrato e concluso il nostro primo approccio con l'Elettronica Digitale.

Conclusioni

Con questi primi passi siamo entrati nel mondo dell'elettronica digitale. Orasappiamo cosa e dove acquistare ciò che ci serve. Sappiamo leggere un datasheet ecercare di capire come funziona e come collegare un componente.Se l'argomento ci affascina sarà necessario affrontare anche la teoria e sbizzarrirsicon gli esperimenti: il miglior modo per imparare rimane quello di provare eriprovare. Ad esempio possiamo applicare la medesima procedura sperimentale vistasopra anche alle altre porte logiche: OR (74LS32), NOR (74LS04), NAND (74LS00),etc.

Se l'articolo vi è piaciuto vi invito a scrivere un commento: dipenderà quindi da voi, seinteressati, stabilire se è il caso o meno di proseguire con qualche altro esperimentoun po' più complesso.

Per i più esperti: ogni osservazione è gradita ed auspicata.

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Bibliografia

• in libreria:◦ Elettronica digitale (sapere e saper fare) Gianpiero Filella Sandit

2005 148 p.• in Biblioteca:

◦ Elettronica digitale Elisabetta Cuniberti, Luciano De Lucchi EditorePetrini, 2002 439 p.

◦ Avventure con l'elettronica digitale Tom Duncan 58 p. (elementi basecon 7 progetti completi)

◦ Circuiti Integralti Digitali F. HURE Gruppo Editoriale Jackson 107 p.(elementi base con 20 esperimenti)

◦ Progettazione digitale Franco Fummi, Maria Giovanna Sami, CristinaSilvano Editore McGraw-Hill, 2002 454 p.

◦ Elettronica integrata digitale Erbert Taub, Donald Schilling EditoreJackson Libri, 1981 705 p. (scuole superiori)

◦ Elettronica digitale e dispositivi logici di Ignazio Mendolia, UmbertoTorelli

◦ Circuiti Dell'elettronica Digitale◦ Elementi di elettronica digitale di Noel M. Morris Editore Milano :

Hoepli, 1981 192 pag◦ Elettronica digitale di Thomas Floyd Editore Milano : Principato,

1983 736 p.◦ Progettare con l'elettronica digitale : dalla logica cablata al

programmabile di Pierfranco Ravotto, Eugenio Piana Editore JacksonLibri, 1988 622 p.

Sitografia

• Introduzione all'Elettronica Digitale di g.schgor• Il Primo Laboratorio di tardofreak• Alimentazione-dei-circuiti-sperimentali di marco438• Alimentatore fai da te di tonystark• shop online: Elettronica digitale per principianti DVD Inware edizioni

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