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Elettronica Digitale (per principianti) parte seconda

SequenzaLed_A [640x320]

Come abbiamo accennato nella prima parte, oggi monteremo la nostra Sonda Logica che ci permetterà di controllare i vari segnali tra i CMOS in prova, vedremo alcuni esercizi che ci permetteranno di continuare gli esperimenti utilizzando modelli di IC logici diversi da quelli visti fino ad ora ed, infine, vedremo come interfacciare dei circuiti integrati TTL con i CMOS e viceversa. Prepariamo la nostra bread board e tuffiamoci in questo mondo Digitale.

Prima di iniziare il montaggio della Sonda Logica vorrei dare un'ultima informazione sulle porte: abbiamo visto come costruire una porta NOT utilizzando una NAND ed abbiamo parlato di NAND a più ingressi, osserviamo nelle figure 1 e 2 come costruire porte NAND a 4 e 8 ingressi, utilizzando lo stesso criterio possiamo costruire anche le altre porte tipo NOR, OR, XOR etc (se ci saranno consensi approfondiremo nei prossimi capitoli).

Montaggio Sonda Logica per CMOS.
Per montare la nostra Sonda Logica utilizzeremo un 4011, un display a 7 segmenti a catodo comune, due transistor e sei resistenze. Lo schema elettrico seguente ci indica i collegamenti:

Come display possiamo utilizzare qualsiasi modello a catodo comune mentre per l'alimentazione possiamo scegliere tra due cavetti con due pinze a coccodrillo e prelevarla direttamente dal circuito in prova oppure utilizzare una batteria: io ho optato per la prima soluzione. Il display ci indicherà lo stato alto con una "H" e lo stato basso con una "L". Questa sonda può essere utilizzata solo con i circuiti CMOS e non può funzionare con circuiti TTL perchè le due famiglie hanno livelli di stato differenti. Vedremo più avanti come montare una Sonda Logica per i circuiti TTL.
Nella foto seguente possiamo notare la sonda completa, assemblata moltissimi anni fa: si notano infatti i due transistor metallici più che datati e devo dire che il suo lavoro lo ha sempre svolto egregiamente, anche se adesso è in "pensione" perchè al suo posto viene utilizzata sia una PenScope (un mini oscilloscopio tascabile) e sia l'oscilloscopio classico.

Una raccomandazione doverosa è quella di ricontrollare con molta calma i collegamenti effettuati prima di dare tensione, la distrazione è sempre in agguato.
Utilizziamo un display a 7 segmenti.
Abbiamo utilizzato un componente nuovo: il display a 7 segmenti a catodo comune, impariamo a pilotarlo in modo semplice, aggiungendo ancora un CMOS 4511, si tratta di una decodifica da BCD a 7 segmenti. Montiamo sulla bread board i componenti del seguente schema:
Tramite S1 inseriamo i codici sotto elencati, il display visualizzerà il numero decimale corrispondente.
  •   A      B     C     D      Display
  •  off   off   off   off         0
  •  off   off   off   on         1
  •  off   off   on   off         2
  •  off   off   on   on         3
  •  off   on   off   off         4
  •  off   on   off   on         5
  •  off   on   on   off         6
  •  off   on   on   on         7
  •  on   off   off   off         8
  •  on   off   off   on         9
Tutte le altre combinazioni lasceranno il display spento. Esistono altri metodi per pilotare i display (leggi multiplexer) e, anche su questo torno a garantirvi che, se ci saranno consensi e richieste, approfondiremo il tema nelle prossime puntate.
Contatore decadico.
Passiamo velocemente al prossimo esperimento utilizzando una decade di conteggio CMOS 4017 ed assembliamo anche il pulsante antirimbalzo e i visualizzatori a led che abbiamo visto nella parte prima.
In base allo schema seguente assembliamo i vari componenti nella nostra bread board.
Elenco componenti.
  • R 1-2  = 2,2 kOhm
  • R 4-6-8-10-12-14-16-18-20-22  = 1 kOhm
  • R 3-5-7-9-11-13-15-17-19-21  = 47 kOhm
  • Q 1-2-3-4-5-6-7-8-9-10 = BC337
  • IC3 = 4011
  • IC2 = 4017
Notiamo che in uscita (a destra dello schema) per semplicità ho disegnato solo due visualizzatori a led ma in realtà vanno replicati per ogni uscita del 4017 (pallini verdi), quindi un totale di 10 led con relativi transistor e resistenze. 
Del pulser stiamo utilizzando solo l'uscita "normalmente a zero logico", l'altra non viene utilizzata in questo contesto.
Ogni volta che premiamo il pulsante vedremo che il led acceso si spegne mentre si accende quello successivo.
 
Automatizziamo la sequenza di accensione led.
Utilizzando il clock visto nella prima parte, al posto del pulsante antirimbalzo, vedremo accendersi in successione tutti i led: per fare ciò basta togliere i componenti del pulsante antirimbalzo e inserire, al loro posto, i componenti del clock, prima di effettuare questa sostituzione proviamo singolarmente il nostro clock osservandone il comportamento in base all'accensione e spegnimento di un led, montiamolo seguendo lo schema in basso:
Osserviamo che il led alterna l' accensione/spegnimento ogni secondo circa. Per chi è alle prime armi consiglierei di effettuare prove variando i valori di C1, R1 ed R2 osservando la differenza nella durata d'accensione con quella di spegnimento del led.
Adesso possiamo togliere i componenti all'interno della zona tratteggiata e collegare il pin 3 del 555 con il pin 14 del 4017. Inserendo l'alimentazione noteremo che la sequenza di accensione dei led sarà automatica e continua fino allo spegnimento. Quasi quasi direi che è un'ottimo gadget per questo periodo natalizio.
Interfacciamento tra CMOS e TTL.
Per interfacciare un circuito CMOS ad uno TTL dobbiamo usare un qualche accorgimento che ci permetta di non sovraccaricare l'uscita CMOS e, contemporaneamente poter pilotare il TTL con una corrente di sink sufficente. Per fare ciò possiamo utilizzare dei convertitori tipo 4049 (invertente) o 4050 (non invertente). I buffer 4049 e 4050 sono progettati con circuiti di protezione degli ingressi che permettono di avere tensioni in ingresso superiori alla loro tensione di alimentazione. Con questo adattamento si possono pilotare un massimo di due carichi TTL standard. E' da notare che un dispositivo CMOS è in grado di pilotare direttamente un dispositivo 74Sxx o 74LSxx. Al contario, per pilotare un CMOS con un dispositivo low-power Schottky si usa il metodo a resistenza di pull-up, la resistenza è tipicamente compresa tra 820 Ohm e 10 Ohm.
Esistono altri interfacciamenti tipo CMOS-NMOS o CMOS-PMOS che, eventualmente vedremo in seguito se ci sarà richiesta.
Spero, con questi semplici esempi, di essere riuscito a dare il "LA" a chi si appresta ad avvicinarsi a questo meraviglioso mondo digitale.

 

Mario Venoso

AllegatoDimensione
HEF4011B.pdf263.56 KB
HCF4511B.pdf498.96 KB
4017.pdf100 KB

 

 

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ritratto di MarciTy

Molto interessante

Buonasera,
ho trovato i suoi articoli sull'elettronica digitale molto interessanti. Sarei interessato agli altri metodi di pilotaggio di un display, ad esempio attraverso multiplexer.

Saluti,
Marco

ritratto di Marven

Ciao MarciTy intanto grazie

Ciao MarciTy
intanto grazie per il tuo intervento sia perchè mi indica che questi esercizi sono seguiti (quindi sono utili a qualcuno e questo mi fa piacere) e poi perchè mi da la possibilità di far presente un particolare (che qualcuno avrà sicuramente già notato) su quanto ho scritto fino ad ora.
Nella terza parte si inizia a parlare di un multiplexer che pilota quattro display (con relativo schema elettrico), il tutto verrà completato nella quarta parte, con circuito di clock/reset e con alcuni esercizi interessanti di "costruzione" di astabili che ci serviranno per le nostre prove.
Il particolare è questo: nei vari schemi che ho presentato (e che presenterò) sono indicati alcuni dispositivi un po' datati, il motivo è che preparo questi circuiti utilizzando solamente i componenti che ho in casa, quindi è probabile che, chi si appresta ad acquistare questi dispositivi otterrà i loro sostituti moderni e magari dovrà adattarne la piedinatura o l'alimentazione, in questo caso i datasheet ci saranno di aiuto.
Sono sempre a disposizione per altre info.
Ciao
Mario

ritratto di Tiziano.Pigliacelli

Questo articolo mi è proprio

Questo articolo mi è proprio piaciuto :) . Lo trovo davvero ben fatto e utile per chi vuole dedicarsi a piccoli esperimenti che con dei risultati davvero concreti. In particolare mi è piaciuta la sonda logica con display a sette segmenti.

ritratto di Marven

Grazie Tiziano, gentilissimo,

Grazie Tiziano, gentilissimo, sono contento che ci sia interesse perchè vuol dire che non ho perso il tempo dedicato a questi esercizi.
ho cercato di essere meno "pesante" possibile con la teoria e nello stesso tempo dare lo spunto a sperimentare in proprio, infatti se ci si ferma su questi piccoli esempi senza tentare di prepararne di propri non si andrà avanti. Se creiamo un progetto che alla fine si rivela non funzionante, non deve assolutamente demoralizzarci ma anzi deve spronarci a studiarlo meglio per capire dove sta l'errore e, senza dubbio ci insegnerà molto più di un progetto subito funzionante. Quindi il mio consiglio è sperimentare, sperimentare, sperimentare... non bisogna mai arrendersi perchè i risultati futuri ci premieranno sicuramente.
Ciao
Mario

ritratto di adrirobot

Vecchi ricordi

Ciao Mario
Tra i tanti progetti con Arduino e schede con megaprocessori, finalmente con i tuoi articoli si sono finalmente tornati a rivedere i vecchi integrati digitali.
Circuiti che utilizzano un 555 per far lampeggiare un led, ormai mi ero abituato a vedere utilizzato come minimo un Arduino.
Mi ha fatto poi tornare indietro nel tempo vedere il circuito di una sonda logica.
Il circuito era uno dei primi che si montava e che si vedeva sulle riviste di elettronica (ormai stanno scomparendo come i dinosauri) di una ventina di anni fa.
Spero che ai “giovani” faccia piacere sapere che alla base dell’elettronica attuale ci sono stati circuiti pieni zeppi di porte logiche.
Devo poi complimentarmi per come hai spiegato con termini semplici (mi riferisco anche al precedente articolo) quanto ai tempi della scuola sembrava così difficile da capire.
Un saluto
Adriano

ritratto di Piero Boccadoro

Sono d'accordo con te! Mi

Sono d'accordo con te!
Mi sarebbe piaciuto leggere questi articoli o articoli come questi una decina di anni fa... Avrei iniziato prima e meglio!
Ottimo lavoro, molto ma molto istruttivo!

ritratto di Marven

Ciao Adriano Gentilissimo

Ciao Adriano
Gentilissimo come sempre :D
Ti dirò che sono un inguaribile nostalgico, nonostante sia un utilizzatore di nuove tecnologie, non disdegno e anzi mi fa piacere effettuare, ancora oggi, assemblaggi di schede che montano un mare di IC logici, ti faccio un esempio su un recente progetto (inizio anno scolastico): mi è stata chiesta la costruzione di un modellino di semaforo da utilizzare in una scuola per insegnare ai bambini come comportarsi in strada, un "Arduino Uno" sarebbe stato l'ideale, invece ho preparato un circuito zeppo di 74C00, 74C90, 74C145 e CD4017 e ti posso garantire che la soddisfazione è stata enorme soprattutto quando ho sentito che ha fatto "furore" in tutta la scuola. Ad averlo preparato con Arduino non avrei avuto la stessa soddisfazione. :D
Per le spiegazioni ho cercato di somigliare il meno possibile ai libri di testo proprio per non rendere tediosa la lettura, daltronde io ho iniziato con l'elettronica da autodidatta e l'ho studiata "sul campo" ho lavorato in questo ambiente per quasi 40 anni, le scuole che ho fatto erano su tutt'altro indirizzo :-)
@Piero, grazie, gentilissimo :-) spero solo che siano di utilità per molti.
Ciao
Mario

ritratto di Tiziano.Pigliacelli

Mi piacerebbe vederlo questo

Mi piacerebbe vederlo questo modellino, chissà magari in un articolo per il contest 2014 potresti proporlo!

ritratto di delfino_curioso

Ciao Mario, le esperienze che

Ciao Mario,
le esperienze che stai portando, dalle nuove tecnologie ai "revivals" (come li ho soprannominati nella precedente puntata), sono tutte interessanti, ma per quanto mi riguarda questa seconda categoria mi sta veramente piacendo molto.
Come altri hanno scritto prima di me, ci stai facendo fare un tuffo nei ricordi facendoci comprendere in modo accessibile quello che da studenti a volte sembrava oscuro (almeno parlo per me... ;-) ).
Ricordo quando il professore ci faceva una testa così con le reti combinatorie e quelle sequenziali, analisi e sintesi di circuiti, minimizzazione di espressioni booleane, mappe di Karnaugh etc.
E pensavo sempre:" belle queste min......te, ma cosa ci faccio?" ;-)
Crescendo, poi, ho capito a cosa servivano quei principii, ma non ho mai smesso di chiedermi se, potendo allora vedere immediatamente un utilizzo pratico, le cose sarebbero andate diversamente.
Purtroppo siamo in Italia, da noi funziona che se prima non ti riempiono la testa di formule e poi ti lasciano vedere un led che si accende, la formazione sembra abbia un minor valore.
Probabilmente un approccio tipo quello che ci stai fornendo tu ora avrebbe appassionato molti più ragazzi di quanto non lo abbiano fatto i programmi ministeriali.....
Ovviamente la teoria è sempre la base per la comprensione, ma vedere anche quel led che si accende durante la lezione credo sia un valore aggiunto.
Unica cosa che mi è piaciuta forse un po' meno dell'articolo è stato il paragrafo sull'interfacciamento tra logiche CMOS e TTL, a mio vedere un po' "tirato" e privo del solito esempio immediatamente fruibile.
Ma , a parte questo dettaglio, un "mi piace" va anche all'impiego del 555 che abbiamo richiesto a gran voce nella puntata precedente.
Continua così!

ritratto di Marven

@Tiziano, grazie, ottimo

@Tiziano, grazie, ottimo consiglio, peccato che non mi è venuto in mente prima, avrei potuto pubblicare anche il semaforo, appena passo dalla scuola farò un paio di foto così potrò inserirle nel progetto e condividerlo anche con voi, quindi tra non molto lo vedrai ;) grazie ancora.

@delfino curioso, grazie gentilissimo, in effetti il metodo che ho utilizzato l'ho testato molti anni fa, quando c'è stato il bum della programmazione BASIC (parliamo di inizio anni '80) e, nel breve periodo in cui ho insegnato programmazione, ho avuto un gruppo di ragazzi dai 10 ai 16 anni che mi hanno dato non poche soddisfazioni perchè con questo sistema recepivano tutto immediatamente e riuscivano a trovare un contesto dove poter utilizzare il concetto presentato (cosa che molti adulti non riuscivano a fare), si! d'accordo che la mente dei ragazzi è abituata all'apprendimento mentre l'adulto è più "duro" a recepire la novità ma, credo che il metodo utilizzato abbia facilitato le cose :D
Per quanto riguarda l'interfacciamento, in effetti l'ho inserito solo come informazione ma, ero convinto che il tutto sarebbe stato poco seguito perchè poco interessante, per fortuna mi sbagliavo :-) e sono contento che questa "miniserie" sia riuscita ad avere consensi.
Grazie a tutti.
Ciao
Mario

ritratto di Gianluca Angelone

La parte

La parte sull’interfacciamento, secondo me, è particolarmente interessante magari era proprio il caso di approfondire: un piccolo schema per entrambe le possibilità non avrebbe guastato. Di schemi con porte logiche, come ha detto qualcuno, ce ne sono tanti (magari non ben commentati con scopo “divulgativo”, come hai fatto) mentre credo che l’interfacciamento tra logiche diverse sia poco considerato. Magari potresti proporre un approfondimento, anche perché (forse ricordo male e non ho i miei vecchi appunti a portata di mano) mi sembra che ci fosse qualche considerazione in più fare. Tra l’altro, ad esempio, anche la scelta della resistenza di pull-up andrebbe calcolata in funzione dei parametri della porta.

ritratto di Marven

Anche qui, giusta osservazione!

Grazie Gianluca :-)
in effetti non mi sono addentrato molto con le spiegazioni e infatti ci sono molte carenze sia nella teoria che negli esempi.
Ero quasi deciso a non postare questi esercizi perchè li ritenevo poco interessanti, sono contento di essermi sbagliato :D
Adesso posso solo promettere che approfondirò con altri esercizi e più approfondite spiegazioni nelle prossime puntate, sempre in base al poco che conosco :-) mi toccherà andare alla ricerca delle vecchie formule che ricordo poco e che a volte scambio tra di loro :D

 

 

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