Elettronica Digitale (per principianti)

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Chi vuole avvicinarsi al meraviglioso mondo dell'elettronica digitale e iniziare a "smanettare" con questi circuiti, se non ha le nozioni di base non riuscirà a capire come procedere. Per questo può tornare utile qualche semplice esercizio fatto in casa con pochi componenti e molta passione, per capire come funzionano e come si comportano in base ai segnali ricevuti.

Anche se abbiamo qualche nozione di base in materia di elettronica digitale, non sarà semplice riuscire a capire effettivamente il comportamento dei vari circuiti digitali finchè non vedremo in pratica il loro funzionamento. Cominciamo nel modo più semplice e procuriamoci il minimo indispensabile per fare alcuni semplici esperimenti.

Ci servirà almeno una bread-board per montaggi veloci e senza saldatura, del filo rigido ricoperto (diametro 0,7-0,8) per i vari ponticelli e collegamenti, una manciata di componenti e tanta passione. A tal proposito, qui su EOS, è stato presentato un ottimo kit per principianti a bassissimo prezzo.

Sarebbe comodo avere anche un piccolo saldatore, un multimetro, un'alimentatore e qualche schedina millefori che ci darà la possibilità di assemblare alcune piccole shield che saranno indispensabili per i nostri esperimenti. Vedremo, inoltre, come autocostruirci una semplice ma funzionale sonda logica potendola scegliere tra due modelli differenti (oppure assemblarle entrambe).

Entriamo nel vivo dei vari esperimenti iniziando con i primi due moduli di base che vediamo nello schematico seguente:

Come possiamo notare, il primo esperimento riguarda un semplice visualizzatore a led, che servirà ad indicarci lo stato dell'uscita digitale in prova, ed è conveniente averne almeno quattro, mentre il secondo è un semplice pulsante "antirimbalzo" dotato di due uscite. Possiamo, anche, definirlo "pulser" perchè in effetti è questa la sua vera funzione: mandare degli impulsi (uno positivo e uno negativo) ogni volta che viene azionato il pulsante.

Più avanti analizzeremo il suo funzionamento osservando il comportamento della porta NAND tramite la sua truth table (all'interno del 4011 vi sono 4 porte NAND due delle quali utilizzate per il pulser) che non è altro che una tabella logica molto importante da conoscere (i valori dei componenti, e quindi il loro dimensionameno, li vedremo più avanti).

Inoltre ci servirà un clock per sincronizzare alcuni integrati con funzioni particolari, ne vediamo uno semplicissimo costruito attorno al glorioso 555; come possiamo notare dallo schema che segue, occorrono solo tre componenti discreti  esterni e il gioco è fatto.

Prima di tutto è doverosa una breve introduzione di teoria, tanto tediosa ma altrettanto utile. Come si può notare nello schema del pulser, l'integrato è un 4011 ed è stato, forse, uno dei più utilizzati; appartiene alla famiglia C-MOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 4000 (ormai conosciutissima) che offre ottime performance grazie alle seguenti caratteristiche: basso consumo di corrente, altissima impedenza d'ingresso, medie velocità di commutazione e alta immunità al rumore.

Le stesse funzioni le troviamo anche nella famiglia dei TTL (Transistor-Transistor Logic) SN7400 (più vecchia) ma con caratteristiche inferiori: alto consumo di corrente, basse velocità di commutazione e bassa immunità al rumore.

I C-MOS accettano livelli d'ingresso così suddivisi:

  • da zero volt a 1/3 di Vcc = livello logico basso;
  • da 1/3 a 2/3 = condizione indefinita che non deve mai avverarsi;
  • da 2/3 a 3/3 = livello logico alto.

La loro alimentazione spazia dai 3V ai 15V mentre l'impedenza d'ingresso è attorno ai 1000 GOhm.

I TTL accettano livelli d'ingresso così suddivisi:

  • da zero a 0,8V = livello logico basso;
  • da 0,8 a 2V = condizione indefinita che non deve mai avverarsi;
  • da 2 a 5V = livello logico alto.

La loro alimentazione è di 5V mentre l'impedenza d'ingresso è molto bassa.

Nella figura precedente possiamo osservare la più semplice delle porte logiche ad un solo ingresso e una sola uscita, possiamo trovarla come driver, buffer, amplificatore (fig. 1) o come invertitore o NOT (fig. 2). La differenza tra le due è il piccolo "pallino" all'uscita che ci indica che il segnale in uscita è "invertito" rispetto all'ingresso, cioè se in ingresso abbiamo un livello logico alto, in uscita otterremo un livello logico basso e viceversa.

Iniziamo il nostro primo esperimento osservando in pratica come si comportano queste porte logiche e, per evitare di procurarci troppi circuiti integrati, costruiamo la nostra porta NOT utilizzando una delle 4 porte NAND del nostro 4011 semplicemente collegando assieme i due ingressi (Fig. 3). Inseriamo nella bread-board il 4011, il BC337, il led, le tre resistenze e seguendo lo schema elettrico in basso posizioniamo i vari ponticelli per collegare il circuito del led all'IC.

Prima di collegare l'alimentazione, ricontrolliamo con molta attenzione i vari collegamenti effettuati per essere certi di non aver commesso errori (è più facile di quanto si immagini: "l'errore di distrazione" è sempre in agguato).

Analizziamo il circuito.

Seguendo la tabella Logica della porta NOT ci accorgiamo che quando in ingresso vi è un segnale logico alto, in uscita otterremo un segnale logico basso ed è quello che il circuito in questo momento sta facendo; infatti il nostro led è attualmente spento. Se adesso pigiamo il pulsante invertiremo il segnale con la conseguente accensione del led.

Tabella Logica della porta NOT.

  • IN      OUT
  •  0         1
  •  1         0

Semplice vero? osserviamo adesso perchè la porta NAND utilizzata si comporta come porta NOT.

Tabella Logica della porta NAND.

  • IN1    IN2    OUT
  •  0         0          1
  •  0         1          1
  •  1         0          1
  •  1         1          0

Dalla tabella possiamo rilevare che l'uscita è bassa solo se nei due ingressi vi è un livello logico alto. Quindi collegando assieme i due ingressi abbiamo semplicemente eliminato la seconda e terza possibilità. Forse qualcuno si chiederà perchè utilizzare in un circuito una porta NAND se alla fine il comportamento è uguale alla porta NOT. Il comportamento è "apparentemente" uguale, nel primo caso controlliamo un solo segnale mentre nel secondo possiamo controllare due o più segnali (le porte NAND possono avere più di due ingressi) e per rispondere a questa domanda farò un semplicissimo esempio: supponiamo di voler controllare due finestre e, se una delle due viene aperta, il nostro circuito dovrà mandare un segnale alla sirena d'allarme, per fare ciò possiamo inserire un deviatore ad ogni finestra e collegare i due contatti centrali ai due ingressi della porta NAND, si otterrà che, la sirena farà il suo dovere nel preciso istante in cui una o tutte e due le finestre verranno aperte.

Attenzione: non costruite un antifurto come questo se volete davvero proteggere la vostra casa, l'esempio è servito solo a dare un'idea del funzionamento di questa porta.

Sicuramente qualcuno si chiederà perchè portare avanti una cosa così antiquata come questa: oggi si trovano in commercio schede già assemblate dagli utilizzi più disparati, basta solo scrivere qualche riga di programma e, senza "faticare" otteniamo il nostro risultato (vedi Arduino e le sue shield così come Raspberry e tutte le altre). Quindi il "Tecnico Elettronico" di oggi è diventato semplicemente un "assemblatore di schede" che non saprà nemmeno distinguere una resistenza da una bobina di chock tra le schede da lui assemblate. Un futuro tecnologico abbastanza triste, visto sotto questo aspetto.
Analogamente vedo evolvere il modellismo moderno (che niente ha di modellismo): oggi si tende a chiedere prodotti preassemblati quindi il "modellista moderno" si limita a colorare il prodotto già assemblato e poi dice in giro con convinzione di averlo costruito. Il vero modellista si prepara il disegno in scala, comincia a tagliare i vari segmenti, a incollarli e modellarli secondo la sua visione del modello e così via dicendo, così come il vero elettronico si calcola da solo i valori dei vari componenti!
Morale della favola: secondo me è utile fare "l'assemblatore di schede" ma senza perdere il vero "valore" del tecnico elettronico progettista.

Per ora mi fermo qui. Nel prossimo appuntamento vedremo insieme qualche altro esperimento con logiche digitali e, in più, inizieremo ad assemblare una Sonda Logica che ci permetterà di effettuare un controllo dei vari segnali in prova.

Mi è d'obbligo specificare che questo non vuole essere un vero e proprio corso di elettronica digitale (sarei la persona meno adatta a scriverlo) ma vuole solo dare il "LA" a chi si avvicina per la prima volta a questo mondo digitale e, se ci saranno consensi, verrà approfondito per accompagnare passo passo chiunque ne abbia bisogno.

Mario Venoso

9 Comments

  1. Andrea.Ridolfi 28 febbraio 2014
  2. delfino_curioso delfino_curioso 25 dicembre 2013
  3. Tiziano.Pigliacelli 26 dicembre 2013
  4. Piero Boccadoro 26 dicembre 2013
  5. delfino_curioso delfino_curioso 26 dicembre 2013
  6. Marven 26 dicembre 2013
  7. Gianluca Angelone 26 dicembre 2013
  8. Tiziano.Pigliacelli 26 dicembre 2013
  9. Marven 26 dicembre 2013

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