Problema con convertitore D/A

[enbarberis]

Ciao a tutti!
Questo e` il mio primo post sul forum! Sono uno studente di ingegnere informatica che ha da poco scoperto la bellezza dell'elettronica e spero di poter ricevere e dare aiuto in questo forum!

Durante un'esercitazione di laboratorio ci e` stato chiesto di realizzare un semplice convertitore D/A a 4bit utilizzando un contatore CD4029BE. Qui di seguito e` riportato lo schema circuitale e la traccia dell'oscilloscopio di Vout applicando un clock da 1kHz:


(nota: abbiamo usato le resistenze 39k 22k 10k 4.7k al posto di 40k 20k 10k 5k per comodita`)

Tutto funziona correttamente ma appena colleghiamo in parallelo alle uscite del contatore dei led come nel seguente schema circuitale otteniamo un'attenuazione della dinamica d'uscita passando da 5V a 3.84V come si puo` vedere:



Tuttavia non capisco il motivo per cui questo succede. I led richiedono troppa corrente al circuito integrato? Oppure vado a cambiare i valori della rete di resistenze?
Se non ho fatto errori lo schema circuitale dello stato 1111 dovrebbe essere:



E dato che le Ron dell'uscita cmos sono trascurabili dovrei avere 5V come prima ai capi di R1, R2, R3 e R4!

Inoltre ci viene richiesto di trovare una soluzione a questo problema. Per ora mi sono venute in mente solo due soluzioni:
-Usare un voltage follower per pilotare i led
-Collegare i led tra Vcc e uscita del contatore invece che tra uscita del contatore e massa (i led si accendono allo stato basso ma se ricordo bene i circuiti integrati riescono ad assorbire piu` corrente nello stato basso che a cederne in quello alto)

Grazie dell'aiuto!

[EcoTan]

Avete controllato che la tensione di alimentazione sull'integrato rimanga costante?

[enbarberis]

Purtroppo non posso garantirlo in quanto non abbiamo controllato. Abbaimo utilizzato un alimentatore stabilizzato a 5V con limitazione di corrente a 0.5 ampere (se ricordo bene).

[MarcoD]

Complimenti, sono stato impressionato dalla tua buona descrizione e presentazione del problema.

Mi pare che il comportamento sia normale:
La Ron della uscita CMOS dell'integrato non è trascurabile.
Leggi nel dettaglio il foglio tecnico (data sheet) dell'integrato.

Il data sheet del CD4029B Texas che ho appena letto nel web indica i dati per la output hight (sorce) current (con Valim = 5V):
4,56 V per -1 mA
2,5 per -3,2 mA

Nel LED passa una corrente di circa (3,8V - 2V circa caduta LED)/1kohm = 1,8 mA.

Il tuo quesito mette in evidenza che (le esercitazioni non simulate servono!) Il mondo reale dell'elettronica è più complesso ( e con limitazioni) di quello che si suppone semplificando.

Forse il CD4029B di altri fabbricanti hanno caratteristiche elettriche leggermente diverse.


Per il LED, li potresti pilotare non con un voltage follower che presumo analogico (anche se va bene), ma con un integrato che contiene 6 porte NOT che adoperi come driver dei LED, ma non ricordo la sigla.



Buone prove nell'elettronica

[EcoTan]

Per il LED, li potresti pilotare non con un voltage follower che presumo analogico (anche se va bene), ma con un integrato che contiene 6 porte NOT che adoperi come driver dei LED, ma non ricordo la sigla.

Mi raccomando, questa volta scegliere un altro fabbricante..
(scherzi a parte, ovviamente non è che si altera di tanto la luminosità dei led)

[enbarberis]

Grazie a tutti delle risposte!

Mi dispiace dovervi ancora dovervi disturbare ma ci sono un paio di cose che non mi tornano, probabilmente sono considerazioni stupide ma ora come ora sono un po` confuso su questo argomento.

Il manuale del contatore effettivamente dice che con alimentazione a 5V il circuito integrato non puo` fornire piu` di 1mA di corrente. Tuttavia ci hanno spiegato che nei circuiti logici il modello circuitale per lo stato alto in e` semplicemente la Vcc con la Ron collegata in serie.
Aggiungendo il carico (led + 1Kohm) otteniamo il seguente circuito:



Sostituendo il led con un generatore di tensione pari alla sua caduta di potenziale si ottiene una Ron di 568ohm! Il professore se ricordo bene ci aveva detto che la Ron ha dei valori compresi tra 50-100 ohm di solito. Quindi quasi sicuramente il modello sopra riportato e` sbagliato.

Nel caso avessimo una Ron da 50ohm si ottiene in uscita circa 4.67V e non i 3.84V misurati in laboratorio.
Qualcuno puo` spiegarmi questa incongruenza? Grazie mille

[IlGuru]

Nulla da aggiungere sul motivo per cui non si possono alimentate i led così, pena il rendere inutilizzabile il sommatore.
Volevo far notare una piccola miglioria.
Ponendo come base la resistenza da 39K, per la R2 sarebbe meglio utilizzarne una da 18K piuttosto che una da 22K poiché il valore 39/2=19.5 è più vicino al valore standard 18 che a 22.
Le altre due invece vanno bene.

[MarcoD]

Il tuo calcolo di 568 ohm è corretto.
Ma la Ron è probabilmente ancora più alta:
Dalla tua prima immagine all'oscillo: CURA 4,84 , CURB -160 mV DV = 5,00 V.
Credo che per avere una escursione di 5 V la tensione di alimentazione sia almeno 5,2V.
(Quale è la risoluzione e precisione dell'oscilloscopio? 8 bit, 256 valori ? )
In tutte le misure è presente una incertezza.

Dai dati che avevo letto dal data sheet riportati dal mio primo post ricavo una
Ron di (4,56-2,5)/(3,2-1) = 936 ohm.

Il valore di 50 ohm che ti hanno detto probabilmente è errato o malinteso o si riferisce a una altra famiglia di porte MOS. Nessuno è perfetto. Fai bene a investigare.

"Il manuale del contatore effettivamente dice che con alimentazione a 5 V il circuito integrato non puo` fornire piu` di 1mA di corrente."

Non è esatto: dice che con 1 mA la tensione scende a 4,56 V: sta al progettista saperlo e decidere se e come usarlo. Il convertitore DA che hai realizzato funziona, dipende dai requisiti che non hai specificato.

Migliorie possibili:
- il suggerimento di IlGuru
-usare una rete a ladder (scaletta) di resistori di soli due valori R e 2R, raddoppi il numero dei resistori ma puoi avere rapporti di valori precisi ( magari R = 4,7 kohm, 2R = due 4,7k in serie)
-Mettere due contatori in cascata e realizzare un convertitore a 8 bit con rete a ladder.
- non usare un contatore ma uno shiftregister comandato serialmente con tre bit da un microcontrollore.
- se proprio vuoi usare i contatori, realizza un orologio con due contatori per 60 e uno per 24
con i tre DA piloti tre strumenti a indice per avere ore, minuti, secondi.... è assolutamente non pratico ma potrebbe incuriosire...
- se sei un professionista comprati un integrato DAC comandato con il bus seriale SPI o I2C
e non costruire DAC a componenti discreti: risparmi tempo di progetto e costi di montaggio e hai migliori prestazioni.

[enbarberis]

Il tuo calcolo di 568 ohm è corretto.
Non è esatto: dice che con 1 mA la tensione scende a 4,56 V: sta al progettista saperlo e decidere se e come usarlo. Il convertitore DA che hai realizzato funziona, dipende dai requisiti che non hai specificato.

A perfetto! Cosi torna tutto! Anche il fatto della Ron. Grazie mille :)

Tra l'altro giusto cosi` per nota, subito dopo abbiamo anche montato il convertitore D/A con rete ladder R/2R. Speravamo in qualche miglioria invece si e` rivelato l'opposto. Penso per colpa delle eccessive resistenze parassite introdotte per colpa della breadboard e dell'utilizzo di piu` resistenze. Qui si puo` vedere il confronto:



Grazie ancora dei consigli e auguri a tutti di buon anno!

[IlGuru]

Avete usato ladder R-2R integrati o avete usato normali resistenze?