ISTITUTO SUPERIORE “ ETTORE MAJORANA · Dalle equazioni del link in fibra ottica si ricava la potenza necessaria del trasmettitore: PTX = PRX + αFibralungh. + 2αconnettori PTX

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GARA NAZIONALE DI ELETTRONICA E TELECOMUNICAZIONI

PROVA SCRITTA 27 novembre 2007

L’accesso ad un laboratorio di ricerca, sorvegliato 24 ore su 24, è riservato a persone autorizzate che sono in possesso di apposita card di riconoscimento su cui è riportato il codice identificativo.Per poter accedere al laboratorio le persone devono inserire in apposita fessura la tessera di riconoscimento, digitare il codice personale e confermare il codice mediante la pressione di un pulsante.All’interno del laboratorio deve essere garantito un illuminamento di almeno 25 lux per consentire la videosorveglianza anche quando non vi sono persone presenti.

Parte A.La card di riconoscimento detta “code card” è una scheda elettronica a 12 pin; essa contiene due dip switch a quattro vie che consentono di impostare un codice di due cifre esadecimali in formato binario. Il codice è disponibile su otto pin della scheda mediante livelli di tensione alto (1) e basso (0). Dei quattro pin rimanenti due servono per l’alimentazione della scheda e due sono cortocircuitati.

Per la digitazione del codice si utilizza un tastierino a 16 tasti descritto nei data sheets.La digitazione del primo carattere fa accendere un led giallo con l’indicazione “1° carattere” quando si digita il secondo carattere si accende anche un led verde con l’indicazione “conferma dato”. La conferma del codice va effettuata premendo un pulsante con l’indicazione “conferma codice”.

Dopo la conferma si possono verificare le seguenti situazioni: a) se il codice è esatto si apre l’elettroserratura della porta per consentire l’accesso al

laboratorio. (l’apertura dell’elettroserratura va simulata mediante l’accensione di un led verde);

b) se il codice confermato è errato si accende un led arancione con l’indicazione “codice errato ripetere l’operazione”. L’inizio di una nuova operazione fa spegnere il led arancione. Dopo tre tentativi errati si accende un led rosso con l’indicazione “ processo di identificazione bloccato”. Lo sblocco può essere effettuato solo dal custode attraverso un pulsante blu con la indicazione “sblocco riconoscimento codice”.

Quando si estrae la code card il sistema si deve riconfigurare nella condizione di partenza per un nuovo processo di riconoscimento.

Per fornire energia al circuito si dispone di un alimentatore con tensione variabile Vout = 3 ÷ 15Vdc.

Parte B.Dopo la pressione del tasto di conferma, i caratteri del codice di accesso devono essere inviati, mediante una linea seriale, ad una postazione distante 15 metri. La presenza di forti disturbi elettromagnetici induce ad utilizzare una fibra ottica in materiale plastico e relativi connettori della serie HFBR1521/2521.Gara Nazionale di Elettronica e Telecomunicazioni 2007 -- I.S. “E. Majorana” Seriate (BG) -- Pg. 1 di 4

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La stazione remota utilizza un ricevitore HFBR2521 (Sensitività -21 dBm), la fibra da utilizzare è di tipo standard, i connettori plastici hanno una perdita ciascuno di 1,5 dB. Con riferimento al circuito del trasmettitore suggerito dal costruttore e riportato nei data sheets, invece dell’integrato 75451 utilizzare un transistor BC337 pilotato da una porta logica.

Per consentire la videosorveglianza è previsto un impianto di illuminazione di emergenza che si attiva automaticamente quando l’illuminamento scende al di sotto dei 25 lux e si spegne quando sale sopra i 70 lux. Per rilevare il grado di illuminamento viene utilizzata una fotoresistenza che fornisce i valori riportati in tabella.

Luminosità (lux) 15 25 50 70 100Resistenza 60KΩ 10KΩ 7KΩ 2KΩ 1KΩ

Per fornire energia al circuito si dispone di un alimentatore duale con Vout 3 ÷ 15Vdc. Questo circuito deve essere in grado di pilotare un impianto di illuminazione funzionante a 230Vac – 200W

* * * * * * * * * * *Progettare il circuito necessario a svolgere le funzioni richieste rispettando le specifiche riportate sia nella parte A sia nella parte B ed utilizzando solo i componenti messi a disposizione. (vedi elenco)

Il progetto deve comprendere le seguenti parti:1. schema a blocchi generale e sua scomposizione su almeno un livello di dettaglio con

descrizione di ogni singolo blocco funzionale;2. schema elettrico, su foglio unico separato formato A3, su cui sono riportati: indicazione

chiara e univoca di tutti i collegamenti, la piedinatura utilizzata di ogni integrato, la denominazione di tutti i componenti riportati;

3. descrizione chiara e sintetica dello schema elettrico con riferimento allo schema a blocchi, tutti i calcoli eseguiti, tabelle e diagrammi temporali di tutte le parti circuitali progettate facendo specifico riferimento allo schema elettrico; è gradito un diagramma di flusso del funzionamento.

4. compilazione dell’elenco componenti limitatamente a condensatori e resistenze (allegato n°1).

Usare solo fogli forniti dalla commissione, quelli usati per la bella copia vanno numerati secondo l’ordine di svolgimento del lavoro. Su tutti i fogli deve essere indicato il nome del concorrente e la scuola di provenienza.

Non è consentito l’uso di manuali tecnici, vengono forniti i data sheets dei componenti

disponibili.

Tempo a disposizione per lo svolgimento della prova: 5 ore

Gara Nazionale di Elettronica e Telecomunicazioni 2007 -- I.S. “E. Majorana” Seriate (BG) -- Pg. 2 di 4

Elenco dei componenti disponibili

Fig. 1: Tastiera 16 tasti


Id Descrizione

1 Scheda “Code Card”

2 ECO 16250 06 -- Tastiera 16 tasti a matrice (Fig. 1)

3 I.C. 74C922 -- 16 Key Encoder

4 I.C. 74HC00 -- Quad 2-Input Positive-NAND Gate

5 I.C. 74HC02 -- Quad 2-Input Positive-NOR Gate

6 I.C. 74HC04 -- Hex Inverter

7 I.C. 74HC08 -- Quad 2-Input Positive-AND Gate

8 I.C. 74HC14 -- Hex Inverter with Schmitt-Trigger

9 I.C. 74HC32 -- Quad 2-Input Positive-OR Gate

10 I.C. 74HC75 -- 4 Bit Bistable Latch with Q and Q11 I.C. 74HC85 -- 4-Bit Magnitude Comparator

12 I.C. 74HC86 -- Quad 2-Input Positive Ex-Or

13 I.C. 74HC112 -- Dual J-K Flip-Flop with Preset and Clear

14 I.C. 74HC165 -- Parallel-in/Serial-out - 8 Bit Shift Register

15 I.C. 74HC279 -- Quad S-R Latch

16 I.C. 74HC393 -- Dual 4-bit binary counter

17 I.C. 74HC688 -- 8-Bit Magnitude Comparator

18 I.C. NE555 -- General Purpose Single Bipolar Timer

19 I.C. LM741 -- Operational Amplifier

20 I.C. LM317T, LM337T – Adjustable Regulator

21 I.C. LM78xx, LM79xx – Voltage Regulator

22 1N4007 -- Rectifier Diode

23 BC337, BC547, 2N2222A -- NPN Transistor

24 HFBR1521 e HFBR2521 -- Versatile Fiber Optic Connection

25Led: verde L-53GD, giallo L-53YD, arancio L-53ED,

rosso L-53HD.

26 Pulsanti monostabili per circuiti stampati, una via

27 Relè per circuiti stampati: bobina 50Ω oppure 300Ω

28 Resistenze serie E12; 0,25W e serie E12; 1W; 2W

29 Condensatori a scelta fra i seguenti valori: 1nF; 4,7nF; 10nF; 47nF; 100nF; 470nF; 1μF; 4,7μF; 10μF; 100μF


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PROVA PRATICA 28 novembre 2007

Con riferimento al progetto prodotto nella prova scritta del 27 novembre realizzare, su bread board, il circuito riguardante la Parte A.Il montaggio dovrà essere facilmente riconducibile allo schema elettrico, i vari componenti vanno disposti in modo razionale riducendo la distanza fra i punti da collegare.Tastiera, code card, Led e pulsanti dovranno essere posizionati come indicato nella figura 1 rispettando la seguente corrispondenza:

Code card Gnd C2d C2c C2b C2a C1d C1c C1b C1a +5V E EBread board (superiore) B62 B61 B60 B59 B58 B57 B56 B55 B54 B53 B52 B51

Tastiera 16 tasti X1 X2 X3 X4 Y1 Y2 Y3 Y4Bread board (superiore) A16 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9

Componente Bread board (superiore) Componente Bread board

(superiore)Led giallo “1° carattere” D18 – D19Led verde “conferma dato” D4 – D5

Led rosso “codice di identificazione bloccato” H51 – H52

Led verde “ elettroserratura” H14 – H15 Pulsante “conferma dato” H4 – H6Led arancio “ codice errato” H18 – H19 Pulsante “sblocco..” H60 – H62

Eventuali modifiche al progetto del 27 devono essere di piccola entità e adeguatamente giustificate.

Materiale disponibile• fotocopia del testo della 1^ prova;• fotocopia dello schema elettrico

prodotto dallo studente durante la 1^ prova;

• materiale fornito dalla commissione descritto nell’elenco (allegato n°1) più condensatori e resistenze richiesti;

• data sheet dei componenti;• un multimetro;• un alimentatore 3÷15 Vdc.


Figura 1

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Gara Elettronica 2007

G. Portaluri/S. Bani schema a blocchi pag. 1/1

Gara Nazionale di Elettronica e Telecomunicazioni - edizione 2007

Soluzione proposta dalla commissione

Schema a blocchi.

Code card

Comparatore

Tastiera + decoder

Blocco di tutto il sistema

Elettroserratura

Conta errori

Accensione LED 1° e 2°

carattere

Contatore caratteri

Codice errato

&

Conferma codice

Memoria

Impianto di illuminazione

Fotoresistenza Convertitore R-V Comparatore con isteresi

Interfaccia e circuito di potenza

Tensione di Riferimento

Code card

Comparatore

Registro PISO

Code card =

> <

Trasmissione seriale


P. Maini circuito per FO pag. 1/2

Soluzione parte B

Progetto del trasmettitore per Fibra Ottica Trascurando la parte relativa alle abilitazioni del registro PISO, il problema consiste nel determinare la rete di polarizzazione del BJT in on/off, quindi di determinare le resistenze Rb e R1.

Il valore di Rb dovrà assicurare la saturazione del transistor, il valore di R1 determinerà la corrente che dovrà scorrere nel LED per avere la potenza sufficiente a raggiungere tramite fibra ottica il ricevitore lontano (quindi la potenza finale del link ottico dovrà essere superiore alla sensitivity del ricevitore HFBR251).

1^ soluzione (più semplice)

Esaminando la figura 3 di pag. 29 dell’estratto dei data sheet relativo al link HFBR 15X1/25X1 data sheet, si nota che per lunghezza =15 metri, IF deve avere un valore compreso tra 30 e 80 mA. Si può scegliere IF=55mA. Nota: nei data sheet si indica Idc quindi per bit 0 e 1 con probabilità 50%, Ipicco= 110 mA.



2^ soluzione (più elaborata)

Dalle equazioni del link in fibra ottica si ricava la potenza necessaria del trasmettitore:

PTX = PRX + αFibra*lungh. + 2*αconnettori

PTX = -21,6dBm + 0,27*15 + 2*1,5 = -14,5 dBm

Dalla fig.10 di pag. 32

dell’estratto dai data sheet relativo al trasmettitore si ricava la potenza normalizzata (cioè riferita ai 60 mA del data sheet e -14.3 dBm minimo, a 25°C). Quindi la potenza di -14,5 dBm corrisponde sulla figura a - 0,3 dB, quindi una IF di poco meno di 60 mA. Per sicurezza e comodità poniamo IF = 60 mA. . Nota: nei data sheet si indica Idc quindi per bit 0 e 1 con probabilità 50% Ipicco= 120 mA a 25 °C. Progetto rete resistiva per il BJT Scelta IF = 120 mA, ed esaminando il data sheet del BC337 che indica hfe min= 100, considerando la tensione di comando uscente o da una porta logica o direttamente dal registro PISO di famiglia logica 74HC, Vdata in = 4,5V R1 = (Vcc – VLED) /IF => R1 = (5 – 1,7) /120 mA => R1= 27,5 Ω per la serie E12 R1= 27 Ω Ic= (Vcc – VCE sat)/ R1 => Ic= (5 – 0,2)/ 27 Ic= 178 mA Ib > Ic/hfe min => (Vdata in – VBE sat) / RB > Ic / 110 RB < (4,5- 0,2)* 100/ 178 mA => RB < 2,42 KΩ per la serie E12 RB= 2.2 KΩ Visto le correnti elevate, occorre verificare la potenza dissipata da R1, con la formula P = R*I2. Per ingresso 0, Vdata in = 0V, la corrente che scorre su R1 è quella che scorre nel LED (120 mA). Per ingresso 1, Vdata in = 4,5V, la corrente che scorre su R1 è quella che scorre nel BJT (178 mA). P= (P0 + P1) / 2, => P = [27*(120 mA)2 + 27*(178 mA)2] /2 = 622 mW Quindi occorre una resistenza che possa dissipare 1 Watt o 2 resistenze da 56 Ω in parallelo che possano dissipare ½ Watt.


Soluzione parte B Progetto gestione impianto d’illuminazione

La resistenza Rft rappresenta la fotoresistenza, il partitore resistivo Rft - R1 serve a convertire le

variazioni di Rft causate dal cambiamento della luminosità in variazioni della tensione Vx.

121

1⋅

+=

RftRRVx (1)

La fotoresistenza assume i valori limite indicati nella tabella, compresi tra 2 kΩ e 10 kΩ. Scegliamo per R1 un valore intermedio: R1= 5,6 kΩ.

Utilizzando la formula (1) si ricava Vxl = 8,84 V con 70lux (luce) e Vxb = 4,31 V con 25lux (buio). Il comparatore con isteresi invertente, formato da R2, R3 e l’operazionale, deve avere le due soglie

ai valori calcolati prima. Si utilizza la VO(P-P) dell’operazionale, come indicato dal datasheet, inferiore di 1V rispetto all’alimentazione.

1123

223

3⋅

++⋅

+=

RRRVref

RRRVSS ; tensione di soglia superiore

)11(23

223

3−⋅

++⋅

+=

RRRVref

RRRVSI ; tensione di soglia inferiore.

Assegnando Vss = 8,84 V , VSI = 4,31 V e risolvendo il sistema delle due equazioni si ricava: Vref = 8,28 V; R3 = 3,856 R2. Scegliamo R2 = 10 kΩ , R3 = 39 kΩ. Il comparatore con isteresi agisce sul transistor T1 che deve funzionare come interruttore per

eccitare e diseccitare la bobina del relè. Il contatto del relè accende e spegne l’impianto di illuminazione.

La bobina del relè ha una resistenza di 300Ω, per cui la corrente che la attraversa quando il transistor è saturo vale:

mAV

I CCCC 40

3002,012

3002,0

=−

=−

=

Il transistor BC337 ha un hFEmin=100. Per tenerlo in saturazione occorre una corrente di base:

mA40,010040

hII

minFE

CCminB ===

Per cui è necessaria una resistenza di base:

Ω=⋅

−=

−≤ − k25,28

104,07,012

I7,0V

R 3B

OH4 Scegliamo R4 = 22 kΩ

G. Portaluri circuito gestione impianto d’illuminazione pag. 1/1



Soluzione parte B










PTX = -21,6dBm + 0,27*15 + 2*1,5 = -14,5 dBm







121

1⋅

+=

RftRRVx (1)




1123

223

3⋅

++⋅

+=

RRRVref


)11(23

223

3−⋅

++⋅

+=

RRRVref





mAV

I CCCC 40

3002,012

3002,0

=−

=−

=


mA40,010040

hII

minFE

CCminB ===


Ω=⋅

−=

−≤ − k25,28

104,07,012

I7,0V

R 3B





Soluzione parte B










PTX = -21,6dBm + 0,27*15 + 2*1,5 = -14,5 dBm







121

1⋅

+=

RftRRVx (1)




1123

223

3⋅

++⋅

+=

RRRVref


)11(23

223

3−⋅

++⋅

+=

RRRVref





mAV

I CCCC 40

3002,012

3002,0

=−

=−

=


mA40,010040

hII

minFE

CCminB ===


Ω=⋅

−=

−≤ − k25,28

104,07,012

I7,0V

R 3B





Soluzione parte B










PTX = -21,6dBm + 0,27*15 + 2*1,5 = -14,5 dBm







121

1⋅

+=

RftRRVx (1)




1123

223

3⋅

++⋅

+=

RRRVref


)11(23

223

3−⋅

++⋅

+=

RRRVref





mAV

I CCCC 40

3002,012

3002,0

=−

=−

=


mA40,010040

hII

minFE

CCminB ===


Ω=⋅

−=

−≤ − k25,28

104,07,012

I7,0V

R 3B



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