Lezione G4

Elettronica applicata e misure
Prefazione
Appunti del corso di Elettronica
applicata e misure.
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Prefazione degli studenti
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Questo documento vuole rappresentare un insieme di appunti di supporto del corso di Elettronica
applicata e misure.!
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Il seguente documento è un insieme di appunti del corso di Elettronica applicata e misure. Si vuol
ricordare che tali appunti possono essere affetti da errori e imprecisioni e per questo motivo si
richiede di comunicare ai sottoscritti, alle email: [email protected] e
[email protected], con eventuali correzioni e/o suggerimenti nella stesura, indicando
chiaramente il documento a cui si riferisce.!
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In quanto si tratta di un documento di appunti di libera pubblicazione gli autori non si assumono
alcuna responsabilità del contenuto.!
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Il testo è stato redatto attraverso l’applicativo Pages® for Mac; alcuni grafici sono realizzati
attraverso il software di calcolo numerico Grapher®, alcuni sono stati disegnati a mano tramite il
software di disegno a mano libera Penultimate® altri ancora sono stati presi direttamente dalle
slide disponibili sul portale; per la rappresentazione di alcuni circuiti è stato usato iCircuit®.!
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Come usare gli appunti.!
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Tali appunti sono stati concepiti in modo tale da essere utilizzati con il supporto delle slide del
professore, infatti viene seguita la stessa suddivisione delle lezioni. Il titolo in rosso all’inizio di
ciascuna lezione rappresenta il titolo della lezione stessa, mentre i vari sottotitoli in rosso nel
documento sono associati al numero della pagina della slide di riferimento.!
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Gli appunti sono divisi in base a ciascuna lezione:!
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Misure !
A. Parte I!
1. Oscilloscopio digitale (scritti a mano)!
2. Generalità misure (scritti a mano)!
3. Stima Incertezze!
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F. Parte II!
1. Voltmetri digitali !
2. Voltmetri AC !
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G. Parte II!
1. Sensori di temperatura (prima parte)!
3. Misure tempo e frequenza!
4. Generatori di segnale!
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A. A. 2013 / 2014
Elettronica applicata e misure
Prefazione
Elettronica applicata!
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B. GRUPPO B - Circuiti digitali!
1. Richiami su circuiti logici (scritti a mano)!
2. Parametri dinamici dei Flip Flop (scritti a mano)!
3. Circuiti sequenziali (scritti a mano)!
4. Logiche programmabili (scritti a mano)!
6. Comparatori di soglia (scritti a mano)!
7. Generatore onda quadra !
8. Esercitazione 2!
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C. Bus e interconnessioni!
1. Interconnessioni !
2. Modelli a linea di trasmissione!
3. Connessioni con linee!
4. Cicli di trasferimento base!
5. Protocolli di bus!
6. Esercitazione 3: Collegamenti seriali !
7. Collegamenti seriali asincroni!
8. Collegamenti seriali sincroni!
9. Integrità di segnale!
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D. Sistemi di acquisizione dati!
1. Integrità di segnale!
2. Convertitori D/A!
3. Conversione A/D!
4. Convertitori pipeline e differenziali!
5. Condizionamento del segnale!
6. Filtri!
7. Esercitazione 4: Sistemi di conversione!
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E. Alimentatori e regolatori !
1. Circuiti di potenza !
2. Sistemi di alimentazione !
3. Regolatori a commutazione!
4. Altri sistemi di alimentazione (non è stato trattato nell’A.A. 2013/2014)!
5. Esercitazione 5: regolatori lineari e SW.
A. A. 2013 / 2014
II
Elettronica applicata e misure
Lezione G4
Gruppo lezioni G4
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Generatori sinusoidali
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1. Introduzione
In questa lezione parleremo di:!
• generatori di segnali;!
• generatori di funzioni;!
• sintetizzatori di frequenza.!
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Negli oscillatori "puri" si ha dei segnali puri. In altre parole questi generatori generano delle onde
perfettamente sinusoidali, poiché sono stati costruiti per tale funzione. Invece di generatori di
funzioni sono di generatori che possono creare molteplici varianti di onda ma tuttavia queste onde
non saranno perfettamente uguali a quelle ideali.!
Se si prende un generico generatore di segnali e lo si è imposta per dare una sinusoide e si
prende uno strumento che ha come unico scopo generale sinusoidali quest'ultimo sarà più preciso
del generico generatori di funzioni o di segnali.!
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In particolare, per quanto riguarda i generatori di segnali, vedremo tre principali tipologie di
generatori di segnali sinusoidali:!
1. a bassa frequenza;!
2. a radiofrequenza;!
3. a microonde.!
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2. Generatori di segnali
I generatori di segnali possono essere suddivisi in due grandi categorie:!
1. generatori sinusoidali;!
2. generatori di funzioni.!
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I generatori sinusoidali si distinguono in base alla frequenza cui lavorano:!
1. bassa frequenza se erogano segnali dell’ordine dei 500 kHz;!
2. radiofrequenza se sono segnali tra 1MHz e 1 GHz;!
3. microonde se sono tra 1 GHz e 40 GHz.!
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I generatori di funzioni invece si classificano in base alla forma d’onda che sono in grado di
generare, per esempio onde quadre, triangolari, impulsive e anche sinusoidali.!
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I generatore di segnali sono strumenti le cui caratteristiche, prestazioni, …, sono di norma
specializzate verso una particolare applicazione. Si può dire che i generatori di segnali sono per la
maggior parte dei sistemi special purpose. Per esempio i generatori a bassa frequenza e dotati di
una bassissima distorsione armonica vengono utilizzati per effettuare misurazioni su amplificatori
ad alta fedeltà.!
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3, 4. Generatori sinusoidali
I generatori sinusoidali sono in grado di coprire
una continua gamma di frequenze ed è
possibile eseguire la commutazione su più
gamme di frequenze. Sono strumenti stabili
con bassa distorsione armonia. L’ampiezza del
segnale di uscita è costante su tutta la gamma
(ossia l'ampiezza del segnale di uscita è
costante su un intervallo o un intorno Epsilon).
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Sono poco affetti dai rumori perché hanno una elevata schermatura, ci sono dei filtri sul cordone di
alimentazione, la strumentazione si trova all’interno di involucri metallici e ci sono degli schermi di
protezione multipli.!
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Questi generatori hanno dei filtri poiché la rete raccoglie molto sporcizie e quindi tali rumori
potrebbero ad andare ad influenzare il segnale di uscita. Per ovviare a questo basta porre un filtro
fatto a pi-greco. Sebbene ci siano tanti tipologie di filtri. Con questo circuito si elimina le impurità.!
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Poiché le apparecchiature producono campi elettromagnetici allora ci cerca di isolare/schermare le
apparecchiature. E quindi per schermare si usa il principio della gabbia di Faraday. Queste
"scatole" o gabbie sono messe a terra. Quindi una schermatura non è altro che una gabbia
metallica che viene messa a terra. Il principio delle Matrioska viene utilizzato per schermare più
efficacemente un oggetto. In altre parole si mette una gabbia dentro l'altra in modo tale che nel
cuore dello strumento non ci siano interferenze elettromagnetiche.!
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Schema tipico:!
si ha uno oscillatore variabile e può essere regolato, dallo sciatore variabile produce un segnale
debole il quale viene amplificato in seguito passa attraverso un attento lettore il quale può essere
regolato. La letteratura a una impedenza di uscita che può essere 50 ohm 60 ohm 70 ohm. Ad
esempio in alcune applicazioni si usa una impedenza di 600 ohm.!
Vengono utilizzate questi impedenza per evitare le riflessioni dei conduttori. In altre parole si cerca
di togliere il più possibile eventuali rumori quali le riflessioni.!
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5. Generatore in bassa frequenza
La gamma di frequenze dei generatori raggiunge circa una decina di Hz e centinaia di kHz.
Ciascuna gamma copre circa una decade.!
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Tale strumento può essere utilizzato per generare degli stimoli per il rilievo delle caratteristiche
spettrali di:!
• amplificatori a bassa frequenza;!
• filtri telefonici;!
• sistemi ad ultrasuoni;!
• ecc… .!
L’impedenza di uscita di tali strumenti si aggira tra i 50 ÷ 600 Ohm.!
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Alcune casse acustiche (quelle più care) hanno nel manuale anche il diagramma di Bode. Per
ottenere questo diagramma di Bode hanno semplicemente stimolato la cassa e hanno misurato
l'uscita.!
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6. Caratteristiche tipiche
Le caratteristiche principali dei generatori sinusoidali sono:!
1. la stabilità in frequenza: 10-3 / h!
2. taratura della scala (2 ÷ 3)%!
3. distorsione armonica (0,1 ÷ 1)%!
4. rumore in uscita -80dB VMAX il rumore è attenuato.!
5. tensione in uscita (0,1 ÷ 3) V.!
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7. Oscillatore
L'oscillatore a bassa frequenza è fatto in due modi:!
Ponte di Wien e a sfasamento (sono le due tecniche).!
L'idea di base è di costruire un circuito oscillante che tuttavia non
oscilli troppo ossia che non abbia una ampiezza che aumenti troppo.!
L'amplificatore viene messo in reazione con un modulo (rete selettiva)
nel morsetto positivo. Questa rete impone la frequenza.!
Mettendo la reazione sul positivo c'è il rischio che l'oscillatore abbia
sempre una ampiezza maggiore rispetto alla precedente. Quindi per
ovviare a questo problema si mette una reazione negativa. Si
potrebbe pensare di togliere completamente la reazione sul positivo
ma non può essere creato uno sciatore senza tale reazione.!
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Ci sono due tipi di oscillatori sinusoidali, uno a ponte di Wien e l’altro
a sfasamento.!
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8, …, 12. Oscillatore a ponte di Wien
La reazione positiva è fatta da R1,C1 e da un gruppo R2,C2.!
Mentre la reazione negativa ossia quella stabilizante è fatta da
R4 e R3.!
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Questo è l’oscillatore sinusoidale a ponti dei Wien.!
Questo grafico mostra le condizioni per l’innesco, che sono:!
• ( R3 + R4 ) / R4 > 3;!
• La fase V2 / V1 = 0;!
• f0 = 1 / ( 2 · π · R · C ).!
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La variazione di frequenza è inversamente proporzionale alla cella RC.!
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La rete deve guadagnare se no non parte.!
Il massimo nel diagramma è 1/3 ed anche in
quel punto che il circuito inizia a lavorare.
Quindi si deve portare a quella condizione.
Quindi la rete R3 e R4 , quella a reazione
negativa deve guadagnare più di tre. Si ha
un'altra condizione che deve avvenire.!
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Regolazione dell’ampiezza al variare della
frequenza delle oscillazioni:!
•R3 rappresenta l’elemento termistore a
coefficiente termico negativo;!
•R4 invece rappresenta il termistore a
coefficiente termico positivo.!
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Si ha una commutazione della gamma di
frequenza a scatti, inserendo diversi
condensatori. La variazione della frequenza
raggiunge sensibilità molto fini, quindi molto
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precise, ciò è possibile grazie ad un reostato.!
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L’oscillatore a ponte di Wien presenta un attenuatore di uscita. Nei generatori di bassa qualità è
costituito da un potenziometro, mentre nei generatori migliori è una rete
resisteva a impedenza caratteristica costante e attenuazione variabile.!
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Il misuratore di tensione di uscita è tarato per misurare in modo corretto
la tensione solo se il carico ha impedenza di ingresso coincidente con
l’impedenza di uscita del generatore. RL = R0!
Le condizioni per l’innesco dell’oscillazione sono definite da due
limitazioni: una inferiore e una superiore, se non sono soddisfatte non avviene l’innesco.!
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Le limitazioni inferiori di frequenza sono definite dalla costante di tempo termica dell’elemento non
lineare, e da un valore di R eccessivo (almeno non oltre il mega Ohm) e dal valore del
condensatore C (che non deve superare il µF).!
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Le limitazioni superiori invece sono definite per C piccoli (talmente piccoli, che le capacità
parassite influiscono di più). Un eccessivo carico per l’amplificatore e la rotazione di fase diventa
significativa. Le capacità parassite della rete resistiva sono un forte limitatore superiore di
frequenze.!
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Se invece la reazione di stabilizzazione la si manda su R4 allora si usa!
termistore a coefficiente termico positivo.!
Se invece la reazione di stabilizzazione la si manda su R3 allora: l’elemento (R3) termistore a
coefficiente termico negativo!
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Quando il sistema si è stabilizzato la lampadina non è più accesa o spenta ma insegue il segnale
di uscita. Quando si vuole cambiare di ampiezza pasta modificare la R e il condensatore. Tuttavia
non si può andare oltre determinate ampiezze.!
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Il sistema grosso modo funziona in questo modo: se bisogna abbassare l'ampiezza allora si deve
avere un coefficiente termico positivo ossia si deve abbassare la tensione. Se invece bisogna
alzare l'ampiezza del segnale si deve in qualche modo " non consumare energia" e quindi si usa
un coefficiente termico negativo. In tale modo si può stabilizzare l'ampiezza dell'onda.!
In altre parole quando l'ampiezza dell'onda dopo giù la si alza mentre con una troppo in alto la si
abbassa.!
Questi coefficienti cercano di contrastare le variazioni delle ampiezze.!
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All'intero del circuito vi è proprio una lampadina che serve a questo scopo e non a fare bello o ad
illuminare lo strumento durante la notte.!
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13. Oscillatore a sfasamento
La rete sfasatrice provoca la reazione positiva selettiva (frequenza a cui ciascuna cella ruota la
fase di 60°).!
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A. A. 2013 / 2014
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Occorre ancora una reazione negativa non lineare per poter stabilizzare l’ampiezza. Tale tipologia
di generatore sinusoidale risulta meno utilizzato rispetto a quello a ponte di Wien poiché la rete
selettiva è un sistema complesso.!
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In questo schema che un tale si ha un amplificatore razionale che riesce a spazzare in segnali
d'ingresso di 180°. Sulla reazione negativa si hanno tre celle RC. Ogni cella riesce a sposare il
segnale di 60°. Sommando assieme 180° (dell'amplificatore operazione), i 60° moltiplicati per tre
(poiché ci sono tre celle RC) si ha in totale uno sfasamento di 360°. Questo avviene solo che non
se l'applicazione in modulo è maggiore o uguale di 29.!
Le tre celle RC devono essere uguali se no il gioco non ci può essere.!
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14. Generatore a radiofrequenza
La gamma base dei generatori a radiofrequenza si aggira tra i 500 kHz e 1 GHz. Anche qui, ogni
gamma ricopre circa una decade.!
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Utilizzato principalmente per sviluppare, produrre e riparare dei trasmettitori e ricevitori.
L’impedenza di uscita è di circa 50 Ohm.!
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C’è la possibilità di modulare AM e FM.!
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15. Caratteristiche tipiche
Le caratteristiche principali dei generatori a radiofrequenza sono:!
1. l’accuratezza in frequenza: 1%!
2. taratura (calibrazione) con quarzo 1 · 10-4!
3. deriva in frequenze 1·10-4 / 10 min!
4. armoniche da ( -30 ÷ -40 ) dB!
5. rumroe -70 dB!
6. livello di uscita regolabile da 0,1 mV a 3 V!
7. attenuazione d’usci a a scatti.!
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Esistono due tipi di oscillatori di questo genere:!
1. oscillatore Harley (nome del costruttore);!
2. oscillatore Colpitts (nome del costruttore).!
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All'interno di questi strumenti si ha un campione che è un quarzo che ha una frequenza fissa. è Un
clock. 10^(-9) è l' accuratezza del quarzo a seconda che degli sbalzi di temperatura. Poiché lo
strumento deve avere delle frequenze variabili si utilizza il campione che ha una frequenza fissa
per tarare la frequenza che lo strumento deve emettere.!
Le armoniche sono basse.!
Si ha una attenuazione del rumore in uscita pari a 70dB.!
Si può regolare l'uscita.!
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16. Oscillatore Hartley
A. A. 2013 / 2014
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Nell’oscillatore Harley la variazione di gamma si ottiene commutando le induttanze. Mentre la
variazione continua si ottiene variando la capacità. Si ha qualche inconveniente sulla stabilità in
frequenza.!
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1 / ω2 = C0 · ( L1 + L2 + 2·M )!
L'amplificatore operazionale ci vuole
sempre in oscillatori che in questo caso
è il transistor (indicato in figura).!
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Il circuito oscillante è dato dal circuito LC (a fianco).!
Gli elettronici dicono che il circuito di destra è molto complicato
ma quello di sinistra è più semplice ovvero è semplificato!
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17. Oscillatore Colpitts
Nell’oscillatore Colpitts lavorazione di gamma si ottiene commutando l’induttanza L La variazione
continua si ottiene variando le due capacità C1 e C2. Si ha qualche inconveniente sulla stabilità in
frequenza. Modifica di CLAPP.!
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1 / ω = L · C !
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C = C · C / ( C + C )!
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Con C / C = costante.!
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2
T
T
1
2
1
2
1
2
Si ha qualche problema per la radiofrequenza ma si sono inventati dei trucchi circuitali per ovviare
a questo problema.!
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18. Schema generale di un generatore RF
Oscillazione di riferimento.!
Un modulatore che permette di modulare sia in
ampiezza oppure in frequenza. Il modulazione
è un mixer e quindi un sommatore. Il mixer
somma le frequenze e quindi si ha una
modulazione in frequenza, oppure la somma
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delle ampiezza e quindi una modulazione in ampiezza. Quindi si avrà un circuito modulatore. Si ha
il solito attenuatore e i soliti circuiti per "stabilizzare" il segnale, se no il segnale oscilla un po’
troppo.!
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19. Calibratore di frequenza
Il calibratore di frequenza serve a tarare la scala nelle diverse gamme. Negli strumenti più recenti
si è sostituito da un frequenzimetro di tipo numerico. Il calibratore funziona sul principio dei
battimenti.!
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Il funzionamento è il seguente:!
Se ho un segnale f1 allora se f2=f1 allora il modulo della differenza tra f2 tra f1 è un segnale
continuo. !
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20. Taratura
L'orecchio umano è un mixer molto preciso.
Sta di fatto che riesce a sentire quando c'è
silenzio oppure no. Utilizzando il circuito che si
vede si può dire che un essere umano riesce
attraverso la cuffia a capire quando il mixer fa
fuoriuscire una tensione pari al zero poiché
non c'è un rumore.!
Questo circuito e dando un segnale fx il quale
entra in un mixer, nel ministero vi è anche un
segnale distorcente il mixer fa la differenza fra
il segnale e i segnali distorti i quali passano a
loro volta in filtro passa basso il quale elimina
tutte le frequenze alte e quelle che rimangono
vengono applicate e immesse all'orecchio
umano.!
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21, …,24. Generatore di segnali a battimenti
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I limiti dei tradizionali generatori di tipo LC sono:!
1. una gamma di frequenza piuttosto limitata;!
2. si ha variazione dell’ampiezza del segnale lungo la gamma (il controllo dell’ampiezza non
riesce a compensare le variazioni dl circuito oscillatore);!
3. si ha la commutazione di molti induttori o condensatori.!
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Il generatore a battimenti supera tutti questi inconvenienti!!
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In termini di frequenza:!
Esempio:!
• f1 = 10 MHz!
• f2 = 10,001 MHz;!
• f2MAX = 10 MHz.!
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Si ottiene:!
• fumin = 1 kHz;!
• fumax = 2 MHz;!
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Si può avere un’ampia variazione di f con una variazione di f del 20%.!
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u
2
Problema: se si stima l’incertezza, si vede che l’instabilità di frequenza di f2 e di f1 si ripercuote in
modo drammatico su fu soprattutto su fumin.!
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Si ha un problema poiché si ha due incertezze (f1,f2) quindi utilizzando un modello per calcolare
l'incertezza si ha l'incertezza è maggiore rispetto ad altri strumenti. Se ad esempio si utilizza
l'incertezza deterministica, nella somma nella differenza tra la frequenza uno è la frequenza di due
incertezze dei due segnali si somma. In altre parole il mixer fa la somma con la differenza delle
due frequenze e incertezza del risultato è la somma delle due incertezze delle due frequenze
(utilizzando il modello deterministico).!
Se le frequenze (nel mixer) sono molto basse allora si può ottenere delle incertezze anche del
100%.!
La correlazione può aiutare ad abbassare l' incertezza. Facendo finta di costruire i due generatore
di segnali i più uguali possibili e utilizzando le stesse tecniche per assemblarli allora le due
incertezze degli strumenti potrebbero essere molto vicini tra loro e anche il risultato che mettono
fuori dovrebbe essere lo stesso. Se la correlazione è molto grande allora gli errori possono
diventare molto piccoli. Nel modello deterministico o qualsiasi altro modello deve essere presi in
considerazione non solo l'errore ma anche il fatto che i due strumenti sono quasi identici e quindi
gli errori devono essere minore rispetto ad degli strumenti che non sono uguali.!
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25. Generatori di funzioni
I generatori di funzione sono strumenti in grado di riprodurre forme d’onda di tipo periodico in
un’ampia gamma di frequenze (da 10-3 Hz ai MHz), le varie forme d’onda possono essere:!
1. quadre;!
2. impulsi rettangolari (DC variabile);!
3. triangolari;!
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4. a rampa;!
5. sinusoidali.!
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I generatori di funzioni vengono utilizzati per l’eccitazione di sistemi di regolazione (a frequenze
basse), in applicazioni a frequenze audio (se non sono richiesta bassissima distorsioni della
sinusoide - sostituiscono oscillatori Wien). Le misure con sweep in frequenza di filtri, possono
essere eseguite utilizzando i generatori di funzioni che sostituiscono gli oscillatori a battimento.!
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Questi generatori non danno un segnale purissimo (es un seno perfetto) ma ci si va molto vicini.!
Sono strumenti che si possono anche utilizzare per provare dei circuiti prima di montarli
definitivamente.!
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26. Schema di un generatore di funzioni
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Il circuito cerchietto di rosso è un integratore.!
Si manda in ingresso due generatori di
corrente. All'uscita dell'integratore si ha un
onda triangolare o qualcosa che ci va molto
vicino. Se si integra con una corrente positiva
si fa una rampa e va verso l'alto. Invece che si
integra una con negativa da una rampa e va
verso il basso. Quindi mandando nel
integratore prima la corrente di un generatore
e poi l'un dell'altro generatore attraverso
l'interruttore si crea una corrente " alternata" e
quindi integratore crea un'onda triangolare.!
Per generare un'onda quadra basta utilizzare
l'uscita dell'integratore e mettere in cascata un
circuito prosatore e un circuito di raddrizzarlo. In questo modo si ha un'onda rettangolare.!
Se si vuole invece ottenere un'onda triangolare basta utilizzare l'uscita del integratore.
Quest'ultima tuttavia dovrà essere notificata o fortunatamente e quindi dovrà passare attraverso un
amplificatore. Si può anche ottenere un'onda sinusoidale.!
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27, …, 30. Circuito formatore
Per variare il DC ( I2 · I2 ).!
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Per variare la frequenza:!
1.variare C a scatti per la gamma;!
2.variare R con continuità per variazione fine;!
3.variare I1 e I2 mantenendo costante I1 / I2 in questo modo rimane
costante il DC;!
4.spostare le soglie Vs1 e Vs2 per variare anche l’ampiezza
dell’onda triangolare.!
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Avendo capito in precedenza che i due generatori di corrente creano l'onda triangolare, se si
cambia l'intensità dei generatori si può cambiare l'ampiezza dell'onda triangolare. Invece per
variare la frequenza bassa impostare il circuito RC con un'altra costante di tempo e più la costa di
tempo piccola più la frequenza del circuito sarà elevata più la frequenza è bassa e più tale
costante di tempo dovrà essere bassa.!
Si può inoltre cambiare il dutycicle variando l'intensità di uno dei 2 generatori. Poiché si ha una
rampa di salita diversa dalla rampa di discesa e questo porta l'integratore a comportarsi
diversamente. Poiché "integrerà di più" sulla rampa più obliqua e meno sull'altra rampa.!
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Il CF (circuito formatore) è realizzato con il circuito seguente:!
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Per creare un mondo sinusoidale basta ottenere un
partitore il quale ha una resistenza non variabile
mentre l'altra può essere variata. Parlando a scatti e
con scatti molto piccoli la tensione in uscita varia.
Quindi variando una delle due resistenze si può ottenere una specie di gradinata la quale si è
molto piccola (sei gradini sono molto piccoli) allora la si può approssimare a una sinusoide.!
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La caratteristica di Rv è ottenuta con una rete di diodi inseriti in successione.!
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Si può ottenere una sinusoide attraverso una
serie diodi. In particolare nel circuito visto in
precedenza la resistenza variabile è fatta
attraverso una cascata di diodi. I quali
solamente una volta è attivo. Mettendo tanti
diodi vicino uno all'altro e attivandoli
solamente uno alla volta, si ottiene una
spezzata che si è lisciata molto assomiglia a
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una sinusoide. Quindi il risultato è di ottenere una sinusoide fatta a tratti la quale viene lisciata
attraverso un filtro passa basso. Tale sinusoide e meno precisa rispetto agli oggetti visti presidente
(ad esempio il ponte di Wien).!
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La sinusoide in questo caso ha distorsione maggiore di quella ottenuta con il ponte di Wien.!
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31. Soluzione alternativa per il generatore di frequenze
Le alternative a basso costo per un generatore di funzioni se sono richieste frequenze non troppo
alte e le esigenze non si spingono su distorsioni armoniche si può utilizzare una soluzione che
prevede l’uso in cascata di:!
1. memorie a sotto solido, contenente i campioni della forma d’onda da sincronizzare;!
2. convertitore DA, comandato da un opportuno clock, che legge e converte i campioni in
memoria;!
3. filtro passa basso, per eliminare le componenti indesiderate generate dal DA.!
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Cambiando i campioni in memoria si cambia la forma dell’onda, si possono quindi generare le
cosiddette forme d’onda arbitrarie.!
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Un'altra soluzione molto meno cara è quella di utilizzare in cascata tre tipologie di componenti. La
prima componente è una memoria a stato solito in cui sono contenuti i vari campioni che
simboleggiano il segnale. In seguito tali campioni vengono convertiti in un segnale analogico e
quindi si ottiene una specie di gradinata. Questa gradinata viene filtrata un primo passo passo per
eliminare le componenti indesiderate generati dal convertitore digitale analogico.!
Sebbene questa soluzione sia poco costosa e solertemente utilizzata ai giorni nostri per il semplice
fatto che la memori a stato solido può essere profonda quando si vuole, i prezzi dei convertitori
digitali analogici sono diminuiti. E per il fatto che si può formare qualsiasi onda che si vuole.
L'unico svantaggio che ha è che le varie onde non saranno ma è
perfettamente lisce poiché rimarranno sempre delle componenti
di di elevata frequenza e sebbene il filtro passa passo riesca ad
eliminarle, tuttavia non essere eliminarli completamente.!
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In questa figura si può vedere un'onda fatta a scalini che è uno
zoom di una parte di un'onda. La linea verde rappresenta il filtro
passa basso il quale cerca di eliminare tutte quelle componenti
ad alta frequenza che non sono proprie dell'onda che si vuole
generare!
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32, 33. Sintetizzatore di frequenza
I sintetizzatori di frequenza sono generatori di segnali sinusoidali che coprono gamme di frequenza
dalle acustiche alle microonde. La caratteristiche fondamentale di questi strumenti è che sono in
grado di fornire delle frequenza con una risoluzione molto elevata, ad esempio da 8.632 a 725.42
kHz.!
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La precisione della frequenza in uscita è praticamente pari a quella del campione interno al
generatore di frequenza fissa.!
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L’utilizzo pratico di questi strumenti è vario, si passa dalle misure su filtri, oscillatori (cioè sistemi ad
eleva selettività) a sistemi di navigazione, emissioni radar, eccetera.!
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Esistono due tipi di sintesi, una diretta e una indiretta.!
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A. A. 2013 / 2014
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Elettronica applicata e misure
Lezione G4
Sintesi diretta. La frequenza in uscita da un riferimento di frequenza con operazioni matematiche
del tipo:!
• moltiplicazione per N;!
• divisione per N;!
• somma fra frequenza;!
• differenza fra frequenze.!
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Sintesi indiretta. Si utilizzano le proprietà dell’anello ad aggancio di fase (chiamato PLL) mediante
l’impiego di divisori numerici di frequenza.!
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I sintetizzatori di frequenza sono strumenti che generano determinate frequenze. Esse sono
utilizzate nelle stazioni radio in cui è necessario avere una determinata portante con precisa
frequenza.!
Nelle stazioni radio si hanno due tipologie di segnale il segnale portante e il segnale modulante.
Quest'ultimo è dato dalla voce o dalla musica ed è un segnale variabile. Mentre il segnale portante
è un segnale fisso che si può col suo errore rimane fisso.!
Nelle vecchie stazioni radiofoniche la portante variava nel tempo e questo poteva causare
l'occupazione di un'alta frequenza occupata da un'altra e quindi l'ascoltatore seppur avendo
sintonizzato la sua radio su una determinata frequenza ascoltava la stazione che aveva occupato
quella banda poiché la portante era cambiata. Ai giorni nostri tale problema è stato risolto ponendo
nelle stazioni radio degli oscillatori abbastanza precisi e se pur avendo i loro errori non vanno a
coprire altre frequenze.!
I sintetizzatori di frequenza non servono solamente le stazioni radio o televisive per inviare segnali
ma servono anche per provare determinati strumenti come può essere ad esempio un GPS.!
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Si può ottenere una frequenza in uscita attraverso una frequenza di riferimento utilizzando degli
operatori matematici. Se la frequenza di riferimento è troppo piccola allora la si può sommare a
un'altra frequenza oppure se troppo grande la si può sottrarre e così discorrendo. Inoltre si può
moltiplicare la frequenza di base per una costante oppure dividere per una costante. In altre parole
si prende la frequenza di riferimento la si manipola e si riesce ottenere la frequenza desiderata.
Per manipolare tale frequenza si utilizza i quattro operatori aritmetici.!
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34. Sintetizzatore di frequenza (soluzioni)
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La moltiplicazione era la moltiplicazione è un procedimento
abbastanza semplice: si ha la frequenza che si vuole moltiplicare la
stessa entrare in un amplificatore non lineare e a questo punto si
filtra il segnale in uscita prendendo solamente la frequenza che
interessa.!
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Lezione G4
35, …, 38 . Sintesi diretta
Divisore di frequenza per N.!
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In questo schema si vuole rappresentare il modo
in cui si può dividere una frequenza. Si ha un
quarzo che vibra a una frequenza di 100 kHz (ad
esempio) tale quarzo è la frequenza di
riferimento. Il segnale viene immesso in un mixer
il quale sottrae tale segnale a un altro segnale ad
esempio in questo caso di 90KHz. La sottrazione
in valore assoluto comporta un segnale alle
10KHz. A questo segnale lo si fa passare a un
amplificatore selettivo il quale amplifica il segnale
e attraverso il filtro pulisce il segnale. Quindi in
uso in uscita si è ottenuto un segnale diviso 10.
Inoltre si può ottenere un segnale diviso per tre prendendo il segnale in uscita (quello da 10 KHz) e
facendo passare attraverso moltiplicatore (moltiplicatore per tre). In seguito si prende il risultato e
lo si può ancora moltiplicare per tre e ottenere un segnale alle 90KHz.!
In sostanza si può dire che attraverso di mixer si abbassa il segnale o meglio dire la frequenza del
segnale di attraverso dei moltiplicatori si alza la frequenza dei segnali. utilizzando questi due
oggetti può ottenere svariate frequenze partendo da una sola frequenza.!
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Divisore di frequenza alternativo, con circuiti digitali.!
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In questo circuito si parte con la frequenza di
riferimento, si squadra tale segnale che esce
dallo oscillatore. Per squadrare l'onda si
utilizza il trigger di Smith e il circuito tosatore.!
In seguito attraverso un apparato digitale
(registro) si manipola l'onda la quale verrà divisa per un'opportuna costante. In seguito verrà
ripulita da un filtro passa banda e amplificata opportunamente.!
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Circuito sommatore:!
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Per sommare due frequenze o per dividere due
frequenze basta utilizzare un mixer e in seguito
ripulire il segnale con un filtro passa banda.!
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Lezione G4
Con una tecnica simile, cambiando il filtro si può ottenere:!
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mf + nf !
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oppure!
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mf - nf !
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ottenendo dunque anche differenze di frequenza.!
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1
1
2
2
I pregi di questo strumento sono:!
1. elevata risoluzione (dal mHz in su);!
2. elevata purezza spettrale;!
3. commutazione rapida delle frequenze;!
4. accuratezza dell’uscita pari a quella del campione.!
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Ma ci sono anche dei difetti:!
• complessità circuitale (molti circuiti accordati singolarmente);!
• ingombro e peso;!
• costo notevole.!
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Ogni circuito deve essere tarato per il successivo. Ad esempio il filtro non può filtrare a caso. Tutto
deve funzionare come una macchina unica e questo ha un costo non indifferente.!
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39, …, 41. Sintesi indiretta
Per la sintesi indiretta invece, studieremo dapprima il principio del PLL:!
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Il sistema reazionato agisce in modo da rendere:!
•f0 = friferimento;!
•∆φ = costante.!
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Il VCO è un oscillatore la cui frequenza è comandata dalla
tensione in ingresso.!
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Il rivelatore di fase può operare su onde quadre, oltre che a quelle sinusoidali.!
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In questo circuito si ha un generatore di frequenza. In seguito si ha un rivelatore di fase, che non è
propriamente un rivelatore di fase ma è un rivelatore di frequenza. Esso dà in uscita una tensione
più questa tensione è elevata più di due frequenze (fr,f0) sono diverse più la tensione uscita è
uguale più sono uguali le due frequenze. La tensione che esce dal rilevatore di fase entra in un
integratore il quale viene a sua volta la tensione proporzionale a quella che riceve. Dall'uscita di
tale integratore il quale ha un filtro per filtrare le frequenze tali uscita andrà comandare un
generatore di frequenze il quale generato una frequenza che è data dal comandoVdc ossia
dall'uscita del integratore che ha un determinato filtro (come detto in precedenza). Il generatore
VCO genera una frequenza che è comandata dalla tensione Vdc. In altre parole Vdc comanda il
generatore di frequenze (Vco).!
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Il sistema è un sistema relazionato quindi si congeda tale sistema deve fare in modo che questo
sistema non oscilli troppo. Poiché è un sistema reazionato, ci vorrà un po' di tempo prima che esso
(il sistema/il circuito) possa essere utilizzato o in altre parole quando si accende il circuito si deve
aspettare un certo intervallo di tempo in cui le due frequenze sono uguali. Quando si accende il
circuito l'oscillatore e mettere una frequenza la quale sarà confrontata con una frequenza pari a
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zero e quindi il sistema relazionato inizierà a produrre una determinata frequenza la quale a poco a
poco sarà stabilizzata vi sarà uguale alla frequenza
desiderata.!
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Il circuito opera in modo da ottenere:!
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f
/N =f /N !
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così che:!
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f =N /N ·f
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I divisori sono di tipo numerico con N interi.!
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riferimento
iu
2
1
1
u
2
riferimento!
i
Questo è un tipico circuito in cui si può vedere come si
possono mettere i vari blocchi.!
Partendo dall'alto e andando verso il basso seguendo la freccia nera si può dire che il primo blocco
è un generatore di frequenze fisso il quale passa attraverso un generatore di onda quadra e poi
attraverso un divisore e il procuratore di fase. In seguito dopo comparto di fase passa attraverso
un filtro. In seguito tale segnale produrrà il segnale d'ingresso di un generatore di frequenza. Tale
generatore di frequenza generato un segnale che verrà diviso per due e andrà nel compratore di
fase.!
Inoltre si può dire che l'uscita sarà N2/N1*frif dopo un certo intervallo.!
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I pregi della sintesi indiretta sono:!
1. minore complessità circuitale;!
2. uso massiccio di circuiti integrati;!
3. più economico.!
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Mentre i difetti sono rappresentati da:!
1. una risoluzione non molto elevata;!
2. una instabilità nella frequenza dovuta al modo di operare del circuito ad anello chiuso;!
3. lentezza nelle transizioni da una frequenza all’altra (transitorio del circuito ad anello chiuso).!
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Tale strumento viene normalmente usato negligo oscillatori delle stazioni radio TV.
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