6/p - Polito
annuncio pubblicitario
ElapB2 08/12/2013 Ingegneria dell’Informazione Generatori sinusoidali • Schema tipico ELETTRONICA APPLICATA E MISURE F1 – Generatori di segnali » a bassa frequenza » a radiofrequenza » a microoonde – Generatori di funzioni – Sintetizzatori di frequenza 08/12/2013 - 1 08/12/2013 - 4 Elnmis - © 2013 FF Elnmis - © 2013 FF Generatori di segnali Generatore in Bassa Frequenza • SINUSOIDALI – Bassa frequenza (max 500 kHz) – Radiofrequenza (1 MHz – 1 GHz) – Microonde (1 GHz – 40 GHz) • Gamma frequenze: decina di Hz – centinaia di kHz – Ogni gamma copre circa una decade • Uso: stimoli per il rilievo delle caratteristiche spettrali di: • GENERATORI DI FUNZIONI – – – – – Onde quadre, triangolari, impulsive e anche sinusoidali • Sono strumenti le cui caratteristiche, prestazioni, ecc. sono di norma specializzate verso una particolare applicazione Amplificatori B. F Filtri telefonici Sistemi ad ultrasuoni ecc. • Impedenza di uscita : 50 Ω o 600 Ω – Es. Generatori a bassa frequenza con bassissima distorsione armonica per misure su amplificatori ad alta fedeltà 08/12/2013 - 2 08/12/2013 - 5 Elnmis - © 2013 FF Generatori sinusoidali Elnmis - © 2013 FF Caratteristiche tipiche • • • • • Copertura continua di una gamma di frequenze Commutazione su più gamme di frequenze Buona stabilità di frequenza Bassa distorsione armonica Ampiezza del segnale di uscita costante su tutta la gamma • Regolazione a scatti e fine del livello del segnale in uscita • Basso rumore • Elevata schermatura • • • • • • Stabilità in frequenza Taratura della scala Distorsione armonica Rumore in uscita Variazioni di ampiezza sulla gamma Tensione in uscita 10-3 /h 2-3% 1% (anche 0,1%) -80dB Vmax 2-3% 0,1 mV – 3V – Filtri sul cordone di alimentazione – Involucri metallici – Schermi multipli 08/12/2013 - 3 08/12/2013 - 6 Elnmis - © 2013 FF Elnmis - © 2013 FF Page 1 © 2012 DDC 1 ElapB2 08/12/2013 Oscillatore Oscillatore a ponte di Wien • A ponte di Wien • A sfasamento • Regolazione dell’ampiezza al variare della frequenza delle oscillazioni – R3 Elemento termistore (coeff. termico negativo) – R4 Elemento a coeff. termico positivo (lampada ad incandescenza) • Commutazione della gamma di frequenze – A scatti inserendo diversi condensatori • Variazione fine della frequenza – Con un reostato 08/12/2013 - 7 08/12/2013 - 10 Elnmis - © 2013 FF Elnmis - © 2013 FF Oscillatore a ponte di Wien Oscillatore a ponte di Wien • Attenuatore di uscita – Nei generatori di bassa qualità è costituito da un potenziometro – Nei generatori migliori è una rete resistiva a impedenza caratteristica costante e attenuazione variabile • Il misuratore di tensione in 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 08/12/2013 - 8 08/12/2013 - 11 Elnmis - © 2013 FF Elnmis - © 2013 FF Oscillatore a ponte di Wien Oscillatore a ponte di Wien • Condizioni per l’innesco • (R3 + R4)/R4 > 3 • Fase V2/V1 =0 • f0 = 1/(2 π R C) Variazione di frequenza inversamente proporzionale a RC Anche scala logaritmica 08/12/2013 - 9 • Limitazione inferiore di frequenza – Costante di tempo termica dell’elemento non lineare – Valore eccessivo di R (non oltre il MΩ) e di C (non oltre il μF) • Limitazione superiore di frequenza – – – – C piccoli – contano molto le capacità parassite Eccessivo il carico per l’amplificatore Diventa significativa la rotazione di fase dell’amplificatore Capacita’ parassite della rete resistiva • Non sono più soddisfatte le condizioni per l’innesco dell’oscillazione 08/12/2013 - 12 Elnmis - © 2013 FF Elnmis - © 2013 FF Page 2 © 2012 DDC 2 ElapB2 08/12/2013 Oscillatore a sfasamento Oscillatore HARTLEY La rete sfasatrice provoca la reazione positiva selettiva (frequenza a cui ciascuna cella ruota la fase di 60 gradi) 1/ω2 = C0(L1+L2+2M) – Occorre ancora una reazione negativa non lineare per stabilizzare l’ampiezza – Meno utilizzato del ponte di Wien perchè la rete selettiva è complessa 08/12/2013 - 13 • La variazione di gamma si ottiene commutando le induttanze • La variazione continua si ottiene variando la capacità • Si ha qualche inconveniente sulla stabilità in frequenza 08/12/2013 - 16 Elnmis - © 2013 FF Generatore a radiofrequenza Elnmis - © 2013 FF Oscillatore Colpitts • Gamma frequenze: 500 kHz – 1 GHz – Ogni gamma copre circa una decade • Uso: sviluppo, produzione e riparazione di trasmettitori e ricevitori • Impedenza di uscita : 50 Ω • Possibilità di modulazione AM e FM 08/12/2013 - 14 1/ω2 = L CT CT = C1C2/(C1+C2) C1/C2 = cost. • La variazione di gamma si ottiene commutando L • La variazione continua si ottiene variando le capacità C1 e C2 • Si ha qualche inconveniente sulla stabilità in frequenza. Modifica di CLAPP 08/12/2013 - 17 Elnmis - © 2013 FF Elnmis - © 2013 FF Caratteristiche tipiche • • • • • • • Accuratezza nella frequenza Taratura (calibrazione) con quarzo Deriva in frequenza Armoniche Rumore Livello d’uscita regolabile Attenuazione d’uscita a scatti Schema generale di un generatore RF 1% 1 10-4 1 10-4 /10 min da - 30 a -40dB -70 dB da 0,1 mV a 3 V 10 dB • TIPI DI OSCILLATORI – Hartley – Colpitts 08/12/2013 - 15 08/12/2013 - 18 Elnmis - © 2013 FF Elnmis - © 2013 FF Page 3 © 2012 DDC 3 ElapB2 08/12/2013 Calibratore di frequenza Generatore di segnali a battimenti • Serve per tarare la scala nelle diverse gamme • Negli strumenti più recenti è soistituito da un frequenzimetro numerico • Il calibratore funziona sul principio dei battimenti 08/12/2013 - 19 08/12/2013 - 22 Elnmis - © 2013 FF Elnmis - © 2013 FF Taratura Generatore di segnali a battimenti • In termini di frequenza: • Esempio: f1 = 10 MHz; f2min = 10,001 MHz; F2max = 12 MHz Si ottiene : fumin =1 kHz ; fumax = 2 MHz Ampia variazione di fu con variazione di f2 del 20% 08/12/2013 - 20 08/12/2013 - 23 Elnmis - © 2013 FF Elnmis - © 2013 FF Generatore di segnali a battimenti Generatore di segnali a battimenti • Limiti dei tradizionali generatori LC • Problema: – Se si stima l’incertezza si vede che l’instabilità di frequenza di f2 e f1 si ripercuote in modo drammatico su fu, soprattutto su fumin – Gamma di frequenza limitata – Variazione dell’ampiezza del segnale lungo la gamma (il controllo dell’ampiezza non riesce a compensare le variazioni del circuito oscillatore) – Commutazione di molti induttori o condensatori • Soluzione: – Gli Oscillatori sono simili (componenti e circuiti) – Gli Oscillatori subiscono le stesse vicissitudini (grandezze di influenza) • IL GENERATORE A BATTIMENTI SUPERA QUESTI INCONVENIENTI 08/12/2013 - 21 08/12/2013 - 24 Elnmis - © 2013 FF Elnmis - © 2013 FF Page 4 © 2012 DDC 4 ElapB2 08/12/2013 Generatori di funzioni Circuito formatore • Generano forme d’onda periodiche in un’ampia gamma di frequenze (da 10-3 Hz ai MHz): – – – – – Quadre Impulsi rettangolari (D.C. variabile) Triangolari A rampa Sinusoidali • USI: – Eccitazione di sistemi di regolazione (freq basse) – Applicazioni a freq. audio (se non sono richieste bassissime distorsioni della sinusoide – sostituiscono osclillatori Wien) – Misure con sweep in frequenza di filtri (sostituiscono oscillatori a battimento) – Ecc. 08/12/2013 - 25 08/12/2013 - 28 Elnmis - © 2013 FF Schema di un generatore di funzioni Elnmis - © 2013 FF Circuito formatore • Il C. F. è realizzato con il circuito seguente: • La caratteristica di Rv è ottenuta con una rete di diodi inseriti in successione 08/12/2013 - 26 08/12/2013 - 29 Elnmis - © 2013 FF Schema di un generatore di funzioni Elnmis - © 2013 FF Circuito formatore • Per variare il D.C. I1 # I2 • Per variare la frequenza: – Variare C a scatti per la gamma – Variare R con continuità per variazione fine – Variare I1 e I2 mantenendo costante I1 / I2 (così rimane costante il D.C.) – Spostare le soglie Vs1 e Vs2 (per variare anche l’ampiezza dell’onda triangolare) • La sinusoide in questo caso ha distorsione maggiore di quella ottenuta con il ponte di Wien 08/12/2013 - 27 08/12/2013 - 30 Elnmis - © 2013 FF Elnmis - © 2013 FF Page 5 © 2012 DDC 5 ElapB2 08/12/2013 Soluzione alternativa per il G.d. F. Sintesi diretta • Soluzione a basso costo per: • Moltiplicatore di frequenza per N – Basse frequenze – Esigenze non spinte su distorsione armonica • Cascata di: – Memoria a stato solido, contenente i campioni della forma d’onda da sintetizzare – Convertitore D/A, comandato da opportuno clock, che legge e converte i campioni in memoria – Filtro passa basso, per eliminare le componenti indesiderate generate dal D/A • Cambiando i campioni in memoria si cambia la forma d’onda • Si possono così generare le cosiddette forme d’onda arbitrarie 08/12/2013 - 31 08/12/2013 - 34 Elnmis - © 2013 FF Elnmis - © 2013 FF Sintesi diretta SINTETIZZATORI DI FREQUENZA • Sono generatori di segn ali sinusoidali che coprono gamme di frequenza dalle acustiche alle microonde • Caratteristica fondamentale: forniscono frequenze con risoluzione molto elevata • Divisore di frequenza per N – Es: 8.632, 725.43 kHz • L’accuratezza della frequenza in uscita è praticamente pari a quella del campione interno a frequenza fissa • USO: – Misure su filtri, oscillatori, ecc. Cioè sistemi ad elevata selettività – Sistemi di navigazione, emissioni radar, ecc. 08/12/2013 - 32 08/12/2013 - 35 Elnmis - © 2013 FF SINTETIZZATORI DI FREQUENZA SOLUZIONI Elnmis - © 2013 FF Sintesi diretta • Divisore di frequenza alternativo, con circuiti digitali • Sintesi diretta – La frequenza in uscita da un riferimento di frequenza con operazioni matematiche » » » » Moltiplicazione per N Divisione per N Somma fra frequenze Differenza fra frequenze • Sintesi indiretta – Si utilizzano le proprietà dell’anello ad aggancio di fase (PLL) mediante l’impiego di divisori numerici di frequenza 08/12/2013 - 33 08/12/2013 - 36 Elnmis - © 2013 FF Elnmis - © 2013 FF Page 6 © 2012 DDC 6 ElapB2 08/12/2013 Sintesi diretta Sintesi indiretta • Circuito sommatore Il circuito opera in modo da ottenere frif / N1 = fu / N2 Cosicchè fu = N2 / N1 * frif Con tecnica simile, cambiando il filtro, si puo’ ottenere mf1 +nf2 oppure mf1 – nf2 Ottenendo dunque anche differenze di frequenza 08/12/2013 - 37 I divisori sono di tipo numerico con Ni interi 08/12/2013 - 40 Elnmis - © 2013 FF Sintesi diretta Sintesi indiretta • Pregi – – – – Elnmis - © 2013 FF • Pregi nei confronti della sintesi diretta Elevata risoluzione (dal mHz in su) Elevata purezza spettrale Commutazione rapida delle frequenze Accuratezza dell’uscita pari a quella del campione – Minore complessità circuitale – Uso massiccio di circuiti integrati – Più economico • Difetti nei confronti della sintesi diretta • Difetti – Risoluzione non elevata – Instabilità in frequenza dovuta al modo di operare del circuito ad anello chiuso – Lentezza nelle transizioni da una frequenza all’altra (transitorio del circuito ad anello chiuso) – Complessità circuitale (molti circuiti accordati singolarmente) – Ingombro e peso – Costo notevole • Usato normalmente negli oscillatori delle stazioni radio TV 08/12/2013 - 38 08/12/2013 - 41 Elnmis - © 2013 FF Elnmis - © 2013 FF Sintesi indiretta • Principio del PLL Il sistema reazionato agisce in modo da rendere • f0 = frif • ∆φ = cost. • Il VCO e’ un oscillatore la cui frequenza e’ comandata dalla tensione in ingresso • Il rivelatore di fase può operare su onde quadre, oltre che sinusoidali 08/12/2013 - 39 Elnmis - © 2013 FF Page 7 © 2012 DDC 7
