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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
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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
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Generatori sinusoidali
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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
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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
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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
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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
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• 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
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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
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• 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
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Generatore a radiofrequenza
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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
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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
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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
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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
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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%
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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
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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.
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Schema di un generatore di funzioni
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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
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Schema di un generatore di funzioni
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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
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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
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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.
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SINTETIZZATORI DI FREQUENZA
SOLUZIONI
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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
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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
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I divisori sono di tipo numerico con Ni interi
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Sintesi diretta
Sintesi indiretta
• Pregi
–
–
–
–
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• 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
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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
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