Generatori di segnale - Corsi di Laurea a Distanza

Misure Elettroniche II
Generatore sinusoidale BF
Generatore sinusoidale BF
Generatori di segnale
Generatore sinusoidale BF
Generatori di funzione
Generatori sinusoidali a RF
Generatori a battimenti
Oscillatori a quarzo
Generatori di segnale sintetizzati
Generatori per sintesi indiretta
2
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1
Misure Elettroniche II
Generatore sinusoidale BF
Generatore sinusoidale BF
Obiettivi della lezione
Metodologici
applicazione delle tecniche di reazione per la
realizzazione di un oscillatore
condizioni di innesco
controreazione per la stabilizzazione dell’ampiezza
delle oscillazioni
Progettuali
parametri da cui dipendono la stabilità di
frequenza e di ampiezza delle oscillazioni
prestazioni limiti ottenibili dall’oscillatore
caratteristiche di uscita
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4
2
Misure Elettroniche II
Generatore sinusoidale BF
Prerequisiti per la lezione
Concetti base di controlli automatici:
sistemi reazionati positivamente e negativamente
condizioni di innesco delle oscillazioni
Sistemi elettronici:
amplificatori realizzati con operazionali
analisi di circuiti elettronici in regime sinusoidale
funzione di trasferimento in AC
resistori non lineari
5
Bibliografia per la lezione
“Electronics of measuring systems”
T. T. Lang
Wiley, Chicester, 1987
“Misure Radioelettriche”
S. Malatesta, L. Mezzani, E. Sportoletti
Colombo Cursi, Pisa, 1975
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3
Misure Elettroniche II
Generatore sinusoidale BF
Contenuti della lezione
Generatore sinusoidale BF
L’oscillatore a ponte di Wien
Condizioni di innesco
Controllo automatico dell’ampiezza
Caratteristiche e limiti di frequenza
Attenuatore di uscita
Dimensionamento di un oscillatore di Wien
Esercizio: termometro basato su oscillatore di
Wien
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Generatore sinusoidale BF
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4
Misure Elettroniche II
Generatore sinusoidale BF
Generatori di segnale
Generatori di segnali sinusoidali:
bassa frequenza (20 Hz ↔ 200kHz)*
radiofrequenza (200 kHz ↔ 1GHz)*
microonde (1GHz ↔ 30 GHz)*
onde millimetriche (30 GHz ↔ 110 GHz)*
Generatori di forme d’onda
quadre, triangolari, impulsive, sinusoidali
di funzioni
(*Ordini di grandezza (o.d.g.))
9
Generatori di segnale
Caratteristiche e prestazioni finalizzate alle
applicazioni a cui sono destinati:
test su apparati audio (f acustiche, bassa
distorsione ecc...)
test su apparecchiature RF (possibilità di
modulazioni AM, FM, piccoli livelli di segnale,
ecc...)
test su apparecchiature radio mobili (modulazioni
digitali, ASK, FSK, PSK, ecc...)
test su sistemi di controllo (forme d’onda
arbitrarie, caratteristiche di variazioni lente, ecc...)
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5
Misure Elettroniche II
Generatore sinusoidale BF
Generatori sinusoidali 1/2
Caratteristiche generali e prestazioni richieste per
tali strumenti:
diverse gamme di frequenza commutabili
(10Hz÷1kHz, 1kHz÷20kHz, 20kHz÷200 kHz, ecc...)
variazione continua di frequenza su una gamma
più ampia possibile
ampiezza del segnale costante sulla gamma di
frequenza
11
Generatori sinusoidali 2/2
Caratteristiche generali e prestazioni richieste per
tali strumenti:
regolazione dell’ampiezza segnale (commutazione
e fine)
buona stabilità di frequenza
[(δf
/ f ) / ∆t ]
bassa distorsione armonica
⎡
⎢Dtot =
⎢⎣
A22 + A32 + .... ⎤
⎥
A1
⎥
⎦
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6
Misure Elettroniche II
Generatore sinusoidale BF
Generatori sinusoidali: schema a blocchi
Schema a blocchi di principio
OSCILLATORE
SINUSOIDALE
AMPLIFICATORE
SEPARATORE
AMPLIFICATORE
POTENZA
ATTENUATORE
D’USCITA
R0=cost
VOUT
R0
Gamma di
frequenza
Misuratore
di tensione
di uscita
Regolazione
fine di
frequenza
Regolazione
fine di
Variazione
ampiezza
a scatti di
ampiezza
13
Generatori sinusoidali: schema a blocchi
Schema a blocchi di principio
OSCILLATORE
SINUSOIDALE
AMPLIFICATORE
SEPARATORE
AMPLIFICATORE
POTENZA
ATTENUATORE
D’USCITA
R0=cost
VOUT
R0
Gamma di
frequenza
Regolazione
fine di
frequenza
Misuratore
di tensione
di uscita
Regolazione
fine di
Variazione
ampiezza
a scatti di
ampiezza
l’amplificatore separatore serve a non caricare
l’oscillatore
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7
Misure Elettroniche II
Generatore sinusoidale BF
Generatori sinusoidali: schema a blocchi
Schema a blocchi di principio
OSCILLATORE
SINUSOIDALE
AMPLIFICATORE
SEPARATORE
AMPLIFICATORE
POTENZA
ATTENUATORE
D’USCITA
R0=cost
VOUT
R0
Gamma di
frequenza
Misuratore
di tensione
di uscita
Regolazione
fine di
frequenza
Regolazione
fine di
Variazione
ampiezza
a scatti di
ampiezza
l’amplificatore di potenza fornisce l’ampiezza e la
corrente necessaria al segnale di uscita
15
Generatori sinusoidali: schema a blocchi
Schema a blocchi di principio
OSCILLATORE
SINUSOIDALE
AMPLIFICATORE
SEPARATORE
AMPLIFICATORE
POTENZA
ATTENUATORE
D’USCITA
R0=cost
VOUT
R0
Gamma di
frequenza
Regolazione
fine di
frequenza
Misuratore
di tensione
di uscita
Regolazione
fine di
Variazione
ampiezza
a scatti di
ampiezza
l’attenuatore a R0=cost definisce l’impedenza di
uscita del generatore indipendentemente
dall’ampiezza del segnale
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8
Misure Elettroniche II
Generatore sinusoidale BF
Generatori sinusoidali di BF 1/2
Caratteristiche di massima:
uso: rilievo delle caratteristiche in frequenza di
bipoli e doppi bipoli per applicazioni acustiche e
ultrasoniche
gamma di frequenze: da decina di hertz a
centinaio di kilohertz
impedenza di uscita: resistiva R0=50Ω e/o
R0=600Ω valori normalizzati
17
Generatori sinusoidali di BF 2/2
Caratteristiche di massima:
stabilità in frequenza: [(δf / f ) / ∆t ] ≈ 10 −3 / h o.d.g.
accuratezza di taratura frequenza: 3% o.d.g.
distorsione armonica: 1% ÷ 3%
tensione di uscita: 0.1mV ÷ 10V
correnti massime: 100mA o.d.g.
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Misure Elettroniche II
Generatore sinusoidale BF
Schema a blocchi
Utilizza un oscillatore generalmente a ponte di
Wien e, meno frequentemente, a sfasamento
Rete di reazione positiva
RETE
SELETTIVA
+
-
A
RETE DI
CONTROLLO
DELL’AMPIEZZA
Rete di reazione negativa
19
Schema circuitale
Schema di principio
Rete di reazione
R1 C1
V+
V2 R
2
C2
R4
+
Ad
R3
Vout
Amplificatore
si può pensare di operare un taglio nell’anello nel
punto
separando V2 a sx e V+ a dx del taglio
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10
Misure Elettroniche II
Generatore sinusoidale BF
Anello di reazione 1/2
Lo schema di principio si può ricondurre al
classico schema a blocchi in termini di tensioni
nei vari punti del circuito
Guadagno
di tensione
V2
V+
Vout
A
β
a dx del taglio si immagina di applicare una
tensione V+ e a sx del taglio si rileva una tensione
V2
21
Anello di reazione 2/2
Lo schema di principio si può ricondurre al
classico schema a blocchi in termini di tensioni
nei vari punti del circuito
Guadagno
di tensione
V2
V+
Vout
A
β
si noti che il taglio lascia inalterato il livello di
impedenza di carico (che ⇒∞) ai morsetti su cui
si rileva la V2
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Misure Elettroniche II
Generatore sinusoidale BF
Analisi dell’anello
Dallo schema circuitale si individuano le funzioni
di trasferimento in tensione dei due blocchi A e β
il guadagno A è reale ed a rotazione di fase nulla,
compatibilmente alle condizioni di amplificatore
operazionale ideale
il fattore β è invece complesso e se ne può
studiare l’andamento in frequenza
23
Funzione di trasferimento β
Si studia per semplicità il caso in cui R1=R2=R ,
C1=C2=C
C
R
V1
R
C
V2
Rete di reazione
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Misure Elettroniche II
Generatore sinusoidale BF
Andamento in frequenza di β
V2 (ω )
V1 (ω )
⎛V ⎞
Φ⎜⎜ 2 ⎟⎟
⎝ V1 ⎠
1/3
1/6
ω0
ω
ω0
ω
90°
0°
-90°
Si trova un massimo a ω0=1/RC e |βmax|=1/3
25
Generatore sinusoidale BF
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13
Misure Elettroniche II
Generatore sinusoidale BF
Condizioni di innesco
Dalla teoria di circuiti reazionati si sa che le
condizioni di innesco si hanno per
Aβ ≥ 1 e Φ (Aβ) = 0
Nel nostro caso questo si verifica a
ω0 = 1 RC , se anche A ≥ 3
Se si chiude l’anello, eliminando il generatore
indipendente utilizzato per l’analisi, si attiva un
processo rigenerativo che, sfruttando il rumore di
fondo presente nel circuito, esalta la componente
alla pulsazione ω0
27
Innesco delle oscillazioni 1/2
Se |A|≥3, le oscillazioni
a ω0 aumentano di
ampiezza fino ad un
livello a cui interviene
la saturazione
dell’amplificatore
La riga a ω0 emerge
dal rumore
A(ω)
A(ω)
A(ω)
A(ω)
ω0
ω0
ω0
ω0
ω
ω
ω
ω
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Misure Elettroniche II
Generatore sinusoidale BF
Innesco delle oscillazioni
La selettività della rete β determina la larghezza
della riga alla pulsazione ω0
V
ω) )
V22 ((ω
))
V1((ω
V
ω
1
V
ω) )
V22 ((ω
))
V1((ω
V
ω
1
⎛⎛VV2⎞ ⎞
Φ
Φ⎜⎜⎜ 2 ⎟⎟ ⎟
⎜ 1 ⎠⎟
⎝⎝VV
1 ⎠
ω00
ω
ω
ω
ω00
ω
ω
ω
⎛⎛VV2⎞ ⎞
Φ
Φ⎜⎜⎜ 2 ⎟⎟ ⎟
⎜ 1 ⎠⎟
⎝⎝VV
1 ⎠
ω00
ω
ω
ω
ω00
ω
ω
ω
Φ
∂∂Φ
maggiore,riga
rigapiù
piùstretta
stretta
ff maggiore,
ω
∂∂ω
29
Condizioni di innesco 1/3
Il segnale a ω0 aumenta e manda in saturazione
l’operazionale
Il guadagno Ad dell’operazionale crolla e e le
oscillazioni si spengono
Vout
Saturazione dell’amplificatore Ad⇒0
t
Ad⇒∞ Innesco oscillazioni
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Misure Elettroniche II
Generatore sinusoidale BF
Condizioni di innesco 2/3
Occorre ridurre in modo automatico il guadagno
da un valore |Aβ|»1 (dell’innesco) al valore
|Aβ|≅1
Vout
Saturazione dell’amplificatore Ad⇒0
t
Ad⇒∞ Innesco oscillazioni
31
Condizioni di innesco 3/3
Con il segnale ad una ampiezza definita, si
mantiene in modo automatico |Aβ|≅1
Si ottiene un regime in cui l’ampiezza delle
oscillazioni rimane costante
Vout
Saturazione dell’amplificatore Ad⇒0
t
Ad⇒∞ Innesco oscillazioni
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Misure Elettroniche II
Generatore sinusoidale BF
Generatore sinusoidale BF
Controllo automatico sul guadagno 1/2
Il controllo automatico del guadagno è ottenuto
con controreazione mediante resistori non lineari
Le resistenze R3 e R4 variano con la temperatura
(cioè con la potenza dissipata e quindi con la
tensione ai loro capi)
Z1
V+
+
A
- d
Z2
R4
R3
Amplificatore
con guadagno A
Vout
A=
Vout R 3 + R 4
=
>> 3
V+
R4
(A = 10
o . d. g.)
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Misure Elettroniche II
Generatore sinusoidale BF
Controllo automatico sul guadagno 2/2
Per ridurre il guadagno occorre che R3 diminuisca
e/o R4 aumenti all’aumentare della tensione in
uscita
Z1
V+
+
A
- d
Vout
A=
Z2
R4
R3
Amplificatore
con guadagno A
Vout R 3 + R 4
=
>> 3
V+
R4
(A = 10
o . d. g.)
35
Innesco e condizioni di regime 1/2
Per ridurre A si può usare:
R3 resistore a coefficiente termico negativo
(termistore)
R4 resistore a coefficiente termico positivo
(metallico)
Vout
Innesco oscillazioni A≅10
t
Regime oscillazioni A≅3
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Misure Elettroniche II
Generatore sinusoidale BF
Innesco e condizioni di regime 2/2
Con l’aggiustamento automatico del guadagno
l’ampiezza delle oscillazioni si mantiene stabile
L’amplificatore funziona in linearità ⇒ sinusoide
meno distorta
Vout
Innesco oscillazioni A≅10
t
Regime oscillazioni A≅3
37
Generatore sinusoidale BF
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Misure Elettroniche II
Generatore sinusoidale BF
Limitazioni di frequenza 1/2
Frequenza inferiore dell’oscillatore è limitata da:
costante di tempo termica dei resistori non lineari
R3 e R4
per basse frequenze (periodo sinusoide ≈ costante
di tempo termica) la temperatura di R3 e R4 , e
quindi il guadagno, variano all’interno del ciclo
basse frequenze ⇒ elevati valori di R e C della
rete di Wien
scarsa accuratezza dei valori di R e C e perdite
capacitive elevate (condensatori elettrolitici)
39
Limitazioni di frequenza 2/2
Frequenza superiore dell’oscillatore è limitata da:
piccoli valori di R e soprattutto di C della rete di
Wien
scarsa accuratezza dei valori di R e C per elementi
parassiti
limiti di banda dell’amplificatore operazionale
rotazione di fase non nulla (rispetto all’ingresso +)
impedenza di uscita non piccola (partizione con la
rete di Wien)
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Misure Elettroniche II
Generatore sinusoidale BF
Regolazione di frequenza 1/2
La frequenza dell’oscillatore
f0 =
1
2πRC
può essere variata agendo
sia su R sia su C
C
R
Si può commutare C (o R)
per cambiare le gamme
R
C
Rete di Wien
41
Regolazione di frequenza 2/2
Si può variare con continuità R (o C) per variare
con continuità la frequenza nella gamma
prescelta
Occorre comunque variare insieme
le due resistenze e/o le due capacità
per mantenere i valori uguali
C
R
R
C
Rete di Wien
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Misure Elettroniche II
Generatore sinusoidale BF
Generatore sinusoidale BF
Attenuatore di uscita 1/2
Nei generatori di bassa
qualità si usa un semplice
potenziometro.
Difetti:
R0
+
Vo
la tensione di uscita
non è tarabile
l’impedenza di uscita
varia con l’ampiezza
del segnale
RP
VL
R0
Vo
+
R0
R0
+
KVo
VL
RL
Attenuazione k
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Misure Elettroniche II
Generatore sinusoidale BF
Attenuatore di uscita 2/2
Nei generatori migliori si
usa una rete attenuatrice
ad attenuazione tarata e
resistenza caratteristica
costante al variare
dell’attenuazione
R0
+
RP
Vo
VL
R0
+
Vo
R0
R0
+
VL
KVo
RL
Attenuazione k
45
Misuratore della tensione in uscita 1/2
Utilizzando una rete a resistenza caratteristica
costante si può tarare la tensione di uscita VL
misurando Vm ed essendo noto il fattore di
attenuazione K purché RL=R0
R0
Vo
+
R0
R0
Vm
Misuratore
di tensione
di uscita
+
KVm
VL
Attenuazione k
VL =
RL
KVm
RL + R 0
se
RL = R 0 ;
RL
VL =
K
Vm
2
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Generatore sinusoidale BF
Misuratore della tensione in uscita 2/2
Il fattore di taratura vale K/2
La lettura sul misuratore è corretta solo se RL=R0
Attenzione: se RL⇒∞, VL=KVm e quindi la
tensione di uscita è il doppio di quella indicata
R0
Vo
+
R0
R0
Vm
Misuratore
di tensione
di uscita
+
KVm
VL
Attenuazione k
VL =
RL
KVm
RL + R 0
se
RL = R 0 ;
RL
VL =
K
Vm
2
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Generatore sinusoidale BF
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Generatore sinusoidale BF
Testo dell’esercizio
Un generatore sinusoidale a ponte di Wien ha
uno schema di principio come in figura
Rete di reazione
R
V+
V2 R
C
+
-
C
R4
Ad
R3
Vout
Amplificatore
49
Quesito posto e soluzione 1/2
Quesito
quanto deve valere il guadagno ⏐A⏐=Vout/V+ e la
fase ∠A affinché si inneschino le oscillazioni?
Soluzione
le funzioni di trasferimento in tensione dei due
blocchi A e β sono
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Misure Elettroniche II
Generatore sinusoidale BF
Quesito posto e soluzione 2/2
la condizione di innesco è
la funzione di trasferimento β ha
occorre quindi che per l’innesco sia
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Generatore sinusoidale BF
Testo dell’esercizio
Si misura una temperatura inserendo 2 resistori
R(ϑ) uguali (resistenza funzione della
temperatura ϑ), nei rami RC di un ponte di Wien,
così da costituire un oscillatore sinusoidale
La temperatura è misurata indirettamente,
misurando, con un contatore, la frequenza
dell’oscillatore
R(ϑ) C
+A
d
-
R(ϑ)
C
R4
Contatore
numerico
R3
53
Parametri noti
Le due capacità del ponte di Wien, idealmente
uguali, valgono C=100 nF
il valore delle resistenze, da considerarsi
idealmente uguali e sottoposte alla stessa
temperatura, è R=1kΩ a 0°C
il coefficiente termico dei resistori vale
α=(∆R/R)/∆ϑ=+4×10-3/°C ed è idealmente
costante nella gamma ±100 °C
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Generatore sinusoidale BF
Quesito posto e soluzione
Determinate le caratteristiche del contatore
in modo da poter misurare una variazione di
temperatura tra ±20 °C con risoluzione di
∆ϑ=0,5 °C
Soluzione
un aumento di temperatura ∆ϑ=+0,5 °C
corrisponde ad una variazione relativa di
resistenza di
55
Variazione relativa di frequenza
essendo la frequenza di oscillazione
la variazione relativa di frequenza al variare di R
vale
un aumento di temperatura ∆ϑ=+0,5°C provoca
una riduzione assoluta di frequenza
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Variazione assoluta di frequenza
essendo la frequenza di oscillazione a 0°C
la variazione assoluta di frequenza al variare di R
vale
si richiede pertanto una risoluzione di almeno 3Hz
57
Dinamica di frequenza per ∆ϑ=±20°C
essendo la resistenza [R]-20°C=920Ω
e [R]+20°C=1080Ω
è pertanto sufficiente un contatore con massima
capacità di conteggio di 1999 Hz con risoluzione 1
Hz che, nel caso peggiore, è 3 volte migliore del
necessario
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Generatore sinusoidale BF
Generatore sinusoidale BF
Approfondimenti
I seguenti concetti devono essere meditati e
risultare chiari dallo studio della lezione:
come opera un circuito elettronico reazionato
positivamente
perché si generano oscillazioni ad una data
frequenza
come si dimensionano i vari elementi del circuito
quali parametri definiscono le caratteristiche
dell’oscillatore in frequenza ed in ampiezza del
segnale
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Sommario della lezione
Generatore sinusoidale BF
L’oscillatore a ponte di Wien
Condizioni di innesco
Controllo automatico dell’ampiezza
Caratteristiche e limiti di frequenza
Attenuatore di uscita
Dimensionamento di un oscillatore di Wien
Esercizio: termometro basato su oscillatore di Wien
Domande di riepilogo
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