Università degli Studi di Messina
Facoltà di Ingegneria
C.d.L. in Ingegneria Elettronica
Corso di Misure Elettroniche tenuto dal Prof. Giovanni Galli
A.A. 2002/2003
Generatore BF di 3 forme d’onda
sinusoidale, triangolare, quadra
14 ÷ 140.000 Hz
Relatori (in ordine alfabetico):
Francesco Casamento
Davide Mangano
Dario Perroni
Gabriele Sidoti
Maria Sidoti
Indice
Sezione
Titolo
1
2
3
3.1
3.1.1
3.1.2
3.1.3
3.1.4
3.2
3.2.1
3.3
4
5
5.1
5.2
5.3
6
6.1
6.2
6.3
6.4
Introduzione
Introduzione all’elaborato
Il Generatore BF
L’Exar XR-205
Il Generatore di Onda Quadra
Circuiti di OffSet
Il Buffer
Il Mixer
Il Circuito Integrato NE 5532
Il funzionamento del NE 5532
La funzione degli altri condensatori
Lo Stadio di Alimentazione
Taratura del Generatore BF
Taratura del trimmer R8
Taratura del trimmer R3
Taratura del trimmer R12
Misure di Laboratorio
Onda Triangolare
Onda Sinusoidale
Onda Quadra
Misura sull’uscita per il Frequenzimetro
Pagina
3
4
4
7
11
13
14
14
14
15
17
17
20
20
20
21
21
21
23
24
31
Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
1. Introduzione
Il dispositivo da noi sviluppato è un generatore in bassa frequenza (BF) capace di
fornire, in uscita, tre tipi di forme d’onda (sinusoidale, triangolare e quadra), in un
range di frequenza che va da una frequenza subsonica di circa 14 Hz ad una
ultrasonica di circa 140 KHz e in un range di ampiezza da 0 Volt a 6 Volt
picco/picco.
L’utilizzo di tale dispositivo si presta bene per quanto concerne il controllo o il test di
un qualsiasi circuito che lavori in bassa frequenza (un preamplificatore od uno stadio
finale di potenza, ad esempio, in campo elettroacustico).
Il nostro generatore BF può, a ragione, essere ascritto nella ampia famiglia dei
generatori di segnali.
Come generatori di segnali possiamo infatti considerare:
• gli oscillatori, che generano una forma d’onda sinusoidale;
• i generatori di segnali propriamente detti, dove la tensione sinusoidale di
uscita può essere modulata;
• i generatori di funzioni, che possono fornire altri tipi di forme d’onda, oltre
quella sinusoidale;
• i generatori di impulsi, i quali possono fornire uno od una serie di impulsi (di
tensione o di corrente);
• i generatori di sweep, che permettono una continua e rapida variazione della
frequenza in una determinata banda (usati per determinare le caratteristiche dei
dispositivi);
• i sintetizzatori, che generano segnali ad una frequenza desiderata con tecniche
digitali.
In termini più propri, quindi, il dispositivo da noi esaminato è un generatore di
funzioni.
Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti
3
Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
2. Introduzione all’elaborato
Dalla foto riportata in figura (il quale si riferisce al circuito stampato LX 1542),
notiamo che possiamo suddividere il circuito in due parti fondamentali:
◄ lo stadio di
alimentazione;
◄ ed il generatore
BF vero e
proprio.
3. Il Generatore BF
Il cuore del generatore è il circuito integrato (IC) a 16 pin siglato XR 205, costruito
dalla Exar, di cui scriviamo, dettagliatamente, più avanti.
Come detto nell’introduzione, il nostro generatore ha due importanti funzioni:
1. può variare l’ampiezza del segnale, da un minimo di 0 Volt ad un massimo di 6
Volt (picco-picco), e ciò avviene grazie al potenziometro R21, il cui
funzionamento spiegheremo più tardi;
2. può variare la frequenza della funzione, da un minimo di 14 Hz ad un massimo
di circa 140 KHz.
Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti
4
Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
Elenco dei Componenti del Circuito Stampato LX 1542
Codici di
Riferimento
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
R9
R10
R11
R12
R13
R14
R15
R16
R17
R18
R19
R20
R21
R22
R23
R24
R25
R26
R27
C1
C2
C3
C4
C5
C6
C7
S
Descrizione dei Componenti
Potenziometro lineare da 4.700 Ω
1 KΩ
Trimmer da 50 KΩ
10 KΩ
4.700 Ω
15 KΩ
10 KΩ
Trimmer da 50 KΩ
4.700 Ω
220 Ω
2.200 Ω
Trimmer da 5 KΩ
2.200 Ω
390 Ω
390 Ω
47 KΩ
120 Ω
8.200 Ω
1 MΩ
15 KΩ
Potenziometro lineare da 4.700 Ω
470 Ω
470 Ω
1 KΩ
1 KΩ
2 KΩ
1 KΩ
10 µF non polarizzato
2,2 µF poliestere
470.000 pF poliestere
100.000 pF poliestere
22.000 pF poliestere
4.700 pF poliestere
10 µF elettrolitico
C8
C9
C10
C11
C12
C13
C14
C15
C16
C17
C18
C19
C20
C21
C22
C23
C24
C25
C26
C27
C28
RS1
D1
IC1
IC2
IC3
IC4
T1
S1
S2
S3
S4
J1
100.000 pF poliestere
100.000 pF poliestere
1 µF poliestere
10 µF elettrolitico
2.200 pF poliestere
10 pF ceramico
47 pF ceramico
100.000 pF poliestere
100.000 pF poliestere
100.000 pF ceramico
100.000 pF ceramico
100.000 pF ceramico
100.000 pF ceramico
1.000 µF elettrolitico
1.000 µF elettrolitico
100.000 pF poliestere
100.000 pF poliestere
100.000 pF poliestere
100.000 pF poliestere
100 µF elettrolitico
100 µF elettrolitico
Ponte raddrizzatore 100 Volt – 1
Ampere
LED giallo
Circuito integrato XR 205
Circuito integrato NE 5532
Circuito integrato L 7805
Circuito integrato L 7905
Trasformatore da 6 Watt (T006.04)
→ secondario (8 V - 0,4 A) - (8 V –
0,4 A)
Commutatore 1 via – 6 posizioni
Commutatore 2 vie – 3 posizioni
Interruttore con lampada incorporata
Interruttore
Ponticello (Jumper)
Soffermandoci su questo secondo punto, e facendo
riferimento al nostro circuito, notiamo che la
frequenza di funzionamento è determinata dal
condensatore Ci collegato ai piedini 15-5 e 14-6, e
dal valore della resistenza totale, collegata al
piedino 13, RT=R1+R2+R10;
essa è pari a:
Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti
f =
1
R T Ci
i=1÷6
.
5
Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
Quindi per variare la frequenza di funzionamento, possiamo agire su due parametri,
la capacità e la resistenza:
A. usando capacità diverse, ci spostiamo su range di frequenza diversi;
B. variando la resistenza, sintonizziamo la frequenza voluta all’interno di un
range.
A)
Per variare la capacità usiamo un commutatore 2 vie – 6 posizioni (S1) che ci
permette di selezionare una delle sei capacità inserite, che coprono un intervallo di
valori da un minimo di 4.700 pF ad un massimo di 10 µF, valori che rientrano,
naturalmente, in quelli consigliati dal datasheet.
► E’ da notare che, in corrispondenza di ogni condensatore, vi è alloggio per porre
un condensatore in parallelo, che consente di aumentare, o diminuire, la portata di un
intervallo di frequenze. Ciò si può ritenere necessario, qualora il susseguirsi degli
intervalli 1÷6 non permette, in una prima realizzazione, di ottenere un corrispondente
susseguirsi di frequenze, in un intervallo privo di soluzioni di continuità.
Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti
6
Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
B)
Per variare la resistenza, usiamo il potenziometro lineare R1 da 4.700 Ω,
collegato in serie alle resistenze R2 ed R10.
In tal modo avremo una resistenza totale RT=R1+R2+R10, che assumerà valori da
1.220 Ω (R1=0 Ω) a 5920 Ω (R1=4.700 Ω), che, come risulta dal datasheet,
corrispondono ai valori richiesti dal dispositivo.
La tabella seguente riassume i valori di frequenza del segnale generato, al variare
della capacità, e per RT minimo e massimo.
Questi valori sono però indicativi,
Frequenza
Frequenza
Capacità
minima
massima
[F]
(R1=4.700 Ω)
(R1=0 Ω)
[Hz]
[Hz]
10 µ
14
75
2,2 µ
62
320
470.000 p
280
1.500
¾ Tolleranza del potenziometro R1.
100.000 p
1.340
7.900
Tale precarietà dei dati, nella tabella a
22.000 p
6.000
30.000
sinistra,
4.700 p
26.000
140.000
esaminando i dati, da noi estrapolati,
perché influenzati da:
¾ Stabilità della tensione dei 5+5
Volt;
¾ Tolleranza dei condensatori posti
su S2;
può
essere
valutata
nella prova di laboratorio, presenti più
avanti, nella sezione Misure di Laboratorio.
3.1. L’Exar XR-205
Il “motore” del nostro Generatore BF è l’IC a 16 pin siglato XR-205 della Exar.
E’ un generatore di forme d’onda o di funzioni, capace di produrre uscite sinusoidali
modulate in AM/FM, trovante un ampio insieme di applicazioni nella strumentazione
di misura e di laboratorio.
Schematicamente, questo integrato è formato al suo interno da:
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Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
un VCO;
un Buffer;
un Miscelatore (Mixer).
L’ XR-205 si presenta sotto la forma di un circuito integrato duale con 16 piedini
(con un package dual-line).
Si alimenta l’ IC1 con una tensione pari a ±5 Volt, sui piedini 9 e 16, che è la
tensione minima di alimentazione, applicabile a questo integrato.
All’interno dell’integrato si ha un VCO;
questo è un trasduttore tensione/frequenza.
Esso produce, in uscita, un segnale alternato di forma quadrata.
Le forme d’onda generabili sono la classica sinusoide, la triangolare e la quadra.
L’impostazione avviene utilizzando il commutatore S2.
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Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
Selezionando l’onda sinusoidale con S2, agiamo sul trimmer R12, posto tra i piedini 7
ed 8, finché si minimizza la distorsione della sinusoidale, accertandosi, sempre, che
l’onda non risulti distorta sugli altri range di frequenza.
I piedini 14, 15 e 13 sono gli ingressi del VCO.
La frequenza generata è direttamente proporzionale alla tensione continua, del
segnale in ingresso al piedino 13, che nel nostro caso varia da -5 a 0.9V, tramite il
potenziometro R1 da 4.700 Ω.
I due piedini, 14 e 15, sono collegati tramite una capacità selezionata dal
commutatore S1.
Questa capacità, insieme alla resistenza data dalla serie, di R1+R2+R10 (dove
R2+R10=1,22 KΩ), ci fissa la frequenza del segnale d’uscita:
Fo =
1
RC
Dove R=R1+R2+R10 .
Il piedino 2 denotato con Offset, serve, applicandovi un opportuno potenziale, a fare
in modo che sull’uscita TP1, si abbia una tensione di 0 Volt in assenza di segnale BF.
L’onda quadra esce dal VCO al piedino 12 (OutVCO appunto) e viene amplificata
dallo stadio integratore, costituito da un operazionale più a valle; tale uscita provvede
ad un’onda quadra avente un duty cycle (o fattore di utilizzazione, definito come il
rapporto tra la larghezza degli impulsi ed il loro periodo) del 50%;
I piedini 5 e 6, denotati rispettivamente con Yin1 e Yin2, sono gli ingressi per la portante
da modulare con la tensione in Xin2. Dallo schema del circuito si vede che essi sono
collegati ai piedini 14 e 15, dello stesso XR-205. Tali ingressi sono quelli ai quali è
collegata la opportuna capacità. Come si può vedere nella sezione seguente, ai capi di
tali condensatori si ha proprio una onda triangolare. Quindi su 5 e 6 abbiamo già una
onda triangolare, la quale all’interno del Mixer viene modulata, o filtrata in maniera
da ottenere la forma sinusoidale. L’onda triangolare si ha, in uscita sul piedino 11,
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Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
selezionando il cursore S2-A sulla posizione 2 (in tal caso tra i piedini 7 ed 8 avremo
la resistenza costituita dal solo valore imposto al trimmer R12).
Selezionando il cursore sulla posizione 1, otteniamo invece l’onda sinusoidale, in
uscita sempre dal piedino 11, ricavata da quella triangolare tramite circuiti attivi
comprendenti reti RC (in questo caso, infatti il circuito attivo si trova a lavorare in
una diversa regione di funzionamento, dovuta al variare della resistenza tra i piedini 7
ed 8, che, in questo caso, diventa il parallelo tra R12 ed R13).
Chiaramente la sinusoide ottenuta non sarà perfetta, perchè ottenuta dall’onda
triangolare.
Per perfezionare la qualità dell’onda si agisce su due fattori:
1. la sinusoide viene fatta passare in uno stadio a transistor che l’ amplifica
prima di attraversare un Buffer, la cui uscita è riportata al piedino 11 (STO:
Sine and Triangle Output).
2. agendo sul trimmer R12, linearizziamo i due tratti esponenziali crescenti e
decrescenti fino ad ottenere un’onda sinusoidale il più possibile simmetrica.
L’ampiezza del segnale, triangolare o sinusoidale, in uscita al piedino 11, viene
regolata dal potenziometro R3. Quest’ultimo serve a settare il voltaggio al piedino 4.
Infatti l’ampiezza di uscita varia linearmente con la tensione di modulazione
applicata all’ingresso AM, denotato appunto al piedino 4 con Xin2.
L’impedenza interna dell’uscita vale circa 600 Ω.
Il coefficiente di distorsione armonica ( D =
(V2 2 + V32 + ... + Vn 2 )
dove V1 è l’ampiezza
V1
della fondamentale e Vi è l’ampiezza della i-esima armonica) della sinusoide, è meno
dello 0,01 per frequenze che vanno dai 10 Hz ai 10 KHz, meno dello 0,03 per le
rimanenti frequenze del range a nostra disposizione.
→ Esaminiamo ora in dettaglio le parti principali dell’integrato.
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Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
3.1.1. Il VCO
Il VCO (Oscillatore controllato in tensione) è un oscillatore che ha la caratteristica di
permettere la variazione della frequenza di oscillazione in funzione della tensione di
controllo e, nel nostro caso, ci permette di ottenere in uscita l’onda quadra e di
prelevare l’onda triangolare ai capi dell’AO3 sui piedini 8 e 9 (14 e 15 dell’XR-205).
Il VCO è un convertitore V/F, cioè trasforma un segnale analogico (tensione
continua) in una forma d’onda periodica con frequenza proporzionale all’ampiezza
del segnale analogico (appunto la tensione).
Il seguente circuito mostra, schematicamente, come è costituito un V/F.
Come si può vedere il convertitore è realizzato impiegando amplificatori operazionali
ed interruttori analogici (comandati da tensioni):
interruttore a normalmente chiuso;
interruttore b normalmente aperto;
interruttore c normalmente aperto;
interruttore d normalmente chiuso.
L’ingresso IN è costituito dalla tensione continua.
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Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
Ammettendo che, inizialmente, l’uscita dell’operazionale AO4 sia 0 Volt, abbiamo
l’interruttore a chiuso, b e c aperti, d chiuso. In tale configurazione il segnale di
tensione continua in IN viene amplificato in modo non-invertente, e applicato in
ingresso all’operazionale AO3, che è in una configurazione da integratore invertente.
L’integrazione dà pertanto una uscita, al nodo 4, che risulta una rampa con pendenza
negativa. Si può vedere che tale uscita rappresenta l’ingresso dell’operazionale AO4
che, in questa semplice configurazione, rappresenta un comparatore: non appena il
valore della rampa scende al di sotto della tensione di riferimento, che è in questo
primo caso, -V, l’uscita di AO4 passa al valore +V.
Quando il segnale in OUT vale +V, gli interruttori cambiano il loro stato: a aperto, b
e c chiusi, d aperto. In tale configurazione il segnale in IN viene amplificato in
modalità invertente e portato sull’ingresso 9 dell’AO3, quindi dà luogo ad una rampa,
questa volta, con pendenza positiva. Il comparatore AO4 si troverà a confrontare tale
rampa con la nuova tensione di riferimento: 0 Volt. Pertanto quando la rampa
assumerà valori al di sopra dei 0 Volt l’OUT ricommuterà sugli 0 Volt.
Questo è ciò che avviene in un periodo, quindi l’onda in uscita è un treno di impulsi,
sostanzialmente un segnale digitale di clock.
Di norma, infatti, si sceglie un’onda di questo tipo (o un’onda quadra), per le
semplificazioni di progetto, e per il campo di frequenze, che è piuttosto ampio.
La velocità di salita della rampa è:
ν=
Vin Ain
RC
dove Vin è la tensione di controllo su IN, mentre Ain è il guadagno degli operazionali
AO1 e AO2, che viene fissato ad 1 mediante la rete, comprendente la resistenza R10 ed
il potenziometro V1; R è la resistenza vista dal morsetto invertente di AO3, C è la
capacità sull’anello di retroazione.
Con qualche semplice calcolo si evince la frequenza del treno di impulsi generato:
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Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
f =
V in
V r if
A in
R C
dove Vrif è la tensione di riferimento, la quale può essere variata agendo sul trimmer
V3.
Una ultima annotazione: il potenziometro V2 serve per rendere simmetrica l’onda a
treno di impulsi triangolari in ingresso al piedino 9 dell’AO3.
3.1.2. Circuiti di OffSet
Hanno la funzione di traslare il livello del segnale di una quantità prefissata.
Nel nostro caso sfruttiamo il Buffer presente nell’XR-205, che ha pin d’ingresso 10
al quale viene applicata una rete di resistenze, tra le quali c’è anche il trimmer R8, che
ne permette la regolazione.
3.1.3. Il Buffer
Il Buffer è impiegato come circuito ad alta impedenza d’ingresso.
Fa si che il segnale generato dal VCO non subisca distorsioni (le quali si manifestano
se l’uscita del VCO fosse direttamente caricata dal circuito a valle dell’XR-205) che
ne condizionerebbero le caratteristiche.
L’uscita del Buffer, analogica, è funzione della grandezza, i cui valori sono da
acquisire.
3.1.4. Il Mixer
Il Mixer viene utilizzato per modificare in maniera opportuna la forma d’onda
prodotta dal VCO, può servire:
9 per filtrare la forma d’onda in ingresso;
9 per modificare la forma dell’onda;
9 per modulare, con una opportuna modulante al piedino 4, l’onda in ingresso;
9 per modulare un segnale in FSK.
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Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
3.2. Il Circuito Integrato NE 5532
Una volta generate, le forme d’onda
devono
essere
perfezionate
a
causa
dell’inevitabile rumore presente.
Otteniamo ciò tramite l’integrato NE
5532, un amplificatore operazionale duale
a basso rumore.
L’integrato NE 5532 è composto da due
amplificatori operazionali che chiamiamo
IC2-A e IC2-B.
A. Il primo ha come ingresso al
piedino 5 la sola onda quadra;
B. mentre il secondo ha in ingresso, al piedino 2, a seconda della posizione del
selettore S2-B:
1. (S2-B in posizione 3) l’uscita dell’IC2-A, cioè l’onda quadra amplificata
una prima volta;
2. (S2-B in posizione 2) l’onda triangolare in uscita dal piedino 11 dell’IC1, selezionata dall’S2-A in posizione 2;
3. (S2-B in posizione 1) l’onda sinusoidale in uscita dal piedino 11 dell’IC1, selezionata dall’S2-A in posizione 1.
L’uscita dell’IC2-B, prelevata dal piedino 1, è l’uscita del nostro dispositivo, che può
essere finalmente visualizzata.
3.2.1. Il Funzionamento del NE 5532
Questo integrato è costituito da due amplificatori operazionali da noi utilizzati in
configurazione di tipo integratore, di cui ora spieghiamo il funzionamento.
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14
Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
I due OpAmp in tale configurazione ci daranno soltanto amplificazione del segnale,
ed attenuazione dei disturbi ad alte frequenze, prima che il segnale fuoriesca dal
generatore.
In generale un circuito integratore è composto nel seguente modo:
Per il principio del cortocircuito virtuale V+=V- per cui è come se l’ingresso
invertente fosse connesso a massa.
La corrente I che circola sulla resistenza R e sull’impedenza Z, formata dal parallelo
tra la resistenza R1 ed il condensatore C, è pari a :
I=
la tensione d’uscita
VS
R
V0= - ZI ,
Z=(R1 ⁄⁄
V0= V0 = -
R1
1
)=
SC
1 + SRC
R1
1 + SRC
R1
1
Vs
R 1 + SRC
Il diagramma di bode corrispondente ad Av =
V0
è riportato di seguito:
VS
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15
Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
e dal suo studio si evince che i due integrati amplificano le tre onde generate da IC1 e
non le integrano, visto che la frequenza di polo:
• per l’integratore costituito dall’OpAmp IC2-B, è Fp=
1
=868 KHz ed è
2π R15C14
molto maggiore della frequenza massima di oscillazione delle tre funzioni
d’onda; l’amplificazione del segnale al di sotto della frequenza Fp è pari a
20log(R21/R15);
per la resistenza del trimmer R21 = 4.700 Ω, si hanno circa 22 dB di
amplificazione, che è il valore massimo ottenibile; questo valore ci dà
l’ampiezza massima della nostra onda;
variando il valore del trimmer R21, modifichiamo l’ampiezza del segnale di
uscita;
• per l’integratore costituito dall’OpAmp IC2-A è Fp=
1
≈339 KHz,
2π R16C13
l’amplificazione al di sotto di Fp vale 20log(R20/R16)=20log1=0 dB → il
guadagno è unitario, pertanto questo integratore si comporta da Buffer, come è
da aspettarci, visto che l’uscita al piedino 12 dell’IC-1 è quella diretta del
VCO, e non è bufferizzata;
quindi, il tratto a -20 dB/decade, dove avviene l’integrazione, in ambedue i casi, è più
avanti in frequenza, e non interessa le nostre frequenze di funzionamento.
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16
Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
3.3. La funzione degli altri condensatori
Tutti i rimanenti condensatori servono da filtro, sull’alimentazione dei vari
componenti, per le eventuali componenti di disturbo sulla linea di alimentazione.
Per valutare le frequenze di taglio basta considerare la capacità del condensatore in
questione e la resistenza vista ai suoi capi, utilizzando la consueta formula
f=1/(2πRC).
4. Lo Stadio di Alimentazione
Per alimentare il Generatore BF è necessaria una tensione duale di 5+5 Volt.
Lo stadio di alimentazione, di cui ne segue il circuito, è composto da una rete
stabilizzatrice con alla base gli IC L7805 per il ramo positivo e L7905 per quello
negativo.
Il circuito a monte della parte comprendente gli IC stabilizzatori, è composto da un
trasformatore, che porta i 230 Volt della tensione efficace di rete ai 9 Volt efficaci ai
capi dei due rami simmetrici del secondario con presa centrale.
La tensione del secondario viene portata ai capi di un ponte raddrizzatore a diodi, la
tensione proveniente dal secondario inferiore è sfasata in opposizione di fase rispetto
a quella proveniente dal secondario superiore. Quindi quando la tensione applicata al
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17
Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
punto superiore del ponte vs, raggiunge il suo valore massimo di
2 × 9 Volt, la
tensione applicata al punto inferiore vi raggiunge il valore minimo di - 2 × 9 Volt.
Il ponte in questione funge da raddrizzatore ad onda intera:
z quando la tensione vs è maggiore di zero, al piedino contrassegnato con + del
ponte RS1 viene “ricopiata” la semionda positiva di vs, essendoci, nella parte
superiore del ponte, un diodo in conduzione (quello col catodo verso +) e
l’altro in interdizione (quello contrassegnato con -);
in questo caso vi è minore di zero e manda in conduzione, della parte inferiore
del ponte, il diodo con l’anodo in -, ed in interdizione l’altro, riportando la
semionda negativa di vi sul piedino – di RS1;
z quando la tensione vs è minore di zero, quindi vi è maggiore di zero,
quest’ultima è applicata al piedino inferiore (con l’orientamento dello schema
di cui sopra) e viene riportata sul piedino + del ponte RS1, in questo caso
infatti il diodo col catodo in + è in conduzione mentre l’altro è in interdizione;
similmente al caso precedente, essendo vs<0, sul piedino – è riportata la
semionda negativa di vs.
Tra i piedini di RS1, sono posti dei condensatori ceramici identici da 100.000 pF.
Essi servono ad “appiattire” l’onda ad impulsi, uscente dai piedini + e – del ponte
RS1. Infatti dopo il picco raggiunto in corrispondenza della massima ampiezza
dell’onda ad impulsi, il condensatore condiziona la tensione ai suoi capi con la nota
legge di scarica fino al successivo picco, facendo in maniera che i picchi stessi siano
collegati da tratti esponenziali.
Il valore delle capacità è scelto in maniera tale da ottenere un fattore di ripple
(definito come il rapporto tra il valore efficace della tensione di ondulazione ed il
valore medio della tensione di uscita) abbastanza piccolo.
Fino a questo stadio abbiamo l’erogazione di una tensione oscillante, con un fattore
di ondulazione o fattore di ripple, ancora percettibile.
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Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
La parte stabilizzatrice, comprendente i due IC, ha proprio il compito di ridurre
sensibilmente il ripple, e di rendere indipendente il valore della tensione erogata dal
carico a valle dell’alimentatore.
I condensatori in ingresso ed in uscita agli IC (L7805 e L7905) servono a diminuire
ancora più efficacemente l’ondulazione residua, e ad immunizzare l’alimentazione da
disturbi sulla linea di rete.
Le serie 7800 e 7900 prevedono IC a tre piedini, con:
• una limitazione interna di corrente;
• la auto-protezione da surriscaldamenti;
• una superficie di contatto atta a migliorare la dissipazione termica.
Con un opportuno scambiatore di calore, che può semplicemente essere costituito da
una superficie alettata, si può erogare una corrente al di sopra di 1 A.
Con una tensione di ingresso la cui ampiezza massima può variare dai 7 Volt ai 25
Volt, si ottiene una tensione di uscita, il cui valore può “oscillare” tra i 4,65 e i 5,35
Volt.
Il picco di corrente con i terminali di uscita cortocircuitati vale 3,3 A.
Il nostro stadio di alimentazione prevede altresì di poter alimentare una utenza
supplementare, quale un apposito frequenzimetro, che può costituire un valido
miglioramento per la facilità di utilizzo del nostro dispositivo.
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Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
5. La Taratura del Generatore BF
5.1. Taratura trimmer R8
Il trimmer R8 da 50 KΩ, collegato in serie alla resistenza R7, serve per tarare l’offset
di IC1, così da ottenere su TP1 una tensione di 0 Volt in assenza di segnale generato
BF.
Lo Jumper J1 serve, appunto, per impedire, in tale fase di taratura, che la tensione
presente sul cursore del trimmer R3 possa giungere sul piedino 4 dell’XR-205.
Ponendo i puntali di un tester su TP1, si può avvertire a quale regolazione del
trimmer corrisponde la tensione di 0 Volt in uscita.
Dopo aver regolato l’offset, si ripone il ponticello nella sua posizione ordinaria.
5.2. Taratura trimmer R3
Il trimmer R3 da 50 KΩ, collegato al Jumper J1, serve a tarare il valore massimo del
segnale che è possibile prelevare in uscita al piedino 10 o 11.
Inizialmente si regola la manopola del trimmer R21 posto sull’operazionale IC2 alla
sua resistenza massima, in modo da ottenere in uscita il massimo segnale BF.
A questo punto, per misurare il valore massimo voluto, si può collegare un
oscilloscopio all’uscita del generatore, sul quale abbiamo selezionato l’onda
sinusoidale. Il trimmer và regolato in modo tale che l’onda in uscita assuma un valore
di 6 Volt picco-picco, circa.
Con questa taratura può verificarsi che l’onda in uscita si discosti da una sinusoide in
maniera percettibile, ma ciò è momentaneo, poiché bisogna ancora operare un’ ultima
taratura.
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Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
5.3. Taratura trimmer R12
Il trimmer R12 da 5 KΩ, posto tra i piedini 7 e 8 dell’XR-205, serve per linearizzare
la forma dell’onda sinusoidale. Pertanto, dopo aver collegato un oscilloscopio
all’uscita, si regolerà il trimmer finchè non apparirà una onda sinusoidale il più
possibile simmetrica.
6. Le Misure di Laboratorio
Abbiamo effettuato le misure di laboratorio riferendoci ai parametri caratterizzanti
ogni forma d’onda. Tutte le misure sono state fatte con la manopola d’ampiezza al
massimo.
6.1. Onda Triangolare
Per quanto riguarda l’onda triangolare abbiamo misurato le frequenze massima e
minima, in ogni intervallo, ed il valore di ampiezza picco-picco massima, la minima è
zero.
Le misure effettuate sono riportate di seguito in tabella, ed è inoltre visualizzato lo
screenshoot ottenuto dall’oscilloscopio digitale utilizzato.
Si può notare una diminuizione della ampiezza picco-picco man mano che ci
avviciniamo al limite superiore delle frequenze riproducibili.
Ciò può essere ascritto al comportamento passa-basso degli amplificatori utilizzati.
Nessuna distorsione di sorta abbiamo riscontrato nella forma d’onda in uscita.
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Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
Frequenza
Frequenza
Ampiezza
minima
massima
picco-picco
[Hz]
[Hz]
[Volt]
1
15,9
71,4
3,25
2
74,2
328
3,24
3
357
1,54 K
3,24
4
1,61 K
7,1 K
3,24
5
6,88 K
30,3 K
3,20
6
32,3 K
143 K
3,09
Intervalli
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Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
6.2. Onda Sinusoidale
Per l’onda sinusoidale abbiamo prestato attenzione agli stessi parametri riguardanti la
triangolare.
Abbiamo riscontrato una quasi impercettibile variazione dell’ampiezza con
l’aumentare della frequenza, probabilmente ciò è dovuto al fatto che l’onda
triangolare ha un contenuto di armoniche ad alta frequenza.
Frequenza
Frequenza
Ampiezza
minima
massima
picco-picco
[Hz]
[Hz]
[Volt]
1
15,9
71,7
3,58
2
74,6
333
3,58
3
357
1,4 K
3,58
4
1,63 K
7,25 K
3,59
5
6,94 K
30,5 K
3,59
6
32,47 K
140 K
3,57
Intervalli
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23
Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
6.3. Onda Quadra
Per quanto riguarda l’onda quadra, invece, le nostre misure si sono orientate verso un
numero maggiore di parametri che caratterizzano proprio l’onda in questione.
Oltre le frequenze minima e massima, in ogni intervallo, ed all’ampiezza picco-picco,
abbiamo misurato quest’ultima al variare della frequenza, il duty-cycle, il Rise ed il
Fall Time, alle frequenze limite di ogni intervallo.
Intervallo 1
Frequenza
Minima (15,9 Hz)
Massima (71,4
Hz)
Ampiezza picco-
Rise-Time [sec.]
Fall-Time [sec.]
5,94
1µ
1µ
6,35
1µ
780 n
picco [Volt]
Intervallo 1 – frequenza minima
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Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
Intervallo 2
Frequenza
Ampiezza piccopicco [Volt]
Rise-Time [sec.]
Fall-Time [sec.]
Minima (74,6 Hz)
5,88
980 n
990 n
Massima (328 Hz)
6,38
1µ
780 n
Intervallo 2 – Frequenza minima
intervallo 2 – Frequenza massima
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Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
Intervallo 3
Frequenza
Minima (357,1
Hz)
Massima (1,59
KHz)
Ampiezza picco-
Rise-Time [sec.]
Fall-Time [sec.]
5,88
960 n
990 n
6,38
1µ
810 n
picco [Volt]
Intervallo 3 – Frequenza minima
Intervallo 3 - Frequenza massima
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26
Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
Intervallo 4
Frequenza
Minima (1,63
KHz)
Massima (7,22
KHz)
Ampiezza picco-
Rise-Time [sec.]
Fall-Time [sec.]
5,85
1µ
1µ
6,38
1µ
780 n
picco [Volt]
Intervallo 4 – Frequenza minima
Intervallo 4 – Frequenza massima
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27
Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
Intervallo 5
Frequenza
Minima (6,90
KHz)
Massima (30,58
KHz)
Ampiezza picco-
Rise-Time [sec.]
Fall-Time [sec.]
5,88
1µ
970 n
6,35
1µ
792 n
picco [Volt]
Intervallo 5 – Frequenza minima
Intervallo 5 – Frequenza massima
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Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
Intervallo 6
Frequenza
Minima (32,47
KHz)
Massima (141,4
KHz)
Ampiezza picco-
Rise-Time [sec.]
Fall-Time [sec.]
5,88
1µ
950 n
6,38
1µ
815 n
picco [Volt]
Intervallo 6 – Frequenza minima
Intervallo 6 – Frequenza massima
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Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
Tabella riassuntiva delle frequenze e Duty-Cycle
Frequenza
Frequenza
minima [Hz]
massima [Hz]
1
15,9
71,4
49,9
2
74,6
328
50
3
357,1
1,59 K
51
4
1,63 K
7,22 K
49,8
5
6,90 K
30,58 K
50
6
32,47 K
141,4 K
50
Intervalli
Duty-Cycle [%]
Dalle misure, di cui sopra, si può notare che:
9 l’ampiezza varia all’interno di un intervallo, in maniera sensibile tra la minima
e la massima frequenza; in particolare l’ampiezza aumenta con l’aumentare
della frequenza;
9 il Duty-Cycle si mantiene abbastanza stabile, sul 50%, su tutto il range;
9 con l’aumentare della frequenza l’onda quadra diviene sempre meno perfetta;
questo effetto è più vistoso nell’intervallo 6, tra la minima e la massima
frequenza riproducibili;
9 più aumenta la frequenza, più diminuiscono il rise ed il fall time, ma è più
significativo confrontare questi dati col valore del periodo dell’onda
corrispondente:
Frequenza [Hz]
Periodo [sec.]
Rise-Time [sec.]
Fall-Time [sec.]
15,9
62,9 m
1µ
1µ
74,6
13,4 m
980 n
990 n
357,1
2,8 m
960 n
990 n
1,63 K
613 µ
1µ
1µ
6,90 K
145 µ
1µ
970 n
32,47 K
30 µ
1µ
950 n
141,4 K
7µ
1µ
815 n
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30
Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
Il fall ed il rise time diminuiscono con la frequenza, ma bisogna rapportarli con
la durata del periodo corrispondente → il periodo diminuisce più velocemente
dei tempi di salita e di discesa.
6.4. Misura sull’uscita per il Frequenzimetro
Abbiamo, inoltre, effettuato delle misure sull’onda in uscita dalla presa BNC, utile
per attaccare un frequenzimetro.
Ricordiamo che detta onda, dopo gli stadi di attenuazione, proviene direttamente dal
VCO dell’XR-205.
Intervallo
Manopola Frequenza
Ampiezza
picco-
Duty-Cycle
Frequenza
[Hz]
1
al minimo
15,92
1,025
50
2
al minimo
74,1
1,013
50,2
3
al minimo
355,9
1,013
50,4
4
al minimo
1,621 K
1,013
50,3
5
al minimo
6,90 K
1,013
50,3
6
al minimo
32,41 K
1,013
50,3
6
al minimo
140,8 K
1,113
50,3
picco [V]
[%]
Intervallo 1
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31
Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
Intervallo 2
Intervallo 3
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Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
Intervallo 4
Intervallo 5
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Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
Intervallo 6 – frequenza minima
Intervallo 6 – frequenza massima
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Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche
Nota
Per la misura del Fall-Time e del Rise-Time dell’onda quadra generata, abbiamo
optato per l’opzione”manuale”, anche se l’oscilloscopio digitale a nostra disposizione
è capace di calcolarli automaticamente.
Abbiamo proceduto nel seguente modo:
1. abbiamo espanso l’asse orizzontale, in maniera da evidenziare”visivamente”il
fronte di salita (rise edge);
2. abbiamo utilizzato i cursori, verticale ed orizzontale, a disposizione
nell’oscilloscopio;
3. abbiamo misurato, con i cursori orizzontali, il valore picco-picco;
4. abbiamo valutato, in base al punto 3, il 10% ed il 90% del valore picco-picco;
5. calcolati questi valori, abbiamo posizionato i cursori orizzontali in
corrispondenza dei punti del fronte di salita, corrispondenti a tali valori;
6. con i cursori verticali abbiamo individuato sull’asse dei tempi tali punti;
7. quindi, abbiamo potuto misurare il tempo di salita dal 10% al 90%.
( Volts per divisione: 1.00V )
Tale Screenshoot si riferisce alla misura a 15,9 Hz di pagina 24.
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