Generatore BF di 3 forme d`onda
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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: Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 7 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. Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 8 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, Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 9 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. Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 10 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. Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 11 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: Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 12 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. Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 13 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. Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 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 Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 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. Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 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 Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 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. Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 18 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. Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 19 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. Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 20 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. Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 21 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 Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 22 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 Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 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 Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 24 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 Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 25 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 Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 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 Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 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 Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 28 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 Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 29 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 Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 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 Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 31 Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche Intervallo 2 Intervallo 3 Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 32 Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche Intervallo 4 Intervallo 5 Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 33 Generatore BF di 3 Forme d’Onda – Tesina di fine corso di Misure Elettroniche Intervallo 6 – frequenza minima Intervallo 6 – frequenza massima Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 34 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. Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 35
