Generatore BF di 3 forme d onda

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1 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 Hz Relatori (in ordine alfabetico): Francesco Casamento Davide Mangano Dario Perroni Gabriele Sidoti Maria Sidoti

2 Indice Sezione Titolo Pagina 1 Introduzione 3 2 Introduzione all elaborato 4 3 Il Generatore BF L Exar XR Il Generatore di Onda Quadra Circuiti di OffSet Il Buffer Il Mixer Il Circuito Integrato NE Il funzionamento del NE La funzione degli altri condensatori 17 4 Lo Stadio di Alimentazione 17 5 Taratura del Generatore BF Taratura del trimmer R Taratura del trimmer R Taratura del trimmer R Misure di Laboratorio Onda Triangolare Onda Sinusoidale Onda Quadra Misura sull uscita per il Frequenzimetro 31

3 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

4 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 R 21, 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

5 Elenco dei Componenti del Circuito Stampato LX 1542 Codici di Riferimento R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 R 6 R 7 R 8 R 9 R 10 R 11 R 12 R 13 R 14 R 15 R 16 R 17 R 18 R 19 R 20 R 21 R 22 R 23 R 24 R 25 R 26 R 27 C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 C 7 Descrizione dei Componenti Potenziometro lineare da Ω 1 KΩ Trimmer da 50 KΩ 10 KΩ Ω 15 KΩ 10 KΩ Trimmer da 50 KΩ Ω 220 Ω Ω Trimmer da 5 KΩ Ω 390 Ω 390 Ω 47 KΩ 120 Ω Ω 1 MΩ 15 KΩ Potenziometro lineare da Ω 470 Ω 470 Ω 1 KΩ 1 KΩ 2 KΩ 1 KΩ 10 µf non polarizzato 2,2 µf poliestere pf poliestere pf poliestere pf poliestere pf poliestere 10 µf elettrolitico C pf poliestere C pf poliestere C 10 1 µf poliestere C µf elettrolitico C pf poliestere C pf ceramico C pf ceramico C pf poliestere C pf poliestere C pf ceramico C pf ceramico C pf ceramico C pf ceramico C µf elettrolitico C µf elettrolitico C pf poliestere C pf poliestere C pf poliestere C pf poliestere C µf elettrolitico C µf elettrolitico RS 1 Ponte raddrizzatore 100 Volt 1 Ampere D 1 LED giallo IC 1 Circuito integrato XR 205 IC 2 Circuito integrato NE 5532 IC 3 Circuito integrato L 7805 IC 4 Circuito integrato L 7905 Trasformatore da 6 Watt (T006.04) T 1 secondario (8 V - 0,4 A) - (8 V 0,4 A) S 1 Commutatore 1 via 6 posizioni S 2 Commutatore 2 vie 3 posizioni S 3 Interruttore con lampada incorporata S 4 Interruttore Ponticello (Jumper) J 1 S Soffermandoci su questo secondo punto, e facendo riferimento al nostro circuito, notiamo che la frequenza di funzionamento è determinata dal condensatore C i collegato ai piedini 15-5 e 14-6, e dal valore della resistenza totale, collegata al piedino 13, R T =R 1 +R 2 +R 10 ; essa è pari a: 1 f = i=1 6. RC T i Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 5

6 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 (S 1 ) che ci permette di selezionare una delle sei capacità inserite, che coprono un intervallo di valori da un minimo di 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

7 B) Per variare la resistenza, usiamo il potenziometro lineare R 1 da Ω, collegato in serie alle resistenze R 2 ed R 10. In tal modo avremo una resistenza totale R T =R 1 +R 2 +R 10, che assumerà valori da Ω (R 1 =0 Ω) a 5920 Ω (R 1 =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 R T minimo e massimo. Capacità [F] 10 µ 2,2 µ p p Frequenza minima (R 1 =4.700 Ω) [Hz] Frequenza massima (R 1 =0 Ω) [Hz] Questi valori sono però indicativi, perché influenzati da: Stabilità della tensione dei 5+5 Volt; Tolleranza dei condensatori posti su S 2 ; Tolleranza del potenziometro R 1. Tale precarietà dei dati, nella tabella a p sinistra, può essere valutata p esaminando i dati, da noi estrapolati, nella prova di laboratorio, presenti più avanti, nella sezione Misure di Laboratorio 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

8 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 S 2. Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 8

9 Selezionando l onda sinusoidale con S 2, agiamo sul trimmer R 12, 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 R 1 da Ω. I due piedini, 14 e 15, sono collegati tramite una capacità selezionata dal commutatore S 1. Questa capacità, insieme alla resistenza data dalla serie, di R 1 +R 2 +R 10 (dove R 2 +R 10 =1,22 KΩ), ci fissa la frequenza del segnale d uscita: 1 F o = RC Dove R=R 1 +R 2 +R 10. Il piedino 2 denotato con Offset, serve, applicandovi un opportuno potenziale, a fare in modo che sull uscita TP 1, 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 Y in1 e Y in2, sono gli ingressi per la portante da modulare con la tensione in X in2. 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

10 selezionando il cursore S 2 -A sulla posizione 2 (in tal caso tra i piedini 7 ed 8 avremo la resistenza costituita dal solo valore imposto al trimmer R 12 ). 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 R 12 ed R 13 ). 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 R 12, 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 R 3. 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 X in2. L impedenza interna dell uscita vale circa 600 Ω ( V2 + V V ) Il coefficiente di distorsione armonica ( D = n dove V 1 è l ampiezza V della fondamentale e V i 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. 1 Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 10

11 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

12 Ammettendo che, inizialmente, l uscita dell operazionale AO 4 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 AO 3, 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 AO 4 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 AO 4 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 AO 3, quindi dà luogo ad una rampa, questa volta, con pendenza positiva. Il comparatore AO 4 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. Vin Ain La velocità di salita della rampa è: ν = RC dove V in è la tensione di controllo su IN, mentre A in è il guadagno degli operazionali AO 1 e AO 2, che viene fissato ad 1 mediante la rete, comprendente la resistenza R 10 ed il potenziometro V 1 ; R è la resistenza vista dal morsetto invertente di AO 3, 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

13 f = V V in rif A in R C dove V rif è la tensione di riferimento, la quale può essere variata agendo sul trimmer V 3. Una ultima annotazione: il potenziometro V 2 serve per rendere simmetrica l onda a treno di impulsi triangolari in ingresso al piedino 9 dell AO 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 R 8, che ne permette la regolazione 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 Il Mixer Il Mixer viene utilizzato per modificare in maniera opportuna la forma d onda prodotta dal VCO, può servire: per filtrare la forma d onda in ingresso; per modificare la forma dell onda; per modulare, con una opportuna modulante al piedino 4, l onda in ingresso; per modulare un segnale in FSK. Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 13

14 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 IC 2 -A e IC 2 -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 S 2 -B: 1. (S 2 -B in posizione 3) l uscita dell IC 2 -A, cioè l onda quadra amplificata una prima volta; 2. (S 2 -B in posizione 2) l onda triangolare in uscita dal piedino 11 dell IC- 1, selezionata dall S 2 -A in posizione 2; 3. (S 2 -B in posizione 1) l onda sinusoidale in uscita dal piedino 11 dell IC- 1, selezionata dall S 2 -A in posizione 1. L uscita dell IC 2 -B, prelevata dal piedino 1, è l uscita del nostro dispositivo, che può essere finalmente visualizzata 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

15 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 R 1 ed il condensatore C, è pari a : V I = S R la tensione d uscita V 0 = - ZI, Z=(R 1 1 SC ) = R1 1+ SRC V 0 = - R 1 1+ SRC V 0 = - R 1 R 1 1+ SRC V s Il diagramma di bode corrispondente ad A v = V 0 è riportato di seguito: V S Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 15

16 e dal suo studio si evince che i due integrati amplificano le tre onde generate da IC 1 e non le integrano, visto che la frequenza di polo: 1 per l integratore costituito dall OpAmp IC 2 -B, è F p = 2π R C =868 KHz ed è molto maggiore della frequenza massima di oscillazione delle tre funzioni d onda; l amplificazione del segnale al di sotto della frequenza F p è pari a 20log(R 21 /R 15 ); per la resistenza del trimmer R 21 = 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 R 21, modifichiamo l ampiezza del segnale di uscita; 1 per l integratore costituito dall OpAmp IC 2 -A è F p = 2π R C KHz, l amplificazione al di sotto di F p vale 20log(R 20 /R 16 )=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

17 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

18 punto superiore del ponte v s, raggiunge il suo valore massimo di 2 9 Volt, la tensione applicata al punto inferiore v i raggiunge il valore minimo di Volt. Il ponte in questione funge da raddrizzatore ad onda intera: quando la tensione v s è maggiore di zero, al piedino contrassegnato con + del ponte RS 1 viene ricopiata la semionda positiva di v s, 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 v i 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 v i sul piedino di RS 1 ; quando la tensione v s è minore di zero, quindi v i 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 RS 1, in questo caso infatti il diodo col catodo in + è in conduzione mentre l altro è in interdizione; similmente al caso precedente, essendo v s <0, sul piedino è riportata la semionda negativa di v s. Tra i piedini di RS 1, sono posti dei condensatori ceramici identici da pf. Essi servono ad appiattire l onda ad impulsi, uscente dai piedini + e del ponte RS 1. 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

19 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

20 5. La Taratura del Generatore BF 5.1. Taratura trimmer R 8 Il trimmer R 8 da 50 KΩ, collegato in serie alla resistenza R 7, serve per tarare l offset di IC 1, così da ottenere su TP 1 una tensione di 0 Volt in assenza di segnale generato BF. Lo Jumper J 1 serve, appunto, per impedire, in tale fase di taratura, che la tensione presente sul cursore del trimmer R 3 possa giungere sul piedino 4 dell XR-205. Ponendo i puntali di un tester su TP 1, 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 Taratura trimmer R 3 Il trimmer R 3 da 50 KΩ, collegato al Jumper J 1, 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 R 21 posto sull operazionale IC 2 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

21 5.3. Taratura trimmer R 12 Il trimmer R 12 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 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

22 Intervalli Frequenza minima [Hz] Frequenza massima [Hz] Ampiezza picco-picco [Volt] 1 15,9 71,4 3, , , ,54 K 3,24 4 1,61 K 7,1 K 3,24 5 6,88 K 30,3 K 3, ,3 K 143 K 3,09 Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 22

23 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. Intervalli Frequenza minima [Hz] Frequenza massima [Hz] Ampiezza picco-picco [Volt] 1 15,9 71,7 3, , , ,4 K 3,58 4 1,63 K 7,25 K 3,59 5 6,94 K 30,5 K 3, ,47 K 140 K 3,57 Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 23

24 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 Ampiezza piccopicco [Volt] Rise-Time [sec.] Fall-Time [sec.] Minima (15,9 Hz) 5,94 1 µ 1 µ Massima (71,4 Hz) 6,35 1 µ 780 n Intervallo 1 frequenza minima Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 24

25 Intervallo 2 Frequenza Ampiezza piccopicco [Volt] Rise-Time [sec.] Fall-Time [sec.] Minima (74,6 Hz) 5, n 990 n Massima (328 Hz) 6,38 1 µ 780 n Intervallo 2 Frequenza minima intervallo 2 Frequenza massima Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 25

26 Frequenza Minima (357,1 Hz) Massima (1,59 KHz) Intervallo 3 Ampiezza piccopicco [Volt] Rise-Time [sec.] Fall-Time [sec.] 5, n 990 n 6,38 1 µ 810 n Intervallo 3 Frequenza minima Intervallo 3 - Frequenza massima Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 26

27 Frequenza Minima (1,63 KHz) Massima (7,22 KHz) Intervallo 4 Ampiezza piccopicco [Volt] Rise-Time [sec.] Fall-Time [sec.] 5,85 1 µ 1 µ 6,38 1 µ 780 n Intervallo 4 Frequenza minima Intervallo 4 Frequenza massima Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 27

28 Frequenza Minima (6,90 KHz) Massima (30,58 KHz) Intervallo 5 Ampiezza piccopicco [Volt] Rise-Time [sec.] Fall-Time [sec.] 5,88 1 µ 970 n 6,35 1 µ 792 n Intervallo 5 Frequenza minima Intervallo 5 Frequenza massima Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 28

29 Frequenza Minima (32,47 KHz) Massima (141,4 KHz) Intervallo 6 Ampiezza piccopicco [Volt] Rise-Time [sec.] Fall-Time [sec.] 5,88 1 µ 950 n 6,38 1 µ 815 n Intervallo 6 Frequenza minima Intervallo 6 Frequenza massima Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 29

30 Tabella riassuntiva delle frequenze e Duty-Cycle Intervalli Frequenza Frequenza minima [Hz] massima [Hz] Duty-Cycle [%] 1 15,9 71,4 49,9 2 74, ,1 1,59 K ,63 K 7,22 K 49,8 5 6,90 K 30,58 K ,47 K 141,4 K 50 Dalle misure, di cui sopra, si può notare che: 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; il Duty-Cycle si mantiene abbastanza stabile, sul 50%, su tutto il range; 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; 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 1 µ 1 µ 74,6 13,4 m 980 n 990 n 357,1 2,8 m 960 n 990 n 1,63 K 613 µ 1 µ 1 µ 6,90 K 145 µ 1 µ 970 n 32,47 K 30 µ 1 µ 950 n 141,4 K 7 µ 1 µ 815 n Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 30

31 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 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 Ampiezza Manopola Frequenza Duty-Cycle piccopicco [V] Frequenza [Hz] [%] 1 al minimo 15,92 1, 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 Intervallo 1 Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 31

32 Intervallo 2 Intervallo 3 Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 32

33 Intervallo 4 Intervallo 5 Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 33

34 Intervallo 6 frequenza minima Intervallo 6 frequenza massima Francesco Casamento, Davide Mangano, Dario Perroni, Gabriele Sidoti, Maria Sidoti 34

35 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

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