Analisi dei segnali. Strumenti per l'analisi dei segnali: Distorsiometro. Analizzatore d'onda. Analizzatore di spettro. Analizzatore d'onda.

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1 Analisi dei segnali. Dominio del tempo e della frequenza. Teorema di Fourier e analisi armonica. Spettro di un segnale. Spettro di forme d'onda elementari. Spettro di un impulso. Spettro di segnali non periodici. Trasformata di Fourier. DSP Strumenti per l'analisi dei segnali: Distorsiometro. Analizzatore d'onda. Analizzatore di spettro. Analizzatore d'onda. Voltmetro selettivo sintonizzabile. Che cosa è un voltmetro. Voltmetro elettronico. Alta impedenza. Risposta in frequenza Cosa significa selettivo Circuito risonante; Q del circuito, perdite, selettività Filtri ceramici; Filtri a quarzo. Circuito selettivo sintonizzabile. Conversione di frequenza. Modulatore bilanciato ANAONDA - 1 -

2 Analizzatore d'onda. (da Giometti - Frascari pag. 580) Lo strumento da noi utilizzato per l'analisi dei segnali è l'analizzatore d'onda. L'analizzatore d'onda è uno strumento in grado di misurare il valore efficace di ciascuna delle armoniche che compongono una forma d'onda. Il suo funzionamento è basato su un voltmetro selettivo, ovvero un voltmetro che misura l'ampiezza (in valore efficace) dei segnali contenuti in una banda di frequenza molto ristretta (pochi Hz), nell'intorno di una frequenza determinata dall'operatore. Si può quindi sintonizzare lo strumento su una frequenza e questo misura il valore efficace di tensione a quella frequenza del segnale in ingresso. Visto il tipo di misure che l'analizzatore ci consente di fare, si può intuire che lo strumento deve poter lavorare su una vasta gamma di frequenze ed inoltre deve contenere un sistema di filtraggio molto selettivo su tutta la banda. Un modo per ottenere le condizioni sopra esposte con buona linearità è il sistema eterodina. Questo metodo sfrutta la conversione di frequenza: il segnale da misurare (dopo essere stato oppurtunamente adattato dai circuiti di ingresso) è applicato a un mixer (in questo caso un modulatore bilanciato) al quale è applicato anche un segnale generato da un oscillatore a frequenza variabile; in uscita dal mixer si hanno diverse componenti a frequenza somma e frequenza differenza di quelle in ingresso. Ora variando la frequenza generata all'oscillatore locale verrà convertita una armonica del segnale in misura in modo che la componente a frequenza differenza in uscita sia ad una frequenza fissa sulla quale sono accordati i circuiti successivi.viene considerata la componente a frequenza differenza per motivi pratici (selettività dei filtri). Con questo metodo si riesce a misurare il valore di tensione di una qualsiasi armonica del segnale in ingresso (variando la frequenza dell'oscillatore locale). In qusto modo si ha il vantaggio che il filtro posto in uscita al mixer è acordato su un unica frequenza potendo ottenere una selettività maggiore senza problemi di linearità (su tutto il campo di frequenze) la stessa considerazione vale anche per i blocchi successivi indicati nello schema 1. Blocchi costituenti l'analizzatore d'onda. - Circuiti di ingresso. Questi consentono di portare il segnale ad una frequenza adeguata per il corretto funzionamento dei circuiti successivi. - Miscelatore: è in pratica un modulatore bilanciato costituito da due traslatori e quattro diodi. In ingresso sono presenti : il segnale da misurare e una portante sinusoidale generata da un oscillatore locale. Per il corretto funzionamento di questo circuito devono essere rispettate due condizioni : fp >> fm Vp = 7-8 Vm In questo circuito la portante pilota la polarizzazione dei diodi per questo motivo l'ampiezza della portante deve essere maggiore dell'ampiezza del segnale di misura in modo che quest'ultimo non interferisca sulla polarizzazione dei diodi. Il segale di uscita può essere pensato come il prodotto tra un segnale ad onda quadra di ampiezza massima unitaria e frequenza pari a quella della portante, e il segnale di misura. Sviluppando i calcoli, ricordando ANAONDA - 2 -

3 la scomposizione di Fourier si ottiene che il segnale in uscita è composto da infinite bande laterali derivanti da una modulazione d'ampiezza a portante soppressa (a frequenza fp + fm). - Filtro a quarzo. E' un filtro particolarmente selettivo, perchè lo strumento deve poter misurare la sola frequenza selezionata. - Amplificatore selettivo: in pratica serve per dare sufficiente ampiezza al segnale che pilota il voltmetro a valore efficace. Esercizazioni: 1. Analisi armonica delle dorme d'onda elementari. La misura è stata effetuata su forme d'onda non sinusoidali ottenute da circuiti formatori. Le forme d'onda esaminate sono: - triangolare - quadra - dente di sega Come si può vedere dalla fig.1 l'onda tringolare e quella quadra sono composte da armoniche di ordine dispari mentre il dente di sega comprende tutte le armoniche. E' da notare inoltre che le armoniche sono sempre di ampiezza decrescente rispetto alla fondamentale. Pratica della misura. Dopo aver collegato gli strumenti secondo lo schema di fig.2 siamo passati alla rilevazione dei valori delle armoniche di ogni segnale. Per prima cosa abbiamo prelevato la forma d'onda dal circuito formatore.il segnale lo abbiamo visualizzato sull'oscilloscopio per valutare il periodo e quindi ricavare la frequenza (f=1/t) al fine di calibrare l'analizzatore d'onda: si impostava il selettore delle frequenze alla frequenza precedentemente ricavata e si variava il calbratore (partendo da zero) fino a che il voltmetro non indicava un valore di tensione (corrispondente a quello della fondamentale). Per trovare il valore della frequenza e della ampiezza delle successive armoniche bastava variare la frequenza (dell'oscillatore locale interno allo strumento) con l'apposito selettore fino a quando il voltmetro non visualizzava un valore di tensione (corrispondente a quello della successiva armonica). Questo procedimento è stato ripetuto per tutti i segnali in esame. Altri comandi dello strumento Nella rilevazione dei dati sono stati utilizzati i seguenti comandi : - selezione della portata massima (MAX INPUT) dello strumento, in base all'ampiezza del segnale in ingresso.per tutta la durata della misura non è stata più variata questa impostazione. - selezione della portata del voltmetro tenendo presente il valore delle ampiezze ipotizzate teoricamente. - opzione AFC che consente allo strumento di sintonizzarsi esattamente sulla frequenza dove era presente il valore massimo di tensione senza oscillazione dell'ago del voltmetro; su questo abbiamo agito dopo aver individuato il valore di frequenza per il quale si aveva una indicazione da parte del voltmetro (difficilmente visualizzabile manualmente, causa l'elevata selettività). Risultati ottenuti. I risultati ottenuti qui allegati dimostrano la validità della misura, soprattutto se confrontati con quelli ipotizzati teoricamente. ANAONDA - 3 -

4 Laboratorio di Elettronica Esercitazioni classi quinte 1. Analizzatore d'onda. Misure su forme d'onda non sinusoidali. 1. Scopo dell'esercitazione. Verificare sperimentalmente le nozioni teoriche riguardanti lo sviluppo in serie di Fourier. Apprendere l'impiego dell'analizzatore d'onda. 2. Oggetto della misura. Forme d onda triangolari e quadre prodotte dal Generatore di funzioni Wavetek Strumenti utilizzati. Analizzatore d'onda Marconi TF 2330 Oscilloscopio Hameg HM 312 Generatore di funzioni Wavetek 188 Cassetta di resistenze. 4. Metodo. Effettuare la calibrazione dell'analizzatore d'onda Marconi TF 2330 secondo le modalità che sono state indicate. Si predisponga il generatore di funzioni per generare una forma d'onda rettangolare di frequenza 1 KHz. Visualizzare all'oscilloscopio la forma d'onda generata e misurarne l'ampiezza e la frequenza. Applicare la forma d'onda quadra all'ingresso dell'analizzatore d'onda, dopo avere opportunamente regolato l'attenuatore di ingresso (Max Input). Visualizzare mediante l'oscilloscopio (Canale 2) anche l'uscita dell'analizzatore d'onda. Determinare l'ampiezza della fondamentale e delle varie armoniche significative. 5. Risultati della misura. Si riporti su un grafico lo spettro dell'onda rettangolare e dell'onda triangolare. 6. Osservazioni in merito ai risultati ottenuti. Si confrontino i valori teoricamente calcolati (vedi formule dei coefficienti di Fourier riportate sul Giometti Frascari a pag. 573, 574) con i risultati ottenuti sperimentalmente. ANAONDA - 4 -

5 Laboratorio di Elettronica Esercitazioni classi quinte 2. Analizzatore di spettro. Misure su forme d'onda non sinusoidali. 1. Scopo dell'esercitazione. Apprendere l'impiego dell'analizzatore di spettro. Verificare sperimentalmente le nozioni teoriche riguardanti lo sviluppo in serie di Fourier. 2. Oggetto della misura. Impulsi rettangolari generati dal generatore di impulsi 3. Strumenti utilizzati. Generatore di impulsi Wavetek 802 Attenuatore HP Oscilloscopio Hameg HM 312 Analizzatore di Spettro HP 8557A 4. Metodo. Poichè l'analizzatore di Spettro non accetta all'ingresso segnali maggiori di 2,2V, si utilizzi l'attenuatore e si verifichi l'ampiezza della forma d'onda in esame. Non si modifichi mai durante la misura la posizione dell'attenuatore. Si analizzi lo spettro di una forma d'onda rettangolare e si ripeta la prova modificando la frequenza ed il duty cycle. 5. Risultati della misura. Si riporti su un grafico lo spettro della forma d'onda impulsiva per diversi valori del duty cycle. 6. Osservazioni in merito ai risultati ottenuti. Si confrontino i valori teoricamente calcolati con i risultati ottenuti sperimentalmente. Si studi l'andamento della funzione sen x / x. ANAONDA - 5 -

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