Generatore sinusoidale BF Generatori di funzione Generatori sinusoidali a RF

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1 Generatori di segnale Generatore sinusoidale BF Generatori di funzione Generatori sinusoidali a RF Oscillatori a quarzo Generatori di segnale sintetizzati Generatori per sintesi indiretta Politecnico di Torino 1

2 Obiettivi della lezione Metodologici applicazione della conversione di frequenza per generare segnali sinusoidali controllo elettronico della scansione di frequenza Progettuali parametri da cui dipendono le caratteristiche variazione della frequenza con continuità su ampia gamma limitazioni ottenibili alle prestazioni in termini di stabilità e accuratezza di frequenza tecniche di compensazione termica e di deriva Politecnico di Torino 2

3 Prerequisiti per la lezione Sistemi elettronici: oscillatori LC oscillatori comandati in tensione (VCO) mescolatori e filtri Fondamenti di misure elettroniche: stima delle incertezze di misura correzione e compensazione degli errori sistematici 5 Bibliografia per la lezione Microelectronics (II ed.) J. Millman, A. Grabel McGraw Hill/Boringhieri Misure Radioelettriche S. Malatesta, L. Mezzani, E. Sportoletti Colombo Cursi, Pisa, Politecnico di Torino 3

4 Contenuti della lezione Generatore di segnale a battimenti Schema a blocchi Caratteristiche della f u Esercizio: dimensionamento di generatore a battimenti Esercizio: incertezza di frequenza Esercizio: deriva oraria di frequenza 7 Generatori di segnali a battimenti 2006 Politecnico di Torino 4

5 Generalità e principio operativo Supera gli inconvenienti del generatore LC permettendo di avere copertura continua su ampie gamme di frequenza Funzionamento basato su due oscillatori LC le cui frequenze vengono mescolate originando una serie di righe f u 9 Schema di principio Due oscillatori LC generano frequenze e Esse vengono inviate ad un mescolatore originando una serie di righe f u MESCOLATORE (MIXER) A u f Politecnico di Torino 5

6 Filtraggio della componente - Se le sinusoidi a e sono ideali, il mixer, che effettua un prodotto dei due segnali nel tempo, genera idealmente solo le righe - e + Si può selezionare la riga - mediante un filtro passa basso MESCOLATORE (MIXER) FILTRO P.B. ( - ) 11 Variazione continua di può essere fatta variare con continuità da un valore min a un valore max MIXER FILTRO FILTRO PASSA BASSO A u min - + f Politecnico di Torino 6

7 Variazione continua di f u f u varierà tra f umin =min - e f umax =max - MIXER FILTRO A u FILTRO PASSA BASSO f pb 13 Generatore di segnali a battimenti 2006 Politecnico di Torino 7

8 Schema completo Schema completo del generatore a battimenti MESCOLATORE (MIXER) FILTRO P.B. A ATTEN. f u Frequenza variabile 15 Ampia variazione di frequenza Per ottenere un ampia gamma di frequenza in uscita occorre scegliere le frequenze ed molto elevate rispetto alla gamma desiderata ES: =10MHz; min =10.001MHz, max =11MHz si ottiene una f u compresa tra 1kHz<f u <1MHz variabile con continuità su 3 decadi la variazione relativa / è stata solo di 10% Politecnico di Torino 8

9 Ampiezza di uscita costante Con una variazione relativa di del 10% L ampiezza del segnale rimane circa costante Quindi anche l ampiezza di f u rimarrà costante su tutta la gamma di 3 decadi A u FILTRO PASSA BASSO f pb <min max - <f pb < f min - max - min max + 17 Generatore di segnali a battimenti 2006 Politecnico di Torino 9

10 Variabilità della f u La f u è generata per differenza f u = - La variazione assoluta di f u è calcolabile secondo la La variazione relativa vale 19 Variazione relativa di f u Le scelte di frequenza fatte sono tali che La variazione relativa di f u, per effetto delle variazioni relative dei segnali che la generano, è tanto più elevata quanto più f u = - è bassa Politecnico di Torino 10

11 Instabilità della frequenza f u Nelle variazioni relative si comprendono: le instabilità di frequenza nel tempo le derive di frequenza con la temperatura (variazioni deterministiche) 21 Incertezze delle frequenze e le incertezza delle frequenze Ciò pone un limite alla minima frequenza che si può avere in uscita Politecnico di Torino 11

12 Compensazione delle derive termiche Es. nell ipotesi che =10 MHz min = MHz derive termiche uguali f umin =1 khz e la sua deriva termica vale 23 Compensazione delle derive su f u Se le variazioni sono di tipo deterministico Esse sono calcolabili Si può tentare una compensazione delle variazioni tenendo conto del loro segno In modo analogo si potrebbe ragionare per le variazioni col tempo se sono note e determinate Politecnico di Torino 12

13 Incertezza della frequenza f u Diverso è il discorso delle incertezze di cui si conosce l ampiezza della fascia (worst case o incertezza tipo) Le incertezze si trattano con le note regole Es. nell ipotesi che =10 MHz ; con incertezza relativa (caso peggiore) / =1x10-5 min= MHz ; con incertezza relativa (caso peggiore) min /min =1x Incertezza massima si ha alla f umin f umin =1 khz e la sua incertezza relativa nel caso peggiore è Nel caso peggiore occorre fare una somma in modulo e quindi l incertezza si esalta La frequenza di uscita minima è più penalizzata da questo punto di vista Politecnico di Torino 13

14 Sweep generator I generatori a battimento sono adatti a realizzare generatori sweep, cioè a scansione di frequenza comandata da una tensione La variazione relativamente piccola del generatore di può essere ottenuta con un VCO Risultano ampie variazioni di frequenza MESCOLATORE FILTRO P.B. A ATTEN. (MIXER) f u VCO GENERATORE DI RAMPA 27 Prestazioni di uno sweep generator Ampia gamma di copertura con variazione continua di frequenza Ampiezza del segnale costante all interno della gamma Facilità di modulazione di frequenza e/o ampiezza Politecnico di Torino 14

15 Uso di uno sweep generator Utilizzato per misure di caratteristiche di bipoli o doppi bipoli su ampia gamma di frequenza Uscita ausiliaria di una rampa proporzionale alla frequenza di uscita utilizzabile per presentazione (Ampiezza/frequenza) su CRT IN COMPONENTE IN PROVA OUT Y Amp GENERATORE DI RAMPA GENERATORE SWEEP USCITA AUX. RAMPA X OSCILLOSCOPIO f Politecnico di Torino 15

16 Testo dell esercizio Si vuole progettare un generatore di segnale a battimenti, con f u variabile con continuità da 100 khz a 50 MHz, disponendo di un oscillatore a frequenza fissa = 70 MHz MIXER Filtro P Basso uf A u 2 f Quesito n.1 Si chiede di disegnare lo schema a blocchi del generatore e di indicare i valori numerici dei principali parametri (f2 dell oscillatore variabile, frequenza di taglio del filtro, ecc.) Politecnico di Torino 16

17 Soluzione al quesito n.1 Schema blocchi e valori dei parametri MIXER Filtro P Basso uf A u min max min - 0,1 MHz max - 50 MHz f u = -, min =70+0,1=70,1MHz max =70+50=120MHz f frequenza di taglio f pb è 50MHz< f pb <70MHz 33 Quesito n.2 I due oscillatori hanno una deriva termica ; ricavare le variazioni assolute e relative alle frequenze f umin =100kHz e f umax =50MHz per un aumento di temperatura Politecnico di Torino 17

18 Soluzione al quesito n.2 1/3 Le derive termiche sono ; La frequenza di uscita e la sua variazione valgono 35 Soluzione al quesito n.2 2/3 Per una variazione assolute sono le variazioni Politecnico di Torino 18

19 Soluzione al quesito n.2 3/3 La deriva termica a f umin =0,1MHz vale La deriva termica a f umax =50MHz vale Politecnico di Torino 19

20 Testo dell esercizio Un generatore di segnali a battimenti ha: la frequenza dell oscillatore fisso =70MHz±1x10-4 l oscillatore variabile varia tra min =71MHz±1x10-3 e max =90MHz±1x10-3 MIXER Filtro P Basso uf min ma A u x f min - 1 MHz max - 20 MHz 39 Quesito posto e soluzione Quale è l incertezza relativa alla massima frequenza di uscita del generatore? f umax =max -, e l incertezza assoluta del caso peggiore vale Politecnico di Torino 20

21 Testo dell esercizio Un generatore di segnali a battimenti ha: la frequenza dell oscillatore fisso =70MHz con deriva oraria di +1x10-3 /h l oscillatore variabile, la cui frequenza può variare tra min =71MHz e max =90MHz, ha una deriva oraria di +1x10-3 /h MIXER Filtro P Basso fu A u min max f min - 1 MHz max - 20 MHz Politecnico di Torino 21

22 Quesito posto e soluzione 1/2 Quale è la deriva oraria relativa della frequenza di uscita minima del generatore? f umin =min -, e la variazione assoluta oraria vale 43 Quesito posto e soluzione 2/2 la deriva oraria assoluta vale la deriva oraria relativa vale Politecnico di Torino 22

23 Approfondimenti I seguenti concetti devono essere meditati e risultare chiari dallo studio della lezione: generazione di una frequenza per mescolazione limitazioni di stabilità ed accuratezza per le basse frequenze come si possono compensare effetti termici e di deriva vantaggio di un generatore sweep controllato in tensione Politecnico di Torino 23

24 Sommario della lezione Generatore di segnale a battimenti Schema a blocchi Caratteristiche della f u Esercizio: dimensionamento di generatore a battimenti Esercizio: incertezza di frequenza Esercizio: deriva oraria di frequenza Domande di riepilogo Politecnico di Torino 24