Ingegneria dell Informazione Generatori sinusoidali Schema tipico ELETTRONICA APPLICATA E MISURE F1 Generatori di segnali» a bassa frequenza» a radiofrequenza» a microoonde Generatori di funzioni Sintetizzatori di frequenza 08/12/2013-1 08/12/2013-4 Generatori di segnali Generatore in Bassa Frequenza SINUSOIDALI Bassa frequenza (max 500 khz) Radiofrequenza (1 MHz 1 GHz) Microonde (1 GHz 40 GHz) GENERATORI DI FUNZIONI Onde quadre, triangolari, impulsive e anche sinusoidali Sono strumenti le cui caratteristiche, prestazioni, ecc. sono di norma specializzate verso una particolare applicazione Es. Generatori a bassa frequenza con bassissima distorsione armonica per misure su amplificatori ad alta fedeltà Gamma frequenze: decina di Hz centinaia di khz Ogni gamma copre circa una decade Uso: stimoli per il rilievo delle caratteristiche spettrali di: Amplificatori B. F Filtri telefonici Sistemi ad ultrasuoni ecc. Impedenza di uscita : 50 Ω o 600 Ω 08/12/2013-2 08/12/2013-5 Generatori sinusoidali Copertura continua di una gamma di frequenze Commutazione su più gamme di frequenze Buona stabilità di frequenza Bassa distorsione armonica Ampiezza del segnale di uscita costante su tutta la gamma Regolazione a scatti e fine del livello del segnale in uscita Basso rumore Elevata schermatura Filtri sul cordone di alimentazione Involucri metallici Schermi multipli 08/12/2013-3 Caratteristiche tipiche Stabilità in frequenza 10-3 /h Taratura della scala 2-3% Distorsione armonica 1% (anche 0,1%) Rumore in uscita -80dB Vmax Variazioni di ampiezza sulla gamma 2-3% Tensione in uscita 0,1 mv 3V 08/12/2013-6 Page 1 2012 DDC 1
Oscillatore A ponte di Wien A sfasamento Regolazione dell ampiezza al variare della frequenza delle oscillazioni R3 Elemento termistore (coeff. termico negativo) R4 Elemento a coeff. termico positivo (lampada ad incandescenza) Commutazione della gamma di frequenze A scatti inserendo diversi condensatori Variazione fine della frequenza Con un reostato 08/12/2013-7 08/12/2013-10 Attenuatore di uscita Nei generatori di bassa qualità è costituito da un potenziometro Nei generatori migliori è una rete resistiva a impedenza caratteristica costante e attenuazione variabile Il misuratore di tensione in uscita è tarato per misurare in modo corretto la tensione solo se il carico ha impedenza di ingresso coincidente con l impedenza di uscita del generatore R L = R 0 08/12/2013-8 08/12/2013-11 Condizioni per l innesco (R 3 + R 4 )/R 4 > 3 Fase V 2 /V 1 =0 f 0 = 1/(2 π R C) Variazione di frequenza inversamente proporzionale a RC Anche scala logaritmica Limitazione inferiore di frequenza Costante di tempo termica dell elemento non lineare Valore eccessivo di R (non oltre il MΩ) e di C (non oltre il μf) Limitazione superiore di frequenza C piccoli contano molto le capacità parassite Eccessivo il carico per l amplificatore Diventa significativa la rotazione di fase dell amplificatore Capacita parassite della rete resistiva Non sono più soddisfatte le condizioni per l innesco dell oscillazione 08/12/2013-9 08/12/2013-12 Page 2 2012 DDC 2
Oscillatore a sfasamento La rete sfasatrice provoca la reazione positiva selettiva (frequenza a cui ciascuna cella ruota la fase di 60 gradi) Oscillatore HARTLEY 1/ω 2 = C 0 (L 1 +L 2 +2M) 08/12/2013-13 Occorre ancora una reazione negativa non lineare per stabilizzare l ampiezza Meno utilizzato del ponte di Wien perchè la rete selettiva è complessa La variazione di gamma si ottiene commutando le induttanze La variazione continua si ottiene variando la capacità Si ha qualche inconveniente sulla stabilità in frequenza 08/12/2013-16 Generatore a radiofrequenza Oscillatore Colpitts Gamma frequenze: 500 khz 1 GHz Ogni gamma copre circa una decade Uso: sviluppo, produzione e riparazione di trasmettitori e ricevitori Impedenza di uscita : 50 Ω Possibilità di modulazione AM e FM 08/12/2013-14 1/ω 2 = L C T C T = C 1 C 2 /(C 1 +C 2 ) C1/C2 = cost. La variazione di gamma si ottiene commutando L La variazione continua si ottiene variando le capacità C 1 ec 2 Si ha qualche inconveniente sulla stabilità in frequenza. Modifica di CLAPP 08/12/2013-17 Caratteristiche tipiche Schema generale di un generatore RF Accuratezza nella frequenza 1% Taratura (calibrazione) con quarzo 1 10-4 Deriva in frequenza 1 10-4 /10 min Armoniche da - 30 a -40dB Rumore -70 db Livello d uscita regolabile da 0,1 mv a 3 V Attenuazione d uscita a scatti 10 db TIPI DI OSCILLATORI Hartley Colpitts 08/12/2013-15 08/12/2013-18 Page 3 2012 DDC 3
Calibratore di frequenza Serve per tarare la scala nelle diverse gamme Negli strumenti più recenti è soistituito da un frequenzimetro numerico Il calibratore funziona sul principio dei battimenti 08/12/2013-19 08/12/2013-22 Taratura In termini di frequenza: Esempio: f 1 = 10 MHz; f 2min = 10,001 MHz; F 2max = 12 MHz Si ottiene : f umin =1 khz ; f umax = 2 MHz Ampia variazione di f u con variazione di f 2 del 20% 08/12/2013-20 08/12/2013-23 Limiti dei tradizionali generatori LC Gamma di frequenza limitata Variazione dell ampiezza del segnale lungo la gamma (il controllo dell ampiezza non riesce a compensare le variazioni del circuito oscillatore) Commutazione di molti induttori o condensatori IL GENERATORE A BATTIMENTI SUPERA QUESTI INCONVENIENTI Problema: Se si stima l incertezza si vede che l instabilità di frequenza di f 2 e f 1 si ripercuote in modo drammatico su f u, soprattutto su f umin Soluzione: Gli Oscillatori sono simili (componenti e circuiti) Gli Oscillatori subiscono le stesse vicissitudini (grandezze di influenza) 08/12/2013-21 08/12/2013-24 Page 4 2012 DDC 4
Generatori di funzioni Circuito formatore Generano forme d onda periodiche in un ampia gamma di frequenze (da 10-3 Hz ai MHz): Quadre Impulsi rettangolari (D.C. variabile) Triangolari A rampa Sinusoidali USI: Eccitazione di sistemi di regolazione (freq basse) Applicazioni a freq. audio (se non sono richieste bassissime distorsioni della sinusoide sostituiscono osclillatori Wien) Misure con sweep in frequenza di filtri (sostituiscono oscillatori a battimento) Ecc. 08/12/2013-25 08/12/2013-28 Schema di un generatore di funzioni Circuito formatore Il C. F. è realizzato con il circuito seguente: La caratteristica di Rv è ottenuta con una rete di diodi inseriti in successione 08/12/2013-26 08/12/2013-29 Schema di un generatore di funzioni Circuito formatore Per variare il D.C. I 1 # I 2 Per variare la frequenza: Variare C a scatti per la gamma Variare R con continuità per variazione fine Variare I 1 ei 2 mantenendo costante I 1 /I 2 (così rimane costante il D.C.) Spostare le soglie Vs1 e Vs2 (per variare anche l ampiezza dell onda triangolare) La sinusoide in questo caso ha distorsione maggiore di quella ottenuta con il ponte di Wien 08/12/2013-27 08/12/2013-30 Page 5 2012 DDC 5
Soluzione alternativa per il G.d. F. Soluzione a basso costo per: Basse frequenze Esigenze non spinte su distorsione armonica Cascata di: Memoria a stato solido, contenente i campioni della forma d onda da sintetizzare Convertitore D/A, comandato da opportuno clock, che legge e converte i campioni in memoria Filtro passa basso, per eliminare le componenti indesiderate generate dal D/A Cambiando i campioni in memoria si cambia la forma d onda Si possono così generare le cosiddette forme d onda arbitrarie 08/12/2013-31 Moltiplicatore di frequenza per N 08/12/2013-34 SINTETIZZATORI DI FREQUENZA Sono generatori di segn ali sinusoidali che coprono gamme di frequenza dalle acustiche alle microonde Caratteristica fondamentale: forniscono frequenze con risoluzione molto elevata Es: 8.632, 725.43 khz L accuratezza della frequenza in uscita è praticamente pari a quella del campione interno a frequenza fissa USO: Misure su filtri, oscillatori, ecc. Cioè sistemi ad elevata selettività Sistemi di navigazione, emissioni radar, ecc. Divisore di frequenza per N 08/12/2013-32 08/12/2013-35 SINTETIZZATORI DI FREQUENZA SOLUZIONI La frequenza in uscita da un riferimento di frequenza con operazioni matematiche» Moltiplicazione per N» Divisione per N» Somma fra frequenze» Differenza fra frequenze Sintesi indiretta Si utilizzano le proprietà dell anello ad aggancio di fase (PLL) mediante l impiego di divisori numerici di frequenza Divisore di frequenza alternativo, con circuiti digitali 08/12/2013-33 08/12/2013-36 Page 6 2012 DDC 6
Sintesi indiretta Circuito sommatore Il circuito opera in modo da ottenere f rif / N 1 = f u / N 2 Cosicchè Con tecnica simile, cambiando il filtro, si puo ottenere mf 1 +nf 2 oppure mf 1 nf 2 Ottenendo dunque anche differenze di frequenza I divisori sono di tipo numerico con Ni interi f u = N 2 / N 1 * f rif 08/12/2013-37 08/12/2013-40 Sintesi indiretta Pregi Elevata risoluzione (dal mhz in su) Elevata purezza spettrale Commutazione rapida delle frequenze Accuratezza dell uscita pari a quella del campione Difetti Complessità circuitale (molti circuiti accordati singolarmente) Ingombro e peso Costo notevole Pregi nei confronti della sintesi diretta Minore complessità circuitale Uso massiccio di circuiti integrati Più economico Difetti nei confronti della sintesi diretta Risoluzione non elevata Instabilità in frequenza dovuta al modo di operare del circuito ad anello chiuso Lentezza nelle transizioni da una frequenza all altra (transitorio del circuito ad anello chiuso) Usato normalmente negli oscillatori delle stazioni radio TV 08/12/2013-38 08/12/2013-41 Sintesi indiretta Principio del PLL Il sistema reazionato agisce in modo da rendere f 0 = f rif φ = cost. 08/12/2013-39 Il VCO e un oscillatore la cui frequenza e comandata dalla tensione in ingresso Il rivelatore di fase può operare su onde quadre, oltre che sinusoidali Page 7 2012 DDC 7