Generatori a battimenti - Corsi di Laurea a Distanza...
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Misure Elettroniche II Generatori a battimenti
© 2006 Politecnico di Torino 1
Generatori a battimenti
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Generatori di segnale
Generatore sinusoidale BF
Generatori di funzione
Generatori sinusoidali a RF
Generatori a battimenti
Oscillatori a quarzo
Generatori di segnale sintetizzati
Generatori per sintesi indiretta
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Generatori a battimenti
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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
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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
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Bibliografia per la lezione
“Microelectronics (II ed.)”J. Millman, A. GrabelMcGraw Hill/Boringhieri
“Misure Radioelettriche”S. Malatesta, L. Mezzani, E. Sportoletti Colombo Cursi, Pisa, 1975
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Contenuti della lezione
Generatori a battimenti
Generatore di segnale a battimenti
Schema a blocchi
Caratteristiche della fu
Esercizio: dimensionamento di generatore a battimenti
Esercizio: incertezza di frequenza
Esercizio: deriva oraria di frequenza
Generatori di segnali a battimenti
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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 fu
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Schema di principio
Due oscillatori LC generano frequenze f1 e f2Esse vengono inviate ad un mescolatoreoriginando una serie di righe fu
f1
f2
MESCOLATORE(MIXER)
|f2+f1|f
f1f2|f2-f1|
Au|2f1-f2| |2f2-f1|
2f1 2f2
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Se le sinusoidi a f1 e f2 sono ideali, il mixer, che effettua un prodotto dei due segnali nel tempo, genera idealmente solo le righe f2-f1 e f2+f1
Si può selezionare la riga f2-f1 mediante un filtro passa basso
Filtraggio della componente f2-f1
f1
f2
MESCOLATORE(MIXER)
FILTRO P.B.(f2-f1)
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f2 può essere fatta variare con continuità da un valore f2min a un valore f2max
Variazione continua di f2
f1
f2
MIXER FILTRO
f1
Au
ff2|f2-f1| |f2+f1|
FILTRO PASSA BASSO
f2minf1
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fu varierà tra fumin=f2min-f1 e fumax=f2max-f1
Variazione continua di fu
f1
f2
MIXER FILTRO
Au
FILTRO PASSA BASSOfpb
Generatore di segnali a battimenti
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Schema completo
Schema completo del generatore a battimenti
f1
f2
MESCOLATORE(MIXER)
FILTRO P.B. A ATTEN. fu
Frequenza variabile
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Ampia variazione di frequenza
Per ottenere un’ampia gamma di frequenza in uscita occorre scegliere le frequenze f1 ed f2molto elevate rispetto alla gamma desiderata
ES: f1=10MHz; f2min=10.001MHz, f2max=11MHz
si ottiene una fu compresa tra
1kHz<fu<1MHz
variabile con continuità su 3 decadi
la variazione relativa ∆f2/f2 è stata solo di ≅10%
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Ampiezza di uscita costante
Con una variazione relativa di f2 del 10%
L’ampiezza del segnale f2 rimane circa costante
Quindi anche l’ampiezza di fu rimarrà costante su tutta la gamma di 3 decadi
f
f1f2minf2min-f1
Au
|f2+f1|
FILTRO PASSA BASSO
f2maxf2max-f1
f1<f2minf2max-f1<fpb<f1
fpb
Generatore di segnali a battimenti
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Variabilità della fu
La fu è generata per differenza
fu=f2-f1La variazione assoluta di fu è calcolabile secondo la
La variazione relativa vale
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Variazione relativa di fu
Le scelte di frequenza fatte sono tali che
La variazione relativa di fu , per effetto delle variazioni relative dei segnali che la generano, ètanto più elevata quanto più fu=f2-f1è bassa
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Instabilità della frequenza fu
Nelle variazioni relative si comprendono:
le instabilità di frequenza nel tempo
le derive di frequenza con la temperatura(variazioni deterministiche)
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Incertezze delle frequenze f1 e f2
le incertezza delle frequenze
Ciò pone un limite alla minima frequenza che si può avere in uscita
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Compensazione delle derive termiche
Es. nell’ipotesi che
f1=10 MHz
f2min=10.001 MHz
derive termiche uguali
fumin=1 kHz e la sua deriva termica vale
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Compensazione delle derive su fu
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
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Incertezza della frequenza fu
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
f1=10 MHz ; con incertezza relativa (caso peggiore) |∆f1/f1 | =1x10
-5
f2min=10.001 MHz ; con incertezza relativa (caso peggiore) |∆f2min/f2min | =1x10
-5
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Incertezza massima si ha alla fumin
fumin=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
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Sweep generator
I generatori a battimento sono adatti a realizzaregeneratori “sweep”, cioè a scansione di frequenza comandata da una tensione
La variazione relativamente piccola del generatore di f2 può essere ottenuta con un VCO
Risultano ampie variazioni di frequenza
f1FILTRO P.B. A ATTEN. fu
f2VCO
GENERATORE DI
RAMPA
MESCOLATORE(MIXER)
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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
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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
OUTIN
GENERATORE DI
RAMPA
COMPONENTEIN
PROVA
USCITA AUX.RAMPA
Y
XOSCILLOSCOPIO
f
Amp
GENERATORE SWEEP
Generatori a battimenti
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Testo dell’esercizio
Si vuole progettare un generatore di segnale a battimenti, con fu variabile con continuità da 100 kHz a 50 MHz, disponendo di un oscillatore a frequenza fissa f1= 70 MHz
|f2+f1|
f
f1 f2
|f2-f1|
Au
|2f1-f2| |2f2-f1|
2f1
2f2
f1
uff2
FiltroP Basso
MIXER
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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.)
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Schema blocchi e valori dei parametri
fu=f2-f1 , f2min=70+0,1=70,1MHz
f2max=70+50=120MHz
frequenza di taglio fpb è 50MHz< fpb<70MHz
f2max
f
f1 f2min
|f2min-f1|0,1 MHz
Au
f1uf
f2
FiltroP Basso
MIXER
|f2max-f1|50 MHz
Soluzione al quesito n.1
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Quesito n.2
I due oscillatori hanno una deriva termica
ricavare le variazioni assolute e relative alle frequenze fumin=100kHz e fumax=50MHz per un aumento di temperatura
;
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Le derive termiche sono
La frequenza di uscita e la sua variazione valgono
;
Soluzione al quesito n.2 1/3
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Per una variazione le variazioni assolute sono
Soluzione al quesito n.2 2/3
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La deriva termica a fumin=0,1MHz vale
La deriva termica a fumax=50MHz vale
Soluzione al quesito n.2 3/3
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Testo dell’esercizio
Un generatore di segnali a battimenti ha:
la frequenza dell’oscillatore fisso f1=70MHz±1x10
-4
l’oscillatore variabile varia tra f2min=71MHz±1x10-3
e f2max=90MHz±1x10-3
f2max
f
f1 f2min
|f2min-f1|1 MHz
Au
f1uf
f2
FiltroP Basso
MIXER
|f2max-f1|20 MHz
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Quesito posto e soluzione
Quale è l’incertezza relativa alla massima frequenza di uscita del generatore?
fumax=f2max-f1, e l’incertezza assoluta del caso peggiore vale
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Generatori a battimenti
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Testo dell’esercizio
Un generatore di segnali a battimenti ha:
la frequenza dell’oscillatore fisso f1=70MHz con deriva oraria di +1x10-3/h
l’oscillatore variabile, la cui frequenza può variare tra f2min=71MHz e f2max=90MHz, ha una deriva oraria di +1x10-3/h
f2max
f
f1 f2min
|f2min-f1|1 MHz
Au
f1uf
f2
FiltroP Basso
MIXER
|f2max-f1|20 MHz
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Quesito posto e soluzione 1/2
Quale è la deriva oraria relativa della frequenza di uscita minima del generatore?
fumin=f2min-f1, e la variazione assoluta oraria vale
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Quesito posto e soluzione 2/2
la deriva oraria assoluta vale
la deriva oraria relativa vale
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Generatori a battimenti
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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 bassefrequenze
come si possono compensare effetti termici e di deriva
vantaggio di un generatore “sweep” controllato in tensione
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Sommario della lezione
Generatori a battimenti
Generatore di segnale a battimenti
Schema a blocchi
Caratteristiche della fuEsercizio: dimensionamento di generatore a battimenti
Esercizio: incertezza di frequenza
Esercizio: deriva oraria di frequenza
Domande di riepilogo