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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


Oscillatori a quarzo

Generatori di segnale sintetizzati

Generatori per sintesi indiretta




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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


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)

12

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




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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

32

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

;



35

Le derive termiche sono

La frequenza di uscita e la sua variazione valgono

;

Soluzione al quesito n.2 1/3

36

Per una variazione le variazioni assolute sono




37

La deriva termica a fumin=0,1MHz vale

La deriva termica a fumax=50MHz vale





39


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

40

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




42


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

44

Quesito posto e soluzione 2/2

la deriva oraria assoluta vale

la deriva oraria relativa vale




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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


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

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