Elettronica applicata e misure Prefazione

Appunti del corso di Elettronica applicata e misure. !Prefazione degli studenti !!Questo documento vuole rappresentare un insieme di appunti di supporto del corso di Elettronica applicata e misure.!!Il seguente documento è un insieme di appunti del corso di Elettronica applicata e misure. Si vuol ricordare che tali appunti possono essere affetti da errori e imprecisioni e per questo motivo si richiede di comunicare ai sottoscritti, alle email: oncle.picsou@icloud.com e cristianocavo@icloud.com, con eventuali correzioni e/o suggerimenti nella stesura, indicando chiaramente il documento a cui si riferisce.!!In quanto si tratta di un documento di appunti di libera pubblicazione gli autori non si assumono alcuna responsabilità del contenuto.!!Il testo è stato redatto attraverso l’applicativo Pages® for Mac; alcuni grafici sono realizzati attraverso il software di calcolo numerico Grapher®, alcuni sono stati disegnati a mano tramite il software di disegno a mano libera Penultimate® altri ancora sono stati presi direttamente dalle slide disponibili sul portale; per la rappresentazione di alcuni circuiti è stato usato iCircuit®.!!Come usare gli appunti.!!Tali appunti sono stati concepiti in modo tale da essere utilizzati con il supporto delle slide del professore, infatti viene seguita la stessa suddivisione delle lezioni. Il titolo in rosso all’inizio di ciascuna lezione rappresenta il titolo della lezione stessa, mentre i vari sottotitoli in rosso nel documento sono associati al numero della pagina della slide di riferimento.!!Gli appunti sono divisi in base a ciascuna lezione:!!Misure !A. Parte I!

1.  Oscilloscopio digitale (scritti a mano)!2.  Generalità misure (scritti a mano)!3.  Stima Incertezze!!

F. Parte II!1.  Voltmetri digitali !2.  Voltmetri AC !!

G. Parte II!1. Sensori di temperatura (prima parte)!3. Misure tempo e frequenza!4. Generatori di segnale!!!!!!

A. A. 2013 / 2014

Elettronica applicata e misure PrefazioneElettronica applicata!!B.  GRUPPO B - Circuiti digitali!

1.  Richiami su circuiti logici (scritti a mano)!2.  Parametri dinamici dei Flip Flop (scritti a mano)!3.  Circuiti sequenziali (scritti a mano)!4.  Logiche programmabili (scritti a mano)!6.  Comparatori di soglia (scritti a mano)!7.  Generatore onda quadra  !8. Esercitazione 2!!

C. Bus e interconnessioni!1.  Interconnessioni     !2.  Modelli a linea di trasmissione!3.  Connessioni con linee!4.  Cicli di trasferimento base!5.  Protocolli di bus!6.  Esercitazione 3: Collegamenti seriali !7. Collegamenti seriali asincroni!8.  Collegamenti seriali sincroni!9.  Integrità di segnale!!

D. Sistemi di acquisizione dati!1.  Integrità di segnale!2.  Convertitori D/A!3.  Conversione A/D!4.  Convertitori pipeline e differenziali!5.  Condizionamento del segnale!6.  Filtri!7. Esercitazione 4: Sistemi di conversione!!

E.  Alimentatori e regolatori !1.  Circuiti di potenza !2.  Sistemi di alimentazione !3.  Regolatori a commutazione!4.  Altri sistemi di alimentazione (non è stato trattato nell’A.A. 2013/2014)!5.  Esercitazione 5: regolatori lineari e SW.

A. A. 2013 / 2014II

Elettronica applicata e misure Lezione G4

Gruppo lezioni G4 !Generatori sinusoidali !1. Introduzione In questa lezione parleremo di:!• generatori di segnali;!• generatori di funzioni;!• sintetizzatori di frequenza.!!Negli oscillatori "puri" si ha dei segnali puri. In altre parole questi generatori generano delle onde perfettamente sinusoidali, poiché sono stati costruiti per tale funzione. Invece di generatori di funzioni sono di generatori che possono creare molteplici varianti di onda ma tuttavia queste onde non saranno perfettamente uguali a quelle ideali.!Se si prende un generico generatore di segnali e lo si è imposta per dare una sinusoide e si prende uno strumento che ha come unico scopo generale sinusoidali quest'ultimo sarà più preciso del generico generatori di funzioni o di segnali.!!In particolare, per quanto riguarda i generatori di segnali, vedremo tre principali tipologie di generatori di segnali sinusoidali:!1. a bassa frequenza;!2. a radiofrequenza;!3. a microonde.!!2. Generatori di segnali I generatori di segnali possono essere suddivisi in due grandi categorie:!1. generatori sinusoidali;!2. generatori di funzioni.!!I generatori sinusoidali si distinguono in base alla frequenza cui lavorano:!1. bassa frequenza se erogano segnali dell’ordine dei 500 kHz;!2. radiofrequenza se sono segnali tra 1MHz e 1 GHz;!3. microonde se sono tra 1 GHz e 40 GHz.!!I generatori di funzioni invece si classificano in base alla forma d’onda che sono in grado di generare, per esempio onde quadre, triangolari, impulsive e anche sinusoidali.!!I generatore di segnali sono strumenti le cui caratteristiche, prestazioni, …, sono di norma specializzate verso una particolare applicazione. Si può dire che i generatori di segnali sono per la maggior parte dei sistemi special purpose. Per esempio i generatori a bassa frequenza e dotati di una bassissima distorsione armonica vengono utilizzati per effettuare misurazioni su amplificatori ad alta fedeltà.!!3, 4. Generatori sinusoidali

I generatori sinusoidali sono in grado di coprire una continua gamma di frequenze ed è possibile eseguire la commutazione su più gamme di frequenze. Sono strumenti stabili con bassa distorsione armonia. L’ampiezza del segnale di uscita è costante su tutta la gamma (ossia l'ampiezza del segnale di uscita è costante su un intervallo o un intorno Epsilon).

� di �1 15A. A. 2013 / 2014

Elettronica applicata e misure Lezione G4Sono poco affetti dai rumori perché hanno una elevata schermatura, ci sono dei filtri sul cordone di alimentazione, la strumentazione si trova all’interno di involucri metallici e ci sono degli schermi di protezione multipli.!!Questi generatori hanno dei filtri poiché la rete raccoglie molto sporcizie e quindi tali rumori potrebbero ad andare ad influenzare il segnale di uscita. Per ovviare a questo basta porre un filtro fatto a pi-greco. Sebbene ci siano tanti tipologie di filtri. Con questo circuito si elimina le impurità.!!Poiché le apparecchiature producono campi elettromagnetici allora ci cerca di isolare/schermare le apparecchiature. E quindi per schermare si usa il principio della gabbia di Faraday. Queste "scatole" o gabbie sono messe a terra. Quindi una schermatura non è altro che una gabbia metallica che viene messa a terra. Il principio delle Matrioska viene utilizzato per schermare più efficacemente un oggetto. In altre parole si mette una gabbia dentro l'altra in modo tale che nel cuore dello strumento non ci siano interferenze elettromagnetiche.!!Schema tipico:!si ha uno oscillatore variabile e può essere regolato, dallo sciatore variabile produce un segnale debole il quale viene amplificato in seguito passa attraverso un attento lettore il quale può essere regolato. La letteratura a una impedenza di uscita che può essere 50 ohm 60 ohm 70 ohm. Ad esempio in alcune applicazioni si usa una impedenza di 600 ohm.! Vengono utilizzate questi impedenza per evitare le riflessioni dei conduttori. In altre parole si cerca di togliere il più possibile eventuali rumori quali le riflessioni.!!5. Generatore in bassa frequenza La gamma di frequenze dei generatori raggiunge circa una decina di Hz e centinaia di kHz. Ciascuna gamma copre circa una decade.!!Tale strumento può essere utilizzato per generare degli stimoli per il rilievo delle caratteristiche spettrali di:!• amplificatori a bassa frequenza;!• filtri telefonici;!• sistemi ad ultrasuoni;!• ecc… .!L’impedenza di uscita di tali strumenti si aggira tra i 50 ÷ 600 Ohm.!!Alcune casse acustiche (quelle più care) hanno nel manuale anche il diagramma di Bode. Per ottenere questo diagramma di Bode hanno semplicemente stimolato la cassa e hanno misurato l'uscita.!!6. Caratteristiche tipiche Le caratteristiche principali dei generatori sinusoidali sono:!1. la stabilità in frequenza: 10-3 / h!2. taratura della scala (2 ÷ 3)%!3. distorsione armonica (0,1 ÷ 1)%!4. rumore in uscita -80dB VMAX il rumore è attenuato.!5. tensione in uscita (0,1 ÷ 3) V.!!!!!!

� di �2 15A. A. 2013 / 2014

Elettronica applicata e misure Lezione G4

7. Oscillatore L'oscillatore a bassa frequenza è fatto in due modi:!Ponte di Wien e a sfasamento (sono le due tecniche).!L'idea di base è di costruire un circuito oscillante che tuttavia non oscilli troppo ossia che non abbia una ampiezza che aumenti troppo.!L'amplificatore viene messo in reazione con un modulo (rete selettiva) nel morsetto positivo. Questa rete impone la frequenza.!Mettendo la reazione sul positivo c'è il rischio che l'oscillatore abbia sempre una ampiezza maggiore rispetto alla precedente. Quindi per ovviare a questo problema si mette una reazione negativa. Si potrebbe pensare di togliere completamente la reazione sul positivo ma non può essere creato uno sciatore senza tale reazione.! !Ci sono due tipi di oscillatori sinusoidali, uno a ponte di Wien e l’altro

a sfasamento.!!8, …, 12. Oscillatore a ponte di Wien

La reazione positiva è fatta da R1,C1 e da un gruppo R2,C2.!Mentre la reazione negativa ossia quella stabilizante è fatta da R4 e R3.!!!!!!!!!

Questo è l’oscillatore sinusoidale a ponti dei Wien.!Questo grafico mostra le condizioni per l’innesco, che sono:!• ( R3 + R4 ) / R4 > 3;!• La fase V2 / V1 = 0;!• f0 = 1 / ( 2 · π · R · C ).!!La variazione di frequenza è inversamente proporzionale alla cella RC.!!

La rete deve guadagnare se no non parte.!Il massimo nel diagramma è 1/3 ed anche in quel punto che il circuito inizia a lavorare. Quindi si deve portare a quella condizione. Quindi la rete R3 e R4 , quella a reazione negativa deve guadagnare più di tre. Si ha un'altra condizione che deve avvenire.!!Regolazione dell’ampiezza al variare della frequenza delle oscillazioni:!•R3 rappresenta l’elemento termistore a coefficiente termico negativo;!•R4 invece rappresenta il termistore a coefficiente termico positivo.!!Si ha una commutazione della gamma di frequenza a scatti, inserendo diversi condensatori. La variazione della frequenza raggiunge sensibilità molto fini, quindi molto

� di �3 15A. A. 2013 / 2014

Elettronica applicata e misure Lezione G4precise, ciò è possibile grazie ad un reostato.!!L’oscillatore a ponte di Wien presenta un attenuatore di uscita. Nei generatori di bassa qualità è costituito da un potenziometro, mentre nei generatori migliori è una rete resisteva a impedenza caratteristica costante e attenuazione variabile.!!Il misuratore di tensione di 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. RL = R0!Le condizioni per l’innesco dell’oscillazione sono definite da due limitazioni: una inferiore e una superiore, se non sono soddisfatte non avviene l’innesco.!!Le limitazioni inferiori di frequenza sono definite dalla costante di tempo termica dell’elemento non lineare, e da un valore di R eccessivo (almeno non oltre il mega Ohm) e dal valore del condensatore C (che non deve superare il µF).!!Le limitazioni superiori invece sono definite per C piccoli (talmente piccoli, che le capacità parassite influiscono di più). Un eccessivo carico per l’amplificatore e la rotazione di fase diventa significativa. Le capacità parassite della rete resistiva sono un forte limitatore superiore di frequenze.!!Se invece la reazione di stabilizzazione la si manda su R4 allora si usa!termistore a coefficiente termico positivo.!Se invece la reazione di stabilizzazione la si manda su R3 allora: l’elemento (R3) termistore a coefficiente termico negativo!!Quando il sistema si è stabilizzato la lampadina non è più accesa o spenta ma insegue il segnale di uscita. Quando si vuole cambiare di ampiezza pasta modificare la R e il condensatore. Tuttavia non si può andare oltre determinate ampiezze.!!Il sistema grosso modo funziona in questo modo: se bisogna abbassare l'ampiezza allora si deve avere un coefficiente termico positivo ossia si deve abbassare la tensione. Se invece bisogna alzare l'ampiezza del segnale si deve in qualche modo " non consumare energia" e quindi si usa un coefficiente termico negativo. In tale modo si può stabilizzare l'ampiezza dell'onda.!In altre parole quando l'ampiezza dell'onda dopo giù la si alza mentre con una troppo in alto la si abbassa.!Questi coefficienti cercano di contrastare le variazioni delle ampiezze.!!All'intero del circuito vi è proprio una lampadina che serve a questo scopo e non a fare bello o ad illuminare lo strumento durante la notte.!!13. Oscillatore a sfasamento La rete sfasatrice provoca la reazione positiva selettiva (frequenza a cui ciascuna cella ruota la fase di 60°).!

!� di �4 15A. A. 2013 / 2014

Elettronica applicata e misure Lezione G4Occorre ancora una reazione negativa non lineare per poter stabilizzare l’ampiezza. Tale tipologia di generatore sinusoidale risulta meno utilizzato rispetto a quello a ponte di Wien poiché la rete selettiva è un sistema complesso.!!In questo schema che un tale si ha un amplificatore razionale che riesce a spazzare in segnali d'ingresso di 180°. Sulla reazione negativa si hanno tre celle RC. Ogni cella riesce a sposare il segnale di 60°. Sommando assieme 180° (dell'amplificatore operazione), i 60° moltiplicati per tre (poiché ci sono tre celle RC) si ha in totale uno sfasamento di 360°. Questo avviene solo che non se l'applicazione in modulo è maggiore o uguale di 29.!Le tre celle RC devono essere uguali se no il gioco non ci può essere.!!14. Generatore a radiofrequenza La gamma base dei generatori a radiofrequenza si aggira tra i 500 kHz e 1 GHz. Anche qui, ogni gamma ricopre circa una decade.!!Utilizzato principalmente per sviluppare, produrre e riparare dei trasmettitori e ricevitori. L’impedenza di uscita è di circa 50 Ohm.!!C’è la possibilità di modulare AM e FM.!!15. Caratteristiche tipiche Le caratteristiche principali dei generatori a radiofrequenza sono:!1. l’accuratezza in frequenza: 1%!2. taratura (calibrazione) con quarzo 1 · 10-4!3. deriva in frequenze 1·10-4 / 10 min!4. armoniche da ( -30 ÷ -40 ) dB!5. rumroe -70 dB!6. livello di uscita regolabile da 0,1 mV a 3 V!7. attenuazione d’usci a a scatti.!!Esistono due tipi di oscillatori di questo genere:!1. oscillatore Harley (nome del costruttore);!2. oscillatore Colpitts (nome del costruttore).!!All'interno di questi strumenti si ha un campione che è un quarzo che ha una frequenza fissa. è Un clock. 10^(-9) è l' accuratezza del quarzo a seconda che degli sbalzi di temperatura. Poiché lo strumento deve avere delle frequenze variabili si utilizza il campione che ha una frequenza fissa per tarare la frequenza che lo strumento deve emettere.!Le armoniche sono basse.!Si ha una attenuazione del rumore in uscita pari a 70dB.!Si può regolare l'uscita.!!16. Oscillatore Hartley

� di �5 15A. A. 2013 / 2014

Elettronica applicata e misure Lezione G4Nell’oscillatore Harley la variazione di gamma si ottiene commutando le induttanze. Mentre la variazione continua si ottiene variando la capacità. Si ha qualche inconveniente sulla stabilità in frequenza.!!1 / ω2 = C0 · ( L1 + L2 + 2·M )!L'amplificatore operazionale ci vuole sempre in oscillatori che in questo caso è il transistor (indicato in figura).!!!!!!!!!!Il circuito oscillante è dato dal circuito LC (a fianco).!Gli elettronici dicono che il circuito di destra è molto complicato ma quello di sinistra è più semplice ovvero è semplificato!!!!!!!17. Oscillatore Colpitts

Nell’oscillatore Colpitts lavorazione di gamma si ottiene commutando l’induttanza L La variazione continua si ottiene variando le due capacità C1 e C2. Si ha qualche inconveniente sulla stabilità in frequenza. Modifica di CLAPP.!!1 / ω2 = L · CT!!CT = C1 · C2 / ( C1 + C2 )!!Con C1 / C2 = costante.!!Si ha qualche problema per la radiofrequenza ma si sono inventati dei trucchi circuitali per ovviare a questo problema.!!18. Schema generale di un generatore RF

Oscillazione di riferimento.!Un modulatore che permette di modulare sia in ampiezza oppure in frequenza. Il modulazione è un mixer e quindi un sommatore. Il mixer somma le frequenze e quindi si ha una modulazione in frequenza, oppure la somma

� di �6 15A. A. 2013 / 2014

Elettronica applicata e misure Lezione G4delle ampiezza e quindi una modulazione in ampiezza. Quindi si avrà un circuito modulatore. Si ha il solito attenuatore e i soliti circuiti per "stabilizzare" il segnale, se no il segnale oscilla un po’ troppo.!!19. Calibratore di frequenza

Il calibratore di frequenza serve a tarare la scala nelle diverse gamme. Negli strumenti più recenti si è sostituito da un frequenzimetro di tipo numerico. Il calibratore funziona sul principio dei battimenti.!!Il funzionamento è il seguente:!Se ho un segnale f1 allora se f2=f1 allora il modulo della differenza tra f2 tra f1 è un segnale continuo. !!20. Taratura

L'orecchio umano è un mixer molto preciso. Sta di fatto che riesce a sentire quando c'è silenzio oppure no. Utilizzando il circuito che si vede si può dire che un essere umano riesce attraverso la cuffia a capire quando il mixer fa fuoriuscire una tensione pari al zero poiché non c'è un rumore.!Questo circuito e dando un segnale fx il quale entra in un mixer, nel ministero vi è anche un segnale distorcente il mixer fa la differenza fra il segnale e i segnali distorti i quali passano a loro volta in filtro passa basso il quale elimina tutte le frequenze alte e quelle che rimangono vengono applicate e immesse all'orecchio umano.!!!!!

21, …,24. Generatore di segnali a battimenti

� di �7 15A. A. 2013 / 2014

Elettronica applicata e misure Lezione G4I limiti dei tradizionali generatori di tipo LC sono:!1. una gamma di frequenza piuttosto limitata;!2. si ha variazione dell’ampiezza del segnale lungo la gamma (il controllo dell’ampiezza non

riesce a compensare le variazioni dl circuito oscillatore);!3. si ha la commutazione di molti induttori o condensatori.!!Il generatore a battimenti supera tutti questi inconvenienti!!!In termini di frequenza:!

Esempio:!• f1 = 10 MHz!• f2 = 10,001 MHz;!• f2MAX = 10 MHz.!!Si ottiene:!• fumin = 1 kHz;!• fumax = 2 MHz;!!Si può avere un’ampia variazione di fu con una variazione di f2 del 20%.!!Problema: se si stima l’incertezza, si vede che l’instabilità di frequenza di f2 e di f1 si ripercuote in modo drammatico su fu soprattutto su fumin.!!Si ha un problema poiché si ha due incertezze (f1,f2) quindi utilizzando un modello per calcolare l'incertezza si ha l'incertezza è maggiore rispetto ad altri strumenti. Se ad esempio si utilizza l'incertezza deterministica, nella somma nella differenza tra la frequenza uno è la frequenza di due incertezze dei due segnali si somma. In altre parole il mixer fa la somma con la differenza delle due frequenze e incertezza del risultato è la somma delle due incertezze delle due frequenze (utilizzando il modello deterministico).!Se le frequenze (nel mixer) sono molto basse allora si può ottenere delle incertezze anche del 100%.!La correlazione può aiutare ad abbassare l' incertezza. Facendo finta di costruire i due generatore di segnali i più uguali possibili e utilizzando le stesse tecniche per assemblarli allora le due incertezze degli strumenti potrebbero essere molto vicini tra loro e anche il risultato che mettono fuori dovrebbe essere lo stesso. Se la correlazione è molto grande allora gli errori possono diventare molto piccoli. Nel modello deterministico o qualsiasi altro modello deve essere presi in considerazione non solo l'errore ma anche il fatto che i due strumenti sono quasi identici e quindi gli errori devono essere minore rispetto ad degli strumenti che non sono uguali.!!!25. Generatori di funzioni I generatori di funzione sono strumenti in grado di riprodurre forme d’onda di tipo periodico in un’ampia gamma di frequenze (da 10-3 Hz ai MHz), le varie forme d’onda possono essere:!1. quadre;!2. impulsi rettangolari (DC variabile);!3. triangolari;!

� di �8 15A. A. 2013 / 2014

Elettronica applicata e misure Lezione G44. a rampa;!5. sinusoidali.!!I generatori di funzioni vengono utilizzati per l’eccitazione di sistemi di regolazione (a frequenze basse), in applicazioni a frequenze audio (se non sono richiesta bassissima distorsioni della sinusoide - sostituiscono oscillatori Wien). Le misure con sweep in frequenza di filtri, possono essere eseguite utilizzando i generatori di funzioni che sostituiscono gli oscillatori a battimento.!!Questi generatori non danno un segnale purissimo (es un seno perfetto) ma ci si va molto vicini.!Sono strumenti che si possono anche utilizzare per provare dei circuiti prima di montarli definitivamente.!!26. Schema di un generatore di funzioni

!Il circuito cerchietto di rosso è un integratore.!Si manda in ingresso due generatori di corrente. All'uscita dell'integratore si ha un onda triangolare o qualcosa che ci va molto vicino. Se si integra con una corrente positiva si fa una rampa e va verso l'alto. Invece che si integra una con negativa da una rampa e va verso il basso. Quindi mandando nel integratore prima la corrente di un generatore e poi l'un dell'altro generatore attraverso l'interruttore si crea una corrente " alternata" e quindi integratore crea un'onda triangolare.!Per generare un'onda quadra basta utilizzare l'uscita dell'integratore e mettere in cascata un

circuito prosatore e un circuito di raddrizzarlo. In questo modo si ha un'onda rettangolare.!Se si vuole invece ottenere un'onda triangolare basta utilizzare l'uscita del integratore. Quest'ultima tuttavia dovrà essere notificata o fortunatamente e quindi dovrà passare attraverso un amplificatore. Si può anche ottenere un'onda sinusoidale.!!!!

� di �9 15A. A. 2013 / 2014

Elettronica applicata e misure Lezione G4

27, …, 30. Circuito formatore Per variare il DC ( I2 · I2 ).!!Per variare la frequenza:!1.variare C a scatti per la gamma;!2.variare R con continuità per variazione fine;!3.variare I1 e I2 mantenendo costante I1 / I2 in questo modo rimane costante il DC;!4.spostare le soglie Vs1 e Vs2 per variare anche l’ampiezza dell’onda triangolare.!!!!!

Avendo capito in precedenza che i due generatori di corrente creano l'onda triangolare, se si cambia l'intensità dei generatori si può cambiare l'ampiezza dell'onda triangolare. Invece per variare la frequenza bassa impostare il circuito RC con un'altra costante di tempo e più la costa di tempo piccola più la frequenza del circuito sarà elevata più la frequenza è bassa e più tale costante di tempo dovrà essere bassa.!Si può inoltre cambiare il dutycicle variando l'intensità di uno dei 2 generatori. Poiché si ha una rampa di salita diversa dalla rampa di discesa e questo porta l'integratore a comportarsi diversamente. Poiché "integrerà di più" sulla rampa più obliqua e meno sull'altra rampa.!!!Il CF (circuito formatore) è realizzato con il circuito seguente:!

!!!Per creare un mondo sinusoidale basta ottenere un partitore il quale ha una resistenza non variabile mentre l'altra può essere variata. Parlando a scatti e con scatti molto piccoli la tensione in uscita varia.

Quindi variando una delle due resistenze si può ottenere una specie di gradinata la quale si è molto piccola (sei gradini sono molto piccoli) allora la si può approssimare a una sinusoide.!!!!!!La caratteristica di Rv è ottenuta con una rete di diodi inseriti in successione.!!!

Si può ottenere una sinusoide attraverso una serie diodi. In particolare nel circuito visto in precedenza la resistenza variabile è fatta attraverso una cascata di diodi. I quali solamente una volta è attivo. Mettendo tanti diodi vicino uno all'altro e attivandoli solamente uno alla volta, si ottiene una spezzata che si è lisciata molto assomiglia a

� di �10 15A. A. 2013 / 2014

Elettronica applicata e misure Lezione G4una sinusoide. Quindi il risultato è di ottenere una sinusoide fatta a tratti la quale viene lisciata attraverso un filtro passa basso. Tale sinusoide e meno precisa rispetto agli oggetti visti presidente (ad esempio il ponte di Wien).!!La sinusoide in questo caso ha distorsione maggiore di quella ottenuta con il ponte di Wien.!!31. Soluzione alternativa per il generatore di frequenze Le alternative a basso costo per un generatore di funzioni se sono richieste frequenze non troppo alte e le esigenze non si spingono su distorsioni armoniche si può utilizzare una soluzione che prevede l’uso in cascata di:!1. memorie a sotto solido, contenente i campioni della forma d’onda da sincronizzare;!2. convertitore DA, comandato da un opportuno clock, che legge e converte i campioni in

memoria;!3. filtro passa basso, per eliminare le componenti indesiderate generate dal DA.!!Cambiando i campioni in memoria si cambia la forma dell’onda, si possono quindi generare le cosiddette forme d’onda arbitrarie.!!Un'altra soluzione molto meno cara è quella di utilizzare in cascata tre tipologie di componenti. La prima componente è una memoria a stato solito in cui sono contenuti i vari campioni che simboleggiano il segnale. In seguito tali campioni vengono convertiti in un segnale analogico e quindi si ottiene una specie di gradinata. Questa gradinata viene filtrata un primo passo passo per eliminare le componenti indesiderate generati dal convertitore digitale analogico.!Sebbene questa soluzione sia poco costosa e solertemente utilizzata ai giorni nostri per il semplice fatto che la memori a stato solido può essere profonda quando si vuole, i prezzi dei convertitori digitali analogici sono diminuiti. E per il fatto che si può formare qualsiasi onda che si vuole.

L'unico svantaggio che ha è che le varie onde non saranno ma è perfettamente lisce poiché rimarranno sempre delle componenti di di elevata frequenza e sebbene il filtro passa passo riesca ad eliminarle, tuttavia non essere eliminarli completamente.!!In questa figura si può vedere un'onda fatta a scalini che è uno zoom di una parte di un'onda. La linea verde rappresenta il filtro passa basso il quale cerca di eliminare tutte quelle componenti ad alta frequenza che non sono proprie dell'onda che si vuole generare!!!!!!

32, 33. Sintetizzatore di frequenza I sintetizzatori di frequenza sono generatori di segnali sinusoidali che coprono gamme di frequenza dalle acustiche alle microonde. La caratteristiche fondamentale di questi strumenti è che sono in grado di fornire delle frequenza con una risoluzione molto elevata, ad esempio da 8.632 a 725.42 kHz.!!La precisione della frequenza in uscita è praticamente pari a quella del campione interno al generatore di frequenza fissa.!!L’utilizzo pratico di questi strumenti è vario, si passa dalle misure su filtri, oscillatori (cioè sistemi ad eleva selettività) a sistemi di navigazione, emissioni radar, eccetera.!!Esistono due tipi di sintesi, una diretta e una indiretta.!!

� di �11 15A. A. 2013 / 2014

Elettronica applicata e misure Lezione G4Sintesi diretta. La frequenza in uscita da un riferimento di frequenza con operazioni matematiche del tipo:!• moltiplicazione per N;!• divisione per N;!• somma fra frequenza;!• differenza fra frequenze.!!Sintesi indiretta. Si utilizzano le proprietà dell’anello ad aggancio di fase (chiamato PLL) mediante l’impiego di divisori numerici di frequenza.!!I sintetizzatori di frequenza sono strumenti che generano determinate frequenze. Esse sono utilizzate nelle stazioni radio in cui è necessario avere una determinata portante con precisa frequenza.!Nelle stazioni radio si hanno due tipologie di segnale il segnale portante e il segnale modulante. Quest'ultimo è dato dalla voce o dalla musica ed è un segnale variabile. Mentre il segnale portante è un segnale fisso che si può col suo errore rimane fisso.!Nelle vecchie stazioni radiofoniche la portante variava nel tempo e questo poteva causare l'occupazione di un'alta frequenza occupata da un'altra e quindi l'ascoltatore seppur avendo sintonizzato la sua radio su una determinata frequenza ascoltava la stazione che aveva occupato quella banda poiché la portante era cambiata. Ai giorni nostri tale problema è stato risolto ponendo nelle stazioni radio degli oscillatori abbastanza precisi e se pur avendo i loro errori non vanno a coprire altre frequenze.!I sintetizzatori di frequenza non servono solamente le stazioni radio o televisive per inviare segnali ma servono anche per provare determinati strumenti come può essere ad esempio un GPS.!!Si può ottenere una frequenza in uscita attraverso una frequenza di riferimento utilizzando degli operatori matematici. Se la frequenza di riferimento è troppo piccola allora la si può sommare a un'altra frequenza oppure se troppo grande la si può sottrarre e così discorrendo. Inoltre si può moltiplicare la frequenza di base per una costante oppure dividere per una costante. In altre parole si prende la frequenza di riferimento la si manipola e si riesce ottenere la frequenza desiderata. Per manipolare tale frequenza si utilizza i quattro operatori aritmetici.!!34. Sintetizzatore di frequenza (soluzioni) !

La moltiplicazione era la moltiplicazione è un procedimento abbastanza semplice: si ha la frequenza che si vuole moltiplicare la

stessa entrare in un amplificatore non lineare e a questo punto si filtra il segnale in uscita prendendo solamente la frequenza che interessa.!!!!!!!!!!!!!!!!

� di �12 15A. A. 2013 / 2014

Elettronica applicata e misure Lezione G4

35, …, 38 . Sintesi diretta Divisore di frequenza per N.! !!

In questo schema si vuole rappresentare il modo in cui si può dividere una frequenza. Si ha un quarzo che vibra a una frequenza di 100 kHz (ad esempio) tale quarzo è la frequenza di riferimento. Il segnale viene immesso in un mixer il quale sottrae tale segnale a un altro segnale ad esempio in questo caso di 90KHz. La sottrazione in valore assoluto comporta un segnale alle 10KHz. A questo segnale lo si fa passare a un amplificatore selettivo il quale amplifica il segnale e attraverso il filtro pulisce il segnale. Quindi in

uso in uscita si è ottenuto un segnale diviso 10. Inoltre si può ottenere un segnale diviso per tre prendendo il segnale in uscita (quello da 10 KHz) e facendo passare attraverso moltiplicatore (moltiplicatore per tre). In seguito si prende il risultato e lo si può ancora moltiplicare per tre e ottenere un segnale alle 90KHz.!In sostanza si può dire che attraverso di mixer si abbassa il segnale o meglio dire la frequenza del segnale di attraverso dei moltiplicatori si alza la frequenza dei segnali. utilizzando questi due oggetti può ottenere svariate frequenze partendo da una sola frequenza.!!Divisore di frequenza alternativo, con circuiti digitali.!!!

In questo circuito si parte con la frequenza di riferimento, si squadra tale segnale che esce dallo oscillatore. Per squadrare l'onda si utilizza il trigger di Smith e il circuito tosatore.!In seguito attraverso un apparato digitale

(registro) si manipola l'onda la quale verrà divisa per un'opportuna costante. In seguito verrà ripulita da un filtro passa banda e amplificata opportunamente.!!!!!!Circuito sommatore:! !

Per sommare due frequenze o per dividere due frequenze basta utilizzare un mixer e in seguito ripulire il segnale con un filtro passa banda.!!!!!!!!!!!!!

� di �13 15A. A. 2013 / 2014

Elettronica applicata e misure Lezione G4Con una tecnica simile, cambiando il filtro si può ottenere:!!mf1 + nf2 !!oppure!!mf1 - nf2!!ottenendo dunque anche differenze di frequenza.!!I pregi di questo strumento sono:!1. elevata risoluzione (dal mHz in su);!2. elevata purezza spettrale;!3. commutazione rapida delle frequenze;!4. accuratezza dell’uscita pari a quella del campione.!!Ma ci sono anche dei difetti:!• complessità circuitale (molti circuiti accordati singolarmente);!• ingombro e peso;!• costo notevole.!!Ogni circuito deve essere tarato per il successivo. Ad esempio il filtro non può filtrare a caso. Tutto deve funzionare come una macchina unica e questo ha un costo non indifferente.!!39, …, 41. Sintesi indiretta Per la sintesi indiretta invece, studieremo dapprima il principio del PLL:!!

Il sistema reazionato agisce in modo da rendere:!•f0 = friferimento;!•∆φ = costante.!!Il VCO è un oscillatore la cui frequenza è comandata dalla tensione in ingresso.!!!

Il rivelatore di fase può operare su onde quadre, oltre che a quelle sinusoidali.!!In questo circuito si ha un generatore di frequenza. In seguito si ha un rivelatore di fase, che non è propriamente un rivelatore di fase ma è un rivelatore di frequenza. Esso dà in uscita una tensione più questa tensione è elevata più di due frequenze (fr,f0) sono diverse più la tensione uscita è uguale più sono uguali le due frequenze. La tensione che esce dal rilevatore di fase entra in un integratore il quale viene a sua volta la tensione proporzionale a quella che riceve. Dall'uscita di tale integratore il quale ha un filtro per filtrare le frequenze tali uscita andrà comandare un generatore di frequenze il quale generato una frequenza che è data dal comandoVdc ossia dall'uscita del integratore che ha un determinato filtro (come detto in precedenza). Il generatore VCO genera una frequenza che è comandata dalla tensione Vdc. In altre parole Vdc comanda il generatore di frequenze (Vco).!!Il sistema è un sistema relazionato quindi si congeda tale sistema deve fare in modo che questo sistema non oscilli troppo. Poiché è un sistema reazionato, ci vorrà un po' di tempo prima che esso (il sistema/il circuito) possa essere utilizzato o in altre parole quando si accende il circuito si deve aspettare un certo intervallo di tempo in cui le due frequenze sono uguali. Quando si accende il circuito l'oscillatore e mettere una frequenza la quale sarà confrontata con una frequenza pari a

� di �14 15A. A. 2013 / 2014

Elettronica applicata e misure Lezione G4zero e quindi il sistema relazionato inizierà a produrre una determinata frequenza la quale a poco a

poco sarà stabilizzata vi sarà uguale alla frequenza desiderata.!!Il circuito opera in modo da ottenere:!!friferimento / N1 = fu / N2!!così che:!!fiu = N2 / N1 · friferimento!!I divisori sono di tipo numerico con Ni interi.!!Questo è un tipico circuito in cui si può vedere come si

possono mettere i vari blocchi.!Partendo dall'alto e andando verso il basso seguendo la freccia nera si può dire che il primo blocco è un generatore di frequenze fisso il quale passa attraverso un generatore di onda quadra e poi attraverso un divisore e il procuratore di fase. In seguito dopo comparto di fase passa attraverso un filtro. In seguito tale segnale produrrà il segnale d'ingresso di un generatore di frequenza. Tale generatore di frequenza generato un segnale che verrà diviso per due e andrà nel compratore di fase.!Inoltre si può dire che l'uscita sarà N2/N1*frif dopo un certo intervallo.!!!I pregi della sintesi indiretta sono:!1. minore complessità circuitale;!2. uso massiccio di circuiti integrati;!3. più economico.!!Mentre i difetti sono rappresentati da:!1. una risoluzione non molto elevata;!2. una instabilità nella frequenza dovuta al modo di operare del circuito ad anello chiuso;!3. lentezza nelle transizioni da una frequenza all’altra (transitorio del circuito ad anello chiuso).!!Tale strumento viene normalmente usato negligo oscillatori delle stazioni radio TV.

� di �15 15A. A. 2013 / 2014