SCHEDA DI PROGRAMMAZIONE

SCHEDA DI PROGRAMMAZIONE		a.s. 1999 -2000	Prof. Vittorio Crapella
Sez di Qualifica: : OPERATORE  ELETTRONICO
Classe: 3a ELETTRONICO
Disciplina: LABORATORIO DI ELETTRONICA - ESERCITAZIONI PRATICHE
Monte ore annuo: 208	Modulo n. 1 Unità n. 1.5
Titolo del modulo: DISPOSITIVI ELETTRONICI DI BASE
Titolo dell'unità didattica: UD.1.5 - FILTRO PASSA BANDA CON OPERAZIONALE
Prerequisiti: Conoscenza delle leggi fondamentali dell'elettronica . Saper usare la strumentazione di laboratorio (alimentatore, generatore, oscilloscopio, frequenzimetro).
Obiettivi: Conoscere i principali FILTRI con operazionali e il loro principio di funzionamento. Saper disegnare lo schema e dimensionare i componenti in funzione della frequenza desiderata. Saper realizzare il circuito, verificare il funzionamento e rilevare le forme d'onda con misurazione delle frequenze di taglio mediante oscilloscopio e frequenzimetro.
Contenuti: Realizzazione del circuito pratico con basetta bread-board. (Tot. ore 1) Verifica del funzionamento e rilievi di tensioni mediante strumentazione. (Tot. ore 3) Simulazione a PC del funzionamento e misurazioni con l'uso di Workbenck. (Tot. ore 2) Compilazione quaderno degli appunti con schema, spiegazione funzionamento, e tabelle con i rilievi effettuati. (Tot. ore 2) Verifica di apprendimento mediante prova semi-strutturata con correzione . (Tot. ore 1)
Metodi di insegnamento: Spiegazione, lezione frontale, del funzionamento dei filtri con operazionali richiamo dei concetti di base (reazione, sfasamento), dimensionamento dei componenti . (Tot. ore 1)
Mezzi e strumenti di lavoro: componenti elettronici - bread-board - alimentatore - generatore B.F. - oscilloscopio fotocopie - PC - orcad - Workbenck Ambiente: LABORATORIO TELECOMUNICAZIONI MR3
Tempi e periodo di effettuazione: COMPLESSIVE ORE 10 primo periodo
Strumenti di verifica: prove pratiche - grafiche e verifica apprendimento

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ISTRUZIONE PROFESSIONALE

ESERCITAZIONI - PRATICHE 3a - "OPERATORE ELETTRONICO"

FILTRO PASSA-BANDA A REAZIONE MULTIPLA

MODULO 1.5

SCHEMA:

SPIEGAZIONE:

Si chiama a reazione multipla perché dall'uscita si riporta segnale verso l'ingresso attraverso due rami uno capacitivo e uno resistivo. Dalla teoria sappiamo che un filtro passa banda é caratterizzato da una frequenza di risonanza Fo e dalla larghezza di banda B = F2 - F1 frequenze di taglio superiore ed inferiore determinate sulla curva di risposta a - 3dB del valore a Fo o pari al 70 % del valore max . Il rapporto fra Fo e B danno origine ad un numero chiamato fattore di merito che si indica con Q e che ci indica quanto il circuito é selettivo (più il Q é elevato più la banda é stretta) Q = Fo / B Infatti per ottenere un numero di Q alto deve essere B piccolo. Il circuito raffigurato si presta per realizzare circuiti passa banda a basse frequenze per Q non superiori a 10. Essendo il filtro di tipo attivo (dovuto all'amplificatore OP) vi sarà anche un guadagno alla Fo che si indica con:

Go = R3 / 2 R1 da cui R3 = 2 Go R1

Esiste una relazione tra Q e Go tale da imporre Q > Go / 2 dove Q <10

La frequenza di risonanza Fo é:

DIMENSIONAMENTO DEI COMPONENTI:

Per il dimensionamento bisogna imporre i dati desiderati tenendo presente quanto precedentemente esposto. Il dati fondamentali saranno Fo, B , Go inoltre si impone un valore a C a piacere ( ordine di grandezza dei nF).

Esempio:

Progettare un filtro passa banda con Fo = 800 Hz , Go =1 , B = 100 Hz. e C = 10 nF sarà Q = Fo / B = 800 / 100 = 8 R1 = 8 / 6,28 x 800 x 10 nF = 159 Kohm - Valore commerciale 150 K

R2 = 8 /6,28 x 800 x 10 x 127 = 1,25 Kohm - Valore commerciale 1,2 k R3 = 2 x 1 x 150 = 300 Kohm - Valore commerciale 330 K

Considerato che i valori di R1 e R3 sono stati approssimati ai valori commerciali ne consegue che per poter tarare il filtro sulla frequenza voluta sarà necessario agire su R2 (trimmer da 2K).

SCHEDA DI LAVORO:

• 1) - Realizza su bread-bord il circuito dello schema, alimentalo con tensione duale e manda un segnale d'ingresso con il generatore di BF di 1 Vpp alla frequenza di 800 Hz.
• 2) - Tara il trimmer affinché l'uscita abbia la massima ampiezza cioè risuoni su Fo.
• 3) - Varia la frequenza del generatore verso il basso e poi verso l'alto affinché l'uscita diventa 0,7 rispetto al valore massimo alla Fo e annotate la F1 (bassa) e F2 (alta) e ricavate B=F2-F1.
• 4) - Ricava per punti la curva di risposta (tre ricavati al punto 3) a partire da 300 Hz a salire fino a 1300 Hz circa.
• 5) - Sposta il trimmer prima tutto antiorario e poi tutto in senso orario e rimisura la frequenza di risonanza in entrambi i casi, annotando sempre la massima tensione alla risonanza, le F1 e F2 come al punto 3 e la B.
• 6) - Verifica che Go e B corrispondano a quelli ipotizzati con i calcoli.

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Relazione relativa allo studio di un filtro passa banda a reazione multipla.

di un Alunno       Classe 3° Operatore Elettronico.       Sondrio 1/05/2000

Obiettivi:

1. Disegnare un filtro passa banda a reazione multipla.

2. Calcolare il valore dei componenti affinché si abbiano i seguenti valori: Fo (frequenza di risonanza) =425 Hz , B (banda passante ) =80 Hz , Go (guadagno alla frequenza di risonanza) = 2.

3. Montaggio del circuito in questione su di una Bread-Board.

4. Effettuare i collegamenti del caso e mediante strumenti quali : oscilloscopio, alimentatore e, generatore di funzioni ricavare la curva di risposta .

5. Ricavare tramite le misure i parametri caratteristici di un circuito risonante, verificare quindi se i valori misurati corrispondevano all'incirca a quelli calcolati facendo le opportune considerazioni.

6. Verifica con simulatore software WorkBench mediante PC.

Schema elettrico :

Valori dati : Fo = 425 Hz / B =80 Hz / Go =2.

Valori calcolati :

Calcolo la cifra di merito Q che esprime la selettività del circuito conoscendo

la frequenza di risonanza Fo e la banda passante B.

Fissando la capacità C = 10 nF , e conoscendo Q, Fo e Go,

con le formule date posso calcolare R1, R2 e R3.

I valori commerciali saranno :

R1 = 100 KOhm - R2 = 3,9 KOhm - R3 = 390 KOhm

Parte pratica :

Ho realizzato il montaggio del circuito rappresentato precedentemente in figura su di una Bread-Board alimentandolo successivamente con una alimentazione di tipo duale ±12V.

Dopo aver predisposto i vari strumenti necessari ad effettuare le misure (oscilloscopio e generatore di funzioni ) ed aver effettuato gli opportuni collegamenti ho regolato l'ampiezza del segnale in ingresso tramite il generatore ad un valore pari ad 2 Vpp.

Si è poi osservato l'andamento del segnale in uscita al variare dei valori di frequenza ricavando la conseguente curva di risposta e potendo fare quelle che saranno le successive osservazioni.

Curva di risposta ricavata :

Ho cercato la frequenza di risonanza Fo cambiando frequenza del generatore osservando l'istante in cui il segnale d'uscita diventasse il massimo possibile , ho letto una Fo = 405 Hz e ho misurato l'ampiezza d'uscita che é risultata di 3,95Vpp. Sapendo che per definizione le frequenze di taglio F1 e F2 sono quelle frequenze per le quali il segnale d'uscita diventa il 70% del suo valore massimo, ho calcolato il 70% del segnale max d'uscita.

Vout(F1,F2) = 3,95 x 70/100 = 2,765 V (circa 2,8V)

Ho regolato il generatore affinché si verificasse quanto appena detto e ho preso nota della frequenza F1= 375 Hz e F2= 450 Hz

Sapendo che la banda passante é B= F2-F1 ho trovato B= 450-375 = 75 Hz

Vin = 2Vpp cost.
F (Hz)	Vout (V)
100	0,22
150	0,4
200	0,62
250	1,1
300	1,6
375	2,8
405	3,95
450	2,8
500	1,6
550	1,2
600	0,9
650	0,7
700	0,62
750	0,4
800	0,24

  Riportando i dati ricavati, cioè l'ampiezza del segnale d'uscita in funzione della frequenza del segnale d'entrata, in una tabella ho potuto con Excel ricavare il seguente grafico:

 

Analisi dei risultati:

Confrontando i risultati ottenuti con quelli voluti posso affermare che pur essendo leggermente diversi sono soddisfacenti infatti il guadagno é praticamente uguale A=1,975 invece di 2, la banda passante invece di 80 Hz risulta di B=75Hz e la frequenza di risonanza invece di 425 Hz risulta Fo=405 Hz circa il 5% in meno del voluto.

Queste differenze sono dovute principalmente a due motivi:

- approssimazione dei componenti ai valori commerciali,

- tolleranza dei componenti (avrebbero dovuto essere di precisione, resistenze all'1% e capacità con coefficiente di temperatura del tipo NP0).

VERIFICA CON ELETTRONIC WORKBENCH

Il software EWB si presta ad essere utilizzato per simulare virtualmente circuiti come quello realizzato praticamente in laboratorio su bread-bord.

EWB inoltre permette di visualizzare direttamente sul monitor la risposta del filtro come se si disponesse di un analizzatore spettrale.

La funzione Bode Plotter di EWB corrisponde ad avere un generatore "swippato" (generatore a spazzolamento) che genera segnali a frequenza in continuo cambiamento compreso tra un minimo e un massimo (in questo caso tra 60Hz e 2KHz).

Anche in laboratorio si potrebbe realizzare la stessa cosa utilizzando appunto un generatore B.F. a spazzolamento e un oscilloscopio con ingrasso X-Y dove in X entra il segnale d'uscita del filtro e in Y entra lo stesso segnale a dente di sega che comanda lo swip del generatore.

Osservando quanto il Bode Plotter ha tracciato e spostandosi con il cursore (mediante le frecce -> <- ) si può leggere la frequenza e i decibel dB relativi al segnale d'uscita. Come si può osservare la frequenza di risonanza risulta essere Fo= 416 Hz.

Usando la stessa tecnica di regolazione mi sono spostato a - 3dB rispetto al massimo (5,8 dB) che corrisponde al 70% di prima e ho letto sia F1 sia F2 ottenendo:

F1= 376 Hz e F2= 459 Hz

da qui B= F2-F1 = 459-376= 83 Hz

Sapendo che l'amplificazione espressa in dB = 20 log A e sapendo che vale 5,8dB sarà log A= 5,8/20 = 0,29 da cui A = 10 ^0,29 = 1,95 (voluto era 2)

Come si può osservare mediante EWB avendo componenti ideali si ottengono risultati più soddisfacenti per quanto concerne la frequenza di risonanza Fo mentre per gli altri valori siamo all'incirca con la stessa tolleranza di quelli ottenuti con l'esperimento pratico in laboratorio.

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VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO

Dato il seguente grafico determina:

• La frequenza di risonanza Fo = ..............................

• Le frequenze di taglio indicandole sul grafico F1 = .................. e F2 =.....................

• La banda passante B = .....................

• Il fattore di merito Q = .....................

• Il fattore di merito Q esprime ............................................................................................................