GENERATOARE DE SEMNAL SI PRINCIPII DE MASURARE A FRECVENTEI

Generatoare de semnal Si principii de masurare a frecventei

1 Generatoare

Generatoarele de semnale sunt aparate electronice care, in laboratoarele de masurari electronice, sunt utilizate ca surse de tensiune variabile in timp, cu o anumita forma de unda si cu nivel si frecventa reglabile. In esenta lor, generatoarele de semnal contin circuite electronice care transforma energia furnizata de sursa de curent continuu (de alimentare, Ea) in energie de curent alternativ furnizata la iesirea aparatului, intr-un singur punct (la borne), cu semnalul eg(t + kT), reglabil intr-un anumit domeniu de frecvente (f = 1/T).

Sunt denumite generatoare de semnale datorita faptului ca, in cazul acestor aparate, accentul nu se pune pe randamentul conversiei energiei electrice, ci pe calitatile formei de unda a semnalului de curent alternativ.

Un prim criteriu de clasificare a generatoarelor de semnal se refera la forma de unda a semnalului de la bornele de iesire; in functie de acest criteriu exista urmatoarele generatoare:

sinusoidale sau armonice, cand forma de unda a semnalului produs este sinusoidala;

- de semnale liniar variabile, cand forma de unda este liniar crescatoare in timpul cursei active (crescatoare) si cu panta mare de cadere in timpul cursei inverse (descrescatoare);

de semnale dreptunghiulare;

de semnale triunghiulare;

de semnale trapezoidale;

de semnale cu forme de unda specifice unei anume aplicatii (spre exemplu, de semnale dreptunghiulare defazate in timp - in cazul circuitelor de sincronizare a functionarii calculatoarelor electronice).

De notat este ca nu exista un criteriu unic de calitate pentru toate formele de unda generate, fiecare avand definite marimi specifice care, in fond, exprima cat de bine aproximeaza forma de unda de la iesirea generatorului modelul matematic al oscilatiei impuse de proces.

Pe langa calitatea formei de unda, alt criteriu de calitate se refera la stabilitatea oscilatiei, in conditiile in care asupra sistemului actioneaza perturbatii(cele mai importante perturbatii constau in modificarea valorii tensiunii de alimentare a sursei de curent continuu si/sau in modificarea temperaturii la care functioneaza circuitul).

2 Masurarea frecventei

Aparatele destinate indicarii frecventei semnalelor periodice in timp pot fi incadrate, pe baza categoriei de prelucrare, fie in clasa aparatelor analogice, fie in clasa aparatelor numerice.

Masurarea numerica a frecventei consta in numararea, intr-un interval de timp precizat, a perioadelor semnalului analogic prezent la intrare. Sunt prevazute, in acest scop, cu circuite electronice de adaptare a semnalelor analogice in gama de lucru a blocurilor de prelucrare, circuite de comanda a functiilor si circuite de interfata cu rolul de conversie a semnalului analogic in semnal numeric.

Aparatele analogice de masurat a frecventei semnalelor nu numara nimic (cu toate ca, uneori, sunt prevazute cu circuite de afisare numerica a valorii masurate), cel mult integreaza marimea prezenta la intrare. Au la baza fenomene fizice care sa determine un semnal analogic, care sa poata fi indicat continuu, proportional cu frecventa semnalului supus masurarii.

Masurarea frecventei cu circuit rezonant

Se bazeaza pe faptul ca un circuit LC (cu bobina si condensator) are frecventa oscilatiilor libere (de rezonanta) data de formula:

f₀ =    (1)

Aparatele indicatoare a frecventei care au in componenta circuite LC sunt prevazute cu sisteme care sa modifice parametrii L sau C (sau ambii) in asa fel incat frecventa de rezonanta sa fie egala cu frecventa semnalului u_i supus masurarii. In conditii de rezonanta tensiunea u_c la bornele condensatorului din figura (1.a) atinge valoarea maxima in raport cu frecventa semnalului din primarul transformatorului.

Selectivitatea circuitului, exprimand variatia u_c a tensiunii de pe condensator, atunci cand frecventa semnalului de intrare este diferita de frecventa de rezonanta a circuitului, este cu atat mai mare cu cat factorul de calitate Q al circuitului, definit prin relatia (1), are o valoare mai mare, conform figurii (1.a)

Q = .     (2)

Fig.1. Circuit LC

Se impune cresterea selectivitatii circuitului pentru ca sa poata fi stabilit cu precizie maximul tensiunii de pe condensator, ceea ce asigura micsorarea erorii determinarii frecventei tensiunii u_i. In acest scop, se recurge la micsorarea rezistentei circuitului (conexiuni cu conductor de lungime minima si de sectiune mare), utilizarea de capacitati de calitate si la cuplarea slaba a circuitului oscilator cu generatorul de semnal a carui frecventa se determina (inductivitatea de cuplaj de valoare mica determina reflectarea in circuitul LC a unei rezistente mici).

Pentru a aduce la rezonanta circuitul, se modifica valoarea capacitatii

condensatorului variabil C pana ce se obtine un maxim al valorii tensiunii indicate

de voltmetrul notat V_C in figura (1.b).

Axul condensatorului este cuplat mecanic cu acul indicator de pe scala de masura a valorii frecventei. Daca functia de variatie a capacitatii este liniara, scala de masura este neliniara (deoarece capacitatea este la numitorul expresiei frecventei de rezonanta); liniarizarea scalei de indicare a frecventei se face realizand constructiv condensatorul cu o variatie a capacitatii care sa compenseze neliniaritatea.

Cresterea clasei de precizie a aparatului, in conditiile scaderii impreciziei de stabilire a rezonantei circuitului LC (prin detectia indicatiei maxime a voltmetrului), pe langa masurile enuntate anterior, impune utilizarea de voltmetre electronice (cu impedanta mare de intrare) pentru masurarea tensiunii de pe condensator.

Uneori se recurge la notarea a doua valori de frecventa pentru care voltmetrul indica aceeasi tensiune (de-o parte si de alta a maximului) si se considera, ca frecventa semnalului ca media aritmetica a celor doua determinari.

In aceste conditii clasa de precizie a aparatului este in domeniul 0,1.

Daca scara instrumentului este gradata in unitati ale lungimii de unda:

l = c/ f , aparatul se intalneste sub numele de undametru.

Exista aparate de determinare a frecventei la care rezonanta circuitului este indicata de un microampermetru (minimul curentului), plasat in circuitul primar al transformatorului. Frecventmetrul cu aceasta constructie este "cu absorbtie" si se intalneste sub numele de "grip-dip-metru".

Masurarea frecventei cu punti de curent alternativ

Masurarea frecventei cu ajutorul puntilor de curent alternativ este o metoda de zero, in sensul ca se modifica unul din elementele puntii pana cand curentul prin diagonala puntii se anuleaza. Conditia de echilibru a puntii (curentul prin diagonala nul) se exprima in functie de impedantele complexe ale bratelor prin relatia:

Z1Z3 =Z2Z4 (3)

in care impedantele din bratele opuse sunt notate unele cu indice par si celelalte cu indice impar. O conditie echivalenta a echilibrului puntii consta in anularea tensiunii din diagonala puntii. Presupunand ca instrumentul de masurat are o impedanta foarte mare, tensiunea de dezechilibru a puntii poate fi calculata cu relatia:

(4)

Care conduce la aceeasi conditie de echilibru privind impedantele ca si anularea curentului prin diagonala puntii, data de relatia (4).

Conditia de echilibru a puntii este o relatie in complex, ceea ce inseamna ca trebuie sa se anuleze atat partea reala cat si partea imaginara, motiv pentru care echilibrarea puntii de curent alternativ se face cu ajutorul a doua elemente de circuit variabile. In functie de tipul impedantelor din bratele puntii si de elementele utilizate pentru a aduce puntea la echilibru s-au conceput foarte multe scheme de punti de curent alternativ, dar in cadrul aparaturii pentru masurarea frecventei s-au impus numai cateva, doua dintre acestea fiind prezentate in figura 2 (a - schema de principiu si b - schema variantei Wien Robinson).

Fig. Schema Wien Robinson

In cazul puntii de rezonanta conditia de echilibru a puntii determina relatiile:

R3 = si f₀ = (5)

Rezistenta R3 nu este un rezistor ci este data de rezistenta conductorului cu care s-a realizat inductanta L. Valoarea acesteia este compensata cu ajutorul rezistorului R Practic se modifica valoarea rezistentei R2 pana la minimul tensiunii de dezechilibru, dupa care se ajusteaza valoarea capacitatii C. Procesul se reia pana nu se mai sesizeaza scaderea valorii tensiunii din diagonala puntii.

Conditia de echilibru a puntii Wien Robinson, din figura (2), b, conduce

La relatia:

+ (6)

Pentru comoditatea reglajelor si calculelor, puntea se construieste in asa fel incat elementele de circuit sa indeplineasca relatiile:

f = (7)

R2 = 2R1, C3 = C4 = C, R3 = R4 = R. (h)

cand frecventa tensiunii de alimentare a puntii se calculeaza cu relatia:

f₀ =     (8)

Se remarca avantajul acestei punti fata de puntea de rezonanta prin faptul ca elementele de reglaj R3, R4 se pot modifica similar (cu conditia ca valorile celor doua rezistoare sa ramana in permanenta egale). De fapt se utilizeaza un potentiometru care pe aceleasi ax are doua sectiuni separate, una pentru rezistorul R3 si cealalta pentru rezistorul R4. Domeniul de frecventa se schimba decadic prin inlocuirea simultana a capacitatilor C3 = C4. Masurarea cu punti de curent alternativ a frecventei asigura o clasa de precizie a aparatului din domeniul 0,010,2 de la 10 Hz la 1 MHz.