MASURAREA FILTRELOR

I. Consideratii teoretice

1. Masurarea filtrelor de joasa frecventa

Se face , in general, punct cu punct, cu accent pe determinarile din jurul frecventelor singulare( extreme locale- la FTB, FOB sau FTJ ori FTS cu supracresteri) sau al frecventelor de la 3dB in raport cu frecventele singulare.

S- au ales, pentru experimentare, filtre bi- patratice Kerwin- Huelsman

Newcomb, deja studiate cu ajutorul calculatorului la lucrarea de analiza si sinteza FARC.

Implementarile s- au facut atat cu amplificatoare operationale cuadruple bM324- IPRS- Baneasa( vezi si aplicatia de la analiza spectrala a semnalelor) cat si cu amplificatoare Norton bM3900- IPRS- Baneasa, studiate in detaliu la cursul si laboratorul de Circuite Integrate Liniare.

2. Masurarea filtrelor de inalta frecventa

Se face, in general, cu aparate care permit trasarea caracteristicilor amplitudine- frecventa, de tipul "vobler" ( sau "vobulator", "vobuloscop"- vezi fig. 1) asociate unui osciloscop, precum schemele generale prezentate la lucrarea de analiza spectrala a semnalelor.

Spre deosebire de anlizoarele spectrale care masoara un semnal fix( in general ne- sinusoidal, prin sondarea lui cu un FTB "ac" mobil- sau heterodinarea lui peste un FTB "ac" fix), vobler- ele masoara un FTB prin trecerea prin acesta a unui semnal sinusoidal masuratin frecventa de catre baza de timp a osciloscopului.

La inalta frecventa, inter- modularea dintre semnalul de  sondare si semnalul de baleiere( de frecventa mult mai joasa) nu mai conteaza semnificativ( cum s- ar intampla la analiza filtrelor de joasa frecventa cand semnalul de baleiere ar putea avea frecventa- limitata inferior de remanenta ecranului osciloscopului- chiar mai mare decat frecventele singulare ale filtrului de masurat).

3. Filtrele de inalta frecventa alese pentru experimentare sunt :

Filtre de frecventa intermediara- 10.7MHz- realizate cu rezonator ceramic - tip FCM 10.7 sau cu o "ceramica" de structura foarte regulata- cuart- filtre realizate la Institutul de Ceretari in Electronica- Bucuresti.

Filtre pentru selectoarele de canale TV - produse de Electronica

Bucuresti

Selectorul de canale FIF- UIF cu tetrode MOS

Detalii de functionare 

Borna de antena este comuna pentru domeniile de FIF si UIF.

Partea de FIF este realizata in stil clasic cu amplificator de intrare, oscilator local, etaj de amestec. In mod suplimentar, este prevazuta cu un etaj de fercventa intermediara.

Circuitul de intrare al semnalelor de FIF este un filtru trece banda, selectiv, cu acord variabil pe canal.

La receptionarea benzilor, I, II, participa urmatoarele elemente: C1, L1, L13, L14, dioda Varicap D5 de tip BB139, C26. La receptionarea benzii III, dioda de comutare D6 de tip BA243 intra in conductie si conecteaza la masa circuitul serie( L15, C27). Bobina L15 se conecteaza in paralel pe dioda D5 si grupul serie al bobinelor L13, L14. Cuplajul cu antena se face pe priza inductiva, iar cu amplificatorul de intrare prin C30.

Amplificatorul de intrare de FIF este echipat cu o tetroda MOS- T4 de tip BF981 sau BF961. Drena este alimentata in curent continuu de la borna BI prin L18, L17 si L16, iar la receptionarea benzii III de la borna BIII prin dioda de comutare D8 de tip 1N4148, L18, L17 si L16. Sursa este polarizata prin divizorul R24, R23, iar grila intaia prin R21. La receptionarea benzii III tensiunea de polarizare se aplica electrozilor de mai sus prin intermediul diodei D8. Pe grila a doua se aplica tensiunea de RAA prin R20 de la borna comuna( RAA). Sursa este decuplata de C33, iar grila a doua de C31.

Semnalul de FIF aplicat grilei intaia se culege amplificat din drena TEC- MOS. Pentru o tensiune de RAA de circa 8.5V, amplificarea etajului devine maxima, iar pentru 2.5V devine minima. Amplificarea maxima corespunde la un semnal de intrare redus( in jur de 100mV), iar cea minima la un nivel de intrare de circa 100mV.

Circuitul de sarcina al amplificatorului este un filtru trece banda cu circuite cuplate, cuplajul fiin inductiv 'in picior", realizat cu L18. Circuitul primar este format din L16, L17, R25, L18, C34, C35 si dioda Varicap D7 de tip BB139 pentru benzile de I, II si din L16, C34, C35 si dioda D7 si dioda D9 pentru receptionarea benzii III. Circuitul secundar este format din: L19, L20, L18, C38 si dioda Varicap D11 de tip BB139 pentru receptionarea benzii III. La receptionarea benzii III, cuplajul dintre primar si secundar este de tip inductiv mutual intre L16 si L19.

Oscilatorul local este echipat cu tranzistorul NPN cu siliciu T6 de tip BF199, montat in conexiune BC. Alimentarea in colector se face de la BI prin R29, L23 si L22 pentru receptionarea benzilor I, II si de la borna BIII prin D8, R29, L23 si L22 pentru receptionarea benzii III. Baza se alimenteaza prin divizorul R37, R36 si e decuplata de catre C51. Tensiunea de alimentare este filtrata de C40 si C46. circuitul oscilant al oscilatorului " in trei puncte", de tip Colpitts, este montat intre colector si masa fiind format din: L22, L23, C42, C44, C43 si dioda Varicap D12 de tip BB139 pentru receptionarea benzilor I si II si din: L22, C44, C42, D12 si dioda de comutare D13, care, fiind in conductie scurtcircuiteaza pe L23 si C43, in cazul receptionarii benzii III. Compensatorul C42 are rolul de "padding" adica de ajustare( scurtare) a capacitatii diodei varicap D12 la valoarea necesara pentru alinierea la frecvente mari a circuitului oscilant.

Circuitul de reactie pozitiva este format din divizorul C47, C49. La receptionarea benzilor I, II peste condensatorul C49 se mai adauga C48 inseriat cu C43, iar la receptionarea benzii III se adauga numai C48. Adaugarea acestor capacitati imbunatateste stabilitatea frecventei oscilatorului local.

Oscilatia locala se aplica etajului de amestec prin condensatorul de cuplaj C45.

Etajul de amestec este echipat cu o tetroda MOS- T5 de tip BF981 sau BF961. Amestecul este de tip multiplicativ deoarece pe grila intaia se aplica semnalul de FIF, iar pe cea de- a doua oscilatia locala. In drena se obtine semnalul de frecventa intermediara amplificat. Alimentarea drenei in curent continuu se face permanent de la borna de +12V prin R39, L26 si L24, iar grila a doua se alimenteaza prin divizorul R34, R32.

Circuitul de sracina al etajului de amestec este un filtru trece banda cu circuite cuplate, cuplajul fiind de tip inductiv " in picior" si realizat cu bobina L26. Circuitul primar este format din C50, L24, L26 si rezistenta de amortizare R38, iar cel secundar din C54, L25 si L26. Semnalul de FI, obtinut la bornele secundarului, se aplica prin condensatorul de cuplaj C55, iar banda unui tranzistor ce echipeaza un etaj de amplificare suplimentar de FI. Amplificatorul de FI este echipat cu tranzistorul NPN cu siliciu T7 de tip BF199, montat in conexiune Emitor Comun. Alimentarea colectorului se face permanent cu tensiune continua de la borna de +12V prin primarul TR1 si R42,iar a benzii prin divizorul rezistiv R40, R43. Sarcina amplificatorului o constituie un transformator de FI- TR1 de banda larga, cu infasurarile bobinate pe un miez de ferita. Semnalul de FI se culege simetric fata de masa de la bornele secundarului TR1. Se regaseste intre bornele selectorului notate cu FI.

Partea de UIF eset realizata cu un amplificator de intrare, un oscilator local si un etaj de amestec.

Circuitul de intrare este un filtru de banda realizat cu un transformator cu primarul neacordat si cu secundarul acordabil pe canal. Circuitul primar este format din C1 in serie cu L1, iar cel secundar din: L2, C2, dioda varicap D1 de tip BB125A( B) si C3. Semnalul de UIF se culege de la priza capacitiva a divizorului D1, C3 si se aplica prin C4 pe grila intaia a tranzistorului MOS- FET amplificator de UIF.

Amplificatorul de UIF este echipat cu tetroda MOS- T1 de tip BF966. Sursa tetrodei este decuplata la masa de condensatoarele C6 si C7, conectate in paralel. Drena este alimentata in curent continuu de la borna UHF prin L3, iar grila intaia de la aceeasi borna prin divizorul R5, R4 si R3. Grila a doua este polarizata cu tensiunea de RAA prin: R20, R19 si R2 de la borna notata cu "RAA". Grila a doua este decuplata in UIF de catre C5.

Tensiunea de RAA in lipsa semnalului de intrare este de circa 9V, iar in prezenta unui semnal de nivel mare( aproximativ 100mV), tensiunea de RAA este de circa 2.5V.

Circuitul de sarcina al amplificatorului de UIF este un filtru de banda complex realizat cu circuite cuplate, avand un cuplaj mixt " in cap" prin L6 si "in picior" prin L7 si L8. Circuitul primar este format din L4, L7, C10, trimerul C12 si dioda varicap D2 de tip BB125A( B). Circuitul secundar este format din L5, L9, C11, trimerul C13 si dioda varicap D3 de tip BB125A( B). Cuplajul filtrului cu dreana se realizeaza prin C9, iar cu etajul de amestec cu C14.

Tensiunea de polarizare a diodelor varicap se obtine de la borna notata cu UVAR si se aplica catodului diodelor prin R6. Anterior este filtrata cu C15.

Oscilatorul local de tip( Colpitts) este echipat cu tranzistorul PNP cu siliciu T2 de tip 2N4957 sau 2N4958, montat in conexiune Baza Comuna, baza fiind decuplata de catre C25. Emitorul se alimenteaza in curent continuu de la borna "UIF" prin R13, iar baza prin divizorul R14, R12. Curentul de colector se inchide la masa prin L11 si R11. Caderea de tensiune de pe R11 asigura polarizarea colectorului. Circuitul oscilant este format din: dioda varicap D4 de tip BB125A( B), C16, L19 si L10. Cuplajul cu colectorul se realizeaza prin C23, iar cu etajul de amestec prin C17. O reactie pozitiva se asigura prin divizorul capacitiv C19, C24.

Etajul de amestec este echipat cu tranzistorul PNP cu siliciu T3 de tip BF272B, montat in conexiune Baza Comuna. Baza este decuplata de C20 in paralel cu C21.

Alimentarea in curent continuu se realizeaza de la borna UHF prin R8 pentru emitor si prin divizorul R9, R10 pentru baza. Colectorul este conectat la masa in curent continuu.

Amestecul este de tip aditiv, ambele semnale - de FIF si oscilatia locala- aplicandu- se pe emitorul tranzistorului T3. Circuitul de sarcina al etajului de amestec etse un circuit simplu, neacordat de banda larga format din: L12, R15 si capacitatea de iesire a tranzistorului. Semnalul de FI se aplica prin R16 si L21 in prima grila a tranzistorului MOS- T5, care echipeaza etajul de amestec din partea de FIF. Etajul de amestec din FIF devine un amplificator de FI, atunci cand se receptioneaza emisiuni din UIF. Grila a doua a MOS- ului T5 se alimenteaza in curent continuu prin divizorul R34, R32 de la borna UHF.

II. Aparate necesare :

Vobler- de exemplu H1-43- Rusia ;

Sursa multipla de tensiune, stabilizata- de exemplu E4109- I.C.E.- Bucuresti ;

Sursa( auxiliara) de tensiune, stabilizata- de exemplu E4109- I.E.M.I.- Bucuresti ;

Generator de semnale- de exemplu "Versatester" E0502- I.E.M.I.- Bucuresti ;

Selector de canale TV - tip P38308- 020- Electronica- Bucuresti ;

Programator TV- tip R10161D- Electronica- Bucuresti;

Filtru ceramic pentru frecventa intermediara de 10.7MHz- de exemplu FCM 10.7

Filtru cu cuart pentru frecventa intermediara de 10.7MHz

Machetele de laborator - filtru bi- quad cu bM324 - IPRS- Baneasa

- filtru bi- quad cu bM3900 - IPRS- Baneasa

III. Desfasurarea lucrarii

1. Masurarea filtrelor active ale selectorului de canale

Selectorul de canale este circuitul care transfera informatia din semnal cu frecventa purtatoarei intr-un semnal cu frecventa fixa denumita frecventa intermediara.

Este compus dintr-un mixer cu un oscilator local si un filtru activ de frecventa intermediara.

La selectorul de canale pe care se fac masuratorile de laborator reglarea frecventei se face cu ajutorul unui divizor rezistiv de tensiune care modifica tensiunea de polarizare a unei diode varicap, care isi modifica astfel capacitatea de bariera, ceea ce duce la modificarea frecventei de taiere a filtrului din selector

In cele ce urmeaza vom prezenta caracteristica semnalului video complex:

Semnalul de sincronizare pe orizontala este format din pulsuri de 5 microsecunde la zero Volti. Semnalul video pe linie propriu-zis este o forma de unda care variaza intre 0,5 si 2 Volti, unde 0,5 Volti reprezinta culoarea negru, iar 2 Volti reprezinta nivelul de alb. Intre aceste doua niveluri se gasesc nuantele de gri. In televiziunea alb-negru aceste semnale au banda de 3,5 MHz, pe cand la TV color ele sunt de numai 3 MHz.

Semnalul de sincronizare pe verticala este similar cu cel de sincronizare orizontala dar cu lungimi cuprinse intre 400 si 500 microsecunde.

Pentru aparitia culorii la TV color se introduce un semnal de burst, care este o oscilatie sinusoidala cu opt pulsatii care se adaoga la semnalul de sincronizare orizontala si are o frecventa de 3,579545 MHz dupa cum putem vedea in figura ce urmeaza. Culoarea este data de faza acestui semnal. iar saturatia este data de amlitudinea acestuia.

Figura urmatoare prezinta caracteristica de transfer idealizata a selectorului de canale:

A. Semnal residual de imagine

B. Purtatoarea semnalului video

C. Transmisia intregii imagini (semnalul video complex)

D. Purtatoarea semnalului audio

In realitate, aceasta caracteristica arata astfel:

Diviziunile pe verticala sunt de 10dB, iar pe orizontala de 1MHz.

"Masca" de 6 MHz a semnalului video poate fi vazuta foarte clar in aceasta caracteristica lata de 10MHz. Filtrul elimina foarte bine cei 2 MHz din partea stanga a caracteristicii, precum si ceilalti 2MHz din partea dreapta a acesteia, semnalul din aceste portiuni nefiind semnal util. Cel mai inalt semnal (situat la 3,25 diviziuni de la stanga caracteristicii) este purtatoarea semnalului video propriu-zis, pe cand cel de-al doilea semnal cu o amplitudine mare (situat la 2,25 diviziuni din partea dreapta a caracteristicii) este purtataoarea semnalului audio. Al treilea varf (mai mic) care se poate observa pe caracteristica la aprox. 3,25 diviziuni din dreapta caracteristicii este semnalul Burst de culoare / care da crominanta.

Cu ajutorul selectorului de canale se variaza banda de frecventa primita la intrarea acestuia, iar banda citita de la intrare se transpune in banda de frecventa intermediara, aceasta urmand sa fie interpretata si in final afisata pe ecran.

2. Masurarea filtrelor de frecventa intermediara de 10.7MHz

Se studiaza filtrele de FI 10.7MHz. Se observa replicile caracteristicii din banda de baza, centrate pe armonicile impare( datorate efectului piezoelectric) ale frecventei centrale de10.7MHz( mai ales banda centrata pe 30.7=32.1MHz). Pentru a putea beneficia de gradatiile pe orizontala ale ecranului blocului de afisare, se pot regla brut( cu ajutorul afisajului digital al frecventei) si fin( cu ajutorul markerilor de zeci si unitati de MHz), limitele de baleiere intre 10 si 11MHz.

Filtrul Ceramic:

Se introduce de la generatorul de semnale un semnal dreptunghiular, care la iesire se va transforma intr- un semnal avand forma aproximativa de sinc.

Semnalul de la iesire este atenuat de caracteristica filtrului FTB.

Semnalul de iesire se poate considera o suma din semnalele de amplitudine diferita centrate pe armonicile impare.

Pornirea montajului:

Se alimenteaza filtrul

Se introduce semnal dreptunghiular la intrare de la generatorul de semnale

Se regleaza offset= 0; amplitudinea= 2,5V

Se conecteaza osciloscopul; domeniul osciloscopului va fi fixat pe 50mV

Se va modifica frecventa intre 10.4MHz si 10.99MHz

Se considera atenuarea sondei= 10;

Masurarea se va face pe caracteristica XY a osciloscopului. In tabelul de mai jos s- au considerat ca diviziuni v-v 0,2 din unitatea osciloscopului. (T pentru ca rezultatul sa fie exprimat in unitati ale osciloscopului se va calcula astfel:

numarul de diviziuni_vv(mici- din tabel)* 0,2;

In urma masuratorilor a rezultat tabelul :

Valoarea maxima in subdiviuziuni ale osciloscopului este 44T V_max=44*0.2*50mV*10=4400*10^-3V=4.4V

Valoarea lui f_m este valoarea frecventei la care amplitudinea semnalului are valoarea T acestei valori ale tensiunii ii corespunde frecventa f_m= 10.61MHz si

f_M= 10.71MHz

Frecventa f_m se calculeaza spre stanga, iar f_M se calculeaza spre dreapta de la frecventa corespunzatoare amplitudinii maxime.

Filtrul cu cuart

Pornirea montajului:

Se alimenteaza filtrul

Se introduce semnal dreptunghiular la intrare de la generatorul de semnale

Se regleaza offset= 0; amplitudinea= 2,5V

Tensiunea varf- varf = 5V

Se conecteaza osciloscopul; domeniul osciloscopului va fi fixat pe 500mV

Se va modifica frecventa intre 10.68MHz si 10.7MHz

Se considera atenuarea sondei= 10;

Masurarea se va face pe caracteristica XY a osciloscopului.

Valoarea maxima a tensiunii se afla la frecventa f= 10.6953MHz

f_m= 10.6950MHz ( frecventa calculata ca la filtrul ceramic, la (=-3dB) spre stanga)

f_M= 10.6957MHz ( calculata la (= -3dB) spre dreapta)

4. Masurarea filtrelor bi- patratice de joasa frecventa

a). Filtrul bi- qaud cu AO de tensiune bM324- IPRS- Baneasa

b). Filtrul bi- quad cu AO trans- impedanta( de tip Norton) bM3900- IPRS- Baneasa

Pornirea montajului:

Se alimenteaza filtrul

Se introduce semnal la intrare de la generatorul de semnale

Se regleaza offset= 0

Se conecteaza osciloscopul;

Masurarea se va face pe caracteristica XY a osciloscopului

Se considera atenuarea sondei= 10;

Se regleaza frecventa pentru maximul local (f₀) astfel incat pentru acesta valoare a frecventei pe osciloscop sa apara nivelul de 6 div_v-v. ( am obtinul domeniul de 0,1V).

Se descreste si creste frecventa astefel incat sa obtinem frecventele f_m si f_M la 4 div_v-v.

Frecventa maxima s- a considerat la un nivel de 6 div_v-v . La -3dB frecventa este frecventa corespunzatoare unui nivel de

Masurarea FTJ( circuit de integrare)

f₀= 1.215kHz, frecventa maximului local;

Daca se scade frecventa pana cand se obtine pe osciloscop nivelul de 4 div_v-v se obtine frecventa f_m= 1.19kHz;

Daca se creste frecventa pana cand se obtine pe osciloscop nivelul de 4 div_v-v se obtine frecventa f_M= 1.24kHz;

Dupa 1.24kHz, daca crestem frecventa va scade nivelul, iar pentru o frecventa de 2.5kHz vom obtine un nivel de 0 div_v-v.

Msurarea FTB

f₀= 1.216kHz, frecventa maximului local;

Daca se scade frecventa pana cand se obtine pe osciloscop nivelul de 4 div_v-v se obtine frecventa f_m= 1.192kHz;

Daca se creste frecventa pana cand se obtine pe osciloscop nivelul de 4 div_v-v se obtine frecventa f_M= 1.242kHz;

Masurarea FTS(circuit de derivare)

f₀= 1.219kHz, frecventa maximului local;

Daca se scade frecventa pana cand se obtine pe osciloscop nivelul de 4 div_v-v se obtine frecventa f_m= 1.192kHz;

Daca se creste frecventa pana cand se obtine pe osciloscop nivelul de 4 div_v-v se obtine frecventa f_M= 1.243kHz;

Daca se scade frecventa pana la valoarea de 551Hz se obtine nivelul de 0 div_v-v.

Exercitiu:

Sa se ridice caracteristica diodei Varicap:

Bibliografie:

1. Sandu, F., Nicula D.- Analiza si sinteza circuitelor electronice.