Si forniscono le conoscenze essenziali per un uso consapevole della principale strumentazione elettronica per impiego nella tecnica delle radiofrequenza.
Nessun testo adottato.
Per la parte di programma riguardante la strumentazione generale si consiglia la consultazione di:
- Giovanni Colella, "Manuale di metrologia e strumentazione elettronica", Hoepli, 2006.
- Agilent Technologies, Application Note 150, "Spectrum Analysis Basics", 2006.
- Dispense del corso di misure elettroniche scaricabili dal sito www.emc.dinfo.unifi.it
Obiettivi Formativi
Fornire le conoscenze fondamentali circa il funzionamento e l'impiego della strumentazione elettronica per misure nel dominio della frequenza.
Attraverso le esercitazioni si cerca di sviluppare la capacità di eseguire alcune misure a radiofrequenza.
Prerequisiti
Conoscenza della teoria dei circuiti (costanti concentrate), dell'elettromagnetismo (costanti distribuite e radiazione) e delle misure elettriche (oscilloscopio analogico e digitle, multimetro, incertezza di misura).
Metodi Didattici
Lezioni in aula ed esercitazioni in laboratorio.
Altre Informazioni
Calendario esami: consultare il servizio di registrazione agli esami gestito da SIAF.
Modalità di verifica apprendimento
Esame orale volto ad accertare le competenze teoriche e pratiche necessarie per potere effettuare una misura attendibile di segnali a radiofrequenza con ricevitori (analizzatori di spettro) e wattmetri a radiofrequenza, di impedenze vettoriali e parametri complessi di una rete elettrica. Si valuterà la competenza sia circa il funzionamento della strumentazione di misura che dei dispositivi ausiliari. E' particolarmente apprezzata la capacità di valutare l'attendibilità di un risultato di misura e l'individuazione delle non idealità inerenti ogni tecnica di misurazione.
Programma del corso
INTRODUZIONE AL CORSO
Informazioni su lezioni frontali, esercitazioni, esami.
Misure per il "conformity assessment", direttive e norme armonizzate
RIFERIBILITA’ E ACCREDITAMENTO
Accreditamento, mutuo riconoscimento in ambito ILAC, norme ISO/IEC 17025 e ISO/IEC 17011.
Laboratori di taratura, laboratori di prova, riferibilità delle misure, istituti metrologici nazionali, capacità di misura, key comparison, key comparison data base del BIPM.
Cenno al nuovo SI (dalle 7 grandezze di base alle 7 costanti fisiche).
RICHIAMI
Unità logaritmiche assolute e formula di conversione da dBm a dB(uV). Esempi uso unità logaritmiche assolute e insidie.
Relazione fra banda e tempo di salita della risposta al gradino di un sistema con risposta in frequenza: passa basso I ordine, gaussiana, rettangolare ideale.
Rumore termico, banda equivalente di rumore, densità spettrale di potenza (misura co wattmetro e filtro selettivo), fattore e cifra di rumore.
Formula di Friis per il fattore di rumore una cascata di stadi adattati.
Richiami sui parametri S: definizione di onda diretta (a), riflessa (b), coefficiente di riflessione (b/a) e relazione con impedenza. Parametri S di un quadripolo.
Parassiti di condensatori, induttori e resistori.
ATTENUATORI E SONDE DI TENSIONE E DI CORRENTE
Attenuatori resistivi ed equazioni di progetto per T e PI-GRECO. Cascata di attenuatori resistivi.
Attenuatori compensati: risposta in frequenza e impedenza d'ingresso, equazioni di progetto di una cascata, risposta al gradino
Sonde per oscilloscopio ad alta impedenza e loro compensazione, struttura fisica e smorzamento delle risonanze. Simulazione SPICE di sonda per oscilloscopio commerciale ad alta impedenza (1:10, 250 MHz).
Sonde per oscilloscopio a bassa impedenza (1:10, resistenza d'ingresso 500 Ohm).
Sonde di corrente a radiofrequenza: struttura, principio di funzionamento, modello circuitale, modello fisico, impedenza di trasferimento e impedenza di inserzione, schermo della sonda di corrente.
DIVISORI E COMBINATORI DI POTENZA, PONTI E ACCOPPIATORI DIREZIONALI
Power divider/combiner (tre resistori) e power splitter (due resistori): struttura, caratteristiche e impiego.
Accoppiatori direzionali: struttura e principio di funzionamento. Caratteristiche operative: isolamento, perdita di inserzione e direttività.
Ponte direzionale mod. ZRB 2 Rohde & Schwarz: principio di funzionamento, realizzazione, parametri S ideali e reali.
Misura di coefficiente di riflessione di generatore (dispositivo attivo) attraverso l'impiego del ponte direzionale. Procedura di misura.
ANALIZZATORE DI SPETTRO
Introduzione all’analizzatore di spettro (caratteristiche principali e impiego).
Architettura interna: schema a blocchi, interpretazione del display. Funzionamento del primo mixer: prodotti di mescolazione, traslazione in frequenza, equazione di sintonia in fondamentale, condizione P_LO >> P_RF e linearità. Gamma dinamica dell'analizzatore di spettro (gamma dinamica istantanea, punto di compressione ad 1 dB, gamma dinamica esente da spurie, livelli tipici).
Relazione fra tempo di scansione T, intervallo di frequenza esplorato F e banda di risoluzione B per ottenere una risposta tarata dell'analizzatore di spettro (T > F/B^2). Risposta di filtro gaussiano a segnale a frequenza linearmente variabile.
Funzionamento dell'analizzatore di spettro. Comandi fondamentali (Frequency, Span, Amplitude, Resolution Bandwidth, Video Bandwidth, Sweep Time). Verifica effetto di compressione, perdita di risoluzione e spostamento di frequenza per tempi di scansione ridotti. Relazione fra potenza di rumore visualizzata, banda di risoluzione e attenuazione interna.
Misura di segnali persistenti e modulati, rappresentazione dell'andamento nel tempo della modulante con l'analizzatore di spettro (in modalità "zero span").
Misura di segnali non coerenti. Derivazione della densità di probabilità del rumore all'uscita di rivelatore di inviluppo (Rayleigh). Misura della potenza di rumore in uscita da filtro a banda stretta. Misura del livello medio di rumore in scala lineare e logaritmica, valore quadratico medio del rumore, relazione col fattore di rumore dell’analizzatore di spettro. Errore sistematico nella misura di segnali deboli, vicini al livello medio di rumore.
Misura di segnali impulsivi. Definizione della banda equivalente impulsiva, relazione fra banda equivalente impulsiva risposta in frequenza del filtro IF e inviluppo della risposta impulsiva del filtro IF. Risposta agli impulsi dell'analizzatore di spettro. Metodi di misura della banda equivalente impulsiva (con impulso tarato, variando la frequenza di ripetizione, integrando la risposta del filtro IF).
Principio di funzionamento e impiego del "tracking generator". Uso del "tracking generator" per la misura della perdita d'inserzione.
Specifiche e procedure di verifica delle prestazioni degli analizzatori di spettro della serie HP 8590. Esempio di calcolo di accuratezza di misura di ampiezza assoluta di potenza basato sulle specifiche.
MISURE DI POTENZA A RADIOFREQUENZA
Richiami: potenza disponibile, potenza assorbita, potenza su carico adattato (potenza diretta), potenza riflessa. Condizioni di adattamento (per massimo trasferimento di potenza e per eliminazione di potenza riflessa). Incertezza per disadattamento: errore massimo/minimo per disadattamento, densità di probabilità ad "U" (2 ore).
Schema a blocchi, principio di funzionamento e dettagli realizzativi del wattmetro bolometrico HP 432A con testa bolometrica HP 478A. Efficienza e fattore di calibrazione.
Analisi delle specifiche della testa bolometrica HP 478 A (in particolare disadattamento e accuratezza del fattore di calibrazione).
MISURA VETTORIALE DI IMPEDENZA
Schema a blocchi impedenzimetro vettoriale HP 4193A. Conversione di frequenza per tramite di sotto-campionamento, parassiti della sonda "nuda" e di adattatori. Residenza dei parassiti e loro origine fisica. Entità dei parassiti, correzione delle misure. Specifiche dello strumento (portate, risoluzione e accuratezza).
ESERCITAZIONI
Esercitazione sulla misura della cifra di rumore e della banda equivalente di rumore di un analizzatore di spettro.
Esercitazione sulla misura della banda equivalente impulsiva dell'analizzatore di spettro (dettagli operativi).
Esercitazione sulla misura dei parassiti di un condensatore con "tracking generator" e analizzatore di spettro.