Käytännön radiotekniikkaa: Epälineaarinen komponentti ja signaalien siirtely taajuusalueessa (+ laboratoriotyön 2 esittely)



Samankaltaiset tiedostot
ELEC-C5070 Elektroniikkapaja. Laboratoriotyö 2 Käytännön radiotekniikkaa: epälineaarisen komponentin ilmiöitä

Radioamatöörikurssi 2014

Laboratoriotyö 2 Käytännön radiotekniikkaa: epälineaarisen komponentin ilmiöitä

Radioamatöörikurssi 2015

Spektri- ja signaalianalysaattorit

Radioamatöörikurssi 2013

Lähettimet ja vastaanottimet

LOPPURAPORTTI Lämpötilahälytin Hans Baumgartner xxxxxxx nimi nimi

Radioamatöörikurssi 2018

TAAJUUDEN SIIRTO JA SEKOITUS VÄLITAAJUUSVASTAANOTIN & SUPERHETERODYNEVASTAANOTTO

Radioamatöörikurssi 2017

Tietoliikennesignaalit & spektri

FYSP105 / K3 RC-SUODATTIMET

Lähettimet ja vastaanottimet

nykyään käytetään esim. kaapelitelevisioverkoissa radio- ja TVohjelmien

Lähettimet ja vastaanottimet. OH3NE:n radioamatöörikurssi

LABORATORIOTYÖ 3 VAIHELUKITTU VAHVISTIN

Radioamatöörikurssi 2016

Operaatiovahvistimen vahvistus voidaan säätää halutun suuruiseksi käyttämällä takaisinkytkentävastusta.

S Elektroniikan häiriökysymykset. Laboratoriotyö, kevät 2010

LABORATORIOTYÖ 2 A/D-MUUNNOS

Spektrianalysaattori. Spektrianalysaattori

ULA - vastaanotin. + sähkökomponenttien juottaminen. Tiia Hintsa, Viitaniemen koulu. Ula-vastaanotin; Kouluelektroniikka Ky, Rauma.

ELEC-C6001 Sähköenergiatekniikka, laskuharjoitukset oppikirjan lukuun 10 liittyen.

Mittalaitetekniikka. NYMTES13 Vaihtosähköpiirit Jussi Hurri syksy 2014

Radioamatöörikurssi 2016

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

RF-tekniikan perusteet BL50A0300

Signaalit ja järjestelmät aika- ja taajuusalueissa

TAAJUUDEN SIIRTO JA SEKOITUS VÄLITAAJUUSVASTAANOTIN ELI SUPERHETERODYNEVASTAANOTTO

LABORATORIOTYÖ 2 A/D-MUUNNOS

Lähettimet ja vastaanottimet. OH3TR:n radioamatöörikurssi

Kaikki kytkennät tehdään kytkentäalustalle (bimboard) ellei muuta mainita.

Pekka Pussinen OH8HBG - oulu.fi

OPERAATIOVAHVISTIN. Oulun seudun ammattikorkeakoulu Tekniikan yksikkö. Elektroniikan laboratoriotyö. Työryhmä Selostuksen kirjoitti

Radiokurssi. Modulaatiot, arkkitehtuurit, modulaattorit, ilmaisimet ja muut

RF-tekniikan perusteet BL50A Luento Lähetin- ja vastaanotinelektroniikkaa Modulaatio (AM ja FM)

OPERAATIOVAHVISTIMET 2. Operaatiovahvistimen ominaisuuksia

CC-ASTE. Kuva 1. Yksinkertainen CC-vahvistin, jossa virtavahvistus B + 1. Kuva 2. Yksinkertaisen CC-vahvistimen simulaatio

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

KOHINA LÄMPÖKOHINA VIRTAKOHINA. N = Noise ( Kohina )

Petri Kärhä 04/02/04. Luento 2: Kohina mittauksissa

Transistoreiden merkinnät

Lasse Latva OH3HZB PRK:n radioamatöörikurssi Radiotekniikan lyhyt oppimäärä. Lasse Latva OH3HZB. Johdanto. Perusteet.

Laitteita - Yleismittari

Radioamatöörikurssi 2012

LABORATORIOTYÖ 2 SPEKTRIANALYSAATTORI

Kapeakaistainen signaali

ELEKTRONIIKAN PERUSTEET

Yleiskatsaus vastaanotintekniikan perusteisiin

Modulaatio. f C. amplitudimodulaatio (AM) taajuusmodulaatio (FM)

Kuunnellanko mittalaitteilla?

Perusmittalaitteet 2. Yleismittari Taajuuslaskuri

Jaksollisen signaalin spektri

Mikä se on? Olle Holmstrand, SM6DJH (Käännös: Thomas Anderssén, OH6NT)

1 db Compression point

S Elektroniset mittaukset ja elektroniikan häiriökysymykset. 2 ov

4B. Tasasuuntauksen tutkiminen oskilloskoopilla.

1 PID-taajuusvastesuunnittelun esimerkki

Analogiapiirit III. Tentti

Organization of (Simultaneous) Spectral Components

Vahvistimet. Käytetään kvantisointi alue mahdollisimman tehokkaasti Ei anneta signaalin leikkautua. Mittaustekniikka

Radioamatöörikurssi 2014 Polyteknikkojen Radiokerho OH2TI

2003 Eero Alkkiomäki (OH6GMT) 2009 Tiiti Kellomäki (OH3HNY)

ELEC-C5070 Elektroniikkapaja (5 op)

Perusmittalaitteet 3. Yleismittari. Mittaustekniikan perusteet / luento 5. Digitaalinen yleismittari. Digitaalinen yleismittari.

SDR-Ohjelmistoradio. Esitelmä ohjelmistoradiosta (SDR-Tikku) Esitetty OH7AA kerhoillassa Tehnyt OH7NW

Supply jännite: Ei kuormaa Tuuletin Vastus Molemmat DC AC Taajuus/taajuudet

EVTEK/ Antti Piironen & Pekka Valtonen 1/6 TM01S/ Elektroniikan komponentit ja järjestelmät Laboraatiot, Syksy 2003

Ongelmia mittauksissa Ulkoiset häiriöt

S Mittaustekniikan perusteet Y - Tentti

Perusmittalaitteet 2. Spektrianalyysi. Mittaustekniikan perusteet / luento 4. Spektrianalyysi. Logaritmiasteikko ja db (desibel) Spektrianalysaattori

LABORATORIOTYÖ 1 MITTAUSVAHVISTIMET

ELEKTRONIIKAN PERUSTEET T700504

20 Kollektorivirta kun V 1 = 15V Transistorin virtavahvistus Transistorin ominaiskayrasto Toimintasuora ja -piste 10

6. Analogisen signaalin liittäminen mikroprosessoriin Näytteenotto analogisesta signaalista DA-muuntimet 4

FYSP105/2 VAIHTOVIRTAKOMPONENTIT. 1 Johdanto

83950 Tietoliikennetekniikan työkurssi Monitorointivastaanottimen perusmittaukset

Radiotekniikan perusteet BL50A0301

S Mittaustekniikan perusteet A. Esiselostustehtävät Erityisesti huomioitava

Pientaajuisten kenttien lähteitä teollisuudessa

Luento 8. Suodattimien käyttötarkoitus

Kompleksiluvut signaalin taajuusjakauman arvioinnissa

Sähkömagneettiset häiriöt. Mittaustekniikan perusteet / luento 9. Sähkömagneettiset häiriöt. Sähkömagneettiset häiriöt

1 Kohina. 2 Kohinalähteet. 2.1 Raekohina. 2.2 Terminen kohina

1 Muutokset piirilevylle

ELEC-C7230 Tietoliikenteen siirtomenetelmät

Multivibraattorit. Bistabiili multivibraattori:

Liitännät ja lisälaitteet

a) I f I d Eri kohinavirtakomponentit vahvistimen otossa (esim.

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA 1

Ohjelmistoradio. Mikä se on:

DIODIN OMINAISKÄYRÄ TRANSISTORIN OMINAISKÄYRÄSTÖ

1 Määrittele seuraavat langattoman tiedonsiirron käsitteet.

S Elektroniset mittaukset ja elektroniikan häiriökysymykset. Vanhoja tenttitehtäviä

DC-moottorin pyörimisnopeuden mittaaminen back-emf-menetelmällä

KOHINASALPAKORTTI BX58 JA RX58

FYSP105/2 VAIHTOVIRTAKOMPONENTIT. 1 Johdanto. 2 Teoreettista taustaa

Aineopintojen laboratoriotyöt I. Ominaiskäyrät

Digitaalinen signaalinkäsittely Johdanto, näytteistys

Transkriptio:

Käytännön radiotekniikkaa: Epälineaarinen komponentti ja signaalien siirtely taajuusalueessa (+ laboratoriotyön 2 esittely) ELEC-C5070 Elektroniikkapaja, 21.9.2015 Huom: Kurssissa on myöhemmin erikseen 19.10. apul.prof. Ville Viikarin laajempi esitys radiotekniikasta ja sen tarjoamista mahdollisuuksista Elektroniikassa epälineaaristen komponenttien tärkeitä käyttösovelluksia liittyy signaalitehon siirtämiseen taajuuksilta toisille Elektroniikan osa-alueista radiotekniikassa varsinkin taajuuksien sekoitus on tärkeä käytettävä ilmiö Epälineaarisina komponentteina toimivat diodit ja transistorit Tavallinen epälineaarisuuden muoto on esimerkiksi eksponentiaalinen riippuvuus Piirejä ovat sekoittimet, taajuuskertojat ja ilmaisimet Epälineaarisuudella on käytännössä usein myös haittapuolia: esim. häiriöiden ja kohinan lisääntyminen elektroniikkapiireissä ja radiospektrissä 2 1

Käyttötarkoituksia: Signaalin sekoitus ylös korkealle taajuudelle lähetettäväksi Signaalin sekoitus vastaanotossa alas välitaajuudelle ja/tai kantataajuudelle Sekoitusta voidaan käyttää apuna myös tiedon liittämiseksi kantoaaltoon (modulointi) tai erottamiseksi siitä (demodulointi, ilmaisu) Suurtaajuisen tehon ilmaisu Tehon tai taajuusviitetiedon tuottaminen jonkin perustaajuuden monikerroille taajuutta kertomalla 3 Epälineaarinen piiri voi tapauksesta riippuen tuottaa paljonkin erilaisia taajuuskomponentteja Yksinkertaista epälineaarista vastetta kuvataan usein potenssisarjalla V 2 3 o = avi + bvi + cvi Sijoitetaan sinimuotoisten jännitteiden summia V i :hin => kahden lähtötaajuuden tapauksessa V o :ssa esiintyville taajuuksille pätee f = mf 1 nf 2 +... (m,n kokonaislukuja) Näitä ovat myös sekoitinpiireissä hyödynnettävät taajuudet, joista perustapaus liittyy kertoimiin m = 1 ja n = 1 Sovelluksissa epätoivottujen taajuuksien tulokset pyritään pitämään pieninä sopivalla suunnittelulla ja mm. suodatuksella 4 2

Sekoitinpiirin perustoiminta vastaa matemaattista kertolaskua, esim.: V1 cos( 2pf1t + q1) V2 cos(2pf 2t + q2) = [ 2p ( f - f ) t + q -q ] + 0,5V V cos[ 2p ( f + f t + q + ] 0,5V V q 1 2 cos 1 2 1 2 1 2 1 2 ) Sekoitustuloksissa näkyvät myös sekä amplitudit että vaiheet => signaalien ominaisuuksissa oleva tieto säilyy Sovelluksissa suodatetaan tavallisesti toinen sekoitustuloksista käyttöön 1 2 5 Esim.: Syötetään ideaaliseen sekoittimeen kaksi sinivärähtelyä hieman eri taajuuksilla Sekoitus => taajuustason summa- ja erotustaajuiset tulokset ovat selvästi myös aikatason aaltomuodon osina Käytännön sekoittimien ulostulossa esiintyy muitakin taajuuksia, joten silloin aaltomuoto ei ole näin yksinkertaisen selkeä 6 3

Yleisin esimerkki sekoitusilmiön käytöstä: sekoitin radiovastaanottimessa Perinteinen superheterodynevastaanotin => sekoitin siirtää paikallisoskillaattorin ohjaamana signaalin matalalle välitaajuudelle käsiteltäväksi 7 Vastaanottimissa superheterodyne vs. suoramuunnos: Superheterodynevastaanottimessa signaalin sekoitetaan välitaajuudelle paikallisoskillaattoritaajuuden ylä- ja/tai alapuolella olevalta sivukaistalta Yleensä vain toinen sivukaista on haluttu => toinen on ns. peilitaajuudella => sille vaimennusta suodatuksella ennen sekoitinta Signaalin käsittely välitaajuudella Suoramuunnosvastaanottimessa sekoitetaan suoraan kantataajuudelle eli signaalin tiedon varsinaiselle taajuudelle Nollavälitaajuusvastaanotin Etenkin tietoliikennekäytössä 8 4

Eksponentiaalisuus on tavallinen komponenttien epälineaarisuus ( qvj )/( hkt ) ( qvj ) /( hkt ) VJ /( hvt Diodeissa I ( VJ ) = I S ( e -1)» I Se = I Se Myös bipolaaritransistoreissa V BE / V T I ( V )» I e C BE S ) Tietenkin komponentin toiminnassa piirissä on usein muutakin huomioitavaa epälineaarisuutta 9 Eksponenttifunktion tilalle voidaan yksinkertaisesti 1 2 1 3 sijoittaa tuttu sarjakehitelmä e x = 1+ x + x + x +... 2 6 => Eri termeistä saadaan vaihtojännitteille esiin mm. vahvistus, taajuuksien kerrannaisten syntyminen, kahden taajuuden sekoitusilmiö Esijännite eli komponentin ohjauksen tasajänniteosa vaikuttaa toimintapisteeseen: siis kuinka jyrkässä kohdassa eksponenttifunktiota piiriin syötettävät vaihtojännitteet vaikuttavat => vaikutus esimerkiksi siihen kuinka suureksi vahvistus tai sekoitusvahvistus muodostuu 10 5

Bipolaaritransistori voisi siis olla sekoitinkomponenttina esimerkiksi perinteisessä radiovastaanottimessa Paikallisoskillaattorijännite ja signaalijännite voidaan kytkeä transistorin kannalle Kollektorivirrasta saadaan sekoitustulos välitaajuudelle Käytännön välitaajuuksia: 455 khz (AMradio); 10,7 MHz (FM-radio) => näillä voidaan käyttää esimerkiksi rinnakkaisresonanssipiiriä välitaajuudella olevan signaalin erottamiseksi jatkokäsittelyyn C f IF L w IF 1 = = 2p 2p LC 11 Sekoittimia toteutetaan hyvin monella tavalla => eräitä vaihtoehtoja transistorisekoittimiin radioelektroniikassa: Kanavatransistori (nieluvirran neliöllinen riippuvuus hila-lähde jännitteestä) Sekoitettavat jännitteet voidaan syöttää transistorin eri elektrodeille Voidaan käyttää myös esim. kaksi kanavatransistoria sisältävää kaksoishila- MOSFET:ia Monimutkaisemmat toteutukset, varsinkin integroiduissa piireissä Myös diodisekoittimia käytetään, koska ne ovat tarkoituksenmukaisia monissa sovelluksissa + 12 6

Vaihtoehtoinen sekoitinperiaate: jaksollisesti ohjattu kytkimen tavoin toimiva piiri Kytkentä muuttaa aaltomuotoa jaksollisesti => sekoitus Myös mittaustekniikassa käytetään on-off -kytkentää siirtämään mittaussignaali suurelle taajuudelle Esimerkki diodien käytöstä kytkiminä voimakkaan LOohjauksen avulla: radiolaitteissa yleisesti käytetty kaksoisbalansoitu diodisekoitin 13 Sekoituksen sovellus mittaustekniikassa: Lock-in - vahvistin eli vaiheherkkä vahvistin tai ilmaisin Lock-in vahvistin ilmaisee hyvin herkästi vahvistimen oskillaattorin taajuudella f ref olevan signaalin kohinaisestakin mittausjännitteestä Tämän hyödyntämistä varten mittausjärjestelyssä myös moduloidaan mitattavaa kohdetta taajuudella f ref => kiinnostava mittaustieto on vastaavassa taajuuskomponentissa mittausanturin jännitteessä Valitsemalla sopiva f ref päästään eroon matalien taajuuksien 1/f-kohinasta ja häiriöistä Sekoitin on hyvin ideaalisesti toimiva Kapeakaistainen alipäästösuodatin erottelee signaalin ilmaisutuloksena olevan tasajännitteen Sama vaihe modulaatiossa ja ilmaisussa on optimitilanne tuloksen kannalta signaali + kohinaa V in sinijännite f ref ilmaisun tulos V out 14 7

Epälineaarinen toiminta näkyy aikatason aaltomuodossa ja taajuustasoon syntyvinä spektrikomponentteina => Sekä oskilloskooppi että spektrianalysaattori ovat hyödyllisiä mittausten peruslaitteita Aikatason ja taajuustason asioiden yhteyksiä voidaan ymmärtää tutun Fourier-sarjan tai -muunnoksen avulla 15 Oskilloskooppi Näyttää jännitteen aikatasossa Mittaus mittapään avulla Mittapää vaimentaa esim. 1:10 tai 1:100 Mittapäällä on suuri impedanssi => suhteellisen pieni kuormitus mittauskohteelle Digitaalinen oskilloskooppi ottaa näytteitä jännitteestä => FFTtoiminnon avulla on mahdollisuus tutkia myös spektriä eli taajuustasoa 16 8

Spektrianalysaattori Näyttää signaalin taajuuskomponentit Kaistanleveyden asetusarvo vaikuttaa erottelukykyyn Herkkä laite => voidaan saada esille myös heikkoja signaaleja ja taajuuskomponentteja db-asteikolla on nähtävissä hyvin laaja tehoalue Rajallinen tehonsieto (esim. 100 mw) Sisäänmeno 50 mittaustaajuuksilla => sopiva 50 :n liitäntä on tarpeen mittauskohteessa 17 TYÖ 2: Käytetään tavallista bipolaaritransistoria pienessä kokeilupiirissä epälineaarisuuden ilmiöiden ja toiminnan tutkimiseksi mittauksien avulla R1 100 kw Vs_tr C1 47 nf R2 10 kw B C2 1 mf E +5 V R4 51 W (BNC OUT) V u1 (TP3) R3 510 W C V u2 (TP4) TR1 2N2219A (GND) Syötetään generaattoreista suurtaajuusjännitteitä sisäänmenoon vasemmalla Mitataan ulostuloista oikealta oskilloskoopilla ja spektrianalysaattorilla; saadaan aikatason ja taajuustason tuloksia mm. sekoitusilmiöön liittyen 18 9

Signaalien syöttöä varten kahden funktiogeneraattorin jännitteiden yhdistämisen avuksi on tehty vaimentava vastuspiiri: V g1 Rb Rb (BNC IN 1) (TP1) Ra Ra => V s_tr V g2 (BNC IN 2) (TP2) Ra Rb Ra Rb Ra Ra = 56 W Rb = 470 W Esitehtävä (piiriin tutustuminen), mittaukset piirin toiminnasta ja mittausten raportointi Ilmiöinä vahvistus (myös säädettävä vahvistus), taajuuksien kerronta, taajuuksien sekoitus Laajempi kuvaus työstä on erillisessä työohjeessa @ MyCourses 19 Mittauskohde (vastus- ja transistoripiiri yhdessä piirilevyllä) Vasemmalla BNC-sisäänmenot, oikealla 5 V:n käyttöjännitteen syöttö ja BNC-ulostulo Piirilevyllä mittauspisteet TP1-TP4 ja maa (GND) johdinlenkeillä Ylhäällä toimintapisteen säätövastus 20 10

Piirin ohjausta varten on käytössä kaksi funktiogeneraattoria Taajuuden syöttö & näyttö, aaltomuodon valinta, amplitudin säätö jne. Työn mittauksissa on käytössä 50 :n ulostulo Kyseessä on kuitenkin tyypillinen elektroniikkapajan perusgeneraattori => 50 :n ulostulosta saatavan jännitteen amplitudi on mitattava itse erikseen 21 Oskilloskooppi mittakärkineen 22 11

Ulostulon aaltomuoto ja sen taajuuskomponentteja kun piirin kahteen sisäänmenoon on syötetty eritaajuiset jännitteet. Oskilloskoopin näyttöön on valittu sekä aikatason aaltomuoto (ylhäällä) että FFTtoiminnon tuottama spektriesitys (alhaalla). 23 Spektrianalysaattoria on myös mahdollista kokeilla 24 12