Zamieszczamy opis prostego eksperymentu z użyciem uniwersalnego środowiska pomiarowego ADALM2000. Tematem ćwiczenia są pomiary filtrów polifazowych.

Cel

Celem tego ćwiczenia laboratoryjnego jest zbadanie obwodów filtrów polifazowych stosowanych do generowania sygnałów kwadraturowych i użytych do modyfikacji dostrojonego wzmacniacza różnicowego. Stworzenie wzmacniacza polifazowego lub filtra, który może wytwarzać wszystkie cztery kwadraturowe  fazy (przyrosty co 90°) sygnału wejściowego.

Kontekst

Zastosowanie kwadraturowego przetwarzania częstotliwości jest powszechne w nowoczesnych bezprzewodowych urządzeniach nadawczo-odbiorczych, Zarówno modulacja amplitudy, jak i modulacja fazy są stosowane w dzisiejszych cyfrowych systemach komunikacyjnych.

Na rys. 1 przedstawiono uproszczony schemat filtr polifazowego pierwszego rzędu, który jest implementowany w wielu demodulatorach kwadraturowych, takich jak ADL5380. Przedstawiony filtr składa się z komplementarnych układów RC, które mogą być traktowane jako komplementarne. Funkcja przenoszenia sekcji dolnoprzepustowej z wejścia do wyjścia przesuwa fazę o -45° przy częstotliwości granicznej, natomiast sekcja górnoprzepustowa przy częstotliwości granicznej przesuwa fazę o +45°. Różnica faz netto między dwoma wyjściami wyniesie 90°. Jeśli wartości R i C obu sekcji są dopasowane, wówczas obie sekcje te mają tę samą częstotliwość graniczną, a co ważniejsze, faza jednego wyjścia podąża za drugim wyjściem z przesunięciem fazowym 90° dla wszystkich częstotliwości. Względne amplitudy dwóch sygnałów wyjściowych (LO I 0° i LO Q 90°) będą równe tylko przy częstotliwości granicznej -3 dB dwóch sekcji RC.

Rys. 1. Uproszczony filtr polifazowy pierwszego rzędu

Generowanie kwadraturowych sygnałów oscylatora lokalnego (LO) jest ważnym blokiem funkcjonalnym w odbiornikach heterodynowych z odrzucaniem wstęg bocznych. Dokładność kwadraturowa, czyli dokładność fazowa sygnałów w fazie i sygnałów przesuniętych w fazie o 90°, bezpośrednio determinuje współczynnik tłumienia sygnałów lustrzanych (IRR) – ważny parametr określający czułość odbiornika.

Materiały

• Zestaw ADALM2000
• Stykowa płytka prototypowa z zestawem przewodów połączeniowych
• Kondensator 1 nF (oznaczenie 102)
• Rezystory 1 kΩ 2 szt.

Wskazówki

Zbuduj na płytce prototypowej filtr polifazowy pokazany na rys. 2.

Rys. 2. Obwód filtra polifazowego

Konfiguracja sprzętu

Niebieskie kwadraty na rys. 2 wskazują miejsce podłączenia modułu ADALM2000 AWG i kanałów oscyloskopu. Układ zmontowany na płytce prototypowej przedstawiono na rys. 3.

Rys. 3. Połączenie na płytce prototypowej filtra polifazowego pierwszego rzędu

Otwórz narzędzie programowe Network Analyzer w programie Scopy. Skonfiguruj przemiatanie częstotliwości tak, aby rozpoczynało się przy 10 kHz i zatrzymywało przy 30 MHz. Ustaw amplitudę na 2 V, a offset na zero. Do pomiarów fazy jednej sekcji wyjściowej względem drugiej zaznacz pole wyboru Use Channel 1 as reference w menu rozwijanym Scope Chanel (rys. 4.

Rys. 4. Dane wyjściowe analizatora sieci Scopy

Procedura

Oblicz oczekiwaną częstotliwość graniczną RC na podstawie użytych wartości R i C. Wykonaj pojedynczy pomiar częstotliwości i zapisz dane w pliku .csv do późniejszego użycia w programie MATLAB® lub Excel.

Różnicowy wzmacniacz polifazowy

Rys. 5. Wzmacniacz polifazowy

Dodając sekcje filtrów dolno- i górnoprzepustowych drugiego rzędu LC i CL jako różnicowe obciążenia wyjściowe we wzmacniaczu różnicowym, możemy wygenerować wszystkie cztery fazy 90° (0°, 90°, 180° i 270°) wejściowego sygnału sinusoidalnego. Taki dostrojony wzmacniacz pokazano na rys. 5.

Materiały

• Zestaw ADALM2000
• Stykowa płytka prototypowa z zestawem przewodów połączeniowych
• Para tranzystorów SSM2212 NPN (Q1, Q2)
• Tranzystor 2N3904 NPN (Q3, Q4) – 2 szt.
• Cewka 100 μH – 2 szt. (lub cewki o innych indukcyjnościach)
• Kondensator 1 nF (oznaczenie 102) – 2 szt.
• Kondensatory 0,1 μF (oznaczenie 104) – 2 szt.
• Rezystor 10 Ω – 2 szt.
• Rezystor 150 Ω – 2 szt.
• Rezystor 470 Ω – 2 szt.
• Rezystor 1 kΩ – 3 szt.
• Rezystor 10 kΩ
• Inne rezystory i kondensatory według potrzeb

Wskazówki

Zbuduj układ pokazany na rys. 5 na płytce prototypowej. Użyj pary tranzystorów SSM2212 dla Q1 i Q2 (o dobranych jednakowo parametrach). Jako Q3 i Q4 mogą być zastosowane tranzystory 2N3904. Ustaw L1 = L2 = 100 μH i C1 = C2 = 1 nF. R1 powinien być równy R2, można użyć rezystorów 470 Ω. Podobnie, R3 powinien być równy R4, można zastosować rezystory 150 Ω.

Konfiguracja sprzętu

Niebieskie kwadraty na rys. 5 wskazują, gdzie należy podłączyć moduł ADALM2000 AWG, oscyloskop i zasilacze. Pamiętaj, aby włączyć zasilacze dopiero po dokładnym sprawdzeniu okablowania. Układ zmontowany na płytce prototypowej przedstawiono na rys. 6.

Rys. 6. Połączenia dla wzmacniacza polifagowego zmontowanego na płytce prototypowej

Otwórz okno sterowania zasilaczami i wyłącz napięcie +5 V i -5 V. Otwórz narzędzie programowe Network Analyzer w programie Scopy. Skonfiguruj przemiatanie częstotliwości tak, aby rozpoczynało się przy 100 Hz i zatrzymywało przy 30 MHz. Ustaw amplitudę na 1 V, a offset na zero.

Procedura

Oblicz oczekiwaną częstotliwość graniczną LC na podstawie użytych wartości L i C.

Włącz zasilacze. Podłącz kanał wejściowy Scope Input Channel 2 przez kondensator sprzęgający AC (C4 na rys. 5) naprzemiennie do każdego z czterech możliwych wyjść na końcach rezystorów R1, R2, R3 i R4. Wykonaj pojedyncze przemiatanie częstotliwości i zachowaj zarejestrowany przebieg. Umożliwi to późniejsze porównanie wzmocnień i odpowiedzi fazowych każdego wyjścia. Pamiętaj, aby wyeksportować wszystkie dane przemiatania częstotliwości do pliku .csv w celu dalszej analizy w programie Excel lub MATLAB.

Korzystając z dostępnego w programie Scope generatora funkcji (wytwarzającego sygnał w dziedzinie czasu), ustaw częstotliwość AWG na częstotliwość rezonansową z amplitudą ustawioną na 1 V peak-to-peak. Następnie uruchom kanał 1 oscyloskopu i obserwuj względne amplitudy i fazy czterech wyjść. Zapisz każdy przebieg w kanale 2 jako kanał odniesienia w celu porównania amplitudy i fazy każdego wyjścia. Wyniki przedstawiono na rysunkach 7 do 10.

Rys. 7. Przesunięcie fazowe 0°

Rys. 8. Przesunięcie fazowe 90°

Rys. 9. Przesunięcie fazowe 180°

Rys. 10. Przesunięcie fazowe 270°

Autorzy oryginału: Antoniu Miclaus i Doug Mercer

Opracowanie: Jarosław Doliński