Frequencímetro em RF FREQUÊNCIMETRO DE ALTA FREQUÊNCIA. Sistemas de Medida em Radiofrequência. Prof. Francisco Alegria.

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1 Sistemas de Medida em Radiofrequência FREQUÊNCIMETRO DE ALTA FREQUÊNCIA Prof. Francisco Alegria Outubro de 2003 Frequencímetro em RF 26 de julho de 2005 Contador Universal 2

2 Medida de Frequência em RF Medida de frequência da portadora de um sinal modulado. Caracterização de osciladores locais (por exemplo em emissores e receptores). Medida de linearidade de VCOs para RF. 26 de julho de 2005 Contador Universal 3 Contador Universal Tempo-Frequência Condicionador de entrada: Atenuador. Amplificador Schmitt-trigger. trigger. Transforma a tensão de entrada numa sequência de impulsos com a mesma frequência e com amplitude adequada à da porta lógica l a que são aplicados. Entrada Condicionador de entrada T Base de Tempo o T o Contador Visor 26 de julho de 2005 Contador Universal 4

3 Contador Universal Tempo-Frequência À outra entrada da porta lógica é aplicado um impulso de duração To, de valor muito bem determinado, gerado na base de tempo a partir da divisão em frequência da tensão de saída dum oscilador de referência. Entrada Condicionador de entrada T o Base de Tempo T o Contador Visor 26 de julho de 2005 Contador Universal 5 Contador Universal Tempo-Frequência O contador conta o número de impulsos que ocorrem durante o intervalo T o. N c é igual ao produto de T o pela frequência da tensão de entrada, f i. Entrada Condicionador de entrada T Base de Tempo o T o Contador Visor 26 de julho de 2005 Contador Universal 6

4 Contador Universal Tempo-Frequência O intervalo T o é um múltiplo m de 10 do segundo. Evita-se deste modo a realização de qualquer operação aritmética tica antes de apresentar o resultado no visor. A exactidão da medida depende fortemente da qualidade do oscilador incluído na base de tempo. Tipicamente utilizam-se osciladores com valores compreendidos entre 1 e 10MHz. Estabilidade da frequência de oscilação superior a 0,1 ppm (pior caso). Existem osciladores com estabilidade melhor que 0,007 ppm. 26 de julho de 2005 Contador Universal 7 Erro de Medida A falta de sincronismo entre o sinal de entrada e o da base de tempo pode originar um erro na indicação de 1 contagem. Para diminuir o erro relativo na medida, deve sempre escolher- se a posição da base de tempo a que corresponde a maior contagem. Base de tempo constituída por um oscilador e contadores módulo 10 (entre 6 e 8). Obtêm-se assim frequências mais baixas. T o T o a) b) c) d) 26 de julho de 2005 Contador Universal 8

5 Limite de Frequência Factores que limitam a frequência máxima: m Tempo de crescimento do bloco de condicionamento do sinal. Frequência máxima m admissível pela família lógica l utilizada. Actualmente (1999) existem aparelhos até aos 500 MHz. No futuro existiram contadores que funcionem a vários GHz (Pentium IV em 2003: 3GHz). 26 de julho de 2005 Contador Universal 9 Técnicas de Medida Técnicas de redução da frequência de modo que a frequência final possa ser medida pelo frequencímetro básico: b Pré-escalamento. Heterodinagem. Oscilador de transferência. Heterodinagem harmónica. 26 de julho de 2005 Contador Universal 10

6 Pré-escalamento Fazer passar o sinal de entrada por um circuito divisor de frequência constituído por contadores módulo m N. Limitações: Frequência máxima m admissível pela família lógica l dos contadores. Contam-se N vezes menos impulsos, pelo que a incerteza será N vezes superior. Este problema pode ser resolvido multiplicando por N a largura de T0 (colocando mais um contador módulo m N na base de tempo): Aumenta o tempo de realização da medida N vezes. Frequencímetros comerciais actualmente disponíveis: N entre 2 e 16. Frequências até 1 ou 2 GHz. 26 de julho de 2005 Contador Universal 11 Heterodinagem O sinal a medir é misturado com a saída dum filtro passa banda, sintonizado na harmónica de ordem N dum oscilador local de referência. A frequência central deste filtro é variada por saltos entre os valores das harmónicas do oscilador local até que o detector de nível n indique a presença a dum sinal de amplitude suficientemente elevada para ser medido pelo frequencímetro de baixa frequência. Entrada f x Misturador Nf LO Filtro Passa Banda de frequência central ajustável Gerador de Harmónicas f LO f x +Nf LO, f x -Nf LO f LO, 2f LO, 3f LO,..., Nf LO,... Oscilador Local Amplificador f x -Nf LO Detector de nível Lógica de Comando Frequencímetro de baixa frequência 26 de julho de 2005 Contador Universal 12

7 Heterodinagem Oscilador Local O oscilador local é em geral constituído pelo oscilador da base de tempo do frequencímetro convencional, seguido dum multiplicador de frequência. A sua frequência ( (f LO ) varia tipicamente entre 100 e 500 MHz. O gerador de harmónicas produz uma tensão que no domínio da frequência apresenta um espectro constituído por um elevado número n de riscas separadas entre si de f LO. Uma destas componentes, designada na figura por Nf LO, é seleccionada pelo filtro comutado, de frequência central comandada pela lógica l de comando, e aplicada ao misturador. Entrada f x Misturador Nf LO Filtro Passa Banda de frequência central ajustável Gerador de Harmónicas f LO, 2f LO, 3f LO,..., Nf LO,... f LO f x +Nf LO, f x -Nf LO Oscilador Local Amplificador f x -Nf LO Detector de nível Lógica de Comando Frequencímetro de baixa frequência 26 de julho de 2005 Contador Universal 13 Heterodinagem Misturador À outra entrada do misturador é aplicada o sinal cuja frequência (f x ) se pretende medir. À saída do misturador teremos um sinal que apresentará componentes de frequência na soma e na diferença a das frequências de entrada e provavelmente também m nas das próprias prias frequências de entrada. O filtro passa-banda seleccionará unicamente a componente relativa à diferença a de frequências, pelo que teremos aplicada à entrada do frequencímetro convencional um sinal de frequência igual a f x - Nf Nf LO. Entrada f x Misturador Nf LO Filtro Passa Banda de frequência central ajustável Gerador de Harmónicas f LO f x +Nf LO, f x -Nf LO f LO, 2f LO, 3f LO,..., Nf LO,... Oscilador Local Amplificador f x -Nf LO Detector de nível Lógica de Comando Frequencímetro de baixa frequência 26 de julho de 2005 Contador Universal 14

8 Heterodinagem Contagem Ao resultado da contagem do frequencímetro tem de ser adicionado Nf LO antes de este ser transferido para o visor, que indicará então o valor da frequência desconhecida que se pretende medir. Esta tarefa é realizada pela lógica de comando, que inclui geralmente um microprocessador e obrigatoriamente um registo com o valor de Nf LO seleccionado para a frequência central do filtro. Entrada f x Misturador Nf LO Filtro Passa Banda de frequência central ajustável Gerador de Harmónicas f LO, 2f LO, 3f LO,..., Nf LO,... f LO f x +Nf LO, f x -Nf LO Oscilador Local Amplificador f x -Nf LO Detector de nível Lógica de Comando Frequencímetro de baixa frequência 26 de julho de 2005 Contador Universal 15 Heterodinagem Detector de NívelN O detector de nível n é essencial para uma correcta determinação do valor de N. Quando se inicia o processo de medida, selecciona-se N=1, sendo o valor de N incrementado até que o detector de nível n indique a presença a dum sinal de amplitude superior a uma dada tensão de limiar. Constituição: Rectificador. Filtro passa baixo. Amplificador. Comparador. Entrada f x Misturador Nf LO Filtro Passa Banda de frequência central ajustável Gerador de Harmónicas f LO f x +Nf LO, f x -Nf LO f LO, 2f LO, 3f LO,..., Nf LO,... Oscilador Local Amplificador f x -Nf LO Detector de nível Lógica de Comando Frequencímetro de baixa frequência 26 de julho de 2005 Contador Universal 16

9 Heterodinagem Existem actualmente frequencímetros capazes de efectuar medidas até 20GHz. 26 de julho de 2005 Contador Universal 17 Oscilador de Transferência Sincronização do sinal de entrada com uma harmónica dum oscilador local de frequência mais baixa. O sinal medido pelo frequencímetro de baixa frequência é o do oscilador local. Segundo gerador para determinação do número n de ordem da harmónica (oscilação ligeiramente desviada da do primeiro oscilador). Estão disponíveis actualmente (1999) frequencímetros capazes de efectuar medidas até 23GHz. 26 de julho de 2005 Contador Universal 18

10 Oscilador de Transferência Misturador Amplificador f IF1 f x Oscilador de referência f IF1ref Detector de fase Frequencímetro de baixa frequência Entrada Divisor Gerador de Harmónicas f LO VCO 1 f LO f x Gerador de Harmónicas f LO +f 0 VCO 2 f 0 N f x Misturador Amplificador f IF2 f IF1 Misturador f 0 Nf 0 Medida do quociente entre duas frequências 26 de julho de 2005 Contador Universal 19 Oscilador de Transferência O sinal de entrada é dividido e aplicado a dois misturadores. Um dos misturadores é utilizado em conjunto com: um filtro passa-banda de frequência f IF1, um amplificador um detector de fase um gerador de harmónicas para sincronizar o sinal de entrada de frequência f x, com uma das harmónicas do oscilador controlado por tensão, VCO1. f Nf f x LO IF1 26 de julho de 2005 Contador Universal 20

11 Oscilador de Transferência Determinação da Frequência A frequência f IF1 é conhecida. A frequência do VCO1, f LO, é medida no frequencímetro convencional. A determinação de N, é efectuada com a ajuda dum segundo oscilador controlado por tensão (VCO2). f Nf f x LO IF1 26 de julho de 2005 Contador Universal 21 Oscilador de Transferência Determinação de N Segundo oscilador controlado por tensão, VCO2, que produz uma frequência desviada da do primeiro oscilador dum valor conhecido f 0, oscilando, portanto, após s obtenção do sincronismo, a uma frequência igual a +f 0. f LO +f 26 de julho de 2005 Contador Universal 22

12 Oscilador de Transferência Determinação de N Aplicando f IF1 e f IF2 ao terceiro misturador obtem-se um sinal de frequência Nf 0. f Nf Nf f IF 2 LO 0 x f f Nf IF 2 IF de julho de 2005 Contador Universal 23 Oscilador de Transferência Determinação de N A razão de duas frequências pode-se determinar com um circuito que no essencial é um frequencímetro convencional. A base de tempo foi substituída por uma báscula a cuja entrada se aplicou o sinal de frequência mais baixa. Nf 0 f 0 Amplificador Amplificador Divisor da base de tempo & Contador 26 de julho de 2005 Contador Universal 24

13 Oscilador de Transferência Exemplo Imaginemos que se pretendia medir uma frequência de 10GHz e que se utiliza um filtro passa-banda de frequência central f IF1 =10MHz. Se o sincronismo fosse obtido para a centésima harmónica ( (N=100), o valor da frequência do VCO1 seria LO =100,1MHz. f LO f Nf f x LO IF1 26 de julho de 2005 Contador Universal 25 Oscilador de Transferência Exemplo Se por outro lado o valor de f 0 fosse 10kHz, então Nf 0 seria 1MHz. f IF2 igual a 11 MHz. Assim, a medida dos 10GHz seria efectuada à custa da medida duma frequência muito mais baixa, 100,1MHz, e da obtenção do quociente entre outras duas frequências ainda mais baixas, 10kHz e 1MHz. f Nf Nf f IF 2 LO 0 x f f Nf IF 2 IF1 0 Nf N f de julho de 2005 Contador Universal 26

14 Oscilador de Transferência Vantagens e Desvantagens Grande sensibilidade. Problemas de imunidade: Ruído. Modulação em frequência no sinal de entrada, devido à dificuldade em efectuar continuamente o sincronismo do oscilador com o sinal de entrada nessas condições. 26 de julho de 2005 Contador Universal 27 Heterodinagem Harmónica Utiliza um oscilador local sintetizado. A sua frequência é variada até um detector de nível n detectar a presença a de um sinal. Como na técnica t de Heterodinagem mas a selecção do sinal utilizado para multiplicar com o sinal de entrada não é feita com filtro mas sim no próprio prio oscilador local. 26 de julho de 2005 Contador Universal 28

15 Heterodinagem Harmónica Descoberta da harmónica que foi de facto aproveitada do resultado da mistura: Utilizando um segundo misturador como no caso do Oscilador de Transferência. Variando ligeiramente a frequência do oscilador local e comparando as diferentes contagens obtidas. f f Nf 1 1 IF x s f f Nf 2 2 IF x s 26 de julho de 2005 Contador Universal 29 Heterodinagem Harmónica Vantagem relativamente às s anteriores: O misturador é o único componente de muito alta frequência. Aparelhos bastante mais baratos. Apresenta em relação à técnica anterior muito maior imunidade à presença a de ruído ou modulação FM no sinal de entrada, jáj que não é efectuado qualquer sincronismo entre este e o oscilador local. A gama de frequências que é possível actualmente (1999) medir com frequencímetros comerciais que utilizam esta técnica t atinge os 40GHz. 26 de julho de 2005 Contador Universal 30

16 Exactidão Erro de 1 contagem devido à falta de sincronismo. Fundamentalmente dependente da qualidade da base de tempo (estabilidade do oscilador). Melhor exactidão: Heterodinagem. Heterodinagem harmónica. 26 de julho de 2005 Contador Universal 31 Qualidade da Base de Tempo Estabilidade a curto prazo. Limita a repetibilidade das medidas. Estabilidade a longo prazo. Limita a exactidão absoluta das medidas. Muito sensível a flutuações de temperatura. Pode limitar a exactidão a 1 parte em 10 9 ou mesmo em Se o oscilador está contido numa estufa que garante a operação a temperatura constante, são capazes de apresentar valores superiores a uma parte em de julho de 2005 Contador Universal 32

17 Estabilidade de Curto Prazo Comparação de osciladores. Duração da contagem de 1s. Temperatura ambiente (RTXO). Temperatura compensada (CTXO). Forno ( (Oven). 26 de julho de 2005 Contador Universal 33 Estabilidade de Longo Prazo Duração da contagem de 1s. Frequência medida 1 mês depois da calibração. Limita a exactidão da medida independentemente da técnica t de medida. 26 de julho de 2005 Contador Universal 34

18 Velocidade de Medida Aquisição. Tempo que demora a detecção do sinal de RF (varrimento da frequência do oscilador local). Duração da contagem. Duração do intervalo durante o qual são contados os períodos do sinal detectado. 26 de julho de 2005 Contador Universal 35 Velocidade de Medida Heterodinagem Aquisição usando um filtro YIG: 40ms a 200ms. Aquisição usando um filtro de filme: menos do que 1ms. Duração da contagem: 1/R em que R é a resolução de frequência desejada. 26 de julho de 2005 Contador Universal 36

19 Velocidade de Medida Oscilador de Transferência. Aquisição da ordem dos 150ms (semelhante à técnica de heterodinagem). A duração da contagem é mais longa pois é necessário efectuar a multiplicação por N: N/R.. Nota-se mais com baixas resoluções (<100Hz). 26 de julho de 2005 Contador Universal 37 Velocidade de Medida Heterodinagem Harmónica. Aquisição da ordem dos 350ms aos 500ms. (mais lento de todos). A duração da contagem: 1/R a 4/R. Melhor do que o Oscilador de Transferência. Semelhante à Heterodinagem. 26 de julho de 2005 Contador Universal 38

20 Sensibilidade Valor mínimo m da ordem dos -25 dbm. O Oscilador de Transferência tem melhor sensibilidade devido ao uso do PLL com baixa largura de banda (200kHz). 26 de julho de 2005 Contador Universal 39 Relação Sinal/Ruído Dependente da largura de banda aparente do medidor de frequência. Ruído de banda limitada em torno da portadora (modulação de amplitude). Ruído de banda larga (fonte de microondas). 26 de julho de 2005 Contador Universal 40

21 Tolerância a Modulação FM Heterodinagem Divisão da gama de frequências em intervalos que se sobrepõem dado que se usam as harmónicas do oscilador local. 26 de julho de 2005 Contador Universal 41 Tolerância à Modulação FM Oscilador de Transferência É menor quando a frequência de modulação é da ordem da largura de banda do PLL. No caso de vários v canais simultâneos a tolerância é em geral definida pelo número de canais de voz que podem estar modulados simultaneamente. 26 de julho de 2005 Contador Universal 42

22 Tolerância à Modulação FM Oscilador de Transferência 26 de julho de 2005 Contador Universal 43 Tolerância à Modulação FM Heterodinagem Harmónica Determinada pela largura de banda do amplificador pois a frequência do oscilador é automaticamente ajustada de modo a que a frequência intermédia esteja no centro da largura de banda do amplificador. Em geral melhor do que 50MHz. 26 de julho de 2005 Contador Universal 44

23 Tolerância à Modulação FM As técnicas t de heterodinagem são melhores do que a técnica t do Oscilador de Transferência. Entre 1 a 10MHz nos que utilizam a técnica t do oscilador de transferência Entre 40 a 50MHz nos restantes casos. 26 de julho de 2005 Contador Universal 45 Tolerância à Modulação AM A modulação em AM simples não é muito utilizada, no entanto ela está presente em diversos tipos de modulação ou devido a atenuação variável vel no sistema. Menos do que 50% na técnica t de heterodinagem (incluem em geral um circuito de controlo automático tico de ganho a seguir ao misturador). Superior a 90% nos restantes casos. 26 de julho de 2005 Contador Universal 46

24 Discriminação de Amplitude Em geral são capazes de seleccionar, entre as componentes presentes no sinal de entrada, a de maior amplitude: Tem de ter uma amplitude 2 a 10dB superior à segunda componente. Afastada de algumas centenas de MHz da segunda componente. 26 de julho de 2005 Contador Universal 47 Resumo de Especificações TípicasT 26 de julho de 2005 Contador Universal 48