Laboratorium Inżynierii Materiałowej. Ćwiczenie 1. Pomiar charakterystyk filtrów piezoelektrycznych

Transkrypt

1 Laboratorium Inżynierii Materiałowej Ćwiczenie 1. Pomiar charakterystyk filtrów piezoelektrycznych Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdaoska Gdaosk 011

2 1. Cel dwiczenia Filtry piezoelektryczne należą do grupy selektywnych podzespołów elektrycznych, w których wykorzystywany jest efekt piezoelektryczny. Filtry te wykorzystują płaskie, akustyczne fale objętościowe rozchodzące się wewnątrz materiału rezonatora, lub płaskie, akustyczne fale powierzchniowe rozchodzące się wzdłuż swobodnej powierzchni na granicy ośrodków rezonator / powietrze. Fale te mogą przemieszczad się po powierzchni i są silnie tłumione w kierunku do wnętrza rezonatora. Granica rozdziałów ośrodków pełni tu, zatem funkcję prowadnicy fali powierzchniowej. Przez analogię do elektroniki półprzewodnikowej takie filtry można nazwad piezoelektrycznymi filtrami scalonymi. Coraz częściej zastępują one filtry cewkowo kondensatorowe i klasyczne filtry kwarcowe. Ze względu na sposób rozchodzenia się drgao w elementach piezoelektrycznych filtry można podzielid na dwie zasadnicze grupy. Do pierwszej należą filtry, w których stosowane są rezonatory z drganiami objętościowymi. Filtry takie mogą zawierad rezonatory dyskretne, lub rezonatory ze sprzężeniami akustycznymi, wykonane z jednej płytki piezoelektrycznej. Istnienie sprzężeo akustycznych między rezonatorami wykonywanymi na jednym podłożu możliwe jest dzięki występowaniu zjawiska pułapkowania energii. Filtry, w których stosuje się takie rezonatory nazywane są filtrami monolitycznymi. Do drugiej grupy zaliczane są filtry z akustyczną falą powierzchniową. Można je podzielid na dwie klasy: filtry transwersalne i filtry rezonansowe. Charakterystyczną cechą filtrów transwersalnych jest niezależnośd charakterystyk fazowych i amplitudowych. Mogą one realizowad zarówno funkcję opóźnienia w czasie jak i funkcję filtracji częstotliwości. Filtry rezonansowe wykorzystują rezonatory z akustyczną falą powierzchniową. Ich struktura elektryczna jest podobna do struktury filtrów z rezonatorami dyskretnymi. W filtrach piezoelektrycznych jako materiału piezoelektrycznego używa się głównie monokryształów kwarcu, niobianu litu, tantalanu litu oraz ceramiki piezoelektrycznej. Spośród Laboratorium Inżynierii Materiałowej Strona

3 różnych materiałów ceramicznych najlepszymi parametrami piezoelektrycznymi charakteryzują się kompozycje ceramiczne systemu PZT będące roztworami stałymi cyrkonianu ołowiu (PbZrO 3 ) i tytanianu ołowiu (PbTiO 3 ). Są to ceramiki typu perowskitu, zawierające w swej strukturze krystalicznej typowy oktaedron tlenowy. Poniżej temperatury Curie, która w zależności od kompozycji wynosi od stu kilkudziesięciu do dwustu kilkudziesięciu o C, ich regularna struktura krystaliczna deformuje się tworząc anizotopowe struktury ferroelektryczne. Struktury te wykazują także właściwości piezoelektryczne. Poważną zaletą ceramiki PZT jest stosunkowo prosta technologia wytwarzania, a w związku z tym niższa cena filtrów.. Podstawowe parametry filtrów piezoelektrycznych Zdolnośd transmisji filtrów piezoelektrycznych (podobnie jak filtrów innych typów) w normalnych warunkach pracy, z uwzględnieniem zarówno własności samego filtru jak i wpływu strat spowodowanych niedopasowaniem filtru do obwodów zewnętrznych, opisują pojęcia tamowności wtrąceniowej związanych zaleznością:, tłumienności wtrąceniowej A i przesuwności wtrąceniowej B = A + jb (1) Tamownośd wtrąceniowa definiowana jest wzorem: (db) = 10 log P P 0 () gdzie: P 0 jest zespoloną mocą dysponowaną źródła, jaką mogłoby ono wydzielid w bezpośrednio dołączonej impedancji obciążenia Z (rys.1a), P jest mocą zespoloną jaką źródło wydziela na tej samej impedancji przy włączonym filtrze (rys.1b). Laboratorium Inżynierii Materiałowej Strona 3

4 a) Rys.1. Pomiar tamowności wtrąceniowej filtru. b) a) układ odniesienia, b) układ do pomiaru w normalnych warunkach pracy. Częśd rzeczywista tamowności, czyli tłumiennośd wtrąceniowa A decyduje o charakterystyce amplitudowej filtru, a częśd urojona, czyli przesuwnośd B określa zmianę fazy sygnału spowodowaną włączeniem filtru piezoelektrycznego. W przypadku, gdy: Z ˆ 1 R ˆ 1 i Z R, tłumiennośd wtrąceniową filtru wyrazid można wzorem: A[ db] 10 log P 0 P 0 log ( R 1 ER R ) U (3) Zależnośd tę często przedstawia się w postaci: A A 0 log R 1 R R (4.1) gdzie: A 0 log E U (4.) Laboratorium Inżynierii Materiałowej Strona 4

5 Rozróżnia się dwie metody pomiaru tłumienności: bezpośrednią i pośrednią. Pierwsza metoda oparta jest na definicji tłumienności (wzór 3) w układzie zawierającym generator sygnału, badany filtr i miernik poziomu (mierzący napięcie na obciążeniu R, rys1b). Druga metoda polega na pomiarze A (wzór 4.) za pomocą wzorcowego tłumika dekadowego. Mierząc A przy różnych częstotliwościach sygnału generatora otrzymuje się charakterystykę amplitudową filtru. W praktyce, dla jej otrzymania stosuje się zestaw wobulatorowy, składający się z generatora przemiatającego i analizatora widma. Umożliwia on zaobserwowanie charakterystyk filtru na ekranie, w różnych zakresach częstotliwości. Na rys. przedstawiono typową charakterystykę tłumienności filtru środkowoprzepustowego. a) b) Rys.. Parametry charakterystyki tłumienności filtru: a) środkowoprzepustowego, b) środkowozaporowego. Laboratorium Inżynierii Materiałowej Strona 5

6 Wyróżnia się następujące główne parametry charakterystyki tłumienności (rys.): minimalną tłumiennośd w pasie przepustowym A 0 ( w wymaganiach technicznych zazwyczaj podaje się dopuszczalną maksymalną wartośd tej tłumienności), częstotliwości kraocowe pasma przepustowego f ±p, względnie pasma tłumieniowego f ±t, przy których tłumiennośd wtrąceniowa względna A w = A A 0 osiąga wymaganą wartośd A (zwykle 3, 6, 40, 60, 70, 80 lub 90 db), częstotliwośd środkową f o równą średniej geometrycznej częstotliwości kraocowych, f f f, o p p szerokośd pasma przepustowego f p (tylko dla filtrów środkowoprzepustowych), równą przedziałowi częstotliwości, dla których względna tłumiennośd A w nie przekracza żądanej wartości A (jest to więc różnica częstotliwości kraocowych), współczynnik prostokątności K, równy stosunkowi dwóch szerokości pasm f p1 i f p (lub f t1 i f t ), dla dwóch różnych wartości tłumiennościwzględnej A w. Należy zwrócid uwagę, że dla prawidłowej pracy filtru muszą byd spełnione określone warunki, przede wszystkim: obciążenie filtru właściwymi rezystancjami, zmniejszenie do minimum pasożytniczego sprzężenia między wejściem a wyjściem filtru, nieprzekraczanie dopuszczalnej wartości poziomu mocy, napięcia lub prądu sygnału wejściowego. 3. Pomiary parametrów filtrów piezoelektrycznych Celem dwiczenia jest pomiar metodą bezpośrednią charakterystyki amplitudowej filtrów piezoelektrycznych oraz zbadanie wpływu niedopasowania na kształt charakterystyki. Zasadę pomiaru ilustruje rys.1b oraz rys 3. Laboratorium Inżynierii Materiałowej Strona 6

7 Rys.3. Układ laboratoryjny do badania charakterystyki amplitudowej filtrów ceramicznych. W zestawie laboratoryjnym znajduje się pięd filtrów piezoelektrycznych, obciążonych po stronie wejścia rezystorem R 1, a po stronie wyjścia rezystorem R. Każdy z rezystorów R 1 i R może przyjąd jedną z trzech wartości rezystancji podanych w tabeli 1. Zwora Z (przycisk) służy do bezpośredniego połączenia wejścia filtru z jego wyjściem. Do pomiaru parametrów filtrów zastosowano analizator widma z generatorem przemiatającym Instek GSP-810. Przyrząd ten posiada wyświetlacz lampowy do prezentacji widm oraz wyświetlacz LCD i klawiaturę do komunikacji z użytkownikiem. Do włączenia przyrządu służy przycisk POWER na płycie czołowej. Po uruchomieniu należy wcisnąd sekwencyjnie klawisze Shift i TRK GEN celem aktywacji menu obsługującego generator przemiatający. Etykieta TRK GEN pokazuje status generatora. Po uaktywnieniu pola opisanego tą etykietą, klawisz umożliwia włączenie i wyłączenie generatora przemiatającego. Aby ustawid poziom sygnału z generatora należy za pomocą pokrętła obrotowego przejśd do dolnej linii menu, do pola opisanego etykietą LEVEL. W sąsiednim polu, nie oznaczonym żadną etykietą, należy ustawid wartośd przesunięcia częstotliwości początkowej na 0 khz. Laboratorium Inżynierii Materiałowej Strona 7

8 Przycisk CENTER pozwala na wejście do pola oznaczonego taką samą etykietą, co umożliwia wybranie częstotliwości odpowiadającej środkowemu punktowi wyświetlacza. Ustawienia dokonuje się za pomocą przycisków i oraz pokrętła obrotowego. Przycisk SPAN umożliwia aktywację w menu pola odpowiadającego za prezentowany na ekranie zakres częstotliwości. Za pomocą pokrętła obrotowego ustala ilośd Hz odpowiadającej jednej działce w poziomie. Pole RBW przedstawia rozdzielczośd częstotliwości. Pole REF LVL opisuje najwyższej wyświetlaną wartośd poziomu sygnału. Zmian wartości w tych polach, po ich aktywacji, dokonuje się za pomocą pokrętła obrotowego. Do odczytu przebiegu zarejestrowanych widm służą dwa kursory pionowe : standardowe; osiągalne po naciśnięciu przycisku MKR ; na wyświetlaczu LCD podawane jest położenie kursorów 1 i (w jednostkach częstotliwości) i poziom sygnału w dbm; różnicowe; osiągalne po naciśnięciu przycisku MKR ; na wyświetlaczu LCD podawane jest położenie kursorów 1 i i poziom sygnału w dbm odpowiadający kursorowi 1, natomiast w przypadku kursora podawana jest różnica w poziomie sygnałów dla obu zaznaczonych częstotliwości. Dla obydwu typów znaczników, wyboru kursora dokonuje się za pomocą pokrętła obrotowego lub klawisza ENTER, a przesunięcia kursora za pomocą przycisków i (pozycja) i pokrętła obrotowego. Wciśnięcie sekwencyjne klawiszy SHIFT i MKR powoduje przesunięcie kursora 1 do najbliższego maksimum (funkcja PK->MKR), natomiast wciśnięcie sekwencyjne klawiszy SHIFT i MKR powoduje przyjęcie aktualnego położenia kursora 1 za nową częstotliwośd środkowej (funkcja MKR->CF). Dwiczenie polega na ustaleniu poziomu sygnału wejściowego filtru na zadanym poziomie i pomiarze jego charakterystyki widmowej dla wszystkich kombinacji wartości R 1 i R. Zakresy częstotliwości, w których należy mierzyd charakterystykę filtrów podano w tabeli. Laboratorium Inżynierii Materiałowej Strona 8

9 4. Przebieg dwiczenia 1. Połączyd układ pomiarowy. Sygnał z generatora należy ustalid na poziomie 0 dbm.. Odłączyd wszystkie filtry i ustawid kombinację R 1 = 0, R =. Wcisnąd zworę i zmierzyd wartośd P Wykorzystując kursory, zdjąd charakterystyki widmowe P (f) w dla wybranych filtrów oraz wartości R 1 i R. Wykorzystując kursory różnicowe określid szerokośd pasm 3dB, 6 db i 1 db. 4. Powtórzyd powyższe czynności dla poziomu sygnału z generatora 0dBm. Pomiary należy przeprowadzid bardzo starannie. Częstotliwośd należy zmieniad tak, aby uwidocznid wszystkie zafalowania charakterystyki amplitudowej, wszystkie lokalne ekstrema. 5. Opracowanie 1. W oparciu o dokonane pomiary należy obliczyd (ze wzoru 3) i wykreślid charakterystyki tłumienności wtrąceniowej A(f). Należy zwrócid uwagę, że obliczając (ze wzoru 3) tłumiennośd A, należy do wartości rezystancji R 1 obciążającej filtr (rys.1 i 3) dodad rezystancję wyjściową generatora R g = 75.. Na podstawie otrzymanych wyników należy określid: minimalną tłumiennośd A 0 w paśmie przepustowym, kraocowe częstotliwości pasma przepustowego f ±p, dla których względna tłumiennośd wtrąceniowa A w = A A 0 = 3 db ( w przypadku silnego zafalowania przyjąd 6 db), częstotliwośd środkową f o oraz szerokośd f p pasma przepustowego, współczynnik prostokątności K dla dwóch wartości tłumienności względnej A w1 = A A 0 = 3 db oraz A w = A A 0 = 1 db, 3. Przedyskutowad wpływ niedopasowania na charakterystyki tłumienności wtrąceniowej. 4. Skomentowad wpływ poziomu sygnału z generatora na kształt otrzymanych widm. Laboratorium Inżynierii Materiałowej Strona 9

10 Literatura 1. W. Soluch Filtry piezoelektryczne. WkiŁ, Warszawa G. Temes, S. Mitra Teoria i projektowanie filtrów, WNT, WWA nr filtru typ Zakres częstotliwości 1 SFE 10,7M 10,5 MHz 10,9 MHz podwójny SFE 5,5M 5, MHz 5,7 MHz 3 CDA 5,5M 5, MHz 5,7 MHz 4 SFE 5,5M 5, MHz 5,7 MHz podwójny 5 SFE 10,7M 10,5 MHz 10,9 MHz Laboratorium Inżynierii Materiałowej Strona 10