Ćwiczenie 1 POMIAR CHARAKTERYSTYK FILTRÓW PIEZOELEKTRYCZNYCH. Laboratorium Inżynierii Materiałowej

Transkrypt

1 Ćwiczenie 1 POMIAR CHARAKTERYSTYK FILTRÓW PIEZOELEKTRYCZNYCH Laboratorium Inżynierii Materiałowej

2 1. CEL ĆWICZENIA 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 przemieszczać 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 nazwać piezoelektrycznymi filtrami scalonymi. Ze względu na sposób rozchodzenia się drgań w elementach piezoelektrycznych filtry można podzielić na dwie zasadnicze grupy. Do pierwszej należą filtry, w których stosowane są rezonatory z drganiami objętościowymi. Filtry takie mogą zawierać rezonatory dyskretne lub rezonatory ze sprzężeniami akustycznymi, wykonane z jednej płytki piezoelektrycznej. Istnienie sprzężeń 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 podzielić na dwie klasy: filtry transwersalne i filtry rezonansowe. Charakterystyczną cechą filtrów transwersalnych jest niezależność charakterystyk fazowych i amplitudowych. Mogą one realizować 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 różnych materiałów ceramicznych najlepszymi parametrami piezoelektrycznymi charakteryzują się kompozycje ceramiczne systemu PZT będące roztworami stałymi cyrkonianu ołowiu (PbZrO3) i tytanianu ołowiu (PbTiO3). 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 stopni Celsjusza, 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. Strony: 2/11

3 2. Podstawowe parametry filtrów piezoelektrycznych Zdolność 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 Γ, tłumienności wtrąceniowej A i przesuwności wtrąceniowej B związanych zależnością: (1) Tamowość wtrąceniowa definiowana jest wzorem: 10log (2) gdzie: P20 jest zespoloną mocą dysponowaną źródła, jaką mogłoby ono wydzielić w bezpośrednio dołączonej impedancji obciążenia Z2 (rys.1a), P2 jest mocą zespoloną jaką źródło wydziela na tej samej impedancji przy włączonym filtrze (rys.1b). Rysunek 1. Pomiar tamowości wtrąceniowej filtru a) układ odniesienia, b) układ do pomiaru w normalnych warunkach pracy Część rzeczywista tamowości, czyli tłumienność wtrąceniowa A decyduje o charakterystyce amplitudowej filtru, a część urojona, czyli przesuwalność B określa zmianę fazy sygnału spowodowaną włączaniem filtru piezoelektrycznego. W przypadku, gdy i, tłumienność wtrąceniową filtru wyrazić można wzorem (3): 10log 20log Zależność tę często przedstawia się w postaci: (3)!20log " (4.1) Strony: 3/11

4 gdzie: 20log " (4.2) 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 R2, rys1b). Druga metoda polega na pomiarze A (wzór 4.2) 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 rysunku 2 przedstawiono typową charakterystykę tłumienności filtru. Rysunek 2. Parametry charakterystyka tłumienności filtru a) środkowoprzepustowego, b) środkowozaporowego. Wyróżnia się następujące parametry charakterystyk tłumienności (rys. 2): Minimalną tłumienność w pasie przepustowym A0 (w wymaganiach technicznych zazwyczaj podaje się dopuszczalną maksymalną wartość tej tłumienności), Częstotliwości krańcowe pasma przepustowego f±p, względnie pasma tłumionego f±t,przy których tłumienność wtrąceniowe względna Aw=A-A0 osiąga wymaganą wartość A (zwykle 3, 6, 15, 21, 40, 60, 80 lub 90 db), Strony: 4/11

5 Częstotliwość środkową f0 równą średniej geometrycznej częstotliwości krańcowych, # $ %# &' # ', Szerokość pasma przepustowego Δfp (tylko dla filtrów środkowoprzpustowych), równą przedziałowi częstotliwość, dla których względną tłumienność Aw nie przekracza żądanej wartości A (jest to więc różnica częstotliwości krańcowych), Współczynnik prostokątności K, równy stosunkowi dwóch szerokości pasm Δfp1 i Δfp2 (lub Δft1 i Δft2), dla dwóch różnych wartości tłumienności względnej Aw. Należy zwrócić uwagę, że dla prawidłowej pracy filtru muszą być 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 ćwiczenia jest pomiar metodą bezpośrednią charakterystyki amplitudowej filtrów piezoelektrycznych oraz zbadanie wpływu niedopasowania na kształt charakterystyki. Zasadę pomiaru ilustruje rys 1b oraz rys. 3. Rysunek 3. Układ laboratoryjny do badania charakterystyki amplitudowej filtrów ceramicznych. W zestawie laboratoryjnym znajduje się pięć filtrów piezoelektrycznych, które można obciążyć po stronie wejścia rezystorem R1, a po stronie wyjścia rezystorem R2. Zwora Z (przycisk) służy do bezpośredniego połączenia wejścia filtru z jego Strony: 5/11

6 wyjściem. Badane elementy należy dołączyć do płytki montażowej, przedstawionej na Rys. 4. Rysunek 4. Schemat płytki montażowej. Elementy umieszczone są na płytkach pomiarowych - Rys.5. Komplet elementów przedstawiono na Rys.6 Rysunek 5. Sposób montażu elementu na płytce pomiarowej. Rysunek 6. Rezonatory, obciążenia i zwora. Do pomiaru parametrów filtrów i rezonatorów zastosowano analizator widma z generatorem przemiatającym Instek GSP-810. Strony: 6/11

7 Rysunek 7. Pomiar filtru za pomocą analizatora widma Instek GSP-810. Przyrząd ten posiada wyświetlacz lampowy do prezentacji widm oraz wyświetlacz LCD i klawiaturę do komunikacji z użytkownikiem. Rysunek 8. Podłączenie przyrządu Instek GSP 810 do układu. Do włączenia przyrządu służy przycisk POWER na płycie czołowej. Po uruchomieniu należy wcisnąć 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 ustawić poziom sygnału z generatora należy za pomocą pokrętła obrotowego przejść do dolnej linii menu, do pola opisanego etykietą LEVEL. W sąsiednim polu, nieoznaczonym żadną etykietą, należy ustawić wartość przesunięcia częstotliwości początkowej na 0 khz. Strony: 7/11

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 ilość Hz odpowiadającej jednej działce w poziomie. Pole RBW przedstawia rozdzielczość częstotliwości. Pole REF LVL opisuje najwyższej wyświetlaną wartość 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 2 (w jednostkach częstotliwości) oraz poziom sygnału w dbm; Różnicowe; osiągalne po naciśnięciu przycisku ΔMKR ; na wyświetlaczu LCD podawane jest położenie kursorów 1 i 2 oraz poziom sygnału w dbm odpowiadający kursorowi 1, natomiast w przypadku kursora 2 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 częstotliwość środkowej (funkcja MKR->CF). Ćwiczenie polega na ustaleniu poziomu sygnału wejściowego filtru na zadanym poziomie i pomiarze jego charakterystyki widmowej dla wszystkich kombinacji wartości R1 i R2. Zakresy częstotliwości, w których należy mierzyć charakterystykę filtrów podano w tabeli nr 1. Tabela 3-1. Charakterystyka filtrów. Nr filtru TYP ZAKRES CZĘSTOTLIWOŚCI 1 SFE 10,7M podwójny 10,5 +,-.10,9 +,- 2 SFE 5,5M 5,2 +,-.5,7 +,- 3 CDA 5,5M 5,2 +,-.5,7 +,- 4 SFE 5,5M podwójny 5,2 +,-.5,7 +,- 5 SFE 10,7M 10,5 +,-.10,9 +,- Ponadto na stanowisku znajdują się rezonatory. Strony: 8/11

9 Tabela 3-2. Charakterystyki rezonatorów. CZĘSTOTLIWOŚĆ PRACY 4. Przebieg ćwiczenia NAZWA ELEMENTU 400 khz Rezonator: ceramiczny; YIC ZTB 400KHZP 2 MHz Rezonator: ceramiczny; YIC CSA-2MHZ 4 MHz Rezonator: kwarcowy; 4.00M-HC49 1. Połączyć układ pomiarowy. Sygnał z generatora należy ustalić na poziomie 0 dbm. 2. Odłączyć wszystkie filtry i ustawić kombinację , 1 ". Wcisnąć zworę i zmierzyć wartość P Wykorzystując kursory, zdjąć charakterystyki widmowe P 2(f) dla wybranych filtrów oraz wartości R 1 i R 2. Wykorzystując kursory różnicowe określić szerokość pasm dla 3 db, 6 db i 21 db. 4. Powtórzyć powyższe czynności dla wybranego filtru dla poziomu sygnału z generatora -20dBm. 5. Zmierzyć charakterystykę wybranego rezonatora. Pomiary należy przeprowadzić bardzo starannie. Częstotliwość należy zmienić tak, aby uwidocznić wszystkie zafalowania charakterystyki amplitudowej, wszystkie lokalne ekstrema. 5. Opracowanie 1. W oparciu o dokonane pomiaru należy obliczyć (ze wzoru 3) i wykreślić charakterystyki tłumienności wtrąceniowej 5. Należy zwrócić uwagę, że obliczając (ze wzoru 3) tłumienność A, należy do wartości rezystancji 1 2 obciążającej filtr (rys. 1 i 3.) dodać rezystancję wyjściową generatora Na podstawie otrzymanych wyników należy określić: a. Minimalną tłumienność 7 w paśmie przepustowym, b. Krańcowe częstotliwości pasma przepustowego 5 89, dla których względna tłumienność wtrąceniowa :! 7 3 (w przypadku silnego zafalowania przyjąć 6 db), c. Częstotliwość środkową 5 7 f 0 oraz szerokość 5 9 pasma przepustowego, d. Współczynnik prostokątności K dla dwóch wartości tłumienności względnej: :2 <! 7 3 :" <<! Przedyskutować wpływ niedopasowania na charakterystyki tłumienności wtrąceniowej. 4. Skomentować wpływ poziomu sygnału z generatora na kształt otrzymanych widm. Literatura 1. W. Soluch Filtry piezoelektryczne. WkiŁ, Warszawa G. Temes, S. Mitura Teoria i projektowanie filtrów, WNT, Warszawa Strony: 9/11

10 A. Dodatek. Logarytmiczne jednostki mocy a. Decybel Logarytmiczna jednostka miary równa 1/10 bela. Oznaczenie: [db]. Używamy, gdy porównujemy wielkości zmieniające się w sposób liniowy w bardzo szerokim zakresie, a najbardziej interesującymi zmianami są zmiany względne np. procentowe. Jednostką podstawową jest [B] bel. Powszechnie przyjęło się używać jednostki dziesięciokrotnie mniejszej, czyli => $, >. Wartości w decybelach odnoszą się do stosunku dwóch wielkości, danej wielkości P do pewnej wielkości odniesienia P 0. gdzie: P[dB] - wielkość P w decybelach, log10 - logarytm dziesiętny, P 0 - wielkość odniesienia.? 10log A Tabela A-1. Tabela wartości współczynnika X. Decybel 10log 10(X) Wartość X ,1-20 0, ,001 (A.1) W przypadku wielkości typu wzmocnienie napięciowe wykorzystuje się definicję opisaną wzorem: B C 20log 27 (A.2) Wzór ten wykorzystywany jest przy analizie charakterystyk amplitudowych filtrów elektronicznych oraz obiektów automatyki, w których np. o sytuacji, gdy 10-krotny wzrost częstotliwości powoduje 10-krotny wzrost napięcia, mówi się o wzroście 20 db na dekadę. Dla stosunku napięć lub prądów będzie to: b. dbm 20log 27 (A.2) Jednostka dbm określa logarytmiczną miarę poziomu mocy odniesioną do 1 miliwata. Moc wyrażana w dbm informuje o ile decybeli moc ta jest większa lub mniejsza od mocy 1 mw. Strony: 10/11

11 Przy czym:?d 10log EF 2EF A?D!30?G (A.4) (A.5) Tabela A-2. Tabela zależności mocy z dbm i mw. Moc w dbm Moc w mw -10 0, Strony: 11/11