Attenuatore a impedenza costante

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Attenuatore a passi di un dB

Quando è utile attenuare un segnale? in che occasione possiamo utilizzare un artefice simile?
Per chi si occupa di progetto o riparazione, sono tanti i casi in cui bisogna dosare un segnale per evitare di danneggiare uno stadio sotto test oppure in fase di collaudo o taratura.
Chi costruisce o ripara preamplificatori tv o amatoriali per effettuare misure del punto di saturazione, oppure valutare i prodotti di intermodulazione in vari ordini, durante il test del valore minimo di sensibilità di un ricevitore, occorre un attenuatore variabile .
Anche chi lavora su stadi mixer spesso per valutare il corretto comportamento fa uso di attenuatori anche soltanto per salvaguardare il delicato circuito, sia in fase progettuale che di riparazione.
Attenuare vuol dire diminuire un segnale ad un livello che ci consente di effettuare una determinata misura come nel caso dei mixer, può essere valido scendere il livello dell’oscillatore locale da un valore più basso per evitare prodotti indesiderati ma anche per evitare di danneggiare lo stesso mixer sotto esame.

Considerata la invasione sul mercato di vna prodotti a costi relativamente accessibili, rispetto a strumenti da laboratorio professionali, oggi chi pratica hobby in campo radio o progetta piccoli stadi è soggetto sempre ad attenuare segnali, è spesso nel caso di analizzatori di spettro economici è suggerito interporre sulla porta rf-in un attenuatore fisso da poch dB al fine di salvaguardare gli stadi di ingresso.

Durante le misure è scomodo inserire e disisnserire un attenuatore di tipo fisso per adattare il livello di segnale al valore giusto, ecco che conviene averne uno variabile.

Accenniamo il concetto di DECIBEL

L’unità di misura abbreviata con dB, à la decima parte del Bel, unità troppo grande per consentirci di effettuare calcoli e valutare le grandezze a noi comuni.
Quindi 10 dB = 1 B , definita come unità di misura logaritmica del rapporto tra due grandezze omogenee tra loro Si utilizza questa unita di misura in tutti quei casi ove è necessario valutare la amplificazione o attenuazione di un segnale che sia esso livello sonoro, segnale bf, segnale radio, segnali tv. Lo troveremo associato in ambito rf ad unità di misura in potenza tipo, dBm oppure dBuV , dBw. Il concetto è identico, un segnale da 3 dBm attenuato di 1 dB diventa 2 dBm , rende più facile la comprensione e i calcoli.

Un po di Matematica

Come si calcola il dB ? dobbiamo fare differenza se ci troviamo in condizione di manipolare un segnale in potenza, in tenzione, o in corrente

Power Gain = 10log10 (Pu/Pi)
Voltage Gain = 20log10 (Vu/Vi)
Current Gain = 20log10 (Iu/Ii)

In aiuto alla comprensione e al calcolo in merito ai segnali da attenuare o amplificare usufruiamo di una tabella

Un esempio reale

Ammettiamo di aver un segnale proveniente da un oscillatore di livello 50 mV eccessivo per il nostro mixer. dobbiamo ridurre l’ampiezza a 25 mV, quindi eseguiamo il semplice calcolo applicato al nostro quadripolo di attenuazione.

A = Vu/Vi = 25/50 = 0,5

Ammettiamo di aver un segnale proveniente da un oscillatore di livello 50 mV eccessivo per il nostro mixer. dobbiamo ridurre l’ampiezza a 25 mV, quindi eseguiamo il semplice calcolo applicato al nostro quadripolo di attenuazione.Consultando la tabella allegata scegliamo la colonna Tensioni, Attenuazioni e cerchiamo il valore che più si avvicina a 0,5.
Nel nostro caso corrisponde ad una attenuazione di 6 dB, questo è il valore da interporre per ottenere la condizione da 50 mV a 25 mV.
Stesso dicasi per amplificare un segnale, ipotesi da 10 mV a 40 mV otteniamo dal calcolo

A = Vu/Vi = 40/10 = 4

Quindi nella tabella, alla colonna Tensioni, in questo altro caso “Guadagno” troviamo il numero che si avvicina a 4, direi con buona approssimazione che corrisponde ad una amplificazione di 12 dB.

Stesso ragionamento per l’attenuazione o amplificazione, sta alle esigenze del caso e al tipo di risultato da ottenere, stabilire prendendo in esame il paramento 12 dB se utilizzare un solo comparto attenuatore da 12 dB oppure due da 6 dB o magari 3 da 4 dB per distribuire la potenza dissipata.

Volendo esporre il concetto in maniera teorica, consideriamo l’attenuatore come un quadripolo e ne valutiamo i segnali in ingresso e uscita legandoli ad un parametro “A”

A = Vu/Vi

Se la condizione ci restituisce un segnale in uscita maggiore di 1 , si parla di Amplificazione mentre, caso opposto, segnale di uscita più basso di quello in ingresso si ottiene un Attenuazione dal quadripolo sotto esame. Parametro “A” valore inferiore ad 1. In questo articolo espongo i calcoli inerenti al tipo di attenuatore variabile e una idea di realizzazione pratica, magari già nota o apparsa su altri articoli, e comunque reperibile già pronto in commercio a costi accessibili e commusurati alla qualità e affidabilità del prodotto. Oppure in versione costi proibitivi ma con caratteristiche eccelse che il semplice hobbista non apprezzerebbe. Devo e posso affermare che la mia realizzazione va a collocarsi in una posizione di rilievo in quanto a misure effettuate restituisce parametri di ottima linearità fino ad 0,5 Ghz.

Quanti tipi di attenuatori conosciamo ?

Attenuatore, si intende una singola unità che vengono aggiunte tra loro per ottenere una attenuazione maggiore. Le possibilità circuitali sono scelte in base alle esigenze e al circuito sottoposto a nostra attenzione. Ogni elemento Attenuatore è formato da tre o più resistenze disposte in modo da tenere costante la impedenza in ingresso e uscita.

Premesso che: Z sta per impedenza costante in/out e A è dato al calcolo Vu/Vi gli schemi più conosciuti sono:

A pi greco

Per calcolare i valori delle resistenze si utilizzano le seguenti regole matematiche:

R1 = Z * (A^2 -1) / (2 * A)

R2 = Z * (A + 1) / (A - 1)

Attenuatore a T

Per calcolare i valori delle resistenze si utilizzano le seguenti regole matematiche:

R1 = Z * (A - 1) / (A + 1)

R2 = Z * (2 * A) / (A ^2 - 1)

Attenuatore ad H

Per calcolare i valori delle resistenze si utilizzano le seguenti regole matematiche:

R1 = Z /2 * (A - 1) / (A + 1)

R2 = Z * (Z * A) / (A ^2 - 1)

Attenuatore ad O

Per calcolare i valori delle resistenze si utilizzano le seguenti regole matematiche:

R1 = Z * (A+ 1)/(A-1)

R2= Z/2(A*A-1)/(2A)

Attenuatore a T pontato

Per calcolare i valori delle resistenze si utilizzano le seguenti regole matematiche:

R1 = Z

R2 = Z(A-1)

R3 = Z(1/A-1)

Definiamo i particolari realizzativi

Rispettando i fattori di impedenza di ingresso e uscita nonché la potenza dissipata sugli elementi si comportano in egual modo, cioè decrementano il segnale di un determinato fattore.
La scelta di utilizzo di una tipologia rispetto all’altra è legata solo al tipo di situazione, nel caso di segnali RF radio tv con riferimento a gnd (bilanciati) sono utilizzabili le tipologieva T oppure a pi greco o a t pontato , mentre dovendo attenuare una linea bilanciata tipo doppino telefonico oppure segnale proveniente da un microfono non riferito a gnd occorre utilizzare la conformazione ad O oppure H

Bisogna comunque dire che ogni attenuatore può essere calcolato con impedenza di ingresso o uscita di 50 ohm, 75 ohm , 600 ohm oppure a seconda delle esigenze, basta tenerne conto durante la fase di progetto per il dimensionamento delle resistenze.

Quindi ogni attenuatore preso singolarmente possiamo chiamarlo come citano vari libri di testo “Cella di attenuazione” da utilizzare singolarmente o in aggiunta ad altre celle al fine di sommare il fattore di attenuazione.

Le soluzioni realizzative potevano essere due dal punto di vista meccanico, per commutare le varie celle.

Una prima e spesso utilizzata in blasonati strumenti di misura, fare uso di un commutatore doppio di tipo rotativo, avente due vie e posizioni corrispondenti al numero di attenuazioni da ottenere, scartata come idea in quanto costosa e reperibilità complicata per la tipologia di commutatori.

Mentre usare un doppio deviatore a levetta per ogni cella si presta in termini di semplicità realizzativa e costi di approvigionamento, è risultato ottima soluzione.

La foto in basso mostra il modello con i pin adatti ad essere innestati nel pcb.

Suggerisco di utilizzare, in merito ai deviatori, modelli di ottima qualità in quanto ho avuto modo di costatare, riferendomi a prootti di fascia estremammente economica, che di suo ogni contatto introduce una resistenza apprezzabile tra i 3 e i 20 Ohm, un comportamento che falserebbe la affidablità del prodotto e della misura stessa.

Passiamo alla pratica

Cominciamo con un parametro importante da tenere conto, NON bisogna utilizzare resistenze a filo
oppure corazzate con corpo in alluminio.

Utilizzare resistori a residui metallici o a carbonio.
Per gli amanti della precisione sullo stampato ho previsto per ogni comparto, una singola resistenza oppure un parallelo. Il PCB può essere realizzato anche mono faccia . Il contenitore che ho utilizzato è della serie metallica modello 373 della TEKO.

La scelta è scaturita da una facile reperibilità e soluzione economica, chi vuole realizzare un prodotto che sia professionalmente e esteticamente presentabile può farsi realizzare un contenitore ottenuto per fresatura da alluminio o altro.
Mia preferenza è stata utilizzare connettori di tipo SMA femmina a flangia praticando i due fori, o quattro fori per il fissaggio alla scatola metallica.

La figura in basso ne illustra la realizzazione completa di foratura e disposizione dei componenti.

Ho preferito utilizzare la scatola forando il fondo e sul coperchio mettere quattro piedini per evitare che durante l’utilizzo possa rovinare il piano della scrivania o piano di lavoro.
Ho simulato al cad la possibilità di utilizzare connettori di tipo SO-239 oppure N diventa una preferenza da valutare a seconda del campo di utilizzo dell’attenuatore.

Tutti coloro che lavorano con mini-vna sono legati al connettore sma, chi ha esigenze di connettersi a apparecchiature di fascia superiore gli è più comodo utilizzare la categoria di connettori tipo N.

Il connettore SO-239 oltre ad essere meno utilizzato diventa un motivo in più per utilizzare adattatori scomodi e che nella maggiornaza dei casi introducono falsi valori durante le misure specie a frequenze più elevate.

La foto in basso mostra la scatola teko durante le prime prove di foratura, come di consueto uso per un primo prototipo componenti di recupero per poi riportare in copia modello presentabile anche esteticamente facendo frutto degli errori commessi nella bozza.

Il contenitore TEKO prevede dei lamierini per creare scomparti divisi, in questa applicazione non sono utili.

Per facilitare la foratura dei sei deviatori ho preparato un file DIMA che stampato e posizionato sul contenitore aiuta a effettuare un lavoro pulito e preciso.

Valori resistenze

A questo punto bisogna definire a mezzo calcolo il valore delle resistenze di ogni singola cella che per convenienza di progetto ho preferito usare la conformazione a pi greco .

Per comodità ho preferito inserire i valori di resistenze in una unica tabella, per facilitare la consultazione

Con le sei celle da me utilizzate è possibile ottenere a passi di un dB valori di attenuazione da 1 a 63 dB valori più che sufficienti al fine di condurre una miriade di sperimentazioni

Conclusioni

Mi è doveroso specificare che l’oggetto descritto è frutto una mia realizzazione personale ai fini didattici. Inoltre la parte teorica è dedita ad appassionati della materia nonchè studenti che si aiutano inizialmente con nozioni espresse in forma più semplice.

Un oggetto realizzato di proprio pugno assume un valore aggiunto, se curato nei particolari riesce a dare prestazioni vicine a prodotti costosi e professionali.