Oscillatori Elettronici e Modulazione Radio: Tipi e Funzionamento (RC, LC, 555, AM, FM)

Oscillatori Elettronici: Componenti e Tipi (Voce 19)

Componenti degli Oscillatori

Gli oscillatori possono essere costituiti da diversi componenti. I principali tipi in base ai componenti sono:

• Oscillatori RC: Composti da resistenze (R) e condensatori (C).
• Oscillatori LC: Composti da induttori (L) e condensatori (C).
• Oscillatori a Cristallo: Utilizzano cristalli di quarzo come elemento risonante per un'elevata stabilità.

Tipi Specifici di Oscillatori

Multivibratore

Un multivibratore è un circuito oscillatore in grado di generare un'onda non sinusoidale, tipicamente quadra o rettangolare. In base al loro funzionamento, i multivibratori possono essere suddivisi in classi:

• Astabile (o a funzionamento libero): Genera onde continue autonomamente, senza stati stabili.
• Pilotato: Cambia stato in risposta a un segnale di trigger esterno.
  • Se ha due stati stabili, è detto bistabile.
  • Se ha uno stato stabile, è detto monostabile (o "one-shot").

Nella sua forma più semplice, può utilizzare due transistor. Reti di retroazione con resistenze e condensatori definiscono i periodi di instabilità (nel caso astabile) o la durata dell'impulso (nel caso monostabile).

Il Timer 555 come Oscillatore

Il popolare circuito integrato timer 555 può essere configurato per funzionare in diversi modi, inclusi:

• Come multivibratore astabile: Questo tipo di funzionamento è caratterizzato da un'uscita a onda quadra (o rettangolare) continua, la cui frequenza e duty cycle sono definiti dai componenti esterni (resistenze e condensatori).
• Come multivibratore monostabile: In questo caso, il circuito genera un singolo impulso di uscita (alto o basso) di durata definita, in risposta a un impulso di trigger in ingresso.

Oscillatore RC

Sono costruiti a partire da uno stadio amplificatore (spesso invertente) e una rete di retroazione RC (ad esempio, a sfasamento o a ponte di Wien) che determina la frequenza di oscillazione e garantisce la condizione di Barkhausen per l'innesco e il mantenimento dell'oscillazione.

Oscillatore a Ponte di Wien

È un tipo di oscillatore RC che genera onde sinusoidali con buona stabilità e bassa distorsione, senza necessità di un segnale di ingresso esplicito. Utilizza un amplificatore non invertente e una rete RC a ponte (il ponte di Wien) nella retroazione positiva per selezionare la frequenza, e una forma di controllo automatico del guadagno (AGC) nella retroazione negativa per stabilizzare l'ampiezza. Può generare un'ampia gamma di frequenze. Il ponte è costituito da quattro resistori e due condensatori.

Oscillatore LC

Un oscillatore LC utilizza un circuito risonante LC (detto anche circuito "tank" o serbatoio), costituito da un induttore (L) e un condensatore (C), per determinare la frequenza di oscillazione. Il suo funzionamento si basa sullo scambio di energia tra il campo magnetico dell'induttore e il campo elettrico del condensatore. Sono usati principalmente per generare frequenze elevate.

Oscillatore Colpitts

È un circuito elettronico basato su un oscillatore LC, progettato da Edwin H. Colpitts. Utilizza un partitore capacitivo nel circuito risonante per fornire la retroazione all'elemento attivo (transistor o amplificatore operazionale). È un oscillatore ad alta frequenza che genera in uscita un segnale a frequenza relativamente fissa.

Oscillatore Hartley

Simile al Colpitts, l'oscillatore Hartley è un circuito elettronico basato su un oscillatore LC. Utilizza un partitore induttivo (una bobina con presa intermedia o due induttori separati) nel circuito risonante per la retroazione. È anch'esso un oscillatore ad alta frequenza che genera un segnale a frequenza fissa.

Oscillatore Vackar

L'oscillatore Vackar è una variante migliorata degli oscillatori LC (simile a Colpitts o Clapp), progettata per un'elevata stabilità in frequenza su un ampio range. Utilizza una rete LC più complessa per il circuito risonante. Si differenzia per il suo livello di uscita relativamente stabile al variare della frequenza e per una larghezza di banda operativa maggiore rispetto all'oscillatore Clapp.

Oscillatore Seiler

L'oscillatore Seiler è un'altra variante migliorata dell'oscillatore Colpitts, noto per la sua buona stabilità in frequenza, sebbene possa essere più complesso da realizzare rispetto al Colpitts base. È spesso preferito all'oscillatore Clapp quando si utilizzano diodi varactor per la sintonia della frequenza, poiché l'induttore è collegato a massa.

Oscillatore Clapp (o Gouriet)

L'oscillatore Clapp è simile al Seiler, essendo essenzialmente un oscillatore Colpitts modificato. La modifica chiave consiste nell'aggiungere un ulteriore condensatore (di valore piccolo) in serie all'induttore del circuito risonante. Questo migliora la stabilità della frequenza rispetto alle variazioni delle capacità parassite del dispositivo attivo.

Oscillatori a Cristallo

Un oscillatore a cristallo è un oscillatore elettronico che utilizza un risonatore piezoelettrico (tipicamente un cristallo di quarzo) come elemento selettivo di frequenza nel suo circuito di retroazione. È caratterizzato da un'elevata stabilità di frequenza e purezza di fase, determinate dalle proprietà meccaniche del risonatore. Questi oscillatori permettono solo una piccola regolazione della frequenza (pulling), ad esempio tramite un condensatore variabile posto in serie o parallelo al cristallo.

Oscillatore Pierce

L'oscillatore Pierce è una configurazione molto comune di oscillatore a cristallo. Utilizza il cristallo come elemento risonante serie in una configurazione che impiega un singolo stadio amplificatore invertente (come una porta logica CMOS invertente o un transistor). I suoi vantaggi principali risiedono nella semplicità, nel basso costo e nella capacità di operare ad alte frequenze mantenendo un'eccellente stabilità di frequenza.

Esercizio di Autovalutazione: Multivibratore Astabile

(Riferimento: Self Assessment Exercise 19.11)

Un multivibratore astabile è un circuito che non possiede stati stabili, il che significa che ha due stati 'quasi stabili' tra i quali commuta continuamente, rimanendo in ciascuno di essi per un certo tempo. La frequenza di commutazione dipende, in generale, dalla carica e scarica dei condensatori presenti nel circuito.

Tra le sue numerose applicazioni si includono la generazione di forme d'onda periodiche (come segnali di clock) e treni di impulsi.

Funzionamento (esempio con due transistor BJT)

Applicando la tensione di alimentazione (Vcc), entrambi i transistor (TR1, TR2) tendono a entrare in conduzione, poiché le loro basi ricevono una polarizzazione positiva attraverso le resistenze (ad esempio, R2 e R3). Tuttavia, a causa delle inevitabili piccole differenze tra i componenti reali (dovute al processo di fabbricazione), uno dei due transistor condurrà leggermente prima o più velocemente dell'altro.

Supponiamo che TR1 conduca per primo. In queste condizioni, la tensione al suo collettore scende rapidamente verso 0 volt. Questo fronte di discesa si trasferisce, attraverso il condensatore C1, alla base di TR2, portandola a potenziale basso e mandando TR2 in interdizione (blocco). Contemporaneamente, il condensatore C2 (collegato al collettore di TR2, che è a Vcc essendo TR2 interdetto) si carica attraverso la resistenza R3 verso la base di TR1, mantenendolo in conduzione.

Mentre TR2 è interdetto, C1 inizia a caricarsi attraverso la resistenza R2 verso Vcc. Quando la tensione sulla base di TR2 (che sta salendo grazie alla carica di C1) raggiunge la soglia di conduzione (circa 0.6-0.7 V), TR2 inizia a condurre. La tensione sul collettore di TR2 scende rapidamente verso 0V.

Questo fronte di discesa si trasferisce, attraverso C2, alla base di TR1, mandandolo in interdizione. Ora, con TR1 interdetto, il suo collettore sale a Vcc, permettendo a C1 di caricarsi attraverso R1 verso la base di TR2 (mantenendolo in conduzione). Contemporaneamente, C2 inizia a caricarsi attraverso R3 verso Vcc. Quando la tensione sulla base di TR1 raggiunge la soglia di conduzione, TR1 torna a condurre, bloccando TR2, e il ciclo si ripete.

La sequenza si ripete indefinitamente. I tempi di conduzione e blocco di ciascun transistor (e quindi la frequenza e il duty cycle dell'onda quadra generata alle uscite sui collettori) dipendono principalmente dalle costanti di tempo R2/C1 e R3/C2. Se R2=R3 e C1=C2, si ottiene un'onda quadra con duty cycle del 50%. Agendo sui valori di questi componenti è possibile ottenere diversi duty cycle.

Modulazione: Tecniche e Tipi (AM, FM) (Voce 20)

La modulazione è l'insieme di tecniche utilizzate per adattare un segnale (che trasporta l'informazione) al mezzo trasmissivo e per trasmetterlo efficientemente su un'onda portante, solitamente ad alta frequenza (tipicamente sinusoidale).

Queste tecniche consentono un migliore utilizzo del canale di comunicazione (ad esempio, permettendo a più segnali di condividere lo stesso mezzo - multiplazione), facilitano la trasmissione a distanza tramite antenne di dimensioni ragionevoli e offrono protezione contro interferenze e rumore.

Fondamentalmente, la modulazione consiste nel modificare un parametro dell'onda portante (come ampiezza, frequenza o fase) in base alle variazioni istantanee del segnale modulante (l'informazione da trasmettere).

In un trasmettitore radio, viene generato un segnale a radiofrequenza (RF) che si propaga attraverso l'antenna e viene captato da un ricevitore. Tuttavia, questo segnale RF da solo (la portante non modulata) non trasporterebbe informazioni utili. Per trasmettere informazioni via radio (voce, musica, dati), il messaggio (segnale modulante) deve essere 'combinato' con il segnale RF portante. Questo processo è la modulazione effettuata dal trasmettitore.

Esistono diversi schemi di modulazione, suddivisibili in:

• Sistemi per la trasmissione analogica di audio (voce, musica): AM, FM, SSB.
• Sistemi per la trasmissione di dati o segnali non vocali: CW (Codice Morse), RTTY (Radiotelescrivente), PSK, FSK, QAM (modulazioni digitali per testo, immagini, dati, ecc.).

Tipi Principali di Modulazione Radio: AM e FM

Modulazione di Ampiezza (AM)

La modulazione di ampiezza (AM - Amplitude Modulation) è una tecnica di modulazione lineare che consiste nel variare l'ampiezza dell'onda portante in modo proporzionale alle variazioni del segnale modulante. La frequenza e la fase della portante rimangono costanti.

Con questo sistema è possibile trasmettere voce, musica e altri tipi di segnali. È stata la prima tecnica usata per le trasmissioni radiofoniche (broadcasting).

Nel sistema di trasmissione AM, un oscillatore RF genera il segnale portante ad alta frequenza. Il segnale audio (modulante) viene combinato con la portante in un circuito chiamato modulatore di ampiezza. Questo circuito fa sì che l'ampiezza della portante vari seguendo l'andamento del segnale audio. Il segnale risultante (RF modulato in ampiezza) viene poi applicato a un amplificatore di potenza, che ne eleva il livello e fornisce l'energia sufficiente all'antenna per trasmetterlo sulla distanza desiderata.

L'effetto della modulazione sul segnale portante produce nuove componenti in frequenza, chiamate bande laterali (una superiore e una inferiore alla frequenza portante), che contengono l'informazione. Il segnale AM standard trasmette sia la portante che entrambe le bande laterali.

I ricevitori radio si sono evoluti notevolmente. Per migliorare la selettività (capacità di sintonizzare una stazione specifica evitando interferenze) e la sensibilità, si utilizzano comunemente ricevitori supereterodina. Questi convertono la frequenza del segnale ricevuto a una frequenza intermedia (IF) fissa (es. 455 kHz per AM broadcast), dove avviene la maggior parte dell'amplificazione e del filtraggio, semplificando il progetto del ricevitore.

Modulazione di Frequenza (FM)

La modulazione di frequenza (FM - Frequency Modulation) è una tecnica di modulazione angolare in cui la frequenza istantanea dell'onda portante viene variata in base all'ampiezza istantanea del segnale modulante. L'ampiezza della portante rimane costante.

La generazione di un segnale FM presenta una sfida tecnica: è necessario variare la frequenza della portante in base al segnale modulante, mantenendo al contempo un'elevata stabilità della frequenza centrale (non modulata) della portante stessa.

Anche per la ricezione dei segnali FM si utilizzano ricevitori supereterodina per migliorare le prestazioni e ridurre le interferenze. La frequenza intermedia (IF) utilizzata nei ricevitori FM è tipicamente molto più alta di quella usata nei ricevitori AM (es. 10.7 MHz per FM broadcast), per accomodare la maggiore larghezza di banda del segnale FM e ottenere migliori prestazioni.

L'FM offre generalmente una migliore qualità audio e una maggiore immunità al rumore e alle interferenze rispetto all'AM, motivo per cui è ampiamente utilizzata per le trasmissioni radiofoniche di alta fedeltà e per l'audio televisivo.

Altri Tipi di Modulazione

• PM (Phase Modulation): Modulazione di Fase. È un'altra forma di modulazione angolare in cui la fase dell'onda portante varia direttamente in funzione del segnale modulante. È strettamente correlata alla FM.
• DSB (Double Sideband): Doppia Banda Laterale. Modulazione lineare simile all'AM, ma senza la componente della portante nel segnale trasmesso (DSB-SC: Double Sideband Suppressed Carrier). È più efficiente in termini di potenza rispetto all'AM, ma richiede un ricevitore più complesso per ricostruire la portante.
• SSB (Single Sideband): Banda Laterale Singola. Evoluzione dell'AM in cui viene trasmessa solo una delle due bande laterali (superiore o inferiore), sopprimendo la portante e l'altra banda laterale. È molto efficiente sia in termini di potenza che di larghezza di banda (occupa circa metà della banda dell'AM), ed è ampiamente usata nelle comunicazioni radioamatoriali HF, aeronautiche e marittime.

Confronto AM vs FM (Riepilogo)

Le caratteristiche principali di AM e FM sono state descritte nelle sezioni precedenti. In sintesi:

• AM: Varia l'ampiezza della portante. Più semplice da implementare, occupa meno banda, ma è più suscettibile al rumore e alle interferenze.
• FM: Varia la frequenza della portante. Offre migliore qualità audio e immunità al rumore, ma richiede una maggiore larghezza di banda e circuiti più complessi.

Esercizio di Autovalutazione (Voce 21)

(Questa sezione fa riferimento a un esercizio di autovalutazione specifico, numero 21, non fornito nel testo).