PRÁCTICA 11. MODULACIÓN FM. 1 Objetivo. 2 Introducción.

Transcripción

1 PRÁCTICA. MODULACIÓN FM. Objetivo. Construir un oscilador controlado por tensión (VCO) basado en el circuito integrado 566 y un circuito en bucle cerrado de enganche de fase (PLL) basado en el C.I El circuito VCO se empleará como modulador de FM y el circuito PLL como demodulador de FM. Con los circuitos anteriores se realizarán medidas en el dominio temporal de señales moduladas en frecuencia utilizando el osciloscopio. Se realizarán, además, medidas en el dominio de la frecuencia empleando analizadores de espectro. Introducción. En esta práctica se realizará el montaje de un circuito generador de onda cuadrada controlada en frecuencia (VCO) basado en el C.I Con este circuito se podrá modular una señal de entrada en frecuencia. En una segunda parte se construirá un circuito de enganche de fase (PLL) que se empleará para demodular la señal. En una tercera parte, mediante un comparador, se realizará una demodulación FSK de la señal modulada. El diagrama de bloques interno del circuito VCO 566 se muestra en la figura. El circuito responde a la estructura general de un generador de formas de onda. Una fuente de corriente con un valor de intensidad proporcional a la tensión V, e inversamente proporcional a la resistencia R, carga el condensador C linealmente hasta que la tensión del condensador llega a un nivel de comparación superior. Después de esto, el comparador cambia el sentido del generador de corriente produciéndose la descarga del condensador de la misma manera. Esta descarga se realiza hasta que la tensión del condensador llega a un nivel inferior de comparacón. En ese momento, la fuente de corriente vuelve a cambiar su polaridad repitiéndose el ciclo indefinidamente. La tensión en el condensador, una vez amplificada, sale al exterior por el pin 4. La tensión a la salida del comparador sale por el pin 3.

2 GND 3 COMPARADOR DE TENSION FUENTE DE CORRIENTE I=f(V,/R) Vcc C Vcc R V Entrada Modulacion Figura : Diagrama de bloques del oscilador controlado por tensión 566. En el circuito de la figura, la frecuencia de salida se determina como: f = (V cc ; V ) R C V cc Por tanto, la frecuencia de salida del VCO 566 se puede determinar por la expresión: f = (V 8 ; V 5 ) R C V 8 V 8 es la tensión entre pines 8y. V 5 es la tensión entre los pines 5y. De la ecuación anterior se puede determinar la sensibilidad teórica como: S = ; Hz R C V 8 v El diagrama de bloques interno del circuito PLL 565 se muestra en la figura. En este circuito, la frecuencia fundamental del VCO puede programarse mediante la resistencia R 0 y el condensador C 0 de tiempo. La salida del VCO se introduce en el comparador de fase y se compara con una de las entradas. El resultado de esta comparación, a través del amplificador, se pasa por un filtro retardador y se actua sobre el VCO

3 para variar la frecuencia de éste, hasta que las dos señales pines ó3 y pines 4 ó 5 estén en fase. -Vcc 4 ENTRADA COMPARADOR DE FASE 3 ENTRADA 3 SALIDA DE VCO 4 VCO COMPARADOR DE FASE 5 0 +Vcc SALIDA DE REFERENCIA REFERENCIA DE CONTROL VCO 6 9 AMPLIFICADOR 7 8 CONDENSADOR Co DE TIEMPO RESISTENCIA R DE TIEMPO o Figura : Diagrama de bloques del circuito de enganche de fase (PLL) 565. Respecto al circuito integrado 565 se puede determinar:. Frecuencia de oscilación: f o = 3:7 R o C o. Ganancia de la malla: G m = K o K D = 33:6 f o V c K o es la sensibilidad del oscilador ( Rad=s ). V K D sensibilidad del detector de fase ( V ). La salida del detector de fase puede observarse en el pin 7. Rad V c es la tensión total de alimentación del circuito o diferencia de tensión entre los pines 0 y. 3

4 3. Rango de retención: Es el rango de frecuencias en que se mantiene enganchada la malla tras haber sido enganchada inicialmente.. f H = 8 f o V c 4. Filtro de malla: Pueden utilizarse dos tipos de filtro: Filtro de retraso simple. Se realiza conectando un condensador C entre los pines 7y0(entre estos pines existe una resistencia interna de valor R = 3:6K. Éste se emplea en aplicaciones de ancho de banda amplio con desviaciones de frecuencias mayores del 0%. El ancho de banda en este caso se determina por: s f n = Gm R C. Y el factor de amortiguamiento por:. = s G m R C Filtro corrector. Se realiza insertando entre los pines 7 y 0 un condensador C en paralelo con una red RC (una resistencia R en serie con un condensador C ). Se emplea en aplicaciones de banda estrecha. Para este filtro, el ancho de banda se determina por: s f n = G m (R + R ) C. Y el factor de amortiguamiento es: = R C f n 4

5 3 Material necesario. Osciloscopio. Analizador de Espectro Tektronix 7. Generadores de Señal. Placas moduladora demoduladora FM (una para trabajar en el dominio del tiempo y otra en el dominio de la frecuencia). 4 Realización de la práctica. 4. Medidas en el dominio del tiempo Seleccionar la placa de menor frecuencia de oscilación para realizar las medidas en el dominio del tiempo.. Modulación FM. (a) Montar el circuito VCO que se muestra en la figura 3. Visualizar las forma de onda de salida al variar el potenciómetro de 0K. Con el pin 5 conectado al condensador, observar y comprobar analíticamente cómo afecta a la frecuencia la variación de resistencia del potenciómetro. (b) Con el pin 5 conectado al condensador, ajustar el potenciómetro de 0K hasta que la frecuencia sea de :0KHz. Medir la tensión continua en el pin 5. Medir el valor de resistencia conectada a la entrada del pin 6. Comparar los resultados con los teóricos. (c) Conectar el potenciómetro de K al pin 5. Variando dicho potenciómetro, medir las frecuencias para valores de tensión entre pin 5 y desde 8:V hasta 9:V en pasos de 0:V. Representar gráficamente la característica tensión frecuencia. Calcular la sensibilidad y comparar con el valor teórico. Comentar los resultados obtenidos. (d) Sustituir el potenciómetro de K por la red de resistencias y el generador de señal que se muestra en la figura 4. 5

6 -5V 8 7 C =.047 µ F +5V -5V ONDA CUADRADA ONDA TRIANGULAR K 0K +5V +5V C. I. 566 K.0 µ F K Figura 3: Circuito generador de onda basado en el oscilador controlado por tensión V GENERADOR DE SEÑAL K K PIN 5 DEL C. I 566 Figura 4: Circuito para la conexión del generador de señal. (e) Ajustar el generador para una señal senoidal de Hz y amplitud de V pp. Ajustar el osciloscopio de manera que se puedan observar unos cinco ciclos de la onda triangular en el pin 4. Idear un método para medir el índice de modulación con el empleo del osciloscopio, en función de las frecuencias máxima ymínima de salida del VCO.. Demodulación FM. (a) En la misma placa, sin desmontar el circuito anterior, montar el circuito de la figura 5. No conectar aún la señal FM. (b) Ajustar el potenciómetro de 0K del circuito 565 para obtener una frecuencia de :KHz medida en el pin 5 (condición inicial para el posterior enganche entre circuitos integrados). 6

7 +5v Entrada FM. µ F 5K -5v 4 3 4K7 µ F 4K7 0K v v.0 µ F 7 8 Salida demodulada µ F 80 K K.00 µ F.0 µ F 3 +5v K K 0K.00 µ F +5v -5v Figura 5: Circuito demodulador FM basado en el circuito de enganche de fase 565. (c) Con la tensión de salida senoidal del generador de señal fijada a 0:5V pico a pico, conectar, a través del condensador de 0:F,laseñal de FM entre el pin 3 del C. I. 566 y el pin del C. I Representar simultáneamente la señal del generador y la salida del PLL actuando como demodulador. Observar cualitativamente qué ocurre cuando se aumenta disminuye la amplitud frecuencia del generador de onda. Comentar los resultados. 3. Modulación y Demodulación FSK (Frequency Shift Keying). (a) Finalmente, el montaje se empleará para realizar una modulación y posterior demodulación FSK. El comparador de tensión se emplea para producir pulsos cuadrados desde la sa- 7

8 lida del demodulador. El generador de onda se ajusta para producir una señal de 0:V pico a pico y 0Hz. Trazar las formas de onda de salida del generador, salida del comparador y salida demodulada. 4. Medidas en el dominio de la frecuencia Se realizarán empleando el analizador de espectro de Tektronix 7. Seleccionar la placa de mayor frecuencia de oscilación para realizar las medidas en el dominio del tiempo.. Construir la señal FM que analizaremos con el analizador de espectro. Para ello, usaremos la placa de circuito impreso. Observar las características del analizador de espectros para determinar la frecuencia de salida mínima del VCO. Configurar el VCO para una frecuencia base de 0:4MHz. Configurar la tarjeta para que la señal modulada provenga de un generador de onda a 0KHz y amplitud 0:5v.. Véase en el osciloscopio la salida y salida del VCO. 3. Observar el espectro de la señal cuadrada en el analizador. Por qué tiene esa forma?. PARA PROTEGER AL ANALIZADOR DE ESPECTRO, NO SE DEBERÁN EMPLEAR SEÑALES CON AMPLITUDES SUPERIORES A v DE PICO A PICO. 4. Construir una nueva señal FM que analizaremos con el analizador de espectro. En este caso se usan dos generadores de onda A y B. El generador de ondas A generará laseñal moduladora. Programar el generador A para que proporcione una onda senoidal de 0KHz y amplitud 0:5v. Introducir la salida del generador A en la entrada FM ([FM INPUT]) del generador de ondas B. El generador de ondas B, dispone de un modulador FM interno cuya portadora debemos ajustar a MHz. 5. Observar en el osciloscopio la salida del generador B. Girar el mando AMPL que está sobre la entrada [FM INPUT] de B, para 8

9 controlar la amplitud de la señal que llega a la entrada [FM IN- PUT]. Variar la amplitud de la señal moduladora ([AMPLITUDE] en A). ATENCIÓN AL MÁXIMO NIVEL PERMITIDO A LA ENTRADA DE FM INPUT. Qué está sucediendo con el índice de modulación de la señal?. 6. Observar el espectro de la señal en el analizador. PARA PROTE- GER AL ANALIZADOR DE ESPECTRO, NO SE DEBERÁN EMPLEAR SEÑALES CON AMPLITUDES SUPERIORES A v DE PICO A PICO. Por ello, es conveniente usar los atenuadores del generador B para que la señal modulada tenga una amplitud del orden de los mv. En concreto, se deben pulsar en B los dos botones [ATTENUATOR] y se observará en el osciloscopio como la señal modulada reduce su amplitud (para ver la señal será necesario ajustar la escala de amplitud del osciloscopio a los mv.). 7. Al encender el analizador de espectro, se observa una franja de ruido en la parte baja de la pantalla que se corresponde con el ruido que genera internamente el propio analizador. Cuantificar el nivel de potencia de ese ruido a cualquier frecuencia. Reducir la escala horizontal con [SPAN/DIV]. Obsérvese que la potencia de ruido disminuye. Por qué?(nótese que el filtro de frecuencia intermedia también disminuye su ancho de banda). 8. Pasamos a utilizar ahora el analizador. Conectar la salida de B a la entrada del analizador (obsérvese que la resistencia de salida de B coincide con la de entrada del analizador, 50 ohms., por lo que existe adaptación). Es conveniente que el cable para esta conexión sea lo más corto posible para eliminar efectos de atenuación. Hacer nulo el índice de modulación. Para ello bastará torcer hacia la izquierda hasta el tope, los mandos [AMPL] y [AMPLI- TUDE] en los generadores B y A respectivamente. Qué cabe esperar en la pantalla del analizador?. 9. Situar la frecuencia de la portadora en el centro de la pantalla (para ello se hace coincidir la frecuencia central de la banda intermedia con la de la portadora) haciendo que el nivel de continua que se puede observar quede justo en el margen izquierdo de la 9

10 pantalla. Describir el proceso seguido para conseguirlo. Medir sobre la pantalla del analizador la potencia de la señal y expresar el resultado en mw. NOTA: El nivel de continua que aparece no es propio de una señal FM. Es un nivel que aparece debido a que el analizador comienza en 0Hz su rango de medida, pero no se debe tener en consideración, de ahí que se pida situarlo en el margen izquierdo. Existe un botón en el analizador, [APPL], que da lugar a un menú que permite la medida de algunas características espectrales interesantes, como por ejemplo anchos de banda de señales, amplitudes normalizadas de ruido, relaciones señal a ruido, ancho de banda ocupado, desviación FMylabúsqueda de señales en un rango de frecuencias especificado. La mayoría de estas opciones se activan seleccionándolas y se desactivan seleccionándolas nuevamente. Algunas, como el cálculo de ruido en una banda, requerirán de ciertos parámetros a especificar. 0. Medir el ancho de banda a 3dB de la señal. Para ello, pulsar [APPL] y elegir la opción 0. Coincide con el del filtro de frecuencia intermedia?. NOTA: Para cuestiones posteriores, siempre que se quiera medir el ancho de banda de una señal, ésta deberá aparecer entera en la pantalla y con la máxima resolución posible.. A continuación vamos a variar el índice de modulación de la señal. Para ello se deben mover los mandos [AMPL] y [AMPLITUDE] de los generadores B y A. Qué se observa en pantalla cuando modificamos el índice de modulación?. Justificar los resultados obtenidos.. Para observar la señal con mayor resolución se puede reducir el escalado horizontal o agrandarlo para adecuar la señal a la pantalla. Al modificar ese escalado, el analizador selecciona automáticamente el ancho de banda del filtro de frecuencia intermedia, adaptándolo al nuevo escalado. Eligiendo un escalado de frecuencias apropiado podremos ver los diferentes pulsos de la señal FM. Medir la distancia que existe entre los pulsos del espectro. Coincide con lo que cabría esperar de la fórmula que daba la 0

11 transformada de Fourier?. Qué le sucede a los picos cuando aumentamos el índice de modulación?. Cómo se puede explicar esto último?. 3. Pulsando la opción 4 del menú [APPL] podemos calcular la banda en la que se contiene el 99% de la señal. Medir ese ancho de banda para diferentes índices de modulación, por ejemplo, para modulación nula, para modulación media y para modulación máxima. A partir de estos resultados estimar la desviación máxima de frecuencia para cada caso usando la regla de Carson. NOTA: Si el índice de modulación fuese nulo, cabría esperar que el ancho de banda resultado fuese el del filtro de frecuencia intermedia. Difiere un poco porque el propio ruido del analizador falsea algo la medida. 4. Por último, vamos a estimar el ruido interno medio del instrumento en una banda de 5Mhz alrededor de la frecuencia central para tener una idea de cómo puede afectar dicho ruido a la señal. Para ello, entrando en el menú de [APPL] y seleccionando la opción 9 llegamos a un menú para fijación de parámetros. Nos interesa la opción, [NOISE NORM D BW] que nos pide el ancho de banda en que queremos calcular ese ruido. Lo especificaremos como 5Mhz: [5][X]. Después retornaremos al menú de APPL con [BKSP]. En ese menú, seleccionar la opción, [NOISE NORM D]. Dibujar el resultado que aparece en pantalla.