GE ERACIO DE SEÑALES

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1 Pág. 1 GE ERACIO DE SEÑALES Los sistemas modernos de comunicaciones electrónicas tienen muchas aplicaciones que requieren formas de ondas estables y repetitivas, tanto senoidales como no senoidales. En muchas de esas aplicaciones se requiere más de una frecuencia, y a menudo esas frecuencias se deben sincronizar entre sí. Por lo anterior, las partes esenciales de un sistema electrónico de comunicaciones son generación de señal, sincronización de frecuencia y síntesis de frecuencia. Osciladores Un oscilador es un sistema capaz de crear perturbaciones o cambios periódicos o cuasiperiódicos en un medio, ya sea un medio material (sonido) o un campo electromagnético (ondas de radio, microondas, infrarrojo, luz visible, rayos X, rayos gamma, rayos cósmicos). En electrónica un oscilador es un circuito que es capaz de convertir la corriente continua en una corriente que varía de forma periódica en el tiempo (corriente periódica); estas oscilaciones pueden ser senoidales, cuadradas, triangulares, etc., dependiendo de la forma que tenga la onda producida. Un oscilador de onda cuadrada suele denominarse multivibrador y por lo tanto, se les llama osciladores sólo a los que funcionan en base al principio de oscilación natural que constituyen una bobina L (inductancia) y un condensador C (Capacitancia), mientras que a los demás se le asignan nombres especiales. Un oscilador electrónico es fundamentalmente un amplificador cuya señal de entrada se toma de su propia salida a través de un circuito de realimentación. Se puede considerar que está compuesto por: Un circuito cuyo desfase depende de la frecuencia. Por ejemplo: o Oscilante eléctrico (LC) o electromecánico (cuarzo). o Retardador de fase RC o puente de Wien. Un elemento amplificador Un circuito de realimentación.

2 Pág. 2 Osciladores retroalimentados Los osciladores para que funcionen adecuadamente deben de tener un lazo de retroalimentación. En electrónica retroalimentación significa tomar una porción de la señal de salida y regresarla a la entrada. En la figura 1 se muestra un ejemplo del principio de retroalimentación. La retroalimentación consiste en mandar un voltaje o corriente de la salida a la entrada. El lazo de retroalimentación es físicamente una conexión eléctrica hecho por un cable. Existen en la electrónica dos tipos de retroalimentación: Retroalimentación positiva Retroalimentación negativa En los circuitos osciladores se utiliza la retroalimentación Positiva. Hay cuatro requisitos que se deben cumplir para lograr un buen funcionamiento en un oscilador: *Amplificación: un oscilador debe tener un amplificador capaz de amplificar voltaje. *Retroalimentación positiva: Un circuito oscilador debe tener una trayectoria completa para que la señal de salida regrese a la entrada. La señal de retroalimentación deber ser regenerativa, eso quiere decir, que debe tener la fase correcta y la amplitud correcta. (*) *Componentes que determinen la frecuencia: Un oscilador debe tener componentes que determinen la frecuencia como por ejemplo, resistencias, capacitares, bobinas o cristales que permitan ajustar o cambiar la frecuencia de operación. *Fuente de poder: Un oscilador para su funcionamiento como cualquier otro circuito electrónico, requiere de una fuente de alimentación. Para que se produzcan las oscilaciones autosostenidas, un circuito oscilador debe cumplir con los cuatro requisitos básicos que se describieron anteriormente. Las configuraciones más comunes que se utilizan en un oscilador para su funcionamiento son: RC (resistencia-capacitor), LC (bobina-capacitor), los cristales de cuarzo y los circuitos integrados.

3 Pág. 3 Osciladores no sintonizados El oscilador de puente de Wien es un oscilador RC no sintonizado de corrimiento de fase, que usa realimentación tanto positiva como negativa. Es un circuito oscilador relativamente estable, de baja frecuencia, que se sintoniza con facilidad, y se suele usar en generadores de señal para producir frecuencias de 5 Hz a 1 MHz. Este circuito de puente de Wien fue el que utilizo la compañía Hewlett Packard en su diseño original de generador de señales. La frecuencia de oscilación está dada por: Osciladores sintonizados Un oscilador muy sencillo se puede construir con una etapa amplificadora y una red inductiva-capacitiva capacitiva (LC) que proporcione un desplazamiento de La frecuencia de oscilación puede ser fácilmente ajustada, o sintonizada, sobre un rango de frecuencias que varían desde unos 100kHz hasta cientos de MHz cambiando únicamente el valor de la C o L. Estos osciladores LC sintonizados son usados en gran variedad de aplicaciones incluyendo radiotransmisores, receptores de AM y FM y generadores de onda sinusoidal. Los osciladores LC más conocidos son, oscilador de Colpitts, oscilador de Hartley, oscilador de Clapp. Su diferencia se encuentra en la red de realimentación, el oscilador de Colpitts utiliza un divisor capacitivo en paralelo con una autoinducción y el oscilador de Hartley utiliza un divisor inductivo en paralelo con una capacidad, es decir, ambos son duales.

4 Pág. 4 En la figura 10.7 se indican tres posibles configuraciones de un oscilador Colpitts basado en transistores FET y BJT, y en un OA aunque no suelen ser utilizado por su limitación en frecuencia; la autoinducción RFC sirve para aislar la línea de alimentación del oscilador, es decir, su valor es suficientemente alto para impedir que la señal sinusoidal se transmita a la alimentación. Si la frecuencia de oscilación (ƒ o ) es suficientemente baja para considerar despreciable los efectos capacitivos internos de los transistores y el OA, y si la autoinducción L tiene una resistencia interna despreciable, entonces la frecuencia de oscilación será determinada por la red LC (también conocida en muchos casos con el nombre de circuito tanque o tank porque se comporta como una depósito de energía de almacenamiento). Para el oscilador Colpitts, esta frecuencia es Esta relación debe ser combinada con la ganancia de l a etapa amplificadora para asegurar las condiciones de oscilación.

5 Pág. 5 De la misma manera, la frecuencia de oscilación de los osciladores Hartley mostrados en la figura 10.8 viene dada por Un circuito oscilador de Clapp es idéntico al oscilador de Colpitts con la excepción de la adición de un pequeño capacitor Cs en serie con L1. La capacitancia de Cs se hace menor que la de C1a o de C2, y así se obtiene una reactancia grande. En consecuencia, Cs tiene el máximo efecto en la determinación de la frecuencia del circuito tanque. Osciladores de cristal Los osciladores de cristal son circuitos osciladores de retroalimentación en los que se sustituye el circuito tanque LC con un cristal como componente para determinar las frecuencias. Un oscilador de cristal es aquel oscilador que incluye en su realimentación un resonador piezoeléctrico. El oscilador de cristal se caracteriza por su estabilidad de frecuencia y pureza de fase, dada por el resonador. La frecuencia es estable frente a variaciones de la tensión de alimentación. La dependencia con la temperatura depende del resonador, pero un valor típico para cristales de cuarzo es de 0' 005% del valor a 25 C, en el margen de 0 a 70 C. Estos osciladores admiten un pequeño ajuste de frecuencia, con un condensador en serie con el resonador, que aproxima la frecuencia de este, de la resonancia serie a la paralela. Este ajuste se puede utilizar en los osciladores controlados por tensión para modular su salida.

6 Pág. 6 Sintetizadores de frecuencia Sintetizar quiere decir formar una entidad combinando partes o elementos. Un sintetizador de frecuencias se usa para generar muchas frecuencias de salida agregando, restando, multiplicando y dividiendo una cantidad menor de frecuencias fijas. Dicho en modo sencillo, un sintetizador de frecuencias es un generador de frecuencia variable controlado por el cristal. El objetivo de un sintetizador de frecuencias es doble. Debe producir tantas frecuencias como sea posible con una cantidad mínima de fuentes, y cada frecuencia producida debe ser tan exacta y estable como las demás. El sintetizador ideal de frecuencias puede generar cientos y hasta miles de frecuencias distintas a partir de un oscilador de un cristal. Un sintetizador de frecuencias puede ser capaz de generar en forma simultánea más de una frecuencia de salida, y cada frecuencia estando sincronizada con un solo oscilador de frecuencia de referencia o maestra. Los sintetizadores de frecuencias se usan mucho en equipo de pruebas y mediciones (generadores de señal de audio y de RF), equipo generador de tono (Touch-Tone), unidades de control remoto (sintonizadores electrónicos), sistemas de comunicaciones de varios canales (telefonía) y sintetizadores de música. Hay en esencia dos métodos para sintetizar frecuencias: el directo y el indirecto. En la síntesis directa de frecuencias se generan varias frecuencias de salida mezclando las salidas de dos o más fuentes de frecuencia controladas por cristal, o dividiendo o multiplicando la frecuencia de salida de un solo oscilador de cristal. En la síntesis indirecta de frecuencias se usa un divisor/multiplicador controlado por retroalimentación (como por ejemplo, un PLL), para generar varias frecuencias de salida. La síntesis indirecta de frecuencias es más lenta y más susceptible al ruido; sin embargo, es menos costosa y requiere menos filtros a su vez menos complicados, que la síntesis directa de frecuencias. Francisco Eduardo Castellanos Gallego Ingeniero Electrónico Centro de Electricidad Electrónica y Telecomunicaciones Distrito Capital Telecomunicaciones Residenciales y Corporativas [email protected]