Oscilador controlado Laboratorio de medidas e instrumentación i Laboratorio de medidas e instrumentación. Práctica 3. Medida de un Oscilador Controlado por Tensión (VCO). Nombres
Oscilador controlado Laboratorio de medidas e instrumentación 1 OBJETIVOS 1. Mediante una breve introducción, conocer la función de un oscilador local dentro de la cadena de recepción de una señal de radiofrecuencia (RF). 2. Aprender a utilizar el analizador de espectros mediante la medida de las principales características de un oscilador controlado por tensión (VCO). INTRODUCCIÓN La arquitectura tradicionalmente adoptada para trasladar una señal de RF a una frecuencia intermedia (FI) es la mostrada en la figura. O.L F.I BPF LNA LPF ADC MIXER LNA: Amplificador de bajo ruido (Low Noise Amplifier). LPF: Filtro pasa baja (Low Pass Filter). BPF: Filtro pasa banda (Band Pass Filter). OL: Oscilador local. ADC: Convertidor analógico digital (Analog to Digital Converter). FI: Frecuencia intermedia. Dicha traslación frecuencial se efectúa mediante un multiplicador analógico, donde se mezclan la señal de entrada con una señal senoidal A 0 cosω 0 t generada por un oscilador local. Del producto de ambas señales se obtienen dos componentes: una deseada, a frecuencia intermedia f FI =f RF -f OL ; y otra, generalmente no deseada, a alta frecuencia f FI2 =f RF +f OL. El filtro pasa baja posterior elimina tanto la componente de alta frecuencia como los armónicos generados en el proceso de multiplicación debido al comportamiento no lineal del multiplicador analógico. Debido a que dichos multiplicadores analógicos presentan una figura de ruido (NF) típica elevada, se introduce antes del primer multiplicador un amplificador de bajo ruido (LNA). De esta manera se mejora la sensibilidad del terminal y se reduce la contribución a la figura de ruido total del terminal del resto de bloques que lo siguen. De lo anterior se deduce que el oscilador local es uno de los componentes fundamentales en todo terminal de radio frecuencia. En gran cantidad de aplicaciones a parte de trasladar la señal de RF a una determinada FI es necesario el sintonizar un determinado canal de RF. En dichas
Oscilador controlado Laboratorio de medidas e instrumentación 2 aplicaciones es necesario generar una señal sinusoidal a distintas frecuencias de forma que se pueda sintonizar el canal de RF. Dicho generador suele implementarse mediante un oscilador controlado por tensión o VCO (Voltage Controlled Oscillator). Dicho componente se trata de un oscilador cuya frecuencia de salida puede ser controlada mediante la tensión aplicada a un terminal de control. Para dicho oscilador será entonces interesante conocer el rango de frecuencias de salida que es capaz de suministrar, así como la potencia para cada una de ellas. También será interesante el conocer el nivel de potencia del segundo y tercer armónico ya que éstos también entrarán al mezclador pudiendo provocar componentes en la salida no deseadas. La práctica actual consiste en la medida de los parámetros más significativos de un oscilador controlado por tensión. SUMARIO Las medidas que se van a realizar son las siguientes: 1. Potencia de los tres primeros armónicos en función de la frecuencia de oscilación, el rango de sintonización y la constante de ganancia (Kvco) del VCO. 2. Medida del ruido de fase. (Atender a la explicación realizada en el laboratorio) 3. Medida del frequency pushing, para ver cómo influye la tensión de alimentación sobre la frecuencia de oscilación de nuestro VCO. 1. MEDIDA DE POTENCIAS Y FRECUENCIAS Como se ha mencionado en la introducción, una de las principales características de un VCO es que la frecuencia de oscilación del mismo puede controlarse mediante la tensión aplicada a un terminal de control. Luego, para caracterizar un VCO será importante conocer cual es la frecuencia y la potencia de salida de la señal generado por el VCO para cada valor de tensión aplicada al terminal de control. Para ello se realiza el siguiente montaje: Vdd (5V) Vcontrol VCO SPECTRUM
Oscilador controlado Laboratorio de medidas e instrumentación 3 No hay que olvidar corregir las potencias que se midan con las pérdidas del cable que une el oscilador con el analizador de espectro. Las fuentes de alimentación (V dd y V control ) necesitan referencias a tierra comunes. A la hora de realizar las mediciones habrá que tener en cuenta los siguientes aspectos en el manejo del analizador de espectro: - Ajustar la referencia de entrada (Menú AMPLITUDE/REF LEVEL) a la potencia de la señal que se quiere medir. - Usar la función average on, para obtener una medida más estable. - Usar el peak search para poder ver cuál es la potencia de la frecuencia fundamental y el botón peak rigth para observar la potencia de los armónicos. Vcontrol (voltios) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16 18 20 22 24 28 30 Frecuencia Fundamental Segundo Armónico Tercer Armónico P (db) frec(mhz) P (db) frec(mhz) P (db) frec(mhz) Preguntas: 1.- Por qué varía el valor del pico medido si se varía el ancho de resolución del SA (RBW :Resolution Band Width) de 10 KHz a 100 KHz? Y al cambiar a 1 MHz?
Oscilador controlado Laboratorio de medidas e instrumentación 4 2.-Realizar las siguientes representaciones gráficas: Gráfica.1.1. Relación frecuencia-potencia del tono fundamental. Gráfica.1.2. Relación frecuencia-potencia del tercer armónico. Gráfica.1.3. Relación V control -frecuencia. A partir de la gráfica 1.3 puede determinarse el rango de sintonización del VCO, es decir, la frecuencia de oscilación mínima y máxima que somos capaces de generar. A partir de dicha gráfica también puede determinarse otro parámetro del oscilador, el parámetro K VCO (Constante de ganancia del VCO), que se mide en MHz/V, y que es la pendiente de la curva de la gráfica 1.3 en cada punto. Otra forma de obtener las gráficas 1.1 y 1.2 sería activando la función MAX HOLD e ir variando la tensión de control, de forma que se fueran visualizando en pantalla la potencia máxima para cada frecuencia. Posteriormente dichos datos pueden almacenarse en un diskette y volcarse en una hoja de EXCEL para representarlos. Realizar dicho ejercicio guardando los datos en el diskette mediante la secuencia de comandos: File/Save. Dir Select/A:/Enter/Dir Select. Type Trace. Format csv. Source Eligimos la trace que esté seleccionada. Para ver cuál es la seleccionada miramos Trace/View. 3.- Al hacer la gráfica Vcontrol-Frecuencia (Gráfica 1.3.), qué se observa? Cómo es la gráfica? Por qué? 2. RUIDO DE FASE El ruido de fase consiste en el cálculo de la diferencia de potencia que existe entre la señal portadora y un offset de frecuencia respecto esa señal. Al
Oscilador controlado Laboratorio de medidas e instrumentación 5 fin y al cabo lo que estamos haciendo es ver el ruido que nos está introduciendo nuestro oscilador en la señal que él mismo genera a una distancia frecuencial de la portadora. Dicho ruido de fase suele expresarse en dbc/hz a un cierto offset de la portadora, en nuestro caso 100KHz. Es decir, la potencia, respecto a la portadora, que se obtiene a 100 KHz para un ancho de banda de 1 Hz. Esto implica que luego será necesario usar un factor de corrección, ya que nuestras medidas las haremos con una determinada RBW, el cual nunca va a ser de 1Hz, porque el analizador no tiene tanta resolución. Cuando se nos pide que el circuito cumpla unas determinadas especificaciones en lo que al ruido de fase se refiere, éstas suelen darse de la siguiente forma: C/N min -110dB/Hz (a 100kHz) min -130dB/Hz (a 600kHz) min -158dB/Hz (a 20MHz) Pregunta: Podría medirse alguno de estos valores en el SA? Por qué? A la hora de realizar las medidas seguiremos los siguientes pasos: - Realizamos el montaje del primer apartado. - Vamos poniendo las tensiones de control que aparecen en la tabla siguiente para así poder rellenar los datos pedidos. - Para cada tensión de control seguiremos los pasos indicados. 0 voltios: - Centramos la frecuencia, usando para ello las opciones de START, STOP y CENTER FRECUENCY del analizador de espectros. Nos basta con poner como frecuencia central aquella para la cual nos sale el pico de mayor potencia. - Ponemos un SPAN de 5 ó 10 MHz (según a la frecuencia que vayamos a medir el ruido de fase). - Ponemos una resolución del ancho de banda, RBW (Resolution Band Width) de 10kHz. - Seleccionamos el pico de señal y ponemos el marker en DELTA. - Usamos la opción AVERAGE ON. - Por último vemos cuántos db nos da el marker delta. Eso sí, a la medida que nos sale le tenemos que sumar -10logRBW.
Oscilador controlado Laboratorio de medidas e instrumentación 6 Pregunta: A que se debe este último factor de corrección? Sería correcto poner un RBW de 1 MHz? Por qué? Ahora repetimos los pasos indicados anteriormente, para las tensiones de varactor de la tabla: Potencia para cada f Vvaractor Frec(MHz) 100KHz 500KHz 1MHz 2MHz 2 10 20 30 Gráfica 1.4 Realizar la gráfica f-potencia (db) del ruido de fase, para una tensiones de control de 20V. 4. FREQUENCY PUSHING Se trata de observar la sensibilidad de la frecuencia de oscilación del VCO a variaciones en la tensión de alimentación. Así, se toman como extremos un voltio por encima y otro voltio por debajo de la supuesta tensión de alimentación inicial, de modo que en el peor de los casos nos aseguramos estar dentro de ese rango de frecuencias que deseamos a la salida de nuestro oscilador local. Para realizar las medidas lo único que se necesita es: - Realizar el mismo montaje que habíamos empleado para el apartado 1. - Ir variando la tensión de alimentación: 4 5 6, y esto debe hacerse para cada valor de la tensión de control (V control ) indicada en la tabla siguiente. - La medida de las frecuencias se hace de manera análoga a la forma explicada en el primer apartado de las mediciones.
Oscilador controlado Laboratorio de medidas e instrumentación 7 Vvaractor 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16 18 20 22 24 28 30 Frecuencia Vdd Fundamental(MHz) 4 Voltios 6 Voltios (Vdd = 5 Voltios) Frec(MHz) Frec(MHz) Gráfica 1.5 Realizar una gráfica que contenga las 3 curvas de la frecuencia en función de la tensión de control, una para cada una de las tensiones de alimentación presentes en la tabla.