DISEÑO PRÁCTICO

DE UN EMISOR Y

RECEPTOR DE

SEÑALES ECG

VÍA RADIO

SUBSISTEMAS ELECTRÓNICOS DE

COMUNICACIÓN

MARC TENA GIL

JAVIER CAMBRA ENGUIX

Diseño práctico de un emisor y receptor de señales ECG vía radio

1.- OBJETIVOS

Los objetivos generales de esta práctica son:

a) Familiarizarse con el funcionamiento e implementación de los moduladores

y demoduladores de frecuencia basados en VCOs y PLLs.

b) Aprender a manejar módulos ya diseñados para llevar a cabo la transmisión

y recepción de señales en la banda de audio.

2.- DESCRIPCIÓN

En esta práctica se abordará el diseño de un sistema de comunicaciones que incluya un

emisor y un receptor para llevar a cabo la transmisión de una señal de

electrocardiografía (ECG) vía radio y modulada en FM. Esta señal se obtendrá del

generador de funciones que hay disponible en el laboratorio, siendo sus características

las siguientes:

Ancho de banda de 0.2Hz a 120Hz

Nivel de amplitud 1 Vpp

Su frecuencia debe ser la correspondiente a un ritmo cardíaco de 60 ppm

El circuito emisor estará constituido por un circuito oscilador controlado por tensión

para modular en FM una señal portadora de 5kHz utilizando como señal en banda base

la señal de ECG. La desviación de frecuencia debe ser ±1kHz. Una vez obtenida la

señal modulada, ésta se volverá a modular de nuevo en FM mediante el módulo de

emisión integrado TX FM AUDIO de Aurel (ver microweb) que realiza una modulación

de FM a 433.8 MHz y con una desviación de frecuencia de 75kHz.

La señal de salida de dicho módulo será transmitida vía radio mediante una antena.

En recepción se recogerá la señal transmitida con el módulo receptor correspondiente de

Aurel (RX FM AUDIO), el cual realizará una primera demodulación de la señal

transmitida. De este modo, la señal de salida del módulo receptor será una señal

modulada en FM con una portadora de 5kHz y una desviación de frecuencia de ±1kHz,

por lo que deberá ser demodulada de nuevo para obtener de la señal de ECG original.

Esta demodulación se llevará a cabo mediante un PLL.

Para llevar a cabo la modulación de FM con portadora de 5kHz y la posterior

demodulación se utilizarán dos circuitos integrados HEF4046B de Philips, el cual

integra el detector de fase y VCO del PLL y ofrece también la posibilidad de operar

exclusivamente con el VCO.

Para el acondicionamiento de las diferentes etapas se utilizarán amplificadores

operacionales y componentes discretos (resistencias y condensadores).

3.-DIAGRAMA DE BLOQUES DEL CIRCUITO EMISOR

a) Acondicionador de señal.

Para adaptar la señal de ECG que entrega el generador de funciones puede ser necesario

sumar un nivel de continua a dicha señal, si fuera necesario utilizar dicho elevador de

nivel (Generador DC) es imprescindible colocar un condensador de elevado nivel (para

que no filtre las bajas frecuencias de la señal de ECG) en la entrada del sumador

correspondiente al generador de funciones. De este modo se evita que la continua que

está inyectando el elevador de nivel se derive hacia el generador, en cuyo caso se

estropearía.

El acondicionador de señal también debe incluir un FPB que deje pasar sólo la banda de

frecuencias correspondiente a la señal de ECG, eliminando de este modo cualquier

ruido o interferencia que acompañe a la señal en banda base. Se puede aprovechar este

filtro para dotar a la señal de ECG de la amplitud necesaria para conseguir la desviación

de frecuencia de 1kHz.

b) Modulador

El bloque que realiza la primera modulación de FM se implementará mediante el CI

HEF4046B en su configuración como VCO.

c) Emisor FM audio

Este módulo realiza una segunda modulación de FM para elevar más la frecuencia de la

señal de modo pueda ser emitida por la antena. Puesto que este módulo requiere unos

niveles de entrada concretos, es necesario colocar antes del módulo un adaptador de

nivel que podría implementarse de forma muy sencilla mediante un divisor de tensión.

4.-DIAGRAMA DE BLOQUES DEL CIRCUITO RECEPTOR

a) Receptor FM Audio

Este bloque se encarga de realizar la demodulación de frecuencia realizada por su

homólogo en el emisor, la señal de salida de este módulo será una señal modulada en

FM con una portadora de 5kHz y una desviación de frecuencia de ±1kHz.

b) Demodulador

Puesto que señal entregada por el módulo anterior sigue estando modulada en FM, es

necesario volver a demodularla. Para ello se utilizará de nuevo el CI HEF4046B en su

versión PLL.

c) Acondicionamiento de la señal de salida

Finalmente sólo resta realizar un acondicionamiento de la señal de salida añadiendo un

FPB y un PFA que elimine componentes de HF y la continua que aparece superpuesta

con la señal de ECG a la salida.

5.- MATERIALES EMPLEADOS

HEF4046B (PLL VCO)

Amplificadores operacionales 747, 741

Surtido de resistencias, bobinas y condensadores

TX FM AUDIOI y RX FM AUDIO de Aurel

6.- RESULTADOS DE LA PREPARACIÓN DE LA PRÁCTICA

Los resultados del trabajo previo a la preparación de la práctica serán los siguientes:

a) Dibujo del esquema de conexiones del CI HEF4046B en su versión de

modulador y demodulador de frecuencia, indicando los valores de todos los

componentes que se le deben añadir para realizar dicha función.

ESQUEMA EL MODULADOR

Figura 1.-Esquema modulador

Figura 2.-Fórmulas de diseño del fabricante

Con fmax=5.5Khz y fmin=4.5khz obtenemos:

C1=1nF

R1=100kΩ

R2=240Ω

ESQUEMA DEL DEMODULADOR

Figura 3.-Esquema Demodulador

Figura 4.-Filtro paso bajo

R3 = 18 kΩ R1 = 484 kΩ 470kΩ

R4 = 15 kΩ R2 = 242 kΩ 270kΩ

C2 = 47 nF C1 = 1 nF

Figura 5.-Esquema eléctrico del filtro

Figura 6.-Simulación del filtro

b) Dibujo del esquema de conexiones de los módulos de Aurel RX FM AUDIO

TX FM AUDIO

c) Dibujo de los esquemas de todos los subsistemas de filtrado y de adaptación

de niveles de tensión que sean necesarios, indicando los valores de todos los

componentes empleados. También se deberán incluir todas las simulaciones

que se hagan para comprobar el buen funcionamiento del diseño.

Figura 7.-Acondicionador de señal

Hemos diseñado nuestro sistema para que trabaje con una tensión de 2.5 ± 0,5V, por lo

tanto ha sido necesario diseñar un acondicionador de señal de forma que nos

proporcionase un nivel de continua de 2,5V a la señal procedente del receptor de FM.

Este diseño consiste en un sumador ponderado seguido de un amplificador de ganancia

G = 10. A continuación mostramos los resultados de la simulación a la que hemos

introducido una señal senoidal de 100mV de amplitud con el fin de simular las

condiciones de tensión que nos proporciona el receptor de FM.

Obtenemos de esta forma una señal de 2,5 V de continua con variaciones de 1Vpp.

Figura 8.-Simulación del circuito acondicionador de señal

7. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

El objetivo de la práctica era la transmisión y recepción de una señal de

electrocardiografía que obteníamos a partir del generador de señales que disponemos en

el laboratorio.

En nuestro grupo nos hemos encargado de montar el receptor.

El primer paso fue montar el demodulador utilizando el circuito integrado 4046. La

señal a demodular era una señal de electrocardiografía con un ancho de banda de 0.2Hz

a 120Hz.

Seguidamente se tuvo que diseñar el filtro Lead-Lag. Diseñamos el filtro para que

tuviera una frecuencia de corte algo superior a los 120Hz, ya que así conseguíamos una

respuesta en frecuencia bastante plana en todo el ancho de banda.

Simulando con el Orcad obtuvimos una frecuencia de corte de 133Hz, como se puede

observar en la figura 6.

En el laboratorio montamos el filtro por separado e introduciendo a la entrada una señal

senoidal y variando su frecuencia, comprobamos en el osciloscopio que el filtro actuaba

como esperábamos.

Acto seguido montamos ya todo el demodulador utilizando el valor de resistencias y

condensadores que habíamos calculado teóricamente mediante las ecuaciones que nos

proporcionaba el fabricante en el catálogo.

Esta ha sido la parte de la práctica que más problemas no ha dado, ya que nos costó

bastante que el PLL trabajara en el rango especificado, entre 4000Hz y 6000Hz, tal

como se pedía en la práctica.

Comprobamos el correcto funcionamiento del PLL introduciendo una señal senoidal

con una frecuencia que variábamos entre los márgenes de enganche que queríamos

obtener. Con el osciloscopio comprobábamos cuando el PLL se desenganchaba.

Finalmente y tras probar con distintos valores de resistencias y condensadores

conseguimos ajustar el PLL para que funcionara hasta una frecuencia que variaba entre

los 4100 Hz y los 5900Hz.

Una vez comprobado el correcto funcionamiento de nuestro sistema, probamos el

diseño con otro compañero que había montado el bloque del transmisor. Tras unos

ajustes y transmitiendo mediante conexión directa con un cable, comprobamos como

efectivamente el sistema funcionaba como cabía esperar.

El siguiente paso fue configurar el generador de funciones para obtener una señal

cardíaca con las características que se indicaban en la práctica, es decir, de 60Hz y

1Vpp. Comprobamos que el diseño funcionó correctamente.

La parte final de la práctica consistía en montar el modulo de alta frecuencia. La señal

que entrega dicho modulo presenta 100mVpp. Por tanto tuvimos que montar un

acondicionador de señal de forma que atacara a nuestro PLL con un voltaje de 2,5V de

continua y 1Vpp. Esto lo realizamos con un sumador ponderado de ganancia 10.

Esta última parte del diseño no pudimos llegar a comprobarla.

8. CONCLUSIONES

En la práctica hemos aprendido como diseñar e implementar un sistema de

radiofrecuencia para transmitir señales, en nuestro caso de electrocardiograma. Para

ellos hemos tenido que diseñar los bloques correspondientes a modulador y

demodulador y nos hemos visto como un diseño a priori sencillo puede dar muchos

problemas de ajuste a la hora del montaje. En la última parte de la práctica hemos

aprendido a utilizar un modulo de recepción y transmisión comercial de la marca Aurel,

este tipo de dispositivos nos facilitan mucho el trabajo y aumentan las prestaciones de

nuestro diseño.

Figura 9.-Montaje final en placa de pruebas