Manual de Telecomunicaciones Ingenieria Electronica

Instituto Tecnológico de Tehuacán Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

Erick Martínez Zanabria Ing. Alberto Cortés

Introducción a las Telecomunicaciones

Manual para Practicas de laboratorio

MATERIA: Introducción a las Telecomunicaciones.

Alumno Erick Martínez Zanabria

Numero de control 10360523

Ing. Alberto Cortés.



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Índice

CAPITULO 1 OSCILADOR COLPITTS. ................................................ 4

CAPITULO 2 OSCILADOR HARTLEY. ................................................. 8

CAPITULO 3 MODULADOR EN AM .................................................. 11

CAPITULO 4 DEMODULADOR EN AM ............................................. 21

CAPITULO 5 MODULADORES DSB-SC Y SSB ................................. 29

CAPITULO 6 DEMODULADORES DSB-SC y SSB .......................... 45

CAPITULO 7 MODULADOR EN FM. ................................................... 55

CAPITULO 8 DEMODULADOR FM ..................................................... 70

CAPITULO 9 CONVERTIDORES ANALOGICO/DIGITAL .............. 85

CAPITULO 10 CONVERTIDORES ANALOGICO/DIGITAL ............ 95

CAPITULO 11 MODULADOR PWM .................................................. 105

PRÁCTICA 12 DEMODULADOR PWM ............................................. 114

CAPITULO 13 MODULADOR FSK ..................................................... 125

CAPITULO 14 DEMODULADOR FSK ............................................... 130



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4

CAPITULO 1 OSCILADOR COLPITTS.

OBJETIVOS.

Entender la operación y características de los osciladores en radio frecuencia (RF).

Diseñar e implementar un oscilador Colpitts INTRODUCCIÓN. Un oscilador es simplemente un generador de señal, el cual, convierte su fuente de voltaje DC en una señal de salida AC sin necesidad de ninguna señal de entrada. Los osciladores juegan un papel importante en sistemas de comunicaciones, ya que generan la portadora o señal de oscilación local usada en dichos sistemas. MARCO TEÓRICO. En la figura 1.1 se muestra el diagrama básico del oscilador, donde podemos ver sus diferentes componentes. Incluye un amplificador y una red de retroalimentación estructurada por un circuito resonador. Cuando se aplica la fuente de DC al circuito, el ruido aparece y es amplificado por el amplificador para después alimentar la entrada a través de la red de retroalimentación que como ya lo mencionamos es un circuito resonador que tiene la función de filtro. La red de retroalimentación permite a la frecuencia de la señal igualarse a la frecuencia resonante para pasar y rechazar otras frecuencias. La señal de retroalimentación será amplificada y regresada de nueva cuenta. Si la señal de retroalimentación esta en fase con la señal de entrada y el incremento de voltaje es suficiente el oscilador estará en operación.

Fig. 1.1. Diagrama básico de un oscilador.



5

Para su operación apropiada, un oscilador debe cumplir con el criterio Barkhausen que es la relación entre el incremento de amplificador A y el factor

de retroalimentación del oscilador s que deberá ser igual a 1.

1sA

OSCILADOR COLPITTS La figura 1.2. muestra un circuito practico del oscilador Colpitts

Fig. 1.2. Oscilador Colpitts.

INSTRUMENTOS Y COMPONENTES.

Modulo KL-92001

Modulo KL-93001

Osciloscopio

Medidor LCR DESARROLLO EXPERIMENTO 1 OSCILADOR COLPITTS.

1. En el modulo KL-93001 conecte con puentes J1 y J3 para tener las

siguientes condiciones: FC 001.03 , FC 015.04 y HL 271 .

2. Coloque el osciloscopio en la posición de AC y conéctelo a la salida (O/P).

Dibuje la forma de onda y anote la frecuencia en la tabla 1.1. Si el circuito opera de manera incorrecta cheque la polarización de su transistor.



6

3. Retire los puentes de J1 y J3. Utilice el medidor de LCR y mida los valores

de 3C , 4C y 1L , para después anotarlos en la tabla 1.1, además de

calcular la frecuencia de salida.

4. Conecte los puentes ahora en J2 y J4 para cambiar 3C por pFC 1005 ,

4C por pFC 10006 y 1L por HL 7.22 . Repita los pasos 2 y 3.

Donde ,

C3 C4 L1 Forma de la onda de salida

Valor Nominal

0.001uF

0.015uF

27uH

f calculada = 1.0003 MHz f medida = 375.60159KHz f medida en el osciloscopio =1.089MHz

Valor Medido

15.96nF

15.96nF

22.5uH

Valor Nominal

100uF

1000uF

2.7uH

f calculada =10.15862KHz

f medida = 5.6755MHz f medida en el osciloscopio = 8 MHz

Valor Medido

1.049nF

1.048nF

1.5uH

Tabla 1-1.



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CUESTIONARIO 1-1 En el experimento 1. ¿Concuerdan los valores medidos con los calculados?

Explique No. Ya que los valores calculados de los elementos no siempre se encuentran comerciales eso hacer variar los datos calculados con los medidos

1-2 ¿Cual es la función de cada capacitor o inductor del oscilador Colpitts

mostrado en la figura 1-2? _Es conformar un circuito tanque el cual al polarizarse se carga y se descarga y es lo que en realidad hace oscilar el circuito

CONCLUSIONES

Lo primero que notamos es que los valores de los capacitores y la bobina al medirlos no concordaban con los que el manual tiene eso hizo variar un poco la frecuencia al conectar C3, C4 y L3 y al conectar C5, C6 y L2 vario aún más ya que según los valores calculados y la frecuencia debieron ser de 10 MHZ y no fue asi, la frecuencia de salida medida fue de 8 MHZ es donde vario más en

comparación con la primera prueba que variaron solo unos cuantos HZ



8

CAPITULO 2 OSCILADOR HARTLEY.

INTRODUCCIÓN. Un oscilador es simplemente un generador de señal, el cual, convierte su fuente de voltaje DC en una señal de salida AC sin necesidad de ninguna señal de entrada. Los osciladores juegan un papel importante en sistemas de comunicaciones, ya que generan la portadora o señal de oscilación local usada en dichos sistemas. OBJETIVOS.

Entender la operación y características de osciladores en radio frecuencia (RF).

Diseñar e implementar un oscilador Hartley. OSCILADOR HARTLEY La figura 2.1 muestra un circuito práctico para el oscilador Hartley.

Fig. 2.1 Oscilador Hartley.



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Modulo KL-92001

Modulo KL-93001

Osciloscopio

Medidor LCR DESARROLLO EXPERIMENTO 2 OSCILADOR HARTLEY

1.-En el modulo KL-93001 conecte con puentes J1 y J3 para tener los

siguientes datos: HL 681 , HL 7.22 y pFC 1003 .

2.-Coloque el osciloscopio en la posición de AC y conéctelo a la salida (O/P). Observe y anote la forma de onda y la frecuencia en la tabla 2.1 3.-Retire los puentes de J1 y J3. Utilice el medidor de LCR y mida los valores

de 1L , 2L y 3C , para después anotarlos en la tabla 2.1 además de calcular la

frecuencia de salida.

4.-Conecte los puentes ahora en J2 y J4 para cambiar 1L por HL 473 , 2L

por HL 4704 y 3C por pFC 1504 . Repita los pasos 2 y 3.

L1 L2 C3 Forma de la onda de salida

Valor Nominal

68uH

2.7uH

100uF

f calculada = 1.8928 KHz f con valores medidos=15.6345KHz

Valor Medido

4.2uH

1.5uH

18.18uF



10

f medida = 7.911 MHz

Valor Nominal

470uH

47uH

150pF

f calculada = 571.51 KHz f con valores medidos=1.739670KHz f medida = 421.6 KHz

Valor Medido

452.4uH

15.7uH

17.88uF

Tabla 2.1

CUESTIONARIO 1-3 En el experimento 2. ¿Concuerdan los valores medidos con los calculados?

Explique. No ya que hay mucha variación entre los componentes que se mencionan en las especificaciones a los que en realidad son esa misma variación hace que los resultados varíen de los calculados a los medidos

1-4 Determine los valores de C3, L1 y L2 del oscilador Hartley mostrado en la

figura 1-3 para que este oscile a una frecuencia de 5 MHz________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

1-5 ¿Por qué debemos tener cuidado con la exposición del circuito y con la

longitud de la antena, cuando la frecuencia de operación se encuentra en el rango de RF? De forma simple, es para evitar interferencias en las señales de radio, que podríamos introducir.

CONCLUSIONES Nuestra frecuencia de salida, fue un poco mejor, en comparación a la primera, la diferencia notable es que en lugar de tener dos capacitores, como en el oscilador Colpitts; en este caso utilizamos dos bobinas conectadas en serie, que a su vez conectados en paralelo con un capacitor. Como ya se mencionó con anteriormente, debido a la conexión a la que se encuentran los componentes, los cálculos efectuados no fueron iguales, pero no quito el objetivo de la práctica.



11

Estos osciladores son prácticos, ya que con estos circuitos podremos tener una señal portadora y así podremos transmitir datos e información; claro para nosotros realizar experimentos en el área de telecomunicaciones.

CAPITULO 3 MODULADOR EN AM

INTRODUCCIÓN.

El proceso de modulación es aquel en el que se sobrepone una señal de baja frecuencia a una señal portadora de alta frecuencia, es decir, la señal de mayor frecuencia denominada portadora es modulada por medio de una señal de menor frecuencia que usualmente es de audio. OBJETIVOS.

Conocer las características principales de la modulación en amplitud (AM).

Entender la forma y frecuencia del espectro de la señal de AM, además de calcular el porcentaje de modulación.

Diseñar un modulador en amplitud utilizando MC1496.

Medir y ajustar el circuito modulador en amplitud. MARCO TEÓRICO En la modulación en amplitud la portadora varia conforme la amplitud de la señal moduladora, como se muestra en la figura 3.1. Si la señal de audio es

tfA mm 2cos y la señal portadora es tfA cc 2cos , la señal de modulación en

amplitud estará expresada por:

tfAtfAAtx ccmmDCAM 2cos2cos

tftfmAAtx cmcDCAM 2cos2cos1 (3.1)

Donde: DCA Nivel de DC

mA Amplitud de señal de audio



12

cA Amplitud de señal portadora

mf Frecuencia de señal de audio

cf Frecuencia de portadora

m Índice de modulación o profundidad de modulación DCm AA /

Fig. 3.1 Forma de onda de Modulación en Amplitud

Rescribiendo Ec. (3.1) obtenemos:

tfAAtfftffmAAfx ccDCmcmccDCAM 2cos2cos2cos2

1)( (3.2)

El primer término de la Ec. (3.2) representa la doble señal de banda lateral y el segundo término es la señal portadora. De acuerdo con esta ecuación, podemos trazar el espectro de la señal de modulación en AM como en la figura 3.2. En una transmisión en AM la frecuencia y amplitud de la portadora siempre permanecen constantes, mientras la banda lateral constantemente varía en frecuencia y en amplitud. De esta manera, la portadora no contiene ningún mensaje o información lo que hace que no se modifique. Esto significa que la potencia de la portadora es únicamente disipación cuando se esta transmitiendo una señal de AM. Así, la transmisión eficiente de la modulación en amplitud es mas baja que la doble banda lateral suprimida por la portadora de modulación (DSB-SC), pero el circuito demodulador en amplitud es simple.



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Fig. 3.2 Espectro en frecuencia de la señal de AM

La m en la Ec. (3.1) denominada índice de modulación o profundidad de modulación, es un parámetro importante. Cuando m es un porcentaje, usualmente llamado porcentaje de modulación. Esto se define como:

%100%100 DC

m

A

A

NivelDC

dulaciónAmplitudMom (3.3)

Es difícil medir el DCA en el circuito práctico por lo que el índice de

modulación generalmente se calcula de la siguiente manera:

%100minmax

minmax

EE

EEm (3.4)

Donde Emax = Ac – Am y Emin = Ac – Am indicado en la figura 1. En la figura 3.3 se muestra un circuito modulador en AM de entradas simples, la portadora se aplica en el pin 10 y la de audio en el pin 1. La ganancia

del circuito completo es determinado por medio del valor de 8R . 9R . Ajustando

el valor de 1VR o la amplitud de la señal de audio se puede cambiar el porcentaje de modulación.



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Fig. 3.3 Modulador en Amplitud utilizando MC1496

PUESTA EN MARCHA Para la realización de esta práctica se deben seguir los pasos que se muestran en cada caso y la utilización de los instrumentos que se mencionan

Instrumentos y Componentes.

Modulo KL-92001

Modulo KL-93002

Osciloscopio

Generador RF

DESARROLLO

1. En el Modulo KL-93002 localice el circuito modulador en AM. Conecte los

puentes en J1 y J3 para habilitar kR 18 y kR 8.69 .

2. Introduzca 250mV a 1kHz de señal senoidal a la entrada de audio (I/P2), y 250mV a 500kHz de señal senoidal a la entrada portadora (I/P1).

3. Conecte la punta de osciloscopio en la salida AM (O/P). Observe la forma

de onda en la salida y ajuste VR1 para un índice modulación del 50%. Anote sus resultados.



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4. Utilizando los resultados obtenidos y con la Ec.(3.4), calcule y anote el

porcentaje de modulación en la salida en la tabla 3.1.

5. Utilizando el osciloscopio, observe las señales de salida para amplitudes de audio de 200mV y 150mV. Repita los pasos 4 y 5, además de anotar sus resultados en la tabla 3.1.

Amplitud de Audio

Vpp Porcentaje de

Modulación

Forma de onda

250mV

mVE 36max

mVE 12min

Emax=64mV Emin=20mV

50%

52.381%

200mV

mVE 104max

mVE 10min

Emax=37.6mV

Emin=4mV

82.4561%

80.7692%

150mV

mVE 8.84max

mVE 8min

Emax=46.4mV Emin=3.2mV

82.7586%

87.0967%

Tabla 3.1. 6. Introduzca 150mV a 1kHz de señal senoidal a la entrada de audio (I/P2),

y 100mV a 500kHz de señal senoidal a la entrada portadora (I/P1).

7. Conecte la punta de osciloscopio en la salida AM (O/P). Observe la forma de onda y anote sus resultados en la tabla 3.2



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8. Utilizando los resultados obtenidos y con la Ec.(3.4), calcule y anote el

porcentaje de modulación en la salida.

9. Repita los pasos 6 al 8 para una amplitud en la portadora de 200mV y 300mV. y anote sus resultados en la taba 3.2



17

Amplitud de Audio

Vpp Porcentaje de

Modulación

Forma de onda

100mV

mVE 8.76max

mVE 0min


100%

91.8367%

200mV

mVE 96max

mVE 8min

Emax=52.8mV Emin=4mV

84.6153%

85.91%

300mV

mVE 108max

mVE 0min


100%

94.0594%

Tabla 3.2.



18

10. Introduzca 150mV a 3kHz de señal senoidal a la entrada de audio (I/P2), y 250mV a 500kHz de señal senoidal a la entrada portadora (I/P1).


de onda y anote sus resultados en la tabla 3.3.

12. Utilizando los resultados obtenidos y con la Ec.(3.4), calcule y anote el porcentaje de modulación en la salida.

13. Repita los pasos 10 al 12 para una frecuencia de audio de 2kHz y 1kHz.

y anote sus resultados en la tabla3.3.

Frecuencia de Audio

Vpp Porcentaje de

Modulación

Forma de onda

3kHz

mVE 133max

mVE 6min

Emax=134mV

Emin=4mV

91.3669%

94.2029%

2kHz

mVE 150max

mVE 0min

Emax=120mV

Emin=4mV

100%

93.5483%



19

1kHz

mVE 2.89max

mVE 0min

Emax=116mV Emin=12mV

100%

81.25%

Tabla 3.3.

14. Introduzca 150mV a 2kHz de señal senoidal a la entrada de audio (I/P2), y 250mV a 1MHz de señal senoidal a la entrada portadora (I/P1).


de onda y anote sus resultados en la tabla 3.4.

16. Utilizando los resultados obtenidos y con la Ec.(3.4), calcule y anote el porcentaje de modulación en la salida.

17. Repita los pasos 14 al 16 para una frecuencia de portadora de 2MHz y

3MHz. Anotando sus resultados en la tabla 3.4.

Frecuencia de

Portadora

Vpp Porcentaje de

Modulación

Forma de onda

1MHz

mVE 2.71max

mVE 0min

Emax=54mV Emin=6mV

100%

80%



20

2MHz

mVE 2.57max

mVE 0min

Emax=31.2mV

Emin=4mV

100%

77.2727%

3MHz

mVE 8.46max

mVE 0min


100%

56.7567%

Tabla 3.4.

CONCLUSIONES Al aumentar la frecuencia de la portadora la amplitud de la señal se comenzaba a atenuar y la modulación se volvía un poco más difícil ya que se sobremodulaba rápidamente pero si aumentábamos el voltaje se podía compensar un poco esa atenuación.



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CAPITULO 4 DEMODULADOR EN AM

INTRODUCCIÓN. El proceso de demodulación es lo contrario al de modulación. De acuerdo con lo visto en la práctica anterior, la señal de alta frecuencia (portadora) varía con la amplitud de la señal de audio (moduladora) que es de menor frecuencia. Cuando recibimos la señal AM es necesario extraer la señal de audio, a lo que denominamos demodulación. En la figura 4.1 se muestra el proceso de demodulación. En general existen dos tipos: detectores sincronos y asíncronos. OBJETIVOS.

Conocer las características básicas de la demodulación en amplitud.

Implementar un demodulador en amplitud con diodo.

Implementar un demodulador en amplitud con un detector producto. MARCO TEÓRICO.

Fig. 4.1 Demodulación en Amplitud DIODO DETECTOR

Ya que la señal modulada en AM es una señal donde la amplitud de la

portadora varía con la amplitud de la señal moduladora un demodulador es utilizado para extraer la señal moduladora original de la señal de AM.

Fig. 4.2 Diagrama a bloques de un demodulador rectificador

El diagrama a bloques del diodo detector que se muestra en la Fig. 4.2 es un típico detector asíncrono. La señal modulada en AM incluye ambos ciclos positivos y negativos envueltos en la señal que es aplicada a la entrada del rectificador. La señal de salida del rectificador es la parte positiva del envolvente



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más un nivel de DC y es alimentado dentro de un filtro pasa bajas cuya salida es la señal modulada original con un nivel de DC. Entonces la señal modulada será recuperada removiendo el voltaje de DC.

La Fig. 4.3 muestra un circuito práctico del diodo detector. Los componentes

1R , 2R , 3R , 4R , 1U y 2U constituyen dos amplificadores inversores conectados

en cascada para ofrecer una ganancia apropiada a la señal de AM. La señal de

AM amplificada es rectificada por el diodo 1D y a su vez es alimentación a la

entrada de el filtro pasa bajas constituido por 2C , 3C y 5R . La señal de salida del

filtro pasa bajas es la mitad positiva envuelta con el nivel de DC. El capacitor 4C

es utilizado para pasar la componente en AC mientras se bloquea la componente DC.

Fig. 4.3 Circuito del diodo detector

DETECTOR PRODUCTO.

La demodulación por señal de AM puede ser también consumada con el modulador balanceado discutido anteriormente. Tal demodulador es

denominado detector síncrono o detector producto. Si la txAM representa la

señal de AM y txc es la portadora y son expresadas por:

tftfmVVtx cmcDCAM 2cos2cos1 (4.1)

tfVtx ccc 2cos (4.2)

Si estas dos señales son conectadas a la entrada del demodulador

balanceado entonces la salida de este puede ser:

)()( txtkxtx AMcout

tftfmVkVtx cmcDCout 2cos2cos1 22



23

tftfmVkV

tfmVkVVkV

tx cmcDC

mcDCcDC

out 22cos2cos12

2cos22

222

(4.3)

La Fig. 4.4 muestra el circuito del detector producto. El VR1 controla el nivel de la señal portadora. La señal de salida de el MC1496 en su pin 12 es expresado

por la ecuación 4.3. El filtro pasa bajas construido por 7C , 9C y 9R es utilizado

para quitar el tercer termino, que es la señal armónica de segundo orden en la señal modulada de AM. El primer término de la ec.4.3 es el nivel de DC que

puede ser bloqueado por el capacitor 10C . La amplitud de la señal demodulada

de salida puede ser dada por:

)2cos(2

)(2

tfmVkV

tx m

cDC

out (4.4)

La ec. 4.4 representa la señal de audio. En otras palabras, el detector

producto puede extraer la señal de audio de la señal AM. De la discusión anterior, podemos concluir que el diodo rectificador es un

detector asíncrono cuyo circuito es simple pero de mala calidad. El detector producto es un detector síncrono cuya calidad es excelente pero el circuito es más complicado y la señal portadora estará exactamente sincronizada con la señal de AM.

Fig. 4.4 Circuito del Detector Producto

PUESTA EN MARCHA

A continuación se mencionan los equipos a utilizar en el desarrollo de esta práctica, además de los pasos a seguir



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Instrumentos y Componentes.

Modulo KL-92001

Modulo KL-93002

Osciloscopio

Generador RF

DESARROLLO DIODO DETECTOR.

1. La fuente de la señal AM en este experimento es el modulador en AM.

2. Ajuste la señal de entrada del modulador en AM con una señal senoidal

como portadora de 250mV a 200kHz, y una señal senoidal de audio de 250mV a 3kHz.

3. Ajuste VR1 del modulador AM para tener una amplitud máxima de la señal

AM de salida.

4. Conecte la señal AM en la entrada I/P del diodo detector.

5. Coloque la punta del osciloscopio en la salida del diodo detector además de ponerlo en posición DC. Registre sus resultados en la tabla 4.1.

Frecuencia de Audio

Señal de Entrada

Señal de Salida del Detector

Forma de onda

3kHz La señal de entrada

modulada es de 4.16 V

La señal de salida

del detector es de 5.2

V

2kHz La señal de

entrada modulada es

de 3.48 V

La señal de salida

del detector

es de 4.16 V



25


modulada es de 1.92 V

La señal de salida

del detector

es de 2.68 V

Tabla 4.1

6. Cambie la frecuencia de la señal de audio por 2kHz y 1kHz, y repita el

paso 5.

7. Ajuste la portadora a 250mV a 300kHz de señal senoidal, y la de audio en 500mV a 3kHz de señal senoidal.


AM de salida.

9. Coloque la punta del osciloscopio en la salida del diodo detector además de ponerlo en posición DC. Registre sus resultados en la tabla 4.2.

10. Cambie la frecuencia de la señal de audio por 2kHz y 1kHz, y repita el

paso 9.

Frecuencia de Audio

Señal de Entrada

Señal de Salida

del Detector

Forma de onda


modulada es de 360

mV

La señal de salida

del detector

es de 324 mV



26


modulada es de 288

mV

La señal de salida

del detector

es de 336mV

1kHz La señal de

entrada modulada es de 168

mV

La señal de salida del detector es de 304 mV

Tabla 4.2.

DESARROLLO DEL DETECTOR PRODUCTO.

1. La fuente de la señal AM en este experimento es el modulador en AM.

2. Ajuste la señal de entrada del modulador en AM con una señal senoidal

como portadora de 250mV a 500kHz, y una señal senoidal de audio de 150mV a 3kHz.


AM de salida.

4. Conecte la señal AM en la entrada I/P2 del detector producto y conecte la misma portadora en la entrada I/P1.

5. Coloque la punta del osciloscopio en la salida del diodo detector además

de ponerlo en posición DC. Registre sus resultados en la tabla 4.3.



27

Frecuencia de Audio

Señal de Entrada

Señal de Salida del Detector

Forma de onda


modulada es de

190mV

La señal de salida

del detector

de 256mV

2kHz La señal de


mV

La señal de salida

del detector

de 238 mV

1kHz La señal de


mV

La señal de salida

del detector

de 160 mV

Tabla 4.3.

6. Cambie la frecuencia de la señal de audio por 2kHz y 1kHz, y repita el paso 5.

7. Ajuste la portadora a 250mV a 1MHz de señal senoidal, y la de audio

en 150mV a 2kHz de señal senoidal.

8. Ajuste VR1 del modulador AM para tener una amplitud máxima de la señal AM de salida.



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9. Coloque la punta del osciloscopio en la salida del diodo detector

además de ponerlo en posición DC. Registre sus resultados en la tabla 4.4

10. Cambie la frecuencia de la señal portadora por 2MHz y 3MHz, y repita

el paso 9.

Frecuencia de Audio

Señal de Entrada

Señal de Salida

del Detector

Forma de onda


modulada es de 102

mV

La señal de salida

del detector de 282

mV

2kHz La señal de


mV

La señal de salida

del detector de 158

mV

1kHz La señal de

entrada modulada es de 51.6

mV

La señal de salida

del detector de 84.3

mV

Tabla 4.4.

CONCLUSIONES La demodulación consiste en la recuperación de la señal de “audio” transmitida con otra señal de frecuencia mayor llamada portadora, la cual es transmitida en AM.



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En este caso, utilizamos dos métodos de obtención en la señal de AM diodo detector y detector producto. En el diodo detector, la señal “AM” es filtrada a través de un circuito sencillo constituido por “OPAM”, pasa a través de ellos y a su salida se encuentra con un diodo, el cual rectifica la señal y a través de unos capacitores podremos obtener la señal original; podemos mencionar que la ventaja del circuito demodulador, consiste en que no es necesario ajustar a la frecuencia a la cual es transmitida la señal para ser captada; es decir, el circuito. Demodulador se sincroniza con el modulador de forma automática, por decirlo de una manera, para la obtención de la señal original. La señal recuperada no es del todo parecida a la señal original transmitida, ya que presenta una ligera inclinación hacia la izquierda y por consecuencia no es del todo senoidal. Ahora bien, el detector producto es un circuito un poco más complejo, ya que utiliza mayor número de elementos pasivos y un circuito integrado; claro que la señal recuperada es mucho mas precisa a la original, pero hay que mencionar que deben estar sincronizadas a la misma frecuencia en el modulador y demodulador, para así poder recuperar la señal transmitida

CAPITULO 5 MODULADORES DSB-SC Y SSB

OBJETIVOS: 1.- Aprender a modular señales de doble banda lateral sin portadora y de banda lateral única sin portadora. 2.- Aprender a probar y ajustar moduladores para señales de doble banda lateral sin portadora y de banda lateral única balancead (modulada). MARCO TEORICO:

El principio de operación del circuito de este capitulo es similar al mostrado antes en el capítulo 3. El circuito de la figura 5-1 es un modulador de doble banda lateral sin portadora, (DSB-SC) por sus siglas en ingles (Double-Sideband Suppressed-Carrier). El circuito de balance conformado por el resistor variable VR1, es usado para lograr que el LM1496 opere en su estado de equilibrio. Por medio del ajuste de VR1, nos aseguramos que el modulador opere en dicho estado. En pocas palabras, la mayor diferencia entre el modulador DSB-SC y el modulador en AM es que el primero entrega una señal modulada sin portadora. Para lograr el requerimiento de suprimir la portadora, debemos primero conectar la entrada de audio a tierra y observar la salida del LM1496 para asegurarnos que no hay presencia de una señal portadora, todo esto mediante el ajuste cuidadoso de VR1. Una vez hecho esto, reconectamos la señal de audio para que la señal DSB-SC modulada con las señales laterales baja y alta incluidas se presenten en la salida del LM1496.



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Fig. 5-1 Circuito del modulador DSB-SC.

El nivel de voltaje de la señal portadora es un factor importante a la hora de lograr la supresión de la misma (señal portadora). En general, el rango optimo es alrededor de 0.2 Vpp a 0.8 Vpp para una frecuencia de portadora de 500 KHz.

Para identificar una señal modulada en AM, DSB-SC o en SSB, asumimos un espectro de audio típico como el mostrado en la figura 5-2a. Donde fmh es la frecuencia más alta y fml es la frecuencia mas baja de la señal de audio. Si usamos esta señal de audio para modular la amplitud de una portadora senoidal, obtendremos un espectro en AM como el mostrado en la figura 5-2a.

El espectro de AM incluye las tres componentes siguientes: 1.- frecuencia de portadora fc. 2.- Banda lateral alta con la frecuencia mas elevada (fc + fmh) 3.- Banda lateral baja con la frecuencia mas baja (fc - fml) Por el hecho de que la señal modulada en amplitud contiene a estas dos

señales de base lateral, es a veces llamada AM con doble banda lateral. En la modulación de doble banda lateral sin portadora, la señal portadora es removida o suprimida por el modulador balanceado, y la señal modulada sin portadora es mostrada en la figura 5-2c. Note que estas dos bandas laterales contienen la misma señal de audio cuando la señal modulada es transmitida, por lo tanto los receptores pueden recobrar la señal de audio de cualquiera de estas señales de banda lateral mediante técnicas de desmodulación. Esto significa que solo una de las bandas laterales es necesaria durante el proceso de transmisión. De este modo se presenta la modulación llamada de banda lateral única (SSB) por sus siglas en ingles Single-Sideband, la cual es mostrada en la figura 5-2d.



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Suponga que la señal de audio de entrada (pata 1 y 4) del LM1496 es Amcos2πfmt y que la señal portadora de entrada (pata 8 y 10) es Accos2πfct , entonces la señal de salida en la pata 6 será:

Vo = k(Amcos2πfmt)(Accos2πfct) = (kAmAc/2)(cos2π(fm+fc)t+cos2π(fm-fc)t) (5-1)

Donde k es la ganancia del modulador y (fc + fm) y (fc - fm) son los niveles mas altos y mas bajos de las señales de banda lateral moduladas, respectivamente.

En la figura 5-1 el circuito de seguidor de fuente formado por Q1 y Q2

actúa como un acoplador de impedancias debido a sus características de alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida. Los capacitores de acoplamiento C1, C2 , C4 y C8 son usados para bloquear la señal de c-d mientras acoplan la señal de c-a.

La resistencia R11 es para ajustar la ganancia del demodulador

balanceado y R12 es para el ajuste de corriente. Los resistores R5 y R10 son para el control AGC. Los capacitores C3, C6 y C7 son usados para evitar ruido indeseable. VR1 es para balancear, optimizar el punto de operación, minimizar distorsión y para determinar los tipos de la señal de salida (AM o DSB-SC).

Amplitud

Frecuencia

Fig. 5-2a Espectro de la señal de audio.

Amplitud

Portadora Banda lateral Banda lateral

baja alta



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Frecuencia fc-fmh fc-fml fc fc+fml fc+fmh

Fig. 5-2b Espectro de la señal de AM.

Amplitud

Banda lateral Banda lateral

baja alta


Fig. 5-2c Espectro de la señal de DSB-SC. Amplitud

Banda lateral

baja


Fig. 5-2d Espectro de la señal de SSB.



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Para generar una señal modulada en SSB de una en DSB-SC,

comúnmente se usa un filtro pasa bajas o un filtro pasa altas para filtrar una señal de banda lateral. Desafortunadamente es difícil sacar una sola señal de banda lateral de una señal DSB-SC con un filtro pasa bajas o pasa alta de 1er o 2do orden debido a que los espectros de las dos bandas laterales están demasiado cerca una de la otra. Una buena solución para este problema consiste en el uso de filtros de cerámica o cristal. Por ejemplo, nosotros usamos el FFD455, que es un filtro pasa bandas cerámico para obtener la banda lateral más alta en el circuito experimental, tal como se muestra en la figura 5-3.

Fig. 5-3 Circuito modulador en SSB.

EQUIPO REQUERIDO 1-Modulo KL-92001 1-Modulo KL-93003 1-Osciloscopio 1-Analizador de espectros 1-Generador de RF EXPERIMENTO 5-1 MODULADOR DSB-SC

1. Localice el circuito del modulador DSB-SC en el modulo KL-93003. Inserte los puentes conectores en J1 y J3 para incluir a R11 = 270 Ω y a R12 = 6.8 K. en el circuito.

2. Ponga la entrada vertical del osciloscopio en CA y observe las señales de entrada y de salida del circuito seguidor de fuente. Asegurese de que estas señales sean idénticas, pero que la amplitud de la señal de salida sea levemente menor que la de la entrada. Si ya lo ha hecho, inserte los conectores en J5 y J6.

3. Gire VR1 a su posición central.



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4. Conecte la entrada de audio (I/P2) a tierra y conecte una onda senoidal de 250 mV y 500 KHz. a la entrada de portadora (I/P1). Ajuste cuidadosamente VR1 para obtener una señal de salida mínima o de cero.

5. Conecte una onda senoidal de 150 mV a 1 KHz en la entrada de audio y cambie la amplitud de la portadora a 150 mV.

6. Usando el osciloscopio, mida y registre las formas de onda listadas en la tabla 5-1.

7. Usando el analizador de espectros, observe y registre el espectro de las señales de salida en la tabla 5-1.

8. Cambie la amplitud de la señal de audio a 300 mV. Mida y registre las formas de ondas listadas en la tabla 5-2 usando el osciloscopio.


10. Cambie la amplitud de la señal portadora a 300 mV. Mida y registre las formas de ondas listadas en la tabla 5-3 usando el osciloscopio.


12. Cambie la amplitud de la señal de audio a 150 mV. y la frecuencia a 2 KHz, y la amplitud de la portadora a 150mV y la frecuencia a 1 MHz. Mida y registre las formas de ondas listadas en la tabla 5-4 usando el osciloscopio.


14. Remueva el conector de J1 e insértelo en J2 para cambiar R11 (270 Ω) a R15 (330 Ω). Cambie la amplitud de la señal de audio a 300 mV. y la frecuencia a 1 KHz, y la amplitud de la portadora a 300mV y la frecuencia a 500 KHz. Mida y registre las formas de ondas listadas en la tabla 5-5 usando el osciloscopio.


16. Remueva el conector de J3 e insértelo en J4 para cambiar R12 (6.8 k) a R16. Usando el osciloscopio, mida y registre las formas de ondas listadas en la tabla 5-6.


EXPERIMENTO 5-2 MODULADOR SSB

1. Localice el circuito del modulador SSB en el modulo KL-93003. Inserte el puente conector en J1 para incluir los filtros cerámicos.

2. Ponga la entrada vertical del osciloscopio en CA y observe las señales de entrada y de salida del circuito seguidor de fuente. Asegurese de que estas señales sean idénticas, pero que la amplitud de la señal de salida sea levemente menor que la de la entrada. Si ya lo ha hecho, inserte los conectores en J3 y J4.

3. Gire VR1 a su posición central. 4. Conecte la entrada de audio (I/P2) a tierra y conecte una onda senoidal

de 250 mV y 453 KHz. a la entrada de portadora (I/P1). Ajuste



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cuidadosamente VR1 para obtener una señal de salida mínima o de cero. Entonces remueva el conector de J2 e insértelo en J1.

5. Conecte una onda senoidal de 150 mV a 2 KHz en la entrada de audio y cambie la amplitud de la portadora a 150 mV.

6. Usando el osciloscopio, mida y registre las formas de onda listadas en la tabla 5-7.


8. Cambie la amplitud de la señal de audio a 300 mV. Mida y registre las formas de ondas listadas en la tabla 5-8 usando el osciloscopio.


10. Cambie la amplitud de la señal portadora a 300 mV. Mida y registre las formas de ondas listadas en la tabla 5-9 usando el osciloscopio.


12. Cambie la amplitud de la señal de audio a 150 mV. y la frecuencia a 1 KHz, y la amplitud de la portadora a 150mV. Mida y registre las formas de ondas listadas en la tabla 5-10 usando el osciloscopio.


Tabla 5-1 (R11=270 Ω, R12=6.8 K, Vc=150mV, fc=500KHz, fm=1KHZ)

Señal

Portadora

Señal de Audio



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Señal de

Salida

Espectro de salida

Tabla 5-2 (R11=270 Ω, R12=6.8 K, Vc=150mV, Vm=300mV, fc=500KHz, fm=1KHZ)

Señal

Portadora

Señal de Audio



37

Señal de

Salida

Espectro de salida


Señal

Portadora

Señal de Audio

Señal de Salida

Espectro de salida



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Tabla 5-4 (R11=270 Ω, R12=6.8 K, Vc=150mV, Vm=150mV, fc=1 MHz, fm=2 KHZ)

Señal

Portadora

Señal de Audio

Señal de Salida

Espectro de salida


Señal

Portadora



39

Señal de

Audio

Señal de Salida

Espectro de salida

Tabla 5-6 (R11=330 Ω, R12=10 K, Vc=300mV, Vm=300mV, fc=500KHz, fm=1KHZ)

Señal

Portadora

Señal de Audio



40

Señal de

Salida

Espectro de salida


Señal

Portadora

Señal de Audio

Señal de Salida



41

Espectro de

salida


Señal

Portadora

Señal de Audio

Señal de Salida

Espectro de salida




42

Señal

Portadora

Señal de Audio

Señal de Salida

Espectro de salida


Señal

Portadora



43

Señal de

Audio

Señal de Salida

Espectro de salida

CUESTIONARIO 5-1 Comente la diferencia entre las señales de AM, DSB-SC y SSB desde el punto de vista del ancho de banda. _El DSB-SC puede funcionar a frecuencias más altas que el AM además de que el ruido influye menos 5-2 Comente la diferencia entre las señales de AM, DSB-SC y SSB, desde el punto de vista de la eficiencia de transmisión. Por lo antes expuesto se percibe una pérdida del 50% de potencia 5-3 ¿Cuál es la función de R11 o R12? R11= Ajusta la ganancia del demodulador. R12= Ajusta la corriente del demodulador



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5-4 ¿Cuál es la función de VR1? ¿Si giramos VR1 arbitrariamente, la salida del DSB-SC se convierte en una señal de AM? Sí, pero no es solo para eso, sino también para minimizar la distorsión, balancear y optimizar el punto de operación 5-5 Comprare los resultados observados en el osciloscopio y comente la diferencia entre las formas de onda de AM y de DSB-SC Según lo observado, es más clara la señal modulada en AM que en la de DSB-SC pero en DSB-SC el ruido influye menos CONCLUSIONES Es un circuito modulador de señales, que a mi parecer es más complejo que en AM, en esta ocasión, realizamos varias veces las mediciones correspondientes a las señales de salida del DSB-SC, ya que no teníamos claro que forma ha de presentar la señal de salida; además de mencionar que fue una de nuestras prácticas más laboriosas. En las señales de salida; tanto en DSB-SC y SSB, las señal se parecían mucho a las de AM solo que en el AM los lóbulos eran casi iguales todos en este caso un lóbulo estaba bien formado y el otro se ovalaba, no obstante la modulación fuera casi completa también notamos que el ruido no afectaba tanto en esta práctica como en la de AM.



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CAPITULO 6 DEMODULADORES DSB-SC y SSB

OBJETIVOS: 1.-Demodular señales DSB-SC y SSB usando un detector de producto. 2.-Aprender cómo usar un detector de producto en receptores de comunicaciones. MARCO TEORICO:

La figura 6-1 muestra la configuración interna del MC 1496. El amplificador diferencial Q5 y Q6 es usado para energizar a los amplificadores diferenciales formados por Q1Q2 y Q3Q4. Q2 y Q8 actúan como fuentes de corriente constantes para alimentar a los amplificadores diferenciales Q5 y Q6. Sobre todo la ganancia del MC1496 puede ser controlada conectando externamente un resistor entre las patas 2 y 3. Para demodulación DSB-SSB, la señal DSB-SC o SSB deberá ser aplicada a las patas 1 y 4. Y la portadora a las patas 8 y 10. La corriente a la pata 5 es comúnmente provista conectando una serie de resistencias desde esta pata (pata 5) a la fuente de alimentación. Debido a que el detector tiene dos salidas (patas 6 y 12), una de ellas puede ser usada como detector de salida y la otra para el uso de un control automático de ganancia (AGC), por sus siglas en ingles de Automatic Gain Control.

Figura 6-1 Circuito interno del LM1496



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Figura 6-2 Detector de producto para señales DSB-SC y SSB. La figura 6-2 muestra el circuito del detector de producto junto con el

MC14596 para lograr la demodulacion DSB-SC o SSB. Con las modificaciones apropiadas, este circuito puede ser también usado como demodulador de AM, FM o PWM. La portadora local se aplica a las entradas (patas 10 y 8) y su frecuencia debe ser exactamente igual a la de la portadora en DSB-SC o SSB. Como la amplitud de la señal modulada, típicamente esta en el rango de 500 mVpp a los 800 mVpp, quiere decir que es lo suficientemente grande para asegurar que el detector estará operando en su región lineal. El resistor R5 conectado entre las patas 2 y 3 determina la ganancia de voltaje del MC1496.

Debido a que el generador de señales en el laboratorio no puede generar

las señales DSB-SC y del SSB de la figura 5-1 para nuestros experimentos 6-1 y 6-2 respectivamente. Tal y como se menciona en el capitulo 5, la señal SSB modulada puede obtenerse de la señal DSB-SC modulada, removiendo la banda superior a la inferior con un filtro. Note que se puede causar un efecto de carga si se agrega el filtro directamente. Para eliminar este efecto se recomienda agregar el circuito seguidor de fuente entre la salida del filtro y la entrada al detector de producto. Considerando que la señal SSB modulada ha salido conectada a las entradas (patas 1 y 4) del LM1496, la señal SSB puede ser expresada por:

Xssb (t) = Cos (ωc + ωm)t

Y la señal de salida entre las patas 8 y 10 es:

Xc(t) = Ac Cosωt

Por lo tanto la señal de salida del LM1496 en la pata 12 será: Xo (t) = k Xssb (t) * Xc (t)

k Am Ac

2



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= [Cos (ωc + ωm)t + Cos ωct = [Cos (2ωc + ωm)t + Cosωmt ] Cuando esta señal de salida pasa a través del filtro pasa bajas constituido

por C7, C9 y R9 las componentes de alta frecuencia serán removidas y la señal demodulada en la salida se convierte en :

Ko (t) = Cos ωm t

A partir de la ecuación anterior, vemos que el LM1496 puede demodular

la señal SSB modulada para recobrar la señal de audio Am Cos(ωm)t con una ganancia de ¼ (kAc)2. Para cambiar la ganancia del demodulador, podemos cambiar la amplitud de la portadora a la resistencia R5 (valor de k). Considerando que una señal DSB-SC modulada es aplicada a las terminales de entrada (pata 1 y 4) del LM1496 y que dicha señal puede ser expresada por:

XDSB-SC (t) = [Cos (ωc + ωm)t + Cos(ωc - ωm)t ]

Y que la señal portadora en la entrada (pata 8 y 10) es: Xc (t) = Ac Cosωc t

De este modo la señal de salida del Lm1496 en la pata 12 será:

Xo (t) = k XDSB-SC = [Cos (ωc + ωm)t + Cos(ωt + ωn)t] Cos ωt = [Cos (2ωc + ωm)t + Cos(2ωt + ωn)+2Cos ωmt]

Para alta frecuencias, el primero y el segundo términos en el extremo

derecho de la ecuación anterior, será removida por el filtro pasa bajas (C7, C9 y R9) cuando la señal pase a través del filtro. Entonces la salida demodulada se convierte en:

Xo (t) = K2 Am Ac2 = Cos ωm t

2 EQUIPO REQUERIDO

1- Modulo KL-92001 1- Modulo KL-93003 1- Osciloscopio 1- Generador de RF.

K2 Am Ac2

2

K2 Am Ac2

4

K2 Am Ac2

4

K Am Ac

2

K2 Am Ac2

2

K2 Am Ac2

4



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Experimento 6-1 Detector producto para señales DSB-SC. 1.- Este experimento utiliza la salida DSB-SC del circuito modulador DSB-SC del experimento 5-1 como entrada al circuito del detector producto (DSB-SC input). Por lo tanto complete primero el circuito del modulador DSB-SC. 2.- Conecte una onda senoidal de 250 mV. y 500 KHz. a la entrada para señal portadora (carrier input) y una onda senoidal de 250 mV. y 1 KHz. a la entrada de audio (audio input) del modulador DSB-SC. 3.- Gire VR1 del modulador DSB-SC para obtener una señal modulad en DSB-SC a su salida. 4.- Localice el circuito del detector producto para las señales DSB-SC y SSB en el modulo KL-93003. Inserte los conectores en J1 y J3 para poner R5 = 270 Ω y R6 = 10 KΩ. 5.- Conecte la señal portadora usada en el paso 2 a la entrada para portadora (carrier input) del detector producto. Conecte la salida del modulador DSB-SC a la entrada para señal DSB-SC (DSB-SC INPUT) del detector producto. 6.- Usando el osciloscopio, observe la señal de salida y gire VR1 del detector producto para lograr una mínima distorsión, anote sus resultados en la tabla 6-1. 7.- Cambie la señal senoidal portadora por otra senoidal, pero ahora de 250 mV y 500 KHz. y la señal de audio por una senoide de 250 mV y 3 KHz. Gire cuidadosamente VR1 para obtener una señal modulada DB-SC a la salida del modulador DSB-SC. 8.- Repita el paso 6 y anote sus resultados en la tabla 6-2. 9.-Quite el conector de J1 e insértelo en J2 para cambiar R5 (270 Ω) a R10 (330 Ω). Repita el paso 6 y anote sus resultados en la tabla 6-4.

10.-Quite el conector de J3 e insértelo en J4 para cambiar R6 (10 KΩ) a R11 (30 KΩ). Repita el paso 6 y anote sus resultados en la tabla 6-4.

Experimento 6-2 Detector producto para señales SSB. 1.- Este experimento utiliza la salida SSB del circuito modulador SSB del experimento 5-2 como entrada al circuito del detector producto (DSB-SC input). Por lo tanto complete primero el circuito del modulador SSB.



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2.- Inserte un conector en J2 para evitar los filtros cerámicos. Conecte un señal senoidal de 250 mV. a 453 KHz. a la entrada para portadora (I / P1) y una señal senoidal de 250 mV a 2 KHz. a la entrada de audio (I / P2). 3.- Gire VR1 del modulador DSB-SC para obtener una señal modulad en DSB-SC en la salida (O / P). Quite el plug conector de J2 e insértelo en J1 para recobrar los filtros cerámicos. La señal de salida será entonces una señal modulada SSB. 4.- Inserte los conectores en J1 y J2 del circuito del detector producto para poner R5 = 270 Ω y R6 = 10 KΩ. 5.- Conecte la señal portadora usada en el paso 2 a la entrada para portadora (I / P1) del detector producto y conecte la señal modulada SSB de la salida a la entrada SSB (I / P2). 6.- Usando el osciloscopio, observe la señal de salida demodulada (O / P) y gire VR1 del detector producto para lograr una distorsión mínima. Anote sus resultados en la tabla 6-5. 7.- Quite el plug conector de J1 e insértelo en J2 para evitar los filtros cerámicos del modulador SSB. Cambie la señal senoidal portadora por otra senoidal, pero ahora de 250 mV y 453 KHz. y la señal de audio por una senoide de 350 mV y 2 KHz. Gire cuidadosamente VR1 para obtener una señal modulada DSB-SC a la salida del modulador DSB-SC y quite el plug conector de J2 e insértelo en J1 para recobrar los filtros cerámicos. La señal será entonces una señal modulada SSB. 8.- Repita el paso 6 y anote sus resultados en la tabla 6-6. 9.-Quite el conector de J1 e insértelo en J2 para cambiar R5 (270 Ω) a R10 (330 Ω). Repita el paso 6 y anote sus resultados en la tabla 6-7.

10.-Quite el conector de J3 e insértelo en J4 para cambiar R6 (10 KΩ) a R11 (30 KΩ). Repita el paso 6 y anote sus resultados en la tabla 6-8.



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Tabla 6-1

(R5 = 270 Ω, R6 = 10 KΩ, Vc = 250 mV., Vm = 250 mV, fc = 500 KHz, fm = 1KHz)

Señal

de

Entrada

Señal

de

Salida

Tabla 6-2


Señal

de

Entrada

Señal

de

Salida

Tabla 6-3




51

Señal

de

Entrada

Señal

de

Salida

Tabla 6-4


Señal

de

Entrada



52

Señal

de

Salida

Tabla 6-5


Señal

de

Entrada

Señal

de

Salida

Tabla 6-6


Señal

de

Entrada



53

Señal

de

Salida

Tabla 6-7


Señal

de

Entrada

Señal

de

Salida

Tabla 6-12




54

Señal

de

Entrada

Señal

de

Salida

CUESTIONARIO 6-1 ¿Cómo afecta el valor de R5 en la figura 6-2 a la amplitud de salida? Con esta resistencia, variamos la ganancia del demodulador y así cambiamos la amplitud de la portadora 6-2 ¿Cómo afecta el valor de R6 en la figura 6-2 a la amplitud de salida? ______________________________________________________________________________________________________________________________ 6-3 ¿Cuál es la función de VR1 y de VR2? Lograr una menor distorsión en el demulador 6-4 Si la frecuencia moduladora se incrementa. ¿Qué componentes deben ser modificados para lograr una señal demodulada sin distorsión? VR1 y VR2 6-5 ¿Se puede utilizar un detector de picos en la demodulación DSB-SC o en la demodulación SSB? ______________________________________________________________________________________________________________________________ CONCLUSIONES Algo curioso nos sucedió en el desarrollo de la práctica, para la realización de la misma, teníamos que completar el circuito modulador de la practica anterior, y como ya se mencionó en la concusión, no teníamos una señal clara de salida del modulador; ahora en este caso que lo volvimos a armar para poder obtener una señal modulada e insertarla en la entrada del demodulador, dicha señal fue demasiado clara en comparación de las registradas en el capítulo de modulación. Prosiguiendo con la práctica, las señales a la salida del demodulador DSB-SC fueron claras en cuestión de la forma, ya que se encontraban en una



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forma definida; en contraste no sabíamos si esa forma de la señal era la correcta. Ahora refiriéndonos a la parte del demodulador SSB, las señales de salida se presentó en una forma senoidal y bastante clara casi idéntica al la señal de entrada del modulador solo tenía pequeñas distorsiones y una ligera caída de tensión

CAPITULO 7 MODULADOR EN FM.

OBJETIVOS 1.- Comprender las características y operación del diodo varactor. 2.- Entender la operación de un oscilador controlado por voltaje. 3.- Implementar un modulador FM utilizando un oscilador controlado por voltaje.

INTRODUCCIÓN.

Principio de operación de la modulación en frecuencia.

La modulación en frecuencia (FM) es un proceso en el cual la frecuencia de la portadora es variada por los cambios en la amplitud de la señal moduladora (señal de inteligencia). La señal FM puede ser expresada por la siguiente ecuación:

))()(2)(2cos()(cos dxftfAtAX CCCFM (7.1)

)))(2sin()(2cos()))(2sin()(2cos()( tftfAtff

AftfAtX mCCm

m

mCCFM

(7.2)

Donde:

)(t= Frecuencia instantánea modulada.

Fc = Frecuencia de la señal portadora. Fm = Frecuencia de la señal moduladora. = Índice de modulación = Am(fo/fm) La frecuencia de la señal de FM XFM(t) puede ser expresada como:

))(2cos())(2sin()(2(2

1)(

2

1tffftftf

dt

dt

dt

df mmCmC

(7-3)

De la ecuación 7-3 podemos encontrar que ocurrirán desviaciones de frecuencia alrededor de la frecuencia central de la señal portadora cuando la amplitud de la señal de inteligencia varié.

DIODO VARACTOR:



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El diodo varactor algunas veces llamado diodo de sintonización es aquel

cuya capacitancia es directamente proporcional a la magnitud del voltaje de polarización inversa aplicado a través de sus uniones P-N. Al incrementarse el voltaje parcial de polarización inversa a través del diodo sé decrementa la capacitancia interna, debido a que su zona de deplexión se ensancha. De modo opuesto, cuando el voltaje de polarización inversa decrece, la zona de deplexión se vuelve mas angosta y la capacitancia aumenta. Cuando se aplica un voltaje de AC a través del diodo, la capacitancia varía proporcionalmente a los cambios en amplitud de dicho voltaje.

Fig.7-1 Relación entre el diodo varactor y un capacitor. La relación existente entre en diodo varactor y un capacitor común es mostrado en la Fig.7-1. En realidad un diodo varactor polarizado inversamente es similar a un capacitor variable. Cuando se junta un semiconductor tipo P y un tipo N, se forma una pequeña zona de deplexión debida a la difusión de portadores minoritarios. Las cargas positivas y negativas pasan a ocupar los lados N y P de la unión respectivamente. Justo como en el caso de un capacitor. La magnitud de la capacitancia de la unión interna esta dada por la siguiente formula, conocida como formula de la capacitancia:

d

AC

(7-4) Donde:

=Constante dieléctrica. = 11.8 o

o = 8.85 x 10-12 A =Área de placas del capacitor. d =Ancho de la zona de deplexión.



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De la formula de arriba, podemos ver que la capacitancia del varactor es inversamente proporcional al ancho de la zona de deplexion (o la distancia entre las placas), sí el área A es constante. Por lo tanto, un voltaje de polarización inverso pequeño producirá una zona de deplexion pequeña y una gran capacitancia. En otras palabras, un incremento en el voltaje de polarización inversa producirá una zona de deplexion grande y una capacitancia pequeña.

Fig 7-2 Circuito equivalente para el diodo varactor.

Un diodo varactor puede ser considerado como un capacitor y un resistor conectados en serie como se muestra en la figura 7-2. Cj es la capacitancia en medio de la unión PN, Rs es la suma de la resistencia de masa y de la resistencia intrínseca de la unión PN, la cual suele ser del orden de unos cuantos ohms y la cual es un parámetro importante a la hora de determinar la calidad del diodo varactor.

La razón de sintonización (TR), por sus siglas en ingles de Tuning Ratio se define como la razón de una capacitancia del diodo varactor correspondiente a un determinado voltaje (V2), entre otra capacitancia correspondiente a otro determinado voltaje (V1) y puede ser expresada por:

1

2

CV

CVTR

(7.5) Donde: TR = Razón de sintonización. CV1 = Capacitancia del diodo varactor a V1 CV2 = Capacitancia del diodo varactor a V2

El diodo varactor 15V55 es el que usaremos en nuestros experimentos y sus características principales son: C3V = 42 pf (capacitancia del diodo varactor a 3 v) TR = 2.65 (en el rango de 3v-30v)

Modulador en Frecuencia Basado en el MC1648 VCO.

En nuestros experimentos implementaremos el modulador en frecuencia con el chip MC1648VCO que se muestra en la figura 7-3. Básicamente se trata de un circuito oscilador, cuya frecuencia de oscilación va a estar determinada



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por el circuito sintonizador que se encuentra en su entrada. En este circuito, las capacitancias C2 y C3 actúan como filtros pasa bandas para filtrar el ruido. Cuando sé esta operando a altas frecuencias (por ejemplo 2.4 Mhz.) La reactancia capacitiva de estos dos capacitores es muy pequeña y puede ser despreciada para fines prácticos. Por lo tanto un circuito AC equivalente para el circuito tanque sintonizador es el mostrado en la figura 7-4, el cual consta de un circuito LC resonante. Puede considerarse a C como la capacitancia resultante de conectar la capacitancia del 1SV55 (Cd) en paralelo con la capacitancia de entrada del MC1684 (Cin). El valor de Cin es de aproximadamente 6 pf. Si despreciamos las capacitancias parásitas, la frecuencia puede ser calculada por la siguiente formula:

)(106(2

1

2

112

HzXCLLC

f

d

O

(7-6)

Fig.7-3 Circuito modulador en FM con el MC1684

Como se menciono antes, la capacitancia Cd del diodo varactor D1 varia con la magnitud del voltaje de polarización inverso aplicado a su unión PN. De acuerdo a la ecuación (7-6), sabemos que el cambio en el valor de Cd producirá un cambio en la frecuencia de oscilación. En el circuito de la figura 7-3, una pequeña corriente de cd producirá un gran valor de Cd y consecuentemente una baja frecuencia de salida. Por otra parte, un incremento en la corriente resultara en un valor pequeño de Cd y en una alta frecuencia de salida. Por lo tanto, si la corriente es removida y una señal de audio es aplicada en la entrada del VCO, a su salida tendremos una señal modulada en frecuencia o de FM.



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Fig.7-4 Circuito AC equivalente para el circuito tanque de sintonización.

Modulador En Frecuencia Basado En El LM566 VCO. El circuito de la figura 7-5 es un modulador en frecuencia basado en un Oscilador Controlado por Voltaje (VCO), por sus siglas en ingles de Voltaje Controlled Oscillator, el LM566. Si el switch 1 se abre el circuito es entonces un VCO típico cuya frecuencia de salida esta determinado por los valores de C3 y de VR1, y por el voltaje de la señal de audio aplicado a su entrada. Si los valores de C3 y VR1 se alteran, la frecuencia de salida será directamente proporcional a la diferencia de potencial entre los pines 8 y 5, (V8 –V5). En otras palabras, un incremento en la amplitud de la señal de audio en la entrada (V5) provoca un decremento en la magnitud de (V8 –V5) y una frecuencia de salida más baja. De manera inversa, el decremento en la magnitud de la señal de audio (V5) provoca un incremento en la frecuencia de salida. Tal como se discutió arriba, el valor de C3 y de VR1 puede también determinar la frecuencia de salida, la cual es inversamente proporcional al producto (C3) (VR1). Esto es, entre más grande sea el producto de (C3) (VR1) menor será la frecuencia de salida.

Fig.7-5 Circuito modulador en frecuencia con el LM566.

Si el switch SW1 se cierra, el divisor de voltaje formado por R1 y R2 se encarga de alimentar a la entrada de audio (pin 5) con cierto nivel de voltaje. Por medio del ajuste de VR1, podemos fácilmente sintonizar la frecuencia central VCO (fo).



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Cuando una señal de audio es aplicada a la entrada correspondiente se generan desviaciones de frecuencia de salida alrededor de la frecuencia central fo, en el rango de la amplitud de la señal de audio. Por lo tanto la salida será una señal modulada por frecuencia o señal de FM.

EQUIPO REQUERIDO 1.- Modulo KL-93001 1.- Modulo KL-92001 1.- Osciloscopio 1.- Analizador de espectros

Experimento 7-1 Valores característicos del MC1648 1.- Localice el circuito modulador de FM con el MC1648 en el módulo KL-93004. Inserte el conector en J2 para poner el inductor a L1 (100 uH) 2.- Conecte un voltaje de 3 Vdc a la entrada de cd (1/P2) y observe la onda de salida usando el osciloscopio. Ajuste VR1 hasta lograr que una onda senoidal aparezca en la salida y anote la frecuencia en la tabla 7-1 3.- Repita el paso 2 para los voltajes enlistados en la tabla 7-1. 4.- Usando los resultados de tabla 7-1, grafique una curva de frecuencia contra voltaje en la gráfica 7-6.

Experimento 7-2 Modulador en frecuencia con el MC1648

1.- Inserte los conectores en J1 y J2 para poner al varactor 15V55 a un voltaje de polarización inversa de 5V y a una inductancia L1= 100 uH respectivamente. Bajo estas condiciones la frecuencia de salida debe ser la frecuencia central fo. 2.- Conecte una señal senoidal de 1 V de amplitud y 3 Khz a la entrada de audio (1P/1) y observe la forma de la señal de salida usando el osciloscopio. Ajuste VR1 hasta que una señalo senoidal aparezca en la salida. 3.- Usando el analizador de espectros, observe y dibuje el espectro de salida en la tabla 7-2. 4.- Repita el paso 3 para frecuencias de audio de 5 Khz y de 8 Khz. Nota: Debido a que la diferencia de frecuencias entre la señal portadora y la señal moduladora es demasiado grande para poder observar una variación evidente en el dominio del tiempo en el osciloscopio, recomendamos el uso del analizador de frecuencias para este caso.

Experimento 7-3 Medición de las características del LM566



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1.- Localice el circuito modulador basado en un LM566 en él modulo KL-93004. Inserte el conector en J2 para seleccionar el capacitor a C3 (0.1 uf). 2.- Conecte un voltaje de 3.6 Vdc a la entrada de voltaje en cd (pin 5) y ajuste el potenciómetro VR1 para obtener una frecuencia de salida de 2 Khz. Esta será la frecuencia central fo. 3.- Cambie el voltaje del pin 5 por los siguientes valores: 2.7, 3.0, 3.3, 4.2, y 4.5 V, en este orden. Observe las frecuencias de salida correspondientes a cada uno de los voltajes de entrada y anote sus resultados en la tabla 7-3. 4.- Usando los resultados de la tabla 7-3, grafique la curva de frecuencia vs voltaje en la fig. 7-7. 5.- Remueva el conector de J2 e insértelo en J3. Esto cambia el valor del capacitor de C3 (0.1 uf) a C4 (0.01 uf). 6.- Conecte un voltaje de 3.6 Vdc a la entrada de voltaje de cd (pin 5) y ajuste el potenciómetro VR1 para obtener una frecuencia de salida de 20 Khz. Esta será la frecuencia central fo. 7.- Cambie el voltaje de cd en la pata 5 por los siguientes valores :2.7, 3.0, 3.3, 3.9, 4.2 y 4.5 en dicho orden. Observe las frecuencias de salida correspondientes a cada voltaje de entrada y anote sus resultados en la tabla 7-4. 8.- Usando los resultados de la tabla 7-4. Grafique la curva de la frecuencia vs el voltaje usando la fig. 7-8

Experimento 7-4 Modulador en frecuencia con el LM566 1.- Localice el circuito modulador en FM basado en un LM566 en él modulo KL-93004. Inserte un conector en J1 y J5 para poner el valor del capacitor a C4 (0.01 uf). Gire el potenciómetro VR1 para obtener una frecuencia de 20 Khz a la salida. 2.- Conecte una señal senoidal de 250 mV a 1 Khz en la entrada de audio (1/P1). Usando el osciloscopio observe la señal de salida (O/P) y anote sus resultados en la tabla 7-5. 3.- Cambie la frecuencia de la señal senoidal de audio a 3 Khz y a 5 Khz. Observe la señal de salida correspondiente a cada señal de audio de entrada y anote sus resultados en la tabla 7-5. 4.- Cambie la entrada de audio por una señal senoidal de 500 mV a 1 Khz. Observe la forma de la señal de salida y anote sus resultados en la tabla 7-6. 5.- Cambie la frecuencia de la señal senoidal a 3 Khz y a 5 Khz. Observe las señales de salida correspondientes a cada señal de entrada y anote sus resultados en la tabla 7-6.



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Tabla 7-1.

Frecuencia (Mhz)

Fig 7-6

(Vm = 1V.)

Frecuencia de entrada

3KHz

Forma de la señal de entrada.

Espectro de salida

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Título del gráfico

Voltaje de entrada.

(V)

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Frecuencia de salida. (Mhz)

1.972 Mhz

2.107 Mhz

2.217 Mhz

2.278 Mhz

2.257 Mhz

2.273 Mhz

2.439 Mhz

2.503 Mhz

2.548 Mhz

2.571 Mhz

2.611 Mhz

2.632 Mhz



63

3 kHz

5 kHz

8 Khz

Tabla 7-2

(C3 = 0.1 μF, fo = 2 kHz)

Voltaje de Entrada (V)

2.7 3.0 3.3 3.6 3.9 4.2 4.5



64

Frecuencia de Salida

(kHz)

3.40 KHz

2.857 KHz

2.513 kHz

2.092 KHz

1.712 KHz

1.080 KHz

728.9 Hz

Tabla 7-3 Frecuencia (Khz)

Fig. 7-7

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

2.7 3 3.3 3.6 3.9 4.2 4.5

Voltaje de Entrada

(V)

2.7 3.0 3.3 3.6 3.9 4.2 4.5

Frecuencia de Salida

(kHz)

31.11 KHz

27.74 KHz

23.25 KHz

20.02 KHz

15.55 KHz

11.40 KHz

6.35 KHz



65

(C4 =0.01 uf, fo =20 Khz) Tabla 7-4

Frecuencia (Khz)

Fig. 7-8

(Vm=250 mV, C3=0.01 uf, fo=20 Khz)


Forma de la señal de entrada Forma de la señal de salida

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

2.7 3 3.3 3.6 3.9 4.2 4.5




66

1 Khz

3 Khz

5 Khz

Tabla 7-5

(Vm=500 mV, C3=0.01 uf, fo=20 Khz)


Forma de la señal de entrada Forma de la señal de salida



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1 Khz

3 Khz

5 Khz

Tabla7-6

CUESTIONARIO 7-1 Si la inductancia del circuito tanque de la fig. 7-3 es de 80 nH y nosotros deseamos llevarlo a una frecuencia de resonancia de 100 Mhz. ¿Cuál es el valor de la capacitancia a la que el diodo varactor deberá estar?



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___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 7-2 Después de examinar la curva de frecuencia contra voltaje de la fig. 7-6. Determine que porción de la curva es utilizable para implementar un modulador en frecuencia. ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 7-3 Después de revisar el circuito de la fig. 7-5, ¿Cuál es la función de R1 y R2 cuando el SW1 está cerrado? Forma un divisor de voltaje el cual se encarga de alimentar la entrada de audio entonces con R1 podemos sintonizar la frecuencia central

CONCLUSIONES Es un proceso largo en la modulación de la señal de FM, en resumen la señal original se convierte en una cuadrada para ser transmitido; al finalizar esta práctica nos dimos cuenta que tuvimos una pequeño error en las mediciones de las señales moduladas de salida; ya que para observar las formas de salida, según sea la frecuencia de entrada, teníamos que tener un frecuencia de barrido bastante amplia, la cual no realizamos, y es por eso que las imágenes mostradas en el practica son muy parecidas entre sí. En una parte de la práctica, no realizamos las mediciones correspondientes, ya que no teníamos respuesta alguna en el osciloscopio, aun con distintas pruebas hechas para lograr tan solo una señal. Lo mejor fue proseguir con la otra parte de la práctica para no seguirnos atrasando aún más. Aun así, tuvimos una buena práctica ya que si obtuvimos las mediciones correctas, pero con el detalle del barrido del osciloscopio y con algunas mediciones no hechas



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CAPITULO 8 DEMODULADOR FM

OBJETIVOS 1.- Estudiar el principio de la Demodulación por Retroalimentación de Fase en Lazo Cerrado (PLL), por sus siglas en ingles de Phase-Locked Loop. 2.- Conocer y entender las principales características del PLL LM565. 3.- Demodular una señal en FM utilizando un PLL. 4.- Demodular una señal en FM mediante la conversión de FM a AM utilizando un discriminador de frecuencias.

DESARROLLO. El demodulador en frecuencia, también llamado discriminador de frecuencias, es un circuito que convierte variaciones instantáneas de frecuencia en cambios lineales de voltaje. Hay muchos tipos de circuitos utilizados en los sistemas de comunicaciones para llevar a cabo una demodulación en frecuencia, tales como los convertidores de FM a AM, los discriminadores de frecuencia y el Demodulador en Frecuencia por Retroalimentación de Fase en Lazo Cerrado (PLL). OPERACIÓN DEL PLL. El PLL es un sistema de control electrónico por retroalimentación, dicho control se logra al asegurar que tanto la señal de salida como la señal de entrada sean iguales tanto en frecuencia como en fase, tal como se ilustra en el diagrama a bloques de la figura 8-1. En radio comunicaciones, si se transmite una señal a una determinada frecuencia de portadora, en el receptor el PLL se encargará de seguir automáticamente la frecuencia de dicha portadora. Vi Vd Amplificador Señal de Señal de Entrada Ka salida

Vo

Fig. 8-1. Diagrama a bloques de un PLL.

El PLL en el siguiente experimento es usado de dos formas distintas: (1) como demodulador, cuando es usado para seguir la fase o la frecuencia moduladora y (2) para seguir a la señal portadora la cual puede variar su frecuencia en el tiempo. De forma general un circuito PLL incluye las siguientes secciones: 1.- Detector de fase (PD).

Detector de

fase

Kd

Filtro

Pasabajas

VCO

Ko



71

2.- Filtro pasabajas (LPF) 3.- Oscilador controlado por voltaje (VCO) El detector de fase dentro del PLL se encarga de comparar la señal de entrada con la señal de retroalimentación y dar un salida de cero si la frecuencia de ambas señales es idéntica. Si las frecuencias de las señales de entrada al detector de fase no son idénticas, entonces la salida del detector después de ser pasada a través del filtro pasabajas, el cual se encargará de remover las componentes de AC, será un nivel de CD aplicado a la entrada del VCO. Esta acción cierra el lazo de retroalimentación, debido a que el nivel de CD aplicado a la entrada del VCO cambia la frecuencia de salida del mismo en un intento de hacer coincidir exactamente esta frecuencia con la frecuencia de entrada. Si la frecuencia de salida del VCO iguala a la frecuencia de entrada, se dice entonces que el PLL ha logrado asegurar la señal de entrada y el voltaje de control será cero mientras la frecuencia de entrada se mantenga constante. Los parámetros del PLL mostrado en la figura 8-1 son los siguientes: Kd = ganancia del detector de fase en volts / radianes. Ka = ganancia del amplificador en volts / volts. Ko = ganancia del VCO en KHz / volts. Kl = Kd Ka Ko = ganancia en lazo cerrado en KHz / volts. Entrada A Salida Entrada B

Nivel De CD de Salida. (V) Diferencia de Fase de Entrada (Grados) 0 90 180 270 360

(d) Fig. 8-2 Detección de fase.

Entrada A

Entrada B

Salida

(a) (b) (c)

XOR



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Una mejor comprensión del funcionamiento del detector de fase se puede lograr al considerar a una simple compuerta OR-EXCLUSIVA (XOR) usada como un detector de fase. Se puede considerar a la compuerta XOR como un detector de desigualdad el cual compara sus entradas y produce un pulso a su salida cuando dichas entradas no son iguales. El ancho del pulso será proporcional al error de fase de las señales de entrada. Tal como se muestra en la figura 8-2, el ancho del puso de salida (b) es más grande que el de (a) pero más pequeño que el de (c). Después de hacer pasar el pulso de salida del detector de fase a través del filtro pasabajas esta señal se convertirá en un nivel de CD que será directamente proporcional al ancho del pulso. En otras palabras, el nivel de CD de salida es proporcional al error de fase de la señales de entrada y de retroalimentación. La figura 8-2 (d) muestra la relación existente entre el error de fase y el nivel de CD de salida.

Filtro pasabajas

Fig. 8-3 Operación del aseguramiento en frecuencia. Una explicación adicional para la operación del PLL se puede lograr al considerar que el inicialmente el PLL no esta asegurado. Supongamos que alimentamos al VCo con un voltaje de entrada de 2 V. y que la frecuencia de salida correspondiente es de, digamos 1 KHz. Considere las señales mostradas en la figura 8-3. Si la frecuencia del VCo y la señal A con una frecuencia baja de 980 Hz. son aplicadas a las entrada del detector de fase XOR, el delgado pulso resultante provocará un pequeño voltaje de 1 V. a la salida del filtro pasabajas. Este pequeño voltaje provocará que la frecuencia del VCO se decremente hasta un valor cercano al de la frecuencia de entrada. Si la frecuencia del VCO iguala a la frecuencia de entrada se logra el “aseguramiento” del PLL. Por el contrario, una frecuencia más alta, de por ejemplo1.2 KHz en la entrada B provocará una salida más grande, de 3 V a la salida del filtro, la cual incrementará la frecuencia de salida del VCO para acercarla a la nueva frecuencia de entrada.

Características Básicas del PLL LM565. El LM565 es un PLL de propósito general y es ampliamente usado en la demodulación en frecuencia. Los parámetros más importantes en el diseño con el LM565 son los siguientes. 1.-Frecuencia de libre corrimiento o frecuencia central.

0

0

in

in

out

out

CD de salida grande

CD de salida pequeña

1 ms

1 KHz.

1 ms

1.2 KHz.

980 KHz.

SEÑAL A

XOR

SEÑAL A

XOR

SEÑAL A



73

La figura 8-4 muestra un circuito de retroalimentación PLL con el LM565.

Cuando no se tiene señal de entrada en dicho circuito, la frecuencia de salida del VCO es conocida como frecuencia de libre corrimiento o frecuencia central fo. En el circuito de la figura 8-4, la fo del LM565 esta determinada por los componentes de temporización C2 y VR1, y se puede hallar por: Frecuencia de libre corrimiento o frecuencia central: fo = 1 / 3.7*VR1*C2 (8-1) Ganancia de lazo cerrado: KL = Kd*Ka*Ko = 33.6*fo / Vc (8-2) Donde Vc = Voltaje de alimentación total = Vcc-(-Vcc) = 5V-(-5V) = 10V

Fig. 8-4 PLL LM565 2.-Rango de cerradura. Inicialmente el PLL se encuentra en estado cerrado o de aseguramiento con el VCO corriendo a una determinada frecuencia. Recuerde que se dice que el PLL esta cerrado o asegurado cuando el voltaje de salida es igual a cero, o lo que es lo mismo, la frecuencia de entrada y la frecuencia de retroalimentación son iguales. El aseguramiento del VCO se puede lograr aun cuando la frecuencia de la señal de entrada Cfi sea muy lejana a la frecuencia central, sin embargo existe una frecuencia específica a la cual el PLL no puede lograr el aseguramiento de la señal, la diferencia entre las frecuencias f1 y fo es llamada rango de aseguramiento o rango de cerradura en lazo cerrado. El rango de cerradura del LM565 puede ser hallado por:

fL = 8fo / Vc (8-3) 3.-Rango de captura.



74

. Inicialmente el PLL se encuentra en estado abierto y el VCO se encuentra corriendo a una determinada frecuencia. Si la frecuencia de entrada fi es muy cercana a la frecuencia central del VCO, el lazo se puede mantener aun abierto. Cuando la frecuencia de entrada alcanza una frecuencia específica donde el PLL se cierra o se asegura, entonces a la diferencia entre fi y fo se le conoce como rango de captura en lazo cerrado. El rango de captura del LM565 puede ser hallado por: fc = (1/ 2 π) √ (2*π * fL / 3.6*103 *C2) (8-4)

fL fL fc fc fi

fLl fcl fo fch fLh Hz

Fig. 8-5 Ilustración de los rangos de aseguramiento y captura.

Demodulador en frecuencia basado en el PLL LM565. El circuito PLL de la figura 8-4 puede ser utilizado como un demodulador en frecuencia. Cuando la señal de entrada aumente su frecuencia, la señal de salida disminuye en voltaje, e inversamente, si la señal de entrada disminuye en frecuencia, la señal de salida aumentará en voltaje. El circuito VCO del LM565 es equivalente al del LM566. La frecuencia de libre corrimiento o frecuencia central fo del VCO es determinada por los valores de los componentes externos C2 y VR1. La resistencia interna de 3.6 K (pin 7) y el capacitor externo C3 forman un filtro pasabajas. El capacitor C4 conectado entre los pines 7 y 8 es un compensador de frecuencia. Conversión de FM a AM con discriminador de frecuencias. La figura 8-6 muestra los bloques de un discriminador convertidor de FM a AM. La señal de entrada en FM es primero convertida en una señal de AM por el diferenciador, entonces la señal en AM de salida es demodulada por el detector de envolventes para recobrar la señal de audio original.



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Fig. 8-6 Diagrama del convertidor de FM a AM con discriminador.

En la figura 8-6 la señal de entrada XFM(t) es:

(8-5) entonces la salida del diferenciador será:

(8-6) De la ecuación (8-6) arriba, podemos ver que la amplitud de la señal X’FM

(t) cambiará con las variaciones en la amplitud de X(t). Por lo tanto la señal X’FM(t) es una señal modulada en amplitud. Si se hace pasar a esta señal a través del detector de envolvente, la señal de audio será recobrada. El circuito de la figura 8-7 es un discriminador de frecuencias con la técnica de la conversión de FM a AM. Los componentes U1, C1, C2, y R2 operan, todos en conjunto como un diferenciador. El circuito U2 es un amplificador inversor con una ganancia de –R4 / R3 y los componentes D1, R5, R6, C4 y C5 constituyen el detector de picos de AM. El capacitor de acoplamiento C6 es usado para bloquear el nivel de CD.

Fig. 8-7 Circuito discriminador convertidor de FM a AM.



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Fig. 8-8 Respuesta en frecuencia del filtro pasabandas.

Excepto por los demoduladores en frecuencia arriba mencionados los filtros pasabandas LC son popularmente usados en la demodulación de señales FM en los rangos de frecuencias ultraaltas y en microondas. La figura 8-8 muestra la respuesta en frecuencia del filtro pasabandas. La porción lineal de la curva donde la variación de voltaje es proporcional a la variación de la frecuencia es donde se cumple con los requerimientos de un discriminador.

EQUIPO REQUERIDO.

1-Modulo KL-92001 1-Modulo KL93004. 1-Osciloscopio.

Experimento 8-1 Medición de las características del PLL LM565. 1. Localice el circuito del PLL LM565 en el modulo KL-93004. Inserte el

conector en J2 para poner el capacitor a C2 (0.1 uF). 2. Ajuste el potenciómetro VR1 para obtener la máxima frecuencia central

foh y la mínima frecuencia central fol en el pin 4 del LM 564 (O/P). Anote sus resultados en la tabla 8-1.

3. Ajuste VR1 para obtener una frecuencia central del VCO de 2 KHz. 4. Inserte el conector en J1. Conecte una señal senoidal de 0.25 v a 2 KHz

en la entrada (I/P). 5. Observe la entrada del PLL (I/P) y la salida del VCO (pin 4), y lentamente

aumente la frecuencia de entrada hasta que la señal de salida se desasegure o abra, es decir se vuelva diferente de cero. Anote esta frecuencia de entrada como fLh en la tabal 8-1.

6. Regrese la frecuencia de entrada al valor de la frecuencia central del VCO. Lentamente disminuya la frecuencia de entrada hasta que una vez más la señal de salida se desasegure o abra y anote este valor de frecuencia de entrada como fLl en la tabla 8-1.



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7. Usando la ecuación fL = (fLh – fLl) / 2 calcule el rango de cerradura. 8. Incremente la frecuencia de entrada para forzar que la salida del VCO se

desasegure. Lentamente disminuya la frecuencia de entrada hasta que el PLL logre apenas asegurarse. Observe la frecuencia de entrada fch y anote sus resultados en la tabal 8-1.

9. Ahora disminuya la frecuencia de entrada para forzar una vez más al PLL a desasegurarse. Aumente lentamente la frecuencia de entrada hasta que el PLL logre apenas asegurase o cerrarse. Observe la frecuencia de entrada fcl y anote sus resultados en la tabla 8-1.

10. Usando la ecuación fc = (fLh - fcl) /2, calcule el rango de captura. 11. Quite el conector de J2 e insértelo en J3. Esto cambia C2 (0.1uF) a C3

(0.01uF). Repita el paso 2. 12. Gire VR1 para llevar al VCO a una frecuencia central o de libre corrimiento

fo de 20 KHz. Inserte el conector en J1 y conecte una señal cuadrada de 0.25 V y 20 KHz a la entrada (I/P). Repita los pasos 6 al 11.

Experimento 8-2 Mediciones de las características V-F del LM 565.

1. Localice el circuito del PLL LM565 en el modulo KL-93004. Inserte el conector en J2 para poner el capacitor a C2 (0.1uF).

2. Quite el conector de J1. Gire el potenciómetro VR1 para alcanzar una frecuencia central fo de 2KHz a la salida del VCO (pin 4).

3. Reinserte el conector en J1. 4. Conecte una onda cuadrada de 0.25 V a 2 KHz en al entrada (I/P). Mida

y anote el voltaje de salida del LM 565 (O/P) en la tabla 8-2. 5. Cambie las frecuencias de entrada a 0.5 KHz, 1 KHz, 1.5 KHz, 2.5 KHz,

3 KHz y 3.5 KHz secuencial mente y mida los voltajes de salida correspondientes a cada una de las frecuencias de entrada. Anote sus resultados en la tabal 8-2.

6. Grafique la curva del voltaje de salida vs. la frecuencia de entrada en la figura 8-9.

7. Quite el conector de J3 e insértelo en J2 para cambiar C2 (0.1uF) a C5 (0.01uF).

8. Remueva el conector de de J1. Gire VR1 para lograr una frecuencia central o de libre corrimiento de 20 KHz a la salida del VCO.

9. Reinserte el conector en J1. 10. Conecte una onda cuadrada de 0.25 V y 20 KHz en la entrada (O/P).

Mida y anote el voltaje de salida del LM565 (O/P) en la tabla 8-3. 11. Cambie las frecuencias de entrada a 16 KHz, 17.5 KHz, 18.5KHz,

21.5KHz, 22.5KHz, 23.5KHz secuencial mente y mida los voltajes de salida correspondientes a cada una de las frecuencias de entrada. Anote sus resultados en la tabla 8-3.

12. Grafique la curva del voltaje de salida contra la frecuencia de entrada en la figura 8-10.



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Experimento 8-3. El demodulador en frecuencia PLL

1. Localice el circuito del modulador FM con el LM566 en el módulo KL-93004. Inserte los conectores en J1 y J3 para poner el capacitor a C4 (0.01uF).Gire el potenciómetro VR1 para obtener una frecuencia central fo de 20 KHz.

2. Complete el circuito del PLL LM566 insertando un conector en J3 para poner el capacitor a C5 (0.01uF). Gire VR1 para lograr una frecuencia central fo de 20 KHz.

3. Conecte la salida del Modulador en FM LM566 a la entrada del PLL LM565.

4. Conecte una onda senoidal de 120 mv. a 1 KHz a la entrada del modulador en FM LM566. Usando el osciloscopio, observe la onda de salida del PLL LM565 y anote sus resultados en la tabla 8-4.

5. Repita el paso 4 para frecuencias de entrada de 2KHz y de 3 KHz respectivamente.

6. Cambie la amplitud de la señal de entrada a 240 mV. Repita los pasos 4 y 5, y anote sus resultados en la tabla 8-5.

Experimento 8-4. Demodulador en frecuencia por conversión de FM a AM.

1. Localice el modulador en FM MC1648 en el modulo KL-93004. Inserte conectores en J1 y J3 para poner el inductor a L1 (220 uH) y el varactor 1SV55 operando a 5 V.

2. Conecte una onda senoidal de 1 V a 1 KHz. a la entrada (I/P). Gire VR1 para obtener una amplitud de salida de 300 mV.

3. Conecte la salida del Modulador en FM MC1648 a la entrada del circuito convertidor de FM a AM, ubicado en la parte baja del Modulo KL-93004.

4. Usando el osciloscopio, observe y anote las señales de entrada y de salida del demodulador en frecuencia en la tabla 8-6.

5. Repita los pasos 2 al 4 para audio frecuencias de 2 KHz y 3 KHz, respectivamente.



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Tabla 8-1

C2

fo

Rango de la Frecuencia central

Rango de cerradura

Rango de captura

fOh fOl fLh fLl fCh fCl

0.1uF

2 KHz

9.235 KHz

552.7 Hz

75 KHz

862.2 Hz

75 KHz

862.2 Hz

fL = 37.0689 KHz

Fc = 37.0689 KHz

0.01uF

20 KHz

82.9 KHz

6.32 KHz

34.8 KHz

3.56 KHz

34.8KHz

3.56KHz

fL = 15.62 KHz

fc = 15.62 KHz

Tabla 8-2

(Vm=0.25 V, fo=2 KHz, C2=0.1 uF)

Frecuencia de entrada (KHz)

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

Voltaje de

salida (V)

4.68V

4.56V

4.46V

4.67V

4.68V

4.49V

4.53V

Voltaje de salida



80

(V)

Frecuencia en

(KHz)

Fig. 8-9. Tabla 8-3

(Vm=0.25 V, fo=20 KHz, C2=0.01 uF)

Frecuencia de entrada (KHz)

16.5

17.5

18.5

20

21.5

22.5

23.5

Voltaje de

salida (V)

5 4.96 4.86 4.85 4.83 4.70 4.66

Voltaje de salida (V)

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5




81

(KHz)

Fig. 8-10. Tabla 8-4

Audiofrecuenc

ia

Señal de entrada Señal de salida

1 KHz

3KHz

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

16.5 17.5 18.5 20 21.5 22.5 23.5




82

5KHz

(Vm=150 mV, fo=20 KHz)

Tabla 8-5

(Vm=250 mV,fo=20 KHz)

Audiofrecuenci

a


1 KHz

3KHz

5KHz

Tabla 8-6

(Vm=250 mV)

Audiofrecuenc

ia




83

1 KHz

2KHz

3KHz

CUESTIONARIO

8-1 Examinando los resultados del experimento 8-1, ¿Podría usted decir a que frecuencia debe estar el VCO cuando las frecuencias de entrada del LM55 están fuera del rango de cerradura? _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

8-2 Comparando el rango de cerradura con el rango de captura ¿Cuál es el más ancho? _______________________________________________________________

8-3 Establezca la función del capacitor C3 en la figura 8-4. Si se reemplaza el capacitor C3 (0.1uF) por uno de 0.01uF, ¿Cuál será el cambio de la señal de salida (pin 7) del LM565. ______________________________________________________________________________________________________________________________

8-4 Si un filtro pasabajas se conecta externamente a la salida del demodulador en frecuencia LM565, ¿La señal demodulada se volverá más pequeña? Trate de diseñar este filtro.



84

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

8-5 Diseñe un doblador de frecuencias con el PLL y con circuitos lógicos. ______________________________________________________________________________________________________________________________

CONCLUSIONES. En esta práctica nos dimos cuenta como se demodula la frecuencia aunque es un proceso un poco laborioso ya que en algunos casos los potenciómetros no respondía de la manera en que necesitábamos o requeríamos. La práctica puede realizar de 2 maneras una es el Discriminador Reactivo y el otro detector con PLL. El primero lasa la señal por una reactancia que la convierte en una AM la cual es la que se demodula recuperando la señal que se transmitió La segunda consta de un seguidor de frecuencia (con detector de fase), un filtro y un VCO, el detector compara la señal de entrada y la retroalimentación si son iguales da un cero a la salida si no cambia el voltaje aplicado al VCO para cambiar su frecuencia



85

CAPITULO 9

CONVERTIDORES ANALOGICO/DIGITAL

OBJETIVOS:

1. Comprender la operación de un convertidor analógico a digital. 2. Conocer las características del ADC0804 y del ADC0809. 3. Conocer y entender las aplicaciones del ADC0804 y del ADC0809.

MARCO TEORICO. Los Convertidores Analógico a Digital (ADC`s o convertidores A/D) por

sus siglas en ingles de Analigic Digital Converter, transforman señales analógicas, que por lo general son voltajes continuos, en palabras digitales usados en computación, transmisión de datos, en el procesamiento y almacenamiento de información y en sistemas de control. Esta conversión se realiza debido a que las señales digitales son mucho más fáciles de almacenar y de recuperar (usando una gran variedad de técnicas de decodificación), y por ser prácticamente inmunes al ruido eléctrico. La operación del convertidor analógico a digital

La Fig. 9.1 muestra las características de transferencia de un ADC ideal de 3 bits. El rango analógico de entrada de 0 a 1V, es cuantificado al dividir esta cantidad en 8 rangos discretos. Todos los valores analógicos dentro de cada rango dado están representados por el mismo código digital, el cual corresponde al valor medio nominal. Por lo tanto siempre habrá una duda inherente de cuantizacion, también llamado error de cuantizacion de ± ½ del bit menos significativo (LSB) por sus siglas en ingles, en el proceso de conversión de analógico a digital. La única manera de reducir este error de cuantizacion es incrementando el numero de bits.

El valor de cuantizacion o quantum Q, es la diferencia de señal analógica más pequeña que puede ser resuelta o distinguida por el ADC, y puede ser expresada mediante: Q = FS / (2n – 1) = 1/2n (9-1)



86

Donde FS es el rango a escala completa el cual es igual a [(2n – 1)/2n], y 2n es la resolución determinada por los n bits de la salida digital.

Fig. 9.1 Características de transferencia de un ADC ideal de 3 bits

Por lo tanto mientras mayor sea el valor de n, mayor será la resolución. En general los fabricantes de ADC`s indican la resolución en unidades de bits, por ejemplo, la resolución del ADC0804 es expresada como de 8 bits en los manuales de especificaciones.

Existe un gran número de circuitos diseñados para funcionar como convertidores A/D tales como los de rampa digital, los de aproximaciones sucesivas, los de tipo “flash” y “tracking”. Sin embargo el de aproximaciones sucesivas será el tipo de convertidor que usaremos en nuestro experimento, por lo tanto a continuación se detalla la operación del ADC por aproximaciones sucesivas.

La Fig. 9.2 muestra el diagrama a bloques de un ADC por aproximaciones sucesivas. La operación normal se describe a continuación. El circuito denominado de Muestreo y Retención (S/H o S&H) por sus siglas en ingles de Sample and Hold, es usado para retener el valor del voltaje analógico de entrada Vi que se presenta en un determinado periodo de tiempo antes de que la conversión empiece y para mantenerlo constante para evitar cualquier cambio durante el periodo de conversión. El control lógico pone el bit mas significativo (MSB) D7 del registro a “1”, con todos los demás bits a “0”. El convertidor digital-analógico (DAC o D/A) se encarga de convertir el código binario en una salida analógica V(D), la cual puede ser evaluada por: V(D) = (2n-1)(Q) = (2n-1)(Vref/2) = ½ Vref (9-2)

La salida V(D) del ADC es solamente la mitad del voltaje de referencia Vref. A continuación se comparara la salida V(D) contra la entrada analógica Vi. Si Vi > V(D), el “1” se mantiene en D7. Si Vi < V(D), el “1” es removido de D7, y



87

es puesto en el siguiente bit mas significativo D6. Por lo tanto un “1” es probado en cada bit de las salidas del registro hasta el final del proceso con lo cual el equivalente binario de Vi es obtenido.

Fig. 9.2 Diagrama a bloques de un ADC por aproximaciones sucesivas

Convertidor Analógico a Digital ADC0804

El ADC es un CI de empaquetado plástico con 20 patitas en doble línea, de 8 bits que opera bajo el principio de aproximaciones sucesivas. Sus principales características incluyen una sola fuente de poder de 5V, rango de entrada analógica de 0 a 5V. 15mV de potencia disipada y un tiempo de conversión de 100μs.

Dado que la resolución del ADC0804 es de 8 bits, la entrada analógica se divide en 28 o 256 rangos discretos. Con 5V de voltaje de referencia, cada rango representa 5/256 = 0.1953 V. Por lo tanto el código de la salida digital 00000000 (00H) corresponde a un voltaje analógico en la entrada de 0.00V, y 11111111(FFH) representa 4.9805V. Entonces el error de desajustamieto, el cual contiene a los errores de escala completa, de offset y de no linealidad, es ± 1 LSB o 0.01953V.

Fig. 9.3 Configuración del ADC0804

El diagrama de ADC0804 se muestra en la figura 9.3 para poder leer datos del puerto de salida D0 – D7, la combinación de CS y RD en cero habilitan las compuertas de 3 estados para permitir la salida digital de 8 bits. Con cualquiera



88

de las dos CS o RD en uno lógico provocara que las salidas D0 a D7 se vuelvan flotantes. El convertido ADC0804 se inicializa poniendo CS y WR ambos a cero. Esto resetea el registro de 8 bits. Cuando WR se pone a uno, el convertidor inicia el proceso de conversión. La entrada CLK IN (pin 4) es la entrada para el pulso de reloj cuya frecuencia puede ser desde 100 hasta 800KHz. El pin INTR se mantiene en alto durante todo el proceso de conversión y pasara a cero cuando la conversión este completa. La entrada analógica diferencial es aplicada a los pines Vin(-) y Vin(+). Si se desea manejar solo una entrada, el pin Vin(-) deberá ser conectado a tierra. AGND corresponde a tierra para la señal analógica y DGND es la tierra para la señal digital. Note que el voltaje de referencia es cualquiera de dos, la mitad del voltaje aplicada a Vcc o igual al voltaje que es forzado externamente en el pin Vref/2.

Fig. 9.4 Generador de reloj interno del ADC0804

El reloj para el ADC0804 puede ser obtenido de una fuente externa conectada a CLKIN (pin 4) o mediante una red RC externa. Tal como se muestra en la Fig. 9.4, una red RC externa se conecta a los pines CLKR (pin 19) y al CLKIN (pin 4) para tener la señal de reloj para el ADC. La frecuencia de reloj puede encontrarse mediante FCLK = 1/(1.1RC) Hz (9-3) La Fig. 9.5 muestra un convertidor analógico-digital con el ADC0804. La señal analógica de entrada se conecta al pin Vin(+) y la amplitud es controlada por el potenciómetro VR2. La otra entrada Vin(-) se conecta a tierra. El voltaje de referencia para el pin 9 (Vref/2) es provisto por el divisor de tensión conformado por R1, R2 y el potenciómetro VR1. La combinación de C1 y R3 determinan la frecuencia de reloj CS (pin 1) y RD (pin 2) se conectan directamente a tierra para habilitar el ADC. Por conveniencia, WR (pin 3) y INTR (pin 5) se conectan al switch SN, para simular la señal de control en nuestro experimento.



89

Fig. 9.5 Diagrama del circuito convertidor A/D con el ADC0804

Convertidor Analógico a digital ADC0809 El CI ADC0809 con empaquetado plástico de 28 patitas dispuestas en doble línea es un ADC de 8 bits que opera bajo el principio de aproximaciones sucesivas, cuenta además con un multiplexor de 8 canales. Este circuito opera en condiciones de una sola fuente de alimentación de 5V, 0 a 5V de rango de entrada analógica y 15 mW para disipación de potencia. El ADC0809 incluye 8 entradas analógicas debido al multiplexor de 8 canales. Dado que la resolución del ADC0809 es de 8 bits, al igual que el ADC0804 los rangos para las salidas digitales, así como el error de desajuste son exactamente los mismos que para el ADC0804 descrito anteriormente.

Un reloj de 10KHz a 1280KHz, es necesario para controlar la operación del ADC0809. El tiempo de conversión típico con una frecuencia de reloj de 640KHz es de 100μs.

La Fig. 9.6 muestra el diagrama de conexiones del ADC0809. Los pines 5,4,3,2,1,28,27 y 26 son para las entradas analógicas IN7 a IN0 ; y los pines 21,20,19,18,8,15,14,17 son la salida digital D7 a D0 respectivamente. El pin 10 es para la entrada de reloj. En la practica y por conveniencia la entrada de alimentación Vcc (pin 11) y el voltaje de referencia Vref (+) (pin 2) pueden conectarse juntos. Note que este arreglo reduce el flujo de corriente para el ADC si la fuente de poder tiene una mala estabilidad. Al controlar el estado de las entradas de direccionamiento del decodificador ADDA (pin 25), ADDB (pin 24) y ADDC (pin 23) podemos seleccionar cualquier canal para una entrada en particular. Por ejemplo, el estado 000 para las entradas ADDA, ADDB y ADDC seleccionan la entrada analógica correspondiente al canal IN0.



90

Fig. 9.6 Configuración del ADC0809

El ADC0809 ha sido diseñado para interactuar directamente con un μP o con un sistema mínimo. La capacidad de contar con salidas de 3 estados del ADC0809 elimina la necesidad de elementos periféricos. Las líneas de control START, FOC (fin de conversión), OE (habilitador de salidas) y ALE (latch habilitador de direcciones) son generalmente conectadas a las líneas de un bus de control estándar del CPU, a través de estas líneas de control, el ADC0809 puede fácilmente comunicarse con el CPU para la transferencia de datos entre ambos. Tan pronto como el ADC0809 ha completado la conversión, la señal EOC es habilitada para interrumpir al CPU. Cuando el CPU esta listo para recibir datos de las salidas digitales, este manda a habilitar la señal OE y empieza a leer los datos digitales provenientes de dichas salidas, al terminar la lectura manda a habilitar las entradas ALE y START para preparar al ADC0809 para la siguiente conversión. Por supuesto, si se emplean múltiples canales, la dirección de las entradas del encoder deberá ser seleccionada durante el ciclo de restablecimiento.



91

Fig. 9.7 Circuito para un convertidor A/D utilizando el ADC0809

Un practico circuito convertidor Analógico/Digital con el ADC0809 es el mostrado en la figura 9.7 El pin EOC se conecta directamente al pin START. Esto provoca que la señal de salida FOC se utilice para inicializar al ADC0809. Los pulsos de reloj son aplicados a los pines ALE y CLK para controlar la operación del ADC. La magnitud del voltaje analógico en las entradas IN0 se controla por medio del ajuste del potenciómetro VR1, mientras que la magnitud de la señal para las entradas restantes (IN1 a IN7) esta determinada por el divisor de voltaje conformado por R1 a R7. El canal correspondiente a cada señal de entrada analógica es seleccionado por medio del estado de SW1, SW2 y SW3. Los LEDS indican el estado de las salidas digitales.

EQUIPO REQUERIDO.

1 Modulo KL – 92001

1 Modulo KL – 93005

1 DMM Experimento 9-1 Convertidor A/D con el ADC0804

1. Localice el convertidor analógico a digital ADC0804 con el modulo KL – 93005 conecte el modulo.

2. Usando el multímetro, mida el voltaje en la entrada Vref/2 (pin 9) y lentamente ajuste VR1 hasta que el voltaje medido sea de 2.5V. Con esto ponemos el rango de la entrada de voltaje analógico del ADC0804 de 0V a 5V

3. Mida la entrada analógica (pin 6) y lentamente ajuste VR2 hasta lograr una medición de 0V.



92

4. Inserte el conector en J1. Con esto mantendremos la salida digital. Observe el estado de los LEDS y anote los resultados en la tabla 9-1.

5. Remueva el conector de J1. La salida digital empieza a variar con los cambios de la entrada analógica.

6. Cuidadosamente ajuste VR2 para lograr los otros voltajes analógicos de entrada enlistados en la tabla 9-1, y repita los pasos 4 y 5. Complete la tabla 9-1.

Experimento 9-2 Convertidor A/D con el ADC0809

1. Localice el circuito del convertidor Analógico a Digital con el ADC0809 en el modulo KL – 93005. Conecte el modulo.

2. Conecte una señal cuadrada de 1V de amplitud y 120KHz de frecuencia con 1V de compensación (Alto = 2V, Bajo = 0V) a la entrada de reloj (CLK).

3. Ponga los interruptores SW3, SW2 y SW1 en la posición GND. La señal analógica pasara al puerto de entrada IN0.

4. Cuidadosamente ajuste VR1 para lograr cada uno de los voltajes analógicos enlistados en la tabla 9-2.

5. Observe el estado de los LEDS para cada señal analógica de entrada y anote sus resultados en la tabla 9-2.

6. Calcule los voltajes de entrada en los puertos de entrada IN1 al IN7 y anote sus resultados en la tabla 9-2.

7. Ponga los interruptores SW3, SW2 y SW1 en las posiciones indicadas en la tabla 9-3 para asignar a un puerto de entrada (IN1 a IN7) como la señal analógica de entrada.

8. Observe el estado de los LEDS y anote sus resultados en la tabla 9-3. TABLA 9-1

Voltaje Analógico de entrada

(V)

SALIDA DIGITAL

Valor calculado Valor medido

Binario Hexadecimal Binario Hexadecimal

0.0 00000000 0000 00000000 0000

0.5 00011010 001A 00011011 001B

1.0 00110100 0034 00111000 0038

1.5 01001101 004D 01001111 004F

2.0 01100111 0067 01101011 006B

2.5 10000000 0080 10000010 0082

3.0 10011010 009A 10011101 009D

3.5 10110100 00B4 10111000 00B8

4.0 11001101 00CD 11010000 00D0

4.5 11100111 00E7 11101010 00EA

5.0 11111111 00FF 11111111 00FF



93

TABLA 9-2

Voltaje Analógico de entrada

(V)

SALIDA DIGITAL

Valor calculado Valor medido

Binario Hexadecimal Binario Hexadecimal

0.0 00000000 0

0.5 00011010 1ª

1.0 00110100 34

1.5 01001110 4E

2.0 01101000 68

2.5 10000001 81

3.0 10011011 9B

3.5 10110101 B5

4.0 11001111 CF

4.5 11101000 E8

5.0 111111110 FF

TABLA 9-3

SW3

SW2

SW1

Entrada analógica (valor calculado)

Salida Digital (Valor medido)

Puertos entrada

Voltaje Binario Hexadecimal

GND GND +5V IN1 4.89 11001100 = 204 CC

GND +5V GND IN2 4.88 10110111 = 183 B7

GND +5V +5V IN3 4.9 10010010 = 146 92

+5V GND GND IN4 4.88 01101110 = 110 6E

+5V GND +5V IN5 4.9 01001001 = 73 49

+5V +5V GND IN6 4.9 00100100 = 36 24

+5V +5V +5V IN7 4.92 00000000 = 0 0

CUESTIONARIO. 9-1 Comente la función de R3 y C1 en el circuito Analógico/Digital con el ADC0804 de la figura 9-5. Es un circuito de reloj, determina la frecuencia de muestreo de la señal analógica entrante y así poder tomar un valor discreto a la salida binaria. 9-2 Comente las funciones de los interruptores SW1, SW2 y SW3 en el circuito Analógico/Digital con el ADC0804 de la figura 9-7. Según la combinación binaria que presionemos en los interruptores, seleccionamos un valor especifico, a la salida binaria del ADC 9-3 Mencione en que consiste el error de desajuste del ADC0804.



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Es el error que contiene a los errores de la escala completa, de offset y de no linealidad es de ± 1 LSB o 0.01953V. 9-4 Mencione en que consiste el error de desajuste del ADC0809. De la misma manera que con el ADC0804, el error de desajuste en el ADC0809 consiste en el número de bits que puede variar el valor en binario de la salida, el valor del error de es ± 1 bit lo equivalente a 0.01953V. Este error de la misma manera que en el caso del ADC0804 contemplan los errores de offset y por la no linealidad del ADC.

CONCLUSIONES. Los convertidores son una gran ayuda en el registro de señales analógicas, dichos registros al tomar un valor discreto pueden ser procesados por componentes digitales y asi tener un proceso sobre ellos. En este caso nuestro convertidor fue de 8 bits; el cual puede tomar 255 valores discretos distintos, de la señal analógica. Claro que para esto necesita tener un valor en voltaje de referencia para poder obtener los valores discretos. No tuvimos mayor inconveniente, ni problemas en la realización de la práctica.



95

CAPITULO 10 CONVERTIDORES ANALOGICO/DIGITAL

OBJETIVOS 1. comprender la operación de un convertidor digital-analógico. 2. Comprender la operación del DAC0800. 3. Aprender a generar salidas unipolares y bipolares usando el DACO800.

MARCO TEÒRICO

El Convertidor Digital-Analógico (DAC o convertidor de D/A) por sus siglas en ingles es usado en la transmisión de señales digitales de datos transmitidos, almacenados en el dispositivo multimedia o de resultados de computación para ser devueltos en su forma analógica para el control de algún sistema o para nuevos procesos analógicos.

Operación del DAC

En pocas palabras los DAC son dispositivos por medio de los cuales los sistemas digitales se comunican con el mundo exterior. Un DAC convierte entradas de estados digitales a corrientes o voltajes analógicas de salida. El símbolo esquemático de un DAC de cuatro bits se muestra en la figura Fig. 10-1(a).



96

Las entradas digitales, D3, D2, D1 y D0 son usualmente controladas por el registro de salida de un sistema digital. En la Fig. 10-1 (b) muestra la tabla de verdad de un DAC de 4-bits. Cada palabra digital en la entrada produce un solo valor analógico discreto en la salida. Para la salida se producen 16 valores diferentes de voltaje incluyendo el cero y cada uno de ellos tiene una correspondencia uno a uno con cada entrada.

Fig. 10-2 Diagrama de bloques de un DAC

La figura 10-2 muestra el diagrama a bloques de un DAC. El DAC incluye una fuente de voltaje de referencia de alta precisión, interruptores controlados digitalmente, una red de resistencias y un amplificador operacional. Cada resistencia de la red esta conectada a un interruptor digitalmente controlado, el cual conecta a dicha resistencia al voltaje de referencia Vrf. El otro extremo de cada resistencia se conecta al punto del amplificador operacional. El estado de las entradas digitales determinan el estado de los interruptores y entonces el OPAMP se encarga de convertir la corriente de salida Iout del DAC en un voltaje de salida Vout.



97

La red de resistencia es el principal componente del circuito del DAC.

Existen dos tipos populares: de resistencias ponderadas y de escalera R-2R. La red de resistencias ponderadas basa su funcionamiento del hecho de que cada valor de resistencia sumada es inversamente proporcional al peso del bit activado en la serie de interruptores.

El método de resistencias ponderadas tiene la ventaja de la simplicidad y

de su alta velocidad de respuesta. La dificultad surge al querer implementar convertidores de alta resolución ya que al incrementar el número de bits se incremente el valor requerido de las resistencias y usar resistencias de un gran valor trae consigo problemas con la temperatura, la estabilidad y con la velocidad de conmutación. Si las resistencias tuvieran que ser manufacturadas en forma de circuito integrado, la construcción de un DAC de alta resolución resultaría totalmente impractico. La ventaja del método de escalera R-2R es que solamente se requieren dos valores de resistencias (R y 2R) consiguiendo con esto dispositivos mucho más pequeños y mucho más fácil de construir y de manejar.

La Fig. 10-3 muestra un DAC tipo escalera R-2R de 4 bits. La red de resistencias consiste en una serie de resistencias de valor R conectadas con otras resistencias de control de valor 2R, observe que la configuración de escalera R-2R revela que en cualquiera de los puntos A, B,C,D la resistencia mirando hacia la derecha es de 2R; por lo tanto la entrada de referencia a la escalera tiene una resistencia R. De acuerdo a esta propiedad, la corriente de salida pude ser hallada de la siguiente manera.



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D3, D2, D1 y D0 pueden tener un valor lógico de "1" o "O" y depende de la posición de los interruptores. Peso de la entrada

Para un DAC cada bit de entrada digital tiene su propio peso el cual es le valor de la salida analógica cuando dicho bit esta en uno. Considere al DAC de 4 bits de la figura 10-1(a). Si D0=1 y D1=D2=D3=0 el valor de la salida analógica será de un volt, este es el peso de D0. De la misma forma, los pesos de D1, D2 y D3 son 2V, 4V y 8V, respectivamente. Para obtener la salida analógica resultante se suman los valores individuales de forma ascendente. Por ejemplo la salida analógica resultante para una entrada digital de 0111, será la suma de los voltajes 4V+2V+1V=7V. Resolución y valor de escalón

La resolución del DAC se define como la más pequeña diferencia de la salida analógica cuando la entrada digital cambia una unidad. Esta es usualmente el peso del bit menos significativo LSB. Refiriéndonos una vez más a la figura 10-b, el voltaje de salida Vout se incrementa en un volt por cada conteo unitario de la entrada digital por lo tanto la resolución de dicho DAC es de 1V.



99

La resolución también se llama algunas veces valor del escalón o peso de escalón. Considere la rampa tipo escalera para un DAC mostrado en Fig. 10-4. El voltaje de salida aumente en 1 V por cada conteo unitario en la entrada digital. La diferencia en la salida entre escalones, llamada peso de escalón o valor de escalón, es exactamente de 1V.

Convertidor analógico DAC 0800

El DAC 0800 es un DAC de 8-bits barato que incluye una fuente de Vref, una red de resistencias R2R e interruptores transistorizados. La figura 10-5 muestra la configuración de pines del DAC 0800 monolítico.



100

Fig.10-5 Configuración de pines para DAC 0800

Los requerimientos de alimentación del DAC 0800 son de ±4.5V a ±18V. La disipación de potencia es de 33mW con una alimentación de ±5V. y cuenta con un tiempo de asentamiento de aproximadamente 85ns. Con las corrientes complementarias en la salida Iout (pin 4) e Iout (pin 2), el DAC 0800 puede se usado en configuración de salida unipolar o bipolar.

La Fig. 10-6 muestra al DAC 0800 con salida unipolar utilizando un uA741. El pin Vref(-) se aterriza a través de la resistencia R2. La fuente positiva de +5V se aplica al Vref (+) por medio del resistor en serie R1. Por lo tanto la corriente de referencia fluyendo a través de R1 se puede encontrar mediante:

(10-1)



101

Fig.10-6 DAC0800 con voltaje de salida unipolar

Esta Iout, es la que fluye a la salida del convertidor, y será entonces convertida en el voltaje de salida por el uA741. El voltaje de salida Vout puede ser dado por:

El DAC 0800 con voltaje de salida bipolar se muestra en la figura Fig. 10-7. el pin Iout se conecta a la entrada no inversora del uA741 en lugar de conectarse a tierra como en la figura 10-6 con esto se logra que el uA741 se encuentre en configuración de diferenciador básico, con lo cual el Vout se encuentra por:

donde Iout e Iout son corrientes de salida complementarios. Por definición, la corriente a plena escala puede ser expresada como IFS=Iout+Iout y por consiguiente

(10-3)

(10-4)

(10-5)



102

Fig.10-7 DAC0800 con salida de voltaje bipolar Sustituyendo la ecuación. (10-5) en la ecuación (10-4) obtenemos

EQUIPO REQUERIDO 1 -Módulo KL-92001 1 -Módulo KL-93005 1-VOM Experimento 10-1 DAC0800 CON SALIDA DE VOLTAJE UNIPOLAR 1.- Localice el circuito del DAC0800 con salida de voltaje unipolar en el módulo KL-93005. Inserte el conector en J1para conectar la salida Iout del DAC0800 pin a la entrada del uA741 (pin 2). 2.- Calcule y anote el valor escalón en la tabla 10-1. 3.- Ponga los interruptores del D0 al D7 a los posiciones 0000 0000. (“0" = GND; " 1" = +5 V) 4.- Usando las ecs. (10-2) y (10-3), calcule y anote la corriente de salida Iout y el Vout en la tabla 10-1. 5.- Remueva el conector J1. mida la corriente de salida conectando el VOM en medio del DAC0800 y del uA741 anote sus resultados en la tabla 10- 6.- Remueva el VOM y reinserte el conector en J1. mida el voltaje de salida en la salida del uA741 (O/P) usando el voltímetro y anote sus resultados la tabla 10-1.

(10-6)



103

7.- Siguiendo los códigos del digitales listados en la tabla 10-1, cambie los interruptores D7 al D0 y repetir pasos 5 y 6 secuencial mente. Tome nota de los resultados en la tabla 10-1. Experimento 10-2 DAC0800 con salida de voltaje bipolar. 1.- Localice el circuito del DAC0800 con salida de voltaje bipolar en el módulo KL-93005. Inserte los conectores en J1 y J2. 2.- Calcule y anota el valor del escalón en la tabla 10-2. 3.- Ponga los interruptores D0 al D7 en las posiciones 0000 0000. (”0” = GND; “1”. = +5 V) 4.-Usando las ecus. (10-2) y (10-6). Calcule y anote los valores de Vout en la tabla 10-2. 5.- Usando el VOM, mida el voltaje de salida Vout y anote sus resultados en la tabla 10-2. 6.- Remueva el conector J1. Mida la corriente de salida Iout conectando el amperímetro en J1 y anote sus resultados en la tabla10-2. 7.- Remueva el conector J2 e insértelo en J1. Mida la corriente de salida Iout conectando el amperímetro en J2 y anote sus resultados en la tabla 10-2. 8.- Calcule el valor de Iout+Iout y anote su resultado en la tabla 10-2. 9. Siguiendo los códigos digitales listados en la tabla 10-2, cambie los interruptores del D7 al D0 y repita los pasos del 5 al 8 secuencial mente. Anote los resultados en la tabla 10-2.

Entrada digital salida analógica

V out I out

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Calculado Medido Calculado

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 1 19.53125 mV 174.3mV 3.7 uA

0 0 0 0 0 0 1 0 39.0625 mV 157.4mV 7.3 uA

0 0 0 0 0 1 0 0 78.125 mV 123.1mV 14.6 uA

0 0 0 0 1 0 0 0 156.25 mV 53.9 mV 29.3 uA

0 0 0 1 0 0 0 0 312.5 mV 83.7 mV 58.5 uA

0 0 1 0 0 0 0 0 625 mV 357 mV 116.8 uA

0 1 0 0 0 0 0 0 1.25 V 906 mV 234 uA

1 0 0 0 0 0 0 0 2.5 V 2 V 468 uA

1 1 1 1 1 1 1 1 4.98 V 4.18 V 934 uA

Voltaje en V Corriente en mA



104

Entrada digital salida analógica

calculado Valor medido

D7 D6 D5 D4 D3 D2D1D0 Vout Vout Iout Iout Iout+Iout

0 0 0 0 0 0 0 0 -5.0384 5.03 1µA 1073µA 1074µA

0 0 0 0 0 0 0 1 -5.0008 4.99 5µA 1069µA 1074 µA

0 0 0 0 0 0 1 0 -4.9585 4.96 9µA 1064µA 1073 µA

0 0 0 0 0 1 0 0 -4.8833 4.88 17µA 1056µA 1073 µA

0 0 0 0 1 0 0 0 -4.7235 4.72 34µA 1039µA 1073 µA

0 0 0 1 0 0 0 0 -4.4086 4.40 67µA 1005µA 1072 µA

0 0 1 0 0 0 0 0 -3.7788 3.78 134µA 938µA 1072 µA

0 1 0 0 0 0 0 0 -2.5004 2.50 270µA 802µA 1072 µA

1 0 0 0 0 0 0 0 0.0188 -0.01 538µA 534µA 1072 µA

1 1 1 1 1 1 1 1 5.0337 5.01 1072µA 1µA 1073 µA

Voltaje en V Corriente en mA

CUESTIONARIO. 10-1 En la Fig. 10-6, si las entradas digitales son 01101010, calcule el voltaje

de salida por el peso del bit. 2.007 V Desde el punto de vista del tamaño de escalón o del rango de salida, compare la salida unipolar con la salida bipolar. _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

10-2 De acuerdo a los resultados de la tabla 10-2 comente la relación

existente entre Iout y Iout _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

CONCLUSIONES. En este caso fue el proceso inverso de conversión en comparación con la anterior práctica, teniendo las valores digitales, se convierten en señales analógicas, cuyos valores dependen de la combinación binaria de entrada. El proceso de conversión, es más complicado; que en el caso del digital- analógico; fue una práctica sencilla y rápida de realizar, sin contar tiempos ni problemas.



105

CAPITULO 11

MODULADOR PWM

OBJETIVOS 1.-Implementar un modulador PWM con el µA471. 2.-Comprender las características y estudiar los circuitos básicos del LM555. 3.-Implementar un modulador por ancho de pulso con un LM555. 4.-Analizar y realizar mediciones a un circuito modulador por ancho de pulsos.

INTRODUCCIÓN.

La modulación por ancho de pulso (PWM) es una técnica de modulación que convierte una señal analógica en una señal digital para su transmisión. El PWM convierte una señal de audio (señal con amplitud variante) a una secuencia de pulsos teniendo una frecuencia y amplitud constantes. Pero el ancho de cada pulso es proporcional a la amplitud de la señal de audio. La relación entre las señales de audio y PWM se muestran en la Fig. 11.1

Fig. 11.1

Un generador de onda cuadrada o un multivibrador monoestable pueden ser

utilizados para generar la señal PWM .La Fig. 11.2 muestra un generador de onda cuadrada, el ancho de los pulsos de salida de dicho generador esta determinado por los valores de R2, C2 y Vin(+). El amplificador operacional µA471 actúa como un comparador de voltaje. El voltaje de referencia en la entrada Vin(+) (pin 3) esta determinado por los valores de R1 y de VR1. La combinación de R2 y C2 proporcionan el camino para la carga y la descarga. Cuando no se aplica ninguna señal de audio, el voltaje de referencia de cd puede ser cambiado mediante el ajuste de VR1. Si el nivel de cd se fija a un nivel determinado y una



106

señal es aplicada en la entrada de audio, esta se suma al valor de cd previamente fijado y el voltaje de referencia cambiará proporcionalmente a los cambios en la amplitud de la señal de audio. La señal PWM resultante se presentará en la salida del comparador.

Fig. 11.2 Modulador de ancho de pulso basado en el μA741

Modulador por ancho de pulso utilizando el LM555.

El diagrama de conexiones y el circuito equivalente del temporizador

LM555 están ilustrados en las figuras 11.3 y 11.4 respectivamente. El circuito equivalente comprende 5 secciones principales:(1) el comparador bajo o comparador “trigger”; (2) el comprador alto o comparador critico; (3) el fip-flop; (4) el transistor de descarga; y (5) el “driver” de salida.

Fig. 11.3 Configuración de pines.

Cuando no hay señal aplicada a la terminal de control de voltaje (pin 5), los voltajes de referencia de los comparadores alto y bajo son 2/3 de Vcc y 1/3 de Vcc respectivamente. El pin de control de voltaje deberá ser aterrizado mediante un capacitor de paso de 0.001 µF.

La Fig. 11.4 muestra un multivibrador astable usando el temporizado LM555. La salida es una onda cuadrada cuya frecuencia esta determinada por los valores de R1, R2 y C1. De acuerdo con la fórmula de la constante de tiempo,



107

el tiempo de carga t1 es de 0.693 * (R1+R2) * C1, el tiempo de descarga t2 es de 0.693 * R2 * C1 y el periodo T = t 1 + t2 = 0.693 * (R1 + 2 * R2) * C1. Las formas de ondas correspondientes a los principales puntos de prueba están ilustrados en la Fig, 11.5.

Fig. 11.4 Multivibrador Astable LM555.

Fig. 11.5 Formas de onda del multivibrador Astable LM555.

t Vcc

Vcc

Vcc

Vc

1/3

2/3

t 0

1

R

t 0

1

R

t 0

1

Q

t 0

1

Vout



108

Fig.11.6 Multivibrador monoestable LM555.

El circuito de la Fig. 11.6 es un multivibrador monoestable implementado con un temporizador LM555. Cuando el nivel de disparo cambia de su valor más alto (+12 V) a su valor más bajo (0V), un pulso se presenta en la terminal de salida y el ancho T de dicho pulso es determinado por el producto R1 * C1 y será aproximadamente igual a 1.1( R1*C1). Por ejemplo, suponga R1 = 10 KΩ y C1 = 0.01 µF entonces T será aproximadamente igual a 110 µs. Si la entrada de disparo (pin 2) es activada por una señal de reloj con una frecuencia menor a 9.1 KHz. (la salida del circuito se muestra en la Fig. 11.5), la salida será un pulso positivo. Al conectar una señal de audio al pin del control de voltaje la señal PWM debe presentarse en la salida.

La Fig. 11.7 muestra un modulador PWM utilizando dos temporizadores LM555. En este circuito U1 y U2 representan a los multivibradores astable y monoestable, respectivamente, Al combinar estas dos secciones, el modulador por ancho de pulso estará completo. La señal de reloj de disparo del multivibrador monoestable (U2) proviene de la salida (pin 3) del multivibrador astable (U1). Cuando la señal de audio es conectada a la entrada de control de voltaje de U2 (pin5), la señal PWM aparece en la salida (pin 3).



109

Fig.11.7 Modulador por ancho de pulso.

MATERIAL Y EQUIPO 1 – Modulo KL-92001 1 – Modulo KL-93006 1 – Osciloscopio 1 – Generador de señales. Conectores

DESARROLLO Experimento 11-1 Modulador por ancho de pulso usando un µA741 1.- Localice al circuito del modulador PWM en el modulo KL-93006. 2.- Ajuste VR1 para poder tener un voltaje de 0V en la terminal de entrada Vin(+), y entonces inserte el conector en J1. 3.-Conecte una onda senoidal de 3 V. y 500 Hz. a la entrada de audio. 4.-Usando el osciloscopio, observe la forma de las señales de entrada y de salida (pin 6) y anote sus resultados en la tabla 11-1.



110

5.-Remueva el conector de J1 y quite también la señal de audio, ajuste entonces VR1 para tener un voltaje de 6V en la terminal de entrada Vin(+). 6.-Restaure el conector en J1 y la señal de audio. 7.-Usando el osciloscopio, observe las señales de entrada y de salida (pin 6) y anote sus resultados en la tabla 11-1. 8.-Remueva el conector de J1 y la señal de audio. Enseguida ajuste VR1 para obtener un voltaje de -6V en la terminal de entrada Vin(+). 9.-Restaure el conector y la señal de audio. 10.- Utilizando el osciloscopio, observe las señales de entrada y de salida y anote sus resultados en la tabla 11-1. 11.-Remueva momentáneamente el conector de J1 y quite también la señal de audio, ajuste ahora VR1 para lograr un voltaje de 0V en la terminal de entrada Vin(+). Vuelva a insertar el conector. 12.-Cambie la amplitud de la señal de audio a 5 V. Repita los pasos 4 al 10 y anote sus resultados en la tabla 11-2. Experimento 11-2 Modulador PWM usando un LM555 1.-Localice el circuito del modulador PWM en el módulo KL-93006. 2.-Conecte una onda cuadrada de 2.5 V y 1 KHz en la entrada de la señal de audio. 3.-Usando el osciloscopio, observe las señales en el punto de prueba T1 y en la salida, enseguida ajuste VR1 para lograr una onda rectangular (los semiciclos no son exactamente del 50%) en T1. 4.-Cambie el osciloscopio a la posición DC. Observe y anote la forma de onda de la señal de salida en la tabla 11-3. 5.-Cambie la señal de entrada por una señal triangular y repita el paso 4. 6.-Cambie la señal de entrada por una onda senoidal y repita el paso 4. 7.-Cambie la amplitud de la señal de entrada a 1.5V, repita los pasos 4 al 6 y anote sus resultados en la tabla 11-4.



111

DC por

)(inV

Señal de Entrada Señal de Salida

0V

6V

-6V

Tabla 11.1

DC por

)(inV

Señal de Entrada Señal de Salida



112

0V

5V

-5V

Tabla 11.2

Señal de Entrada

Forma de onda Entrada Forma de onda Salida

0V



113

Tabla 11.3

Señal de

Entrada

Forma de onda Entrada Forma de onda Salida

Onda Senoidal

Onda Cuadrad

a

Onda triangula

r

Tabla 11.4

Onda

Cuadrada



114

CUESTIONARIO 11-1 ¿Cuál es la función de los potenciómetros VR1 en las figuras 11-2 y 11-7? Poder controlar el disparo del PWM a diferente frecuencia 11-2 Si el valor del capacitor C6 en la figura 11-7 es cambiado a 0.1uF. ¿Cree usted que la salida seguirá siendo una señal PWM? Explique. Si, ya que lo único que cambio es el periodo de disparo de una señal 11-3 Desde el punto de vista de la polaridad del voltaje, ¿Cuál es la diferencia entre las señales PWM de los experimentos 11-1 y 11-2?

CONCLUSIONES

La modulación por ancho de pulso (PWM) es una técnica de modulación que convierte una señal analógica en una señal digital para su transmisión. El PWM convierte una señal de audio (señal con amplitud variante) a una secuencia de pulsos teniendo una frecuencia y amplitud constantes. Pero el ancho de cada pulso es proporcional a la amplitud de la señal de audio.

Al concluye esta práctica se obtuvo múltiples conocimientos de lo que en realidad es un PWM, cuáles son sus características como funciona, cuales son los parámetros en los que trabaja

PRÁCTICA 12 DEMODULADOR PWM

OBJETIVOS

1.-Comprender el funcionamiento de un demodulador por ancho de pulso. 2.-Implementar un demodulador por ancho de pulso usando un detector producto.

MARCO TEORICO

La modulación por ancho de pulso fue discutida en detalle durante el capitulo anterior. Los circuitos del generador de onda cuadrada y del multivibrador monoestable fueron usados para generar la señal PWM. Para



115

recobrar la señal original de una señal PWM se necesita un decodificador o demodulador en el circuito receptor. Hay dos técnicas comunes para la desmodulación por ancho de pulso. Un método consiste en convertir primero la señal PWM en una modulación por amplitud de pulso, (PAM) y entonces pasarla a través de un filtro pasabajas. Considere que la señal PWM mostrada en la figura 12-1(a) es aplicada a un circuito integrador y sostenedor. Cuando la orilla con pendiente positiva del pulso aparece, el integrador genera una rampa de salida cuya magnitud es proporcional al ancho del pulso. Después de que la orilla con pendiente negativa desaparece, el circuito sostenedor mantiene el valor del voltaje pico de la rampa por un periodo determinado, al termino de éste manda la salida de voltaje a cero, tal y como se muestra en la en la figura 12-1(b).La forma de onda de Vc, mostrada en la figura 12-1(c), es la suma de Vb más una secuencia de pulsos de amplitud y ancho constantes generados por el demodulador. Esta señal es entonces aplicada a la entrada del circuito recortador, el cual elimina la porción de señal que se encuentre por debajo del valor del voltaje de umbral Vth y manda los pulsos restantes a la salida. Por lo tanto la salida del circuito recortador será una señal PAM cuya amplitud es proporcional al ancho de los pulsos de la señal PWM, tal como se muestra en la figura 12-1(d). Finalmente la señal PAM es pasada a través de un simple filtro pasabajas logrando con esto que la señal original de audio sea recobrada.

VPWM

t

(a) Señal PWM



116

Fig. 12-1 PWM a PAW

La otra técnica para demodular una señal PWM se ilustra en la figura 12-2, la cual consiste en un detector producto y en un filtro pasabajas. Las señales PWM y la portadora son conectadas a la entrada del detector producto, logrando con esto que una secuencia de pulsos con un ancho inversamente proporcional al ancho de los pulsos de la señal PWM se presente en la salida. Finalmente al pasar la señal Va través de un filtro pasabajas se obtiene la señal de salida demodulada.

Vb

t

(b) Señal de salida del integrador y del sostenedor de

voltaje.

Vc

t

(c) Vb más los pulsos de amplitud y ancho constantes.

Vth

Vc

t

(d) Señal PAM



117

Fig. 12-2 Ilustración de demodulación PWM utilizando un detector de producto. La figura 12-3 muestra la configuración interna del MC1496. El

amplificador diferencial conformado por Q1 y Q2 es usado para controlar a los amplificadores operacionales Q1Q2 y Q3Q4. La fuente generadora de corriente constante (Q7 y Q8) provee al amplificador diferencial formado por Q5 y Q6 con una corriente constante. La ganancia total del MC1496 puede ser controlada externamente mediante el conectado de una resistencia entre los pines 2 y 3. Para una demodulación PWM, la señal PWM debe ser aplicada a los pines 1 y 4, y la portadora a los pines 8 y 10. La corriente parcial al pin 5 es comúnmente provista al conectar un resistor en serie desde éste hasta la fuente de poder. Debido a que el detector tiene dos salidas (pines 6 y 12), una de ellas puede ser

LPF

ENTRADA PWM

Va Salida Demodulada

Portadora de entrada

t

Señal Portadora

t

Señal PWM

t

Va



118

utilizada como la salida del detector y la otra para el uso del Control Automático de Ganancia (AGC), de Automatic Gain Control por sus siglas en ingles.

Fig. 12.3 Circuito interno del MC1496

El circuito del demodulador PWM usando el detector de producto MC1496

se muestra en la figura 12-4. Este circuito es similar a los detectores AM, SSB, y DSB-SC analizados anteriormente. Los amplificadores U1 y U2 controlan que las amplitudes de la señal PWM y de la señal portadora, se mantengan dentro del rango de 300mV a 1400mV, asegurando con esto que el detector opere dentro de la región lineal. La resistencia R7 conectada entre el pin 2 y 3 determina la ganancia de voltaje del MC1496. Los capacitores de acoplamiento C1, C2, C4, C5 y C9 son usados para boquear las señales de cd al tiempo que permiten el paso de las señales de ca. VR1 y VR2 controlan las ganancias de los amplificadores U1 y U2 respectivamente. El valor de VR3 determina la magnitud de la señal PWM que será introducida al detector. El amplificador U4 opera como un filtro pasabajas de segundo orden.



119

Fig. 12-4 Demodulador PWM

EQUIPO REQUERIDO 1-Modulo KL-92001 1-Modulo KL-93006 1-Osciloscopio.

Experimento 12-1 Demodulador por Ancho de Pulso 1.- Localice el circuito del Demodulador PWM en el Modulo KL-93006. 2. Complete el circuito del modulador PWM del experimento 11-2. Conecte una onda senoidal de 1.5V y 700 Hz. a la entrada de audio. 3. Conecte el punto de prueba T1 del circuito modulador PWM a la entrada para la señal portadora (I/IP) del circuito demodulador PWM. 4. Conecte la salida PWM modulada del circuito modulador PWM a la entrada para señal PWM (I/P2) del circuito demodulador PWM. 5. Varié el valor de VR1 para obtener una señal con mínima distorsión en la salida del U1 uA741. 6. Ajuste cuidadosamente los potenciómetros VR2 y VR3 para lograr la señal de salida demodulada apropiada. 7. Usando el osciloscopio observe las señales en los siguientes puntos: en la entrada para la señal PWM, en la entrada para señal portadora, en la salida del U1, en la salida del U2, en la salida del MC1496 (pin 12), y en la salida para la señal PWM demodulada. Anote sus resultados en la tabla 12-1. 8. Mantenga las condiciones de los pasos anteriores, pero cambie la frecuencia de entrada de la figura 11-7 a 500 Hz. 9. Repita los pasos 5 al 7 y anote sus resultados en la tabla 12.-2.



120

Tabla 12-1 (Vm=1.5V, fm=700Hz)

Punto de prueba Señal de salida

Terminal para

portadora de

entrada

Terminal para la entrada PWM

Terminal de salida

U1



121

Tabla 12-1 (continuación) (Vm=1.5V, fm=700Hz)


Terminal de salida

U2

Terminal de salida

del MC1496 (pin 12)

Salida para la señal

PWM demodulada

Tabla 12-2



122

(Vm=1.5V, fm=500Hz)


Terminal para

portadora de

entrada

Terminal para la entrada PWM

Terminal de salida

U1



123

Tabla 12-2 (continuación) (Vm=1.5V, fm=500Hz)


Terminal de salida

U2

Terminal de salida

del MC1496 (pin 12)

Salida para la señal

PWM demodulada

CUESTIONARIO



124

12-1 En la figura 12-4 ¿Cuál es la función de VR1 y de VR2? Para poder amplificar la señal que va de entrada a la portadora y a la PWM 12-2 En la figura 12-4 ¿Cuál es la función de VR3? Con VR3 se determina la magnitud de la señal de PWM que se introducirá el detector

12-3 Al bajar la frecuencia de audio de la figura 11-7, ¿Qué componentes de la figura 12-4 deben ser modificados para una operación normal? El potenciómetro para poder demodular la señal

CONCLUSIONES La demodulación es la obtención de la señal de información enviada, pero tenemos una duda respecto a la señal recuperada; ya que se parecía demasiado en todas. Dichas señales contenían un poco de ruido y por lo tanto no tenían unos perfectos cuadrantes en su forma.



125

CAPITULO 13 MODULADOR FSK

OBJETIVOS.

Comprender el principio de la modulación en FSK.

Medir las señales de FSK.

Implementar un modulador en FSK con el LM566.

INTRODUCCIÓN.

En transmisión digital, los repetidores pueden regenerar las señales digitales e incrementar su capacidad contra la interferencia del ruido, y utilizando técnicas de codificación pueden proveer funciones de depuración y corrección. Pero en las señales digitales frecuentemente ocurren distorsiones debido a que sus componentes de altas frecuencias son fácilmente atenuados por transmisiones a grandes distancias. Para mejorar esta desventaja un proceso de modulación en particular es necesario para este propósito. La Manipulación del desplazamiento de frecuencia (FSK) es un tipo de FM en la cual la señal modulada (señal digital) cambia la salida entre dos frecuencias predeterminadas, usualmente llamadas frecuencias de marca y de espacio. La relación entre FSK y señales digitales se muestran en la Fig. 13-1. La frecuencia FSK f1 corresponde a la entrada digital en alto, y la f2 representa un bajo digital.

f1 f2 f1 f2

Fig. 13-1 Relación entre Señales digital y FSK

La técnica FSK es altamente usada para la transmisión de información en Teletipo. Las normas FSK han evolucionado a través de los años. Para radio Teletipo, la frecuencia de 2124 Hz representa la marca o 1, y la frecuencia de 2975 Hz el espacio o 0.

Para transmisión de datos por teléfono y líneas terrestres, las frecuencias

comúnmente utilizadas son:



126

Espacio = 1270Hz Marca = 1070Hz. y Espacio = 2225Hz Marca = 2025Hz Nótese que la diferencia de frecuencia (intervalo) de señales en FSK equivale

a 200Hz. El modulador FSK es usado para convertir la señal digital (onda cuadrada)

en una señal analógica teniendo 2 frecuencias diferentes que corresponden a los niveles de entrada. En este experimento, utilizamos frecuencias de 1070Hz y 1270Hz para representar espacio y marca respectivamente. Un oscilador de voltaje controlado (VCO) puede fácilmente generar esas dos frecuencias. Un práctico modulador en FSK usando el VCO LM566 es mostrado en Fig. 13-2. En dicho caso la frecuencia de oscilación puede ser calculada mediante:

cc

mcc

V

VV

CRf

510

0

2

Donde ccV es el voltaje de alimentación aplicado al LM566 pin 8, y inV es el

voltaje de control para el VCO aplicado al pin 5.

Si ccV es constante, valores apropiados de 10R , 5R y inV son determinados

para generar la frecuencia de salida del LM566 0f de 1072Hz y 1272Hz.

Prácticamente las limitaciones del LM566 VCO son la siguientes.

kRk 202 10

ccin VV 75.0

kHzf 5000

VVV cc 2410

Para generar las frecuencias de 1070Hz y 1270Hz exactamente, los niveles

de la entrada digital, tales como los niveles TTL de 0V y 5V deberán ser convertidos al voltaje apropiado antes de aplicarlo a la entrada VCO. El ajustador

de nivel ( 1Q y 2Q ) provee este propósito. 1Q funciona como una compuerta NOT.

En otras palabras, cuando la entrada a 1Q es alta (5V), entonces 1Q conduce y

la salida es baja (aprox. 0.2V) provocando que 2Q este en cortocircuito. Si en 1Q

la entrada es baja (0V), 1Q esta apagado y su salida es alta (5V), entonces Q2

conduce. Cuando 2Q esta apagado, el voltaje de entrada del VCO esta dado

por:



127

ccVRVR

VRV

62

21

Y la frecuencia de salida de VCO es f1. Cuando 2Q conduce, la entrada de voltaje

de VCO es:

ccVRVRVR

VRVRV

621

212

//

//

Y la frecuencia de salida es f2. Por lo tanto la frecuencia de salida f1 = 1270 Hz y f2 = 1070 Hz pueden obtenerse ajustando cuidadosamente los valores de VR1 Y

VR2. Ambos 2U y 3U son filtros pasa bajas de segundo orden. Los filtros pasa

bajas de cuarto orden formados al colocar en cascada los filtros de segundo orden son utilizados para filtrar las armónicas de los componentes de alta frecuencia en la salida de LM566 y por lo tanto la señal modulada en FSK puede ser obtenida.

Fig.13-2 Circuito Modulador en FSK

Si se desea transmitir la señal modulada en FSK mencionada anteriormente por medio de una antena, un mezclador es requerido para modular la señal al rango de frecuencias de banda RF.



128


Modulo KL-92001

Modulo KL-93007

Osciloscopio

EXPERIMENTO 13-1 MODULADOR EN FSK

1. Localice el circuito modulador en FSK en el modulo KL-93007.

2. Conecte 5Vdc para la entrada de señal digital (I/P). Utilizando el osciloscopio observe la frecuencia de salida del LM566 en el pin 3 y ajuste VR2 para obtener la frecuencia de 1070Hz, y entonces registre sus resultados en la tabla 13-1.

3. Utilizando el osciloscopio, observe y registre la señal de salida FSK.

4. Conecte la señal digital en la entrada (I/P) para tierra (0V). Utilizando

el osciloscopio, observe la frecuencia de salida del LM566 en el pin3 y ajuste VR1 para obtener la frecuencia de 1270Hz, y registre resultados en la tabla 13-1.

5. Utilizando el osciloscopio, observe y registre la señal de salida FSK en

la tabla 13-1.

6. Ponga la salida del generador de señales a un nivel TTL con una frecuencia de 200 Hz. Y conéctela a la entrada de la señal digital (I/P). Usando el osciloscopio, observe y anote la entrada, la salida del LM566 (pata 3) y las señales de salida en FSK en la tabla 13-2.

7. Cambie la frecuencia del generador de señales a 5 Hz. Y repita el paso

6.

Señal de Entrada

Forma de la señal de salida del

LM566 (pata 3)

Forma de la señal de salida FSK

0 V



129

5V

Tabla 13-1.

Frecuencia De entrada

200 Hz. 5 khz.

Forma de La señal Entrada

Forma de la

salida del LM566 (pata 3)

Forma de la señal FSK

Tabla 13-2.

CONCLUSIONES Este proceso de modulación, es muy parecida a la del PWM, pero con una gran mejora, ya que se puede apreciar de mejor manera la señal de salida. Una conclusión de la forma de señal de salida, es que dependiendo de la frecuencia de la señal a transmitir de información; presenta en partes una frecuencia alta y en otras bajas.



130

CAPITULO 14 DEMODULADOR FSK

OBJETIVO 1.-Implementar un detector de cambio de frecuencia usando un PLL. 2.-Diseñar un comparador de voltaje usando un OPAM.

MARCO TEORICO Tal como se menciono en el capitulo 13, una señal digital es convertida en una señal FSK para su transmisión a grandes distancias. En la sección receptora, es necesario por lo tanto, tener un demodulador FSK para recobrar la señal digital original extrayéndola de la señal FSK recibida. Para lograrlo, una buena elección es el usar un circuito en lazo cerrado con retroalimentación de fase (PLL), por sus siglas en ingles. En corto, el PLL es un sistema de control electrónico que se encarga de seguir la frecuencia y la fase de la señal de entrada. Recientemente, el PLL se ha empezado a utilizar como un demodulador en muchos tipos de sistemas de comunicaciones analógicas, tales como el demodulador AM, el demodulador FM, el selector de frecuencia, y en la adquisición de la subportadora monocromática en los receptores de TV. De igual manera muchos PLL digitales han sido desarrollados para seguir a una portadora o a una señal de bit sincronizado en sistemas de comunicaciones digitales. Básicamente, un PLL incluye tres secciones principales: Detector de fase (PD), filtro pasabajas (LF) y un oscilador controlado por voltaje (VCO). La figura 14-1 muestra el diagrama a bloques de un PLL.



131

Fig. 14-1 Diagrama a bloques de un PLL. Considere el diagrama a bloques mostrado en la figura 14-1. Podemos ver que si cambia la frecuencia del Vin, se producirá un cambio de fase instantáneo entre los puntos A y B y por lo tanto también se originará un cambio en el nivel del voltaje de cd en la salida. Este cambio de nivel forzará a un cambio en la frecuencia del VCO para poder mantener el sistema estable o al lazo cerrado. Si el PLL es usado como un demodulador en FSK y la señal FSK se aplica a la entrada del demodulador, entonces los voltajes de salida V1 y V2, corresponderán a las frecuencias de entrada f1 y f2 respectivamente. Por lo tanto un cambio en la frecuencia de entrada producirá un cambio en el nivel de voltaje de cd de salida. La señal digital original, o la señal FSK demodulada se obtiene al conectar la señal del PLL a la entrada del comparador de voltaje, el cual debe contar con un voltaje de referencia entre V1 y V2.

Fig. 14-2 Demodulador FSK En este experimento utilizaremos el PLL con el LM565 para hacer la función del demodulador FSK mostrado en la figura 14.2. El PLL con el LM565, incluyendo al detector de fase, al VCO, y al amplificador, opera por debajo de los 500 KH. El detector da fase opera como un doble modulador balanceado y el VCO es un circuito integrador Schmitt. Las fuentes de alimentación de +5V y de



132

– 5V son aplicadas a Vcc (pin 10) y a Vee (pin 1), respectivamente. La señal FSK es aplicada a la entrada del detector de fase. Debido a que el multiplicador de frecuencias no es utilizado en nuestro experimento, los pines 4 y 5 se conectan directamente entre sí. La combinación de la resistencia interna Rx y del capacitor externo C3 realiza la función de un filtro pasabajas. Los componentes temporizadores VR1 y C2 determinan la frecuencia de libre corrimiento o frecuencia central del VCO. Al diseñar un circuito demodulador con el LM565, los parámetros más importantes a tener en cuenta son los siguientes: 1.-Frecuencia de libre corrimiento o frecuencia central. La figura 8-4 muestra un circuito de retroalimentación PLL con el LM565. Cuando no se tiene señal de entrada en dicho circuito, la frecuencia de salida del VCO es conocida como frecuencia de libre corrimiento o frecuencia central fo. En el circuito de la figura 8-4, la fo del LM565 esta determinada por los componentes de temporización C2 y VR1, y se puede hallar por: fo = 1.2 / 4*VR1*C2 2.-Rango de cerradura. Inicialmente el PLL se encuentra en estado cerrado o de aseguramiento con el VCO corriendo a una determinada frecuencia. Recuerde que se dice que el PLL esta cerrado o asegurado cuando el voltaje de salida es igual a cero, o lo que es lo mismo, la frecuencia de entrada y la frecuencia de retroalimentación son iguales. El aseguramiento del VCO se puede lograr aun cuando la frecuencia de la señal de entrada Cfi sea muy lejana a la frecuencia central, sin embargo existe una frecuencia específica a la cual el PLL no puede lograr el aseguramiento de la señal, la diferencia entre las frecuencias f1 y fo es llamada rango de aseguramiento o rango de cerradura en lazo cerrado. El rango de cerradura del LM565 puede ser hallado por: fL = 8fo / Vc =8fo / Vcc – Vee 3.-Rango de captura. Inicialmente el PLL se encuentra en estado abierto y el VCO se encuentra corriendo a una determinada frecuencia. Si la frecuencia de entrada fi es muy cercana a la frecuencia central del VCO, el lazo se puede mantener aun abierto. Cuando la frecuencia de entrada alcanza una frecuencia específica donde el PLL se cierra o se asegura, entonces a la diferencia entre fi y fo se le conoce como rango de captura en lazo cerrado. El rango de captura del LM565 puede ser hallado por: fc = (1/ 2 π) √ (2*π * fL / 3.6*103 *C2) En el circuito de la figura 14.2 los componentes R3, R4, R5, C3, C4 y C5 constituyen al filtro pasabajas que sirve para reducir el rizo de salida. Los niveles digitales de la señal FSK demodulada son compatibles con los niveles TTL.



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EQUIPO REQUERIDO 1 Modulo KL-92001 1 Modulo KL-93007 1 Osciloscopio

DESARROLLO

Experimento 14-1 Demodulador FSK 1.- Localice al circuito del demodulador FSK en el módulo KL-93007. Conecte la entrada vertical del osciloscopio a la salida del VCO (T1). Observe la frecuencia central del LM565 y ajuste el VR1 para obtener una frecuencia de 1170 Hz. 2.- Conecte una señal senoidal de 1070 Hz. y 1 V de amplitud a la terminal de entrada (I / P). Ponga la entrada vertical del osciloscopio en el rango de DC. Observe la señal de salida y anote sus resultados en la tabla 14-1. 3.- Cambie la frecuencia de entrada a 1270 Hz. Y repita el paso 2. 4.- Complete el circuito del modulador FSK en el modulo KL-93007. Aplique una onda cuadrada TTL de 150 Hz a la entrada del modulador FSK. 5.- Conecte la salida del modulador FSK a la entrada del demodulador FSK. Usando el osciloscopio, observe la señal de salida demodulada y anote sus resultados en la tabla 14-2. Si la señal demodulada no es obtenida, cheque las frecuencias FSK de entrada de 1070 Hz y de 1270 Hz. 6.- Cambie la frecuencia de entrada del demodulador FSK a 200 Hz. Ponga la entrada vertical del osciloscopio en el rango de CD, observe la señal de salida y anote sus resultados en la tabla 14.2

(Vin = 1V)

Frecuencia de

Entrada

Señal de Entrada

Señal de Salida

1070 Hz.



134

1270Hz

Tabla 14-1

Frecuencia de

entrada Al

Modulador FSK

Fig. (13-2)

Señal de entrada al Demodulador FSK

Señal de salida del Demodulador FSK

150 Hz.

200 Hz.

Tabla 14-2



135

CUESTIONARIO 14-1 ¿Qué componentes determinan la frecuencia de libre corrimiento o frecuencia central del VCO en el LML565 de la figura 14-2? Es el arreglo de capacitores 14-2 ¿Cuál es la función del μA741en la figura 14-2? Es amplificar la señal que se encuentra a su entrada 14-3 ¿Cuál es la función del pin 6 del LM565? _Proporciona la señal de retroalimentación_ 14-4 ¿Cuál es el propósito de la multietapa del filtro pasa bajas entre la salida del LM565 y la entrada del comparador? ______________________________________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________

CONCLUSIONES Es un proceso de decodificación de datos de, la cual es transmitida por un modulador, que también es del tipo FSK, la señal recuperada; en nuestro caso, es de tipo cuadrada, en distintas frecuencias, dependiendo de la frecuencia de la señal de información que fue transmitida.

Manual de Telecomunicaciones Ingenieria Electronica

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