PROYECTO ELECTRONICO IDAT

INSTITUTO SUPERIOR TECNOLGICO PRIVADO IDAT IDAT EO

PROGRAMA ACADMICO DE ELECTRNICA TTULO: MDULO DE TRANSMISIN DIGITAL REALIZADO POR: CDIGO 0211407 9802308 0620917 APELLIDOS Y NOMBRES QUISPE ARREDONDO, Csar SILVA CUEVA, Johan VARGAS ELAS, Emerson

TRABAJO MONOGRFICO TERICO-PRCTICO PARA OPTAR EL TTULO PROFESIONAL DE TCNICO ELECTRNICO LIMA-PER 2010 -1

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA INSTITUTO SUPERIOR TECNOLGICO PRIVADO IDAT IDAT EO

PROGRAMA ACADMICO DE ELECTRNICA TTULO: MDULO DE TRANSMISIN DIGITAL REALIZADO POR: CDIGO 0211407 9802308 0620917 APELLIDOS Y NOMBRES QUISPE ARREDONDO, Csar SILVA CUEVA, Johan VARGAS ELAS, Emerson

TRABAJO MONOGRFICO TERICO-PRCTICO PARA OPTAR EL TTULO PROFESIONAL DE TCNICO ELECTRNICO LIMA-PER 2010 -1 MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 2

I.S.T.P IDAT ELECTRNICA

DEDICATORIA:A

nuestros

padres

por a

ensearnos cada da

alcanzar nuestras metas con sacrificio y darnos las ganas de seguir adelante.

i MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 3

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA

AGRADECIMIENTO: su A nuestros profesores por constante apoyo y

orientacin

durante

nuestra

formacin profesional. A nuestra casa de

Estudios IDAT por brindarnos las facilidades en el desarrollo del presente Proyecto. ii MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 4

I.S.T.P IDAT ELECTRNICACAPTULO 1 INTRODUCCIN 1.1 En GENERALIDADES este Captulo se establece el planteamiento del problema una perspectiva Institucional, lo cual genera una

desde

justificacin en la elaboracin del Proyecto. Para la bsqueda de informacin relacionada al Proyecto recurrimos a diversas del fuentes de informacin llamadas la Antecedentes Proyecto; adems mencionamos

normatividad existente y los reglamentos existentes para la implementacin y funcionamiento del Proyecto. 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El proceso de Enseanza y aprendizaje de la electrnica requiere de la teora y la prctica, por ello es necesario que las instituciones formen profesionales con capacidades, habilidades y conocimientos para la insercin en el mercado laboral, la industria, el comercio, etc. La existencia de pocos laboratorios especializados para la prctica en diversas asignaturas de la especialidad de electrnica es un problema constante y un inconveniente para el docente por cuanto no puede realizar la prueba prctica de los fundamentos tericos realizadas en la pizarra. Por lo tanto existe una 5

MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA deficiencia en la formacin profesional de los estudiantes, tal es el caso en las asignaturas de Telecomunicaciones.

1.3

JUSTIFICACIN DEL ESTUDIO La necesidad de contar con laboratorios implementados, instrumentacin adecuada y mdulos de entrenamiento para desarrollar la experimentacin y pruebas de diversos circuitos electrnicos nos lleva a la implementacin de un Mdulo de Transmisin Digital con fines didcticos con la finalidad de realizar las prcticas de laboratorio en la asignatura de Telecomunicaciones; siendo este Mdulo parte de temas dedicados a la transmisin digital las cuales comprenden las diversas tcnicas de modulacin como es PCM,PWA,PAM y sus variantes ASK,PSK y FSK. La implementacin del Mdulo de Transmisin Digital es debido a la carencia de sistemas y/o equipos de entrenamiento para las prcticas de laboratorio en la asignatura mencionada anteriormente; la solucin a este problema a travs de la implementacin del Modulo referido; es importante porque dotar a la Institucin de un sistema de entrenamiento real en beneficio de la poblacin estudiantil para finalmente Aprender, Experimentar y Comprender entre la teora y la prctica, siendo ste un aporte cientfico tecnolgico ante una necesidad.


6

I.S.T.P IDAT ELECTRNICA1.4 ANTECEDENTES

A) TTULO: MODULO DIDCTICO DE COMUNICACIN 1 Y 2 FUENTE: BIBLIOTECA IDAT-MONOGRAFIA 1 AUTORES: FLORES SIPION, Edgar y otros RESUMEN: Esta monografa propone un modulo de transmisin y recepcin FM, donde se pueden cambiar algunos componentes como conectores y bobinas para generar variaciones en las grficas mostradas en el osciloscopio. En circuito transmisor cuenta con un canal el cual se como generador de la seal a transmitir. Por otro lado en el circuito de recepcin cuenta con un control del volumen de audio, con una entrada para parlantes y audfonos para verificar as la calidad de la recepcin. Este mdulo, gracias a sus dimensiones es muy porttil para su uso en los laboratorios. Cuenta con una fuente de nueve voltios la cual se utiliza para energizar los circuitos en mencin. FUENTE: EMPRESA GLOLAB (HTTP ://.WWW.GLOLAB.COM) 2 debe

insertar a travs de un conector, pudiendo ser este un micrfono

1 2

Instituto Superior Tecnolgico IDAT Empresa GLOLAB (EE UU)


7

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICAB)

AUTORES:

EMPRESA

DE

ARTICULOS

PARA

LABORATORIOS ELECTRONICOS. RESUMEN: para las prcticas en radiofrecuencia esta empresa dise y produjo este modulo de un transmisor y un receptor. En este modulo puede cambiarse algunos componentes. Los circuitos receptores funcionan a 418MHz con un alcance de hasta 1000 pies. Gracias a estos mdulos es ms fcil la enseanza sin tener problemas en el ajuste para la transmisin. Una vez montado el modulo solo se conecta una batera de 12v y sealando 2uA, igualmente el receptor debe ser alimentado con 9 o 12v de la fuente. Este modulo contiene cuatro bits de control, que se pueden enviar en forma individual o simultneamente, adems tiene un DIODO LED en el receptor como indicador de datos recibidos. Tiene una antena de 6.7 pulgadas para envo de datos se hace mismo para el receptor que es un heterodino que lo necesita ningn ajuste. AMPLIAR CONTENIDO


8

I.S.T.P IDAT ELECTRNICAC) TITULO: MDULO DE AUDIO Y DATOS MODCOM-1 FUENTE: Universidad privada Ricardo Palma programa

Acadmico de ingeniera electrnica.3 AUTORES: EMPRESA DE ARTICULOS PARA LABORATORIOS ELECTRNICOS. RESUMEN: El mdulo de Audio y Datos MODCOM-1 trata sobre las caractersticas de las seales de informacin de audio y datos. Con ste mdulos se discuten y analizan temas como la dependencia en el tiempo y espectro de la seal. Un micrfono o un reproductor de casetes proveen las seales similares a las del mundo real que sern luego estudiadas. Con el MODCOM-1 se estudian y analizan los efectos de la distorsin y el comportamiento logartmico del odo. Se generan y estudian seales tales como RZ/NRZ, PAM multinivel, cdigo Manchester y cdigo Miller. El MODCOM-1 consiste en: . Un circuito de distorsin variable . Potencimetros lineal y logartmico . Un generador de 600-9600 bitios por segundo . Unipolar and bipolar RZ/NZ coder3

UNIVERCIDD PRIVADA RICARDO PALMA


9

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA . Codificador RZ/NRZ unipolar y bipolar . Generador PAM de 4-8 niveles . Codificador Manchester y codificador Miller de 4 estados.

1.5 a)

NORMATIVIDAD Y REGLAMENTACIN. ICS 13.020 PROTECCCION DEL MEDIO AMBIENTE EN

GENERAL CODIGO : GP 900.200:2007

TITULO: Gua para la implementacin de produccin ms limpia. RESUMEN: Se aplica a todos los sectores productivos y de

servicios en general. b) CODIGO : : : NTP ISO 14001:2008 SISTEMAS DE GESTION AMBIENTAL. Especifica los requisitos para un sistema

TITULO RESUMEN

de gestin ambiental, destinados a permitir que una organizacin desarrolle e implemente una poltica y unos objetivos que tengan en cuenta los requisitos legales y otros requisitos que la organizacin suscriba y la informacin relativa a los aspectos ambientales significativos. Se aplica a aquellos aspectos


10

I.S.T.P IDAT ELECTRNICAambientales que la organizacin puede tener influencia. No establece por s misma criterios de desempeo ambiental especficos.c)

CDIGO

:

NTP ISO 14024:1999

TITULO : ETIQUETAS Y DECLARACIONES AMBIENTALES. RESUMEN : Establece los principios y procedimientos

para desarrollar los programas de etiquetado ambiental del Tipo I, incluyendo la seleccin de categoras de producto, criterios ambientales para el producto y caractersticas de la funcin del producto; y para evaluar y demostrar su cumplimiento. Esta NTP tambin establece los procedimientos de certificacin para otorgar la etiqueta.d)

CDIGO

: :

NTP ISO 14040:1998 GESTION AMBIENTAL. EVALUACION EL

TITULO

CICLO DE VIDA. PRINCIPIOS Y MARCO. RESUMEN : Especifica el marco general, principios y

requisitos para realizar y reportar los estudios del evaluacin de ciclo de vida. Esta norma describe la tcnica de evaluacin del ciclo de vida en detalle. e) CODIGO : : NTP ISO 14042:2001 GESTION AMBIENTAL. 11

TITULO


I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA RESUMEN : Establece directrices sobre un marco

general para la fase de evaluacin del impacto del ciclo de vida (EICV) de la evaluacin del ciclo de vida (ECV), y las caractersticas claves y limitaciones inherentes de la EICV. Asimismo especifica los requisitos para realizar la fase de EICV y su relacin con otras fases de ECV.

f)

CODIGO

: :

NTP 399.086:1991 DUCTOS Y ACCESORIOS DE PVC PARA

TITULO

INSTALACIONES DE TELECOMUNICACIONES RESUMEN : Establece los requisitos que deben cumplir de poli-cloruro. De vinilo (PVC) no

los ductos y accesorios

plastificado, destinados a instalaciones de telecomunicaciones. g) CODIGO : : RM 198-2001-MTC/15.03 Registro de Casas Comercializadoras de

TITULO

equipos y aparatos de telecomunicaciones 19.05.01 RESUMEN : Que, mediante Decreto Supremo N 005-

98-MTC se adicion al Reglamento General de la Ley de Telecomunicaciones, el Artculo 226-A que establece que las Casas Comercializadoras de equipos y aparatos de telecomunicaciones estn obligadas a inscribirse en el Registro que para el efecto tiene a su cargo la Direccin General de MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 12

I.S.T.P IDAT ELECTRNICATelecomunicaciones, la misma que establecer los requisitos para la inscripcin; Que, en consecuencia es conveniente crear el Registro correspondiente, aprobando las normas por las que se regir el mismo.


13

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA CAPTULO 2 OBJETIVOS Y SOLUCIONES

2.1

OBJETIVOS Para la implementacin del Mdulo de Transmisin Digital establecemos los siguientes objetivos. A. GENERALES. Profundizar los fundamentos tericos de las diversas Analizar las diferentes formas y mtodos de modulacin Comprender el funcionamiento y operacin de cada

tcnicas de modulacin digital digital por portadora en los sistemas de comunicacin. circuitos modulador en un sistemas de comunicacin.

B.

ESPECFICOS Adquirir destrezas y habilidades en el montaje de los Manejar los instrumentos de visualizacin (osciloscopio) Experimentar en el Modulo de Transmisin Digital las 14

componentes electrnicos. para constatar las seales en las diferentes etapas del circuito. diferentes tcnicas de modulacin digital. MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL

I.S.T.P IDAT ELECTRNICA Implementar las guas de prctica que acompaan al para las diferentes tareas de experimentacin en el

modulo

laboratorio.

2.2

SOLUCIONES POSIBLES La mayora de las especialidades de una Institucin con

formacin tecnolgica requieren de la teora y la prctica, la primera con la intensin de adquirir conocimientos y la segunda para adquirir habilidades y destrezas. En tal sentido una posible solucin al problema mencionada en el Captulo I es la creacin de un modulo de transmisin Digital para el entrenamiento, experimentacin y verificacin llevada a cabo en la teora, el cual permitir al docente como al estudiante un aprendizaje y una fcil comprensin a los temas dedicados a las Telecomunicaciones y especficamente a la transmisin digital. Permitir adems reducir los costos de adquisicin y mantenimiento de equipos y sistemas de similares caractersticas a la Institucin. La implementacin del Modulo estar acompaado de un manual de funcionamiento y operacin para el mantenimiento correctivo y preventivo del equipo.


15

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA 2.3 TCNICAS DE INVESTIGACIN Todo proyecto de investigacin tiene como fundamento cientfico las tcnicas de investigacin aplicados a un plano de estudio especfico. En el proyecto modulo de transmisin digital es necesario ordenar el estudio para facilitar al investigador a travs de estas tcnicas de indagacin, la completa disertacin y comprensin de este proyecto; para ello utilizaremos la tcnica de investigacin descriptiva y experimental. 2.3.1 Tcnica de investigacin descriptiva. La tcnica de investigacin es descriptiva porque define clara y concretamente un objeto de estudio, por que describe los datos y las caractersticas del mismo. La Investigacin descriptiva responde a las preguntas: quin, qu, dnde, cundo y cmo. Esto podra ser aplicado al estudio de una industria, un mercado, un sistema, un producto .etc. Sus etapas son: Formulacin del problema. Constatacin del objeto del problema en su etapa inicial. Diseo del sistema. Control del sistema. Analizar y valorar los cambios producidos. 16


I.S.T.P IDAT ELECTRNICA Contrastar el estado inicial y final del objeto de estudio.

El proceso de elaboracin del modulo de transmisin digital mediante la investigacin descriptiva lo presentamos a continuacin: Estudio de la problemtica soluciones posibles utilizando la tecnologa admisible. experimentacin y prueba de los circuitos utilizados. implementacin del proyecto y su manual de uso y

operatividad. 2.3.1.1 Estudio de la problemtica. En esta etapa del proceso se tumo como problemtica la falencia de mdulos transmisin digital en las diversas instituciones de enseanza de electrnica en el Per. Tambin la dificultad de los alumnos y docentes de encontrar ciertos integrados y circuitos en sus laboratorios de telecomunicaciones.

2.3.1.2 Soluciones posibles usando la tecnologa admisible. En este eslabn de estudio planteamos soluciones a la problemtica del tem anterior. As mismo con el modulo de transmisin digital se harn ms comprensibles y didcticos el estudio de las transmisin digital, evitando el problema de disear 17


I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA los circuitos y la bsqueda de los componentes, ahorrando

tiempo y dinero.

2.3.1.3 Experimentacin y prueba de los circuitos utilizados. En esta etapa de desarrollo del proyecto se hizo el clculo terico de todo el circuito a implementar en el modulo de transmisin digital. Luego se implemento y demostr en forma real dichos clculos a travs de multmetro. 2.3.1.4 Implementaciones del proyecto y su manual de uso y operatividad En esta ltima etapa de estructuracin, concretamos el proyecto con los insumos y dispositivos adquiribles operatividad del modulo de transmisin digital. 2.3.2 Tcnica de investigacin experimental En la tcnica de investigacin experimental se obtiene datos reales y fsicos a trabes pruebas en los laboratorios y campos de estudio. Tiene como objeto la comprobacin de postulado y datos netamente tericos .Se divide en tres etapas: MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 18 en el mercado peruano y establecemos el manual de funcionamiento y las pruebas hechas en el laboratorio utilizando herramientas de medicin tales como en osciloscopio y

I.S.T.P IDAT ELECTRNICA1. etapa de diseo y de clculos tericos. 2. etapa de prueba y experimentacin. 3. etapa de comprobacin y verificacin de datos reales.

CAPTULO 3 MEMORIA DESCRIPTIVA

3.1

DESCRIPCIN GENERAL DEL PROYECTO de

El modulo de transmisin digital es una herramienta

laboratorio donde se realizan pruebas, se toman muestras y se experimenta la transmisin digital, tema que es cursado por tcnicos e ingenieros en electrnica y telecomunicaciones. Este modulo consta de un ares de trabajo donde se insertan los circuitos impresos de los sistemas a medir, tiene tambin un sector donde se colocan los osciloscopios, se ingresan datos, se generan seales entre ellas; senoidal, cuadrada y triangular .este modulo tambin cuenta con un sector donde se encuentran los diagramas de bloques formando los distintos sistemas de comunicacin digital.


19

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA Para la experimentacin solo se interconectan los bloques de acuerdo a los diagramas, se ingresan seales producidas por los generadores de seal o un micrfono se conecta el osciloscopio en la salida adecuada y se toman muestras para apreciar las formas de onda caractersticas de este tipo de modulacin.

DIAGRAMA PICTRICO


20


3.2

ESPECIFICACIONES TCNICAS 3.2.1 Caractersticas tcnicas de la fuentea.

Tensin de alimentacin contina +12,-12,+5


21

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICAb.

Corriente

de

alimentacin

contina de

.. 1A., 200mA c. Frecuencia trabajo 60hz 3.2.2 caractersticas tcnicas del moduloa.

Voltajes de trabajo de las placas.. +5 Generador de seales: - triangular- sinoidal- cuadrada Amplitud Max. Y min. De seal.... 1v-12v Frecuencia Max. y min. De seal..1hz-100kh Carga mxima de seccin MIC.. 30 Ohm Rango de la seccin amplificadora1db-30db Amplificador de RF:1Hz a 4Mhz a 15mA Generador FSK:.0.001Hz a 1Mhz a 3mA Generador de seal moduladora: 0.001Hz a 1Mhz a 3mA

b. c.d. e.

f. g. h.i.

3.2.3 Dimensiones Largo. 35cm Ancho 8cm Altura. 27cm Peso bruto.2kg


22



23


3.3

MANUAL DE USUARIO


24

I.S.T.P IDAT ELECTRNICAEsta seccin de la monografa est destinada a brindar informacin al operador, para que este pueda utilizar el equipo sin ninguna dificultad, detallando el funcionamiento, instrucciones y mantenimiento correcto que se debe dar al equipo. Es necesario que el operador conozca esta parte para evitar daos al equipo cuando este sea utilizado.

3.3.1

DESCRIPCIN DE LOS CONTROLES PANEL FRONTAL.

1. 2.

Generador de seal sinodal Generador de seal cuadrada 25


I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA 3. 4. 5. 6. Generador de seal triangular Entrada y salida amplificada de MIC Voltajes de salida Amplificador de la seal de audio

1. GENERADOR DE SEAL SENOIDAL

1. 2. 3.

Conector de salida de la seal senoidal Control de frecuencia de la seal senoidal Control de amplificacin de la seal senoidal

2. GENERADOR DE SEAL CUADRADA


26


1. 2. 3.

Conector de salida de la seal cuadrada. Control de frecuencia de la seal cuadrada. Control de amplitud de la seal cuadrada

3. GENERADOR DE SEAL TRIANGULAR

1. 2. 3.

Conector de salida de la seal triangular. Control de la amplitud de la seal triangular. Control de la frecuencia de la seal triangular.


27


4. VOLTAJES DE SALIDA

1. 2. 3. 4.

Conector de +5 voltios Vdc. Conector de -5 voltios Vdc. Conector de +12 voltios Vdc. Conector de -12 voltios Vdc.

5.- AMPLIFICADOR DE AUDIO

1.

Conector de entrada de amplificador de audio. 28


I.S.T.P IDAT ELECTRNICA2. Conector de salida de amplificador de audio.

3.4

OPERATIVIDAD Y FUNCIONABILIDAD DEL SISTEMA El Modulo de Transmisin Digital consta con un Set de herramientas (1) para realizar experiencias en los temas de modulacin digital mediante el uso de un Osciloscopio conectadas a los diferentes puntos de prueba. Las mediciones son para constatar las diferentes etapas de los sistemas de modulacin entre ellas PCM, y los moduladores analgicos ASK, PSK Y FSK; los conectores se insertaran a una salida que puede ser una onda cuadrada, senoidal, triangular o de la salida amplificada de un micrfono; tiene la opcin de control de la frecuencia y la amplitud de la seal. Siendo este un modulo de transmisin digital primero se toma una onda cualquiera de Set de herramientas y se conecta la placa PCM, luego ya defecto FSK. codificada la seal anloga est lista para la transmisin con la portadora que se desee ASK, PSK o en su

3.5

APLICACIONES DEL PROYECTO


29


El Proyecto Mdulo de Transmisin Digital es diseado

e implementado para ser utilizado en los Laboratorios de Electrnica de las Instituciones educativas con formacin tecnolgica (Universidades, Institutos Tecnolgicos, Centros Tcnicos Productivos, Instituciones de educacin Bsica Regular, etc.) para realizar prcticas de laboratorios en las asignaturas referidas a telecomunicaciones cuyo contenido abordan tcnicas de modulacin digital. Cabe mencionar que el Mdulo desarrollado es estrictamente didctico para el proceso de Enseanza y Aprendizaje tanto para el docente como para el alumno con la finalidad de comprender y experimentar temas dedicados a Modulacin Digital. Adems de ello ste sistema tambin puede ser utilizado

por aficionados a la electrnica y las telecomunicaciones fuera de las instalaciones de una institucin con el fin de reforzar sus conocimientos en temas de modulacin digital; es decir, utilizar el Mdulo de manera autodidacta.

3.6 CUADRO COMPARATIVO En el mercado Internacional existen empresas que se dedican a fabricar Mdulos con fines didcticos y educativos para la enseanza en las diferentes reas y temas de Electrnica; tal es MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 30

I.S.T.P IDAT ELECTRNICAel caso de DEGEM SYSTEM (Israel), LUCAS NULLE (Alemania), NI ELVIS de nacional Semiconductor (Estados Unidos), etc. Cada uno de ellos con ciertas especificaciones tcnicas, para ello elaboramos un cuadro comparativo en funcin de nuestro Modulo de transmisin Digital llamado MTD IDAT.

3.6.1

CUADRO TCNICAS

COMPARATIVO

DE

ESPECIFICACIONES

CUADRO COMPARATIVO N ESPECIFICACIONES TCNICAS 1 DEGEM SYSTEM 2 LUCAS NULLE Tensin de experimentacin 5V/1A Fuente de alimentacin 0 20V/1A Entrada y salida digital 16 bits Rangos de tiempo 1uS a 10uS Rango de voltaje 100mV a 50V Instrumento virtual Interface con PC

DETALLES

15V, Integrado tarjetas: PCM, PTM, PPM Y PAM. Integrado tarjetas: ASK, PSK Y FSK


31

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA Generador de funciones hasta 1Mhz Generador de frecuencia sinusoidal 500 1Khz 2 Canales de TX Codificador 3 y decodificador lineal

AMI/HDB3 NI ELVIS SEMICONDUCTOR)

(NATIONAL

4

MTD IDAT

3.6.2

CUADRO COMPARATIVO DE COSTOS De la misma forma, establecemos un cuadro comparativo de precios entre el Modulo TDM IDAT con respecto a los dems fabricantes.

CUADRO COMPARATIVO DE COSTOS DEGEM SYSTEM LUCAS NULLE MTD IDAT(S/.) 80 100 250

CONTENIDO/DETALLE

NI ELVIS

Gabinete/case Fuente Poder TARJETAS PCM


32

I.S.T.P IDAT ELECTRNICAPPM PTM ASK PSK FSK DISEO PLACA CIRCUITO IMPRESO MANUAL GUA SOFTWARE CABLES Y CONECTORES TOTAL DOLARES 630 1827 550 1595 455 1320

200 200 200 80 60 100 0 50

AMERICANOS ($/.) 530 TOTAL NUEVOS SOLES (S/.) COTIZACIN ($) S/. 2,9 1537

3.6.3

COMPARACIN GRFICA

CUADRO COMPARATIVO DE COSTOS700 600 500 400 300 200 100 0 DEGEM SYSTEM LUCAS NULLE NI ELVIS MTD IDAT(S/.) $/ 530 $/ 630 $/ 550 $/ 455

FABRICANTES


33

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICACUADRO COMPARATIVO DE COSTOSDEGEM SYSTEM $/530

MD IDAT $/ 455

NI ELVIS $/ 550

LUCAS NULLE $/ 630


34

I.S.T.P IDAT ELECTRNICA3.7 REPRESENTACIN GRFICAVISTA HORIZONTAL DESDE ARRIBA


35


3.7.1 a)

CHASS DEL CIRCUITO REPRESENTACION ISOMTRICA

b)i.

REPRESENTACIN EN VISTA VISTA HORIZONTAL, FRONTAL


36


VISTA LATERAL DERECHA

VISTA HORIZONTAL TAPA CERRADA

ii.

VISTA POSTERIOR


37


c)

REPRESENTACIN EN EXPLOSIN


38



39


3.8

CLCULOS PREVIOS

CLCULO DEL CAPACITOR DEL FILTRO

Vr =

Idc f *C

Para un rectificador de onda completa utilizando diodos tipo puente, la frecuencia es de 120Hz, la corriente es de 123mA y el voltaje de rizado es de 0.5V; entonces:

123mA 120 * C C = 2050uF 0.5V =CLCULO DE LA CORRIENTE DE CARGA Puesto que utilizamos un transformador de 220V a 20V con una corriente de 1.5A. La potencia del sistema esta dado por:

P = VI P = 20V *1.5 A = 30WMODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 40

I.S.T.P IDAT ELECTRNICACLCULO DEL FUSIBLE

30W = 0.136 A 220V Ip = 136 mA Ip =IP= es la corriente en el primario del transformador.

If = Ip + 20% If = 136 mA + 27.2mA If = 1163.2mAIf= es la corriente que soporta el fusible en el primario del transformador. CLCULO DE LA FRECUENCIA DEL NIQUIST PROCESO DE MUESTREO PARA EL

fs >= 2faDonde: fs = frecuencia mnima de muestreo de Nyquist (Hertz) fa = mxima frecuencia que se debe muestrear (Hertz) Para ello tomamos en referencia al ancho de banda de la frecuencia de voz (300Hz a 3500Hz). 41



fs 2fa entonces 3500 7000CLCULO DE LA FRECUENCIA DE CORTE PARA EL FILTRO PASABAJO Y PASA ALTO

f =

1 2fcRC


42

I.S.T.P IDAT ELECTRNICACAPTULO 4 MARCO TERICO

La transmisin de seales digitales se puede realizar de distintas maneras, una de ellas puede ser transmitiendo pulsos en banda base (transmisin digital) y otra por medio de la transmisin de portadoras moduladas en forma digital. La transmisin digital consiste en transmitir pulsos digitales entre dos puntos dentro de un sistema de comunicaciones. Existen varias formas de representar la informacin por medio de pulsos, las ms conocidas son: modulacin de ancho de pulso (PWM, por sus siglas en ingls), modulacin de posicin de pulso (PPM, por sus siglas en ingls), modulacin de amplitud de pulso (PAM, por sus siglas en ingls) y modulacin por codificacin de pulsos (PCM, por sus siglas en ingls). La tcnica de modulacin por codificacin de pulso (PCM) es la ms utilizada para ste modulo. Entre las tcnicas de radio digital se encuentran la de modulacin por desplazamiento de frecuencia (FSK, por sus siglas en ingls), modulacin por desplazamiento de fase (PSK, por sus siglas en ingls), y modulacin por desplazamiento de amplitud (ASK, por sus siglas en ingls). MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 43 la transmisin digital y es la que se utiliza en la implementacin de

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA En el presente captulo se explica la tcnica de transmisin digital denominada Modulacin por codificacin de pulso (PCM) y las tcnicas de modulacin de radio digital abordando temas tales como: acondicionamiento de la seal previo a la digitalizacin, el proceso de conversin de una seal analgica a digital, conversin de una seal digital paralela a una seal digital serie, filtrado de una seal analgica, entre otros. Para ello organizaremos las etapas de la siguiente manera:

4.1

ETAPA FUENTE DE ALIMENTACIN DESCRIPCIN GENERAL Este es su diagrama en bloques: para explicar el funcionamiento de una fuente convencional.

a)

TRANSFORMADOR DE ENTRADA

Modifica los niveles de tensin alterna a los requeridos por el circuito a alimentar. El trasformador de entrada reduce la tensin de red (generalmente 220 o 120 V) a otra tensin mas adecuada para ser tratada. Solo es capaz de trabajar con corrientes alternas, esto quiere decir que la tensin de entrada ser alterna y la de salida tambin. MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 44

I.S.T.P IDAT ELECTRNICAConsta de dos arroyamientos sobre un mismo ncleo de hierro, ambos arroyamientos, primario y secundario, son completamente independientes y la energa elctrica se transmite del primario al secundario en forma de energa magntica a travs del ncleo4. La tensin de salida depende de la tensin de entrada y del nmero de espiras de primario y secundario. Como frmula general se dice que:

Vp Vs = Np NsVs = Ns Vp Np

(1)

(2)

Donde Np y Ns son el nmero de espiras del primario y el del secundario respectivamente. Por el primario y el secundario pasan corrientes distintas, la relacin de corrientes tambin depende de la relacin de espiras pero al revs, de la siguiente forma:

Is = Ip * (Np/Ns)

(3) (4)

Is =4

Np Ip Ns

Alciatore, David y Histtand, Michael.(2007). Introduccin a la Mecatrnica. Ed. Mc Graw Hill. Mxico.


45

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA Donde Ip e Is son las corrientes de primario y secundario respectivamente. Esto nos sirve para saber que corriente tiene que soportar el fusible que pongamos a la entrada del transformador. Para asegurarnos de que el fusible no saltar cuando no debe, se tomar un valor mayor que este, por lo menos un 20% o 30% mayor.5

b)

RECTIFICADOR A DIODOS

El rectificador es el que se encarga de convertir la tensin alterna que sale del transformador en tensin continua. Para ello se utilizan diodos. Un diodo conduce cuando la tensin de su nodo es mayor que la de su ctodo. El rectificador se conecta despus del transformador, por lo tanto le entra tensin alterna y tendr que sacar tensin continua, es decir, un polo positivo y otro negativo:

220V

Vi

Rectificador

vo

5

Thomas Floyd.(2002). Principios de Circuitos Elctricos. Ed. Pearson Prentice Hall.


46

I.S.T.P IDAT ELECTRNICALa tensin Vi es alterna y senoidal, esto quiere decir que a veces es positiva y otras negativa. En un osciloscopio veramos esto:

+

Vi

+

+

La tensin mxima a la que llega Vi se le llama tensin de pico y en la grfica figura como Vp. la tensin de pico no es lo mismo que la tensin eficaz pero estn relacionadas. La tensin de pico Vp est dada por la ecuacin:

Vp = Vrms *1.4142Tipos de rectificadores:i.

(5)

Rectificador a un diodo (Media Onda)

El rectificador ms sencillo es el que utiliza solamente un diodo, su esquema es:

+

220V

Vi

Vo -

RL


47

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA Cuando Vi sea positiva la tensin del nodo ser mayor que la del ctodo, por lo que el diodo conducir: en Vo veremos lo mismo que en Vi, mientras que cuando Vi sea negativa la tensin del nodo ser menor que la del ctodo y el diodo no podr conducir, la tensin Vo ser cero. Segn lo que acabamos de decir la tensin Vo tendr esta forma:

Vp V dc + Vo + +

El voltaje de salida promedio en Vdc est dado por la ecuacin siguiente:

Vdc = 0.318Vp

(6)

Vdc= Voltaje de corriente directa a la salida del diodo rectificador. Donde:

Vp = 1.4142 (Vrms )Vp= Voltaje Pico

(7)


48

I.S.T.P IDAT ELECTRNICAii.

Rectificador en puente (Onda Completa)

El rectificador ms usado es el llamado rectificador en puente, su esquema es el siguiente:+

220V

Vi

Vo -

RL

Cuando Vi es positiva los diodos D2 y D3 conducen, siendo la salida Vo igual que la entrada Vi, cuando Vi es negativa los diodos D1 y D4 conducen, de tal forma que se invierte la tensin de entrada Vi haciendo que la salida vuelva a ser positiva. El resultado es el siguiente:Vp Vdc + Vo + + +

El voltaje de salida promedio en Vdc para un rectificador de onda completa con diodo tipo puente siguiente: est dado por la ecuacin

Vdc = 0.0636VpsdMODULO DE TRANSMISIN DIGITAL

(8) 49

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA El voltaje pico en la salida del diodo puente para un nivel DC (Vpsd) est dado por:

Vpsd = Vp 2VdDonde:

(9)

Vp=voltaje pico a la entrada del diodo puente en nivel AC, tambin representar el voltaje pico a la salida del transformador.

Vp = 1.4142 (Vrms )Vd= voltaje del diodo rectificador = 0.7V

(10)

El voltaje pico de entrada al diodo rectificador (Vpid) es igual al voltaje pico de salida en el secundario del transformador (Vpst), esta dado por la ecuacin:

Vpst = VPid = 1.4142 (Vrms )

(11)

El Voltaje de Pico inverso (PIV) para un rectificador tipo puente esta dado por:

PIV = Vpc) FILTRO

(12)

Lo que hace el filtro, es aplanar al mximo la seal proveniente del diodo rectificador tanto del rectificador de media onda y de onda completa, para que no haya oscilaciones, mediante filtros, MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 50

I.S.T.P IDAT ELECTRNICAque retienen la corriente y la dejan pasar lentamente para suavizar la seal, as se logra la tensin de corriente continua en forma lineal. Si se quiere ajustar el valor del condensador para encontrar un nivel de rizado adecuado para una fuente de onda completa con diodo tipo puente se utiliza la siguiente ecuacin:

Vr =

Idc f *C

(13)

Donde: Vr= voltaje de rizado en niveles AC pico a pico F= la frecuencia equivalente a 120HZ C= capacitor de fitro Idc= corriente de consumo. Para un buen funcionamiento del nivel DC es recomendable que el porcentaje de rizado sea mnimo. La siguiente ecuacin determina el porcentaje de rizado.

r% =

Vr (rms ) *100 Vdc

(14)


51


d)

REGULADOR LINEAL

Un regulador o estabilizador es un circuito que se encarga de reducir el rizado y de proporcionar una tensin de salida a la tensin exacta que queramos.+ Vi1 VI GND VO 3

Vout

2 20 V

Vi -

Es muy corriente encontrarse con reguladores que reducen el rizado en 10000 veces (80 dB), esto significa que si usas la regla del 10% el rizado de salida ser del 0.001%, es decir, inapreciable. Las ideas bsicas de funcionamiento de un regulador de este tipo son: 1. La tensin entre los terminales Vout y GND es de un valor fijo, no variable, que depender del modelo de regulador que se utilice. 2. La corriente que entra o sale por el terminal GND es prcticamente nula y no se tiene en cuenta para analizar el MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 52

2

RL

I.S.T.P IDAT ELECTRNICAcircuito de forma aproximada. Funciona simplemente como referencia para el regulador. 3. La tensin de entrada Vin deber ser siempre unos 2 o 3 V superior a la de Vout para asegurarnos el correcto funcionamiento. Los tipos de reguladores que utilizaremos sern: Reguladores de la serie 78XX (Para voltajes positivos) Reguladores de la serie 79XX (Para voltajes negativos)

4.2

MODULACIN POR PULSOS CODIFICADOS (PCM)

La tcnica de modulacin por codificacin de pulso consiste en tomar muestras de una seal analgica, cuantificarlas y codificarlas a una seal digital serie, en la cual los pulsos son de longitud y amplitud fija. Cada muestra de la seal analgica es representada por una cadena de bits, es decir, un nmero binario el cual vara de acuerdo a la amplitud de la muestra. Estos pulsos son enviados a travs de un medio hacia el receptor. En el receptor la seal digital es convertida a una seal analgica la cual se filtra para recuperar la seal original.


53

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA En la figura siguiente se muestra un diagrama simplificado a

bloques del circuito de PCM implementado en el desarrollo experimental de la monografa.

En forma ms detallada se muestra en el siguiente bloque

a)

FILTRO DE ENTRADA


54

I.S.T.P IDAT ELECTRNICALos filtros activos son circuitos compuestos por resistencias, condensadores y amplificadores operacionales, cuya finalidad es dejar pasar a travs de ellos las frecuencias para las que han sido diseados, eliminando por tanto el resto de las frecuencias que no interesan. Los filtros pueden ser pasivos o activos. Dadas las caractersticas de la seal de voz es necesario implementar un filtro, que limitara la seal de 300 Hz a 3400 Hz, siendo entonces nuestro ancho de banda de inters de 3100 Hz. Los filtros para limitar las bandas antes mencionadas de obtienen mediante filtros pasa altos y pasa bajos activos conectados en cascada el cual forman un filtro pasa banda. A1. FILTRO ANTIALIASING Si una seal se muestrea a menos de dos veces su componente de frecuencia mxima, puede resultar aliasing (se genera una seal de la misma forma, pero de otra frecuencia) por efecto del submuestreo; para evitar este fenmeno es necesario recurrir a la implementacin de un filtro antialias constituido por una red RC o por un filtro activo constituido por amplificadores operacionales.


55


A.2. FILTRO PASA BAJO Los circuitos de filtro pasa bajo se utilizan para suprimir o atenuar aquellas zonas indeseadas de un espectro de frecuencias altas. Un tipo de filtro es el filtro Butterworth tambin es llamado filtro de mximo plano o filtro plano-plano. Lo anterior debido a que su respuesta en la banda de paso tiende a ser plana. Otra caracterstica importante es que en este tipo de filtros es

relativamente fcil lograr que la ganancia en lazo cerrado sea muy cercana a la unidad. En el siguiente grafico mostramos un filtro pasa bajo de segundo, la frecuencia de corte est determinado por la siguiente frmula:

Fc =

1 2RC

Para simplificar la frmula los valores en las dos resistencias y condensadores son iguales6. Donde:

RA = RB CA = CB6

Thomas Floyd. (2002). Dispositivos Electrnicos. Ed. Limusa.


56


CA

3 6 2

CB

4 1 5

7

GEN

RA

RB

R1

R2

Cabe mencionar que las resistencias R1 y R2 mediante una realimentacin negativa al amplificador no inversor producen el factor de amortiguamiento (FA). Este factor afecta la respuesta del filtro mediante accin de la realimentacin negativa. Cualquier intento por aumentar o disminuir el voltaje de salida es compensado por el efecto opuesto de la realimentacin negativa. Lo anterior tiende a hacer plana la curva de respuesta en la banda de paso del filtro. El valor del factor de amortiguamiento requerida para producir una caracterstica deseada depende del orden del filtro para fines de nuestro sistema Modulo de transmisin digital utilizamos un filtro de segundo orden con respuesta Buttherwort, cual factor de amortiguamiento debe ser de 1.4147. Para encontrar sta razn la frmula es l siguiente:

7

dem.


57

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICAFA = 2 R1 R2

R1 = 2 FA = 2 1.414 = 0.586 R2

Segn Robert Coughlin8 existe otro tipo de diseo. Su esquema y las formulas se muestran a continuacin:

Fc =

1 2RC

R1 = R 2 C 2 = 2C1

C2

3 6 2

C1

A.3. FILTRO PASA ALTO La respuesta de un filtro pasa alto es aquella que atena significativamente a todas las frecuencias menores que la frecuencia de corte (Fc) y permite el paso a todas las frecuencias mayores a ella. Las consideraciones son las mismas que para el8

Robert Coughlin.(1999). Amplificadores Operacionales y circuitos integrados lianeales.

4 1 5

7

GEN

R1

R2


58

I.S.T.P IDAT ELECTRNICAfiltro pasa bajo. La frecuencia de corte est determinado por la siguiente formula:Fc = 1 2RC

R A

C A

C B3 2

7

6

4

1

R B

5

R 1

R 2

De la misma forma Robert Coughlin9 dispone a un filtro pasa alto de la siguiente forma:

R 2

C 1

C 23 2

7

6

4

1

R1

Fc =

1 2RC

9

dem

5


59

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA1 R1 2 C 2 = C1 R2 =b)

AMPLIFICADOR DE LA SEAL DE ENTRADA

Los amplificadores de seal y los sumadores de nivel de Vdc acondicionan una seal analgica para que pueda ser inyectada a un ADC. Si se mediante desea enviar digitalmente la preamplificacin, la seales analgicas de amplificacin y el

informacin es necesario un acondicionamiento previo de la seal acondicionamiento de la seal de entrada para su digitalizacin mediante los convertidores Analgicos a Digitales, ya que estos dispositivos requieren de ciertas caractersticas (amplitud entre 0V y 5V de Vdc).

Mi c

Preamplificaci n

Amplificacin y acondicionamiento de la seal

Una seal analgica debe tener cierto valor en amplitud para que pueda ser digitalizada de forma adecuada. Generalmente la amplitud requerida por los ADC comerciales es de 5V como mximo. La amplificacin de la seal analgica se puede realizar usando diversos dispositivos electrnicos como por ejemplo transistores, amplificadores operacionales, entre otros. En la MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 60

I.S.T.P IDAT ELECTRNICArealizacin de la parte experimental de esta monografa se

usarn amplificadores de seal basados en amplificadores operacionales ya que son de fcil diseo y econmicos.Va(+5V)

R3 U37 V1 3 6 2 1nF

C3

V2

VIN R11k

R4

El circuito de la figura anterior muestra un amplificador operacional en configuracin no inversora seguido de un sumador de nivel cd mediante divisor de voltaje. Este circuito amplifica la seal de entrada entregando un voltaje V1 a un sumador de voltaje de cd. ste divide el voltaje V por medio de las resistencias R3 y R 4y el voltaje en la resistencia R4 es el voltaje sumado al voltaje V1. El voltaje V1 est dado por la siguiente ecuacin10: R2 V 1 = Vin1 + R1 10

4 1 550%

R2

(xx)

Alciatore, David y Histtand, Michael.(2007). Introduccin a la Mecatrnica. Ed. Mc Graw Hill. Mxico.


61

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA Donde:Vin = voltaje de entradaV1 = voltaje de salida del amplificador

Vcc =voltaje de alimentacin R1 = resistencia 1 R2 =resistencia de retroalimentacin

El voltaje de salida V est dado por la siguiente ecuacin:V2 = V1 + ( R3 * Va ) R3 + R4

(xx)

Donde: V2= voltaje de salida V1= voltaje de salida del amplificador Va= Voltaje de alimentacin R3= resistencia 1 del divisor de voltaje R4= resistencia 2 del divisor de voltaje En la siguiente seccin se describe el proceso de conversin de una seal analgica a una seal digital. c) MUESTREO 62


I.S.T.P IDAT ELECTRNICAEl muestreo es el proceso de tomar el valor instantneo de la seal analgica a digitalizar cada determinado tiempo11. La frecuencia de muestreo se escoge de acuerdo al teorema de Nyquist, el cual establece que la frecuencia mnima de muestreo (fs) debe ser el doble de la frecuencia mxima de la seal de entrada analgica (fa)12. Si fa es 2 mayor que 2fs que la mnima frecuencia de muestreo es: habr distorsin en la seal analgica recuperada. Entonces tenemos

fs >= 2faDonde: fs = frecuencia mnima de muestreo de Nyquist (Hertz) fa = mxima frecuencia que se debe muestrear (Hertz) El periodo de muestreo es el tiempo transcurrido entre cada proceso de muestreo de la seal y est dado por:

Ts = 1/fsDonde:T = periodo de muestreo

En la figura se muestra una seal sinusoidal a la cual se le aplica un proceso de muestreo y retencin.11

Garca Miguel y Otros.(2004). Instrumentacin Electrnica. Ed. Thomson. Espaa. 12 dem.


63


La seal de salida del muestreador puede tomar cualquier valor dentro del rango de amplitud de la seal muestreada, este hecho hace necesario el proceso de cuantificacin de la seal. Como los procesos de cuantificacin y codificacin no pueden realizarse a una velocidad ilimitada, se emplea un circuito de muestreo y retencin "sample and hold" (S/H) para mantener constante la amplitud del valor de muestreo. Este va seguido del convertidor A/D y de un convertidor paralelo/serie para la generacin final de la seal PCM. MUESTREO Y RETENCIN En muchos casos es necesario tomar muestras de una seal y luego procesarlas en un sistema procesador de datos. Ya que el MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 64

I.S.T.P IDAT ELECTRNICAproceso de datos toma tiempo, y lo que es ms, requiere una seal de entrada que varia, las muestras deben ser de duracin suficiente. Ya que el proceso de muestreo es por lo general muy rpido, es necesario almacenar de algn modo las muestras durante el tiempo requerido. Un circuito que muestrea y almacena es denominado circuito de Muestro y Retencin13, el circuito se muestra en la siguiente figura.

3

seal de entrada

6 2 4 1 5

1

X C

Y

2

3 6 2

C

13

U1:A(C)

Pulsos de muestreo

El tipo de capacitor empleado para esta aplicacin es importante. Un capacitor de baja corriente de fuga, como los de tipo polietileno, sera una buena eleccin. Un capacitor electroltico sera una deficiente eleccin debido a su alta corriente de fuga. Esta prdida causara que el valor de voltaje de la salida caiga durante el periodo de retencin. Hay dos tcnicas bsicas para llevar a cabo la funcin de muestreo y retencin: llamada muestreo natural y muestreo de cresta plana.13

Frenzel Louis.(2003). Sistemas Electrnicos de Comunicaciones. Ed. Alfa omega.. Mxico.

4 1 5

7

U2(POS IP)

Conmutador analgico

7


65

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA MUESTREO NATURAL.- Es cuando se muestrean las partes superiores de la forma de onda analgica que se muestrea y conservan su forma natural.

MUESTREO DE CRESTA PLANA.- Este es el mtodo ms comn para muestrear seales de voz en sistemas PCM, que se logra mediante un circuito de muestreo y retencin. El objeto de este circuito es muestrear en forma peridica la seal analgica de entrada, que cambia en forma continua, y convertir esas


66

I.S.T.P IDAT ELECTRNICAmuestras en una serie de niveles pulsos (PAM) de amplitud constante. que varan en amplitud de

d)

CUANTIZACIN O CUANTIFICACIN o cuantificacin es el proceso de limitar o

La cuantizacin

convertir el rango continuo de valores que las muestras pueden tener a un nmero limitado de valores discretos14. El nmero de14

Fiore, James.(2002). Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales. Ed. Thomson.


67

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA valores permitidos depende directamente del nmero de salidas o de bits con los que se vayan a representar las muestras. Entonces tenemos que el nmero de valores permitidos est dado por:

N =2Donde:

n

N = nmero de valores discretos permitidos n = nmero de salidas o de bits para representar las muestras Durante toda cuantificacin se produce el llamado "error de cuantificacin". Este se debe a que todos aquellos valores de amplitud analgicos que se encuentran dentro un intervalo de cuantificacin se reducen a un solo valor promedio representativo de dicho nivel de cuantificacin. Este error se hace evidente como distorsin no lineal de la seal, y por lo tanto tambin se le denomina "ruido de cuantificacin". La amplitud de los intervalos de cuantificacin se calcula con la siguiente frmula:Ac = A 265

La seal cuantificada slo toma valores en los niveles permitidos, MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 68

I.S.T.P IDAT ELECTRNICAesto genera un error llamado ruido de cuantizacin y se puede reducir aumentando el nmero de niveles permitidos para la seal digital. En la figura siguiente se muestra una seal sinusoidal cuantificada, en este caso el nmero de niveles permitidos es de 16.

CUANTIFICACION UNIFORME (LINEAL) En los cuantificadores uniformes (o lineales) la distancia entre los niveles de reconstruccin es siempre la misma. No hacen ninguna suposicin acerca de la naturaleza de la seal a cuantificar, de ah que no proporcionen los mejores resultados. Sin embargo, tienen como ventaja que son los ms fciles y menos costosos de implementar.

CUANTIFIACIN LOGARTMICA MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 69

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA Las seales de voz pueden tener un rango dinmico superior a los 60 dB, por lo que para conseguir una alta calidad de voz se deben usar un elevado nmero de niveles de reconstruccin. Sin embargo, interesa que la resolucin del cuantificador sea mayor en las partes de la seal de menor amplitud que en las de mayor amplitud. Por tanto, en la cuantificacin lineal se desperdician niveles de reconstruccin y, consecuentemente, ancho de banda. Esto se puede mejorar incrementando la distancia entre los niveles de reconstruccin conforme aumenta la amplitud de la seal. Un mtodo sencillo para conseguir esto es haciendo pasar la seal por un compresor logartmico antes de la cuantificacin. Esta seal comprimida puede ser cuantificada uniformemente. A la salida del sistema, la seal pasa por un expansor, que realiza la funcin inversa al compresor. A esta tcnica se le llama compresin. Su principal ventaja es que es muy fcil de implementar y funciona razonablemente bien con seales distintas a la de la voz. Para llevar a cabo la compresin existen dos funciones muy utilizadas: Ley-A (utilizada principalmente en Europa) y ley(utilizada en EEUU). LEY A:


70


LEY U:

e)

CODIFICACIN

La codificacin dentro del proceso de conversin de una seal analgica a una seal digital se refiere a la asignacin de un cdigo o nmero binario a cada una de las muestras cuantificadas anteriormente. En la figura anterior se muestra la asignacin del cdigo a cada nivel de cuantizacin usando 4 bits. La salida de esta etapa es en forma paralela, es decir, se obtiene la seal de las n lneas de salida del ADC simultneamente. 71


I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA El proceso de cuantificacin y codificacin lo realiza

generalmente un circuito integrado llamado convertidor analgico a digital (ADC por sus siglas en ingles) del cual trataremos a continuacin. CONVERTIDORES ANALGICOS A DIGITALES Existe base una a gran variedad de circuitos En la y tcnicas de

implementacin de convertidores A/D los cuales se disean en diferentes principios. siguiente seccin describiremos brevemente los tipos de convertidores de acuerdo a su clasificacin que utilizaremos en el Modulo de transmisin Digital. I. NO INTEGRADORES

Potenciomtricos

Tipo contador o escalera De aproximaciones sucesivas Paralelo (flash converter) De conversin de tensin en tiempo (simple rampa)

II.

INTEGRADORES

De conversin de tensin en tiempo (doble rampa) De conversin de tensin en frecuencia


72

I.S.T.P IDAT ELECTRNICASolo unas pocos son los que se utilizan en la prctica. La eleccin del mtodo de conversin ms adecuado depende bsicamente de dos factores: resolucin y velocidad requerida, aunque tambin se tiene en cuenta el rechazo a las seales espurias y el costo.

I. CONVERSORES A/D NO INTEGRADORES POTENCIOMTRICOS

Conversor

A/D

tipo

contador:

Uno

de

los

conversores A/D ms simple es el tipo contador. Este circuito emplea un contador digital para controlar la entrada de un conversor D/A. La salida del contador se incrementa cada vez que recibe un pulso de reloj. Consecuentemente la salida del conversor D/A se incrementa en el valor equivalente al peso del bit menos significativo por cada cuenta del contador. Un comparador analgico compara la salida del D/A con la tensin de entrada y detiene el reloj cuando son iguales. La cuenta alcanzada por el contador es un nmero binario que representa la tensin analgica de entrada.


73


Conversor A/D de aproximaciones sucesivas: Este es el mtodo de conversin ms utilizado actualmente para conversores A/D en el rango de velocidades medias a muy rpidas. Esta tcnica llamada de aproximaciones sucesivas utiliza un conversor D/A en el lazo de realimentacin de un circuito de control digital que controla su salida y la va cambiando hasta que iguala a la seal analgica. Para obtener la palabra digital de salida se requieren solamente n pasos (o pulsos de reloj) donde n es el nmero de bits de resolucin del conversor.

El convertidor opera de la siguiente manera: la lgica de control primero activa el bit ms significativo del D/A y el comparador coteja la salida de este con la entrada analgica. Si la salida del MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 74

I.S.T.P IDAT ELECTRNICAD/A supera al nivel analgico el bit es apagado, caso contrario se deja encendido. La operacin se repite con el siguiente bit en orden de importancia. Una vez probados los n bits, la entrada al D/A es la palabra digital que representa (para n bits) a la seal analgica. El sistema digital que controla esta operacin se denomina registro de aproximaciones sucesivas (SAR).

Conversor A/D paralelo (flash converter): Para conversiones ultrarrpidas como las requeridas en aplicaciones de procesamiento de seales de video o radar se utilizan los conversores tipo paralelo (flash o simultneos). Estos conversores en general no superan los 8 bits de resolucin. La figura siguiente muestra el circuito que implementa este mtodo de conversin El circuito utiliza 2n - 1 comparadores que implementan directamente la funcin transferencia del conversor A/D. La cadena de resistencias en serie


75

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA fijan los puntos de referencia de los comparadores que estn apartados uno de otro en un nivel equivalente al peso del bit menos significativo. Para un nivel de tensin de entrada dado, aquellos comparadores cuya referencia este por debajo del nivel de entrada tendrn su salida en uno, y el resto en cero. La salida de los comparadores es transformada en una palabra digital por medio de un decodificador. Dado que los comparadores cambian de estado simultneamente la operacin de conversin se realiza en un solo paso. La limitacin fundamental de este mtodo radica en el nmero de comparadores necesarios para obtener una resolucin razonable.


76

I.S.T.P IDAT ELECTRNICAClasificacin de los conversores A/D segn tipo y velocidad de conversin15.

f) SERIE

CONVERSION DE LA SEAL DIGITAL PARALELA A

El proceso de convertir una seal digital paralela a una seal digital serie se puede llevar a cabo con distintos dispositivos electrnicos simples como pueden ser registros de corrimiento o con dispositivos electrnicos ms complejos como pueden ser microcontroladores. Sea cual sea el dispositivo usado el objetivo es convertir la seal paralela obtenida del ADC en varias lneas a una seal digital serial para que pueda ser enviada a una sola lnea de transmisin.

15

Jos Hugo Algaaraz. Notas de Curso. Instrumentacin. Universidad Nacional del Sur. Mxico


77


El procedimiento puede variar un poco dependiendo del dispositivo electrnico usado pero el principio es el mismo. El convertidor paralelo-serie toma la seal en forma paralela directamente del ADC cada determinado tiempo controlado por un reloj, posteriormente cada determinado tiempo controlado por otro pulso de sincronismo enviando los bits almacenados uno a uno hacia la salida en un orden especifico. Cuando termina de enviar en forma serial los bits correspondientes a una muestra toma la lectura en paralelo siguiente y el proceso se repite. El reloj CLK2 que controla el envo de los bits en forma serial es, en este caso, 4 veces ms rpido comparado con el reloj CLK usado para controlar la lectura o carga de los bits en forma paralela. Lo anterior debido a que por cada lectura se envan 4 bits en forma serial. La seal digital serie de informacin en este punto es llamada MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 78

I.S.T.P IDAT ELECTRNICAseal PCM. Es posible enviar esta seal a travs de una sola lnea de transmisin hacia el receptor, en donde, se seguirn varios procesos para recuperar la informacin.

4.3

ETAPA

GENERADOR

DE

SEAL

(SINUSOIDAL

Y

RAMPA)

OSCILADORES El circuito generador de seal senoidal, rampa y cuadrada son sistemas basados en circuitos osciladores, las cuales generan ondas senoidales que generalmente varan desde 0HZ hasta cientos de KHz. El trmino generador de seal se utiliza, a menudo, para osciladores que modulan una seal. Todos los osciladores contienen tres elementos bsicos: un circuito oscilante que determina la frecuencia, un amplificador para proporcionar amplificacin y una seal de salida til, y un circuito de realimentacin para desviar hacia la entrada parte de la salida amplificada con el fin de compensar prdidas en el circuito de oscilacin y mantener las oscilaciones16.

16

Bill. Bolton. (1995). Mediciones y Pruebas Elctricas y Electrnicas Barcelona


79

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICARealimentacin

Salida Circuito oscilante Amplificad or

Hay dos tipos principales de circuitos oscilantes que se utilizan para los osciladores: el de inductancia capacidad (LC) y el de resistencia-capacidad (RC). Un circuito de inductancia-capacidad resuena a una frecuencia f dada por:

f =

1 2 LC

Los osciladores ms ampliamente utilizados que se basan en la resonancia LC son los circuitos de Hartley y de Colpitts17. Tales osciladores se utilizan para proporcionar frecuencias en el margen dentro de 10Khz y los 100Mhz. No son tiles para bajas frecuencias por que las componentes L y C serian altas. Los circuitos osciladores RC son circuitos que tienen una frecuencia selectiva. Las dos ms comunes son: El Puente de Wien y el oscilador de desplazamiento de fase.

17

dem


80

I.S.T.P IDAT ELECTRNICAUn circuito de resistencia-capacidad resuena a una frecuencia f dada por:

f =

1 2 RC

El oscilador tipo Wien es ampliamente utilizado para mrgenes de frecuencia entre 20Hz y 20Khz y tiene un lmite superior de 1Mhz, el oscilador de desplazamiento de fase tiene un lmite hasta 10Khz pero no tiene una frecuencia tan estable y es una desventaja. EL GENERADOR DE SEAL XR2206 El XR2206 es un generador de funciones integrado. Con l

obtenemos en la salida una seal sinusoidal, cuadrada, triangular, del tipo diente de sierra o un tren de pulsos. Es bastante estable frente a las variaciones de temperatura y tiene una gran precisin. Tiene un margen de frecuencia que va desde 0,01 Hz a ms de 1Mhz y puede ajustarse externamente. Es posible, asimismo, modular la seal de salida en amplitud o frecuencia usando una tensin exterior. Este circuito integrado es bastante utilizado para comunicaciones e instrumentacin. Mediante este circuito integrado podemos desplazar la frecuencia de oscilacin usando una tensin de control exterior. El XR2206 est formados por cuatro bloques: un VCO (oscilador controlado por tensin), un multiplicador analgico y conformador MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 81

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA de onda, un amplificador de ganancia y un conjunto de interruptores de corriente. Las principales caractersticas de este circuito integrado son: Baja distorsin de la seal.

Excelente estabilidad, por tener un amplio desplazamiento de frecuencia.

Baja sensibilidad frente a variaciones en la alimentacin Un alto margen de tensin de alimentacin.

Amplitud mxima de las seales de salida: 3V (triangular y rectangular) 0,8V (senoidal) Impedancia de salida: 600ohm Este circuito integrado suele ser usado como generadores de ondas sinusoidales, cuadradas, triangulares, etc. Generadores de AM y FM, generadores de tono, convertidores de tensin a frecuencia, etc.


82


La disposicin del Circuito integrado es el siguiente:

4.4

GENERADOR MUESTREADOR

DE

PULSOS

DE

RELOJ

PARA

EL

Un generador de pulsos es un sistema que produce pulsos cuya anchura permanece constante, pero el tiempo entre impulsos puede variar. Un circuito generador de ondas cuadradas es un sistema que produce impulsos con un ancho igual al medio ciclo; el ancho cambia para mantener esta relacin cuando el tiempo de ciclo vara.


83


Ciclo til(%) =

ancho del pulso x 100% Periodo del pulso

Por tanto, una onda cuadrada tiene un ciclo til de 50%, los circuitos que producen ondas cuadradas pueden ser conformadores de pulsos que convierten una onda senoidal de salida de un oscilador en un tren de pulsos. EL TIMER 555 E temporizador 555 es conocido por sus diversas aplicaciones en electrnica y telecomunicaciones por su fcil manejo y confiabilidad. Utiliza fuentes de alimentacin desde +5V hasta +18V, con lo que es compatible tanto con circuitos TTL como con circuitos de amplificadores operacionales. Este circuito consiste bsicamente en dos comparadores, resistencia divisora de voltaje, un flip flop y descarga al transmisor, estos dos estados dividen de quien los pueda manejar un alto voltaje o bajo voltaje. El estado de salida puede ser controlado por sus propiedades en


84

I.S.T.P IDAT ELECTRNICAseal de entrada y reloj controlador de los elementos que contienen a este. El diagrama en bloque interno se muestra a continuacin:

OPERACIN ASTABLE: Una aplicacin popular del CI del temporizador 555 es como multivibrador astable o circuito de reloj. El siguiente anlisis de la operacin del 555 como un circuito astable incluye detalles sobre las diferentes partes de la unidad y cmo se utilizan las diversas entradas y salidas. La figura muestra un circuito astable construido con la ayuda de una resistencia y un condensador externos para fijar el intervalo de temporizacin de la seal de salida. El diagrama circuital se muestra a continuacion. MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 85

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICAVc c

R 1

8

R

V C C

4

Q D C

3 7 55 5

S lid a a

R 2

5

C V G D N

2

T R

T H

6

C

C 2

El condensador C se carga hacia Vcc por medio de las resistencias externas R1y R2. Haciendo referencia a la figura anterior, el voltaje del condensador C se eleva hasta que llega a ser superior a 2Vcc/3. Este voltaje es el umbral en la terminal 6, que maneja al comparador 1 para disparar al flip-flop en forma tal de que la salida en la terminal 3 pasa a bajo. Adems, el transistor de descarga se desactiva, lo que ocasiona que la salida en la terminal 7 descargue al condensador por medio de la resistencia R2. Luego, el voltaje del condensador disminuye hasta que cae por debajo del nivel de disparo (Vcc/3). Entonces el flip-flop se dispara para que la salida regrese a alto, y el transistor de descarga se desactiva para que el condensador pueda de nuevo cargarse a travs de las resistencias R1 y R2 para llegar a Vcc. MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 86

1


LA FRECUENCIA DE OSCILACIN La seal de salida conserva un nivel alto durante el intervalo en el que C se carga y aumenta el valor 1/3Vcc a 2/3Vcc, este intervalo de tiempo se calcula mediante la ecuacin:

t alto = 0.695( R1 + R 2)CLa salida est en nivel bajo durante el intervalo en que C se descarga del valor 2/3Vcc expresin: a 1/3Vcc y se calcula con la

tbajo = 0.695 R 2CPor lo tanto, el periodo total de oscilacin, T, es:

T = t alto + tbajo = 0.695( R1 + 2 R 2)CFinalmente las frecuencia de oscilacin libre es:

f =

1 1.44 = T ( R1 + 2 R 2)C


87


CAPTULO 5 ANALISIS CUANTATATIVO 5.1 EXPLICACIN CIRCUITAL DEL MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL El Modulo de Transmisin Digital es un conjunto de circuitos tales como el bloque PCM constituido por una entrada de micrfono y una entrada de seal analgica a una frecuencia variable hasta 10Khz y una amplitud mxima variable de 4Vpp seguido de un preamplicador, un amplificador y un divisor de voltaje para el acondicionamiento de la seal. Este bloque est conectado a una filtro pasabanda para una frecuencia audible con un rango entre 300Hz y 3.4Khz; la seal acondicionada procedente de sta salida ingresa al circuito muestreador de cresta plana que est conformado por un swich analgico mediante un FET. El circuito mencionado muestrea a una frecuencia de 8Khz la seal analgica. La siguiente seccin est constituida por un circuito convertidor Analgico a Digital conformado por el Circuito integrado ADC0804 con una resolucin de 8 bits seguido de un convertidor de paralelo a serie constituido por registros con Flip Flop tipo D; finalmente a la salida obtenemos la seal PCM. Cabe mencionar que el circuito muestreador, el convertidor ADC y el convertidor MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 88

I.S.T.P IDAT ELECTRNICAde paralelo a serie trabaja a la misma frecuencia sincronizado de reloj. Para el funcionamiento del bloque PCM es necesario contar con dos circuitos las cuales proveen a la etapa del muestreador, ADC y del convertidor paralelo a serie pulsos de reloj en formas de onda cuadrada. El generador de pulsos est constituido por el circuito integrado comercial Timer 555 en modo astable a una frecuencia variable hasta 10Khz. En las siguientes secciones explicamos el funcionamiento en bloques. 5.1 ETAPA FUENTE DE ALIMENTACIN

DESCRIPCIN GENERAL Se encuentran en el SET principal. Las fuentes de alimentacin implementadas son diseadas con reguladores convencionales fijos de 5 voltios y 15 voltios de salida que entregan una corriente mxima de 1,5 amperios, tanto positiva como negativa. Utilizaremos condensadores electrolticos (son los que tienen polaridad), con una capacidad de 220uF/50V, para evitar en lo posible el rizado de alterna, se utiliza esta alta capacidad para ms seguridad, cuando se exija el mximo de corriente. La


89

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA tensin de +5V,+15V Y -15V la obtendremos del puente que

representa el punto ms positivo en el montaje. Se utilizan los integrados 7805, 7815 y 7915, con lo que se asegura la alimentacin de los circuitos diseadas para el mdulo, adems de los circuitos externos que el usuario implementara para usar en sus experiencias. Estos integrados cuentan con un sistema de proteccin de sobrecarga o cortocircuito. Los reguladores que utilizaremos en esta ocasin, son de +5V, -15V y +15V, con las referencias 7805, 7915 y 7815 el encapsulado, del tipo TO220AB.

Vcc

Vdc

TRANSFORMADOR

RECTIFIDADOR

FILTRO

REGULADOR

1

VI GND

VO

3

CLCULO DEL TRANSFORMADOR DE ENTRADA Para el funcionamiento del Modulo de Transmisin Digital se requiere una fuente de alimentacin con las siguientes caractersticas:

2


90


Voltajes de alimentacin para el sistema de -15V, +15V, +5V con una corriente de consumo aproximado de 1.5A , y un voltaje de rizado de 0.5V pico a pico con una porcentaje de rizo del menos de 5%.

Los voltajes antes mencionados lo obtendremos a travs de circuitos reguladores con circuitos integrados monolticos; sin embargo necesitamos calcular el voltaje a la entrada del regulador, el capacitor de filtro y el voltaje en el secundario del transformador. Durante el diseo de una fuente de alimentacin utilizando los reguladores integrados lineales Robert Coughlin18 menciona que es necesario tener un margen de voltaje mnimo en la fuente de alimentacin no regulada: la formula es la siguiente.

Vdc = Vo + m arg enSiendo: Vo=Vcc= Voltaje en la salida del regulador Margen= El autor considera conveniente 3V Entonces de acuerdo al requerimiento de nuestra fuente la entrada antes del regulador ser:

Vdc = 15V + 3V = 18V18

Robert Coughlin.(1998).Amplificadores Operacionales y circuitos integrados lineales. Ed. Prentice Hall Iberoamericana. Mxico


91

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA Como sabemos en la salida del rectificador existen dos tipos de voltaje (uno alterno (Vac) y otro continuo (Vdc). Por lo tanto en la salida del rectificador tendremos 18Vdc; debemos mencionar que utilizamos un rectificador tipo puente de onda completa.

Vp Vdc

De acuerdo a la ecuacin (8) y (9) necesitamos encontrar el voltaje pico en la salida del rectificador.

Vdc = 0.636Vpsd Vdc = 0.636(Vp 2Vd )Entonces:

18V = 0.636(Vp 2(0.7V ) Vp = 26.85VacPara transformar en Vrms ser necesario aplicar la formula (10). 92



Vp = 1.4142 (Vrms)

26.85 = 1.4142Vrms Vp( rms ) = 18.99VacEste ser el voltaje pico en la salida del rectificador en forma de seal alterna. Este voltaje ser el voltaje pico que se encuentra en la entrada del rectificador tipo puente, que es igual a la salida del secundario del transformador. Entonces necesitamos un transformador con:

Vp = 220V Vs = 18.99VCLCULO DEL VOLTAJE DE PICO INVERSO DEL DIODO El Voltaje de Pico inverso (PIV) para un rectificador tipo puente esta dado por:

PIV = VpVIP = 18.99VCLCULO DEL CAPACITOR DE FILTRO


93


De acuerdo a los requerimientos de la fuente de alimentacin para el sistema, se necesita un voltaje de rizado de 0.5V pico a pico. Sin embargo en la ecuacin (13) encontramos una formula para calcular el voltaje de rizo; entonces:

Vr =

Idc f *C

De acuerdo a la frmula (10) y al requerimiento tenemos:

0.5V = 1.4142Vrms Vr ( rms ) = 0.35VacEste ser el voltaje de rizado en rms. Por criterio de diseo seleccionamos un capacitor de 2200uF y empleando la formula (13) calculamos la corriente de carda Idc.

0.5V =

Idc 120 * 2200 uF

Idc = 123mATambin aqu calculamos el porcentaje de rizado de acuerdo al requerimiento mediante la frmula (14).


94

I.S.T.P IDAT ELECTRNICAVr (rms ) *100 Vdc 0.35Vr ( rms ) r% = * 100 18Vdc r % = 1.94 r% =Finalmente la fuente tiene el siguiente esquema:

D11N4007 7805 1 VI GND VO 35Vcc

C5 D21N4007 7815 1 VI GND VO 3 +15Vcc 10uF

2

2W005G

2

TR120V

C12200uF

C310uF

20V

TRAN-2P3S

C22200uF

C410uF

2W005G 1 2 GND

VI

VO

3

-15Vcc

7915

D31N4007

5.2 a)

MODULACIN POR PULSOS CODIFICADOS FILTRO DE ENTRADA 95


I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA En el proyecto Modulo de transmisin Digital se implementar un filtro activo en cascada, es decir, inicialmente un filtro pasa bajo con frecuencia de corte a 3000 Hz y su salida se conecta con la entrada de un filtro pasa alto con frecuencia de corte de 300 Hz. Esta disposicin es para mantener el ancho de banda de la frecuencia de voz. Se seleccion un filtro de segundo orden con el modelo de aproximacin de Butterworth o tambin llamado filtro de respuesta plana mxima con una atenuacin de -40dB/dcada segn el diseo de Robert Coughlin.

FILTRO PASA BAJO. El filtro pasa bajo usado es un filtro de segundo orden con

respuesta Butterworth. La frecuencia de corte es de 3Khz. El diseo se basa en las ecuaciones expuestas en el capitulo anterior. Se propone para C1 y para C2 los valores de 0.01uF y 0.005uF. Aplicando las ecuaciones respectivas se calculan los valores de las resistencias R1 y R2. Para una frecuencia de corte de 3000Hz. Donde: Fc es la frecuencia de corte. MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 96

I.S.T.P IDAT ELECTRNICAfc = 3000 Hz C = C 2 = 0.01F C1 = 2C 2 = 2(0.01F ) 1 = 5.3k 2fcC R = R1 = R 2 R=

En la siguiente figura de muestra el diagrama del filtro:

C20.01F

7

GEN

R15.3k

R27.5k 3 2

U1 C16 0.05uF

C10.02uF

4 1 5 TL071

El amplificador utilizado es el LF353 o el TL071 A la salida del filtro se tiene una informacin analgica. Este filtro deja pasar todas las frecuencias desde cero hasta la frecuencia de corte (3000 Hz) y bloquea todas las frecuencias por encima de la misma. La frecuencia entre cero y la frecuencia de corte conforman la banda pasante. Las frecuencias por encima de la frecuencia de corte conforman la banda eliminada. FILTRO PASA ALTO. MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 97

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA Este filtro se usa para eliminar las frecuencias desde cero hasta la frecuencia de corte inferior (300 Hz) y permite el paso de todas las frecuencias por encima de esta frecuencia. Las frecuencias entre cero y la frecuencia de corte conforman la banda eliminada. Las frecuencias por encima de la de corte conforman la banda pasante. La frecuencia de corte seleccionada es de 300 Hz suficiente para la transmisin de voz, siendo esta frecuencia acorde con las razones mencionadas en la seccin anterior.fc = 300 Hz C = C1 = C 2 = 0.01F 1 = 53k 2fcC R = R1 R= 1 R 2 = ( R1) 2 R 2 = 26.5k

El filtro implementado se muestra en la siguiente figura.

R 22 .5 6 k

C 10 1F .0 u

C 23 0 1F .0 u 2

7

U 26

4

1

R 15k 3

5 71 4

Finalmente el circuito de la etapa de filtro constituye un filtro pasa bajo en cascada con el filtro pasa alto, el circuito es el siguiente: MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 98


C20.01F

R226.5k

7.5k 5.3k

7

GEN

R1

R23 2

U1 C16 0.01uF 0.01uF

U2 C23 6 2 7

0.02uF

4 1 5 741

C1

4 1 5 TL071

R153k

b)

AMPLIFICADOR DE LA SEAL DE ENTRADA

La seal de informacin analgica (audio), que se obtiene en este caso mediante la entrada de un micrfono por un lado y mediante el generador de una seal analgica senoidal por otro lado que tiene una amplitud de aproximadamente 2V no tiene nivel de voltaje de cd. En esta etapa lo que se busca es amplificar la seal de informacin y sumarle un nivel de voltaje de cd para que pueda ser digitalizada de manera adecuada por el ADC. En la figura siguiente se muestra el diagrama de acondicionamiento de la seal.


99

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA Se requiere una seal con una amplitud de 5V, con niveles mnimos de voltaje de 0V y mximos de 5V. Para esto se utiliza un amplificador operacional en una configuracin no inversora con una ganancia de lazo cerrado A = 2.5 y posteriormente se le suma un nivel de cd de 2.5V. La ganancia de lazo cerrado del amplificador inversor est dado por:

Ac = 1 +

R2 R1

Las resistencias usadas en el circuitos son de R1= 5.6K y R2= 8.4K variable. Al utilizar una resistencia variable se puede fijar el valor de sta a 8.2K para ajustar la ganancia a A= 2.5.

8.4K Ac = 1 + 5.6K

= 2.5

El voltaje de salida V1 est dado por la siguiente ecuacin:

V1 = Vin(1 + R1/R2)Entonces se tiene que:

V1 = 2V(2.5) = 5VMODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 100

I.S.T.P IDAT ELECTRNICADe esta manera el voltaje V1 tiene una amplitud mxima de 5V. El nivel de voltaje mnimo es de -2.5V y el nivel de voltaje mximo es de 2.5V. El sumador de nivel de cd opera mediante un divisor de voltaje entre R3 que tiene un valor de 1K y R4 que tiene un valor de 1K.. Entonces de acuerdo a la siguiente ecuacin se tiene:

V2 = V1 + (R3 * Va/R3 + R4)

V2 = Vin + (1K * 5V/1K + 1K) V2 = Vin + 2.5V

Va(+5V)

R31k

U37 V1 3 6 2 1nF

C3

V2

VIN R15.6k

R41k

8.4k

De esta manera el voltaje sumado a Vin

4 1 550%

R2

es igual a 2.5V.

Entonces se tiene a la salida del sumador un voltaje de salida V2 MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 101

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA con niveles mnimos de voltaje de 0V y mximos de 5V, los cuales son los requeridos por el ADC para digitalizar la seal. A continuacin se describe el proceso de digitalizacin de la seal.

c)

MUESTREO (digitalizacin de la seal)

La funcin de un circuito de muestreo en un transmisor PCM es tomar una muestra peridica de la seal analgica de entrada, que vara en forma continua, y convertir esas muestras en una serie de pulsos que se puedan convertir con ms facilidad a un cdigo PCM binario. Para que el ADC convierta fielmente una seal en cdigo binario, la seal debe ser relativamente constante. Si no lo es, antes de que el ADC termine la conversin, la seal cambiara y el ADC tratara en forma continua de seguir los cambios analgicos, y nunca se estabilizara en algn cdigo PCM.

Como se explic en el captulo

anterior el proceso de

digitalizacin consta de tres procesos: muestreo, cuantizacin y codificacin. El ADC usado para este proceso es el ADC0804 de National Semiconductor el cual tiene tres procesos. Antes de disear esta etapa se establece que el rango de MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 102

I.S.T.P IDAT ELECTRNICAfrecuencias a digitalizar es desde 0 Hz hasta 3500 Hz. En base a esto se calcula la frecuencia mnima de muestreo de Nyquist fs por medio de la siguiente manera:

fs 2fa entonces 3500 7000Basndose en pruebas experimentales se eligi una frecuencia de muestreo de 10000 muestras/segundo para el desarrollo del Modulo de Trasmisin Digital. Las pruebas realizadas demostraron la recuperacin de todas las frecuencias entre 0 Hz y 3500 Hz con mayor exactitud que al utilizar la frecuencia mnima de muestreo de Nyquist. Teniendo este parmetro establecido el proceso de digitalizacin se lleva a cabo de la siguiente manera. MUESTRO Y RETENCIN En la figura se muestra un esquema de este tipo de dispositivo.

U17 3 7 6 2 3 6 4 1 5 TL071 2 4 1 5

U22N4859 3 6 2 741 4 1 5 741 Q1(G) 7

Q1

U3

C21000pF


103


El amplificador A1 acta como buffer y posee una gran impedancia de entrada para no cargar a la fuente de seal la cual puede ser la salida de un multiplexor analgico. Debe suministrar suficiente corriente para cargar rpidamente el capacitor C de retencin. El conmutador analgico, constituida por un transistor de efecto de campo (FET), es manejada por la lgica de control y conmuta rpidamente entre sus dos estados. El amplificador de salida A2 acta como buffer de la tensin almacenada en el capacitar. Este amplificador no debe cargar al capacitor y por tal razn se emplean dispositivos con entradas FET. Este circuito de muestreo y retencin opera bsicamente de dos modos: en el modo muestreo o seguimiento (sample or tracking) mientras la llave est cerrada y la salida copia a la entrada; y el modo retencin (hold) cuando la llave est abierta.

d)

CUANTIZACIN

Est basado en el Teorema de Nyquist, donde se establece que una seal es muestreada uniformemente al menos al doble de la MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 104

I.S.T.P IDAT ELECTRNICAcomponente ms alta en frecuencia. La seal puede ser reconstruida sin ninguna distorsin, la componente en frecuencia ms alta es de 4KHz (seal de voz), por lo tanto, se necesita muestrear la seal a 8000 muestras/s cada 1/8000 veces de segundo (125s). Se necesita entonces encontrar la amplitud de la forma de onda cada 125s y transmitir ese valor en vez de toda la seal tal como es. Los valores muestreados, son an analgicos, por lo tanto, necesitan cuantificarse en un nmero fijo de niveles. El nmero de niveles de cuantizacin es 256, por lo tanto, cada muestra se puede representar por 8 bits. As, un segundo de seal de voz puede representarse 8000 * 8 btis = 64Kbits. De all, que por cada segundo de voz transmitido usando PCM se requiere un data rate de 64Kbps.

e)

CODIFICACIN

El ADC usado en la

parte

experimental del Modulo de

Transmisin Digital es el ADC0804. Este ADC implementa los tres procesos descritos anteriormente entregando una salida paralela de 8 bits. La conversin A/D es un proceso de cuantizacin en la cual una seal es representada por su equivalente en estados binarios. MODULO DE TRANSMISIN DIGITAL 105


El ADC0804 es un ADC de bajo costo, basado en aproximaciones sucesivas, que pertenece a una familia de convertidores que son casi iguales excepto en la exactitud. Se elige del ADC0804 debido a que tiene un menor tiempo de conversin con aproximadamente 100 microsegundos y porque se dispona del dispositivo al momento de disear el circuito electrnico para la implementacin del sistema. En la siguiente figura se muestra un diagrama a bloques del ADC0804.

CARACTERSTICAS MS IMPORTANTES DEL ADC0804

Resolucin de 8 bits Habitacin de conversin directa Tiempo de conversin menor a 100 microsegundos 106


I.S.T.P IDAT ELECTRNICA Entradas de voltaje Diferencial Entradas y salida compatibles con TTLs Generador de reloj interno del chip Rango de voltaje de entrada de 0V a 5V No requiere ajuste de cero

El ADC0804 requiere de un reloj interno para funcionar; en este caso para la experimentacin utilizamos el reloj externo mediante la Terminal CLK IN. El rango de frecuencia permisible est entre 100KHz y 1460KHz. Para que el tiempo de conversin sea menor es conveniente usar la frecuencia ms alta posible. Si el reloj es generado de manera interna mediante el circuito RC, se utilizan las terminales CLK IN y CLK R conectados con un circuito RC. Como se muestra en la figura. La frecuencia de oscilacin se genera mediante la frmula:

F= 1/1.1RC


107


f) SERIE

CONVERSION DE LA SEAL DIGITAL PARALELA A

5.3

ETAPA RAMPA)

GENERADOR

DE SEAL

(SINUSOIDAL

Y

Para la implementacin del Modulo de transmisin digital se utilizar el generador de seal constituido por el Circuito Integrado XR2206, que es un integrado capaz de generar formas de onda de alta calidad, precisin y estabilidad de forma cuadrada, triangular, rampa y senoidal. La salida de onda ser controlada tanto en amplitud como en frecuencia mediante componentes exteriores las cuales sern seleccionadas mediante conmutadores rotatorios en una gama de 0.01Hz hasta 1Mhz.


108


Caractersticas generales del XR2206

Tensin de alimentacin entre 10 y 26V. Corriente de alimentacin entre 12 y 17mA. Frecuencias de operacin entre 0,1Hz y 1MHz. Estabilidad de temperatura de 10 a 50ppm/C. Estabilidad en amplitud 0,5dB: de 0,5Hz a 1MHz. Impedancia de salida del amplificador: 6.000. Linealidad de la seal triangular: mejor que 1%. Distorsin de las seales senoidales: inferior a 0,4%. Amplitud mxima de las seales triangulares: 3V. Amplitud mxima de las seales senoidales: 0,8V. Valor recomendado del potencimetro de simetra: 47kohm Valor recomendado del ajuste de distorsin: 470ohm 109



Valor de C: entre 1nF y 100F. Niveles de comando de la entrada FSK: 0,8 a 2,4V. Impedancia de entrada AM: 50 a 100kohm

El rango de frecuencias generada por el XR2206 viene determinado por el valor del condensador conectado entre las patillas 5 y 6, la seleccin del rengo de frecuencia del generador se consigue gracias al empleo de un conmutador rotatorio de 6 posiciones. Mediante este elemento se selecciona los capacitares dispuestos en el modulo, consiguiendo de esta forma variar el rango de frecuencias disponibles a 1Hz, 10Hz, 100Hz, 1Khz, 10Khz, 100Khz hasta 1Mhz. Evidentemente, los valores de los condensadores se han elegido para que se verifique los rangos de frecuencias mencionadas. Para la eleccin de los valores se hizo uso de las expresiones matemticas que contiene la hoja de datos del XR2206.

5.4

GENERADOR MUESTREADOR

DE PULSOS

DE RELOJ

PARA

EL

Los pulsos de reloj para el circuito muestreador es compuesto con el temporizador 555 por de uso general, de alta confiabilidad y de fcil manejo.


110

I.S.T.P IDAT ELECTRNICALe frecuencia de oscilacin determinar la velocidad de muestreo del sistema en un rango de 0Hz a 10Khz.la formula es la siguiente:

f =

1 1.44 = T ( R1 + 2 R 2)C

Para efectos prcticos:

C = 0.1F F max = 10000 Hz F min = 500 Hz R1 = 50kPara una frecuencia mxima:

F max = R 2 min R 2 = 670Para una frecuencia mnima:

F min = R 2 max R 2 = 28.795 KEl circuito esquemtico quedara de la siguiente manera:


111

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICAVc c

R 15k 0

8

R1 V46% 9

R

VC C

Q D C

3 7 55 5

S lid a a

5k 0

5

C V GD N

2

T R

T H

6

C0 u .1 F

C 10 u .1 F

5.5

AMPLIFICADOR Y PRE AMPLIFICADOR DE AUDIO Y RF

La seal de audio a travs de un micrfono tiene una baja potencia para ello se debe amplificar y adaptar al sistema mediante un preamplificador y un amplificador con una determinada ganancia. Es el circuito capaza de elevar en la salida los valores de voltaje y/o corriente con respecto a la entrada. El Mdulo cuenta con un amplificador de audio y RF discreto constituido mediante el uso de un amplificador operacional (OPAM). Sus caractersticas son las siguientes:

La Ganancia de Voltaje es infinito. Gv = 112


1


La Resistencia de Entrada es Cero. Re = La Resistencia de Salida es Cero. Rs = 0 El Ancho de Banda es Infinito. WB = La tensin offset de entrada es Cero. Voffset = 0 si Vd = 0

Los valores mencionados anteriormente por cierto son ideales; sin embargo, en la practica la Resistencia Interna es alta (en), el Ancho de Banda es limitado y la ganancia es elevada el cual se encuentra limitada por el voltaje de referencia.V C C _ A R R O W

4 7 K R 1 C 1 3 U +

+ V 1 A 1 T 8 2 8 4 2 2 0 0 K - V

V+ O VU T L 0

M

I C 3

2

-

En el Mdulo, el amplificador de Audio es compuesto por un Amplificador Operacional en configuracin no inversor de Ganancia a (0dB a 46dB) regulado por el Potencimetro P1, el OPAM utilizado es el TL- 082 que es un amplificador de propsito general de baja distorsin y amplio ancho de banda (6MHz).

1


113

I.S.T.P. IDAT ELECTRNICA+ V V C C _ W A V E 3 R 2 2 U + 2 A V+ 8 1 T 3 U + 3 A V+ 8 1 T + V

O V-

U

O R 3 V4 2 -

U

T L 0 R 1

8 2 4

T L 0 8 2 - V 2 0 2 0 K - V 3 1


114

PROYECTO ELECTRONICO IDAT

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