PR´ACTICA 11. MODULACI´ON FM. 1 Objetivo. 2 Introducci´on.

PRÁCTICA 11. MODULACIÓN FM.
1
Objetivo.
Construir un oscilador controlado por tensión (VCO) basado en el circuito integrado 566 y un circuito en bucle cerrado de enganche de fase
(PLL) basado en el C.I. 565. El circuito VCO se empleará como modulador de FM y el circuito PLL como demodulador de FM. Con los
circuitos anteriores se realizarán medidas en el dominio temporal de
señales moduladas en frecuencia utilizando el osciloscopio. Se realizarán, además, medidas en el dominio de la frecuencia empleando analizadores de espectro.
2
Introducción.
En esta práctica se realizará el montaje de un circuito generador de
onda cuadrada controlada en frecuencia (VCO) basado en el C.I. 566.
Con este circuito se podrá modular una señal de entrada en frecuencia.
En una segunda parte se construirá un circuito de enganche de fase
(PLL) que se empleará para demodular la señal.
En una tercera parte, mediante un comparador, se realizará una demodulación FSK de la señal modulada.
El diagrama de bloques interno del circuito VCO 566 se muestra en la
figura 1.
El circuito responde a la estructura general de un generador de formas
de onda. Una fuente de corriente con un valor de intensidad proporcional a la tensión V , e inversamente proporcional a la resistencia R,
carga el condensador C linealmente hasta que la tensión del condensador llega a un nivel de comparación superior. Después de esto, el comparador cambia el sentido del generador de corriente produciéndose la
descarga del condensador de la misma manera. Esta descarga se realiza hasta que la tensión del condensador llega a un nivel inferior de
comparacón. En ese momento, la fuente de corriente vuelve a cambiar
su polaridad repitiéndose el ciclo indefinidamente.
La tensión en el condensador, una vez amplificada, sale al exterior por
el pin 4. La tensión a la salida del comparador sale por el pin 3.
1
GND
8
1
Vcc
COMPARADOR
DE
7
TENSION
2
C
3
Vcc
6
FUENTE
R
DE
CORRIENTE
Entrada
5
4
V Modulacion
I=f(V,1/R)
Figura 1: Diagrama de bloques del oscilador controlado por tensión
566.
En el circuito de la figura 1, la frecuencia de salida se determina como:
f
= 2R (VCcc ;VV )
f
= 2(R V81C; VV51 )
cc
Por tanto, la frecuencia de salida del VCO 566 se puede determinar por
la expresión:
1
1
81
V81 es la tensión entre pines 8 y 1.
V51 es la tensión entre los pines 5 y 1.
De la ecuación anterior se puede determinar la sensibilidad teórica
como:
S
= R ;C 2 V Hz
1
1
81 v
El diagrama de bloques interno del circuito PLL 565 se muestra en la
figura 2.
En este circuito, la frecuencia fundamental del VCO puede programarse mediante la resistencia R0 y el condensador C0 de tiempo. La
salida del VCO se introduce en el comparador de fase y se compara con
una de las entradas. El resultado de esta comparación, a través del
amplificador, se pasa por un filtro retardador y se actua sobre el VCO
2
para variar la frecuencia de éste, hasta que las dos señales pines 2 ó 3
y pines 4 ó 5 estén en fase.
-Vcc
1
14
COMPARADOR
DE
FASE
ENTRADA
2
ENTRADA
3
SALIDA
DE VCO
4
COMPARADOR
DE FASE
5
10
6
9
SALIDA DE
REFERENCIA
13
12
VCO
11
+Vcc
CONDENSADOR
DE TIEMPO
Co
AMPLIFICADOR
REFERENCIA DE
CONTROL VCO
7
8
RESISTENCIA
DE TIEMPO
Ro
Figura 2: Diagrama de bloques del circuito de enganche de fase (PLL)
565.
Respecto al circuito integrado 565 se puede determinar:
1. Frecuencia de oscilación:
fo
= 3:7 R1 C
o o
2. Ganancia de la malla:
Gm
= Ko KD = 33:V6 fo
c
Rad=s ).
V
V ). La salida del deKD sensibilidad del detector de fase (Rad
tector de fase puede observarse en el pin 7.
Ko es la sensibilidad del oscilador (
Vc es la tensión total de alimentación del circuito o diferencia
de tensión entre los pines 10 y 1.
3
3. Rango de retención: Es el rango de frecuencias en que se mantiene
enganchada la malla tras haber sido enganchada inicialmente.
fH
= 8 V fo
c
.
4. Filtro de malla: Pueden utilizarse dos tipos de filtro:
Filtro de retraso simple. Se realiza conectando un condensador C1 entre los pines 7 y 10 (entre estos pines existe una
resistencia interna de valor R1
: K . Éste se emplea en
aplicaciones de ancho de banda amplio con desviaciones de
frecuencias mayores del
. El ancho de banda en este caso
se determina por:
Gm
fn
= 36
10%
= 21
s
R1 C1
. Y el factor de amortiguamiento por:
1
=
2
s
1
Gm R1 C1
.
Filtro corrector. Se realiza insertando entre los pines 7 y 10
un condensador C2 en paralelo con una red RC (una resistencia R1 en serie con un condensador C1 ). Se emplea en aplicaciones de banda estrecha. Para este filtro, el ancho de banda
se determina por:
s
1
Gm
fn =
2 (R1 + R2 ) C1
.
Y el factor de amortiguamiento es:
= R2 C1 fn
4
3
Material necesario.
4
Osciloscopio.
Analizador de Espectro Tektronix 2711.
Generadores de Señal.
2 Placas moduladora–demoduladora FM (una para trabajar en el
dominio del tiempo y otra en el dominio de la frecuencia).
Realización de la práctica.
4.1 Medidas en el dominio del tiempo
Seleccionar la placa de menor frecuencia de oscilación para realizar las
medidas en el dominio del tiempo.
1. Modulación FM.
(a) Montar el circuito VCO que se muestra en la figura 3. Visualizar las forma de onda de salida al variar el potenciómetro
de K . Con el pin 5 conectado al condensador, observar
y comprobar analı́ticamente cómo afecta a la frecuencia la
variación de resistencia del potenciómetro.
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(b) Con el pin 5 conectado al condensador, ajustar el potenciómetro de K hasta que la frecuencia sea de : KHz . Medir
la tensión continua en el pin 5. Medir el valor de resistencia
conectada a la entrada del pin 6. Comparar los resultados
con los teóricos.
10
20
1
(c) Conectar el potenciómetro de K al pin 5. Variando dicho
potenciómetro, medir las frecuencias para valores de tensión
entre pin 5 y 1 desde : V hasta : V en pasos de : V . Representar gráficamente la caracterı́stica tensión–frecuencia.
Calcular la sensibilidad y comparar con el valor teórico. Comentar los resultados obtenidos.
81
91
1
01
(d) Sustituir el potenciómetro de K por la red de resistencias y
el generador de señal que se muestra en la figura 4.
5
-5V
ONDA CUADRADA
ONDA TRIANGULAR
1
8
2
7
3
6
4
+5V
µ F
C1=.047
-5V
+5V
10K
5
10K
+5V
C. I. 566
1K
.01µ F
1K
Figura 3: Circuito generador de onda basado en el oscilador controlado
por tensión 566.
+5V
1K
GENERADOR
0011
DE
1K
PIN 5 DEL C. I 566
SEÑAL
Figura 4: Circuito para la conexión del generador de señal.
1
(e) Ajustar el generador para una señal senoidal de Hz y amplitud de Vpp . Ajustar el osciloscopio de manera que se puedan
observar unos cinco ciclos de la onda triangular en el pin 4.
Idear un método para medir el ı́ndice de modulación con el
empleo del osciloscopio, en función de las frecuencias máxima
y mı́nima de salida del VCO.
1
2. Demodulación FM.
(a) En la misma placa, sin desmontar el circuito anterior, montar
el circuito de la figura 5. No conectar aún la señal FM.
10
(b) Ajustar el potenciómetro de K del circuito 565 para obtener
una frecuencia de : KHz medida en el pin 5 (condición inicial para el posterior enganche entre circuitos integrados).
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6
+5v
15K
Entrada
FM
-5v
1
14
.1 µF
13
2
3
4K7
4K7
1µF
10K
12
565
4
11
5
10
+5v
.01µF
-5v
6
9
7
8
+5v
.001µF
10K
10K
+5v
820
Salida
demodulada
2µ F
22K
3
.01µF
22K
2
-
8 4K7
.001µF
7
311
1
+
4
-5v
Figura 5: Circuito demodulador FM basado en el circuito de enganche
de fase 565.
(c) Con la tensión de salida senoidal del generador de señal fijada a : V pico a pico, conectar, a través del condensador de
: F , la señal de FM entre el pin 3 del C. I. 566 y el pin
2 del C. I. 565. Representar simultáneamente la señal del
generador y la salida del PLL actuando como demodulador.
Observar cualitativamente qué ocurre cuando se aumenta–
disminuye la amplitud–frecuencia del generador de onda. Comentar los resultados.
01
05
3. Modulación y Demodulación FSK (Frequency Shift Keying).
(a) Finalmente, el montaje se empleará para realizar una modulación y posterior demodulación FSK. El comparador de tensión se emplea para producir pulsos cuadrados desde la sa7
lida del demodulador. El generador de onda se ajusta para
producir una señal de : V pico a pico y Hz . Trazar las formas de onda de salida del generador, salida del comparador
y salida demodulada.
02
10
4.2 Medidas en el dominio de la frecuencia
Se realizarán empleando el analizador de espectro de Tektronix 2711.
Seleccionar la placa de mayor frecuencia de oscilación para realizar las
medidas en el dominio del tiempo.
1. Construir la señal FM que analizaremos con el analizador de espectro. Para ello, usaremos la placa de circuito impreso. Observar
las caracterı́sticas del analizador de espectros para determinar la
frecuencia de salida mı́nima del VCO. Configurar el VCO para
una frecuencia base de : M Hz . Configurar la tarjeta para que
la señal modulada provenga de un generador de onda a KHz y
amplitud : v .
04
10
05
2. Véase en el osciloscopio la salida 1 y salida 2 del VCO.
3. Observar el espectro de la señal cuadrada en el analizador. ¿ Por
qué tiene esa forma ?. PARA PROTEGER AL ANALIZADOR
DE ESPECTRO, NO SE DEBERÁN EMPLEAR SEÑALES
CON AMPLITUDES SUPERIORES A 2v DE PICO A PICO.
4. Construir una nueva señal FM que analizaremos con el analizador de espectro. En este caso se usan dos generadores de onda
A y B. El generador de ondas A generará la señal moduladora.
Programar el generador A para que proporcione una onda senoidal
de KHz y amplitud : v . Introducir la salida del generador A
en la entrada FM ([FM INPUT]) del generador de ondas B. El
generador de ondas B, dispone de un modulador FM interno cuya
portadora debemos ajustar a M Hz .
10
05
2
5. Observar en el osciloscopio la salida del generador B. Girar el
mando AMPL que está sobre la entrada [FM INPUT] de B, para
8
controlar la amplitud de la señal que llega a la entrada [FM INPUT]. Variar la amplitud de la señal moduladora ([AMPLITUDE]
en A). ATENCIÓN AL MÁXIMO NIVEL PERMITIDO A LA
ENTRADA DE FM INPUT. ¿ Qué está sucediendo con el ı́ndice
de modulación de la señal ?.
6. Observar el espectro de la señal en el analizador. PARA PROTEGER AL ANALIZADOR DE ESPECTRO, NO SE DEBERÁN
EMPLEAR SEÑALES CON AMPLITUDES SUPERIORES A
2v DE PICO A PICO. Por ello, es conveniente usar los atenuadores del generador B para que la señal modulada tenga una amplitud del orden de los mV. En concreto, se deben pulsar en B los dos
botones [ATTENUATOR] y se observará en el osciloscopio como la
señal modulada reduce su amplitud (para ver la señal será necesario ajustar la escala de amplitud del osciloscopio a los mV.).
7. Al encender el analizador de espectro, se observa una franja de
ruido en la parte baja de la pantalla que se corresponde con el
ruido que genera internamente el propio analizador. Cuantificar
el nivel de potencia de ese ruido a cualquier frecuencia. Reducir
la escala horizontal con [SPAN/DIV]. Obsérvese que la potencia
de ruido disminuye. ¿ Por qué ? (Nótese que el filtro de frecuencia
intermedia también disminuye su ancho de banda).
8. Pasamos a utilizar ahora el analizador. Conectar la salida de B
a la entrada del analizador (obsérvese que la resistencia de salida de B coincide con la de entrada del analizador, 50 ohms., por
lo que existe adaptación). Es conveniente que el cable para esta
conexión sea lo más corto posible para eliminar efectos de atenuación. Hacer nulo el ı́ndice de modulación. Para ello bastará torcer
hacia la izquierda hasta el tope, los mandos [AMPL] y [AMPLITUDE] en los generadores B y A respectivamente. ¿ Qué cabe
esperar en la pantalla del analizador ?.
9. Situar la frecuencia de la portadora en el centro de la pantalla
(para ello se hace coincidir la frecuencia central de la banda intermedia con la de la portadora) haciendo que el nivel de continua
que se puede observar quede justo en el margen izquierdo de la
9
pantalla. Describir el proceso seguido para conseguirlo. Medir sobre la pantalla del analizador la potencia de la señal y expresar
el resultado en mW.
NOTA: El nivel de continua que aparece no es propio de una señal
FM. Es un nivel que aparece debido a que el analizador comienza
en Hz su rango de medida, pero no se debe tener en consideración, de ahı́ que se pida situarlo en el margen izquierdo.
0
Existe un botón en el analizador, [APPL], que da lugar a un menú
que permite la medida de algunas caracterı́sticas espectrales interesantes, como por ejemplo anchos de banda de señales, amplitudes normalizadas de ruido, relaciones señal a ruido, ancho de
banda ocupado, desviación FM y la búsqueda de señales en un
rango de frecuencias especificado. La mayorı́a de estas opciones
se activan seleccionándolas y se desactivan seleccionándolas nuevamente. Algunas, como el cálculo de ruido en una banda, requerirán de ciertos parámetros a especificar.
3
10. Medir el ancho de banda a dB de la señal. Para ello, pulsar
[APPL] y elegir la opción 0. ¿ Coincide con el del filtro de frecuencia intermedia ?.
NOTA: Para cuestiones posteriores, siempre que se quiera medir
el ancho de banda de una señal, ésta deberá aparecer entera en
la pantalla y con la máxima resolución posible.
11. A continuación vamos a variar el ı́ndice de modulación de la señal.
Para ello se deben mover los mandos [AMPL] y [AMPLITUDE]
de los generadores B y A. ¿ Qué se observa en pantalla cuando
modificamos el ı́ndice de modulación ?. Justificar los resultados
obtenidos.
12. Para observar la señal con mayor resolución se puede reducir
el escalado horizontal o agrandarlo para adecuar la señal a la
pantalla. Al modificar ese escalado, el analizador selecciona automáticamente el ancho de banda del filtro de frecuencia intermedia, adaptándolo al nuevo escalado. Eligiendo un escalado de frecuencias apropiado podremos ver los diferentes pulsos de la señal
FM. Medir la distancia que existe entre los pulsos del espectro.
¿ Coincide con lo que cabrı́a esperar de la fórmula que daba la
10
transformada de Fourier ?. ¿ Qué le sucede a los picos cuando
aumentamos el ı́ndice de modulación ?. ¿ Cómo se puede explicar
esto último ?.
13. Pulsando la opción 4 del menú [APPL] podemos calcular la banda en la que se contiene el 99% de la señal. Medir ese ancho de
banda para diferentes ı́ndices de modulación, por ejemplo, para
modulación nula, para modulación media y para modulación máxima. A partir de estos resultados estimar la desviación máxima
de frecuencia para cada caso usando la regla de Carson.
NOTA: Si el ı́ndice de modulación fuese nulo, cabrı́a esperar que
el ancho de banda resultado fuese el del filtro de frecuencia intermedia. Difiere un poco porque el propio ruido del analizador
falsea algo la medida.
14. Por último, vamos a estimar el ruido interno medio del instrumento en una banda de M hz alrededor de la frecuencia central para tener una idea de cómo puede afectar dicho ruido a la
señal. Para ello, entrando en el menú de [APPL] y seleccionando
la opción 9 llegamos a un menú para fijación de parámetros. Nos
interesa la opción 2, [NOISE NORM’D BW] que nos pide el ancho
de banda en que queremos calcular ese ruido. Lo especificaremos
como M hz : [5][X]. Después retornaremos al menú de APPL con
[BKSP]. En ese menú, seleccionar la opción 2, [NOISE NORM’D].
Dibujar el resultado que aparece en pantalla.
5
5
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