Crónica día 15/12/10

La sesión comenzó repasando el final de la clase anterior sobre el mezclador conmutante y presentando el multiplicador de Gilbert, implementado en el componente NE602 de Philips.

De su análisis concluimos dos condiciones importantes:

• Vin1-Vin2 <<>
• Vol > 200mV

A continuación, el profesor hizo especial incapié en la estructura interna del NE602, recalcándonos que no es nada obvio de extraer a partir de las hojas de características facilitadas por el fabricante. Analizamos cada una de las conexiones del componente, destacando que la ganancia de conversión en la salida es de 14,69.

Una vez comprendido el NE602, y por lo tanto resuelta la etapa del multiplicador de nuestro receptor, analizamos como debía ser nuestro filtro paso-banda a la entrada.

Con esto llagamos a una versión final de nuestro receptor basado en el NE602 destacando las siguientes características:

• Nuestra primera etapa permite acoplar la antena y filtrar paso-banda en 27 MHz.
• El oscilador con cristal de cuarzo modo serie. En este caso es un oscilador crítico, pero no es tan relevante como en el emisor ya que el receptor no se encontrará en unas condiciones tan extremas.
• Utilización de un estabilizador +5 voltios.
• La salida va conectada al amplificador diferencia de audio.

A continuación, realizamos una prueba en el laboratorio en la que el profesor emitía paquetes de 27 MHz y nosotros los recibíamos a algo menos de 10 kHz, como unos 7,5 kHz.

Por último, regresamos al aula y hablamos de las siguientes etapas del receptor, el procesado del tono sinusoidal a 10 kHz, destacando que a esta frecuencia es factible la utilización de amplificadores operacionales y por lo tanto el diseño se simplifica bastante.

Para concluir se presentó el esquema completo de nuestro receptor, incluyendo el demodulador de amplitud y comparador.

Crónica día 14/12/10

La clase comenzó resolviendo algunas dudas que habían surgido realizando el informe sobre el emisor a 27 MHz de nuestra radiobaliza. A continuación comenzamos introduciendo el receptor de la misma.

En el planteamiento del mismo, se explicaron varios conceptos importantes en los sistemas de comunicación como: potencia de señal recibida y los parámetros de los que depende, la relación señal ruido (SNR), etc. Al tratar el tema de la sensibilidad de un radioreceptor se explicó el concepto de potencia de ruido de una resistencia a una determinada temperatura, destacando su dependencia con el ancho de banda (Pn=KTB).

A continuación, se habló del ruido de una antena y se presentaron diversos valores dependiendo de la frecuencia y lugar de implantación (industrial, rural, etc). Vimos que a partir de 1GHz, este ruido se convierte en un factor irrelevante, pero que a 27 MHz, como es nuestro caso de interés, en Barcelona se alcanza una temperatura de antena del orden de los 300.000 K, lo que implica una potencia de ruido elevada, y por lo tanto nos obligará a asegurar la llegada de una buena potencia de señal al receptor para su correcto funcionamiento (sensibilidad del receptor).

Una vez analizados estos factores se presentó el primer tipo de receptor, con amplificación directa. Haciendo algunos números llegamos a que sería necesario un factor de calidad Q=27000 en el filtro paso banda con amplificación a la entrada, lo que le convierte en una opción inviable para nuestro sistema.

A continuación realizamos un calculo de la amplificación requerida en el receptor, obteniendo un valor de k=8694. También hicimos algunos números para ver la distancia posible entre el emisor y el receptor, y la altura necesaria de este último. Destacamos que realizar estas operaciones se convierte en algo muy ilustrativo, ya que tomas unos valores de referencia y sabes en que ordenes de magnitud te mueves.

A continuación se presentó la estructura del receptor heterodino, viendo sus distintos componentes, así como sus ventajas e inconvenientes para nuestro sistema. Se propusieron distintas configuraciones viendo en cada caso que ocurría con las frecuencias imagen. Finalmente se llegó al receptor superheterodino para el diseño de nuestra radiobaliza. Analizándolo vimos que era viable repartir la amplificación requerida entre los distintos bloques, y que además con los conocimientos adquiridos hasta el momento el único componente que nos faltaba por saber realizar era el multiplicador.

Por ello, a continuación comenzamos con la explicación del mismo. Vimos que al ser una de las dos componentes a multiplicar una señal sinusoidal, no era necesario un multiplicador, ya que este se podía aproximar o sustituir por un mezclador conmutante. Se presentó la idea básica del mismo así como su modelo matemático. A continuación se vieron algunas posibles realizaciones del mezclador conmutante para baja frecuencia. La clase concluyó comentando los componentes y circuitos de la empresa Mini-Circuits para subir en frecuencia.

Crónica día 1/12/10

Una vez seleccionado un oscilador que cumple que sus condiciones de oscilación no requieren ajustes críticos, volvimos al diseño de nuestra radiobaliza. Recordamos sus premisas: sistema que emite via radio con una frecuencia portadora sumamente estable una señal fácilmente identificable, cuyo aplicación puede ser por ejemplo en barcos para que se ponga en marcha automáticamente en caso de naufragio.

Las características técnicas de la misma son:

• Frecuencia portadora: 27 MHz
• Modulación: ON - OFF periodo de 1 segundo (ASK)
• Alimentación: 15 V (10 pilas de 1,5 V)
• Antena: monopolo lambda cuartos omnidireccional.

La idea es que el receptor convierta los paquetes recibidos a 27 MHz en paquetes de la misma duración pero a 1 kHz, ya que a esa frecuencia el oído humano tiene máxima sensibilidad.

Vimos que la opción de utilizar un interruptor electrónico que conectase y desconectase la fuente tenía un importante inconveniente que era la elevada constante de tiempo en las transiciones ON - OFF y OFF - ON. La alternativa presentada fue conectar en el emisor del transistor una fuente o circuito que periódicamente se pusiese a 15 V poniendo el transistor en corte o a 0 V poniéndolo en su zona activa. Para esta solución se propuso el generador de señal rectangular 555, viendo su esquema interno de funcionamiento y su correcta configuración con nuestro oscilador para poder controlar la duración de cada flanco. Como extra se decidió incorporar un led que se iluminase cuando el flanco esta a 0 V, es decir, cuando el oscilador HF emite.

Finalmente hicimos un repaso del diseño final del emisor y lo montamos en el laboratorio para comprobar su correcto funcionamiento, obteniendo resultados positivos.

Para concluir la clase el profesor realizó algunas observaciones de como optimizar el rendimiento del sistema realizando una correcta adaptación entre la antena y el emisor y un buen aislamiento entre la antena y tierra. Con esto finalizó la clase y el diseño de nuestro emisor a 27 MHz.

Crónica día 30/11/10

Tras un pequeño repaso de la clase anterior donde se presentó el cristal de cuarzo, esta sesión comenzó viendo algunas posibles formas de modificar ligeramente la fs y fp de un cristal. Utilizando un condensador en paralelo acerca fp a fs, mientas que si se coloca en serie es fs la que se acerca a fp. Concluimos que lo que no era viable es disminuir fs o aumentar fp, es decir aumentar el intervalo con comportamiento inductivo.

Este comportamiento es el que nos interesa para nuestro oscilador. Vimos que entre fs y fp un cristal se comporta como un inductor cuyo valor se situa entre cero e infinito.

Como ejemplo vimos la aplicación del cristal de cuarzo en el oscilador Colpitts. El cristal asume el papel de la bobina. Además, el condensador variable en paralelo con el cristal es superfluo, al igual que el condensador de protección del transistor ya que en DC el cristal es un circuito abierto. La salida la tomaremos en el emisor (seguidor de tensión). Se presentaron los cristales tallados para su funcionamiento en sobre-tono (over-tone), es decir 2fs, 3fs, etc.

También estudiamos otras configuraciones de osciladores, analizando algun caso particular de interes concluyendo que somos capaces de crear osciladores con un amplificador inversor.

El profesor presento un esquema de un circuito real, concretamente un afinador de guitarra, donde vemos que se utiliza un cristal de cuarzo y una puerta NAND para el amplificador inversor.

Por último, vimos un oscilador con un cristal de cuarzo funcionando en el tercer sobretono a 27 MHz. Este estaba realizado con un transistor bipolar. En este caso vimos que las condiciones de oscilación ya no eran tan estrictas. De este circuito, que fue el finalmente seleccionado para nuestro transmisor, destacamos que el transistor está polarizado con una red independiente de beta.

Crónica día 24/11/10

La clase comenzó viendo la idea de crear un oscilador con frecuencia de oscilación controlable mediante la variación de una tensión continua. Estos osciladores son conocidos como VCO (Voltage-Controlled Oscillator).

A continuación se presentó el diodo varicap (varactor) o diodo de capacidad variable que es un tipo de diodo que basa su funcionamiento en el fenómeno que hace que la anchura de la barrera de potencial de una unión PN varíe en función de la tensión inversa aplicada entre sus extremos.

Para su mejor comprensión se propuso un determinado circuito utilizando el diodo varicap BB106 y se probó conectándolo en el laboratorio a nuestro oscilador montado en clases anteriores. Conectamos el varicap a dos puntos distintos de nuestro oscilador, midiendo en cada caso el rango de frecuencias cubierto al variar el cursor del potenciometro (encargado de variar la tensión). Observamos que al conectarlo a un punto A, la capacidad influía sobre el condensador variable y se observababa una mayor sensibilidad que conectándolo a un punto B, donde influía sobre el condensador C2, apreciando que la sensibilidad, en ese caso, era menor.

A continuación se propuso otra idea de diseño que consistía en el control digital de la frecuencia de oscilación, generando con un PC (o microcontrolador) una tensión digital con ciclo de trabajo ajustable y obteniendo mediante un filtro paso bajo su valor medio y con esta tensión DC polarizar el varicap.

Vimos, que para determinadas aplicaciones interesa lo contrario, que la frecuencia de nuestro oscilador sea una preestablecida y sumamente estable, no dependiente de la inductancia de una bobina o la capacidad de un condensador. Esto dió pie a presentar los cristales de cuarzo. Estos se obtienen tallando de una forma específica cristales de cuarzo en delgadas láminas de dimensiones precisas. A continuación se establecen metalizaciones en las caras opuestas de la lámina y se encapsula. Dependiendo del tipo de corte (ángulo de inclinación) y las dimensiones del cristal, el efecto piezoeléctrico proporciona un comportamiento selectivo en frecuencia con características sumamente estables.

Analizamos el modelo circuital del cristal de cuarzo en régimen permanente sinusoidal (RPS), viendo sus distintos comportamientos dependiendo de la frecuencia:

• A una determinada fs se comporta como un cortocircuito.
• A una determinada fp se comporta como un circuito abierto.
• A una frecuencia mayor que fs y menor que fp tiene un comportamiento inductivo.
  

El interalo entre fs y fp es muy pequeño, y son frecuencias extraordinariamente fijas y estables. Sus valores dependen, como dijimos antes, del tallado y dimensiones del cristal. Este comportamiento se puede justificar en base al efecto piezoeléctrico.

A continuación, el profesor explico el comportamiento de un cristal de cuarzo en un circuito RLC, y vimos un posible modelo circuital del mismo. También vimos una hoja de características de un cristal de cuarzo, donde se especificaba la fs y la estabilidad con la temperatura.

En la última parte de la clase, se vió la idea básica para fijar la frecuencia de oscilación de un oscilador con un cristal de cuarzo (fs=fo). Para concluir insertamos un cristal de cuarzo en nuestro oscilador visualizando el resultado en el analizador espectral. Se comentó que este sistema puede ser utilizado para la calibración de un analizador, ya que el cristal de cuarzo asegura la oscilación a la frecuencia determinada.

Crónica día 23/11/10

La clase del día 23 comenzó volviendo a montar en el laboratorio nuestro oscilador a 27 MHz. Una vez que todo el mundo consiguió tenerlo operativo y puesta su salida en el osciloscopio, el profesor nos hizo la siguiente pregunta: ¿Qué potencia tiene la señal generada?

Cada uno nos pusimos a medirla como creímos oportuno y a continuación en el aula las pusimos en común. Aunque ningún resultado era igual a otro, cosa que era de esperar ya que las bobinas fabricadas de cada oscilador, así como otros aspectos como el condensador variable, la longitud de los cables, etc. hacían variar los valores, pero lo importante fue que ninguno procedió de la manera correcta. Todos asumimos precipitadamente que la señal era sinusoidal y aplicamos las fórmulas conocidas para estas señales, pero aunque la salida es muy parecida a una sinusoidal, en realidad no lo es, y por lo tanto las fórmulas utilizadas y los valores de potencia calculados no eran válidos.

El profesor nos explicó la necesidad de utilización de un analizador espectral. Para comprender mejor este nuevo instrumento y facilitar posteriormente su utilización, nos hizo una pequeña explicación de cómo podríamos fabricar nuestro propio analizador. La idea seria hacer un barrido de todo el espectro con un filtro paso banda y pasar la salida por un detector de envolvente, viendo así el espectro de las señales, sin necesidad de transformada alguna.

Las claves para el buen funcionamiento serían:

• El F.P.B. ha de tener el ancho de banda menor que la resolución a lograr.
• Fuera de la banda de paso, donde la ganancia es constante, ha de haber una pendiente elevadísima.
• El filtro ha de poder sintonizarse.

Con esto observamos que el filtro clásico no serviría y habría que utilizar filtros de orden superior. Como complemento vimos las características de algún filtro paso banda comercial viendo que a ciertas frecuencias estandarizadas existen modelos de excelente calidad.

A continuación vimos como fabricar un filtro paso banda sintonizable utilizando un oscilador y un multiplicador antes de un filtro paso banda fijo. De esta manera para desplazar fc solo se precisa variar la frecuencia del oscilador.

Para concluir la clase, el profesor nos explicó el funcionamiento de los analizadores de espectro del laboratorio y realizamos el nuevo montaje para comprobar su correcto funcionamiento, viendo finalmente lo que esperábamos en pantalla.

Crónica del 03/11/10

Esta sesión se centró en realizar la etapa de audio de nuestro receptor, finalizando por lo tanto nuestro primer proyecto de la asignatura.

En primer lugar analizamos las características que debía tener nuestra etapa de audio:

• Alimentación 9V
• Elemnto activo AOTL081
• Transductor: altavoz 8 ohmios
• Resistencia de entrada infinita (amplificador no-inversor)
• Potencia suministrada al altavoz, la máxima posible. Por encima de 50mW es suficiente para un altavoz, y entre 1 y 2 mW para utilizar con auriculares.

La primera dificultad en aparecer fué que una de las restricciones del TL081 es que la corriente de salida no puede superar 30mA, ya que si lo hace se desconecta. Esto nos obliga a tener que aumentar la impedancia (RL) del altavoz (o de los auriculares).

A continuación realizamos un breve estudio con diferentes valores de RL, para ver cual se ajustaba más a lo que nosotros buscábamos. Observamos que por debajo de 150 ohmios, la potencia suministrada a la salida empieza a ser un poco justa para una escucha cómoda.

Y ahora... ¿cómo elevamos esa impedancia? Fácil, esta ya nos la sabíamos de etapas anteriores, utilizando nuevamente un transformador. Con él le hacemos creer a nuestro circuito que 8 ohmios son 150 ohmios, pero... ahora aparece una inductancia en paralelo... ¿qué hacemos? Hay que conseguir que en la banda de trabajo, la L1 tenga una impedancia muy superior a (N1/N2)^2x8. Esto es posible, pero son necesarias un gran número de espiras, lo que aumenta el tamaño, y el precio de nuestra solución.

Finalmente, realizamos los calculos para N1=500 espiras, N2=100 espiras, lo que nos da una potencia de salida más que suficiente para nuestro propósito.

Tras una breve explicación del profesor sobre la fabricación de estas bobinas, repasamos los requerimientos que hemos tenido que cumplir en el diseño/fabricación de nuestro receptor de OM por la utilización de la alimentación unipolar.

A continuación, el profesor realizó un repaso de todo el proceso seguido desde el comienzo hasta ahora, con un espacio para resolver dudas al final.

La última parte de la clase la dedicamos a probar nuestro receptor. Para ello subimos a los pisos superiores del edificio (ya que en el laboratorio la señal recibida es muy pobre) y uno a uno fuimos escuchando el increible resultado obtenido. Además, tuvimos la suerte de poder ver varios laboratorio de radio con diferentes sistemas muy interesantes.