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.

Crónica día 02/11/10

La clase ha comenzado comentando los ejercicios de esta semana. Debido a ello, el profesor ha repetido la demostración de que el efecto que produce la realimentación positiva en la mejora de la sensibilidad y selectividad del receptor, es debida a la creación de una resistencia negativa en serie con la resistencia de pérdidas de la bobina L1, que es la de la antena.

La clase a continuado con la explicación de la siguiente etapa de nuestro receptor, que es la detección de envolvente. Hemos visto la configuración de un circuito detector de envolvente constituido por un diodo y un circuito RC. A priori, esta configuración parece muy simple, pero realmente es un circuito complejo de entender.

Tras una explicación detallada, hemos analizado una ficha de dicho diseño que será la que se utilizará a partir de ahora.

En el laboratorio hemos realizado dos experimentos. En primer lugar hemos verificado el conversor AC/DC acoplando la entrada sobre la salida. En este proceso hemos probado un diodo de germanio (Vgamma=0,3V) y otro de silicio (Vgamma=0.65V), pudiendo apreciar el efecto de uno y otro.

El segundo experimento ha consistido en realizar la medida de una modulación de amplitud. En ella igualmente hemos superpuesto la entrada y la salida y hemos podido apreciar la importancia de los valores RC, para evitar dos posibles efectos: la distorsión diagonal y el aumento del rizado. En este experimentos hemos probado como fuente: una señal sinusoidal, una persona hablando y música, apreciando que cuanto más acusados son los cambios en la señal de entrada, más difícil se hace su correcta detección mediante el circuito.

En la ultima parte de la clase, hemos analizado un cálculo preciso de RC para evitar la distorsión diagonal y también efecto que tienen las variaciones de amplitud en una señal cuando esta tiene una componente contínua.

Con esto, hemos dejado lista la parte del detector de envolvente, y para la clase que viene comenzaremos con la etapa de audio.

Crónica días 26 y 27 de octubre

La sesión del día 26 comenzó realizando el montaje y medida de nuestro amplificador en el laboratorio, aunque como ya vamos estando acostumbrados, primero comentamos los resultados que esperábamos obtener en las medidas.

Destacamos que en la Vo obteníamos valores de unidades de voltio, lo cual nos permite realizar con éxito la detección de envolvente en la siguiente etapa. También, pudimos percatarnos de que la amplificación disminuía muy considerablemente según aumentaba la frecuencia de trabajo:

• 100 kHz -> Amplificación: 137,5
• 200 kHz -> Amplificación: 131,25
• 600 kHz -> Amplificación: 109,5
• 800 kHz -> Amplificación: 98,25
• 1 MHz -> Amplificación: 87,75
• 1,5 MHz -> Amplificación: 67

A continuación, insertamos una bobina de 330 micro henrios a continuación de la alimentación de 9 voltios, con el objetivo de lograr extender en ancho de banda. Al repetir las medidas pudimos verificar que se logra una curva ecualizada:

• 100 kHz -> Amplificación: 136
• 200 kHz -> Amplificación: 133
• 600 kHz -> Amplificación: 121,75
• 800 kHz -> Amplificación: 116
• 1 MHz -> Amplificación: 109,5
• 1,5 MHz -> Amplificación: 86,75

En estas sesiones, también pudimos ver en el laboratorio el funcionamiento de la etapa de sintonía en conjunto con el amplificador, con un modelo implementado por el profesor.

A continuación, el siguiente objetivo fue lograr la retransmisión de la señal amplificada por el receptor para que sea captada de nuevo por la antena del mismo logrando una interferencia que ha de ser constructiva. Es importante tener en cuenta para ello que hay un riesgo de saturación del sistema.

La realimentación positiva consiste en lograr con pocos dispositivos activos una gran amplificación, para ello se debe excitar el amplificador con la tensión de entrada y una pequeña fracción de la salida.

Partiendo de las ideas anteriores continuamos dándole vueltas a nuestro circuito para lograr este nuevo objetivo. Devanando una nueva L3 sobre el mismo núcleo que L1, e invirtiendo las conexiones vemos que se logra la realimentación positiva. Si además conectamos una resistencia en serie, vemos que al disminuir esta resistencia disminuye el ancho de la banda seleccionada y a su vez aumenta la amplificación. Esto significa que A LA VEZ conseguimos mejorar nuestro amplificador en sensibilidad y selectividad. El límite de este efecto se encuentra cuando se anula el coeficiente S de la función de red. En ese caso nuestro receptor comienza a comportarse como un oscilador de frecuencia 1/sqrt(LC).

A continuación, estudiamos la forma de aplicar esta nueva mejora a nuestro receptor construido. Vemos que es necesaria una etapa separadora entre lo realizado hasta ahora y el demodulador y amplificador de audio. Esto se debe a que cualquier modificación en estas ultimas partes altera la resistencia de entrada y por tanto la etapa de "sintonía-amplificación-regeneración".

Se decide implementar esta etapa mediante un amplificador operacional, ya que hacerlo mediante un transistor sería más complicado. Para ello realizamos un estudio frecuencial del mismo. También vemos como solucionar diversas cuestiones como: la limitación frecuencial de los AO y su influencia, la polarización asimétrica (ya que nuestro receptor debe funcionar únicamente con una pila), como evitar la distorsión...

La clase del día 27 concluye con introduciendo el montaje de esta etapa separadora para la próxima sesión.

Crónica días 19 y 20 de octubre

Tras el paréntesis de la última sesión para explicar el funcionamiento de los diodos, y los circuitos con estos, la clase del día 19 comenzó entrando de lleno en la siguiente etapa de nuestro receptor, el amplificador de radiofrecuenia.

En primer lugar concretamos nuestra finalidad que es amplificar la tensión capturada por el circuito de sintonía (<5mv)

• Rango de frecuencias: 550 kHz - 1600 kHz
• Amplificación: 100, que es equivalente a 40 dB
• Resistencia vista a la entrada: alta
• Tecnología: transistores bipolares

A continuación, realizamos un estudio en profundidad del funcionamiento de los transistores bipolares, debido a la gran relevancia que han tenido en el desarrollo de toda la tecnología actual. Los objetivos de este estudio fueron:

1. Ser capaces mediante "análisis" de averiguar si un transistor que forma parte de un circuito está en zona activa.
2. Ser capaces de diseñar circuitos que polaricen un transistor en zona activa.
3. Ser capaces de diseñar mediante transistores en zona activa circuitos amplificadores.
4. Construir un amplificador.

En cada uno de los puntos anteriores, fuimos analizando diversas propuestas para aproximarnos en cada caso a la solución más conveniente, logrando una mayor amplificación y evitando diversos problemas como la inestabilidad térmica. Concretamente, y debido a su utilidad para nuestro receptor, hicimos especial hincapié en el modelo incremental.

Fué especialmente interesante en estas clases los siguientes hitos:

• Detectar el efecto Miller y lograr eliminarlo en nuestro diseño.
• Contrarrestar el efecto caída amplificación.
• Añadir un pequeños resistor en serie con el emisor, reforzando la resistencia de entrada y por lo tanto mejorando la selectividad, aunque empeorando algo la amplificación.

La clase del día 20 concluyó, comentando cómo en la siguiente sesión íbamos a construir nuestro amplificador y a testearlo en el laboratorio.

Crónica día 13/10/10

La clase anterior concluyó implementando el transformador en el laboratorio. El siguiente paso ha sido medirlo y corroborar empíricamente su funcionamiento. Como anteriores veces, antes de ello hemos razonado en la clase el procedimiento a seguir para su medida y los valores que esperábamos encontrar. Concretamente, el cociente entre la amplitud del pico de resonancia de la primera bobina (60 espiras) y el de la segunda (10 espiras) debía dar un valor próximo a n=6.

La primera bobina la hemos medido, como ya hicimos anteriormente, con una sonda de baja capacidad, para perturbar lo menos posible la medida. La segunda bobina se podía medir tanto con sonda como sin ella, ya que el efecto del transformador reducía la capacidad parásita por un factor de n². Los resultados obtenidos en la medida han sido:

• Frecuencia de resonancia: 935 KHz
• Amplitud del pico en la primera bobina: 2V
• Amplitud del pico en la segunda bobina: 0,307
• Cociente: n=6,5

Con esto hemos verificado experimentalmente la capacidad de transformador para prevenir el efecto del amplificador de HF, reduciendo la sensibilidad del receptor pero manteniendo la selectividad.

Tras finalizar con nuestra primera etapa del diseño hemos introducido la etapa de amplificación de HF. Para ello hemos recordado que el detector de envolvente requiere una amplitud mínima de 300 mV en los puntos más bajos de la modulación.

Ya que para entender bien el amplificador HF es necesario saber trabajar bien con transistores, lo que a su vez implica saber resolver circuitos con diodos, el resto de la clase la hemos dedicado a recordar como se resuelven circuitos de este tipo.

Hemos hablado: del método gráfico, del modelo lineal a tramos y, finalmente, del modelo incremental, en el que hemos concluido que inicialmente se ha de buscar el punto de trabajo y a continuación calcular la fase incremental. Con esto y un ejercicio propuesto ha concluido la clase.

Crónica día 06/10/10

Tras repasar el procedimiento de medida de nuestra bobina definido en la clase anterior, y razonar unas expectativas para los resultados que obtendremos, pasamos al laboratorio a realizar el montaje y la medida. Repetimos este procedimiento varias veces moviendo nuestra espira a lo largo del núcleo de ferrita y viendo el efecto que esto produce. Los resultados obtenidos fueron:

Primera medida (centro del núcleo):

• Frecuencia de pico de resonancia: 874 KHz
• Amplitud del pico de resonancia: 24,3
• Inductancia: 302,26 uH
• Resistencia parásita: 17,6 ohmios

Segunda medida (borde del núcleo):

• Frecuencia de pico de resonancia: 1045 KHz
• Amplitud del pico de resonancia: 17,5
• Inductancia: 207,1 uH
• Resistencia parásita: 27,7 ohmios

Tercera medida (dos tercios de núcleo):

• Frecuencia del pico de resonancia: 954 KHz
• Amplitud del pico de resonancia: 20
• Inductancia: 248,5 uH
• Resistencia parásita: 24,5 ohmios

Tras realizar las medidas volvimos a la clase a comentar los resultados y la influencia de la posición de la bobina respecto del núcleo. En todas las medidas resultó que la resistencia parásita se nos iba dos órdenes de magnitud por encima de lo esperado, algo nada despreciable.

Meditamos la causa a la que se podía deber tal efecto y finalmente un compañero concluyó que el efecto que nos habíamos olvidado era el "Efecto pelicular", que básicamente se traduce en que la conducción del cable también depende de la frecuencia de trabajo, y a mayor frecuencia peor es la conducción. (Comprobamos en las medidas que el efecto se comporta de tal manera).

Tras esta fase práctica volvemos al aula a evaluar nuestra etapa de sintonía. La mejora del Q (factor de calidad) requiere disminuir la resistencia parásita que es inviable de forma notoria como hemos comentado antes. Vemos que nuestro Q muestra deficiencias de selectividad, al ser BW/2 prácticamente igual a la separación mínima entre portadoras, el filtro de sintonía no podrá separarlas con eficacia, y una interferirá en la otra.

Tras la etapa de sintonía habíamos decidido instalar un amplificador HF, pero vemos que si hacemos esto con el objetivo de mejorar la sensibilidad del receptor, se deteriora muy considerablemente la sensibilidad... Es importante minimizar de alguna manera este efecto producido por el amplificador HF.

Aplicando un segundo devanado a nuestra espira realizamos un transformador perfecto, de esta manera la resistencia de entrada del amplificador HF se ve multiplicada por la razón al cuadrado del número de espiras del primer devanado entre las del segundo. De esta manera perdemos algo de amplificación (disminuye la eficacia de la antena), pero preservamos la selectividad, una opción sensata.

Finalmente pasamos al laboratorio, para añadir a nuestra antena el segundo devanado.

Crónica día 05/10/10

Tras definir en la clase anterior nuestra estructura del receptor, en esta comenzamos centrándonos en la primera etapa: antena + filtro de sintonía.

Tras analizar un filtro paso banda para la etapa de sintonía, vemos que sería conveniente crear picos de resonancia consiguiendo amplificar la señal en la banda sintonizada. Resolvemos un circuito RLC serie y vemos que su respuesta en frecuencia satisface lo que buscamos. Extremos de este circuito:

• La frecuencia de resonancia, en función de L y C.
• La amplitud del pico de resonancia, en función de R, L y C.
• La anchura del pico, en función de R y L.
• Factor de calidad, Q.
• Desfase en el pico.

Vemos que la antena y el filtro pueden compactarse con una antena de bobina sobre núcleo de ferrita y un condensador en paralelo. Estudiamos esta estructura para asignar los valores de interés, y una vez obtenidos pasamos al laboratorio a fabricar nuestra propia antena (L = 250uH aprox.) devanando 60 espiras juntas de cobre (diámetro 0,4mm) sobre un núcleo de ferrita de diámetro 1 cm .

La clase concluyó razonando el procedimiento correcto para medir dicha bobina, teniendo en cuenta diferentes parámetros como: resistencia parásita del generador de señales, cables de medida... Y vemos que utilizar una sonda de baja capacidad es la mejor opción.

Crónica día 28/09/10

La clase comenzó comentando: los deberes de esta semana, los ejercicios pendientes, el trabajo sobre las comunicaciones HF, y hablando de algunos receptores, ya que algunos alumnos estábamos interesados en el tema.

Con lo visto hasta el momento se propuso una posible estructura de un receptor, detectando un posible riesgo si las frecuencias de oscilación del multiplicador del transmisor y del receptor son ligeramente distintas. Quedó como tarea desarrollar matemáticamente esta situación y razonar los efectos que puede provocar.

Una vez diseñado nuestro sistema de TX/RX, se plantea la idea de compartir el espectro radio eléctrico. Esto hace necesario asignar a cada emisora un ancho de banda determinado, dejando un pequeño margen para evitar solapamiento entre diferentes canales.

Al haber diversos canales, nuestro receptor debe ser capaz de sintonizarlos, por lo que es necesario hacer unas modificaciones al modelo propuesto anteriormente. Para ello es necesario introducir un filtro paso banda que filtre todos los canales menos uno. Aún así, seguimos teniendo el problema del multiplicador. Planteamos como opción mejorar el transmisor para poder simplificar y abaratar los receptores.

Con vistas a esto, se propone enviar junto a la señal de audio una componente contínua que asegure que la suma de ambas es siempre mayor que cero. (Realizamos una pequeña prueba en el laboratorio para comprender mejor esta idea). Vemos que diseñando un detector de envolvente, podríamos extraer la información de la señal de entrada sin necesidad de un multiplicador.

Hacemos un paréntesis en la clase para razonar como fabricar nuestro detector de envolvente y nuestro filtro paso banda. Pero surge un problema, los detectores de envolvente requieren como mínimo 0,3 voltios a la entrada, y si la emisora está lejos no podemos asegurar que esto se cumpla. Es necesario introducir un amplificador HF (fabricado con transistores bipolares) entre el filtro paso banda y el detector de envolvente.

Tras todo lo anterior, creemos haber llegado a una posible estructura definitiva para nuestro receptor :

Ant. - F. Paso Banda - Amp. HF - Det. Envolvente - Bloq. DC - Amp. Audio

Crónica día 22/09/10

Tal y como acordamos en la clase anterior, al comienzo de esta, determinamos experimentalmente la potencia de audio y distorsión armónica de un receptor de onda media (ETON mini 300). Aunque el procedimiento ya estaba descrito y disponible en el blog de la asignatura, poder realizarlo en el laboratorio fue muy ilustrativo y motivador.

La clase continuó con la cuestión planteada en la sesión anterior:

¿Cómo influye la curvatura de la tierra en las comunicaciones RF?

Así vimos los tres métodos para comunicaciones de larga distancia:

1. Camino directo
2. Onda superficie
3. Refracción ionosférica

Continuando con la idea de Reinventar la radio, llegamos a la necesidad de convertir una señal acústica en señal eléctrica y viceversa. A partir de ahí, vimos brevemente como funciona un micrófono y un altavoz.

Debido a que el oído humano únicamente percibe las frecuencias en el rango 20 Hz - 20 KHz, y a que en comunicaciones trabajar en ellas en inviable (antenas kilométricas), llegamos a las siguientes conclusiones:

• Se puede recortar el rango de trabajo a 300 Hz - 3400 Hz, de manera que la señal continúa siendo inteligible.
• Si es radiable no es audible y viceversa. Es necesario desplazar la información en el espectro a frecuencias más altas para trabajar con tamaños de antenas razonables.

Con ello, y concluyendo la clase, llegamos a los multiplicadores de frecuencias, que son los encargados de llevar y traer la información de unas frecuencias a otras.

Crónica día 21/09/10

Comienzo de mis clases de DR, aunque la asignatura arrancó unos días antes, a los que no pude asistir.

En primer lugar, me presenté a mis compañeros. A continuación el profesor me hizo una breve introducción al temario, funcionamiento y desarrollo de la asignatura.

Tras este paréntesis la clase continuó con la corrección de unos ejercicios de cálculo de potencias para distintas señales, comentando las diferentes formas de enfrentarlo y buscando la solución más cómoda y clara.

Según pude ver, la idea inicial de partida de la asignatura, a través de la cuál se van hilando los distintos temas es: Reinventar la radio.

Así la clase continuó trabajando un esquema básico de un transmisión/recepción y desarrollando las expresiones que este planteaba hasta llegar a la ecuación de transmisión expuesta en dB y dBm, la cual es muy ilustrativa. Así pudimos entender: los parámetros que intervienen en un enlace radio, el ruido, la sensibilidad de un receptor, la razón de trabajar en dB y dBm, las ganancias de las antenas según el tipo que sea, las pérdidas de propagación, etc.

La explicación además fue ilustrada con varios ejemplos prácticos realizados con un receptor en el aula.

Por último, consultamos algunas hojas de fabricantes para ver cómo se expresan los valores antes comentados, y también algunos hasta el momento no tratados.

La clase concluyó planteando la siguiente cuestión:

¿Cómo influye la curvatura de la tierra en las comunicaciones RF?