modulador y desmodulador fm pll y infrarojo (1).pdf

7/23/2019 MODULADOR Y DESMODULADOR FM PLL Y INFRAROJO (1).pdf

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Laboratorio de CEF Prctica 2: Sistema de Comunicaciones con Enlace por Infrarrojos

Ingeniera Electrnica Curso 09/10 1

Prctica B.2: Sistema de Comunicaciones con Enlace por Infrarrojos.

Material

Fuente de alimentacin.Generador de funciones.

Tarjetas IR Emitter e IR detector.Multmetro.Resistencias y condensadores varios.Para una prueba completa de funcionamiento, es aconsejable que el alumno aporte unwalkman, MP3 o similar con sus cascos.

1. DescripcinEn esta prctica se va a implementar un sistema de comunicaciones con enlace por

infrarrojos. Dicho sistema est constituido por un mdulo emisor y otro receptor. En el mduloemisor se hace uso de modulacin en frecuencia mediante el empleo de un oscilador VCO. Laseal de audio a transmitir acta como moduladora alrededor de la frecuencia central de

oscilacin del VCO. Esta seal modulada en frecuencia es emitida mediante el empleo de unIR LED.

Por otra parte, en el mdulo receptor, un fotodiodo capta la seal de infrarrojos, la cual debeser amplificada antes de poder ser demodulada mediante el empleo de un PLL y de esa forma

poder extraer la seal moduladora original. Finalmente, la seal de salida es llevada a unoscascos.

1.1. Mdulo emisor.

Est constituido por los siguientes bloques:

Figura 1.-Circuito emisor F.M. con IR LED.

Etapa de acondicionamiento de la salida de audio al modulador F.M.:Para amplificar laseal de audio de entrada se ha empleado un amplificador inversor con el A.O. uA741. Dadoque la amplitud de la salida de audio es variable, el potencimetro R4 permite variar laganancia del amplificador hasta un mximo de 100. Por otra parte el amplificador debe adecuarla seal de audio a la entrada del modulador. Para aprovechar la caracterstica lineal delmodulador, se ajusta el potencimetro R8 para que la tensin de salida del amplificador enausencia de seal de audio (es decir, en continua) sea la mitad de tensin de alimentacin delHEF4046. De esa forma, en tal caso el oscilador oscilar a la frecuencia central f

0.

Modulador: Su funcin es la de oscilar a una frecuencia que puede ser variada en funcin delvalor de la amplitud de una seal moduladora, que es la salida del circuito amplificador de la


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seal de audio. El C.I. HEF4046 se ha empleado como VCO. La frecuencia central delmodulador se ajusta a f0= 50 kHz mediante los componentes externos R6, R7y C7. La tensinde alimentacin del integrado es de 15 V.

Si llamamos R1a la resistencia conectada al pin 11 del HEF4046, R2a la conectada al pin12 y C1 al condensador entre los pines 6 y 7, R1 y C1determinan la frecuencia mxima de

oscilacin (fmax) y R2y C1la frecuencia mnima (fmin), tal y como se observa en la siguientefigura:

Figura 2.-Circuito integrado HEF4046 con posibles conexiones externas y frecuencia de oscilacin del VCO en

funcin de su tensin de entrada VCOIN.

donde se puede observar que con .

Para disear el VCO con un offset en frecuencia (fmin ! 0Hz y R2 ! ") partiendo delconocimiento de f0y fLse calcula fmin= f0- fLy, a partir de la siguiente figura, se determinan

R2y C1:

Figura 3.-Determinacin de R2y C1a partir de fmin.


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A continuacin se determina para, haciendo uso de la siguiente figura

determinar la relacin para obtener R1.

Figura 4.-Determinacin de R1a partir de R2y el cociente fmax/fmin.

Emisor de infrarrojos:El C.I. HEF4046 proporciona a su salida una seal cuadrada (entre 0

V y VDD, en nuestro caso, 15 V) modulada en frecuencia en su patilla VCOOUT. Esta seal esempleada para excitar un diodo LED de infrarrojos mediante el empleo de una configuracinDarlington de transistores NPN.

El diodo LED empleado es el HIRL5040 que presenta una corriente directa mxima de 100mA. La potencia radiada a 50 mA es de 40 mW/sr para una longitud de onda de pico deemisin a #p= 940 nm. Hay que tener en cuenta adems la directividad del diodo IR LED en eleje longitudinal del encapsulado con un ngulo del haz de 60.


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1.2. Mdulo receptor.El receptor, cuyo esquema se muestra en la Figura 5, se compone de los siguientes bloques:

Figura 5.-Receptor F.M. con fotodiodo de infrarrojos.

Receptor de infrarrojos y acondicionamiento: El fotodiodo D1recibe la radiacin infrarrojamodulada en frecuencia portadora de la informacin y la convierte en una corriente elctrica

proporcional a la radiacin recibida. El amplificador U1 acta como amplificador detransimpedancia convirtiendo la corriente elctrica del fotodiodo en una tensin de salida.Dado que cuanto mayor es la ganancia (|Vout/Iin|= R1) del amplificador, menor es el ancho de

banda de ste, se ha escogido una resistencia de 56 k$para tener un funcionamiento adecuadoen el rango de frecuencias de trabajo. El amplificador U4constituye una etapa amplificadora

posterior que permite aumentar la amplitud de la seal recibida.El fotodiodo D2 no recibe la radiacin infrarroja portadora de la informacin sino

nicamente la parte del espectro contenido en el infrarrojo que es emitido por los tubosfluorescentes del laboratorio y que constituye una seal de baja amplitud y de periodo 100 Hz.Esta seal es tambin captada por el fotodiodo D1por lo que es amplificada y si no se elimina

puede ocasionar la presencia de un molesto ruido de baja frecuencia en los cascos. Elamplificador U4acta como un amplificador restador pudiendo de esa forma eliminar el ruidode 100 Hz presente en la seal captada por D1. Para ello se ha de variar el potencimetro R17

hasta que a la salida de U4el ruido de 100 Hz se haya reducido al mximo.Demodulador: Su funcin es extraer la seal moduladora a partir del tren de pulsos, y serealiza de nuevo con el CI HEF4046 pero esta vez actuando como PLL. La sealcorrespondiente al tren de pulsos modulado en frecuencia es acoplada al pin 14 (SIGNIN) deforma capacitiva para conseguir que dicha seal est entre los niveles lgicos de entrada delintegrado. En la explicacin del funcionamiento vamos a llamar VDDa la seal de alimentacindel integrado (15V).

En la Figura 2 se muestra el diagrama interno del HEF4046. El comparador de fase 1 (PC1)est constituido por una red con puerta XOR. En ausencia de seal en la entrada SIGNIN lasalida del comparador de fase 1 PC1OUTy tambin VCOINes VDD/2 lo que provoca que a lasalida del oscilador VCOOUTse tenga una oscilacin a la frecuencia central f0.

Una caracterstica tpica del PLL cuando se emplea el comparador de fase 1 es que, enfuncin de la frecuencia de la entrada SIGNIN, el desfase entre dicha seal y la salida del


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(1) Valor promedio

oscilador VCOOUT, que es a su vez la otra entrada al comparador COMPIN, vara entre 0 y180, siendo 90 para la frecuencia central f0.

Si en la entrada SIGNINhay presente una seal que oscila a una frecuencia que coincide conla frecuencia central de oscilacin del VCO, f0, en la salida VCOOUT (unido a COMPIN) setiene la misma seal de entrada aunque con un desfase de 90. El resultado es que la seal en el

pin 9 (VCOIN) despus de atravesar un filtro pasa-baja es una seal en forma de doble rampacuyo valor promedio es VDD/2.

Figura 6.-Formas de onda del HEF4046 cuando en la entrada SIGNINhay presente una seal que oscila a unafrecuencia que coincide con la frecuencia central de oscilacin del VCO, f0.

Esto provoca que el oscilador oscile a su frecuencia central f0. De esa forma el osciladorqueda enganchado a dicha frecuencia.

El valor promedio de VCOIN vara con el desfase entre la seal de entrada SIGN IN y laentrada al comparador COMPINde la forma:

VCOIN=V

SFOUT=

VDD

"# $

SIGNIN% $

COMPIN( ) (1)

donde VSFOUTes la salida del emisor seguidor (pin 10 del HEF4046).

Figura 7.Valor promedio de la tensin VSFOUT=VCOINdel HEF4046.

Como el desfase es funcin de la frecuencia de la entrada SIGN IN el oscilador puedeengancharse a una serie de frecuencias alrededor de su frecuencia central f0. De igual formaotra caracterstica del PLL es que puede engancharse a frecuencias prximas a armnicos osub-armnicos de la frecuencia central f0.

Si partimos de que el PLL no est inicialmente enganchado y variando la frecuencia de laseal SIGNINnos acercamos a la frecuencia central f0bien desde frecuencias inferiores bien


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desde frecuencias superiores existe un rango de frecuencias en las que el PLL quedarenganchado. Ese rango es llamado rango de captura (2fc) y es simtrico alrededor de lafrecuencia central f0. Una vez enganchado el PLL podemos aumentar o disminuir la frecuenciafuera del rango de captura mantenindose el PLL enganchado. El rango de frecuencias a lasque el PLL se engancha si se parte de que el PLL ya estaba enganchado es el rango de

enganche (2fL) y tambin es simtrico alrededor de f0. El rango de captura es menor o igual queel rango de enganche.f0

2fL

2fC

Figura 8.Rango de captura y rango de enganche del PLL.

En toda esta explicacin se ha supuesto que el PLL no se ha enganchado previamente a unarmnico o sub-armnico de la frecuencia central, lo cual podra suceder al desplazarse enfrecuencia por encima o por debajo de f0.

Para el diseo del PLL conocidos f0y fLse siguen los mismos pasos que en el caso anterior.Si llamamos R1a la resistencia conectada al pin 11 del HEF4046, R2a la conectada al pin 12 yC1al condensador entre los pines 6 y 7 sus valores se obtienen de igual forma que para el casodel VCO. El rango de captura depende del filtro pasa-baja ( R2-C5en Figura 5):

con %= R2&C5 (2)

En nuestro caso debemos suponer que partimos de que el PLL no est inicialmenteenganchado y el rango de captura debe ser escogido de forma que el ancho de banda sea el

adecuado para dejar pasar la seal moduladora.

Seguidor: Para llevar la seal a los cascos es suficiente con el empleo de un circuito seguidor,aunque previamente la amplitud de la seal de salida del circuito demodulador debe reducirse auna amplitud relativamente baja (del orden de 150 mVp) actuando sobre el potencimetro R16de 100 k$dada la baja impedancia que presentan los cascos.


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2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

2.1. Modulo emisor

1)

Disear adecuadamente el oscilador VCO para una frecuencia central f0= 50 kHz y2 fL= 20 kHz. Para el diseo fijar R6= 100 k$con VDD= 15 V:

R7= k$C7= pF

2)Introducir a travs del conector J2 una tensin de alimentacin VDD= 15 V para el mduloemisor y ajustar los diferentes puentes de dicho mdulo de la siguiente forma:

JP1 JP2 JP3

Puente entre 2 y 3 Sin puente Sin puente

Introducir a travs del conector J1 una seal senoidal (150 mVp, 1 kHz) con el generador defunciones la cual se emplear como tono de test. Regular convenientemente el potencimetroR4 para obtener en TP1 a la salida del uA741 una seal senoidal de amplitud mxima sindistorsin (sin saturar), que deber tener un valor DC de aproximadamente VDD/2 que seajustar con el potencimetro R8. Una vez ajustado, apagar la alimentacin y el generador defunciones.

3) Ajustar los diferentes puentes del mdulo emisor de la siguiente forma:

JP1 JP2 JP3

Seal continua entre los pines 2 (+) y 3 (-) Sin puente Sin puente

Alimentar el mdulo con VDD= 15 V en J2 e introducir en VCOIN(entre los pines 2 y 3 deJP1) una tensin continua variable entre VDD y 0 V comprobando como la frecuencia deoscilacin del VCO (VCOOUT, medida en TP2) vara entre fmaxy fmin, siendo f0para VDD/2.

Comprobar la linealidad del VCO. Para ello variar el valor de la tensin VCOINpara rellenarla siguiente tabla:

VCOIN f f/VCOIN

2,5 V -

5 V

7,5 V

10 V

12,5 V

Una vez realizadas las medidas desconectar la tensin continua introducida entre los pines 2 y3 de JP1.

4)Ajustar los diferentes puentes del mdulo emisor de la siguiente forma:

JP1 JP2 JP3

Puente entre 1 y 2 Sin puente Sin puente

Alimentar el mdulo y verificar como al introducir un puente entre 1 y 2 de JP1a la salidadel circuito modulador (TP2) se obtiene una seal de frecuencia f0en ausencia de tono de test.


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Utilizar el generador de funciones para introducir una seal senoidal (150 mVp, 1 kHz)como tono de test. Verificar como a la salida del modulador (TP2) se obtiene la seal moduladaen frecuencia por el tono de test. Variar la frecuencia del tono de test entre 1 Hz y 10 kHz ycomprobar su efecto a la salida. Al finalizar desconectar la alimentacin y el generador defunciones.

5)

Ajustar los diferentes puentes del mdulo emisor de la siguiente forma:

JP1 JP2 JP3

Puente entre 1 y 2 Sin puente Con puente

Conectar de nuevo la alimentacin y el generador de funciones y comprobar el correctofuncionamiento del circuito de excitacin con transistor midiendo en TP3, es decir en loscolectores de los transistores en configuracin Darlington.

2.2 Modulo receptor

6)

Disear adecuadamente el PLL para una frecuencia central f0= 50 kHz, 2 fL= 50 kHz y

2 fc= 20 kHz. Para el diseo fijar R3 = 100 k$con VDD= 15 V:

R10= k$; C6= nFFPB: R2= k$; C5= nF

7)Alimentar a travs del conector J1 el mdulo receptor con VDD = 15 V y colocar losdistintos puentes de dicho mdulo de la siguiente forma:

JP1 JP2 JP3 JP4 JP5

Sin puente Puente entre 2 y 3 Puente entre 2 y 3 Puente entre 2 y 3 Sin puente

8)Al colocar el puente entre los pines 2 y 3 de JP2 la tensin en el pin 14 del CI 4046,SIN = 0 V, con lo que en VCOOUT(pin 4) debe haber presente una oscilacin a f0= 50 kHz.Comprobarlo y al finalizar la comprobacin apagar la fuente de alimentacin.

9)Colocar los distintos puentes del mdulo receptor de la siguiente forma:

JP1 JP2 JP3 JP4 JP5

Sin puente Puente entre 1 y 2 Seal cuadrada entre2 (+) y 3 (-)

Puente entre 2 y 3 Sin puente

Alimentar el mdulo receptor a travs de J1 e introducir entre 2 y 3 de JP3 una seal

cuadrada con un ciclo de trabajo del 50% entre 0 V y 5 V. Variando la frecuencia de dichaseal, comprobar el rango de frecuencias de captura y de enganche.

Estar enganchado cuando las frecuencias de las seales del generador y de la seal desalida VCOOUT(pin 4) coincidan.

Rango de captura Rango de enganche

Valores tericos Valoresexperimentales

Valores tericos Valoresexperimentales

fmax= f0+ fc= kHz fmax= f0+ fL= kHzfmin= f0- fc= kHz fmin= f0 fL= kHz


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10) A continuacin se va a emplear la salida del modulador del mdulo emisor como sealde test y verificar la correcta demodulacin comparando la frecuencia de la seal demoduladacon la del tono de test. Para ello conectar los puentes de ambos mdulos de la forma indicada acontinuacin:

MDULO EMISOR

JP1 JP2 JP3

Puente entre 1 y 2 Seal de salida entre 1(+) y 2(-) Sin puente

MDULO RECEPTOR

JP1 JP2 JP3 JP4 JP5

Sin puente Puenteentre 1 y 2

Seal entre 2 (+) y 3 (-)proveniente de JP2 del

mdulo emisor

Con puente entre2 y 3

Con puente

Alimentar ambos mdulos e introducir a travs del conector J1 del mdulo emisor una seal

senoidal (150 mVp, 1 kHz) con el generador de funciones. Midiendo con el osciloscopio enAC en TP4, comprobar que dicho tono de test llega al receptor y ajustar la amplitud de la seala 150 mVp con el potencimetro R16. Si la seal senoidal presenta distorsin (saturacin porarriba o por abajo) reajustar R4 del mdulo emisor.Al finalizar desconectar las alimentaciones.

11) A continuacin se va a verificar que la seal modulada llega correctamente al moduloreceptor. Para ello conectar los puentes de ambos mdulos de la siguiente forma:

MDULO EMISOR

JP1 JP2 JP3

Puente entre 1 y 2 Sin puente Con puenteMDULO RECEPTOR

JP1 JP2 JP3 JP4 JP5

Sin puente Puente entre 2 y 3 Puente entre 2 y 3 Puente entre 2 y 3 Con puente

El fotodiodo D1 recibe la radiacin infrarroja modulada en frecuencia portadora de lainformacin y la convierte en una corriente elctrica proporcional a la radiacin recibida. Dichacorriente elctrica se convierte en una tensin de salida teniendo en cuenta la ganancia (|Vout/Iin|= R1) del amplificador de transimpedancia. Alimentar ambos mdulos e introducir a travs delconector J1 del mdulo emisor una seal senoidal (150 mVp, 1 kHz) con el generador de

funciones. Verificar que en TP1del mdulo receptor se tiene una seal que presenta un nivelDC y, superpuesto a ste, una seal modulada en frecuencia cuya amplitud depende de laradiacin recibida y, en consecuencia, de la proximidad de los mdulos emisor y receptor. Otrofactor a tener en cuenta es la alta directividad del IR LED en el eje longitudinal delencapsulado, con lo que, como podemos comprobar, al alejarnos de dicho eje perdemosinformacin.

12) Comprobar el efecto de introducir el amplificador U3. Para esto ltimo, en ausencia deseal en el mdulo emisor, colocar los distintos puentes del mdulo receptor de la siguienteforma:

JP1 JP2 JP3 JP4 JP5Con puente Puente entre 2 y 3 Puente entre 2 y 3 Con puente entre 1 y 2 Con puente


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Alimentar el mdulo receptor y visualizar la seal en TP2en AC y Base de Tiempos de 10ms/div. Dibujar la forma de onda que se obtiene:

CH1: VTP2 .......V/div (AC) B.T.: 10 ms/div

Raznese el porqu el periodo de la seal obtenida es de 100 Hz (Ayuda: la iluminacin dellaboratorio procede de tubos fluorescentes).

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Actuar sobre R17(POT de 250 k$) para disminuir al mximo la amplitud de dicha seal.

13) A continuacin se va a comprobar la correcta demodulacin de la seal transferida conenlace por infrarrojos. Para ello alimentar el mdulo emisor e introducir a travs del conectorJ1 de dicho mdulo una seal senoidal (150 mVp, 1 kHz) con el generador de funciones.Colocar los distintos puentes del mdulo receptor de la siguiente forma:

JP1 JP2 JP3 JP4 JP5

Con puente Puente entre 1 y 2 Puente entre 1 y 2 Puente entre 1 y 2 Con puente

Seguir los siguientes pasos:

Alimentar el mdulo receptor y verificar que en TP2se tiene la misma seal que enTP1 aunque muy amplificada. La amplitud de dicha seal depender de la

proximidad entre los mdulos emisor y receptor. Se ha de evitar que estnexcesivamente prximos pues, en dicho caso y, dada la gran ganancia delamplificador U4, su salida podra saturarse (colocar los mdulos emisor y receptorencarados y cada uno en un extremo de la mesa o bien ms prximos pero noencarados).

Comprobar que la demodulacin se ha producido de forma correcta observando la

seal en AC en TP5.


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Comprobar midiendo con el osciloscopio en TP4que la amplitud de la seal es deaproximadamente 150 mVp, tal y como se haba ajustado previamente. Si no es asajustarla con el potencimetro R16. Variando la frecuencia del tono de test delmdulo emisor comprobar como vara de la misma forma la frecuencia de la sealen TP4.

Conectar los cascos entre 1 (+) y 2 (-) del conector J2 y comprobar como el tono detest es audible y cmo su sonido vara al variar la frecuencia.

14) Finalmente sustituir el generador de funciones conectado a J1 del mdulo emisor por lasalida de audio de un walkman, MP3 o similar y con los cascos conectados entre 1 (+) y 2 (-)del conector J2 del mdulo receptor, verificar el funcionamiento del sistema decomunicaciones via infrarrojos.


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EMISOR

RECEPTOR

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