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 circuitointegrado 566 y un circuito en bucle cerrado de enganche de fase(PLL) basado en el C.I. 565. El circuito VCO se empleará como moduladorde FM y el circuito PLL como demodulador de FM. Con loscircuitos anteriores se realizarán medidas en el dominio temporal deseñales moduladas en frecuencia utilizando el osciloscopio. Se realizarán,además, medidas en el dominio de la frecuencia empleando analizadoresde espectro.2 Introducción.En esta práctica se realizará el montaje de un circuito generador deonda 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 demodulaciónFSK de la señal modulada.El diagrama de bloques interno del circuito VCO 566 se muestra en lafigura 1.El circuito responde a la estructura general de un generador de formasde onda. Una fuente de corriente con un valor de intensidad proporcionala la tensión V , e inversamente proporcional a la resistencia R,carga el condensador C linealmente hasta que la tensión del condensadorllega a un nivel de comparación superior. Después de esto, el comparadorcambia el sentido del generador de corriente produciéndose ladescarga del condensador de la misma manera. Esta descarga se realizahasta que la tensión del condensador llega a un nivel inferior decomparacón. En ese momento, la fuente de corriente vuelve a cambiarsu polaridad repitiéndose el ciclo indefinidamente.La tensión en el condensador, una vez amplificada, sale al exterior porel pin 4. La tensión a la salida del comparador sale por el pin 3.1

GND123COMPARADORDETENSIONFUENTEDECORRIENTE8764 5I=f(V,1/R)VccCVccRVEntradaModulacionFigura 1: Diagrama de bloques del oscilador controlado por tensión566.En el circuito de la figura 1, la frecuencia de salida se determina como:f = 2 (V cc ; V )R C V ccPor tanto, la frecuencia de salida del VCO 566 se puede determinar porla expresión:f = 2(V 81 ; V 51 )R 1 C 1 V 81 V 81 es la tensión entre pines 8y1. V 51 es la tensión entre los pines 5y1.De la ecuación anterior se puede determinar la sensibilidad teóricacomo:S =;2 HzR 1 C 1 V 81 vEl diagrama de bloques interno del circuito PLL 565 se muestra en lafigura 2.En este circuito, la frecuencia fundamental del VCO puede programarsemediante la resistencia R 0 y el condensador C 0 de tiempo. Lasalida del VCO se introduce en el comparador de fase y se compara conuna de las entradas. El resultado de esta comparación, a través delamplificador, se pasa por un filtro retardador y se actua sobre el VCO2

para variar la frecuencia de éste, hasta que las dos señales pines 2 ó3y pines 4 ó 5 estén en fase.-Vcc114ENTRADA2COMPARADORDEFASE13ENTRADA312SALIDADE VCO4VCO11COMPARADORDE FASE510+VccSALIDA DEREFERENCIAREFERENCIA DECONTROL VCO69AMPLIFICADOR7 8CONDENSADORCoDE TIEMPORESISTENCIARDE TIEMPO oFigura 2: Diagrama de bloques del circuito de enganche de fase (PLL)565.Respecto al circuito integrado 565 se puede determinar:1. Frecuencia de oscilación:f o =13:7 R o C o2. Ganancia de la malla:G m = K o K D = 33:6 f oV c K o es la sensibilidad del oscilador ( Rad=s ).V K D sensibilidad del detector de fase ( V ). La salida del detectorde fase puede observarse en el pin 7.Rad V c es la tensión total de alimentación del circuito o diferenciade tensión entre los pines 10 y 1.3

3. Rango de retención: Es el rango de frecuencias en que se mantieneenganchada la malla tras haber sido enganchada inicialmente..f H = 8 f oV c4. Filtro de malla: Pueden utilizarse dos tipos de filtro: Filtro de retraso simple. Se realiza conectando un condensadorC 1 entre los pines 7y10(entre estos pines existe unaresistencia interna de valor R 1 = 3:6K. Éste se emplea enaplicaciones de ancho de banda amplio con desviaciones defrecuencias mayores del 10%. El ancho de banda en este casose determina por: sf n = 1 Gm2 R 1 C 1. Y el factor de amortiguamiento por:. = 1 2s1G m R 1 C 1 Filtro corrector. Se realiza insertando entre los pines 7 y 10un condensador C 2 en paralelo con una red RC (una resistenciaR 1 en serie con un condensador C 1 ). Se emplea en aplicacionesde banda estrecha. Para este filtro, el ancho de bandase determina por:sf n = 12G m(R 1 + R 2 ) C 1.Y el factor de amortiguamiento es: = R 2 C 1 f n4

3 Material necesario. Osciloscopio. Analizador de Espectro Tektronix 2711. Generadores de Señal. 2 Placas moduladora–demoduladora FM (una para trabajar en eldominio del tiempo y otra en el dominio de la frecuencia).4 Realización de la práctica.4.1 Medidas en el dominio del tiempoSeleccionar la placa de menor frecuencia de oscilación para realizar lasmedidas en el dominio del tiempo.1. Modulación FM.(a) Montar el circuito VCO que se muestra en la figura 3. Visualizarlas forma de onda de salida al variar el potenciómetrode 10K. Con el pin 5 conectado al condensador, observary comprobar analíticamente cómo afecta a la frecuencia lavariación de resistencia del potenciómetro.(b) Con el pin 5 conectado al condensador, ajustar el potenciómetrode 10K hasta que la frecuencia sea de 2:0KHz. Medirla tensión continua en el pin 5. Medir el valor de resistenciaconectada a la entrada del pin 6. Comparar los resultadoscon los teóricos.(c) Conectar el potenciómetro de 1K al pin 5. Variando dichopotenciómetro, medir las frecuencias para valores de tensiónentre pin 5 y 1 desde 8:1V hasta 9:1V en pasos de 0:1V . Representargráficamente la característica tensión–frecuencia.Calcular la sensibilidad y comparar con el valor teórico. Comentarlos resultados obtenidos.(d) Sustituir el potenciómetro de 1K por la red de resistencias yel generador de señal que se muestra en la figura 4.5

-5V1287C1=.047 µ F+5V-5VONDA CUADRADAONDA TRIANGULAR3 64 510K10K+5V+5VC. I. 5661K.01 µ F1KFigura 3: Circuito generador de onda basado en el oscilador controladopor tensión 566.+5VGENERADORDESEÑAL00 111K1KPIN 5 DEL C. I 566Figura 4: Circuito para la conexión del generador de señal.(e) Ajustar el generador para una señal senoidal de 1Hz y amplitudde 1V pp . Ajustar el osciloscopio de manera que se puedanobservar unos cinco ciclos de la onda triangular en el pin 4.Idear un método para medir el índice de modulación con elempleo del osciloscopio, en función de las frecuencias máximaymínima de salida del VCO.2. Demodulación FM.(a) En la misma placa, sin desmontar el circuito anterior, montarel circuito de la figura 5. No conectar aún la señal FM.(b) Ajustar el potenciómetro de 10K del circuito 565 para obteneruna frecuencia de 2:1KHz medida en el pin 5 (condición inicialpara el posterior enganche entre circuitos integrados).6

+5vEntradaFM.1 µ F15K-5v1214134K71 µ F4K710K345651211-5v56109+5v.01 µ F78Salidademodulada2 µ F82022K22K.001 µ F.01 µ F32+5v-+83114K771410K10K.001 µ F+5v-5vFigura 5: Circuito demodulador FM basado en el circuito de enganchede fase 565.(c) Con la tensión de salida senoidal del generador de señal fijadaa 0:5V pico a pico, conectar, a través del condensador de0:1F ,laseñal de FM entre el pin 3 del C. I. 566 y el pin2 del C. I. 565. Representar simultáneamente la señal delgenerador y la salida del PLL actuando como demodulador.Observar cualitativamente qué ocurre cuando se aumenta–disminuye la amplitud–frecuencia del generador de onda. Comentarlos resultados.3. Modulación y Demodulación FSK (Frequency Shift Keying).(a) Finalmente, el montaje se empleará para realizar una modulacióny posterior demodulación FSK. El comparador de tensiónse emplea para producir pulsos cuadrados desde la sa-7

lida del demodulador. El generador de onda se ajusta paraproducir una señal de 0:2V pico a pico y 10Hz. Trazar las formasde onda de salida del generador, salida del comparadory salida demodulada.4.2 Medidas en el dominio de la frecuenciaSe realizarán empleando el analizador de espectro de Tektronix 2711.Seleccionar la placa de mayor frecuencia de oscilación para realizar lasmedidas 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. Observarlas características del analizador de espectros para determinar lafrecuencia de salida mínima del VCO. Configurar el VCO parauna frecuencia base de 0:4MHz. Configurar la tarjeta para quela señal modulada provenga de un generador de onda a 10KHz yamplitud 0:5v.2. Véase en el osciloscopio la salida 1 y salida 2 del VCO.3. Observar el espectro de la señal cuadrada en el analizador. ¿ Porqué tiene esa forma ?. PARA PROTEGER AL ANALIZADORDE ESPECTRO, NO SE DEBERÁN EMPLEAR SEÑALESCON AMPLITUDES SUPERIORES A 2v DE PICO A PICO.4. Construir una nueva señal FM que analizaremos con el analizadorde espectro. En este caso se usan dos generadores de ondaA y B. El generador de ondas A generará laseñal moduladora.Programar el generador A para que proporcione una onda senoidalde 10KHz y amplitud 0:5v. Introducir la salida del generador Aen la entrada FM ([FM INPUT]) del generador de ondas B. Elgenerador de ondas B, dispone de un modulador FM interno cuyaportadora debemos ajustar a 2MHz.5. Observar en el osciloscopio la salida del generador B. Girar elmando AMPL que está sobre la entrada [FM INPUT] de B, para8

controlar la amplitud de la señal que llega a la entrada [FM IN-PUT]. Variar la amplitud de la señal moduladora ([AMPLITUDE]en A). ATENCIÓN AL MÁXIMO NIVEL PERMITIDO A LAENTRADA DE FM INPUT. ¿Qué está sucediendo con el índicede modulación de la señal ?.6. Observar el espectro de la señal en el analizador. PARA PROTE-GER AL ANALIZADOR DE ESPECTRO, NO SE DEBERÁNEMPLEAR SEÑALES CON AMPLITUDES SUPERIORES A2v DE PICO A PICO. Por ello, es conveniente usar los atenuadoresdel generador B para que la señal modulada tenga una amplituddel orden de los mV. En concreto, se deben pulsar en B los dosbotones [ATTENUATOR] y se observará en el osciloscopio como laseñal modulada reduce su amplitud (para ver la señal será necesarioajustar la escala de amplitud del osciloscopio a los mV.).7. Al encender el analizador de espectro, se observa una franja deruido en la parte baja de la pantalla que se corresponde con elruido que genera internamente el propio analizador. Cuantificarel nivel de potencia de ese ruido a cualquier frecuencia. Reducirla escala horizontal con [SPAN/DIV]. Obsérvese que la potenciade ruido disminuye. ¿ Por qué ?(Nótese que el filtro de frecuenciaintermedia también disminuye su ancho de banda).8. Pasamos a utilizar ahora el analizador. Conectar la salida de Ba la entrada del analizador (obsérvese que la resistencia de salidade B coincide con la de entrada del analizador, 50 ohms., porlo que existe adaptación). Es conveniente que el cable para estaconexión sea lo más corto posible para eliminar efectos de atenuación.Hacer nulo el índice de modulación. Para ello bastará torcerhacia la izquierda hasta el tope, los mandos [AMPL] y [AMPLI-TUDE] en los generadores B y A respectivamente. ¿ Qué cabeesperar 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 intermediacon la de la portadora) haciendo que el nivel de continuaque se puede observar quede justo en el margen izquierdo de la9

pantalla. Describir el proceso seguido para conseguirlo. Medir sobrela pantalla del analizador la potencia de la señal y expresarel resultado en mW.NOTA: El nivel de continua que aparece no es propio de una señalFM. Es un nivel que aparece debido a que el analizador comienzaen 0Hz su rango de medida, pero no se debe tener en consideración,de ahí que se pida situarlo en el margen izquierdo.Existe un botón en el analizador, [APPL], que da lugar a un menúque permite la medida de algunas características espectrales interesantes,como por ejemplo anchos de banda de señales, amplitudesnormalizadas de ruido, relaciones señal a ruido, ancho debanda ocupado, desviaciónFMylabúsqueda de señales en unrango de frecuencias especificado. La mayoría de estas opcionesse activan seleccionándolas y se desactivan seleccionándolas nuevamente.Algunas, como el cálculo de ruido en una banda, requeriránde ciertos parámetros a especificar.10. Medir el ancho de banda a 3dB de la señal. Para ello, pulsar[APPL] y elegir la opción 0. ¿ Coincide con el del filtro de frecuenciaintermedia ?.NOTA: Para cuestiones posteriores, siempre que se quiera medirel ancho de banda de una señal, ésta deberá aparecer entera enla pantalla y con la máxima resolución posible.11. A continuación vamos a variar el índice 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 cuandomodificamos el índice de modulación ?. Justificar los resultadosobtenidos.12. Para observar la señal con mayor resolución se puede reducirel escalado horizontal o agrandarlo para adecuar la señalalapantalla. Al modificar ese escalado, el analizador selecciona automáticamenteel ancho de banda del filtro de frecuencia intermedia,adaptándolo al nuevo escalado. Eligiendo un escalado de frecuenciasapropiado podremos ver los diferentes pulsos de la señalFM. Medir la distancia que existe entre los pulsos del espectro.¿ Coincide con lo que cabría esperar de la fórmula que daba la10

transformada de Fourier ?. ¿ Qué le sucede a los picos cuandoaumentamos el índice de modulación ?. ¿ Cómo se puede explicaresto último ?.13. Pulsando la opción 4 del menú [APPL] podemos calcular la bandaen la que se contiene el 99% de la señal. Medir ese ancho debanda para diferentes índices de modulación, por ejemplo, paramodulación nula, para modulación media y para modulación máxima.A partir de estos resultados estimar la desviación máximade frecuencia para cada caso usando la regla de Carson.NOTA: Si el índice de modulación fuese nulo, cabría esperar queel ancho de banda resultado fuese el del filtro de frecuencia intermedia.Difiere un poco porque el propio ruido del analizadorfalsea algo la medida.14. Por último, vamos a estimar el ruido interno medio del instrumentoen una banda de 5Mhz alrededor de la frecuencia centralpara tener una idea de cómo puede afectar dicho ruido a laseñal. Para ello, entrando en el menú de [APPL] y seleccionandola opción 9 llegamos a un menú para fijación de parámetros. Nosinteresa la opción 2, [NOISE NORM’D BW] que nos pide el anchode banda en que queremos calcular ese ruido. Lo especificaremoscomo 5Mhz: [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.11