Esquema general Radiobaliza

Hasta ahora hemos diseñado el emisor de nuestra RadioBaliza y solo falta la incorporación de la antena para transmitir y la modulación de la señal que en este caso se requiere una modulación ASK con un período de 1 seg.

La antena de transmisión utilizada es conectada por medio de un capacitor de acople al autotransformador del circuito tanque y utilizada corresponde a un monopolo de lambda/4 conectada a través de un cable coaxial cuya impedancia característica es de 50Ω.

Para la emisión de pulsos ASK es utilizado el circuito integrado 555, tal como se observa en la figura1, configurado en su modo de funcionamiento astable, donde los valores de resistencias y el capacitor fueron seleccionados de tal forma que el pulso generado tenga un ancho y un tiempo de baja, ambos de 1 segundo. Este voltaje es conectado al emisor del transistor, de esta forma, cuando el pulso de salida del 555 está en alto, el voltaje del emisor se incrementa y el BJT sale de su zona activa de trabajo y deja de amplificar, por lo tanto, el sistema no oscila y no se emite ninguna señal a través de la antena. Una vez que el voltaje del emisor cae, el BJT entra nuevamente en su zona activa de trabajo y el sistema vuelve a oscilar transmitiendo a través de la antena, de esta forma, se logra la transmisión de la señal en el modo On-Off. Adicionalmente, fue conectado un led en serie con su resistencia de protección entre la alimentación del sistema y la salida del 555 para así apreciar visualmente cuando el transmisor está emitiendo.

Para testear el comportamiento del transmisor de la radio Baliza a 27MHz se conectó el analizador de espectros en lugar de la antena, pudiendo verificar que una vez iluminado el led se emitía potencia. Esta potencia se logra ajustar hasta alcanzar la máxima potencia de transmisión  de 13dBm a través del capacitor variable del circuito tanque.

Así pues se logró obtener un transmisor bastante robusto en el sentido que no requiere ajustes críticos para la transmisión a 27MHz, alcanzando una máxima potencia de 13dBm  siendo alimentado todo el sistema con una batería de 15V.

Oscilador 27MHz con Cristal de 27MHz 3er over-tone.

Tal como se dijo en la sección anterior, los cristales de cuarzo poseen la característica de que son tallados de tal forma que oscilan a una frecuencia fundamental y luego en los armónicos de la misma, estos últimos son llamados sobretonos. En el caso de nuestro transmisor es utilizado un cristal de cuarzo que oscila a 9MHz en el modo fundamental y a 27MHz en su tercer sobretono. Para asegurar que solo oscile a esta última frecuencia se completa la conformación de un filtro pasabanda en el esquema, implementando un circuito tanque conectado en serie al colector del transistor, tal como se observa en la figura1.

La frecuencia de trabajo del circuito tanque es seleccionada entre los 18MHz y 27MHz de tal forma que por debajo de esa frecuencia se comporte como un circuito RL y no pueda ocurrir la oscilación, pero por encima de la misma posea una impedancia capacitiva que permita la oscilación del sistema en el tercer sobretono del cristal de cuarzo.

La configuración final del oscilador a 27Mhz es mostrada en la figura1. Se trata de un diseño robusto que no requiere de ajustes finos para modificar la frecuencia de oscilación, el único ajuste que debe ser realizado es el del capacitor Cv para obtener la máxima potencia de emisión. 

Figura1

Introducción de un cristal de Cuarzo

Hasta ahora la frecuencia de oscilación de nuestro circuito viene determinada por la bobina y el condensador, lo cual es muy variable y se desea que nuestro sistema sea robusto y menos dependiente de ajustes manuales, es por esto que para asegurar que la frecuencia de oscilación sea de 27MHz se utiliza un cristal de cuarzo. Este dispositivo  se caracteriza por poseer en un rango muy pequeño de frecuencias un comportamiento inductivo con valores fijos  de inductancia que dependen del tipo de tallado y dimensiones del cristal, es por esta razón que el cristal es representado en el modelo circuital de la figura2 por la inductancia L.

De manera general l cristal de cuarzo se comporta como una impedancia que corresponde según la figura1.

Figura 1

En la figura se aprecia que:

- Hay una f=fs en que la impedancia se hace nula (cortocircuito).

- Hay una f=fp en que la impedancia se hace infinita  (circuito abierto).

- Entre fs y fp ( intervalo pequeño) el comportamiento es inductivo.

- fs y fp se pueden ubicar a decenas de MHz y son extraordinariamente fijas y estables ya que sus   valores vienen determinados  por el tallado y dimensionado del cristal.

Un modelo circuital para el cristal de cuarzo se observa en la figura2.

Al incorporar el cristal de cuarzo a nuestro circuito oscilador el circuito resultante queda como el mostrado en la figura3 donde observamos que se prescinde del uso del diodo varicap visto en la sección anterior para hacer el circuito más dependiente de ajustes, en el caso del VCO el ajuste era realizado a través del potenciómetro. 

Los cristales de cuarzo poseen la característica de que son tallados de tal forma que oscilan a una frecuencia fundamental y luego en los armónicos de la misma, estos últimos son llamados sobretonos. En el caso de nuestro transmisor es utilizado un cristal de cuarzo que oscila a 9MHz en el modo fundamental y a 27MHz en su tercer sobretono. Para asegurar que solo oscile a esta última frecuencia se completa la conformación de un filtro pasabanda que será estudiado en las secciones posteriores de la materia.

  

Osciladores con frecuencia controlada por Tensión VCO

La frecuencia de oscilación de los circuitos diseñados hasta este momento es variada mediante la modificación de la frecuencia de paso del filtro pasabanda, lo que implica a su vez una variación del capacitor asociado al mismo. Una alternativa para cambiar la frecuencia de oscilación a través de variaciones de voltaje se basa en la implementación de un potenciómetro junto con un diodo varicap.

El diodo varicap tiene un comportamiento capacitivo que depende del valor de tensión entre sus terminales. Al conectar este dispositivo a través de la configuración mostrada en la figura1  se obtiene que con variar el potenciómetro cambia el valor de voltaje  en el mismo, lo que permite cambiar la capacitancia asociada al diodo varicap. 

De esta forma, al conectar la configuración de la figura1 al punto A o B de la figura2 diseñado en la sección anterior,  se coloca en paralelo a Cv otro capacitor cuyo valor de capacitancia se ajusta mediante un control de tensión. El paralelo de estos dos capacitores es el que va a determinar la frecuencia de oscilación del circuito, esta configuración es conocida como VCO: Oscilador controlado por tensión. 

Emisor de Radio Baliza

En esta segunda parte de la asignatura de Diseño de Radioreceptores el objetivo fundamental de estudio fue el diseño de un emisor de Radio Baliza a 27MHz para transmitir una secuencia de pulsos ASK.  

Inicialmente se realizó el análisis de una configuración que emitiera una señal cuadra con período de 2seg y un dutycicle del 50%. Como solución a este planteamiento se postuló el circuito integrado 555 en su configuración astable, el modelo circuital propuesto es el que se muestra en la figura1. 

Una vez realizada esta etapa se estudió el principio de funcionamiento de los osciladores sinusoidales, encontrando que el funcionamiento de estos consta de una etapa inicial de amplificación seguida de un filtro centrado en la frecuencia deseada de oscilación  tal como se muestra en la figura2.

Sin embargo, en esta figura observamos que resulta necesario implementar un generador de señales para lograr la oscilación, lo cual no resulta práctico ni aplicable. Para prescindir de este dispositivo se aprovecha el ruido generado en el sistema debido al ruido intrínseco a resistencias y semiconductores explicado en el efecto barkhousen, luego, sin excitación a la salida hay tensión aunque muy pequeña y si se establece un lazo de realimentación, tal como se muestra en la figura3 se logra amplificar cada vez más este ruido hasta llegar a los límites establecidos por la alimentación del amplificador.

 El ruido tiene todas las componentes frecuenciales con similar amplitud, si se filtra pasa banda se obtiene una senoide. Para que esta configuración pueda funcionar se debe cumplir que este circuito pueda oscilar se debe cumplir que la amplificación del sistema sea mayor o igual a 1 y que no se presente ningún desfase a la frecuencia de oscilación.

Inicialmente el esquema de oscilador propuesto se realizó implementando un amplificador operacional y se muestra en la figura 4 sin embargo, ese circuirto presenta dos limitaciones, la primera corresponde a que el hecho de utilizar amplificadores operaciones coarta el funcionamiento adecuado del sistema en altas frecuencias, limitando la amplificación del mismo a la frecuencia deseada de trabajo y lo que impediría la oscilación en caso de que la amplificación total del sistema sea menor que 1. La segunda limitación corresponde a que debido que el factor de calidad Q del filtro es de aproximadamente 1/3 se observa una distorsión en la salida del oscilador.

Es por esto que se plantea una solución para la elaboración del oscilador implementando transistores para la etapa de amplificación, estos pueden trabajar con frecuencias de oscilación muy altas, incluso los GHz, lo cual sería inviable con los AO.  Usando un transistor BJT BC238 en su configuración de seguidor de tensión junto con el filtro pasabanda para cumplir la condición de oscilación, el circuito queda como se muestra en la figura5.  

Finalmente, se realizó una modificación del oscilador en la etapa de filtraje, la implementación del inductor es ahora realizada por un autotransformador junto con un capacitor variable para poder cambiar la frecuencia del filtro, en nuestro montaje, esta etapa se encuentra en una placa anexa al circuito y se muestra en la figura6.  

El modelo circuital incluyendo las conexiones de la placa conectada se muestran en le figura7.

Filtros y Transformadores en RF

En esta sección de la asignatura se inició el análisis de los filtros pasaBanda y sus distintas implementaciones. La estructura básica de este filtro se observa en la figura1 que corresponde a un circuito RLC, cuya función de transferencia se aprecia en la ecuación 1 y en la figura2 se observa su comportamiento en frecuencia. 

El factor de calidad de este filtro viene dado por la expresión Q=R* (C/L)^0,5 y su ancho de banda BW=1/(2piRC).  Una limitante existe en estos filtros es que al conectar la carga al circuito el factor de calidad disminuye ya que el ancho de banda se incrementa y la amplificación del circuito disminuye.

Otra configuración de filtro pasaBanda es la mostrada en la figura3.a donde al aplicar un análisis del equivalente de thevenin se obtiene el circuito equivalente que aparece en la figura3.b siendo este un filtro pasaBanda con una amplificación de R2/(R1+R2).

Otra configuración estudiada en clase corresponde a un Bipolo RLC mostrado en la figura 4a,  el cual posee la característica de que a la frecuencia de resonancia la impedancia del sistema pasa a ser netamente resistiva tal como se observa en la figura 4.b.

Posteriormente fue presentado el circuito resonante tanque mostrado en la figura5a, el cual,  cuyo modelo circuital que aparece en la figura5b donde se observa la resistencia parásita de asociada a la bobina. En el caso de que el factor de calidad sea mayor de 5 se puede hacer una aproximación de análisis quedando el circuito como en la figura5c correspondiente justamente a un bipolo RLC pero con una resistencia equivalente a Rp=L/(RsC). De esta forma, surge la idea de plantear amplificadores sintonzados con transistores empleando este circuito tanque.

Otra estructura hábil para crear picos de resonancia es la mostrada en la figura 6 que corresponde a un circuito RLC en el análisis realista del circuito (tomando en cuenta la resistencia parásita del inductor). El comportamiento en  frecuencia de este circuito se observa en la figura7. 

Posteriormente, se realizó el análisis requerido para el diseño de inductancias y la teoría relacionada al acoplamiento magnético que ocurre al ubicar dos bobinas coloniales o en el mismo toroide.

Las características principales de los transformadores que fueron analizadas en clase se muestran en las figuras 8 y 9, donde esta ultima corresponde a la condición de los transformadores de multiplicador de impedancias.  Esta ultima característica es utilizada como alternativa para el Q del filtro diseñado. Al conectar la salida del filtro al embobinado primario de un transformador y a su vez la carga RL al secundario del transformador se tiene que en la salida del filtro se verá una resistencia en un factor de n^2 mayor que RL, asimismo,  por las propiedades vistas en la figura 8, la tensión en los terminales del inductor secundario será menor, por lo tanto se trata de sacrificar amplificación para conservar el ancho de banda inicial.

Otra alternativa para evitar la degradación de Q del circuito resonante a causa del efecto de carga consiste en establecer una configuración como la vista en la figura10a, la cual resulta equivalente a la vista en la figura10b.

Algunas equivalencias que resultan muy útiles utilizando una configuración similar a la vista anteriormente corresponden a las mostradas en la figura11 el cual se comporta como un filtro pasaBanda con amplificación en su pico de resonancia, tal como se observa en la figura. 

Etapa Final del receptor de Onda Media Regenerativo

                Una vez diseñada la etapa de sintonía y amplificación de nuestro receptor sigue diseñar las etapas  de demodulación y la amplificación del audio a escuchar, sin embargo, ambos diseños deben realizarse teniendo cuidado de no afectar el voltaje de salida de la etapa anterior. Es por esta razón que surge la necesidad de colocar una etapa separadora que establezca Vo en terminales de una fuente de tensión ideal de manera que la Rin del demodulador no pueda influir en el voltaje de salida de la etapa anteriormente realizada.

                Para la implementación de la etapa separadora se propone por simplicidad la utilización de un amplificador operacional a través de una configuración no inversora como la mostrada en la figura 1.

 Destacando que en esta configuración el ancho de banda es inversamente proporcional a la amplificación del sistema. Si se utiliza el operacional TL081se tiene que este mantiene un ancho de banda de 1MHz cuando la amplificación no supera los 3V/V. Sin embargo, la utilización de esta configuración propone un nuevo problema: su implementación requiere utilizar dos baterías, una para la alimentación positiva y otra para la negativa. Es por esto que se propone una polarización asimétrica tal como se muestra en la figura 2 para alcanzar una amplificación de k=2.

                Una vez analizado el circuito concluimos que esta configuración sí es válida para nuestro receptor ya que 0<Vo<Vcc  siempre y al no poseer componentes negativas que amplificar no se ve distorsionada nuestra señal.

                Sin embargo, con esta configuración surge otro problema y es que la componente continua de la señal de salida de la etapa previa de amplificaciones de 4.5V el cual sumado a la pequeña componente AC con un factor de amplificación de2 sobrepasa los 9V de alimentación del operacional por lo que en realidad se tendrá una distorsión en la señal. Para evitar este efecto, se añade un capacitor entre la resistencia R1 y la tierra tal como se muestra en la figura 3, de esta forma se logra amplificar la componente variable con el tiempo y dejar inalterada la componente continua.

                La siguiente etapa en el diseño de nuestro receptor es el detector de envolvente que va a permitir obtener de la señal transmitida el mensaje. Para su implementación se utiliza un diodo junto con un capacitor y un resistor tal como se muestra en la figura 4, donde el valor de la resistencia y el capacitor fueron seleccionados de tal forma que no se distorsione el mensaje que se quiere rescatar. Recordando que en nuestro caso la frecuencia de la portadora está entre los 550kHz  y 1.6MHz, la frecuencia de nuestro mensaje es de fm<4kHz ya que se trata de voz.

                Posteriormente queda realizar la etapa final de audio de nuestro receptor para el cual se utilizará un altavoz de 8 ohm que es el más comercial y estará alimentado con 9V como el resto de nuestro circuito.

                Para poder reproducir un sonido con el amplificador de audio de manera que pueda escucharse con claridad debe suministrársele como mínimo una potencia de 50mW hasta el máximo posible para mejorar la calidad del sonido. En el caso de nuestro receptor, por las limitaciones de corriente que tiene el AO se puede alcanzar como máximo una potencia de 3.6mW.  Bajo estas condiciones establecidas se necesitaría como mínimo un altavoz de 150ohm lo cual no existe en el mercado y carece de practicidad.

                Para solucionar este inconveniente se propone añadir una etapa final de potencia con una ganancia reducida y para transferir a la carga la potencia que se requiere.  Para la implementación de esta etapa en nuestro circuito se utiliza un transformador de tal forma que se incremente la resistencia vista a la salida del devanado secundario en un factor de (N1/N2)^2 , donde N1 equivale al número de espiras del transformador primario y secundario respectivamente, logrando así alcanzar los requerimientos de potencia necesarios.  Finalmente, la etapa de audio conformada por el detector de envolvente y el amplificador de potencia queda como se muestra en la figura 5.

                El potenciómetro permite ajustar el volumen del audio ya que está variando la ganancia del amplificador.

                Esta corresponde a la etapa final de nuestro receptor de onda media regenerativa, capaz de sintonizar frecuencias entre los 550kHz y 1.6MHz, alimentado a 9V  de una batería DC y un consumo aproximado de 15mA. El diseño permite tener controles sobre la sintonización de la señal, la regeneración de la misma y el volumen al que puede reproducirse el sonido a una potencia máxima de 60mW sobre un amplificador de audio de 8 ohm. El circuito final del receptor de onda media regenerativo se muestra en la figura 6, incluyendo cada una de sus etapas.