Am

Proyecto Final 2002 - Fisi 3144 Diseño y Construcción de un Sistema Receptor de Amplitud Modulada (AM) 1. Introducción El propósito de este proyecto es estudiar el concepto de amplitud modulada (AM) y diseñar un sistema receptor de señales AM. La modulación de una señal hace que ésta adquiera una forma más apropiada para su transmisión y por eso este proceso se utiliza en sistemas de comunicación (por ejemplo, radio y televisión) y de transmisión de datos. El principio básico de modulación implica la sobre-imposición de la señal de información (una onda de baja frecuencia) sobre una onda de alta frecuencia. La primera, vm(t), se conoce como la señal de modulación y la segunda, vc(t), como la señal de transporte (carrier) o simplemente transporte. En la figura 1, el transporte es senoidal y tiene una frecuencia fc y una amplitud Vc(t) que cambia con el tiempo de acuerdo a la señal de modulación vm(t).

Figura 1: Señal de Amplitud Modulada

Como implica su nombre, AM (Amplitude Modulation) envuelve modulación de la amplitud del transporte. Todos los procesos de modulación AM generan valores extremos de frecuencias de los cuáles puede extraerse la señal original. Si consideramos una señal de información senoidal con frecuencia fm, los extremos serán (fc-fm) y (fc+fm). Una señal AM típica como la que aparece en la figura 1, puede representarse como:

v AM = K [1 + mv m (t )] cos 2πf c t

(1)

donde cos2πfct es el transporte, vm(t) es la señal de modulación, m es el índice de modulación y Vc(t)=K[1+mvm(t)] es la cubierta (envelope) de la señal AM. El índice de modulación representa la fracción por la cual la amplitud de la cubierta Vc(t) se desvía del promedio, o el grado de modulación. Si –1≤vm≤1, entonces el valor de m debe limitarse a |m|<1.

Fisi 3144 - Proyecto Final 2002

2

La generación de una onda AM se obtiene del producto del transporte y la señal de modulación. En la práctica ésto puede obtenerse con un elemento no-lineal como un diodo. Si vm=Vmcos2πfct, la señal modulada se convierte en:

v AM (t ) = [V DC + mVm cos 2πf m t ]Vc cos 2πf c t = V DCVc cos 2πf c t +

mVmVc mVmVc cos 2π ( f c − f m )t + cos 2π ( f c + f m )t 2 2

(2)

La ecuación 2 tiene tres componentes espectrales. El primero representa una señal con la frecuencia de transporte fc y amplitud VDCVC y dos componentes con igual amplitud, 0.5VmVc, y con frecuencias extremas, (fc-fm) y (fc+fm). Demodulación La demodulación o detección es el proceso de recuperar la información transportada por la señal modulada. Una forma simple para demodular la señal original de una señal AM; es utililizando un circuito detector de cubierta (envelope detector). Como muestra la figura 2, éste es básicamente un rectificador de media onda.

Figura 2: Circuito Detector de Cubierta

Para demodular señales AM, las constantes de tiempo se seleccionan de manera que:

1 1 < R2 C1 < 2πf c 2πf m

(3)

1 2πf c

(4)

R1C1 >

Note que R2>>R1 y que VDC debe ser lo suficientemente grande como para que la amplitud del transporte exceda el voltaje umbral del diodo (0.7V). El esquemático del receptor AM aparece en la figura 3. La parte dentro del rectángulo es la que usted diseñará y construirá. En el receptor AM la señal de transporte se selecciona sintonizando un circuito resonante LC a la frecuencia fc. Esto permite seleccionar una estación en particular de todas la que están transmitiendo en la

Fisi 3144 - Proyecto Final 2002

3

banda AM. La señal seleccionada se amplifica en la región RF y se demodula, utilizando el circuito de cubierta de la figura 2, para extraer la parte de la señal que representa la información transmitida. La señal demodulada se amplifica en la región de audio y mediante un amplificador de potencia se prepara para alimentar una bocina de 8 Ω.

Figura 3: Sistema Receptor AM

Procedimiento: Instrucciones: Lea todo el procedimiento antes de comenzar a calcular, simular, construir o medir. Algunas etapas pueden trabajarse independientes de otras y no necesariamente hay que hacerlo de forma secuencial. Haga un plan de trabajo con su compañero(a) para desarrollar el proyecto de la forma más eficiente posible. Verifique el funcionamiento de cada etapa por separado antes de conectarlas. 1. Señal de entrada AM La señal de entrada será suministrada por el HP33120A y alimentará el circuito detector. Esto sustituye al sintonizador y al amplificador RF en la figura 3. Utilice el generador de señales para obtener una señal con las siguientes especificaciones: un transporte con amplitud de 1V, dc offset de 2.5V, fc de 550kHz y una fm de 440Hz, el porciento de modulación (depth) a 100. (Vea la página de CIELab para detalles de cómo programar el generador de señales- http://cuhwww.upr.clu.edu/~rarce/cielab/home.htm). Esta señal corresponde a la entrada AM (AM Input) en la figura 4. Observe la señal en el osciloscopio y guarde una copia para su informe. 2. Diseño y Construcción del Circuito Detector Recuerde que la función de este circuito es recuperar la señal modulada mientas filtra el transporte. El circuito a construir es el que discutimos en la figura 2 y aparece nuevamente como la primera etapa de la figura 4. Su salida está representada por vA. En este circuito el voltaje de rizo (p-p) debe ser menos que el 10% de la amplitud de la señal moduladora vista desde el nodo A(vA(t)). Utilizando este criterio y las propiedades de un diodo 1N4148, determine los valores de R1, R2 y C1. Verifique que se cumplen las condiciones en las ecuaciones 3 y 4. Antes de construir el circuito haga una simulación en Multisim para verificar que satisface todas las especificaciones. Muestre todos los cómputos y los resultados de la simulación en su informe. 3. Diseño y Construcción del Amplificador de Audio

Fisi 3144 - Proyecto Final 2002

4

En la figura 4, el amplificador de audio tiene como entrada el voltaje vC y como salida vD. Los tres capacitores en el amplificador de audio cumplen la función de bloquear la señal dc. Si estos capacitores no están disponibles puede usar valores más grandes. El potenciómetro, conectado entre los nodos B y C, le permitirá controlar el volumen de la señal y su resistencia puede mantenerse constante al momento de diseñar o simular el circuito. 10V VCC

10V VCC

10V VCC

RP1

RC

RB1

D1 1N4148

Va

8 1

R1

R2

Vd

C4

RL (bocina)

2N3906 Q2

C2

4

2N3904 Q1

C3 1N4001GP D2

Vc

Vb

2

C1 AM

3

1N4001GP D1

RB2

RE1

RP2

50% RE2

CE

Figura 4: Demodulador y Amplificador de Audio y Potencia

Seleccione un transistor 2N3904 y determine el valor de β utilizando el procedimiento de la práctica 12. Si β para su transistor es menor que 100, seleccione otro y repita el procedimiento hasta obtener el valor adecuado. Recuerde utilizar en su diseño valores comúnes de resistores y fuente de voltaje. Trate de utilizar valores de capacitores disponibles en el laboratorio (1 uF, 10 uF, 100uF). Sugerimos los siguientes pasos para que obtenga los criterios de diseño. 1. Obtenga cuanto es la amplitud de voltaje AC que debe llegar a la bocina (utilice la bocina del protoboard) para que esta emita un sonido audible. Comience con una amplitud bien pequeña y poco a poco auméntela hasta que logre escuchar el ‘silbido’ de lo onda senoidal. Dirija su diseño para que la última etapa de su circuito sea capaz de producir un voltaje que haga que la bocina suene a un volumen moderado. 2. Diseñe el detector de cubierta y simule. Si la salida cumple con los parámetros establecidos, pida los componentes al profesor y ármelo. Mida su salida. Esta debe parecer una onda senoidal de 1Khz. Considere esa onda como la señal de entrada para los amplificadores de su diseño. Antes de construir el circuito haga una simulación en Multisim para asegurarse que satisface las especificaciones y haga los ajustes necesarios al circuito. Cuando la simulación este funcionando, presente al profesor una lista de los materiales que necesita para armar el circuito. Entonces proceda a armar y probar el circuito montado.

Fisi 3144 - Proyecto Final 2002

5

3. Amortiguador Note que en la figura 4, la salida del demodulador, vA, está acoplada al amplificador de audio mediante un circuito amortiguador (en ingles se llama buffer) basado en un OpAmp LM358N. En su informe, discuta el funcionamiento de este circuito amortiguador. 4.

Amplificador de Potencia

Utilice la configuración del amplificador de potencia que construyó en la práctica 17 (el último de los circuitos). Verifique que la entrada del amplificador de potencia puede acoplarse a la salida del amplificador de audio, calculando las impedancias de entrada y salida de los circuitos. 5. Bocina Una vez que se asegure que no va a dañar la bocina del breadboard conecte su sistema receptor a la bocina. Informe y presentación: 1. Su informe debe incluir todos los cómputos, criterios de diseño y simulaciones en Multisim. 2. Además debe demostrar el funcionamiento del circuito a su instructor. 3. El instructor y los estudiantes decidirán la fecha para la entrega del informe y la demostración del circuito.

Fisi 3144 - Proyecto Final 2002

6

10V VCC

10V VCC

10V VCC

RP1

RC

1N4001GP D1

RB1 D1 1N4148

3 2 R2

C4

C3 1N4001GP D2

1

R1 C1

AM

8

2N3904 Q1

2N3906 Q2

C2

4

RL (bocina)

RB2

RE1

RP2

50% RE2

CE