Diseño modulador DSB. Principio de funcionamiento de un modulador de doble banda lateral (DSB).
Este modulador consta básicamente de un multiplicador de señales, el cual deberá entregar el producto de una señal seno de una frecuencia f1 (mensaje) por una señal seno de frecuencia fc (portadora), para esto se utilizará el IC MC14!, el cual es un setup de " transistores acti#os $ue conforman un modulador balanceado, es decir, permite la multiplicaci%n de señales diferenciales& Este modulador ' tendrá la posibilidad de ajustar el ni#el de la portadora a la salida, esto será *til para transformar el modulador '+C con pe$ueñas modificaciones en un modulador M, el cual tiene un ni#el de portadora ma-or en amplitud a la #ariaci%n má.ima de amplitud del mensaje& Modulador DSB.
/ara comenzar, se establecerán los re$uisitos $ue deberá cumplir este modulador0
-
limentaci%n de #oltaje no ma-or a 12 3 (má.imo #oltaje permitido por el MC14!)& Impedancia de entrada cercana a 15 para no tener problemas con las impedancias de salida de otros dispositi#os& 6uncionar sin distorsi%n con señales de entrada de 1 3p& Impedancia de salida lo menor posible (idealmente debajo de 17o8m)& 6recuencia de portadora de 427 9z, con un anc8o de banda de 12 9z, para poder transmitir audio& :n #oltaje de salida de al menos 17 m3pea;, para poder pod er e.citar sin problemas al demodulador&
/ara poder diseñar este circuito se utilizará como base el setup $ue muestra el datas8eet del MC14! de <= emiconductor, en el cual aparece ap arece el siguiente setup como aplicaci%n t>pica0
Fig. N° xx. Setup básico de un modulador DSB. ?uego, este setup se modificará para adaptarlo a las necesidades del modulador $ue se desea diseñar& ?a primera modificaci%n será reemplazar las resistencias de 21 5 por resistencias de 1 5, debido a $ue una impedancia de entrada de 21 5, a pesar de ser un #alor normalizado en sistemas de comunicaciones, no es la impedancia $ue se re$uiere para efectos de laboratorio, por$ue se pretende utilizar el mismo setup del modulador para 8acer el demodulador& i se utilizaran las resistencias de 21 5, la impedancia de entrada, tanto del circuito modulador como demodulador seria de 21 5, lo cual ocasionar>a problemas con la impedancia de salida del circuito, $ue es de @& 5, con lo cual no funcionaria adecuadamente debido a la alta atenuaci%n de la señal $ue esto pro#ocar>a& 'e este modo, se seleccion% una resistencia de 1 5 para ser colocada a la entrada del circuito, para polarizar las bases de los transistores, determinando la impedancia de entrada del circuito& /or otro lado se agregaran condensadores de 177 n6 a la entrada de la alimentaci%n, esto es para e#itar oscilaciones indeseadas $ue producen los semiconductores, estos se agregarán en todos los ;its a desarrollar& 'e este modo, se e.plicará el funcionamiento del siguiente setup0
3CC1B3
Entrada mensaje 6H1
C2 D! @&;5
C1
D4
17u6
"&B;5
14
1 A2
A"
B=BBBB
B=BBBB
B=BBBB
B=BBBB
+
13
B _
+
_
C@ 177n6
12
3
Mensaje modulado AB
A!
B=BBBB
B=BBBB
11 CB
10
5 A@
A
9
6 D1 DB 1;5 1;5
Ext Trig + _
A4
4
D2 !&";5
C1
A
A1
2 D@ 1;5
D1B @&;5
177n6
B=BBBB
7
D47 2775
'1 1=414" D41 2775
D17 1;5
B=BBBB
6HB
8
D4B 2775
MC1496
177n6 D "&B;5 D 1;5 Portadora
C4 D" 177n6 1;5
C! 177n6
D14 17;5
+"3
3
D31
Ajuste portadora 27G D1@ 17;5
27;5 e-F
Fig. N° xx. Setup para modular señales DSB. En la figura se obser#a el es$uema interno del MC14!, debido a $ue este componente no está en la librer>a del softare Multisim, por lo $ue se simul%& JambiKn se aprecian los condensadores C1, CB - C@ $ue son de desacoplo - $ue se reemplazaron las resistencias de 21 5 por resistencias de 1 5& /or otra parte se aprecia $ue se agregaron las resistencias D4 - D, las cuales, junto con la impedancia de entrada del circuito, forman un di#isor de tensi%n& Esto es por$ue los generadores de funciones de los laboratorios tienen un #oltaje de salida m>nimo de alrededor de 127 m3p, lo cual es demasiado para el circuito, por este moti#o se agreg% un di#isor de tensi%n a la entrada el cual aten*a en un 7 G las señales de entrada, de esta forma los generadores de funciones deberán entregar un #oltaje de salida de 1 3p para as> tener un #oltaje apro.imado de 177 m3p a la entrada del modulador& El resto del setup se mantu#o, debido a $ue cumple con los re$uisitos del diseño& ?a frecuencia de la portadora para este setup, puede llegar sin problemas a los 1777 9z, debido a su simpleza - carencia de filtros pasa bajos& Demodulador DSB.
Como se mencion% anteriormente, se modifico la impedancia de entrada del setup recomendado para poder usar este mismo setup en la demodulaci%n, con la diferencia $ue en este paso no 8ace falta eliminar la portadora a la entrada, de este modo se puede eliminar D#1, D1@ - D14, por otro lado, la entrada de la portadora es la misma, - tanto el circuito
modulador como el demodulador deben compartir la misma señal moduladora& En la entrada del setup se ingresa la señal modulada, de este modo se obtiene a la salida del setup el producto de la señal modulada por su portadora, lo cual resulta en la recuperaci%n del mensaje más arm%nicas, a continuaci%n se acopla a este setup un filtro pasa bajos, cu-a frecuencia de corte debe ser de de 12 9z& continuaci%n se muestra el diseño del filtro pasa bajos0 Diseño del filtro pasa bajos activo de 2° orden
e desea $ue el filtro sea del tipo acti#o, debido a $ue la respuesta de este no se #e afectada si se #aria la impedancia de la carga, - , por otra parte, debido a la alta impedancia de salida de la ma-or>a de los circuitos implementados, es nece sario utilizar un &<& (amplificador operacional) para utilizar como buffer& 'ebido al alto grado de integraci%n de los componentes electr%nicos actuales es posible encontrar B &<& encapsulados en un c8ip tipo 'I?+", con lo $ue en #ez de colocar solo 1 &<& es mejor utilizar B, de paso utilizar uno como filtro acti#o de segundo orden, mejorando considerablemente el desempeño del circuito implementado& /ara simplificar al má.imo el diseño, se eligi% seguir la topolog>a allen+e-, con ganancia unitaria - con respuesta utterort8, $ue es la más utilizada en estos filtros por su respuesta plana en la banda de paso de frecuencia, de este modo, el setup a seguir es el siguiente0
Fig. N° xx. Setup filtro pasa bajos activo Sallen Ke! con ganancia unitaria. ?as ecuaciones para calcular los componentes, teniendo en cuenta la frecuencia de corte (fc), el factor de calidad del filtro (A) - factor de escalado de frecuencia (66), son las siguientes0
(..)
(..)
El factor de calidad del filtro, - el factor de escalado de frecuencia se obtiene de la tabla para filtro con respuesta utterort8, los cuales son los siguientes para un filtro de BL orden0 AF 7&7 - 66F 1 (..) Como se #e, resulta mu- dif>cil determinar los #alores de los condensadores - resistencias con estas formulas, por lo $ue se 8arán los siguientes reemplazos para simplificar los cálculos0 D1FmD, DBFD, C1FC, CBFnC (..) Deemplazando las #ariables en las ecuaciones anteriores, se tiene0
(..)
(..) 'e este modo, se fija la frecuencia de corte del filtro (+@d) - se elije un #alor para D - otro para C, - reemplazando los #alores de 66 - A obtenidos de la tabla de utterort8, se puede determinar fácilmente los #alores de n - m, - a partir de estos los #alores de todos los condensadores - resistencias necesarias& 'ebido a $u e la respuesta del filtro no es cr>tica, - de 8ec8o, los componentes $ue se utilizaran en su fabricaci%n tienen una tolerancia de un 2G, se apro.imaran los #alores obtenidos al #alor normalizado más cercano, idealmente ma-or a este, de este modo se tiene para una frecuencia de corte de 12 9z0
(..) (..)
(..)
(..) /ara filtros acti#os con &<& se recomienda $ue los #alores de las resistencias estKn entre las centenas de 5, 8asta las decenas de miles de 5, mientras $ue para los condensadores es deseable $ue sus #alores estKn comprendidos entre las centenas de pico 6aradios 8asta las centenas de nano 6aradios, para no tener problemas con capacidades parasitas de la placa,
ni del &<, - tampoco tener problemas con las impedancias de entrada - salida de los mismos& 'e este modo se asign% CF 1 n6 - DF17 5, reemplazando, se obtu#o los siguientes #alores de m - n0 mF 7&2 (..) nF B&B2 (..) Con lo $ue finalmente se obtienen los #alores de todos los condensadores - resistencias, los cuales son los siguientes0 C1F 1n6, CBF B&B n6, D1F 4& 5, DBF 175& (..) /ara comprobar la respuesta en frecuencia del filtro, se utilizo el softare Multisim 17 para simular el filtro armado, de este modo, se obtu#o la siguiente respuesta en frecuencia0
Fig. N° xx. Simulaci"n del filtro pasa bajos construido en #ultisim. Como se obser#a, a pesar de las apro.imaciones 8ec8as, se obtu#o una respuesta en frecuencia tipo utterort8, con una frecuencia de corte de 12&@ 9z, lo cual aceptablemente cercano a lo $ue se buscaba, por lo $ue el diseño es correcto& 'e este modo, el setup del filtro pasa bajos de BL orden con frecuencia de corte 12 9z, es el siguiente0
Fig. N° xx. Setup del filtro activo pasa bajos de $° orden con frecuencia de corte %& K'(.
:na #ez listo el filtro, para el cual se re$uiere solo 1 &<&, se le agrega otro &<& antes de este, al cual se le puede asignar una ganancia con el fin de aumentar el #oltaje entregado por el demodulador& 'ebido a $ue en la entrada se 8izo una atenuaci%n tal de obtener el 17 G de la amplitud ingresada, a la etapa amplificadora se le asign% una ganancia igual a 11, para compensar además las atenuaciones $ue se producen al acoplar las señales mediante resistencias, las cuales de a poco disminu-en su amplitud& ?uego este setup completo se ensambl% en Multisim 17, donde funcion% casi a la perfecci%n, el *nico detalle es $ue la amplitud del mensaje recobrado es la mitad del mensaje ingresado (13p), esto se debe al acoplamiento entre el modulador - el demodulador, donde e.isten resistencias $ue forman un di#isor de tensi%n debido a las impedancias de entrada - salida de estos, para compensar esto, se reemplazo la resistencia de ganancia del demodulador (DB@F1o8ms) por el #alor normalizado más cercano a su mitad, siendo este 2!7 o8ms para e#itar $ue muc8a ganancia sature al demodulador& tico& 'e este modo con una nue#a alimentaci%n de 3ssF +1B3, el #oltaje en ese pin seria de +17&@ 3, - para tener una corriente de apro.& 1 m, el #alor de la nue#a resistencia tendr>a $ue ser de 17&@ 3N1mF 17,@ <8m, apro.imando este #alor a 17 <8m& Con estas modificaciones, se prob% el setup e n Multisim 17, obteniendo apro.& 1m en el pin 2 del MC14!, - en la simulaci%n se obtu#o una señal recuperada de casi la misma amplitud $ue la señal original, - la respuesta en frecuencia deseada&
'e este modo, el setup final para el demodulador $ueda del siguiente modo0
Fig. N° xx. Setup del modulador ) demodulador DSB.
En las pruebas 8ec8as con el simulador, se ingreso al modulador una señal mensaje de B 9z - 13p sinusoidal, triangular - rectangular sucesi#amente, - como portadora se utiliz% una señal sinusoidal de 427 9z - 1 3p& ?os resultados obtenidos fueron los siguientes0
Fig. N° xx. *esultados obtenidos en #ultisim %+.
Creacin de PCB.
/ara crear la /C, se 8ará una $ue sea compatible tanto con como con ', con la diferencia $ue se omitirán componentes en uno u otro, esto es para crear un modelo para ambas placas - e#itar trabajo innecesario& 'e este modo, la creaci%n de la placa impresa se detallará más adelante&
