INFORME FINAL DEL LAB1 CIRCUITOS DE RADIO Y ALTA FRECUENCIA - UTP

Laboratorio del curso de Circuitos de Radio y alta Frecuencia: lab #1 – Tema: Oscilador a Cristal

Índice Objetivo ______________________________ ______________ ______________________ ______ (02) Fundamento teórico ___________________________ _____________ ______________ (02) Equipos y materiales __________________________ _______________ ___________ (08) Procedimiento Procedimient o experimental________________ experimental _____________________ _____ (10) Toma de mediciones _________________ __________________________ _________ (11) o Objetivo A ______________________________ _______________ _______________ (11) o Objetivo B ______________________________ _______________ _______________ (12) ________________ ______________ (14) o Objetivo C ______________________________ Observaciones Observacion es ______________________________ _______________ _______________ (17) Conclusiones Conclusio nes _______________________________ _______________ ________________ (18)

    

 

1


Objetivo   

Identificar un oscilador a cristal y medir los voltajes de operación de DC. Mostrar la operación y medir la frecuencia de un oscilador a cristal. Verificar la ganancia, corrimiento de fase y voltaje de retroalimentación que se requieren para mantener la oscilación abriendo una malla de retroalimentación del oscilador a cristal.

Fundamento Teórico Osciladores A Cristal Los osciladores de cristal son circuitos osciladores de retroalimentación, en donde el circuito tanque LC se reemplaza con un cristal para el componente que determina la frecuencia. El cristal actúa de manera similar al tanque LC, excepto que tiene varias ventajas inherentes. A los cristales se les llama a veces resonadores de cristal y son capaces de producir frecuencias precisas y estables para contadores de frecuencias, sistemas electrónicos de navegación, transmisores y receptores de radio, televisores, video caseteras (VCR), relojes para sistemas de computación, y muchas otras aplicaciones demasiado numerosas para listarse aquí. La cristalografía es el estudio de la forma, estructura, propiedades y clasificación de los cristales. La cristalografía trata con redes, uniones, y el comportamiento que tienen las partes del cristal que han sido cortadas en varios ángulos con relación al eje del cristal. Las propiedades mecánicas de las redes de cristal les permiten exhibir el efecto piezoeléctrico. Las secciones de los cristales que han sido cortadas y pulidas vibran cuando se aplican los voltajes en componente de alterna a través de sus caras. Las dimensiones físicas de un cristal, particularmente su grosor, dónde y cómo se cortó, determinan sus propiedades eléctricas y mecánicas.

Fig1. Cristal de Cuarzo

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Efecto piezoeléctrico Dicho en forma sencilla, el efecto piezoeléctrico ocurre cuando las tensiones mecánicas oscilatorias aplicadas a través de una estructura de lattice de cristal (escalera) generan

oscilaciones

eléctricas,

y

viceversa.

La

tensión

puede

ser

apretando

(compresión), estirando, torciendo (torsión), o cortando. Si la tensión se aplica periódicamente, se alternará el voltaje de salida. En forma contraria, cuando un voltaje alterno se aplica a través de un cristal en o cerca de la frecuencia de resonancia natural del cristal, el cristal se romperá en oscilaciones mecánicas. Esto se llama excitar un cristal hasta producir vibraciones mecánicas. Las vibraciones mecánicas se llaman ondas acústicas volumétricas (BAW) y son directamente proporcionales a la amplitud del voltaje aplicado. Un número de sustancias de cristal naturales exhiben propiedades piezoeléctricas: el cuarzo, la sal de Rochelle, y la turmalina así como varias sustancias fabricadas como ADP, EDT y DKT. El efecto piezoéléctrico es más pronunciado en la sal de Rochelle, razón por lo cual es la sustancia que más se utiliza en micrófonos de cristal. Sin embargo el cuarzo sintético, se utiliza más seguido para el control de frecuencias en los osciladores debido a su permanencia, bajo coeficiente de temperatura y alto Q mecánico.

Frecuencia de resonancia La frecuencia de resonancia depende de las dimensiones del cristal, de la orientación de las superficies respecto de los ejes y de cómo este montado el cristal sobre los electrodos de contacto. El margen de frecuencia va desde unos pocos KHz a varios MHz, siendo bastante comunes y disponibles en el mercado.

Fig2. Estructura del Cristal de cuarzo

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Circuito equivalente Si bien el modelo del circuitos RLC Serie surge a priori como el indicado para describir el fenómeno, algunas consideraciones acerca del montaje experimental dan lugar a otro modelo algo similar, el de un circuito RLC montado en Paralelo con un capacitor. Tal como se muestra a continuación:

Fig3. Circuito equivalente del cristal

Cuando el cristal no está vibrando, es equivalente a una capacidad Cp por estar compuesto de dos placas de metal separadas por un dieléctrico. Cp, recibe el nombre de capacidad del encapsulado. La inductancia L1 y la capacitancia Cs representan los equivalentes eléctricos de la masa y el comportamiento del cristal, mientras que la resistencia R es un equivalente eléctrico de la fricción interna de la estructura del cristal. La capacitancia en paralelo Cp representa la capacitancia debida al montaje mecánico del cristal. Debido a que las pérdidas del cristal, representadas por R, son pequeñas. Una condición resonante sucede cuando las reactancias de la rama serie RLC son iguales (y opuestas). Para esta condición, la impedancia resonante en serie es muy baja (igual a R).

Curva de Impedancia Un cristal tiene dos frecuencias de fase cero, como se ven en la siguiente figura. La más baja es la Frecuencia de Resonancia Serie indicada como fs. En éste punto el cristal se comporta como una resistencia en el circuito, la impedancia 4


está en un mínimo y la corriente que circula es la máxima. A medida que se incrementa la frecuencia, el cristal pasa por la Frecuencia de Resonancia Paralelo y llega a la frecuencia de Anti resonancia fa en la cual la impedancia es máxima, y las reactancias de la L1 y la Co se cancelan. En éste punto, la corriente que circula por el cristal es la mínima.

Fig4. Curva de impedancia del cristal

Factor de Calidad (Q) El factor de calidad (Q) es una medida de la eficiencia de la oscilación. La máxima estabilidad obtenible de un cristal depende del valor de “Q”. En la figura de la impedancia del cristal, la separación entre las frecuencias serie y paralelo se llama ancho de banda. Cuanto más pequeño el ancho de banda mayor es el “Q”. Cambios en la reactancia del circuito externo tienen menos efecto en un cristal de alto “Q” por lo tanto la frecuencia es en definitiva más estable. A continuación se muestra la curva de reactancia del circuito equivalente para un cristal de cuarzo.

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Oscilador de cristal resonante en serie Un cristal excitado en modo resonancia en serie debe ser conectado a la realimentación del circuito en configuración serie. En esta configuración su impedancia más baja se produce para Ws, y de esta manera, el factor de realimentación es mayor. Las figuras presentan dos osciladores con estructura resonante en serie. Como resultado, la frecuencia de oscilación del circuito es estable e insensible a variaciones de los parámetros del circuito.

Fig5. Oscilador de cristal usando una realimentación tipo serie: a) Circuito basado en un BJT, b) Circuito basado en un JFET.

Oscilador de cristal resonante en paralelo Un cristal excitado en modo resonancia en paralelo tiene máxima impedancia a la frecuencia Wp. El cristal de la figura mostrada a continuación en el lado izquierdo actúa como un elemento inductor en un oscilador modificado Colpitts cuya tensión de salida esta acoplada al emisor a través de C1 y C2. El oscilador controlado por cristal Miller de la figura a continuación a la derecha utiliza 6


un circuito LC sintonizado de salida. La máxima tensión de puerta del JFET se produce a la frecuencia Wp del cristal.

Fig6. Oscilador de cristal usado en configuración paralelo: a) Circuito basado en un BJT, b) Circuito basado en un JFET.

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Equipos y materiales 

(1) Resistencias de 280 Ω, 4.7 kΩ, 5.6 kΩ, 6.8 kΩ y 10 kΩ



(1) Condensadores de 360pF, 47pF, 0.001µF y 0,1µF.



(1) Transistor NPN 2N2219A



(1) Cristal 1.0 MHz.

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

Generador de funciones de RF

Osciloscopio





Multímetro digital



Fuente de energía (9 Vdc – 10 mA)

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Procedimiento experimental Implementar el circuito siguiente:

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Toma de mediciones: 

Objetivo A.- Identificar

un oscilador a cristal y medir los voltajes de

operación de DC. o

Observe el cristal Y1. ¿Cuál es la frecuencia marcada en el encapsulado del cristal? -

Se aprecia 1.0 MHz (Mega Hertz)

Calcular  (desprecie la corriente de base a través de R1) usando la ecuación para la división de voltaje:

o

VB =

 . 2 1+2

=

9.09 ∗ 6.8 = .   6.8 + 10

Conectar temporalmente un puente entre los puntos A y B

o

(Realizado). o

o

Ajustar Vcc a 9 Vdc (Realizado).

Medir y registrar los voltajes de dc en la base, emisor y colector de Q1. Use un multímetro para hacer todas las mediciones de voltaje de dc del transistor.   

o

V B = 3.58 V V E = 3.34 V V C = 6.43 V

Indicar si Q1 está polarizado directamente. El transistor se encuentra polarizado directamente como es un transistor NPN el sentido de la corriente viene del positivo de la fuente a través del colector y además está llegando 3.67 V por la base. Entonces la corriente que va por el emisor se dirige a tierra. Se muestra lo descrito en la siguiente figura:

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o

Indicar si el valor calculado de VB concuerda con el valor medido. Valor medido: Valor calculado:

3.58 V 3.67 V

Los cálculos teóricos con los experimentales es muy difícil que concuerden con exactitud, como vemos es un diferencia de 0.09 V.



Objetivo B.- Mostrar la operación y medir la frecuencia del oscilador a cristal. o

Medir el voltaje ac (pico a pico) en el colector, la base y el emisor de Q1 usando el osciloscopio. 

eB = 668 mV



eE = 504 mV

12




o

eC = 2.08 V

Encontrar la ganancia de voltaje del oscilador a cristal usando los valores de eC y eB.

 =

 

=

 

=

2.08 66810−3 

= . 

Donde  y  son los voltajes de salida y entrada respectivamente. o

¿Cómo se sabe que el circuito está oscilando? Verificamos la frecuencia que aparece en el osciloscopio, que coincida con la del encapsulado. ( Frecuencia en imagen: 1.006 MHz )

o

Conectar el osciloscopio entre el terminal de salida y tierra de su oscilador de cristal.

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o

Medir el periodo de un ciclo completo de voltaje de salida. Como se muestra en la figura anterior, el periodo marca:  = 992.0 = . 

o

Calcular la frecuencia del oscilador usando la medición del periodo.  =

 = o

1 0.992  10−

1 

= 1008064.52 = .  

Comparar su frecuencia medida contra la frecuencia marcada en el cristal. ¿Concuerdan ambos valores? Valor del encapsulado: Valor calculado:

1.000 MHz 1.008 MHz

Podemos apreciar que una leve diferencia entre lo que marca el osciloscopio y lo del encapsulado. o

¿Se diría que el cristal es la componente que determina la frecuencia en el circuito? Al ver la medida marcada en el osciloscopio en la salida del transistor (Out del circuito), vemos que marca 1.008 MHz, entonces se puede confirmar que la frecuencia del circuito la da el oscilador.



Objetivo C.- Verificar

la ganancia, corrimiento de fase y voltaje de retroalimentación que se requieren para mantener la oscilación abriendo una malla de retroalimentación del oscilador a cristal.

o

o

Quitar el puente entre los puntos A y B del circuito oscilador a cristal. (Realizado). Ajustar el voltaje de la fuente de energía a 9Vdc. (Realizado). 14


o

o

o

Ajustar el generador de funciones a una salida no modulada a una frecuencia de 0.9 a 1.1 MHz.

Conectar la salida del generador de funciones entre el terminal B y la tierra del circuito oscilador. (Realizado). Ajustar la salida del generador de funciones a 500mVpp. El mínimo que se logró en este generador fue 656 mVpp como muestra la imagen:

o

Observar la salida en el colector de Q1 con el osciloscopio. Ajustar cuidadosamente la frecuencia del generador de funciones hasta que la deflexión del osciloscopio muestre una onda senoidal de máxima amplitud en la frecuencia de resonancia del oscilador a cristal. Se debe de hacer este ajuste muy cuidadosamente debido a la característica de resonancia marcada del cristal, pues en caso contrario puede no detectar el punto de resonancia del circuito. Un valor típico es de 4 Vpp en la frecuencia de resonancia. 15


o

Reajuste el voltaje de salida del generador de funciones hasta que el osciloscopio despliegue exactamente 4 Vpp en el colector de Q1. Ver imagen del punto anterior.

o

Indicar si es medible el valor de voltaje en el terminal A, en caso afirmativo, ¿qué representa?

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Observaciones 

















Se solicitó permiso el día martes 09.02.16 para usar un laboratorio y hacer la experiencia correspondiente al primer laboratorio. Se adjunta en el informe la hoja con los nuevos datos medidos y la firma de la profesora a cargo de dicho laboratorio. No completamos la guía por el mal funcionamiento de los equipos y por las limitaciones del generador de funciones. Se intentó simular en Proteus y Multisim y no se permitían dichos programas ver las gráficas del osciloscopio como se ve en la experiencia. La experiencia de laboratorio consta de muchas mediciones, no es conveniente armar el circuito en el corto tiempo de laboratorio. En la experiencia que se realizó nuevamente el día martes 09.02.16, se tuvieron que cambiar las puntas del osciloscopio 3 veces y 1 vez del generador de funciones por no funcionar correctamente. A veces es engorroso hacer las medidas y/o conexiones en estos laboratorios. Equipos viejos y algunos sin funcionar correctamente atrasan en las medidas. En la salida del colector, o sea en el OUT del circuito, conectamos el osciloscopio y vemos que se una señal senoidal perfecta.

Se observó que la frecuencia del cristal dada por el fabricante era la misma que la que se obtuvo en el oscilador, con lo cual se comprobó que el oscilador estaba bien y además que el circuito estaba bien implementado. Se pudo observar la causa por la cual hay una similitud entre la frecuencia del cristal y la que indica el oscilador. Esto se debe a que el cristal se comporta como una resistencia con impedancia muy alta.

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

Se debe de tomar en cuenta los valores de la fuente ya que con ello se puede obtener un mejor resultado obtenido referente a las frecuencias y valores en la experiencia realizada.

Conclusiones 

Aunque se rehízo la experiencia el día 09.02.16, no se pudo completar el apartado C, ya que el generador de funciones no completa o no llega a los 4 Vpp que solicita la guía.



Los equipos están en malas condiciones por el uso y antigüedad.



La ganancia se obtiene dividiendo el voltaje del colector entre el de la base.











La alta estabilidad del cristal de cuarzo al tiempo, permite sustituir ventajosamente un circuito tanque por un cristal en un oscilador, con la ventaja adicional de un Q muy elevado. El voltaje de base, tanto teórico como medido casi coinciden, hay una diferencia de 0.09V entre los valores obtenidos y medidos. Entonces el circuito estaba armado correctamente. La frecuencia del circuito la brinda el cristal. El Oscilador a Cristal se puede utilizar en aplicaciones donde otros tipos de osciladores no son muy eficientes porque presentan variaciones en su frecuencia Es posible, añadiendo un cristal de cuarzo, modificar cualquier oscilador de radiofrecuencia para conseguir que proporcione una señal de salida muy estable.

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