RF OSCILADORES Caterine Toapanta, Anita Chuñay, Diego Gordón ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA Riobamba-Ecuador
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CARRERA ASIGNATURA TITULO DEL LABORATORIO FECHA DEL LABORATORIO INTEGRANTES
INFORME DE LABORATORIO Escuela Ingeniería Electrónica Telecomunicaciones y Redes Comunicaciones I CURSO : Quinto "A" Osciladores de Radiofrecuencias 30 de Noviembre del 2016
NOMBRES
CÓDIGO
Caterine Toapanta Anita Chuñay Diego Gordon
747 750 700
1 INTRODUCCIÓN Cada oscilador tiene al menos un dispositivo activo como un transistor. Este dispositivo actúa como un amplificador. Para esta primera parte de la discusión nos limitaremos a LC osciladores. A su vez, cuando se aplica potencia en primer lugar, el ruido aleatorio se genera dentro de nuestro dispositivo activo y luego amplifica. Este ruido se realimenta positivamente a través de circuitos selectivos en frecuencia a la entrada donde es amplificada de nuevo y así sucesivamente. En última instancia se alcanza un estado de equilibrio en el que las pérdidas en el circuito se hacen bien por el consumo c onsumo de energía de la fuente de alimentación y la frecuencia de oscilación está determinada por los componentes externos, ya sean inductores y condensadores (LC) o un cristal. La cantidad de retroalimentación positiva para sostener la oscilación está también determinada por los componentes externos.
1.1 OBJETIVOS 1. Comprensión del funcionamiento y características de los osciladores de radiofrecuencia (RF). 2. Diseño e implementación de osciladores.
2 DISCUSIÓN DISCUSIÓN DE FUNDAMENTOS Un oscilador es simplemente un generador de señales que convierte su tensión de alimentación de CC en una señal de salida de CA de repetición continua sin ningún oscilador de señal de entrada que desempeña papeles muy importantes en sistemas de comunicación. Un oscilador genera la señal portadora o de oscilación local utilizada en cualquier sistema de comunicación. La figura 1-1 muestra el diagrama de bloques básico del oscilador. Incluye un amplificador y una red de realimentación construida por el resonador. Cuando la corriente continua se aplica al circuito, el ruido aparecerá en el circuito y será amplificado por el amplificador y luego alimentado a la entrada a través de la red de
realimentación que es un circuito resonante con función de filtro. La red de realimentación permite que la frecuencia de señal igual a la frecuencia resonante pase y rechace otras frecuencias. La señal de retroalimentación se amplificará y volverá a alimentar. Si la señal de realimentación está en fase con la señal en la entrada y la ganancia de voltaje es suficiente, el oscilador estará funcionando. Para un funcionamiento correcto, un oscilador debe cumplir el criterio de Barkhausen. El criterio de Barkhausen es la relación entre la ganancia A del amplificador y el factor de retroalimentación B (s) del oscilador y debe ser igual a 1. Esto es
() ≥ 1
(1-1)
Donde
: Ganancia de un amplificador. (): Factor de retroalimentación
Oscilador Colpitts Un circuito equivalente de corriente alterna del oscilador de Colpitts se muestra en la Fig. 1-2. Dado que el circuito resonante paralelo LC está conectado entre la base y el colector del transistor, la tensión de realimentación parcial se alimenta al emisor a través del divisor de tensión constituido por C1 y C2. En este circuito, el R representa la suma de la resistencia de salida del transistor, la resistencia de carga y la resistencia equivalente del inductor y del condensador. Si la frecuencia no es muy alta, las capacidades internas del transistor pueden ser despreciadas y la frecuencia oscilante del oscilador de Colpitts puede ser calculada por la fórmula.
= de los
()
(1-2)
osciladores.
Fig. 1-2 Equivalente AC del oscilador Colpitts Fig. 1-1 Diagrama de bloques básico de un oscilador Los osciladores de transistor se utilizarán en nuestros experimentos. Un amplificador de transistor con característica no lineal sirve como limitador de amplitud. Un oscilador con función de limitador también se denomina oscilador auto limitador cuando su ganancia de bucle es igual a 1.
En el circuito del oscilador de Colpitts, el factor de retroalimentación β es C1/C2 y la ganancia de voltaje A es gmR. Mediante la Ec. (1-1)
() = 1 Obtenemos
= 1 O también:
Por lo tanto, tal circuito oscilador no necesita añadir otros limitadores de amplitud.
=
Para la oscilación de arranque, la ganancia del bucle debería ser al menos 1, de modo que la condición de oscilación pueda ser expresada por
≥
(1-3)
En la Fig 1-3 muestra un práctico circuito de oscilador de Colpitts. Las resistencias R1, R2, R3 y R4 determinan la polarización del transistor. C1 es el condensador de acoplamiento y C2 es el condensador de derivación. La frecuencia de oscilación está determinada por los valores de C3, C4 y L1.
Fig.1-4 Equivalente del oscilador Hartley En el circuito del oscilador Hartley, el factor de realimentación E es
⁄ y la ganancia de
tensión A es gmR. Mediante la Ec(1.1)
() = 1 Entonces obtenemos
= 1 o
Fig.1-3 Circuito Oscilador Colpitts
Oscilador Hartley El circuito equivalente de corriente alterna del oscilador Hartley, mostrado en la Fig. 1-4, es similar al oscilador Colpitts. El tanque resonante LC paralelo está conectado entre el colector y la base; Sin embargo, se utilizan dos conductores L1 y L2 en lugar de dos condensadores. El R representa la suma de la resistencia de salida del transistor, la resistencia de carga y la resistencia equivalente de inductores y condensadores. Si la frecuencia de funcionamiento no es muy alta, la capacitancia de pulverización del transistor puede ser despreciada y la frecuencia de oscilación es determinada por los valores componentes del circuito resonante en paralelo y puede calcularse mediante la fórmula.
= √ (+) ()
Para la oscilación de arranque, la ganancia del bucle debería ser al menos 1, de modo que la condición de oscilación pueda ser expresada por
≥
(1-5)
En la figura 1-5 muestra un circuito práctico de Oscilador Hartley. Resistores Proporcionan el sesgo para el transistor. Es el par de capacitores y es la derivación del capacitor. Desde un circuito resonante para determinar la frecuencia de funcionamiento.
,
,
(1-4) Fig.1-5 Circuito del Oscilador Hartley
Exceptuando los osciladores mencionados anteriormente, hay muchos otros tipos de osciladores en aplicaciones prácticas: tales como RC fase-cambio y puente osciladores para los requisitos de baja frecuencia, perforar osciladores para una alta estabilidad. En general, el oscilador de perforación es el uso más común en aplicaciones de alta frecuencia debido al uso de cristal que tiene bajo consumo de energía y muy alto y estable Q.
3 EQUIPAMIENTO REQUERIDO 1. Módulo kl-92001 2. Módulo kl-93001 3. Osciloscopio 4. LCR metro de pulgada
4 EXPERIMENTOS Y REGISTROS E xperimento 1.1 Oscilador Colpitts 1. Localizamos el circuito del Oscilador Colpitts en el módulo Kl-93001. Inserte los conectores en J1 y J3 para ajustar . 2. Ajuste la entrada vertical del osciloscopio a la posición AC y conecte a los terminales de salida (O / P). Observe y registre la forma de onda y la frecuencia en la tabla 1-1. Si el circuito funciona incorrectamente, vuelva a comprobar la polarización de DC del transistor 3. Retire los tapones de conexión de J1 y J3. Utilizando el medidor de LCR, mida los valores de C3, C4 y L1 y anote los resultados en la tabla 1-1 y luego calcule la frecuencia de salida 4. Inserte los conectores en J2 y J4 para cambiar . Repita los pasos 2 y 3.
= 0.001 , =0,015 = 27
(100 ), (1000 ) (2,7 )
E xperimento 1-2 Oscilador H artley: 1. Ubique el circuito del oscilador Hartley en el módulo KL-93001.
Inserte los conectores en J1 y J3 para establecer L1 = 68 μH, L2 = 2.7 μH, y C3 = 100 pF. 2. Ajuste la entrada vertical del osciloscopio a la posición CA y conecte a los terminales de salida (O / P). Observe y registre la forma de onda y la frecuencia en la Tabla 1-2. Si el circuito funciona incorrectamente, vuelva a comprobar el sesgo de corriente continua del transistor. 3. Retire los conectores de J1 y J3. Utilizando el medidor LCR, mida los valores de C3, C4 y L1 y anote los resultados en la Tabla 1-2, y luego calcule la frecuencia de salida. 4. Inserte los conectores en J2 y J4 para cambiar C3 a C4 (150 pF), L1 a L3 (47 μH) y L2 a L4 (470 μH). Repita los pasos 2 y 3.
5 ANÁLISIS DE RESULTADOS E xperimento 1.1 Oscilador Colpitts
Fig. 1-3 Conexión del oscilador Colpitts En la figura 1-3 se muestra la conexión del oscilador Colpitts tal y como muestra la guía de laboratorio en el primer pasó.
Fig. 1-4 Señal de salida con osciloscopio del Oscilador Colpitts. En la figura 1-4 se puede observar la gráfica senoidal del generador de Colpitts implementado con una frecuencia de 1.0574 MHz con una amplitud aproximadamente de 0.11 V. Nota: la señal que se visualiza debajo de la señal de salida es por defecto del osciloscopio
= =
1 2
1 0110−−)(0,01510−−) 2 (2710−) (0.0.000110 0,01510 = 1,00035
Fig. 1-5 Conexión del oscilador Colpitts En la figura 1-5 se muestra la conexión del generador Colpitts como muestra la guía en el paso número cuatro.
Fig. 1-6 Señal de salida con osciloscopio del Oscilador Colpitts. En la figura 1-6 se puede observar la gráfica senoidal del generador de Colpitts con una frecuencia de 7.14987 MHz con una amplitud aproximadamente 5 V.
= =
1 2
1 −)(100010−) 2 (2,710−) (10010 10010− 100010−
= 10,158
E xperimento 1-2 Oscilador H artley
Fig. 1-7 Conexión del oscilador Hartley En la figura 1-7 se muestra la conexión del generador Hartley como muestra la guía en el paso número uno.
En la figura 1-9 se muestra la conexión del generador Hartley como muestra la guía en el paso número tres.
Fig. 1-8 Medición con osciloscopio al Oscilador Heartley. En la figura 1-8 se puede observar la gráfica senoidal del generador de Heartley con una frecuencia de 1.21452 MHz con una amplitud aproximadamente de 0.0004 V. Nota: la señal que se visualiza debajo de la señal de salida es por defecto del osciloscopio
= 2 √ (1 ) 1 = 2√ (6810− 2,710 −)(10010−)
= 1,8928
Fig. 1-10 Medición con osciloscopio al Oscilador Heartley. En la figura 1-10 se puede observar la gráfica senoidal del generador de Heartley con una frecuencia de 526.020 MHz con una amplitud aproximadamente de 0.04 V. Nota: la señal que se visualiza debajo de la señal de salida es por defecto del osciloscopio
= 2 √ (1 )
1 = 2√ (47010− 4710 −)(15010−)
= 571,517
PREGUNTAS 1. En los experimentos 1-1 y 1-2, ¿coinciden los valores calculado y medido de la señal de salida? Explique.
Fig. 1-9 Conexión del Oscilador Hartley
Los valores calculados y medidos no coinciden exactamente pero en la práctica realizada se ha obtenido valores muy aproximados a los calculados; esto debido principalmente al ruido que existe dentro del laboratorio que interfiere en gran parte
en la señal generada, además esta variación de valores también proviene por la falla que existe en el osciloscopio utilizado que presenta un cruce con la señal de salida.
KL-93001 respectivamente observamos en el osciloscopio una señal sinusoidal con una frecuencia de 1.00037 MHz ✓ El paso tres de los dos ejercicios no fue factible realizarlo, porque no poseemos un medidor de LCR. ✓ Al insertar los conectores en el circuito del Oscilador Hartley en el módulo Kl-93001 observamos en el osciloscopio una señal que varía en frecuencia.
2. ¿Cuál es la función de cada condensador o inductor en el circuito del oscilador de Colpitts? Para poder lograr la oscilación este circuito utiliza un divisor de tensión formado por dos condensadores: C1 y C2, los cuales se encuentran conectados en serie. De la unión de estos condensadores sale una conexión a tierra. De esta manera las tensiones en los terminales superior de C1 e inferior de C2 serán opuestas. La realimentación positiva se obtiene del terminal inferior de C2 y es llevada a la base del transistor a través de una resistencia R2 y un condensador C3. La bobina L1 se utiliza para evitar que la señal alterna pase a la fuente Vcc. Este oscilador se utiliza para bandas de VHF (Very High Frecuency), frecuencias que van de 30 Mhz a 300 Mhz. A estas frecuencias sería muy difícil utilizar el oscilador Hartley debido a que las bobinas a utilizar serían muy pequeñas. La frecuencia de oscilación de este tipo de oscilador está dada por:
CONCLUSIONES
RECOMENDACIONES
REFERENCIAS [1] [2] [3]
[4]
✓
Se comprendió el funcionamiento del módulo 1 y generamos las señales de acuerdo a la guía. ✓ Al insertar los conectores en el circuito del Oscilador Colpitts en el módulo
Comprobar que los cables del osciloscopio estén en buen estado. Regular el osciloscopio hasta obtener una señal clara. Comprobar resultados implementados y calculados.
[5]
http://my.integritynet.com.au/purdic/os cillators.htm http://blog.pucp.edu.pe/blog/tito/2014/ 04/28/oscilador-de-rf/ http://www2.uca.es/grupinvest/instrument_electro/ppjjgdr/Elect ronics_Engineering/Oscilador_Colpitts. PDF http://www.philadelphia.edu.jo/academ ics/abusbeih/uploads/Analog_Commun ications_Lab/Exp_1.pdf Kennedy G., Electronic Communication Systems, McGRWHill, Third Edition, 1994
