Objetivos

Comprender el funcionamiento del amplificador de RF sintonizadoComprender el funcionamiento del oscilador local del receptor Comprender el funcionamiento del convertidor de frecuencia

Material y equipo requerido

Modulo EB-3000Modulo EB-3161Osciloscopio Digital (USB), Generador de Funciones y FrecuencímetroCables de señalJuego de Cables de conexiones (caimán- caimán, banana- caimán)

Introducción

En esta práctica se conocerá el funcionamiento de un receptor de AM superheterodino formado por: amplificador de RF, amplificador de FI (Frecuencia Intermedia), oscilador local, mezclador y convertidor de frecuencia. Un receptor de radio debe ser capaz de seleccionar o sintonizar diferentes frecuencias de las estaciones de radio transmisoras de AM. La dificultad estriba en diseñar un filtro pasa banda muy angosta (narrow band pass filter) y un receptor que sea capaz de amplificar con alta ganancia para diferentes frecuencias de portadora

El receptor superheterodino puede hacer esto, pero gracias a que se compone de varios elementos, ya mencionados anteriormente. El amplificador de RF sintoniza y amplifica la frecuencia de portadora que se desea demodular, el mezclador recibe esta señal amplificada y también la señal generada por el oscilador local, entregando a la salida la diferencia entre ambas señales, conocida como frecuencia intermedia (FI). El amplificador de FI es de banda angosta y solo amplifica la diferencia entre la señal de AM de entrada y la frecuencia del oscilador local, siendo esta diferencia siempre la misma para toda la banda de frecuencias de portadora AM. La frecuencia intermedia que sale del mezclador es:

fFI = fLO – fAM donde: fFI = frecuencia intermediafLO = frecuencia del oscilador localfAM = frecuencia de la señal AM de entrada

Entonces, es necesario que el oscilador local varié su frecuencia de acuerdo a la frecuencia de la señal de AM que se desea demodular y esto se hace variando o sintonizando se frecuencia de operación de tal manera que la frecuencia del oscilador local es:

fLO = fFI + fAM

Como el filtro de FI está diseñado para solo dejar pasar la diferencia entre la frecuencia del oscilador local y la frecuencia de la señal de AM, la suma de estas señales que también es generada por el mezclador no pasará por el filtro de FI de banda muy angosta. Vea la siguiente figura el receptor heterodino

La antena del receptor está diseñada para operar a las frecuencias de la banda de AM. El amplificador de RF incluye un circuito resonante llamado sintonizador (Tuner) que a manera de filtro selecciona o sintoniza solo la frecuencia de AM que se desea demodular. El mezclador hace el producto de la señal de AM que entrega el amplificador sintonizado y la del oscilador local, entregando varios componentes que son. Las frecuencias originales, fAM y fOL, así como la suma y diferencia de ambos, fAM + fOL y fAM-fOL. El oscilador local (OL) es un oscilador de onda senoidal de frecuencia variable. Hay varios tipos de osciladores, como por ejemplo el Hartley, y el Colpietz, el VVC (Capacitor de voltaje variable, usando un diodo varactor o varicap). En las siguientes imágenes de la figura 2 se observan ejemplos entre los osciladores:

En a) se observa el oscilador Hartley donde C1 y R2 están conectados en paralelo y mantienen regulada la polarización de la base del transistor (VB), lo cual produce que los cambios en el voltaje del emisor se vean reflejados en el voltaje del colector, debido a la retroalimentación producida por C2. Los cambios de voltaje en el colector producen variaciones de corriente en el divisor de voltaje formado por L1 y L2, generando cambios de voltaje en el emisor, y esto produce las oscilaciones en la señal de salida

En b) tenemos la misma situación, solo que ahora la frecuencia de oscilación se puede varias mediante el capacitor variable C. en c) observamos el mismo tipo de oscilador hartley, solo que ahora el elemento variable es el diodo varactor o varicap VVC, el cual produce cambios de frecuencia a través de las cambios en su capacitancia interna debido a las variaciones de voltaje en él.

En d) se tiene el oscilador Colpietz, el cual es similar al Hartley, solo que hora los elementos que determinan las oscilaciones son los dos capacitores C colocados en un divisor de voltaje con C2. La frecuencia de resonancia o de oscilación está determinada por las reactancias del inductor L y de los capacitores C

En la figura 3 se observa un circuito que incluye la etapa de entrada formada por la antena (T1) y los capacitores variables de sintonía (C1), los cuales a manera de filtro seleccionan la frecuencia de la portadora que será demodulada, haciendo gira una perilla que está conectada mecánicamente a ambos capacitores C1

C2 son capacitores variables conectados mecánicamente (línea punteada) con el capacitor variable C1, y que produce una frecuencia variable igual a la suma de la frecuencia que se desea sintonizar y la frecuencia intermedia (FI) de 455 kHz. Q1 actúa como un convertidor de frecuencia porque T3 y C2 producen la retroalimentación con el emisor de Q1 actuando como un oscilador Hartley. T2 y el capacitor en paralelo con él, forman un filtro pasa banda de banda muy angosta que solo deja pasar la frecuencia intermedia (FI) a la siguiente etapa. El intervalo de frecuencias de las estaciones transmisoras de AM comercial está entre 535 KHz y 1620 kHz

Hay dos opciones para sintonizar la frecuencia del oscilador local (fLO):

fLO > fAMfLO < fAM

Como fFI es la diferencia entre fAM y fLO, entonces:

Si fLO < fAM entonces: fLO cambia de 80 kHz (535 -455 kHz) a 1165 kHz (1620 - 455 kHz)Si fLO < fAM entonces: fLO cambia de 990 kHz (535 +455 kHz) a 2075 kHz (1620 + 455 kHz)

Se decidió elegir una frecuencia del oscilador local (fLO) mayor a la frecuencia que se desea sintonizar (fAM), debido a que la relación del cambio de frecuencias en menor (1:2); por lo tanto se elige fLO > fAM

El amplificador de frecuencia intermedia (FI) es de banda muy angosta, de tal manera que solo amplifica un rango muy pequeño de frecuencias (455 kHz +/- 5 kHz), que es el ancho de banda de AM

La siguiente figura muestra el convertidor de frecuencia utilizada en este módulo de AM:

Amplificador emisor común (CE) con: SW2 = A y SW1 = R con ganancia Av = RE/REAmplificador sintonizado con: SW2 = A y SW1 = T con ganancia Av = |ZC|/REOscilador con: SW2 = B y SW1 = RConvertidor de frecuencia con: SW2 = B y SW1 = T

Desarrollo experimental

Paso 1: Conecte el EB-3000 y enciéndalo. Deberá aparecer en la pantalla el DVM

Paso 2: Inserte el modulo EB-3161 en el EB-3000, aparecerá en la pantalla el nombre del módulo insertado y verifique que no parezcan mensajes de error. Se usara la sección Freq. Conv. Del módulo EB-3161

AMPLIFICADOR DE RF: se usara el convertidor de frecuencia como amplificador de R.F.

Paso 3: En la sección del Convertidor de Frecuencia (Freq. Conv. Del módulo EB-3161) coloque SW2 en la posición A y SW1 en la posición R

Paso 4: Conecte el generador, el canal CH1 del osciloscopio y el frecuencímetro (entrada Cn del módulo EB-3161) a la entrada del Convertidor de Frecuencia (Freq. Conv.), ajuste la frecuencia del generador a 1 kHz de señal senoidal con una amplitud de 1 Vpp (si es necesario utilice el ajuste de salida atenuada del generador)

Paso 5: Conecte el canal CH2 del osciloscopio a la salida del convertidor de frecuencia Sout (TP24). Observe y registre ambas señales (entrada y salida del convertidor de frecuencia)

Paso 6: Varíe la frecuencia del generador hasta obtener la máxima amplitud de salida del convertidor de frecuencia. Observe y registre ambas señales (entrada y salida del convertidor de frecuencia)

Paso 7: Ajuste la frecuencia del generador a 1 kHz. Llene una tabla donde se registraran la frecuencia y la amplitud (Vpp) de salida del convertidor de frecuencia trabajando como amplificador de R.F. para los valores de frecuencia: 1.0, 5.0, 10.0, 50.0, 100.0 y 500 kHz. Observe y capture las formas de onda para cada frecuencia. Para cada valor de frecuencia de salida del generador mantenga la amplitud de salida constante en 1Vpp. Trace la curva de respuesta en frecuencia del amplificador R.F. en la gráfica mostrada enseguida

Paso 8: Ajuste la frecuencia del generador a 1 kHz de señal senoidal con una amplitud de 1 Vpp (si es necesario utilice el ajuste de salida atenuada del generador). Conecte el generador, el canal CH1 del osciloscopio y el frecuencímetro (entrada Cn del módulo EB-3161) a la entrada del modulador de AM

Paso 9: Ajuste la frecuencia del VCO del modulador a 30 kHz. Conecte el canal CH2 del osciloscopio a la salida del modulador. Observe y capture ambas señales

Paso 10: Conecte la salida del modulador a la entrada del convertidor de frecuencia (CW) que ya está trabajando como amplificador de R.F. Observe con el osciloscopio la entrada (CH1 en CW) y la salida (CH2 en Sout) del amplificador de R.F. Observe y capture ambas señales

Paso 11: Ajuste la frecuencia del VCO del modulador hasta obtener la máxima amplitud a la salida del amplificador de R.F. Observe y capture ambas señales

Paso 12: Varíe la frecuencia del VCO para los siguientes valores: 100, 500 y 1000 kHz (aprox.). Observe y capture ambas señales (entrada y salida del amplificador de R.F. para cada frecuencia). Trace la curva de respuesta en frecuencia del amplificador de R.F. para una señal modulada en amplitud, en la grafica mostrada enseguida. Al terminar desconecte todo.

AMPLIFICADOR SINTONIZADO: Se usara l convertidor de frecuencia como amplificador sintonizado

Paso 13: Conecte el generador, el canal CH1 del osciloscopio y el frecuencímetro (entrada Cn del módulo EB-3161) a la entrada del Convertidor de Frecuencia (Freq. Conv.), ajuste la frecuencia del generador a 1 kHz de señal senoidal con una amplitud de 1 Vpp (si es necesario ajuste la salida atenuada del generador)

Paso 14: Coloque SW2 en la posición A y SW1 en la posición T, conecte el canal CH2 del osciloscopio a la salida del convertidor de frecuencia Sout (TP24) que esta trabajando como amplificador sintonizado. Observe ambas señales (Entrada y salida del convertidor de frecuencia) ¿Qué sucede?

Paso 15: Aumente la frecuencia del generador (manteniendo la amplitud de salida constante) y observe la respuesta del amplificador sintonizado al aumentar la frecuencia ¿A que frecuencia se obtiene la máxima amplitud de salida? (deberá estar alrededor de 455 kHz)

Paso 16: Ajuste la frecuencia del generador a 1 kHz. Llene una tabla donde se registraran la frecuencia y la amplitud (Vpp) de salida del convertidor de frecuencia trabajando como amplificador sintonizado para los valores de frecuencia: 1.0, 5.0, 10.0, 50.0, 100.0 y 500 kHz. Observe y capture las formas de onda para cada frecuencia. Para cada valor de frecuencia de salida del generador mantenga la amplitud de salida constante en 1Vpp. Trace la curva de respuesta en frecuencia del amplificador sintonizado en la gráfica mostrada enseguida

Paso 17: Ajuste la frecuencia del generador a 1 kHz de señal senoidal con una amplitud de 1 Vpp (si es necesario utilice el ajuste de salida atenuada del generador) Conecte el generador a la entrada del modulador de AM

Paso 18: Ajuste la frecuencia del VCO del modulador a 30 kHz. Conecte el canal CH2 del osciloscopio a la salida del modulador. Observe y capture ambas señales

Paso 19: Conecte la salida del modulador a la entrada del convertidor de frecuencia (CW) que ya está trabajando como amplificador sintonizado. Observe con el osciloscopio la entrada (CH1 en CW) y la salida (CH2 en TP23) del amplificador sintonizado. Observe y capture ambas señales

Paso 20: Cambie la frecuencia del VCO del modulador y observe la respuesta del amplificador sintonizado a una señal modulada en amplitud. Aumente la frecuencia del VCO hasta obtener la máxima amplitud a la salida del amplificador sintonizado. Mida y registre la amplitud (Vpp) y la frecuencia de esta señal (deberá estar alrededor de 455 kHz). Esta es la frecuencia F0

Paso 21: Obtenga una señal de 30 kHz del VCO del modulador y a partir de este valor aumente la frecuencia (manteniendo una amplitud constante a la salida del modulador) hasta que se obtenga 0.7 Vmax de la máxima señal de salida del amplificador sintonizado en e paso anterior. Mida y registe esta frecuencia (fi), la cual deberá estar por debajo de 455 kHz

Paso 22: Aumente la frecuencia del VCO por arriba de 455 kHz (manteniendo constante la salida del modulador) hasta que la amplitud de salida del amplificador sintonizado tenga un valor de 0.7 Vmax obtenido en el paso 20. Mida y registre esta frecuencia (fs), la cual será mayor a 455 kHz

Paso 23: Calcue el ancho de banda (ΔF = fs-fi) del filtro, calcule el factor de calida del filtro: Q = ΔF/f0

Paso 24: Dibuje la figura de la respuesta en frecuencia del amplificador sintonizado

AMPLIFICADOR OSCILADOR:

Paso 25: Desconecte la salida del modulador de entrada del convertidor de frecuencia. Coloque SW2 en la posición B y SW1 en la posición R

Paso 26: Conecte el canal CH1 del osciloscopio a la salida del convertidor de frecuencia Sout (TP24) que esta trabajando como oscilador. Observe la señal de salida y que aunque no exista señal de entrada en el convertidor de frecuencia, se observa una señal senoidal en la salida

Paso 27: conecte el canal CH2 del osciloscopio en el punto de prueba AF (emisor de amplificador) del emisor de frecuencia (TP22). También se verá una señal senoidal

Paso 28: Observe y registre ambas señales. Asi mismo, mida la frecuencia de ambas (deberán tener una frecuencia aproximada de 800 kHz)

CONVERTIDOR DE FRECUENCIA:

Paso 29: Coloque SW2 en la posición B y SW1 en la posición T. Con estos ajustes el circuito trabajara como convertidor de frecuencia. Conecte el canal CH2 del osciloscopio a la salida del amplificador sintonizado (TP23). Aplique una señal de 1 Khz del generador a la entrada del modulador de AM

Paso 30: C