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Tarea 5

[Generación de Señales]

(Formato de Tareas Extra-clase)

UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOJA AREA DE LA ENERGÍA, LAS INDUSTRIAS Y LOS RECURSOS NATURALES NO RENOVABLES ASIGNATURA: COMUNICACIONES ANALÓGICAS.

Autores: Carlos Flores Fecha de elaboración: 28-06-2016 Módulo: Séptimo B TAREA Nro.5 Tema:

GENERACIÓN DE SEÑALES

1. Defina oscilar y oscilador. Oscilar es cambiar entre dos estados. Oscilador es un dispositivo electrónico que produce oscilaciones y que genera una señal de salida de forma repetitiva en una determinada frecuencia. 2. Describa los siguientes términos: auto sostenido, no auto sostenido, repetitivo, funcionamiento libre y con disparo. En el Oscilador auto sostenido los cambios en la forma de onda son continuos y repetitivos es decir son periódicos. Un Oscilador no auto sostenido o con disparo de inicio son los que dependen de una señal externa o de un disparo, para originar un cambio en la forma de onda de la salida Repetitivo se refiere a que la forma de onda cambia con rapidez y periódicamente. El término “Funcionamiento libre” la señal generada tiene una frecuencia y ciclo de trabajo variables. 3. Escriba y describa los cuatro requisitos para que trabaje un oscilador con retroalimentación.  

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Amplificación que es el dispositivo activo para amplificar el voltaje y con altas ganancias de lazo Retroalimentación para generar un sistema de retroalimentación. La señal de retroalimentación debe ser regenerativa con fase correcta y la amplitud necesaria para sostener la oscilación. Elementos semiconductores que determinan la frecuencia en un circuito oscilador tales como los resistores, capacitores, inductores o cristales, que permiten ajustar o cambiar la frecuencia de operación. Alimentación al oscilador con una fuente de dc. 1

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4. ¿Qué quiere decir los términos retroalimentación positiva y negativa? 

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Retroalimentación positiva: Es aquella retroalimentación que tiene la fase y amplitud necesaria para mantener la oscilación, debido a que su fase permite la oscilación. Retroalimentación negativa: Es la señal de retroalimentación que impide la obtención de oscilaciones.

5. Defina la ganancia de lazo cerrado y de lazo abierto.  

Ganancia de lazo cerrado es la retroalimentación en un sistema. Ganancia de lazo abierto es la ganancia directa de un sistema.

6. Escriba cuatro configuraciones más comunes de oscilador.    

Oscilador RC Bobina-capacitor (LC). Oscilador en Puente 𝑊𝑖𝑒𝑛 Cristal de cuarzo.

7. Defina la estabilidad de frecuencia. Se refiere a la capacidad que tiene un oscilador para permanecer en una frecuencia fija por un tiempo indeterminado. 8. Defina sintetizar. Es un conjunto de elementos agrupados que son capaces de entregar muchas prestaciones en combinación. 9. ¿Qué es un sintetizador de frecuencias? Es un dispositivo cuya frecuencia de salida 𝑓𝑔 , es un múltiplo racional de una frecuencia de 𝑓𝑟 (estándar). 10. Defina los siguientes términos: Diferencia de frecuencia, cero diferencia, tiempo de adquisición y ganancia de lazo abierto.    

Diferencia de Frecuencia es la suma o resta de la señal portadora FC y la frecuencia de modulación. Cero diferencia es un comparador de fase que alcanza la frecuencia de captura. Tiempo de adquisición es el tiempo necesario para lograr el enganche. Ganancia de lazo abierto es la ganancia de voltaje amplificador con la trayectoria de retroalimentación abierta

11. Describa el funcionamiento de un oscilador de 𝑯𝒂𝒓𝒕𝒍𝒆𝒚 y el de un oscilador de 𝑪𝒐𝒍𝒑𝒊𝒕𝒕𝒔.

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El oscilador de 𝐻𝑎𝑟𝑡𝑙𝑒𝑦 en el encendido inicial aparece una multitud de frecuencias en el colector de Q1 y se acoplan al circuito tanque a través de C2. El ruido inicial proporciona la energía necesaria para cargar a C1. Una vez que C1 se carga parcialmente, comienza la acción del oscilador. El circuito tanque sólo oscila con eficiencia a su frecuencia de resonancia. Oscilador 𝐶𝑜𝑙𝑝𝑖𝑡𝑡𝑠 se usa un divisor capacitivo en lugar de una bobina con derivación. El transistor Q1 proporciona la amplificación, CC proporciona la trayectoria de retroalimentación regenerativa, L1, C1a y C1b son los componentes para determinar la frecuencia, y VCC es el voltaje de suministro de cd. 12. Defina la estabilidad de frecuencia. Es la capacidad de un oscilador para permanecer en una frecuencia fija. 13. Haga una lista de factores que afectan la estabilidad de frecuencia de un oscilador.    

Temperatura. Variación de voltaje Capacidad de los semiconductores o elementos activos empleados Ruido blanco

14. Describa el efecto piezoeléctrico. En forma sencilla, el efecto piezoeléctrico se presenta cuando se aplican esfuerzos mecánicos oscilatorios a través de una estructura de red cristalina, y generan oscilaciones eléctricas, y viceversa. 15. ¿Qué quiere decir el término corte de cristal? Es el corte transversal de los cristales que se realiza, con los extremos en punta. 16. Haga una lista de varios cortes de cristal, descríbalos y compare sus estabilidades. Los tipos de cortes de cristal, que incluyen los cortes son: BT, CT, DT, ET, AC, GT, MT, NT y JT. El corte AT es el más común en los resonadores de alta y muy alta frecuencia, de cristal. El tipo, longitud y espesor de un corte, y el modo de vibración, determinan la frecuencia natural de resonancia del cristal. Las frecuencias de resonancia de los cristales cortados AT van desde unos 800 kHz hasta unos 30 MHz. Los cortes CT y DT tienen esfuerzo cortante de baja frecuencia, y se usan más en el intervalo de 100 a 500 kHz. El corte MT vibra longitudinalmente, y se usa en el intervalo de 50 a 100 kHz, y el corte NT tiene un intervalo útil menor que 50 kHz. 17. Describa cómo funciona un oscilador de cristal de sobretonos. Las armónicas se llaman sobretonos, porque no son verdaderas armónicas. En el modo de sobretono, el oscilador se sintoniza para trabajar en la tercera, quinta, séptima o hasta en la novena armónica de la frecuencia fundamental del cristal. 3

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18. ¿Cuál es la ventaja de un oscilador de cristal de sobretonos, respecto a un oscilador convencional de cristal? Al usar el modo de sobretono aumenta el límite útil de los osciladores normales de cristal, hasta unos 200 MHz. 19. ¿Qué quiere decir coeficiente positivo de temperatura? Es cuando la frecuencia cambia con el cambio de temperatura esto es, un aumento de temperatura causa un aumento de frecuencia y viceversa. 20. ¿Qué quiere decir coeficiente negativo de temperatura? Cuando la frecuencia cambia inversamente al cambio de temperatura se dice que es un coeficiente negativo de temperatura. 21. ¿Qué es un cristal con coeficiente cero? Es un cristal cortado GT, cristal perfecto, cuyos coeficientes de temperatura son de -1 hasta +1 Hz/MHz/°C. 22. Haga un esquema del circuito eléctrico equivalente de un cristal, y describa los diversos componentes y sus contrapartes mecánicas.

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CP es la capacitancia real formada entre los electrodos del cristal, y el cristal mismo es el dieléctrico. CS equivale a la docilidad mecánica del cristal (llamada también resiliencia o elasticidad). L1 equivale a la masa del cristal en vibración R es la pérdida por fricción mecánica.

23. ¿Cuál configuración de oscilador de cristal tiene la mejor estabilidad? La configuración de Pierce nos da una buena estabilidad y es relativamente sencillo 24. ¿Cuál configuración de oscilador de cristal es la menos costosa y más adaptable a interconexiones digitales? La configuración Pierce es la menos costosa y de interconexión digital sencilla. 25. Describa un módulo de oscilador de cristal.

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Un módulo de oscilador de cristal consiste en un oscilador controlado por cristal y un componente de voltaje variable 26. ¿Cuál es la principal ventaja de los osciladores de cristal en comparación con los de circuito tanque LC? La estabilidad en la frecuencia y una gran variedad de frecuencias de salida. 27. Describa el funcionamiento de un diodo varactor. Es un capacitor variable que permite variar la frecuencia del oscilador de cristal dentro de un margen angosto de frecuencias de funcionamiento. Un diodo varactor tiene una capa especial de agotamiento entre los materiales tipo p y tipo n del que está hecho, con diversos grados y clases de material que genera impurezas. 28. Describa un lazo de fase cerrada. Se trata de un sistema en el que la frecuencia y la fase son realimentadas. Es un circuito que permite que una señal de referencia externa, controle la frecuencia y la fase de un oscilador. 29. ¿Qué tipos de generadores de forma de onda con integración a gran escala (LSI) se pueden conseguir? Los generadores LSI (con integración en gran escala) que se consiguen hoy incluyen generadores de funciones, temporizadores, relojes programables, osciladores controlados por voltaje, osciladores de precisión y generadores de forma de onda. 30. Describa el funcionamiento básico de un generador de forma de onda en circuito integrado. En su forma más simple, un generador de forma de onda es un circuito oscilador que genera formas de onda bien definidas y estables, que se pueden modular o barrer externamente sobre un intervalo determinado de frecuencia. 31. Haga una lista de las ventajas de un generador monolítico de funciones.  

Producir formas de onda de alta calidad tipo senoidal, cuadradas, triangular, en rampa y de pulso, con un alto grado de estabilidad y exactitud. Se pueden modular tanto en amplitud como en frecuencia, con una señal moduladora externa; la frecuencia de operación se puede seleccionar externamente dentro de un intervalo de 0.01 Hz hasta más de 1 MHz.

32. Haga una lista de las ventajas de un oscilador monolítico controlado por voltaje.  

Produce una excelente estabilidad de frecuencia y un amplio margen de sintonía. Permite tener salidas simultáneas de ondas triangulares y cuadradas, dentro de un intervalo de frecuencias desde 0.01 Hz hasta 1 MHz.

33. Describa en forma breve el funcionamiento de un oscilador monolítico de precisión. 5

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Es un circuito oscilador de frecuencia variable que tiene una excelente estabilidad de temperatura y un amplio margen de barrido lineal. Proporciona salidas simultáneas de onda triangular y cuadrada, y la frecuencia se ajusta con un circuito externo RC. Se compone de tres bloques funcionales: un oscilador de frecuencia variable que genera las formas periódicas básicas de onda, y dos amplificadores de aislamiento para las salidas de onda triangular y cuadrada. 34. Haga una lista de las ventajas de un PLL de circuito integrado respecto a un PLL discreto.  

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El PLL proporciona una sintonía selectiva y filtrado de frecuencia, sin necesidad de bobinas o de inductores. Un PLL es un sistema de control retroalimentado de lazo cerrado en el que la frecuencia de la señal de voltaje retroalimentada es el parámetro de interés, y no sólo el voltaje. Los PLL se usan tanto en los transmisores como en los receptores, con modulación analógica o digital, y con la transmisión de pulsos digitales.

35. Describa el funcionamiento de un oscilador controlado por voltaje. Es un oscilador, un multivibrador de funcionamiento autónomo con una frecuencia estable de oscilación, que depende de un voltaje de polarización externo. 36. Describa el funcionamiento de un detector de fase. Es un dispositivo no lineal con dos señales de entrada: una frecuencia generada externamente (𝑓𝑖) y la frecuencia de salida del VCO (𝑓𝑜). La salida de un comparador de fase es el producto de las dos señales con frecuencias 𝑓𝑖 𝑦 𝑓𝑜 y, por consiguiente, contiene sus frecuencias de suma y de diferencia (𝑓𝑖 ± 𝑓𝑜). 37. Describa cómo se obtiene la adquisición de lazo con un PLL, desde un estado inicial no sincronizado, hasta que se logra el enganche de frecuencia. Una señal externa de entrada [(𝑉𝑖 𝑠𝑒𝑛(2𝑓𝑖 𝑡 + 𝜃𝑖 )] entra al comparador de fases y se mezcla con la señal de salida del VCO, que es una onda cuadrada con frecuencia fundamental 𝑓𝑜. Al principio, las dos frecuencias no son iguales (𝑓𝑜 ≠ 𝑓𝑖 ), y el lazo está des sincronizado. Como el comparador de fases es un dispositivo no lineal, las señales del VCO y de entrada se mezclan, y generan frecuencias de producto cruzado (es decir, suma de frecuencias y diferencia de frecuencias). Así, las frecuencias primarias de salida del comparador de fases son la frecuencia de la entrada externa 𝑓𝑖, la frecuencia de salida del VCO 𝑓𝑜 , y su suma (𝑓𝑜 + 𝑓𝑖 ) y su diferencia (𝑓𝑖 − 𝑓𝑜 ). El filtro pasabajas (LPF) bloquea las dos frecuencias originales de entrada, y la frecuencia de suma; así, la entrada al amplificador es sólo la diferencia de frecuencias 𝑓𝑖 − 𝑓𝑜 . La diferencia de frecuencias se amplifica, para aplicarla a la entrada del oscilador controlado por voltaje, el cual desvía una cantidad proporcional a su polaridad y amplitud. Al cambiar la frecuencia de salida del VCO, la amplitud y la frecuencia de la diferencia de frecuencias cambian en forma proporcional. Después de algunos ciclos en torno al lazo, la frecuencia de salida del VCO iguala a la frecuencia externa de entrada, y se dice que el lazo está enganchado. Una vez enganchado, la diferencia de frecuencias en la salida del filtro pasabajas es 0 Hz (es un voltaje de cd), que es necesario para polarizar al VCO y mantenerlo enganchado a la frecuencia de entrada externa 6

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38. Defina los siguientes términos: diferencia de frecuencia, cero diferencia, tiempo de adquisición y ganancia de lazo abierto. Diferencia de Frecuencia es la suma o resta de la señal portadora FC y la frecuencia de modulación. Cero diferencia es un comparador de fase que alcanza la frecuencia de captura. Tiempo de adquisición es el tiempo necesario para lograr el enganche. Ganancia de lazo abierto: es la ganancia de voltaje amplificador con la trayectoria de retroalimentación abierta 39. Compare los siguientes términos e indique cómo se relacionan entre sí: intervalo de captura, semi-intervalo de captura, ganancia de lazo cerrado, intervalo de retención, intervalo de rastreo e intervalo de enganche. El intervalo de captura se define como la banda de frecuencias cercanas a 𝑓𝑛 donde el PLL puede establecer o adquirir enganche con una señal de entrada. El semi-intervalo de captura es el intervalo máximo de captura (es decir, intervalo de captura = 2 x semiintervalo de captura). El intervalo de enganche aumenta cuando aumenta la ganancia general del lazo del PLL. El intervalo de retención es igual a la mitad del intervalo de enganche, es decir, intervalo de enganche = 2 x intervalo de retención. El intervalo de rastreo o de enganche es el margen de frecuencias dentro del cual el PLL rastrea o sigue con exactitud a la frecuencia de entrada. 40. Defina los siguientes términos: PLL no compensado, frecuencia de corte del lazo y filtro de rastreo. Un PLL no compensado es idéntica a la de un filtro pasabajas de un polo (primer orden) con una frecuencia de corte de ωc = 1 rad/s. En esencia, un PLL es un filtro de rastreo de paso bajo que sigue a los cambios de la frecuencia de entrada que están dentro de un ancho de banda igual a ±Kv. Si se requiere más limitación de banda, se puede agregar un filtro pasabajas entre el comparador de fases y el amplifica. Este filtro puede ser de uno o varios polos. La respuesta en frecuencia sigue hasta la frecuencia de corte del filtro del lazo. 41. Defina sintetizar. ¿Qué es un sintetizador de frecuencias? Es un dispositivo cuya frecuencia de salida 𝑓𝑔 , es un múltiplo racional de una frecuencia de 𝑓𝑟 (estándar) determinado de forma que puede expresarse como: 𝑓𝑔 =

𝑀 𝑁

𝑓𝑟

Dónde: M y N son enteros, y a veces se denominan “sintetizadores” unos instrumentos que disponen de un banco de osciladores de cristal y sintetizan la salida a partir de una combinación de sus frecuencias. 42. Describa la síntesis directa e indirecta de frecuencias. En la síntesis directa de frecuencias se generan varias frecuencias de salida mezclando las salidas de dos o más fuentes de frecuencia controladas por cristal, o dividiendo o multiplicando la frecuencia de salida de un solo oscilador de cristal. En la síntesis indirecta de frecuencias se usa un divisor/multiplicador controlado por retroalimentación (como por ejemplo, un PLL), para generar varias frecuencias de salida. La síntesis indirecta de frecuencias es más lenta y más susceptible al ruido; sin 7

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embargo, es menos costosa y requiere menos filtros a su vez menos complicados, que la síntesis directa de frecuencias. 43. ¿Qué quiere decir resolución de un sintetizador de frecuencias? Es la separación mínima entre frecuencias de salida en un sintetizador. 44. ¿Cuáles son las ventajas del pre- escalador y sintetizador de frecuencias en circuito integrado sobre sus equivalentes sin circuito integrado? Los pre- escaladores de circuito integrado son de tamaño pequeño, funcionan a bajo voltaje, consumen poca corriente y son simples. Son ideales para teléfonos celulares y sin cable, para redes de área local de RF, equipo de pruebas y medición, sistemas militares de radio, radios móviles de VHF/UHF y radios

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