CÓDIGO: SGC.DI.505 VERSIÓN: 2.0 FECHA ULTIMA REVISIÓN: 12/04/2017 GUIA DE PRÁCTICA DE LABORATORIO DEPARTAMENTO: ELÉCT
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GUIA DE PRÁCTICA DE LABORATORIO
DEPARTAMENTO:
ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA CARRERA:
ASIGNATURA:
SISTEMAS DE COMUNICACIONES
PERíODO LECTIVO:
OCT 2017 FEB 2018
NIVEL:
6to
DOCENTE:
ING. NARANJO CESAR
NRC:
1739
PRÁCTICA N°:
1
LABORATORIO DONDE SE DESARROLLARÁ LA PRÁCTICA
TEMA DE LA PRÁCTICA: INTRODUCCIÓN:
ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN
LABORATORIO DE COMUNICACIONES
OSCILADORES COLPITTS Y HARTLEY.
Los sistemas modernos de comunicaciones electrónicas tienen muchas aplicaciones que requieren formas de onda estables y repetitivas, tanto senoidales como no senoidales. En muchas de esas aplicaciones se requiere más de una frecuencia, y a menudo esas frecuencias se deben sincronizar entre sí. Por lo anterior, las partes esenciales de un sistema electrónico de comunicaciones son generación de señal, sincronización de frecuencia y síntesis de frecuencia. En las aplicaciones electrónicas, un oscilador es un dispositivo o circuito que produce oscilaciones eléctricas. Una oscilación eléctrica es un cambio repetitivo de voltaje o de corriente en una forma de onda. Si un oscilador es autosostenido, los cambios en la forma de onda son continuos y repetitivos; suceden con rapidez periódica. Un oscilador autosostenido también se llama oscilador autónomo o de funcionamiento libre. Los osciladores no autosostenidos requieren una señal externa de entrada, o disparador, para producir un cambio en la forma de onda de salida. Los osciladores que no son autosostenidos se llaman también osciladores con disparo de inicio u osciladores monoestables. Osciladores retroalimentados Un oscilador retroalimentado es un amplificador con un lazo de retroalimentación, es decir, con un paso para que la energía se propague desde la salida y regrese a la entrada. Los osciladores autosostenidos (O monoestables) son osciladores retroalimentados. Una vez encendido, un oscilador retroalimentado genera una señal de salida de ca, de la cual se regresa una pequeña parte a la entrada, donde se amplifica. La señal amplificada de la entrada aparece en la salida, y el proceso se repite; se produce un proceso regenerativo, en el que la salida depende de la entrada y viceversa. De acuerdo con el criterio de Barkhausen, para que un circuito retroalimentado sostenga oscilaciones, la ganancia neta de voltaje en torno al lazo de retroalimentación debe ser igual o mayor que la unidad, y el desplazamiento neto de fase en torno al lazo debe ser un múltiplo entero positivo de 360°. Hay cuatro requisitos para que trabaje un oscilador retroalimentado: amplificación, retroalimentación positiva, determinación de frecuencia y una fuente de potencia eléctrica. 1. Amplificación: Un circuito oscilador debe tener cuando menos un dispositivo activo, y debe ser capaz de amplificar voltaje. De hecho, a veces se requiere que proporcione una ganancia infinita. 2. Retroalimentación positiva: Un circuito oscilador debe tener una trayectoria completa para que la señal de salida regrese a la entrada. La señal de retroalimentación debe ser regenerativa, y eso quiere decir que debe tener la fase correcta y la amplitud necesaria para sostener las oscilaciones. Si la fase es incorrecta, o si la amplitud es insuficiente, las oscilaciones cesan. Si la amplitud es excesiva, el amplificador se saturará. La retroalimentación regenerativa se llama también retroalimentación positiva, donde “positiva” simplemente indica que su fase ayuda en el proceso de oscilación, y no necesariamente indica una polaridad positiva (+) o negativa (-). La retroalimentación degenerativa se llama retroalimentación negativa, y proporciona una señal de retroalimentación que inhibe la producción de oscilaciones. 3. Componentes que determinan la frecuencia: Un oscilador debe tener componentes que determinen la frecuencia, como por ejemplo resistores, capacitores, inductores o cristales que permitan ajustar o cambiar la frecuencia de operación. 4. Fuente de poder: Un oscilador debe tener una fuente de energía eléctrica, que puede ser una fuente de cd. La relación de retroalimentación no es más que la función de transferencia de la red de retroalimentación, es decir, la relación de su voltaje de salida a su voltaje de entrada. Para una red de retroalimentación pasiva, la relación de retroalimentación siempre es menor que 1. La figura muestra un modelo eléctrico de un circuito oscilador retroalimentado (es decir, un amplificador de voltaje con
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retroalimentación regenerativa).
Modelo de un amplificador con retroalimentación. Existen dos tipos de osciladores los osciladores sintonizados y los no sintonizados: Osciladores no sintonizados El oscilador de puente de Wien es un oscilador RC no sintonizado de corrimiento de fase, que usa retroalimentación tanto positiva como negativa. Es un circuito oscilador relativamente estable, de baja frecuencia, que se sintoniza con facilidad, y se suele usar en generadores de señal para producir frecuencias de 5 Hz a 1 MHz. Este circuito oscilador de puente de Wien fue el que utilizó la compañía Hewlett Packard en su diseño original de generador de señales.
Oscilador de puente de Wien. Osciladores sintonizados Los osciladores LC son circuitos osciladores que usan circuitos tanque LC para establecer la frecuencia. El funcionamiento de un circuito tanque implica intercambio de energía entre cinética y potencial. La frecuencia de funcionamiento de un circuito tanque LC no es más que la frecuencia de resonancia de la red LC en paralelo, y el ancho de banda es una función de la Q del circuito. La frecuencia de resonancia de un circuito tanque LC con Q ≥ 10 se aproxima bastante con la ecuación: 𝑓𝑜 =
1 2𝜋√𝐿𝐶
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Entre los osciladores LC están el de Hartley y el de Colpitts. Oscilador Hartley Es un tipo de oscilador muy utilizado en receptores de radio con transistores adaptándose con facilidad a una gran gama de frecuencias. La figura muestra el esquema de un oscilador de Hartley.
Oscilador Hartley La frecuencia obtenida en el oscilador de Hartley se aproxima con la siguiente fórmula: 𝑓𝑜 = Donde 𝐿 = 𝐿1 + 𝐿2
1 2𝜋√𝐿𝐶
𝐿1 = 𝐿2 𝐶 = 𝐶1 Oscilador Colpitts Es un circuito electrónico basado en un oscilador LC (L: bobina, C: condensador) diseñado por Edwin H. Colpitts. Se trata de un oscilador de baja frecuencia que debe obtener a su salida una señal de frecuencia determinada sin que exista una entrada, a diferencia de otros circuitos electrónicos, que necesitan de una entrada de señal. Su estabilidad es superior a la del oscilador Hartley. La frecuencia del oscilador de Colpitts se aproxima bastante bien con la ecuación siguiente: 1 𝑓𝑜 = 2𝜋√𝐿𝐶 Donde 𝐿 = 𝐿1 𝐶 𝐶
𝐶 = 𝐶 1+𝐶2 1
2
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La figura muestra el diagrama de un oscilador de Colpitts. El funcionamiento de este oscilador es muy parecido al oscilador de Hartley, con la excepción de que se usa un divisor capacitivo en lugar de una bobina con derivación.
Oscilador Colpitts OBJETIVOS: Escoger un oscilador Colpitts o Hartley y realizar la simulación en un software con rangos de frecuencias que puedan ser utilizados para modular señales en AM es decir frecuencias en el rango de 500KHz a 1.7MHz Implementar en un protoboard el oscilador escogido. Establecer los rangos de frecuencia máxima y mínima para los osciladores. MATERIALES: EQUIPOS: Resistencias Capacitores Bobinas Transistor Osciloscopio Fuente de Alimentación. Multímetro Generadores de onda Cables y puntas de osciloscopio INSTRUCCIONES: ¿Qué es un oscilador? Un oscilador es un sistema capaz de crear perturbaciones o cambios periódicos o cuasi periódicos en un medio, ya sea un medio material (sonido) o un campo electromagnético(ondas de radio, microondas, infrarrojo, luz visible, rayos X, rayos gamma, rayos cósmicos). En electrónica un oscilador es un dispositivo capaz de convertir la energía de corriente continua en corriente alterna de una determinada frecuencia. Dicho de otra forma, es un circuito que es capaz de convertir la corriente continua en una corriente que varía de forma periódica en el tiempo (corriente periódica); estas oscilaciones pueden ser sinusoidales, cuadradas,
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triangulares, etc., dependiendo de la forma que tenga la onda producida. ¿Cuáles son las condiciones de oscilación? Amplificación: Un circuito oscilador debe tener cuando menos un dispositivo activo, y debe ser capaz de amplificar voltaje. De hecho, a veces se requiere que proporcione una ganancia infinita. Retroalimentación positiva: Un circuito oscilador debe tener una trayectoria completa para que la señal de salida regrese a la entrada. La señal de retroalimentación debe ser regenerativa, y eso quiere decir que debe tener la fase correcta y la amplitud necesaria para sostener las oscilaciones. Si la fase es incorrecta, o si la amplitud es insuficiente, las oscilaciones cesan. Si la amplitud es excesiva, el amplificador se saturará. La retroalimentación regenerativa se llama también retroalimentación positiva, donde “positiva” simplemente indica que su fase ayuda en el proceso de oscilación, y no necesariamente indica una polaridad positiva (+) o negativa (-). Componentes que determinan la frecuencia: Un oscilador debe tener componentes que determinen la frecuencia, como por ejemplo resistores, capacitores, inductores o cristales que permitan ajustar o cambiar la frecuencia de operación. Fuente de poder: Un oscilador debe tener una fuente de energía eléctrica, que puede ser una fuente de cd. ¿Qué consideraciones debe tomar en cuanta un oscilador? Frecuencia: es la frecuencia del modo fundamental Margen de sintonía, para los de frecuencia ajustable, es el rango de ajuste Potencia de salida y rendimiento. El rendimiento es el cociente entre la potencia de la señal de salida y la potencia de alimentación que consume Nivel de armónicos: potencia del armónico referida a la potencia del fundamental, en dB Pulling: variación de frecuencia del oscilador al variar la carga Pushing: variación de frecuencia del oscilador al variar la tensión de alimentación Deriva con la temperatura: variación de frecuencia del oscilador al variar la temperatura Ruido de fase o derivas instantáneas de la frecuencia Estabilidad de la frecuencia a largo plazo, durante la vida del oscilador ¿Cuál es el funcionamiento de un oscilador Colpitts? 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. En el encendido inicial aparece ruido en el colector de Q1, y suministra la energía al circuito tanque haciéndolo comenzar a oscilar. Los capacitores C1a y C1b forman un divisor de voltaje. La caída de voltaje a través de C1b se retroalimenta a la base de Q1 a través de Cc. Hay un desplazamiento de fase de 180°, de la base al colector de Q1, y otro desplazamiento de fase de 180° más a través de C1. En consecuencia, el desplazamiento total de fase es 360°, y la señal de retroalimentación es regenerativa. La relación de C1a ha C1a +C1b determina la amplitud de la señal retroalimentada.
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Implementar el circuito mediante cualquier software de simulación.
Oscilador tipo Colpitts simulado en el software Multisim. Verificación de las forma de ondas obtenidas en la simulación
Onda obtenida en la simulación – Se puede observar que se logró generar una onda con una frecuencia de 742KHz. ¿Qué puede indicar respecto a lo observado en el osciloscopio del software? Mientras se requiere frecuencias mucho más altas, la estabilidad en la forma de onda del osciloscopio del simulador se ve afectada significativamente por lo que el circuito simulado tiene un rango de funcionamiento estable desde los 400KHz hasta los 900KHz. Los voltajes de la forma de onda varían en cada medida, siendo notorio esta variación en los extremos de funcionamiento del circuito oscilador. ACTIVIDADES POR DESARROLLAR:
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Implementar el circuito Colpitts anteriormente simulado:
Circuito implementado en Protoboard
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RESULTADOS OBTENIDOS: Cambie los elementos apropiados para obtener 5 valores diferentes de frecuencias que estén en el rango de frecuencias de AM en el oscilador Colpitts. Las fórmulas para el diseño del circuito son: 𝑓𝑜 = 𝐶 𝐶
Donde
1 2𝜋√𝐿𝐶
𝐶 = 𝐶 1+𝐶2 1
2
Cálculos: 𝒇 = 𝟕𝟕𝟒𝑲𝑯𝒛 𝐿 = 100𝑢𝐻 es un valor fijo 774𝐾𝐻𝑧 =
774𝐾𝐻𝑧 =
𝐶=
1 2𝜋√𝐿𝐶 1
2𝜋√100𝑢𝐻 ∗ 𝐶
844𝑢𝐹 ∗ 844𝑢𝐹 = 422𝑢𝐹 844𝑢𝐹 + 844𝑢𝐹
𝒇 = 𝟖𝟎𝟎𝑲𝑯𝒛 𝐿 = 100𝑢𝐻 es un valor fijo 800𝐾𝐻𝑧 =
800𝐾𝐻𝑧 =
𝐶=
1 2𝜋√𝐿𝐶 1
2𝜋√100𝑢𝐻 ∗ 𝐶
790𝑢𝐹 ∗ 790𝑢𝐹 = 395𝑢𝐹 790𝑢𝐹 + 790𝑢𝐹
𝒇 = 𝟖𝟖𝟎𝑲𝑯𝒛 𝐿 = 100𝑢𝐻 es un valor fijo 880𝐾𝐻𝑧 =
880𝐾𝐻𝑧 =
𝐶=
1 2𝜋√𝐿𝐶 1
2𝜋√100𝑢𝐻 ∗ 𝐶
654𝑢𝐹 ∗ 654𝑢𝐹 = 327𝑢𝐹 654𝑢𝐹 + 654𝑢𝐹
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𝒇 = 𝟗𝟔𝟎𝑲𝑯𝒛 𝐿 = 100𝑢𝐻 es un valor fijo 960𝐾𝐻𝑧 =
960𝐾𝐻𝑧 =
𝐶=
1 2𝜋√𝐿𝐶 1
2𝜋√100𝑢𝐻 ∗ 𝐶
548𝑢𝐹 ∗ 548𝑢𝐹 = 274𝑢𝐹 548𝑢𝐹 + 548𝑢𝐹
𝒇 = 𝟏. 𝟐𝑴𝑯𝒛 𝐿 = 100𝑢𝐻 es un valor fijo 1.2𝑀𝐻𝑧 =
1.2𝑀𝐻𝑧 =
𝐶=
1 2𝜋√𝐿𝐶 1
2𝜋√100𝑢𝐻 ∗ 𝐶
350𝑢𝐹 ∗ 350𝑢𝐹 = 175𝑢𝐹 350𝑢𝐹 + 350𝑢𝐹
Capacitores (uF)
Frecuencia Calculada (KHz)
Frecuencia Medida (KHz)
844
774
772.8
790
800
797.5
654
880
879.9
548
960
960.6
350
1.2 MHz
1.12MHz
TABLA 1: Valores Obtenidos NOTA: Para obtener los valores de los condensadores calculados, se colocaron a los capacitores en serie y paralelo para obtener los dichos valores.
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Imágenes de las formas de ondas obtenidas de nuestro circuito oscilador
Frecuencia medida de 1.12MHz
Frecuencia medida de 772KHz
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Frecuencia medida de 960KHz
Frecuencia medida de 797KHz
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Frecuencia medida de 879KHz CONCLUSIONES:
En el oscilador Colpitts la amplificación de la componente activo debe ser ligeramente más grande que la atenuación del divisor de tensión capacitivo, para obtener un funcionamiento estable. Las frecuencias obtenidas con el oscilador Colpitts no coinciden con los cálculos pues obtenemos variaciones con los valores calculados, esto se debe a los márgenes de tolerancia de las resistencias y que las bobinas y capacitores en la práctica no son ideales. Al momento de nosotros obtener valores de frecuencias altas, este tipo de osciladores generan una gran cantidad de ruido debido a la configuración propia de los mismos. Existen varias configuraciones de osciladores, pero el oscilador Colpitts y Hartley son los más usados y los que tienen un mejor rendimiento en cuanto a calidad de oscilación. Un oscilador RC se construye partiendo de un amplificador de inversión de fase y una red de realimentación capaz de desfasar la señal de salida 180° e introducirla de nuevo en la entrada.
RECOMENDACIONES: .
Usar un transistor como dispositivo de construcción del oscilador, ya que tiene mejores prestaciones en ganancia y generación de ondas. Usar bobinas y condensadores variables (décadas) en la comprobación de nuestro oscilador ya que al momento de realizar los cálculos se obtienen valores de bobinas y condensadores que no son comerciales y esto dificulta para la obtención de una onda sinusoidal de calidad. Probar con diferentes configuraciones el oscilador hasta obtener una onda generada que sea óptima. Realizar un filtro de salida.
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FIRMAS
F: ……………………………………………. Nombre: ING. CESAR NARANJO DOCENTE
ANEXOS:
F: ………………………………………………. Nombre: ING. CESAR NARANJO COORDINADOR DE ÁREA DE CONOCIMIENTO
F: …………………………………………………… Nombre: CARLOS ANDRÉS CUEVA NELSON DAVID LEMA ALUMNO DE LA ASIGNATURA
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Valores obtenidos en la simulación del oscilador Colpitts
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