Diseo modulador DSB.

Principio de funcionamiento de un modulador de doble banda lateral (DSB).

Este modulador consta bsicamente de un multiplicador de seales, el cual deber entregar el producto de una seal seno de una frecuencia f1 (mensaje) por una seal seno de frecuencia fc (portadora), para esto se utilizar el IC MC1496, el cual es un setup de 8 transistores activos que conforman un modulador balanceado, es decir, permite la multiplicacin de seales diferenciales. Este modulador DSB tendr la posibilidad de ajustar el nivel de la portadora a la salida, esto ser til para transformar el modulador DSB-SC con pequeas modificaciones en un modulador AM, el cual tiene un nivel de portadora mayor en amplitud a la variacin mxima de amplitud del mensaje.

Modulador DSB.

Para comenzar, se establecern los requisitos que deber cumplir este modulador:

Alimentacin de voltaje no mayor a 15 V (mximo voltaje permitido por el MC1496).

Impedancia de entrada cercana a 1K para no tener problemas con las impedancias de salida de otros dispositivos.

Funcionar sin distorsin con seales de entrada de 1 Vp.

Impedancia de salida lo menor posible (idealmente debajo de 10Kohm).

Frecuencia de portadora de 450 KHz, con un ancho de banda de 15 KHz, para poder transmitir audio.

Un voltaje de salida de al menos 10 mVpeak, para poder excitar sin problemas al demodulador.

Para poder disear este circuito se utilizar como base el setup que muestra el datasheet del MC1496 de ON Semiconductor, en el cual aparece el siguiente setup como aplicacin tpica:

Fig. N xx. Setup bsico de un modulador DSB.

Luego, este setup se modificar para adaptarlo a las necesidades del modulador que se desea disear. La primera modificacin ser reemplazar las resistencias de 51 por resistencias de 1 K, debido a que una impedancia de entrada de 51 , a pesar de ser un valor normalizado en sistemas de comunicaciones, no es la impedancia que se requiere para efectos de laboratorio, porque se pretende utilizar el mismo setup del modulador para hacer el demodulador. Si se utilizaran las resistencias de 51 , la impedancia de entrada, tanto del circuito modulador como demodulador seria de 51 , lo cual ocasionara problemas con la impedancia de salida del circuito, que es de 3.9 K, con lo cual no funcionaria adecuadamente debido a la alta atenuacin de la seal que esto provocara. De este modo, se seleccion una resistencia de 1 K para ser colocada a la entrada del circuito, para polarizar las bases de los transistores, determinando la impedancia de entrada del circuito.

Por otro lado se agregaran condensadores de 100 nF a la entrada de la alimentacin, esto es para evitar oscilaciones indeseadas que producen los semiconductores, estos se agregarn en todos los kits a desarrollar.

De este modo, se explicar el funcionamiento del siguiente setup:

Q1

2N2222A

Q2

2N2222A

Q3

2N2222A

Q4

2N2222A

Q5

2N2222A

Q6

2N2222A

Q7

2N2222A

Q8

2N2222A

R40

500

R42

500

D1

1N4148

R41

500

XSC1

A

B

Ext Trig

+

+

_

_

+

_

VSS

-8V

VCC12V

R1

1k

C2

100nF

R5

6.8k

R6

3.9k

R12

3.9k

R3

1k

R9

1k

R8

1k

C4

100nF

R10

1k

R2

1k

RV1

50k

Key=A

50%

R13

10k

R14

10k

C1

10uF

C3

100nF

Mensaje modulado

XFG1

R4

8.2k

C5

100nF

C6

100nF

R7

8.2k

Entrada mensaje

Ajuste portadora

MC1496

1

2

3

4

5

6

7

14

13

12

11

10

9

8

XFG2

Portadora

Fig. N xx. Setup para modular seales DSB.

En la figura se observa el esquema interno del MC1496, debido a que este componente no est en la librera del software Multisim, por lo que se simul. Tambin se aprecian los condensadores C1, C2 y C3 que son de desacoplo y que se reemplazaron las resistencias de 51 por resistencias de 1 K. Por otra parte se aprecia que se agregaron las resistencias R4 y R7, las cuales, junto con la impedancia de entrada del circuito, forman un divisor de tensin. Esto es porque los generadores de funciones de los laboratorios tienen un voltaje de salida mnimo de alrededor de 150 mVp, lo cual es demasiado para el circuito, por este motivo se agreg un divisor de tensin a la entrada el cual atena en un 90 % las seales de entrada, de esta forma los generadores de funciones debern entregar un voltaje de salida de 1 Vp para as tener un voltaje aproximado de 100 mVp a la entrada del modulador. El resto del setup se mantuvo, debido a que cumple con los requisitos del diseo. La frecuencia de la portadora para este setup, puede llegar sin problemas a los 1000 KHz, debido a su simpleza y carencia de filtros pasa bajos.

Demodulador DSB.

Como se mencion anteriormente, se modifico la impedancia de entrada del setup recomendado para poder usar este mismo setup en la demodulacin, con la diferencia que en este paso no hace falta eliminar la portadora a la entrada, de este modo se puede eliminar Rv1, R13 y R14, por otro lado, la entrada de la portadora es la misma, y tanto el circuito modulador como el demodulador deben compartir la misma seal moduladora. En la entrada del setup se ingresa la seal modulada, de este modo se obtiene a la salida del setup el producto de la seal modulada por su portadora, lo cual resulta en la recuperacin del mensaje ms armnicas, a continuacin se acopla a este setup un filtro pasa bajos, cuya frecuencia de corte debe ser de de 15 KHz. A continuacin se muestra el diseo del filtro pasa bajos:

Diseo del filtro pasa bajos activo de 2 orden

Se desea que el filtro sea del tipo activo, debido a que la respuesta de este no se ve afectada si se varia la impedancia de la carga, y , por otra parte, debido a la alta impedancia de salida de la mayora de los circuitos implementados, es necesario utilizar un A.O. (amplificador operacional) para utilizar como buffer.

Debido al alto grado de integracin de los componentes electrnicos actuales es posible encontrar 2 A.O. encapsulados en un chip tipo DIL-8, con lo que en vez de colocar solo 1 A.O. es mejor utilizar 2, de paso utilizar uno como filtro activo de segundo orden, mejorando considerablemente el desempeo del circuito implementado. Para simplificar al mximo el diseo, se eligi seguir la topologa Sallen-Key, con ganancia unitaria y con respuesta Butterworth, que es la ms utilizada en estos filtros por su respuesta plana en la banda de paso de frecuencia, de este modo, el setup a seguir es el siguiente:

Fig. N xx. Setup filtro pasa bajos activo Sallen Key, con ganancia unitaria.

Las ecuaciones para calcular los componentes, teniendo en cuenta la frecuencia de corte (fc), el factor de calidad del filtro (Q) y factor de escalado de frecuencia (FSF), son las siguientes:

(xx)

(xx)

El factor de calidad del filtro, y el factor de escalado de frecuencia se obtiene de la tabla para filtro con respuesta Butterworth, los cuales son los siguientes para un filtro de 2 orden:

Q= 0.707 y FSF= 1 (xx)

Como se ve, resulta muy difcil determinar los valores de los condensadores y resistencias con estas formulas, por lo que se harn los siguientes reemplazos para simplificar los clculos:

R1=mR, R2=R, C1=C, C2=nC (xx)

Reemplazando las variables en las ecuaciones anteriores, se tiene:

(xx)

(xx)

De este modo, se fija la frecuencia de corte del filtro (-3dB) y se elije un valor para R y otro para C, y reemplazando los valores de FSF y Q obtenidos de la tabla de Butterworth, se puede determinar fcilmente los valores de n y m, y a partir de estos los valores de todos los condensadores y resistencias necesarias. Debido a que la respuesta del filtro no es crtica, y de hecho, los componentes que se utilizaran en su fabricacin tienen una tolerancia de un 5%, se aproximaran los valores obtenidos al valor normalizado ms cercano, idealmente mayor a este, de este modo se tiene para una frecuencia de corte de 15 KHz:

(xx)

(xx)

(xx)

(xx)

Para filtros activos con A.O. se recomienda que los valores de las resistencias estn entre las centenas de , hasta las decenas de miles de , mientras que para los condensadores es deseable que sus valores estn comprendidos entre las centenas de pico Faradios hasta las centenas de nano Faradios, para no tener problemas con capacidades parasitas de la placa, ni del A.O, y tampoco tener problemas con las impedancias de entrada y salida de los mismos. De este modo se asign C= 1 nF y R=10 K, reemplazando, se obtuvo los siguientes valores de m y n:

m= 0.5 (xx)

n= 2.25 (xx)

Con lo que finalmente se obtienen los valores de todos los condensadores y resistencias, los cuales son los siguientes:

C1= 1nF, C2= 2.2 nF, R1= 4.7 K, R2= 10K. (xx)

Para comprobar la respuesta en frecuencia del filtro, se utilizo el software Multisim 10 para simular el filtro armado, de este modo, se obtuvo la siguiente respuesta en frecuencia:

Fig. N xx. Simulacin del filtro pasa bajos construido en Multisim.

Como se observa, a pesar de las aproximaciones hechas, se obtuvo una respuesta en frecuencia tipo Butterworth, con una frecuencia de corte de 15.3 KHz, lo cual aceptablemente cercano a lo que se buscaba, por lo que el diseo es correcto.

De este modo, el setup del filtro pasa bajos de 2 orden con frecuencia de corte 15 KHz, es el siguiente:

Fig. N xx. Setup del filtro activo pasa bajos de 2 orden con frecuencia de corte 15 KHz.

Una vez listo el filtro, para el cual se requiere solo 1 A.O., se le agrega otro A.O. antes de este, al cual se le puede asignar una ganancia con el fin de aumentar el voltaje entregado por el demodulador.

Debido a que en la entrada se hizo una atenuacin tal de obtener el 10 % de la amplitud ingresada, a la etapa amplificadora se le asign una ganancia igual a 11, para compensar adems las atenuaciones que se producen al acoplar las seales mediante resistencias, las cuales de a poco disminuyen su amplitud. Luego este setup completo se ensambl en Multisim 10, donde funcion casi a la perfeccin, el nico detalle es que la amplitud del mensaje recobrado es la mitad del mensaje ingresado (1Vp), esto se debe al acoplamiento entre el modulador y el demodulador, donde existen resistencias que forman un divisor de tensin debido a las impedancias de entrada y salida de estos, para compensar esto, se reemplazo la resistencia de ganancia del demodulador (R23=1Kohms) por el valor normalizado ms cercano a su mitad, siendo este 560 ohms para evitar que mucha ganancia sature al demodulador.

Otro detalle que se not fue que la alimentacin de +12V, -8V, bastante rara de encontrar en las fuentes comunes, se puede reemplazar fcilmente por una alimentacin de 12V, cambiando solo el valor de una resistencia, la cual va conectada al pin 5 del MC1496 que se encarga de polarizar los transistores que funcionan como fuente de corriente, de este modo tenemos un voltaje en el pin 5 de -6.93 V para Vss=-8V, lo que dividido por el valor de la resistencia nos da una corriente de aprox. 1 mA, este valor no es muy crtico. De este modo con una nueva alimentacin de Vss= -12V, el voltaje en ese pin seria de -10.93 V, y para tener una corriente de aprox. 1 mA, el valor de la nueva resistencia tendra que ser de 10.93 V/1mA= 10,93 KOhm, aproximando este valor a 10 KOhm.

Con estas modificaciones, se prob el setup en Multisim 10, obteniendo aprox. 1mA en el pin 5 del MC1496, y en la simulacin se obtuvo una seal recuperada de casi la misma amplitud que la seal original, y la respuesta en frecuencia deseada.

De este modo, el setup final para el demodulador queda del siguiente modo:

Fig. N xx. Setup del modulador + demodulador DSB.

En las pruebas hechas con el simulador, se ingreso al modulador una seal mensaje de 2 KHz y 1Vp sinusoidal, triangular y rectangular sucesivamente, y como portadora se utiliz una seal sinusoidal de 450 KHz y 1 Vp. Los resultados obtenidos fueron los siguientes:

Fig. N xx. Resultados obtenidos en Multisim 10.

Creacin de PCB.

Para crear la PCB, se har una que sea compatible tanto con SSB como con DSB, con la diferencia que se omitirn componentes en uno u otro, esto es para crear un modelo para ambas placas y evitar trabajo innecesario. De este modo, la creacin de la placa impresa se detallar ms adelante.