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Montaje práctico y diseño de Gate oscillators modo serie y paralelo
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Subsistemas Electrónicos de Comunicaciones
Actividad 2: Diseño práctico de osciladores
Preparación de la práctica
Diseño 1: Gate Oscillator Modo Serie
En la Figura 1 se muestra un Gate Oscillator en modo serie:
XTAL10 MHz
IC1-A IC1-B IC1-C
IC17404-Hex Inverter
C
R1 R1
1 2 3 4 5 6Vo
330 330 L
Figura 1.- Gate Oscillator modo serie
1.- Dibuja la forma de la señal e indica su frecuencia en los puntos 1, 2, 3, 5 y 6.
Figura 2. – Circuito de simulación en Orcad Spice
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Figura 3.- Resultados de la simulación en Orcad Spice
Hemos simulado el circuito con un programa de CAD, pero no hemos conseguido los
resultados esperados. Nos oscila en un armónico superior y además las fases no se
corresponden con lo esperado.
Después de realizar varias simulaciones no hemos llegado a descubrir si es que había
que cambiar alguna opción en el programa de simulación.
Para lograr que oscilara insertamos un pulso a modo de ruido, para hacer que el circuito
oscilara, ya que en la realidad los circuitos oscilan gracias a que los componentes
electrónicos no son ideales.
Vamos a comentar en el apartado siguiente cómo deberían ser las fases entre los
diferentes puntos del circuito, y evidentemente la frecuencia debería ser 10 Mhz
aproximadamente.
2.- Indica la diferencia de fase entre los puntos 1 y 2; 2 y 3; 3 y 4; 4 y 1.
La diferencia de entre 1 y 2 será de 180º debido al inversor.
La diferencia entre 2 y 3 será de 0º, ya que el condensador desfasa -90º y la bobina
desfasa +90º.
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La diferencia entre 3 y 4 será de nuevo de 180º por el inversor.
La diferencia entre 1 y 4 es de 0º cumpliendo la condición de que la suma de fases es
nula.
3.- ¿Qué componentes del circuito anterior determinan la frecuencia de funcionamiento
del oscilador?
En el modo serie la impedancia del cristal será muy próxima a cero, el circuito tanque
vendrá determinado básicamente por la bobina y el condensador. Elegiremos los valores
de C y L para que la frecuencia de oscilación sea de 10Mhz, el cristal de cuarzo servirá
para proporcionar estabilidad al circuito. Se puede demostrar matemáticamente que el
factor de estabilidad del circuito será aproximadamente 2 veces el factor de calidad del
cristal, siendo este mucho más alto que el de la bobina y el condensador.
4.- Indica cómo se comporta el cristal en este diseño.
El cristal está configurado en modo serie y por lo tanto, al tener una impedancia muy
próxima a cero, se estará comportando como un cortocircuito, o una resistencia de valor
muy bajo.
5.- Explica la función de la red LC que aparece en el circuito, indicando los valores de
ambos componentes.
Tal como hemos explicado en el punto 3, la red LC sirve para realizar un ajuste fino de
la frecuencia de resonancia.
DATO:
L=4.7µF
C=53.89pF
Colocaremos dos condensadores de 100pF en serie y de esta forma obtendríamos una
capacidad equivalente a 50pF.
6.- Explica por qué IC1-A, IC1-B y el cristal forman un bucle de realimentación
positiva.
Con los dos inversores conseguimos una realimentación positiva ya que la fase de
entrada y salida del cristal es la misma.
Si en el punto 1 tenemos una tensión de Valor V, en el punto 2 tendremos –V, ya que el
inversor nos varía la fase180º, dado que la bobina y el condensador se compensan entre
ellos, tendremos –V en el punto 3 del circuito y por tanto +V en el punto 4. El cristal de
cuarzo al actuar como un cortocircuito no afectará a la fase teniendo de nuevo un valor
de V+ en el punto 1, tal y como era de esperar. Es decir tendremos realimentación
positiva.
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7.- Describe el funcionamiento del circuito si en el bucle de realimentación se incluyera
IC1-C.
Si incluimos otro inversor la realimentación será negativa y tendremos interferencia
destructiva por lo que el circuito no oscilaría y sería inestable.
8.- Una de las ventajas de los osciladores a cristal es que su frecuencia de
funcionamiento puede ser modificada simplemente cambiando el cristal. Explica qué se
debería hacer con un oscilador LC, Colpitts o Hartley, para cambiar su frecuencia de
funcionamiento.
Deberíamos cambiar las bobinas y condensadores de nuestro diseño para adecuarlo a la
nueva frecuencia de resonancia.
MONTAJE EN EL LABORATORIO
En la sesión de prácticas realizamos el montaje del circuito calculado. Una vez montado
comprobamos en el medidor de frecuencia del puesto del profesor, que la frecuencia de
oscilación era de aproximadamente 9.85 Mhz, no siendo la esperada de 10Mhz, sin
embargo esto era debido a que posiblemente los cristales del laboratorio oscilaban a esta
frecuencia, ya que este mismo problema se observo en otros compañeros.
En el osciloscopio llegamos a ver la forma de la señal de onda, pero el valor de la
frecuencia no era del todo fiable, ya que es una frecuencia demasiado elevada para el
tipo de osciloscopio que tenemos en el laboratorio.
En cuanto al valor de los componentes, para el condensador de 53.89pF utilizamos el
condensador de valor normalizado 56pF, disponible en el laboratorio.
Figura 4.- Fotografía del montaje en el laboratorio
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En la figura4 vemos el montaje de los dos circuitos de la práctica, el oscilador serie y el
VCO, en este caso el circuito del oscilador serie corresponde con el de la parte izquierda
de la imagen.
Figura 5.- Señal de salida del Oscilador serie
En la figura 5 vemos la señal a la salida del oscilador serie vista en el osciloscopio.
Vemos que la frecuencia no es justo la que esperábamos, tal y como hemos comentado
anteriormente.
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Diseño 2: Gate Oscillator Modo Paralelo
En la Figura 2 se muestra un gate oscillator en modo paralelo:
XTAL10 MHz
IC1
IC17404-Hex Inverter
R1
R2
1 2Vo
C1 C2
3
Figura 6: Gate Oscillator modo paralelo
1.- Dibuja la forma de la señal e indica su frecuencia en los puntos 1, 2 y 3.
Figura 7.- Circuito de simulación en Orcad Spice
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Figura 8.- Resultados simulación en Orcad Spice
En esta configuración tampoco hemos conseguido el resultado esperado en las
simulaciones. Se puede observar una onda de la frecuencia esperada, pero no en el lugar
indicado, además el resto de puntos del circuito sólo presentan niveles de tensión
continua.
2.- Indica la diferencia de fase entre los puntos 1 y 2; 2 y 3; 3 y1.
Entre el punto 1 y 2 tendremos un desfase de 180º debido al inversor. Entre los puntos 2
y 3 el desfase será de 0º ya que la resistencia tiene reactancia nula. Entre 3 y 1 el desfase
sería de 180º ya que se tiene que compensar el desfase para cumplir la condición de
estabilidad.
3.- ¿Qué componentes del circuito anterior determinan la frecuencia de funcionamiento
del oscilador?
Ahora el cristal estará trabajando en la zona inductiva y comporta por lo tanto como una
bobina. Junto con el equivalente formado por el paralelo entre C1 y C2 determinará
la frecuencia de resonancia del circuito.
4.- Indica cómo se comporta el cristal en este diseño.
Como hemos dicho en apartado anterior, la reactancia equivalente del cristal, al trabajar
en modo paralelo, será positiva, siendo equivalente a una bobina.
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5.- Calcula los valores de los condensadores C1 y C2 sabiendo que los valores del
modelo equivalente BVD del cristal son: R=5.42Ω, L=11.52 mH, C=22fF y
C0=4.3283pF.
Los condensadores reales que vamos a elegir serán para C1 y C2 el paralelo de uno de
33pF con uno de 47pF, quedando un equivalente de 80pF y el serie de C1 y C2 que es
CL quedará de 40pF. Obteniendo una frecuencia de oscilación de 9.999776 Mhz
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Diseño 3: VCO basado en el CI 4046
En la figura 3 se muestra el diagrama de bloques del CI 4046, el cual incluye, entre
otras cosas, un oscilador capaz de generar una onda cuadrada. Aunque también incluye
dos detectores de fase que también permiten que pueda ser configurado como PLL, en
esta práctica será utilizado para generar una señal de frecuencia modulada de portadora
12.8 kHz y tono de modulación de 100Hz.
Figura 9: CI 4046
1.- Dibuja las conexiones que tendrías que hacer para que el CI 4046 funcione como un
oscilador de 12.8 kHz. Indica los valores de todos los componentes que tendrías que
añadir, especificando claramente por qué se han escogido dichos valores.
Empezando por la esquina izquierda superior del integrado, el primer pin relevante es el
de INH (PIN 5), que tiene que estar a nivel bajo para activar el VCO (Lo conectaremos
a masa).
The inhibit input Inh, when high, disables the VCO
and source follower to minimize standby power
consumption.
En C1A y C1B emplazamos el condensador necesario para obtener la frecuencia
deseada (12,8kHz).
En el pin 8 correspondiente a VSS será el pin de masa, que es el que utiliza el VCO
internamente como referencia.
Continuando ahora por el otro lado del chip, y en sentido ascendente:
La entrada del VCO correspondiente al pin 9 debe ser VDD/2 para obtener la señal
cuadrada de 12,8 kHz a la salida (Mediante un divisor resistivo que será reemplazado
posteriormente por un potenciómetro).
De R1 y R2 se indican posteriormente sus valores (PINES 11,12).
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Tan solo queda ya la alimentación del chip (VDD). Observando el catálogo vemos que
con 5V tenemos suficiente tensión para nuestro rango de frecuencias (PIN 16).
El resto de pines del integrado no son de nuestra utilidad en esta aplicación.
Figura 10.- Montaje del VCO
R2 = 1 MΩ C = 68 pF
R1 = 680 kΩ
Hemos colocado en R2 una carga grande (la frecuencia de salida dejará de depender del
valor de esta resistencia) para ajustar directamente con R1 ya que no nos interesa el
VCO como modulador, simplemente lo utilizaremos para generar una onda cuadrada de
la frecuencia pedida.
Entre C1A y C1B colocamos nuestra capacidad de trabajo
INH a masa para habilitar el VCO.
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Variación de la f del VCO con la tensión de entrada.
Figura 11.- Gráfica VCO
Ecuaciones que nos proporciona el fabricante:
Hemos preparado unos cálculos pero el fabricante nos advierte que el valor de f
obtenido puede variar hasta en un 400%
Si nos fijamos en las propias ecuaciones no corresponden a un análisis exhaustivo del
circuito.
Además hay que tener en cuenta por la estructura interna del VCO que R1 y R2 tienen
que ser de valores no muy dispares, ya que al sumar las corrientes o sólo tendríamos
portadora con una moduladora que no se apreciaría, o una portadora muy débil con una
moduladora. Aunque para nuestra aplicación, esto nos es totalmente indiferente.
Independientemente de los valores, la conexión es la mostrada en el pinout anterior.
2.- Explica el principio de funcionamiento del VCO integrado en el CI 4046.
El propio fabricante nos indica la funcionalidad del integrado como VCO entre otras
posibles, y los componentes necesarios para su montaje.
The linear VCO produces an output signal VCOout
whose frequency is determined by the voltage of input VCOin and the
capacitor and resistors connected to pins C1A, C1B, R1, and R2
Un VCO simplemente cumple la función de un modulador ajustando su frecuencia de
oscilación natural a la frecuencia portadora, ésta tendrá pequeñas variaciones
según el nivel de tensión continua que tengamos a la entrada del VCO, siendo dicha
pequeña variación la señal moduladora.
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Figura 12.- Esquema del VCO
En nuestro caso tan solo nos interesa que sea una señal cuadrada a una única frecuencia
lo más estable posible por lo que lo hemos configurado para tal fin.
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MONTAJE EN EL LABORATORIO
Como incidencias de este último apartado nombrar que la tensión de VCC/2 que va a la
entrada del VCO la habíamos implementado con un divisor resistivo, el cual hemos
cambiado por un potenciómetro para poder hacer un ajuste más fino de la frecuencia.
Observamos que la forma de onda a la salida del VCO era la esperada, es decir una onda
cuadrada de frecuencia ligeramente diferente a la esperada, la profesor nos comentó que
debíamos cambiar el divisor resistivo por un potenciómetro.
Figura 13.- Salida del VCO
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Aclaraciones:
Este trabajo de preparación lo revisará el profesor durante la sesión de la
práctica del Martes 23 de Febrero (deberéis tenerlo preparado antes de empezar
la práctica)
Durante la sesión práctica se deberán implementar obligatoriamente el diseño 3
y al menos uno de los diseños 1 o 2.
Dos semanas después de la realización de la práctica se debe entregar una
memoria que deberá incluir necesariamente:
o La preparación de la práctica
o Una breve introducción en la que se indiquen las especificaciones de los
diseños que se han implementado (media hoja).
o El esquemático del circuito que se ha implementado.
o Imágenes capturadas en los puntos más importantes del circuito.
o Se debe indicar si se han modificado los valores de diseño calculados en
la preparación de la práctica.
o Finalmente se debe incluir un apartado de conclusiones.
NOTA: TODOS LOS TRABAJOS QUE SE VAYAN HACIENDO DURANTE EL
CURSO SE ENTREGARÁN EN PAPEL EN LA FECHA DE ENTREGA, Y AL
FINAL DEL CURSO EN FORMATO ELECTRÓNICO.
