GENERACIÓN DE UNA SEÑAL ASKNelson Hernán Muñoz Burbano, Leidy Tatiana Rojas Forero,

Miguel Alejandro Suarez Ussa

Universidad Autónoma de Occidente, Departamento de Ingeniería,

Santiago de Cali –Colombia

nelsonmb93@gmail.com

ladytata13@hotmail.com

miguel5l4@hotmail.com

Resumen – En este documento presentamos, la generación de una señal ASK, la señal ASK (Amplitude-shift keying) es una modulación de amplitud de señal, la cual se logra a partir de un swicth análogo, este depende de dos señales entrantes una portadora y una moduladora. Para este laboratorio se presenta la generación de esta señal a partir de un oscilador Colpitts (señal portadora) y un temporizador 555 en configuración astable (señal moduladora), estas son las entradas al switch análogo (JFET canal P) en donde finalmente su salida es la señal ASK requerida, por último la señal ASK es amplificada mediante un amplificador clase C, para lograr una eficiencia mayor al 80%.

1. INTRODUCCIÓN

El objetivo principal es diseñar e implementar un circuito generador de señal ASK (Amplitude-Shift Keying), para lograr el objetivo se implementa las siguientes tres etapas:

Etapa 1: Generador de onda senoidal, con frecuencia de 125KHz.

Etapa 2: Tren de pulsos, con frecuencia de 10KHz.

Etapa 3:Interruptor análogo

En la Fig. 1, se desarrolla un diagrama de bloque, el cual representa el circuito completo a realizar:

Fig. 1 Diagrama de bloques representativo del circuito

Para lograr cada una de las etapas mencionadas anteriormente es importante tener en cuenta los siguientes conceptos.

Oscilador colpitts

El oscilador esta compuesto por un circuito LC en el lazo de realimentación para producir el desfasamiento necesario y actuar como filtro resonante que deja pasar solo la frecuencia deseada de oscilación, ver Fig. 2.

Fig 2. Oscilador ColpittsPara obtener la frecuencia de oscilación se debe calcular aproximadamente igual a la frecuencia de resonancia del circuito LC, la cual está establecida por los valores de C1, C2 y L, como se indica en la Ecuación 1:

F r=1

2 π √ LCT

(1)

El valor de la capacitancia total esta dado por:

CT=C1 C2

C1+C2

(2)

Las condiciones de oscilación de este montaje están determinadas por un factor de atenuación (B) del circuito resonante que están ligadas a los valores de capacitancia de la realimentación.

B=C2

C1

(3)

Como en cualquier oscilador AV*B=1 por esta razón la ganancia de voltaje de amplificador:

AV =C1

C2

(4)

Temporizador 555 – Modo astable

En la Fig. 3 se muestra un temporizador 555 conectado para que opere en el modo astable, de esta forma en la salida obtendremos una señal cuadrada cuyo periodo y frecuencia están establecidos por los componentes

externos. Para esta configuración es necesario conectar la entrada umbral a la entrada de disparo. La resistencia R1, R2 y Cext conforman el circuito temporizador que establece la frecuencia de oscilación de la señal de salida.

Fig.3 Configuración astable del 555

f r=1.44

( R 1+2R 2 ) Cext(5)

Escogiendo R1 y R2 podemos seleccionar el ciclo de trabajo, el Cext se carga a través del R1 y R2 y se descarga a través de R2, se puede obtener ciclos de trabajo próximos al 50% si hacemos a R2 mucho mayor que R1 generando que los tiempo de carga y descarga sean muy similares.

Para conseguir que el tiempo de carga y descarga del condensador sea prácticamente igual, se modifica el circuito colocando un diodo como lo indica la Fig 4, ya que de esta manera el condensador se carga solo a través de R1 y se descarga a través de R2. Con esta configuración las formulas para la frecuencia y el ciclo de trabajo (suponiendo un diodo ideal) son:

f r=1.44

( R 1+R 2 )Cext(6)

Ciclo trabajo=( R 1R 1+R 2 )∗100 % (7)

Fig. 4 Implementación de un diodo a la configuración astable del 555

Señal ASK y Swicth Análogo

La señal ASK (Amplitude-shift keying) es una modulación de amplitud de señal la cual está construida a partir de dos señales, la señal moduladora que es una señal digital (nivel alto 1 nivel bajo 0) y la señal portadora la cual contiene la señal a modular, finalmente a la salida estará la señal modulada.

El switch análogo es un dispositivo que permite o no el paso de una señal, para este propósito uno de los componente más adecuados son los transistores JFET, cuando un JFET es usado como switch su zona de trabajo estará cambiando entre corte y la zona óhmica.

El funcionamiento del JFET es muy simple, depende del tipo de transistor que se esté utilizando. Si es canal P, cuando la señal moduladora este baja el transistor se activa y deja pasar la señal portadora y cuando la señal moduladora cambia a un nivel alto el transistor se apaga impidiendo el paso de la señal portadora; si el JFET es de canal N el transistor se enciende cuando la señal moduladora tenga un nivel alto dejando pasar la señal portadora y el transistor se apaga cuando la señal moduladora este baja impidiendo el paso de la señal portadora.

Fig.5 Ejemplo Señal portadora, moduladora y modulada, utilizando un JFET canal N

Amplificador clase C

El amplificador clase C está compuesto esencialmente por un transistor y un circuito resonante, los cuales funcionan de la siguiente manera, el transistor recibe por la base la señal que debe superar una barrera de potencial dada por |V BB|−V BE, por lo cual el transistor solo funciona con pulsos de corriente, estos pulsos le permiten variar entre los estados de corte y saturación y de esta forma permitir el paso de corriente de colector a emisor, esta corriente atraviesa el circuito resonante ubicado en el colector del transistor como se muestra en la figura 6.

Figura 6. Circuito tanque, amplificador clase C

El circuito resonante es un circuito tanque el cual está conformado por un condensador en paralelo con una inductancia, estos dos componentes por medio de la carga y descarga del condensador permiten generar una señal que se encuentra con un desfase de 180° respecto a la señal de entrada. La señal de salida

tendrá la máxima excursión cuando la frecuencia del tanque sea cercana a la frecuencia de resonancia mostrada en la ecuación 8, esto se debe a que en este punto el circuito tanque tiene una alta impedancia.

f r=1

2 π (√LC ) (8)

Para esta clase de amplificadores se utilizan diferentes formas de polarización, la polarización mediante un circuito de sujeción es la más común, esta configuración es implementada con un circuito de sujeción, Ver Fig. 7, el cual es un condensador entre la entrada y la base del transistor y una resistencia de descarga conectada entre base y tierra, en el semiciclo positivo el capacitor se carga al valor pico, esto establece un voltaje promedio en la base de −V p lo que coloca el transistor en corte excepto en los picos positivos, para lograr una buena sujeción, la constante RC del circuito de sujeción debe ser mayor al periodo de la señal en la entrada.

Figura 7. Amplificador clase C, polarizado mediante un circuito de sujeción.

Concluyendo el laboratorio se realiza una tabla comparativa entre los valores teóricos, simulados y prácticos de la frecuencia de cada etapa, con estos valores se encuentra los porcentajes de error mediante las siguientes ecuaciones:

% Error ( te osimu )=¿

V . teorico−V . simuladoV .teorico

∗100 (9)

% Error ( te oexpe )=¿

V . teorico−V . experimentalV . teorico

∗100 (10)

2. CONSTRUCCIÓN DEL CIRCUITO

A) OSCILADOR COLPITTS

Se necesita una onda senoidal de frecuencia de 125 KHz, este valor depende del circuito LC en el lazo de realimentación, para lograr este objetivo se debe tener en cuenta el siguiente procedimiento:

f r=1

2 π √ LCT

Despejando:

CT=( 12 π∗f r )

2

l

Siel valor de la inductancia es L=100uH,

CT=( 12 π∗(125 kHz))

2

100 μ H

CT=0.0162 μ F

El valor del condensador total depende de:

CT=C1∗C2

C1+C2

→ Si C1=0.056 μ F

C2=C1

C1

CT

−1= 0.056 μF

0.056 μ F0.0162 μF

−1=0.023 μF

Para el montaje se utilizó un valor de C2 de

0.028 μ F y de C1 de 0.056 μ F, ya que

fueron los valores comerciales encontrados, si calculamos nuevamente:

CT=C1∗C2

C1+C2

=0.056 μ F∗0.028 μ F0.056 μ F+0.028 μF

CT=0.0175 μ F

El valor de la inductancia para el montaje es de 100 μ H .

f r=1

2 π √ (100 μH )∗(0.0175 μ F )

f r=120.3 kHz

Este es el valor de frecuencia esperada en el montaje.

Para la amplificación de voltaje es utilizado un amplificador clase A, polarizado mediante divisor de tensión y configuración de realimentación por emisor con resistencia parcialmente desacoplada, como la indica la Fig. 8:

Fig 8. Oscilador colpitts

Para cumplir los parámetros de oscilación tenemos que:

B=C 2C 1

=0.023 X 10−6

0.056 X 10−6

Al estabilizarse el sistema para cumplir la oscilación:

AV∗B=1

Para cumplir esto:

AV =C 1C 2

=0.056 X 10−6

0.023 X 10−6

FUNCIÓN E IMPORTANCIA

Su principal función es que corresponde a la señal portadora para la construcción de la señal ASK, esta corresponde a la señal de mayor frecuencia y es la encargada de transportar la información a transmitir, la frecuencia establecida en esta etapa corresponde a la frecuencia de transmisión deseada.

Por esta razón la oscilación procedente de esta etapa debe ser estable para poder ser transportada adecuadamente.

B) TEMPORIZADOR 555

Para la generación de la onda cuadrada se usa el temporizador 555 en modo astable, usando el diodo para facilitar los cálculos y garantizar que el tiempo de trabajo sea del 50% con la condición de que las 2 resistencias tengan el mismo valor, para cumplir el objetivo se pide que la señal tenga una frecuencia de 10kHz, para esto se realiza el siguiente procedimiento:

f r=1.44

( R1+R2 )∗C ext

Si f r=10 kHz yC ext=10 nF

R1+R2=1.44

f r∗C ext

R1+R2=14.4 kΩ

Como R1=R2

R1=7.2 kΩ

R2=7.2 kΩ

Ciclo de trabajo=R1

R1+R2

∗100 %

Ciclo de trabajo= 7.2 kΩ7.2kΩ+7.2 kΩ

∗100 %

Ciclo de trabajo=50 %

Estos valores son suponiendo un diodo ideal.

Para el montaje se utilizaron unas resistencias de valores comerciales en este caso de 6.8kΩ.

R1=6.8 kΩ y R2=6.8 kΩ

f r=1.44

(6.8 kΩ+6.8 kΩ)∗10 nF=10.5 kHz

Ciclo de trabajo= 6.8 kΩ6.8 kΩ+6.8 kΩ

∗100 %

Ciclo de trabajo=50 %

En la Fig. 9, se encuentra el diseño del temporizador 555 en modo astable a utilizar:

Fig. 9 Temporizador 555 en modo astable

FUNCIÓN E IMPORTANCIA

Esta señal corresponde a la señal moduladora o también llamada señal de información, la cual afecta los parámetros de amplitud y frecuencia de la señal portadora, en este caso corresponde a un tren de pulsos que cambia de un nivel alto, a un nivel bajo y dejara pasar la señal portadora dependiendo del Swicth análogo que se utiliza para modular la señal.

C) SWITCH ANALOGO

Para esta etapa se usó un transistor JFET 176, canal p para poder obtener la señal deseada a la salida, el motivo por el cual se usó este transistor es debido a que su velocidad de switcheo es muy rápido más o menos entre los 10 y 20 ns, garantizando una conmutación rápida.

Para esta aplicación la señal procedente del temporizador 555 esta conectada al Gate la cual será la señal moduladora, en el Source conectaremos la señal procedente el oscilador Colpitts la cual corresponde a la señal portadora, y finalmente obtendremos en

Drain la señal ASK, esto lo podemos observar en la Fig. 10.

Fig. 10 Implementación de un JFET canal P como switch análogo

FUNCIÓN E IMPORTANCIA

El switch análogo permite el paso de la señal ya que está compuesto por un JFET, que cambia su zona entre corte y la zona óhmica.

El funcionamiento del JFET es muy simple, como en este caso es canal P, cuando la señal moduladora esta baja el transistor se activa y deja pasar la señal portadora y cuando la señal moduladora cambia a un nivel alto el transistor se apaga impidiendo el paso de la señal portadora.

AMPLIFICADOR CLASE C

Por ultimo al tener la señal modulada, se utiliza un circuito amplificador clase C polarizado por sujeción con el fin de amplificar la señal con una eficiencia mayor al 98%, para esto se inicia con encontrar los valores de condensadores e inductancia para establecer la frecuencia en el circuito tanque del amplificador, esta frecuencia debe estar

en resonancia a la frecuencia de la señal de entrada:

f ¿=125 KHz

El primer parámetro para empezar los cálculos es que el valor de Cin * Rin debe ser mucho mayor al periodo de entrada (Tin) del amplificador, como:

T ¿=1f ¿

T ¿=8 μs

Se establece que:

C1 R1=59 T ¿

Por lo tanto:

C1 R1=472 μs

Si C1=0.1 μF

R1=472 μs0.1 μF

R1=4,72 K Ω

Como el circuito tanque debe estar en resonancia con la entrada la frecuencia se establece de la siguiente forma:

f r=f ¿=125 KHz

f r=1

2 π √ LC

Si L=100 μH

C=( 1

2 π f r )2

L

C=( 1

2π∗125 Hz )2

100 μH

C=16.2 nF

Para el montaje se utiliza una inductancia de L=100 μH , y un condensador de 20 nF (valor comercial).

Fig. 11 Amplificador clase C

El circuito total de todo el sistema se puede observar en la Fig. 1 de anexos, en el cual se establecen cada una de las configuraciones anteriormente mencionadas.

3. SIMULACIONES

En la Fig. 12 se indica la salida del oscilador colpitts, se observa en esta que la frecuencia de salida corresponde a la calculada anteriormente para este oscilador.

Fig. 12 Salida del oscilador Colpitts

En la Fig. 13 se evidencia la salida del temporizador 555 de modo astable, el cual corresponde a un tren de pulsos con una frecuencia de 9.9Khz aproximadamente los 10KHz calculados inicialmente para esta etapa.

Fig. 13 Salida del temporizador 555

En la Fig. 14 se indica la salida de la señal modulada después del JFET canal PNP, como se observa en la figura la señal portadora solo pasa en el ciclo negativo del tren de pulsos.

Fig. 14 Señal modulada

Para terminar la señal ask entra a un amplificador clase C, en la Fig. 15 se indica la señal ask entrante al amplificador y su salida amplificada.

Fig. 15 Señal de entrada y salida del amplificador clase C.

4. TABLAS COMPARATIVAS

TABLA COMPARATIVA DE FRECUENCIASTeórico Simulado Montaje

Frecuencia oscialdor colpitts125KHz 125 KHz 118KHz

Frecuencia temporizador 55510 KHz 9.9KHz 9.7KHz

Frecuencia de resonancia - Salida amp. Clase C125 KHz 115 KHz 119 KHZ

Tabla 1. Comparación de frecuencias en valores teóricos, simulados y montaje

Como se observa en la tabla anterior los valores son muy similares, pero para una

mejor comprensión se realiza la Tabla 2 y Tabla 3 que corresponden a los porcentajes de error entre valores teóricos-simulados y teóricos-experimentales respectivamente.

% ERROR (TEORICO-SIMULADO)Teorico Simulado % Error

Frecuencia oscialdor colpitts125KHz 125KHz 0

Frecuencia temporizador 55510KHz 9.9KHz 1

Frecuencia de resonancia - Salida amp. Clase C125KHz 115KHz 8

Tabla 2. Comparación de frecuencias en valores teóricos, simulados y margen de error

% ERROR (TEORICO - EXPERIMENTAL)Teorico Experimental %Error

Frecuencia oscilador colpitts125KHz 118KHz 5.6

Frecuencia temporizador 55510KHz 9.7KHz 3

Frecuencia de resonancia - Salida amp. Clase C125 KHz 119KHz 4.8

Tabla 3. Comparación de frecuencias en valores teóricos, experimental y margen de error

5. CONCLUSIONES

A partir de una señal moduladora y una señal portadora se puede obtener una señal ASK, ya que estas corresponden a las entradas de un switch analógo (JFET), dependiendo si es canal P o canal N genera diferentes tipos de señal modulada, por ejemplo si es canal P deja pasar la señal portadora solo cuando la señal moduladora este baja y si es canal N solo deja pasar la señal portadora cuando la señal moduladora este alta.

Para una correcta generación de una señal ASK, se debe principalmente tener establecida una correcta señal portadora, en este caso una oscilación casi perfecta en el colpitts ya que esta señal va ser la transmitida en todo el sistema y

cualquier pequeña oscilación o pico en la señal será reflejada en la señal ASK.

Para garantizar una conmutación rápida en el switcheo se debe escoger correctamente el transistor a utilizar, ya que de su velocidad de switcheo depende la salida del sistema.

La frecuencia en el circuito tanque del amplificador clase C debe estar en resonancia con la señal de entrada, para así establecer el correcto funcionamiento y obtener una copia mejorada a la salida del sistema, en este caso una mejor señal ASK.

En las etapa del oscilador colpitts y el amplificador clase C, deben ser bien escogidos los componentes de inductancias y condensadores, ya que al ser valores tan pequeños cualquier margen de error que tenga algún componente pueda alterar la frecuencia requerida por el sistema, para esto se utilizo un LCR que permitió medir cada valor y empezar a formar series o paralelos hasta llegar a un valor más aproximado al necesitado.

REFERENCIAS

Thomas L. Floyd, Dispositivos electrónicos, Octava Edición, Pearson, capitulo 16

Mark N. Horenstein, Circuitos y dispositivos microelectrónicos, segunda edición, Prentice- Hall hispanoamericana, capitulo 13

[ONLINE] http://www.textoscientificos.com/redes/modulacion/ask