Comunicação Analógica II DIDATEC UTT2 Wander Rodrigues CEFET MG 2010
1 SUMÁRIO Regras de Segurança 5 Lição 910: Modulação em Amplitude 6 910.1 Noções Teóricas 910.1.1 Aspectos Principais 910.1.2 Espectro do sinal modulado 910.1.3 Potência do sinal modulado 910.1.4 Espectro: Sinal modulante não senoidal 910.1.5 Geração da modulação em amplitude 910.2 Exercícios 910.3 Questões Lição 911: Analisador de Espectro 19 911.1 Noções Teóricas 911.2 Exercícios Lição 912: Demodulação em Amplitude 27 912.1 Noções teóricas 912.1.1 Detector de envoltória 912.1.2 Distorções no sinal detectado 912.1.3 Minimização do Ripple: Valor mínimo de RC 912.1.4 Distorções pelo Corte Digonal: Valor máximo de RC 912.1.5 Eficiência na detecção 912.1.6 Últimas considerações na escolha do valor de RC no Detector de envoltória 912.1.7 Sincronismo no Detector de AM 912.2 Exercícios 912.3 - Questões
2 Lição 913: Modulação em Faixa Lateral Única (SSB) 42 913.1 Noções Teóricas 913.1.1 Aspectos Principais 913.1.2 Geração de SSB por Filtragem 913.1.3 Modulador Balanceado 913.2 Exercícios 913.3 - Questões Lição 914: Detector de Produto 58 914.1 Noções teóricas 914.2 Exercícios 914.3 - Questões Lição 915: Modulação em Freqüência 66 915.1 Noções teóricas 915.1.1 Aspectos Principais 915.1.2 Expressão Matemática do sinal modulado em freqüência 915.1.3 Desvio de Freqüência F e Índice de Modulação m f 915.1.4 Espectro Teórico do sinal modulado 915.1.5 Espectro Real do sinal modulado 915.1.6 Geração da Modulação em Freqüência 915.1.7 Modulador em Freqüência 915.2 Exercícios 915.3 - Questões Lição 916: Espectro do Sinal de FM 84 916.1 Exercícios Lição 917: Demodulação em Freqüência 88 917.1 Noções teóricas 917.1.1 Noções Gerais 917.1.2 Sensibilidade e Demodulação não linear
3 917.1.3 Circuitos Demoduladores em Freqüência 917.1.4 Limitador em Amplitude 917.1.5 Discriminador Foster-Seely 917.1.6 Discriminador de Relação 917.2 Exercícios 917.3 - Questões Lição 918: Conversão de Freqüência 105 918.1 Noções teóricas 918.1.1 Aspectos Principais 918.1.2 Misturador de Freqüência com DUAL GATE MOSFET 918.1.3 Diagrama elétrico do Misturador 918.2 Exercícios 918.3 - Questões Lição 919: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) I 118 919.1 Noções teóricas 919.1.1 Amplificadores Sintonizados para pequenos sinais 919.1.2 Curva de Resposta em Freqüência 919.1.3 Transformação de Impedância 919.1.4 Casamento de Impedância com Transformador 919.1.5 Casamento de Impedância com Autotransformador 919.1.6 Estabilidade e Alinhamento 919.1.7 Amplificador de F.I. de duplo estágio com Detector de AM e CAG 919.2 Exercícios 919.3 - Questões Lição 920: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) II 135 920.1 Noções teóricas 920.2 - Exercícios
4 Lição 921: Amplificador de F.I. de Duplo Estágio 141 921.1 Noções teóricas 921.2 - Exercícios Lição 922: Receptor Superheterodino de AM 145 922.1 Noções teóricas 922.2 - Exercícios Lição 923: Receptor Superheterodino de FM 151 923.1 Noções teóricas 923.2 - Exercícios Apêndice: Data Sheets 157
5 REGRAS DE SEGURANÇA Mantenha esse manual a mãos para qualquer tipo de ajuda. Para as características do carão de prática refira-se ao Volume 1 / 2 relacionado ao respectivo cartão de prática. Após a embalagem ter sido removida, coloque todos os acessórios em ordem de modo que eles não se percam. Verifique se o equipamento está íntegro e não apresenta danos visíveis. Antes de conectar a fonte de alimentação de +/- 12 V ao cartão de prática, assegurem-se de que os cabos de energia estão adequadamente conectados à fonte de alimentação. Esse equipamento deve ser empregado apenas para o uso que foi idealizado, isto é, como um equipamento educacional, e deve ser utilizado sob a supervisão direta de pessoal qualificado. Qualquer outra utilização não adequada é, por essa razão, perigosa. O fabricante não pode ser responsabilizado por qualquer dano devido a uma utilização inadequada, errada ou excessiva.
DIDATEC Lição 910: Modulação em Amplitude 6 Lição 910: Modulação em Amplitude Objetivos: Observar os principais parâmetros do sinal modulado em amplitude; Verificar a operação de um modulador em amplitude; Efetuar as medidas das características de um modulador em amplitude. Material: Unidade base para o sistema MSU (mod. EP4 fonte de energia, cartão proprietário, mod. FIP Unidade de controle e de inserção de defeitos); UTT2 Cartão de prática; Osciloscópio de duplo traço; Gerador de funções; Freqüencimetro. 910.1 Noções teóricas 910.1.1 Aspectos Principais Considere um sinal senoidal v m (t) com freqüência f (FIG. 910.1): v m ( t) B. sin (2 f t) e um outro sinal senoidal v c (t) com freqüência maior F: v c ( t) A. sin (2 F t). O sinal v m (t) é denominado sinal modulante, o sinal v c (t) é denominado sinal portadora. Modifica-se a amplitude do sinal portadora v c (t) adicionando o sinal modulante v m (t) para A. Obtém-se um sinal v M (t), modulado em amplitude, que pode ser expresso por: v M ( t) [ A k B sin (2 f t)]sin (2 F t)
DIDATEC Lição 910: Modulação em Amplitude 7 com k = constante de proporcionalidade. A porcentagem de modulação do sinal é definida como o valor: k B m.100 % A Com referência á FIG. 910.1c, o índice de modulação m pode ser calculado da seguinte forma: m=[(h-h)/(h+h)].100 % 910.1.2 Espectro do sinal modulado Com passagens trigonométricas simples, a relação que expressa o sinal modulado v M torna-se: v M A A ( t) A sen (2 F t) m cos [2 ( F f ) t] m cos [2 ( F f ) t] 2 2 Da qual pode-se deduzir que o sinal modulado em amplitude por um sinal modulante senoidal consiste em três componentes senoidais: A sen ( 2 F t) Componente Portadora A m cos [2 ( F f ) t] FLI - Faixa Lateral Inferior LSB - Lower Side Band 2 A m cos [2 ( F f ) t] FLS - Faixa Lateral Superior LSB Upper Side Band 2 Particularmente importante é a representação do sinal modulado por seu diagrama Amplitude/freqüência Espectro de freqüência. A FIG. 910.2 representa as diferentes componentes do sinal de AM, através do espectro de freqüência bem como pelo diagrama amplitude/tempo forma de onda.
DIDATEC Lição 910: Modulação em Amplitude 8 Figura 910.1 a) sinal portadora; b) sinal modulante; c) sinal modulado. 910.3 Potência do sinal modulado A potência total de um sinal de AM é a soma das contribuições relativas a portadora e as faixas laterais superior e inferior. Considere um sinal modulante senoidal e uma carga resistiva R, as diferentes componentes fornecem as seguintes potências: 2 P c A / 2R - potência associada à componente portadora; 2 P L ( m A) / 8R - potência associada à faixa lateral inferior; 2 P U ( m A) / 8R - potência associada à faixa lateral superior.
DIDATEC Lição 910: Modulação em Amplitude 9 Figura 910.2 Forma de onda e espectro de freqüência. É importante observar que: A potência associada à portadora é constante e não depende do processo de modulação; A potência associada à cada faixa lateral depende do índice de modulação e, atinge seu valor máximo a 25% da potência da componente portadora (50% a soma das duas faixas laterais). 910.1.4 Espectro: Sinal modulante não senoidal Considere um sinal modulante não constituído por uma onda senoidal simples, mas um sinal genérico, com espectro de freqüência variando entre os valores f 1 e f 2. Com a modulação em amplitude seu espectro é deslocado acima e abaixo do valor de freqüência da portadora. (FIG. 910.3). É evidente que quanto maior for o espectro do sinal modulante, maior será a largura de faixa banda B w ocupada pelo sinal modulante. O B w resultante do processo de modulação é igual a duas vezes a maior freqüência modulante:
DIDATEC Lição 910: Modulação em Amplitude 10 B w = 2 f 2 Figura 978.3. 910.1.5 Geração da Modulação em Amplitude Os circuitos empregados para gerar uma modulação em amplitude devem variar a amplitude de um sinal de alta freqüência (portadora Carrier) em função da amplitude de um sinal de baixa freqüência (sinal modulante). Em um transmissor de AM pode-se dizer: Modulação de alto nível, se a modulação é obtida diretamente no último estágio de potência, que geralmente é um amplificador em classe C; Modulação de baixo nível, quando a modulação é obtida em qualquer estágio que não seja o amplificador final de potência. Dispositivos semicondutores podem ser empregados, no caso de baixa potência, ou válvulas, quando o requisito alta potência é exigido. No circuito utilizado para os exercícios, a modulação em amplitude é gerada por meio de um amplificador diferencial, cujo ganho é variado pelo sinal modulante. O circuito, contido no circuito integrado LM1496 pode ser utilizado também para gerar a modulação em amplitude com supressão da componente portadora, objeto de outro exercício. Observe o diagrama elétrico da FIG. 910.4.
DIDATEC Lição 910: Modulação em Amplitude 11 Figura 910.4 Modulador em Amplitude. O circuito integrado LM1496 consiste de um amplificador diferencial quádruplo, acionado por outro estágio diferencial final. O sinal de saída consiste de uma constante multiplicando o produto dos sinais de entrada, CARRIER Portadora e SIGNAL Sinal Modulante. O trimmer NULL CARRIER permite o balanceamento ou não do circuito: no primeiro caso a saída é exatamente o produto dos sinais de entrada e, o circuito opera como um circuito modulador balanceado; no segundo caso a saída também contém uma componente fixa, relativa a componente portadora CARRIER e o circuito opera como um modulador em amplitude. O trimmer LEVEL ajusta a amplitude de saída, que é fornecida a um amplificador seguidor de emissor coletor comum (buffer). Exercícios UTT2 Desconecte todos os jumpers. FIP Insira o código da lição: 910. Operação do modulador Utilize o circuito modulador balanceado 1 Balanced Modulador 1;
DIDATEC Lição 910: Modulação em Amplitude 12 Na entrada Carrier (TP7), aplique um sinal senoidal com amplitude em torno de 1 Vpp e freqüência em torno de 450 khz; esse sinal pode ser obtido através da saída do VCO2 (TP18); Conecte entre o terminal TP8 e o terra o gerador de funções ajustado para fornecer uma onda senoidal de amplitude igual a 0,5 Vpp e freqüência de 1 khz; Ajuste o trimmer Carrier Null completamente no sentido horário ou no sentido anti-horário, a fim de operar o modulador na forma não balanceado ou desbalanceado e obter na saída um sinal AM com a componente portadora não suprimida; ajuste o potenciômetro LEVEL para uma posição intermediária; Conecte o osciloscópio às entradas do circuito modulador (TP7 e TP8) e observe os sinais, portadora e modulante, respectivamente; Mova a ponta de prova do osciloscópio do ponto TP7 para o TP9 (saída do circuito modulador). Q1 Qual a relação entre essas três formas de onda? 1 3 A envolvente do sinal de saída segue a forma de onda da portadora. 2 4 A amplitude do sinal de saída é proporcional à freqüência do sinal modulante. 3 1 A envolvente do sinal de saída sempre segue a forma de onda do sinal modulante. 4 2 A freqüência de saída é proporcional à amplitude do sinal modulante.
DIDATEC Lição 910: Modulação em Amplitude 13 Q2 Mantenha a amplitude de 1 Vpp da portadora e 0,5 Vpp para o sinal modulante. Qual é o índice de modulação percentual para esse sinal modulante? 1 3 Aproximadamente 0,2. 2 4 Aproximadamente 20%. 3 2 Aproximadamente 80%. 4 1 Aproximadamente 50%. Varie a amplitude do sinal modulante e verifique as três seguintes condições para o índice de modulação: inferior a 100%, igual a 100% e acima de 100% (sobremodulação); Varie a freqüência e a forma de onda do sinal modulante e verifique as correspondentes variações no sinal modulado; Varie a amplitude do sinal modulante e observe que o sinal modulado pode ser saturado e chegar a sobremodulação. FIP Pressione o botão INS. Q3 Qual componente que apresenta uma operação anômala? 1 4 O VCO2. 2 1 O modulador IC2. 3 2 O transistor T4. 4 3 O trimmer RV5.
DIDATEC Lição 910: Modulação em Amplitude 14 Linearidade do modulador Mantenha a amplitude da portadora em 1 Vpp e 0,5 Vpp para a amplitude do sinal modulante; ajuste as entradas do osciloscópio X-Y (X = 0,2 V/div, Y = 0,5 V/div). Conecte o sinal modulante (TP8) na entrada do eixo X e o sinal modulado (TP9) na entrada do eixo Y; Aparecerá um trapézio na tela do osciloscópio similar aquele apresentado na FIG. 910.5a; sua envoltória fornece informações sobre o comportamento do sinal modulado em função da amplitude do sinal modulante. Esse método a- presenta os eventuais pontos de saída de não linearidade ou com distorções no sinal modulado. Aumentando a amplitude do sinal modulante verifica-se como a saturação ou sobremodulação do sinal modulado são apresentadas (FIG. 910.5b) Figura 910.5 Linearidade do modulador. 910.3 Questões Um sinal de baixa freqüência 25 sen(6000t) modula a portadora 50 sen(13.000t) em amplitude.
DIDATEC Lição 910: Modulação em Amplitude 15 Q4 Qual é a freqüência da portadora? 1 3 20.690 Hz. 2 1 19.735 Hz 3 2 955 Hz 4 5 20.690 khz 5 4 935 khz Q5 Qual é a freqüência modulante? 1 4 1.200 Hz 2 3 1.200 khz 3 5 955 khz 4 1 955 Hz 5 2 2.455 Hz
DIDATEC Lição 910: Modulação em Amplitude 16 Q6 Qual é a freqüência da faixa lateral inferior? 1 4 21.645 Hz 2 1 955 Hz 3 2 20,690 khz 4 3 19,735 khz Q7 Qual é a freqüência da faixa lateral superior? 1 3 21.045 Hz 2 1 955 Hz 3 2 20,690 khz 4 5 19,735 khz 5 4 21.645 Hz
DIDATEC Lição 910: Modulação em Amplitude 17 Q8 Qual é o índice de modulação? 1 4 1,0 2 1 0,3 3 2-0,5 4 3 0,5 O espectro de freqüência de um sinal de áudio é limitado, com filtros, entre 80 e 5.500 Hz. Esse mesmo sinal modula em amplitude uma portadora de freqüência igual a 700 khz. Q9 Qual é a maior freqüência contida no espectro do sinal modulado? 1 4 21.045 Hz 2 1 705,5 khz 3 2 694,5 khz 4 3 19,7 khz
DIDATEC Lição 910: Modulação em Amplitude 18 Q10 Qual é a menor freqüência? 1 4 210,5 Hz 2 3 699,5 khz 3 4 594,5 khz 4 3 19,7 khz Q11 Qual é a faixa de freqüência ou banda ocupada pelo sinal de AM? 1 2 5,5 khz 2 1 711 Hz 3 4 11 khz 4 3 700 khz
DIDATEC Lição 911: Analisador de Espectro 19 Lição 911: Analisador de Espectro Objetivos: Descrever o princípio de operação de um analisador de espectro; Analisar o espectro de um sinal modulado em amplitude. Material: Unidade base para o sistema MSU (mod. EP4 fonte de energia, cartão proprietário, mod. FIP Unidade de controle e de inserção de defeitos); UTT2 Cartão de prática; Osciloscópio de duplo traço; Gerador de funções; Freqüencímetro. 911.1 Noções teóricas O diagrama de blocos de um circuito capaz de analisar o espectro de freqüência de um sinal está apresentado na FIG. 911.1. O sinal s(t), cujo espectro será analisado, é enviado a um circuito misturador juntamente com um sinal vobulado. Apenas quando a diferença das freqüências presentes às entradas do misturador for igual a 455 khz, o sinal resultante passa pelo filtro de FI faixa estreita (Freqüência Intermediária) e será aplicada ao diodo do detector de envoltória. A saída do detector é levada ao eixo Y do osciloscópio, de tal modo que cada componente espectral de s(t) proporciona um deslocamento vertical na tela do osciloscópio. O sinal de varredura (SWEEP) do vobulador será aplicado ao eixo X do osciloscópio de modo que um link será criado entre o movimento horizontal do traço do osciloscópio e a freqüência instantânea do vobulador.
DIDATEC Lição 911: Analisador de Espectro 20 Um exemplo explica melhor o princípio de operação. Suponha que se deseja analisar o espectro de um sinal s(t) como aquele apresentado na FIG. 910.2, onde F = 100 khz e F = 300 khz. Primeiro de tudo, deve-se conhecer o intervalo de freqüência ocupado pelo espectro do sinal s(t), de modo que as freqüências de operação do vobulador sejam conhecidas. Nesse caso, escolhe-se para o vobulador uma gama de freqüências variando de 500 a 800 khz, tal que um batimento a 455 khz seja obtido com as componentes F e F. Isso ocorre apenas quando a freqüência instantânea F v do vobulador assume os seguintes valores: F v1 = 555 khz F V2 = 755 khz Figura 911.1 Diagrama em blocos do princípio de um analisador de espectro. Figura 911.2 Sinal s(t).
DIDATEC Lição 911: Analisador de Espectro 21 Figura 911.3 Espectro do sinal s(t) detectado por um osciloscópio. No primeiro caso, obtém-se uma freqüência intermediária F if = 455 khz pelo batimento com F: F if = F v1 F 455 = 555 100 khz No segundo caso, obtém-se uma freqüência intermediária F if pelo batimento com F : F if = F v2 F 455 755 300 khz. A forma de onda detectada no osciloscópio (FIG. 911.3) é produzida da seguinte maneira: Considere começando a partir de uma baixa freqüência do vobulador, igual a 500 khz. O sinal na saída do filtro IF é nulo, assim como o sinal aplicado no eixo Y do osciloscópio será nula. O sinal scan (SWEEP - Varredura) aplicado no eixo X assume um valor mínimo, de forma que estaremos na região 1; Considere F v = 555 khz. O batimento proporcionado por F v e F fornece um sinal com freqüência de 455 khz, que passa pelo filtro IF e será aplicado ao detector. O eixo Y do osciloscópio é alimentado por um valor de tensão proporcional a amplitude da componente espectral com freqüência igual a F. O sinal scan é aumentado, para mover o traço para a direita: tem-se a correspondência com o pico em 2; A região 3 é análoga à região 1, o sinal scan novamente é aumentado para mover o traço para uma posição mais a direita; Considere F v = 755 khz. O batimento proporcionado por F v e F fornece um sinal com freqüência de 455 khz, que passa pelo filtro IF e será aplicado ao detector. O eixo Y do osciloscópio é alimentado por um nível de tensão pro-
DIDATEC Lição 911: Analisador de Espectro 22 porcional à amplitude da componente espectral com freqüência igual a F. O sinal scan já tem atingido seu valor máximo de amplitude: vemos a correspondência com o pico em 4; A região 5 é análoga à região 1, o sinal scan atinge seu valor máximo e o traço atinge a extremidade direita da tela do osciloscópio; O sinal scan retorna a seu valor mínimo (o que corresponde a F v = 500 khz) e o processo reinicia novamente. Para uma avaliação adequada da freqüência e da amplitude das componentes espectrais detectada na tela do osciloscópio, um sinal externo de teste deve estar disponível para a calibração do eixo Y em amplitude e do eixo X em freqüência no osciloscópio. 911.2 - Exercícios UTT2 Desconecte todos os jumpers. FIP Insira o código da lição: 911. Espectro do sinal de AM Utilize o circuito Balanced Modulator 1 Modulador Balanceado 1 como circuito modulador; Utilize o sinal gerado pelo circuito VCO2 como sinal portadora; O sinal modulante será fornecido por um gerador externo; Faça os seguintes ajustes: VCO1: LEVEL Nível em torno de 2 Vpp; FREQ. Freqüência em torno de 600 khz; VCO2: LEVEL Nível em torno de 2 Vpp; FREQ. Freqüência em torno de 1.000 khz;
DIDATEC Lição 911: Analisador de Espectro 23 SWEEP: DEPTH Varredura: profundidade quase completamente no sentido anti-horário; RF DETECTOR: LEVEL Detector de RF: Nível ajustar no sentido horário; BALANCED MODULATOR 1: CARRIER NULL Modulador balanceado 1: nulo de portadora ajuste no sentido horário e anti-horário; LEVEL Nível no sentido horário; BALANCED MODULATOR 2: CARRIER NULL Modulador balanceado 2: nulo de portadora na posição central de modo que o circuito opere como um conversor de freqüência (modulador balanceado com supressão da portadora); LEVEL Nível no sentido horário; Conecte os circuitos entre si conforme as especificações: TP18 TP17; TP9 TP14; TP2 TP3; TP6 TP15; TP16 TP10; TP11 TP12 (conforme a FIG. 911.4). Figura 911.4. Ajuste as escalas do osciloscópio no eixo X-Y (X = 0,5 V/div, Y = 50 mv/div). Conecte o gerador SWEEP Gerador de varredura (TP1) à entrada horizontal, eixo X, e o sinal detectado (TP13) à entrada vertical, eixo Y; No ponto TP18, aplique um sinal modulante com amplitude a cerca de 0,5 Vpp e freqüência de 20 khz; Varie a freqüência da portadora (VCO2) até que no osciloscópio apresente uma representação similar àquela apresentada na FIG. 911.5. Para obter a melhor forma de onda, ajuste o desvio do gerador de varredura SWEEP
DIDATEC Lição 911: Analisador de Espectro 24 (DEPTH) e o ajuste de nulo da portadora CARRIER NULL do modulador balanceado 2; Questões Q1 Quais informações contêm a forma de onda detectada? 1 2 A envolvente do sinal modulado. 2 1 A amplitude da portadora modulada. 3 4 A amplitude e a freqüência das faixas laterais. 4 5 A amplitude e a fase das faixas laterais e da portadora. 5 3 A amplitude e a freqüência das faixas laterais e da portadora. Figura 911.5.
DIDATEC Lição 911: Analisador de Espectro 25 Q2 Aumente a freqüência do sinal modulante. O que se modifica no espectro de freqüência? 1 3 A amplitude da componente portadora aumenta. 2 5 A amplitude das faixas laterais aumenta. 3 2 As faixas laterais aproximam-se da portadora. 4 1 As faixas laterais afastam-se da portadora. 5 4 A faixa lateral inferior afasta-se da portadora. Q3 Diminua a amplitude do sinal modulante. O que se modifica no espectro de freqüência? 1 5 Aumenta a amplitude da portadora. 2 3 Aumenta a amplitude das faixas laterais. 3 4 Diminui a amplitude da portadora. 4 2 As faixas laterais aproximam-se da portadora. 5 1 Diminui a amplitude das faixas laterais.
DIDATEC Lição 911: Analisador de Espectro 26 Q4 Ajuste o sinal modulante para uma freqüência de 10 khz, forma de onda quadrada com amplitude de 0,5 Vpp. Aumente o desvio do gerador de varredura DEPTH. Como será formado o espectro de freqüência? 1 3 Ele contém apenas as faixas laterais caracterizando o espectro de freqüência de um sinal modulante com forma de onda quadrada. 2 3 A amplitude das faixas laterais aumenta. 3 1 As faixas laterais aproximam-se da portadora. 4 2 Ele contém a portadora e a faixa lateral inferior, caracterizando o espectro de freqüência de um sinal modulante com forma de onda quadrada. 5 4 Ele contém a portadora e as faixas laterais, caracterizando o espectro de freqüência de um sinal modulante com forma de onda quadrada.
DIDATEC Lição 912: Demodulação de Amplitude 27 Lição 912: Demodulação em Amplitude Objetivos: Descrever a operação do detector de envoltória; Analisar as distorções do sinal detectado: ripple e distorção pelo corte diagonal; Analisar a eficiência da detecção; Analisar a operação do detector síncrono de AM. Material: Unidade base para o sistema MSU (mod. EP4 fonte de energia, cartão proprietário, mod. FIP Unidade de controle e de inserção de defeitos); UTT2 Cartão de prática; Osciloscópio de duplo traço; Gerador de funções; Frequencímetro. 912.1 Noções teóricas 912.1.1 Detector de Envoltória A extração do sinal modulante a partir do sinal modulado em amplitude AM pode ser obtida empregando um detector de envoltória. Considere, de fato, o sinal de AM apresentado na FIG. 912.1 e observe que o sinal modulante está caracterizado na envoltória dessa forma de onda. O detector de envoltória mais comum consiste de um diodo seguido por um filtro RC (FIG. 912.2). Sua operação é análoga ao de um retificador de meia onda, assim a tensão de saída segue os valores máximos da portadora. Como a amplitu-
DIDATEC Lição 912: Demodulação de Amplitude 28 de da portadora é variável, pela troca de energia entre R e C, a saída do detector pode, fielmente, reproduzir essas variações. Figura 912.1 Sinal de AM. Figura 912.2 Detector de envoltória. 912.1.2 Distorções no sinal detectado O sinal demodulado pode ter dois tipos de distorções: Se a constante de tempo RC é muito pequena em relação ao período da portadora, a envoltória é, aproximadamente, uma forma de onda com muitas quebras o que mais evidencia o baixo valor de RC (FIG. 912.3); Se a constante de tempo RC é muito alta em relação ao período do sinal modulante, o sinal detectado continuamente segue o comportamento da envoltória, mas em alguns momentos ela torna-se uma exponencial decrescente (distorção pelo corte diagonal, FIG. 912.4).
DIDATEC Lição 912: Demodulação de Amplitude 29 Figura 912.3 Ripple. Figura 912.4 Distorção pelo corte diagonal. 912.1.3 Minimização do Ripple: Valor mínimo de RC O primeiro critério para a escolha dos valores de RC tem uma proposta para reduzir a amplitude do ripple que aproxima a envolvente ao máximo. Para obter esse resultado, a constante de tempo RC deve ser muito grande em relação ao período T da portadora, assim evita-se uma descarga excessiva de C entre dois picos consecutivos do sinal de AM: RC >> T A FIG. 912.5 apresenta dois exemplos de sinais detectados, obtidos com diferentes valores de RC. Relembre que o valor RC não pode aumentar a seu gosto porque altos valores também podem proporcionar distorções.
DIDATEC Lição 912: Demodulação de Amplitude 30 Figura 912.5 Redução do ripple. 912.1.4 Distorção pelo Corte Diagonal: Máximo valor de RC Uma condição adicional na escolha adequada da constante de tempo RC é observada, referindo-se à FIG. 912.6. Se a constante de tempo é muito alta pode acontecer que, em um determinado momento t 1, a saída do detector não mais segue a envoltória do sinal modulado, mas continua a diminuir como uma curva de descarga de capacitor, que é uma forma diferente daquela que segue as variações da envoltória. Assim, o detector a diodo mantém-se cortado até o instante t 2, no qual o sinal de saída volta a acompanhar a envoltória. No intervalo (t 2 t 1 ), de fato, a saída é constantemente maior do que os valores máximos do sinal modulado e o diodo é inversamente polarizado. A distorção apresentada pelo sinal detectado é conhecida como Distortion by diagonal cutting - Distorção pelo corte diagonal. O valor máximo de RC é calculado supondo que o capacitor C descarrega sobre o resistor R a um ritmo maior ou igual à queda ou a variação da envoltória do sinal modulado. A condição de detecção pode ser expressa como: RC 1 f max. 2 (1 m ) m onde m = índice de modulação e f max = maior freqüência do sinal modulante. Observe que para m = 1 a condição não pode ser satisfeita, e assim o sinal detectado certamente será distorcido.
DIDATEC Lição 912: Demodulação de Amplitude 31 Figura 912.6 Distorção pelo corte diagonal. 912.1.5 Eficiência na detecção A eficiência n do detector de envoltória a diodo é definida como a relação entre a amplitude do sinal de saída do detector e a amplitude da envoltória do sinal de AM na entrada do detector. Supondo que na freqüência da portadora a reatância do capacitor 1 (2 FC) é muito menor do que o valor da resistência R (hipótese verificada se RC 1 F para a redução do ripple), a eficiência n praticamente depende da relação entre R e a resistência diferencial r d do diodo (FIG. 912.7). Figura 912.7 Eficiência de detecção. 912.1.6 Últimas considerações sobre a escolha de RC para o detector de envoltória. Para obter a maior eficiência de detecção a resistência R deve ser maior que a resistência diferencial r d do diodo (R>>r d ); Para minimizar os efeitos do ripple no sinal detectado o produto RC deve ser muito maior do que o período T da portadora (RC >> T);
DIDATEC Lição 912: Demodulação de Amplitude 32 Para evitar a distorção pelo corte diagonal o produto RC deve ser menor ou igual a um valor que depende da freqüência do sinal modulante e do índice de modulação. Nesse caso o sinal modulante com amplitude e freqüência variáveis, os valores máximos dessa freqüência bem como o índice de modulação devem ser considerados. 912.1.7 Detector de AM Síncrono No detector de AM síncrono, conhecido também como Coherent AM Detector Detector de AM Coerente, o sinal modulado em amplitude é misturado a um sinal coerente, sinal portadora, e o resultado, então, passam por um filtro que fornece o sinal demodulado desejado. A FIG. 912.8 apresenta um diagrama em blocos simplificado para esse sistema de demodulação. O sinal modulado v M pode ser expresso pela seguinte relação: v M ( t) V ( t) sen (2 F t) m onde: ( t) A[1 m sen (2 f t)] V m é a amplitude da envoltória do sinal de AM, e F é a freqüência da portadora. Se o sinal de AM é multiplicado com um sinal não modulado que tem a mesma freqüência e fase, então a saída do multiplicador será um sinal composto v o (t) que pode ser expresso da seguinte forma: v ( t) [ A sen (2 F t)][ V ( t) sen (2 F t)] K V [1 cos (2 2 F t)] o c m onde K o considera todos os ganhos do circuito multiplicador. Passando o sinal v o (t) por um filtro passa baixa, ele remove a componente com freqüência igual a 2F, resultando o sinal V out igual a: V out K o V m (t) que corresponde ao sinal de AM detectado. Um sistema PLL (Phase Locked Loop) é freqüentemente empregado para regenerar um sinal em um receptor que opera exatamente síncrono com a portadora do sinal de AM. O diagrama de blocos do detector completo é apresentado na FIG. o m
DIDATEC Lição 912: Demodulação de Amplitude 33 912.9. Em aplicações onde uma alta qualidade é exigida, o emprego de um detector síncrono de AM apresenta algumas vantagens importantes em relação ao detector de envoltória. Baixa distorção; Capacidade de demodulador adequadamente também do sinal de AM com alta profundidade de modulação, ou com variações rápidas do sinal modulante (como, por exemplo, nas modulações de pulso); Capacidade de proporcionar um ganho ao invés de atenuação introduzido pelo diodo. Figura 912.8 Diagrama de blocos de um detector síncrono. Figura 912.9 Diagrama de blocos de um detector síncrono de AM com PLL.
DIDATEC Lição 912: Demodulação de Amplitude 34 912.2 Exercícios UTT2 Desconecte todos os jumpers. FIP Inserir o código da lição: 912. Formas de onda do detector de envoltória Utilize o circuito BALANCED MODULATOR 1 Modulador Balanceado 1 como modulador de AM; Utilize o sinal gerado pelo circuito VCO2 como sinal portadora; O sinal modulante deve ser fornecido por um gerador externo; Faça os seguintes ajustes: VCO2: LEVEL Nível do VCO2 em torno de 0,5 Vpp; FREQ. Freqüência em torno de 450 khz; VCO1:LEVEL Nível do VCO1 e FREQ. Freqüência no valor máximo; BALANCED MODULATOR 1: CARRIER NULL Modulador Balanceado 1: Nulo de Portadora gire no sentido horário; Na seção IF AMP/AM DETECTOR Detector de AM/Amplificador de FI insira apenas os seguintes jumpers: J3, J5, J6, J8, J10 e J12; Conecte os circuitos entre si como se segue: TP 18 TP7; TP9 TP38 (FIG. 912.10); No ponto TP8, aplique um sinal modulante senoidal com 0,5 Vpp de amplitude e 1 khz de freqüência; Ajuste o LEVEL do modulador para obter um sinal de AM com amplitude em torno de 50 mvpp no ponto de saída (TP9).
DIDATEC Lição 912: Demodulação de Amplitude 35 Figura 912.10. Conecte o osciloscópio antes e depois do diodo detector (TP41 e TP43) e observe o sinal de AM e o sinal demodulado. Ajuste a freqüência da portadora para obter as amplitudes máximas. Q1 A partir da observação do sinal demodulado, pode-se dizer que ele: 1 4 segue a envoltória negativa do sinal modulado. 2 3 tem o dobro da freqüência do sinal modulante. 3 5 segue a envoltória positiva do sinal modulado. 4 2 é uma tensão DC. 5 1 contém um ripple muito alto (40% da amplitude do sinal). Mova o jumper J8 para J9 e observe que agora a outra envoltória é detectada. Retorno o jumper J8.
DIDATEC Lição 912: Demodulação de Amplitude 36 Q2 A partir da observação do sinal detectado, pode-se dizer que ele: 1 5 segue a envoltória negativa do sinal modulado. 2 3 tem um ripple muito alto. 3 4 está distorcido no semi-ciclo positivo. 4 1 tem a metade da freqüência do sinal modulante. 5 2 apresenta uma distorção pelo corte diagonal. A profundidade de modulação pode diminuir (a amplitude do sinal modulante será reduzida) e, então, verifique que o sinal detectado segue adequadamente a envoltória do sinal de AM; Ajuste a profundidade de modulação em torno de 50% e, em seguida, troque C40 (4,7nF) por C39 (1nF) (mova o jumper J12 para J11). Q3 A partir da observação do sinal demodulado, pode-se dizer que: 1 4 a distorção pelo corte diagonal reduz e aumenta o ripple. 2 1 o ripple diminui. 3 2 a distorção pelo corte diagonal aumenta. 4 3 a distorção pelo corte diagonal aumenta, assim o ripple diminui. FIP Pressione INS.
DIDATEC Lição 912: Demodulação de Amplitude 37 Q4 A partir da observação da forma de onda, pode-se dizer que: 1 5 a capacitância do filtro RC diminuiu. 2 3 a resistência do filtro RC reduziu. 3 2 a freqüência da portadora reduziu. 4 1 a resistência do filtro RC reduziu. 5 4 a freqüência modulante aumentou Detector de AM síncrono O BALANCED MODULATOR 2 O Modulador Balanceado 2 será utilizado como demodulador. Ajuste o CARRIER NULL Nulo de Portadora na posição central de modo que o circuito opere como um conversor de freqüência (modulador balanceado com portadora suprimida); LEVEL Nível completamente ajustado no sentido horário; Conecte a saída do modulador à entrada do demodulador (TP9 TP15). Conecte a portadora utilizada no modulador também ao demodulador (TP18 TP7 TP14) (FIG. 912.11). Figura 912.11. Conecte o osciloscópio à entrada do demodulador (TP15, Modulador Balanceado 2) e a sua saída (TP16). Ajuste CARRIER NULL Nulo de portadora do Modulador Balanceado 2 para obter as formas de onda da FIG. 912.12 que é
DIDATEC Lição 912: Demodulação de Amplitude 38 o resultado do produto entre o sinal de AM e a portadora, que, nas aplicações reais é localmente regenerada no receptor. Note que essa forma de onda consiste em uma freqüência o dobro da freqüência da portadora na qual a forma de onda do sinal modulante está sobreposta; Insira o filtro passa-baixa aos terminais de saída do demodulador (conecte TP16 TP44). O filtro elimina a componente de alta freqüência, fornecendo um sinal detectado limpo. Como o filtro tem uma freqüência de corte de 3.400 Hz, todas as freqüências superiores serão atenuadas. Aumente a freqüência do sinal modulante de 1 a 10 khz e veja o efeito do filtro; Aumente o índice de modulação ou a profundidade de modulação do sinal AM e observe o efeito no sinal de saída. Q5 A partir da observação do sinal demodulado, pode-se dizer que: 1 4 a distorção pelo corte diagonal é alta. 2 3 o sinal detectado sempre segue a envoltória fielmente. Não há distorção pelo corte diagonal. 3 2 o ripple é alto. 4 1 a amplitude do sinal detectado aumenta com a freqüência.
DIDATEC Lição 912: Demodulação de Amplitude 39 Figura 912.12 Formas de onda do detector de AM síncrono. 912.3 Questões Q6 A amplitude do sinal modulado, o que corresponde ao sinal modulante? 1 3 Ao valor médio do sinal de AM. 2 4 Ao valor efetivo do sinal de AM. 3 2 A envoltória do sinal de AM. 4 1 A freqüência instantânea do sinal de AM.
DIDATEC Lição 912: Demodulação de Amplitude 40 Q7 O detector de envoltória consiste em um: 1 4 transformador com derivação central. 2 1 SCR e um filtro passa-baixa. 3 2 transistor com carga sintonizada. 4 3 diodo com filtro RC. Q8 O que provoca ao sinal detectado um valor alto para o produto RC? 1 4 Excessiva amplitude dos degraus do ripple, aproximando-se da envoltória. 2 5 Favorece o surgimento do ripple em freqüência múltiplas à da portadora. 3 2 Restaura a componente DC. 4 1 Surge a distorção pelo corte diagonal. 5 3 Não provoca efeito algum.
DIDATEC Lição 912: Demodulação de Amplitude 41 Q9 E um valor muito pequeno para RC? 1 2 Aumenta a distorção pelo corte diagonal. 2 3 Aumenta o ripple. 3 4 Aumenta o sinal detectado. 4 1 A melhor condição. 5 5 Nenhum efeito. Q10 Mantendo as outras condições inalteradas, a distorção pelo corte diagonal aumenta quando: 1 4 o índice de modulação diminui. 2 3 a freqüência modulante diminui. 3 2 o índice de modulação aumenta. 4 1 a freqüência da portadora diminui.
DIDATEC Lição 913: Modulação em Faixa Lateral Única (SSB) 42 Lição 913: Modulação em Faixa Lateral Única (SSB) Objetivos: Observar os principais parâmetros da modulação em faixa lateral única; Analisar a operação dos moduladores em amplitude com portadora suprimida: modulador balanceado e modulador em anel; Analisar o emprego dos filtros para a geração de faixa lateral única; Analisar o espectro de freqüência do sinal de AM-SSB. Material: Unidade base para o sistema MSU (mod. EP4 fonte de energia, cartão proprietário, mod. FIP Unidade de controle e de inserção de defeitos); UTT2 Cartão de prática; Osciloscópio de duplo traço; Gerador de funções; Frequencímetro. 913.1 Noções teóricas 913.1.1 Aspectos Principais A teoria da modulação em amplitude AM -, analisada no capítulo 1, mostrou que o processo de modulação produz uma portadora e duas faixas ou bandas laterais. Se v m (t) é o sinal modulante: v m ( t) B sen (2 f t) e v c (t) a portadora: v c ( t) A sen (2 F t)
DIDATEC Lição 913: Modulação em Faixa Lateral Única (SSB) 43 o sinal modulado v M (t) consiste de três componentes senoidais: A sen ( 2 F t) componente portadora m ( A/ 2) cos [2 ( F f ) t)] faixa ou banda lateral inferior m ( A/ 2) cos [2 ( F f ) t)] faixa ou banda lateral superior. Se o sinal modulante não é um sinal senoidal simples, mas um sinal genérico, com um espectro de freqüência variando entre os valores f1 e f2, com a modulação em amplitude, esse espectro ocupa o espaço acima e abaixo da componente portadora (FIG. 913.1). Figura 913.1 a) espectro de freqüência da portadora e do sinal modulante; b) espectro do sinal de AM; c) espectro da banda lateral superior USB; d) espectro da banda lateral inferior LSB. Está evidente que a componente portadora não leva a informação e permanece constante em amplitude, bem como em freqüência, independentemente das variações do sinal modulante. Também está evidente que as duas faixas ou bandas laterais são exatamente uma imagem da outra: as amplitudes de ambas variam da mesma forma segun-
DIDATEC Lição 913: Modulação em Faixa Lateral Única (SSB) 44 do (m A/2) e, também suas freqüências são diferentes da freqüência portadora na mesma proporção, f. Vê-se que toda a informação pode ser transmitida empregando apenas uma faixa ou banda lateral: a portadora é supérflua e a outra faixa ou banda lateral redundante. SSB em comparação ao AM Em relação a modulação em amplitude a modulação em faixa lateral única apresenta as seguintes vantagens: A banda (espectro) do sinal modulado é reduzida à metade. Isso significa que, por exemplo, em mesma faixa de freqüências, tem-se o dobro do número de canais de comunicação; Toda a potência gerada pelo transmissor está associada à informação a ser transmitida, diferentemente do sinal de AM no qual a maior parte da potência está associada à portadora. Dentre as mais evidentes vantagens do SSB em relação ao AM pode-se mencionar também: Maior complexidade no circuito modulador bem como o circuito demodulador; Necessidade de gerar localmente a portadora no receptor para detecta o sinal modulado corretamente. Emprego do SSB Tipicamente, o emprego do SSB se faz em: Rádios transmissores; Transmissão de telefonia em multicanais (FIG. 913.2), com a técnica de Multiplexação por Divisão de Freqüência (FDM); Transmissão de dados em alta velocidade (modem V35/V36/V37).
DIDATEC Lição 913: Modulação em Faixa Lateral Única (SSB) 45 a) Banda de um canal telefônico genérico; b) Freqüências das portadoras de canais; c) Portadora f o modulada por um canal; d) Faixa lateral resultante após a filtragem; e) Linha telefônica complexa. Figura 913.2 Multiplexação por Divisão de Freqüência (FDM). 913.1.2 Geração de SSB por filtragem A proposta dos métodos empregados para a geração do sinal de SSB é para a supressão da portadora e de uma das faixas laterais. O método mais empregado é o da filtragem, que é realizado em duas fases consecutivas (FIG. 913.3): A modulação em amplitude com portadora suprimida é gerada, conhecida também como Double Side Band (DSB) - Dupla Faixa Lateral; Em seguida um filtro passa-faixa extrai uma das duas faixas laterais.
DIDATEC Lição 913: Modulação em Faixa Lateral Única (SSB) 46 Figura 913.3 Geração do SSB pelo método da filtragem. O mais comum dos moduladores são os moduladores balanceados e os moduladores em anel, descritos futuramente. Os filtros empregados para a separação de uma das faixas laterais apresentam uma curva de atenuação muito íngreme entre a faixa passante e a faixa atenuada. Filtros a quartzo, cerâmico, ativos ou passivos LC são empregados em função das freqüências de operação e das aplicações (no capítulo 3.2.5 verificou-se os aspectos característicos dos filtros cerâmicos). Para obter a faixa lateral inferior ou superior, a freqüência do gerador de portadora é variada, mantendo-se o mesmo filtro para ambas as faixas laterais. 913.1.3 Modulador Balanceado O modulador balanceado é um circuito que pode gerar a modulação em amplitude com portadora suprimida, consistindo de uma faixa lateral única. Para obter esse resultado, é suficiente multiplicar o sinal da portadora e o sinal modulante entre si. Se v m (t) é o sinal modulante: v m ( t) B. sin (2 f t) e v c (t) é o sinal portadora: v c ( t) A. sin (2 F t)
DIDATEC Lição 913: Modulação em Faixa Lateral Única (SSB) 47 o sinal modulado v M (t) obtido pelo produto dos dois, constitui-se de duas componentes senoidais (FIG. 913.4): K cos [2 ( F f ) t] FLI - Faixa Lateral Inferior LSB Lower Side Band. K cos [2 ( F f ) t] FLS - Faixa Lateral Superior LSB Upper Side Band. Um circuito integrado comumente empregado como multiplicador de sinais, e então como modulador balanceado, é o LM1496 (FIG. 913.5). Ele consiste de um quádruplo amplificador diferencial, alimentado por um amplificador diferencial adicional. O sinal de saída consiste de uma constante (ganho) que multiplica o produto dos dois sinais das entradas. Figura 913.4 Modulador Balanceado. Figura 913.5 Modulador em Anel.
DIDATEC Lição 913: Modulação em Faixa Lateral Única (SSB) 48 913.2 Exercícios UTT2 Desconecte todos os jumpers. FIP Insira o código da lição: 913. Operação do modulador em amplitude com portadora suprimida O circuito BALANCED MODULATOR 1 modulador balanceado 1 será empregado; Na entrada CARRIER portadora (TP7), aplique um sinal senoidal com amplitude em torno de 1 Vpp e freqüência em torno de 450 khz; esse sinal pode ser obtido na saída do VCO2 (TP18) (FIG. 913.6). Figura 913.6. Na entrada SIGNAL sinal (TP8), aplique um sinal senoidal com amplitude em torno de 0,5 Vpp e freqüência de 5 khz; Gire completamente o trimmer CARRIER NULL Nulo de Portadora no sentido horário ou anti-horário de modo que o modulador opere na condição de não modulado e obtenha um sinal de AM com a portadora não suprimida em sua saída; Ajuste o LEVEL Nível na posição horária; Conecte o osciloscópio às entrada do modulador (TP7 e TP8) e observe a portadora e o sinal modulante; Mova a ponta de prova do osciloscópio do ponto TP7 para o ponto TP9 (saída do modulador). Ajuste o nível do sinal modulante para zero e, ajuste o trimmer RV4.
DIDATEC Lição 913: Modulação em Faixa Lateral Única (SSB) 49 Q1 Quanto o trimmer RV4 deve ser ajustado? 1 2 Para obter uma amplitude de 1 Vpp na saída. 2 3 Para obter uma amplitude nula do sinal modulante na saída. 3 1 Para fazer com que o circuito opere como modulador em amplitude como portadora suprimida e obter uma amplitude nula do sinal modulante na saída. 4 2 Para obter uma amplitude nula da portadora na saída. Faça o ajuste de RV4 segundo a última resposta; Ajuste a amplitude do sinal modulante em torno de 0,5 Vpp. Q2 Observe a forma de onda do sinal modulado no ponto TP9. Qual é o resultado? 1 4 O sinal modulante, como no caso do sinal de AM, corresponde a envolvente do sinal modulado. 2 3 O sinal modulante, como no caso do AM, não corresponde à envolvente do sinal modulado. 3 2 O sinal da portadora corresponde à envolvente do sinal modulante. 4 1 O sinal modulante não corresponde à envolvente do sinal modulado, como no caso do sinal de AM. Varie a amplitude do sinal modulante e verifique a correspondente variação em amplitude no sinal modulado;
DIDATEC Lição 913: Modulação em Faixa Lateral Única (SSB) 50 Varie a freqüência e a forma de onda do sinal modulante observando as correspondentes variações no sinal modulado. Q3 Segundo as medidas realizadas pode-se dizer que o sinal modulado: 1 4 Como na modulação em AM, ele é nulo se o sinal modulante for nulo. 2 3 Diferente da modulação em AM, onde ele nunca atingirá o valor nulo porque sempre existe uma faixa lateral, aqui ele será nulo se o sinal modulante for nulo. 3 2 Diferente da modulação em AM, onde na ausência do sinal modulante sempre existe a portadora, aqui ele será nulo se o sinal modulante for nulo. 4 1 Diferente da modulação em AM, onde na ausência do sinal modulante sempre existem as duas faixas laterais, aqui ele será nulo se o sinal for nulo. FIP Pressione a tecla INS
DIDATEC Lição 913: Modulação em Faixa Lateral Única (SSB) 51 Q4 Qual componente apresenta operação anormal? 1 5 O VCO2. 2 1 O transistor T4. 3 4 O modulador IC2. 4 2 O trimmer RV5. 5 3 O trimmer RV4. Geração do sinal com Faixa Lateral Única Ajuste a freqüência da portadora para 450 khz e a freqüência modulante para 5 khz; Conecte a saída do modulador balanceado (TP9) à entrada do filtro cerâmico de 455 khz (TP10) (FIG. 913.7). Figura 913.7 Diagrama de blocos da montagem. Utilizando o osciloscópio, observe o sinal de saída do filtro (ponto de teste TP11), e verifique se ele é um sinal senoidal. Pode-se dizer que o filtro extrai apenas uma das duas componentes geradas pelo modulador balanceado;
DIDATEC Lição 913: Modulação em Faixa Lateral Única (SSB) 52 Meça a freqüência f c da portadora (TP7), FM do sinal modulante (TP8) e f ssb do sinal de SSB na saída do filtro (TP11). Q5 Qual a relação de freqüência entre os três sinais? 1 2 f ssb = f c +f m (faixa lateral inferior). 2 1 f ssb = f c + 2f m (faixa lateral superior). 3 5 f ssb = f c f m (faixa lateral inferior). 4 3 f ssb = f c + f m (faixa lateral superior). 5 4 f ssb = 2 f c - f m (faixa lateral inferior) Ajuste a frequência da portadora para 460 khz, repetindo as medidas do item anterior. Q6 Qual a relação de freqüência entre os três sinais? 1 2 f ssb = f c + f m (faixa lateral inferior). 2 1 f ssb = f c + 2f m (faixa lateral superior). 3 5 f ssb = f c f m (faixa lateral inferior). 4 3 f ssb = f c + f m (faixa lateral superior). 5 4 f ssb = 2 f c - f m (faixa lateral inferior)
DIDATEC Lição 913: Modulação em Faixa Lateral Única (SSB) 53 Q7 Aumente a freqüência do sinal modulante e observe que o sinal de SSB será atenuado, tendendo a tornar-se nulo. Por quê? 1 2 O modulador balanceado tem uma resposta em freqüência limitada. 2 1 O sinal modulante diminui a amplitude rapidamente. 3 4 O filtro cerâmico tem uma faixa passante estreita. 4 3 O transistor T4 tem uma resposta em freqüência limitada. Espectro do sinal gerado pelo modulador balanceado Utilize o circuito do modulador balanceado 1 (BALANCED MODULATOR 1) como modulador; Utilize o sinal gerado pelo VCO2 como sinal de portadora; O sinal modulante será aplicado utilizando um gerador externo; Faça os seguintes ajustes: VCO 1: Nível (LEVEL) a cerca de 2 Vpp; Freqüência (FREQ.) em torno de 600 khz; VCO 2: Nível (LEVEL) a cerca de 2 Vpp; Freqüência (FREQ) em torno de 1000 khz; SWEEP: DEPTH (Varredura: Profundidade) totalmente girado no sentido antihorário; Detector de RF (RF DETECTOR): Nível (LEVEL) girado no sentido horário; Modulador balanceado 1 (BALANCED MODULATOR 1): Ajuste de nulo de portadora (CARRIER NULL) na posição central; Nível (LEVEL) girado no sentido horário;
DIDATEC Lição 913: Modulação em Faixa Lateral Única (SSB) 54 Modulador balanceado 2 (BALANCED MODULATOR 2): Ajuste de nulo de portadora (CARRIER NULL) na posição central, de forma que o circuito opere como um conversor de freqüência (modulador balanceado com portadora suprimida); Nível (LEVEL) girado no sentido horário; Conecte os circuitos entre si, como se segue: TP18 TP7; TP9 TP14; TP2 TP3; TP6 TP15; TP16 TP10; TP11 TP12 (FIG. 913.8). Figura 913.8 Diagrama de conexão dos circuitos. Ajuste o osciloscópio para a função X-Y (X = 0,5 V/div e Y = 50 mv / div). Conecte o gerador de varredura (SWEEP) (TP1) ao eixo X e o sinal detectado (TP13) ao eixo Y do osciloscópio; Através de TP8, aplique um sinal modulante com amplitude de, aproximadamente, 0,5 Vpp e freqüência de 20 khz; Varie a freqüência da portadora (VCO 2) até que o osciloscópio apresente uma imagem similar aquela da FIG. 913.9. Para obter a melhor forma de onda, ajuste o desvio (DEPTH) do gerador de varredura (SWEEP) e o ajuste de nulo da portadora (CARRIER NULL) do modulador balanceado 2.
DIDATEC Lição 913: Modulação em Faixa Lateral Única (SSB) 55 Q8 Quais as informações a forma de onda detectada apresenta? 1 2 A envolvente do sinal modulado. 2 1 A amplitude da portadora modulada. 3 4 A amplitude e a freqüência das faixas laterais. 4 5 A amplitude e a fase das faixas laterais e da portadora. 5 3 A amplitude e a freqüência das faixas laterais e da portadora. Varie RV4 e observe como o espectro varia; Varie a freqüência, a amplitude e a forma de onda do sinal modulante observando as variações do espectro. Figura 913.9 Espectro de freqüência.
DIDATEC Lição 913: Modulação em Faixa Lateral Única (SSB) 56 913.3 Questões Q9 O que será transmitido utilizando a técnica de SSB? 1 3 Portadora + faixas laterais. 2 1 Duas faixas laterais. 3 2 Portadora e uma faixa lateral. 4 5 Uma faixa lateral. 5 4 Duas faixas laterais e metade da amplitude da portadora. Q10 Considere um sinal modulante cujo espectro de freqüência estende de 0 a 4 khz. Utilizando a técnica de SSB, quantos canais de comunicações podem ser alocados dentro da faixa de freqüência de 60 a 108 khz? 1 3 40 2 1 15 3 2 6 4 5 12 5 4 24
DIDATEC Lição 913: Modulação em Faixa Lateral Única (SSB) 57 Q11 Qual das seguintes afirmativa é verdadeira? 1 2 O espectro gerado pela técnica de SSB é menor do que aquele gerado pelo sistema de AM. 2 3 Na transmissão em SSB toda potência está associada a informação. 3 1 O sistema SSB é utilizado em radiocomunicações e telefonia. 4 5 O modulador em anel é empregado para gerar um sinal DSB. 5 4 O modulador SSB não necessita do sinal portadora.
DIDATEC Lição 914: Detector de Produto 58 Lição 914: Detector de Produto Objetivos: Descrever a demodulação do sinal SSB; Observar a operação de produto de sinais. Equipamento Necessário: Unidade base para o sistema MSU (mod. EP4 fonte de energia, cartão proprietário, mod. FIP Unidade de controle e de inserção de defeitos); UTT2 Cartão de prática; Osciloscópio; Gerador de funções; Frequencímetro. 914.1 Introdução Teórica A demodulação de sinais de SSB requer a presença da portadora que pode ser gerada, localmente, no receptor. Para obter o sinal modulante inicial, a partir do sinal modulado, o produto de sinais será realizado entre o sinal modulado e a portadora gerada localmente, e o resultado será filtrado para extrair o sinal modulante. O circuito que realiza a multiplicação de dois sinais será igual aquele utilizado para gerar a modulação com portadora suprimida na transmissão. No emprego como demodulador, este circuito é comumente denominado de detector de envoltória. Agora, passemos a examinar a operação de demodulação. Consideremos: V M ( t) K cos[2 ( F f ) t]
DIDATEC Lição 914: Detector de Produto 59 o sinal de SSB (faixa lateral superior neste exemplo), e: V c ( t) A sen(2ft) a portadora gerada localmente no receptor. O produto seguintes componentes: ' K sen(2 ft) sinal modulante inicial e V M ( t) x V ( t) c fornece as K " sen[2 (2F f ) t] Assim, supondo utilizar a faixa lateral superior e reintroduzindo a portadora, como saída teremos o sinal modulante inicial e um sinal de freqüência muito alta, que será eliminada com a utilização de um filtro passa-baixa. Se a portadora reintroduzida na recepção não tem a mesma freqüência da componente portadora, suprimida na transmissão, a freqüência do sinal demodulado resultante da translação entre a diferença dos dois sinais será, desta forma, falsa ou errada. Para reduzir tal diferença a uma condição mínima, a portadora na transmissão bem como na recepção são, frequentemente geradas a partir de osciladores que utilizam cristais de quartzo. A FIG.914.1 apresenta o diagrama funcional do demodulador de SSB e na FIG. 914.2 encontra-se o diagrama elétrico. Figura 914.1 Diagrama funcional do demodulador de SSB.
DIDATEC Lição 914: Detector de Produto 60 Figura 914.2 Diagrama elétrico do detector de produto. 914.2 Exercícios UTF1 Desconecte todos os jumpers. FIP Entre com o código da lição: 914. Geração do sinal de SSB Utilize o circuito Modulador Balanceado 1 (BALANCED MODULATOR 1) com o filtro cerâmica; Utilize o sinal gerado pelo VCO2 como sinal da portadora; O sinal modulante será aplicado a partir de um gerador externo ao cartão de prática; Faça os seguintes ajustes: o VCO2: Nível (LEVEL) em torno de 1 Vpp; Freqüência (FREQ) em torno de 452 khz;
DIDATEC Lição 914: Detector de Produto 61 o o o o Modulador Balanceado 1 (BALANCED MODULATOR 1): Potenciômetro Nulo de Portadora (CARRIER NULL) em sua posição central; NÍ- VEL (LEVEL) no sentido horário; Conecte os circuitos entre si: TP18 TP7; TP9 TP10; (FIG. 914.3); Ajuste o potenciômetro CARRIER NULL (Nulo de Portadora) (RV4) do modulador para obter a portadora recolocada na saída do modulador (TP9); No ponto de teste TP9 aplique um sinal senoidal com, aproximadamente, amplitude de 1,0 Vpp e freqüência em torno de 3 khz. Figura 914.3 Diagramas em blocos da montagem. Detector de envoltória Conecte a saída do modulador de SSB (TP11 saída do filtro cerâmico) à entrada de sinal (SIGNAL) (TP15) do Modulador Balanceado 2 (BALANCED MODULATOR 2). Neste caso, o Modulador Balanceado 2 será utilizado como detector de produto; Na entrada de Portadora (CARRIER) do Modulador Balanceado 2, aplique o mesmo sinal de portadora fornecido ao circuito modulador (conecte TP18 TP14);
DIDATEC Lição 914: Detector de Produto 62 Conecte a saída do Modulador Balanceado 2 à entrada do filtro passabaixa de 3400 Hz (TP44) (FIG. 914.4); Figura 914.4 Diagramas em blocos da montagem. Utilizando um osciloscópio examine o sinal nos seguintes pontos; o o o TP11 (saída do Modulador de SSB); TP16 (saída do detector de produto); TP45 (saída do filtro passa-baixa). Q1 O que se pode dizer sobre o sinal observado no ponto de teste TP11? 1 2 É um sinal senoidal que corresponde a Faixa Lateral Superior, segundo o ajuste da freqüência portadora 2 1 É o sinal detectado. 3 4 É um sinal senoidal que corresponde a Faixa Lateral Inferior segundo o ajuste da freqüência portadora. 4 3 É um sinal senoidal com freqüência igual à de um dos sinais, no qual a componente de maior freqüência foi sobreposta.
DIDATEC Lição 914: Detector de Produto 63 Q2 O que se pode dizer sobre o sinal observado no ponto de teste TP16? 1 3 É um sinal que corresponde à Faixa Lateral Inferior, segundo o ajuste da freqüência portadora. 2 1 É uma componente de alta freqüência que foi removida e o sinal demodulado, igual aquele modulante da transmissão. 3 4 A componente de alta freqüência foi removida e o sinal demodulado é igual aquele utilizado na transmissão como sinal modulante. 4 3 É um sinal senoidal com freqüência igual aquele sinal modulante do qual a componente com a mais alta freqüência foi sobreposta. Q3 O que se pode dizer sobre o sinal observado no ponto de teste TP45? 1 3 É um sinal que corresponde à Faixa Lateral Inferior, segundo o ajuste da freqüência portadora. 2 1 É uma componente de alta freqüência que foi removida e o sinal demodulado, igual aquele modulante da transmissão. 3 4 É um sinal senoidal correspondente à portadora. 4 3 É um sinal senoidal com freqüência igual aquele sinal modulante do qual a componente com a mais alta freqüência foi sobreposta.
DIDATEC Lição 914: Detector de Produto 64 Q4 Aumente a freqüência do sinal modulante e observe que o sinal detectado atenua e tende a um valor nulo. Por quê? 1 2 O modulador balanceado tem uma resposta de freqüência limitada. 2 5 O filtro cerâmico tem uma faixa passante estreita. 3 4 O filtro cerâmico tem uma faixa lateral estreita. 5 3 O transistor T4 tem uma resposta de freqüência limitada. FIP Pressione a tecla INS. Q5 Qual circuito apresenta uma operação anormal? 1 4 O VCO 2. 2 3 O transistor T4. 3 2 O modulador IC2. 4 5 O filtro passa baixo IC4. 5 1 O trimmer RV4. Desconecte o VCO 2 do Modulador Balanceado 2 e conecte o VCO 1. Desta forma, alimenta-se o detector de produto com uma portadora diferente daquele utilizada pelo Modulador;
DIDATEC Lição 914: Detector de Produto 65 Precisamente, varie a freqüência do VCO 1, de forma a encontrar uma frequência o mais próximo daquela usada pelo modulador (gerada pelo VCO 2). Observe que é muito difícil obter o sinal modulante inicial nos terminais de saída do filtro. Isso ocorre pelo fato de que é difícil ajustar os dois VCO para a mesma freqüência. 914.3 Questões Q6 Qual das seguintes afirmativas está errada? 1 3 O espectro gerado pelo SSB é menor do que aquele gerado pelo AM. 2 1 Na transmissão em SSB toda a potência está associada à informação. 3 2 O SSB é empregado em radiocomunicações e na telefonia. 4 5 O modulador em anel é empregado para a geração em DSB. 5 4 O detector em SSB não necessita de um sinal portadora. Q7 Qual dos circuitos é utilizado para demodular um sinal em SSB? 1 3 Detector de envoltória. 2 1 Detector de quadratura. 3 2 Detector empregando PLL. 4 5 Detector de produto. 5 4 Discriminador de fase.
DIDATEC Lição 915: Modulação em Frequência 66 Lição 915 - Modulação em Frequência Objetivos: Observar os principais parâmetros de um sinal modulado em frequência; Descrever a operação de um diodo varicap; Fazer as medidas características em um modulador em freqüência; Equipamento Necessário: Unidade base para o sistema MSU (mod. EP4 fonte de energia, cartão proprietário, mod. FIP Unidade de controle e de inserção de defeitos); UTT2 Cartão de prática; Osciloscópio de duplo traço; Gerador de funções; Frequencímetro; Multímetro. 915.1 Noções Teóricas 915.1.1 Aspectos Principais Considere um sinal senoidal V m (t) com pulso w (FIG.915.1): V m ( t) B sen( w2 t) e um outro sinal senoidal V c (t) com pulso maior Ω: V c ( t) A sen( t). O sinal V m (t) é denominado de sinal modulante, o sinal V c (t) é denominado de sinal portadora.
DIDATEC Lição 915: Modulação em Frequência 67 Variar a freqüência da portadora V c (t) de forma proporcional à amplitude do sinal modulante V m (t), obtêm-se um sinal V M (t) modulado em freqüência, que pode ser expresso pela seguinte relação: V M ( t) A sen[ ( t)] com (t) um ângulo instantâneo, função de V m (t). 915.1.2 Expressão Matemática do sinal Modulado em Frequência O pulso instantâneo Ω(t) do sinal de FM será definido por: ( t) K V ( t) m com Ω = pulso da portadora e K = sensibilidade da modulação. O ângulo instantâneo Ω(t) será trabalhado no domínio da função seno para realizar a operação matemática de geração do sinal de FM, sendo obtido a partir da integração de Ω(t): ( t ) ( t) dt Assim sendo, considerando o sinal modulante uma onda senoidal igual a V m ( t) B sen( w t), (t) será: K B ( t) t ( ) cos ( w t) w A expressão do sinal modulado em frequência V M (t) será: V M K B ( t) A sen [ t ( ) cos ( w t)] w
DIDATEC Lição 915: Modulação em Frequência 68 Figura 915.1 a) Sinal portadora b) Sinal modulante c) Sinal modulado. 915.1.3 Desvio de Freqüência F e Índice de Modulação m f A freqüência instantânea F(t) do sinal modulante, utilizando um sinal modulante senoidal será: ( t) F( t) K B sen( w t) 2 2 e as variações entre a freqüência mínima F min e a máxima F máx será: F min K B e 2 2 F máx K B 2 2 O desvio de freqüência F representa o deslocamento máximo da freqüência do sinal modulado, acima e abaixo da freqüência da portadora. Assim:
DIDATEC Lição 915: Modulação em Frequência 69 F F máx F min 2 O índice de modulação, m f, é definido como a relação entre o desvio de frequência F e a freqüência modulante f: F m f f 915.1.4 Espectro Teórico do sinal modulado Utilizando o índice de modulação mf, o sinal modulado será expresso pela seguinte relação: V M ( t) A sen [ t cos ( w t)] que, pelo emprego das relações trigonométricas, será transformada em: V M ( t) A{ sen ( t) sen [ m cos( w t)] cos ( t) cos [ m sen ( w t)]} f Utilizando as Funções de Bessel, a expressão anterior torna-se: V M ( t) A{ J J J 2 3 o sen ( t) J [ sen ( w) t sen( w) t] 1 [ sen ( 2w) t sen ( 2w) t] [ sen ( 3w) t sen ( 3w) t] } Com J n (m f ) os coeficientes da Função de Bessel de primeira ordem, onde n é a ordem e m f o índice de modulação específico. A curva da FIG. 915.2 apresenta a Função de Bessel de primeira ordem variando de 1 a 13. f
DIDATEC Lição 915: Modulação em Frequência 70 Figura 915.2 Função de Bessel de primeira ordem. 915.1.5 Espectro Real do sinal modulado As últimas considerações mostram que o espectro de freqüência do sinal modulado em freqüência por uma onda senoidal de freqüência f é composto por um conjunto infinito de freqüências harmônicas, simétricas em relação à portadora, (a uma distância f, 2f, 3f,...) e amplitude proporcional aos coeficientes da Função de Bessel. Teoricamente, um sinal de FM produz um espectro de freqüência infinito. Mas, na prática, os coeficientes da Função de Bessel de ordem superior a (1 + mf) apresentam amplitudes insignificantes, tanto que a largura de faixa real, Bw, pode ser determinada pela relação de Carson: B w 2 f (1 m ) 2 ( F f ) f para m f muito menor do que a unidade (<<1) esta expressão será simplificada para: B w 2 f enquanto que para m f maiores (>10) será considerado como:
DIDATEC Lição 915: Modulação em Frequência 71 B w 2 F. A FIG. 915.3 apresenta o exemplo de três espectros diferentes. Figura 915.3 Espectros de freqüência para diferentes valores de m f.
DIDATEC Lição 915: Modulação em Frequência 72 915.1.6 Geração da Modulação em Frequência Os circuitos empregados para a geração da modulação em freqüência devem variar a freqüência de um sinal de alta freqüência (RF) em função da amplitude de um sinal de baixa freqüência (sinal modulante). Na prática existem dois métodos principais para gerar um sinal de FM: Método Direto: um oscilador será empregado na qual a reatância de um de seus elementos do circuito ressonante (L ou C) depende da tensão modulante. O mais dispositivo mais comum com reatância variável é o diodo Varicap ou Varicator, que é um diodo particular, cuja capacitância varia em função da tensão de polarização reversa (o diodo varicap será apresentado no próximo capítulo). A frequência da portadora será estabilizada empregando circuitos AFC (Automatic Frequency Control Controle Automático de Freqüência) ou pelo emprego de um PLL (Phase Locked Loop Loop Bloqueado por Fase); Método Indireto: o sinal de FM é obtido nesse caso por meio da Modulação em Fase, após o sinal modulante ter sido integrado. No modulador em fase a portadora será gerada por um oscilador empregando cristal de quartzo, e assim, sua estabilidade em freqüência é facilmente obtida. O circuito utilizado para os exercícios, a modulação em freqüência será gerada por um oscilador Hartley, cuja freqüência é determinada por uma indutância fixa e uma capacitância (variável) fornecida por dois diodos Varicap. 915.1.7 Modulador em Frequência A modulação é gerada por meio de um oscilador Hartley, cuja freqüência é determinada por uma indutância fixa e por uma capacitância (variável) fornecida por diodos Varicap (FIG. 915.4). O oscilador consiste de: transistor T1; primário do transformador em paralelo com os diodos Varicap; a reação entre emissor e coletor do transistor estabelecendo uma capacitância em série para uma resistência.
DIDATEC Lição 915: Modulação em Frequência 73 O sinal é retirado a partir do secundário do transformador, em seguida, amplificado por um amplificador de dois estágios (T2 T3).O trimmer RV3 (potenciômetro) ajusta a amplitude do sinal em 0 a 2 Vpp aproximadamente. A freqüência central é variada por meio do trimmer RV2 (potenciômetro) que fornece a tensão de polarização para os diodos Varicap (através do amplificador IC1). Uma chave seleciona a faixa de freqüência (500 ou 1500 khz, aproximadamente). Um sinal de baixa freqüência de um VCO para a modulação em FM e uma tensão DC empregada para acionar um Circuito Automático de Freqüência podem ser aplicados à entrada do amplificador. Figura 971.4 Modulador em frequência. 915.2 Exercícios UTT2 Desconecte todos os jumpers. FIP Entre com o código da lição: 915.
DIDATEC Lição 915: Modulação em Frequência 74 Curva característica da modulação A curva característica da modulação é traçada relacionando a freqüência de saída do modulador em função da tensão modulante aplicada (FIG.915.5). É possível traçar a curva a partir do seguinte procedimento: utilizar um potenciômetro para, estatisticamente, simular a variação em amplitude do sinal modulante e fazer a medição da frequência de saída do modulador. Figura 915.5 Curva característica da modulação. O circuito VCO 1 será utilizado a partir dos seguintes ajustes: Nível (LE- VEL) em torno de 2 Vpp; Freqüência (FREQ) a mínima; Chave na posição 1500 khz; Conecte o osciloscópio e o frequencímetro aos terminais de saída do modulador (TP6); Conecte o voltímetro ao curso do potenciômetro de ajuste de freqüência (TP4);
DIDATEC Lição 915: Modulação em Frequência 75 Obtenha os valores de tensão e freqüência, variando a tensão em degraus de 0,5 V. Preencha a tabela com os valores correspondentes de tensão e freqüência; Lance os valores de tensão e frequência medidos em um gráfico. O resultado será uma curva similar aquela apresentada na FIG. 915.6. Figura 915.6 Curva característica da modulação Curva prática.
DIDATEC Lição 915: Modulação em Frequência 76 Q1 A partir da análise da curva obtida na prática, o que se pode observar: 1 3 A freqüência é inversamente proporcional à tensão modulante. 2 4 Alguns segmentos da curva apresentam comportamento linear, enquanto se toda a curva característica for considerada, existe uma grande não linearidade. 3 1 A freqüência de saída é perfeitamente linear em toda a extensão da tensão de controle. 4 2 A freqüência de saída é proporcional à freqüência da tensão modulante. Sensibilidade do Modulador Suponha que o modulador opera em um segmento da curva entre 700 e 1300 khz, com uma freqüência central igual a 1000 khz. Utilizando para análise a curva da FIG. 915.6 é possível calcular a sensibilidade da modulação, definida como: S = DF(v)/dv Onde F(v) é a frequência instantânea em função da tensão modulante, v. A última relação pode ser aproximada, escrevendo-a sob a forma incremental: S = F / v.
DIDATEC Lição 915: Modulação em Frequência 77 Q2 Qual é a sensibilidade do modulador operando na freqüência de 1000 khz? 1 3 S 5 khz/mv. 2 4 S 0,5 V/Hz. 3 5 S 20 khz/mv. 4 2 S 0,5 khz. 5 1 S 5 Hz/Mv Desvio de Freqüência e Índice de Modulação Ajuste VCO 1 para: Nível (LEVEL) aproximadamente de 2 Vpp; freqüência em torno de 1 MHz; Aplique um sinal com amplitude igual a 1 Vpp e freqüência de 1 khz no terminal MOD IN (Entrada de sinal modulante) (TP3); Conecte o osciloscópio na saída do modulador (TP6). Deve-se obter uma forma de onda similar aquela apresentada na FIG. 915.7; O desvio de freqüência será calculado a seguir (refere-se à FIG. 915.8): Utilizando o osciloscópio, avalie os valores de FM e Fm a partir da medição do período das respectivas ondas senoidais, em seguida, calcule o recíproco para determinar os valores das freqüências; O desvio de frequência será calculado a partir da expressão: F = (F M F m )/2.
DIDATEC Lição 915: Modulação em Frequência 78 Figura 971.7. Figura 971.8. Q3 Utilizando as medidas realizadas anteriormente, qual o valor do desvio de frequência? 1 3 F 5 khz 2 4 F 5 V 3 5 F 500 khz 4 2 F 50 khz 5 1 F 200 khz
DIDATEC Lição 915: Modulação em Frequência 79 O índice de modulação mf será calculado utilizando a relação m f = F / f onde f é a frequência modulante. Q4 De acordo com as medidas realizadas, qual é o valor do índice de modulação? 1 2 mf 5 2 3 mf 10 khz 3 4 mf 50 4 5 mf 500 5 1 mf 200 Hz Q5 Aumente a amplitude do sinal modulante. O que se observa com relação ao sinal modulado? 1 5 A amplitude aumentou. 2 3 A amplitude diminuiu. 3 4 O desvio de frequência manteve inalterado. 4 1 O desvio de frequência diminuiu. 5 2 O desvio de frequência aumentou.
DIDATEC Lição 915: Modulação em Frequência 80 Q6 Aumente a frequência do sinal modulante até 10 khz. O que se observa com relação ao sinal modulado? 1 5 A amplitude aumentou. 2 3 A amplitude diminuiu. 3 4 O desvio de frequência manteve inalterado. 4 1 O desvio de frequência diminuiu. 5 2 O desvio de frequência aumentou. FIP Pressione a tecla INS. Q7 Qual componente do circuito apresenta uma operação anormal? 1 5 Os diodos Varicap DV1 DV2. 2 1 O transistor T3. 3 4 O amplificador do IC1. 4 2 O potenciômetro trimmer RV2. 5 3 O transistor T2.
DIDATEC Lição 915: Modulação em Frequência 81 915.3 Questões Q8 Um sinal de baixa frequência, em(t) = 3 sen (2π 5400 t), modula em frequência uma portadora, ec(t) = 4 sen (2π 540000 t). Se a sensibilidade da modulação é igual a 13 khz/v, qual o desvio de frequência do sinal portadora? 1 4 48 khz. 2 1 13 khz. 3 2 39 khz. 4 3 54 khz. Q9 Com relação aos dados anteriores, qual o índice de modulação do sinal modulado? 1 2 13. 2 5 39. 3 1 5,4. 4 3 7,2. 5 4 3,9.
DIDATEC Lição 915: Modulação em Frequência 82 Q10 Qual é o valor da maior frequência instantânea do sinal modulado? 1 2 579 khz. 2 1 39 khz. 3 4 78 khz. 4 3 553 khz. Q11 Qual é o valor do espectro de frequência teórico para este sinal modulado? 1 3. 2 1 78 khz. 3 5 39 khz. 4 2 179 khz. 5 4 54 khz.
DIDATEC Lição 915: Modulação em Frequência 83 Q12 Aproximadamente, qual é a largura de faixa real? 1 4. 2 3 540 khz. 3 2 39 khz. 4 5 88,8 khz. 5 1 78 khz.
DIDATEC Lição 916: Espectro do Sinal de FM 84 Lição 916 Espectro do sinal de FM Objetivos: Examinar o espectro de frequência do sinal modulado. Equipamento Necessário: Unidade base para o sistema MSU (mod. EP4 fonte de energia, cartão proprietário, mod. FIP Unidade de controle e de inserção de defeitos); UTT2 Cartão de prática; Osciloscópio de duplo traço. Gerador de funções. 916.1 Exercícios UTT2 Desconecte todos os jumpers. FIP Insira o código da lição: 916. Utilize o VCO 2 como modulador; O sinal modulante será fornecido por um gerador externo ao cartão de prática; Faça os seguintes ajustes: o o o VCO 2: Nível (LEVEL) em torno de 2 Vpp; Frequência (FREQ) em torno de 700 khz; VCO 1: Nível (LEVEL) em torno de 2 Vpp; Frequência (FREQ) em torno de 1150 khz; SWEEP (Varredura): DEPTH (Profundidade) completamente girado no sentido anti-horário;
DIDATEC Lição 916: Espectro do Sinal de FM 85 o o RF DETECTOR (Detector de RF): Nível (LEVEL) girado no sentido horário; BALANCED MODULATOR 2 (Modulador balanceado 2): CARRIER NULL (Nulo da portadora) ajustado na posição central de forma que o circuito opere como um conversor de frequência (modulador balanceado com portadora suprimida); Nível (LEVEL) girado no sentido horário; Conecte os circuitos entre si, da seguinte forma: TP18 TP15, TP2 TP3, TP6 TP14, TP16 TP10, TP11 TP12 (fig. 916.1); Ajuste o osciloscópio no modo X-Y (X = 0,5 V/div, Y = 50 mv/div). Conecte o gerador de varredura (SWEEP) (TP1) ao eixo X e o sinal medido no ponto (TP13) no eixo Y do osciloscópio; Através do ponto de teste TP17 aplique um sinal modulante com amplitude em torno de 0,4 Vpp e frequência igual a 5 KHz; Varie a frequência da portadora (VCO 2) até que o osciloscópio trace o espectro de frequência do sinal de FM (similar aquele apresentado na FIG. 916.2). Para obter a melhor apresentação, ajuste o desvio do gerador de varredura (SWEEP) através do ajuste DEPTH (Profundidade) e o CARRIE NULL (Nulo de portadora) do modulador balanceado. Figura 916.1 Montagem para a geração do espectro de frequência de FM.
DIDATEC Lição 916: Espectro do Sinal de FM 86 Figura 916.2 Espectro de frequência apresentado no osciloscópio. Q1 Varie a amplitude do sinal modulante. O que modifica no espectro de frequência? 1 2 O número de linhas espectrais aumenta, quando o desvio de frequência aumenta. 2 1 O número de linhas espectrais aumenta, quando o índice de modulação diminui. 3 4 O número de linhas espectrais diminui, quando o desvio de frequência aumenta. 4 3 A amplitude das freqüências harmônicas pares torna-se nula.
DIDATEC Lição 916: Espectro do Sinal de FM 87 Q2 Aumente o índice de modulação por meio da frequência. O que varia no espectro de frequência? 1 2 O número de linhas espectrais aumenta, quando o índice de modulação diminui. 2 3 O número de linhas espectrais aumenta, quando o índice de modulação aumenta. 3 4 As linhas espectrais distanciam. 4 1 As linhas espectrais aproximam. Q3 O que se pode afirmar quando a frequência do sinal modulante varia? 1 2 A amplitude da portadora permanece constante. 2 1 A linha espectral da portadora varia a amplitude, tornando-se nula para certos valores específicos do desvio de frequência. 3 4 As faixas laterais permanecem constantes. 4 3 A linha espectral da portadora varia a amplitude, tornando-se nula para certos valores específicos do índice de modulação.
DIDATEC Lição 917: Demodulação em Frequência 88 Lição 917: - Demodulação em Frequência Objetivos: Examinar a operação do detector de FM Foster-Seely; Examinar a operação do detector de relação em FM; Levantar a curva característica do detector de FM. Equipamento Necessário: Unidade base para o sistema MSU (mod. EP4 fonte de energia, cartão proprietário, mod. FIP Unidade de controle e de inserção de defeitos); UTT2 Cartão de prática; Osciloscópio de duplo traço; Gerador de função; Multímetro. 917.1 Noções Teóricas 917.1.1 Noções Gerais Um circuito para demodular o sinal modulado em frequência é preciso que ele forneça na saída uma tensão proporcional a variação de frequência do sinal modulado de entrada. A curva característica ideal para o demodulador é uma linha reta, contudo, na prática é suficiente que ela apresente uma característica semelhante aquela apresentada na FIG. 917.1, que apresenta um comportamento linear apenas para uma faixa de frequência (faixa útil do demodulador). Pela figura pode-se observar: a) a frequência instantânea f do sinal modulado varia entre os limites F1 e F2 (Fc frequência da portadora de FM); b) a curva característica tensão / frequência do demodulador;
DIDATEC Lição 917: Demodulação em Frequência 89 c) o sinal detectado. Figura 917.1 Curva característica do demodulador de FM. 917.1.2 Sensibilidade e Demodulação não linear A Sensibilidade e a Não Linearidade são parâmetros característicos do demodulador de FM, independentemente do circuito em análise. Ambos os parâmetros podem ser observados através da curva característica da demodulação, apresentada na FIG. 917.2. A Sensibilidade S é expressa por: dv ( f ) V S df f Onde V(f) é a tensão instantânea de saída, função de f, frequência instantânea da entrada. Se SC e S1 são as sensibilidades calculadas respectivamente correspondentes a frequência central e no ponto 1, a Não Linearidade (N.L.) no ponto 1 será determinada por: Sc S1 N. L. x 100 Sc
DIDATEC Lição 917: Demodulação em Frequência 90 Figura 917.2 Cálculo da Sensibilidade e da Não Linearidade. 971.1.3 Circuitos Demoduladores em Frequência Pura a detecção de sinais modulado em frequência soluções diferentes de circuitos tem sido utilizados, alguns já estão fora de uso e outros são empregados até o momento. Entre os primeiros, nós mencionamos: Discriminador Travis: é baseado na variação de amplitude em função da frequência, introduzida por um circuito ressonante. A variação de amplitude é detectada por meio de diodo; Discriminador Foster-Seely: foi baseado na variação de fase em função da frequência, introduzida por um circuito ressonante. O sinal modulado original é adicionado, adequadamente, a uma componente deste mesmo sinal, porém, defasado e, o resultado, é detectado por meio de diodos;
DIDATEC Lição 917: Demodulação em Frequência 91 Discriminador de Relação: apresenta um comportamento análogo ao circuito discriminador Foster-Seely, contudo ele não é afetado pelas variações de amplitude do sinal modulado; Detector de Quadratura: é muito empregado em circuitos integrados. O sinal de FM direto e o mesmo sinal de FM, deslocado de 90 o são multiplicados entre si: o sinal resultante é proporcional ao desvio de frequência do sinal de FM da entrada; Detector a PLL: constitui uma das aplicações do PLL (Phase Locked Loop Loop Bloqueado por Fase) e é, em relação aos outros circuitos, menos sensível ao ruído. 971.1.4 Limitador em Amplitude Os demoduladores em frequência, geralmente, são sensíveis as variações de amplitude do sinal de FM de entrada. A saída dos demoduladores depende apenas da variação de frequência do sinal de entrada, mas também a uma eventual variação em amplitude (provocada, por exemplo, pelo ruído ou por distúrbios de diferentes naturezas). Para minimizar essa inconveniência, insere-se o circuito limitador de amplitude antes dos demoduladores, que removem ou reduzem as variações em amplitude indesejáveis. A curva característica ideal do limitador em amplitude e a de um circuito real é apresentada na FIG. 917.3. No primeiro caso, a amplitude do sinal de saída é constante para qualquer amplitude do sinal de entrada; no segundo caso a amplitude de saída permanece constante apenas se o sinal de entrada supera um valor mínimo. 917.1.5 Discriminador Foster-Seely A FIG. 917.4 apresenta um circuito típico de um discriminador Foster-Seely. O sinal de FM é acoplado indutivamente ao circuito ressonante L2 C2, sintonizado na frequência central do sinal modulado. O mesmo sinal também é acopla-
DIDATEC Lição 917: Demodulação em Frequência 92 do, por meio de C1, ao center-tap de L2. Os diodos D1 e D2, com seus respectivos filtros R C constituem dois detectores de envoltória. Figura 917.3 Curva característica de um circuito limitador em amplitude: a) ideal b) real. Fo é a frequência central na qual o circuito L2 C2 está sintonizado. O comportamento deste circuito sintonizado será analisado em três situações diferentes: quando a frequência instantânea, f, do sinal de FM de entrada for 1. igual a Fo; 2. maior do que Fo; 3. menor do que Fo. f = Fo Nas duas bobinas do secundário de L2 adicionam-se duas tensões (FIG.917.5a). Uma dessas tensões é aquela induzida pelo sinal de entrada v FM, por meio de L1, a outra é a tensão de entrada acoplada diretamente por meio de C1. Estando na frequência de ressonância, a tensão induzida v ind está 90 o defasada em relação a tensão v FM. A tensão acoplada diretamente por meio de C1 está em fase com a tensão de entrada v FM, considerando que a reatância de C1 é muito pequena na frequência em questão (capacitor de acoplamento).
DIDATEC Lição 917: Demodulação em Frequência 93 A tensão aplicada a cada diodo, D1 e D2, é a soma vetorial de v FM e ± v ind /2, tendo a mesma amplitude, porém, com sinal oposto. A saída v o, que é a soma dos sinais de saída dos dois detectores, será, neste caso, nula. f > Fo Quando a frequência instantânea do sinal de FM na entrada é maior do que Fo, o circuito ressonante L2 C2 apresenta um comportamento indutivo e o diagrama vetorial da FIG. 917,5b será obtido. As tensões aplicadas aos dois diodos apresentam, neste caso, amplitudes diferentes, e a tensão resultante será positiva. f < Fo Quando a frequência instantânea do sinal de FM na entrada é menor do que Fo, o circuito ressonante L2 C2 apresenta um comportamento capacitivo e o diagrama vetorial da FIG. 917.5c será obtido. As tensões aplicadas aos dois diodos apresentam, neste caso, amplitudes diferentes e a tensão resultante será negativa. A principal desvantagem do demodulador Foster-Seely é que ele detecta as variações de amplitude do sinal de entrada, igualmente as tensões nos diodos v D3 e v D4 também dependem da amplitude do sinal de entrada. Este inconveniente será minimizado pelo emprego do detector, discriminador ou demodulador de relação. Figura 917.4 Circuito do Discriminador Foster-Seely.
DIDATEC Lição 917: Demodulação em Frequência 94 Figura 917.5 Diagramas de fase do Discriminador Foster-Seely. Figura 917.6 Circuito Discriminador de Relação ou Detector de Relação. 917.1.6 Discriminador de Relação A FIG. 917.6 apresenta um diagrama típico do circuito discriminador de relação. A operação do circuito, no que concerne ao acoplamento do sinal de FM nos dois circuitos detectores e os diagramas vetoriais, é similar àquele visto no circuito Discriminador Foster-Seely. O capacitor C5, de alto valor, tem como objetivo reduzir amplamente as flutuações de amplitude da tensão V ab, devido às variações de amplitude do sinal de entrada. Desta forma, a tensão de saída v o não será afetada pelas variações de amplitude indesejáveis.
DIDATEC Lição 917: Demodulação em Frequência 95 Assim, pode-se escrever que: v o v ae veb vae veb vae veb ( vae / veb ) 1 vab ( vae / veb ) 1 veb.. 2 2 2 ( v / v ) 1 2 ( v / v ) 1 ae eb ae eb Como v aeb é praticamente constante, a tensão de saída v o depende apenas da relação v ae /v eb que varia apenas em função das variações de frequência do sinal de entrada e não em função das variações em amplitude. 971.2 Exercícios UTF1 Desconecte todos os jumpers. FIP Entre com o código da lição: 971. Demodulador Foster-Seely Calibração do demodulador Ajuste VCO 1 para a posição 1, selecionando a operação de geração de FM, LEVEL (Nível) em torno de 2 Vpp de amplitude e frequência de 450 khz; Faça a montagem dos circuitos conforme a FIG. 917.7; Figura 917.7 Demodulador. Conecte o frequencímetro à entrada do demodulador (TP22) e um voltímetro (ou o osciloscópio na função DC) à saída do demodulador (entre TP24 e o terra);
DIDATEC Lição 917: Demodulação em Frequência 96 Ajuste a frequência de entrada para 450 khz e verifique que a tensão de saída é igual a 0 V (se existir um ruído, desconsidere). Q1 Se a tensão de saída for diferente de 0 V, qual componente permite a calibração do demodulador em 459 khz? 1 2 L5. 2 1 L5 C22. 3 4 CV1. 4 3 L7 CV1 Levantamento da curva característica da demodulação A curva característica da demodulação é obtida a partir da tensão de saída do demodulador em função da frequência instantânea (FIG. 917.2). É possível obter a curva por meio da medida em alguns pontos, variando a frequência de entrada e medindo a correspondente tensão de saída. Varie a frequência de entrada de 400 a 500 khz, com degraus ou variações de 5 khz, preenchendo uma tabela com as freqüências e as correspondentes tensões de saída.
DIDATEC Lição 917: Demodulação em Frequência 97 Q2 Qual é a variação da tensão de saída? 1 2 Em torno de + 200 a + 500 mv. 2 1 Em torno de - 200 a - 500 mv. 3 5 Em torno de - 200 a - 500 mv. 4 3 Em torno de - 400 a + 400 mv. 5 4 Em torno de - 3 a + 3 V. Organize um gráfico com os valores medidos. Obteve-se uma curva similar àquela da FIG. 917.2. Sensibilidade da modulação e Não Linearidade A partir da análise da curva, pode-se observar que a parte central apresenta um comportamento linear, enquanto que restante da curva tem um comportamento altamente não linear; Considere que o modulador opera em um segmento da curva entre 445 e 455 khz, com frequência central igual a 450 khz. A partir da análise da curva característica é possível calcular a sensibilidade da demodulação.
DIDATEC Lição 917: Demodulação em Frequência 98 Q3 Qual é a sensibilidade da demodulação? 1 2 Em torno de 500 mv/khz. 2 1 Em torno de 500 khz/mv. 3 5 Em torno de 150 mv/khz. 4 3 Em torno de 15 mv/khz. 5 4 Em torno de 15 khz/mv. Curva característica da demodulação detectada com o gerador vobulador Ajuste os circuitos como apresentado na FIG. 917.8; Ajuste o osciloscópio para o modo de exibição X-Y (eixo X em 1V/div; eixo Y em 0,2 V/div); Conecte a entrada X do osciloscópio ao ponto de teste TP1 (Eixo X). Conecte a entrada Y do osciloscópio à saída do demodulador (entre o ponto de teste TP24 e o terminal de terra); Ajuste a frequência central do VCO 1 e a amplitude do SWEEP (DEPTH profundidade) para obter a curva característica do demodulador utilizando o osciloscópio. Obtém-se uma curva similar àquela apresentada na FIG. 917.2. Figura 917.8 Montagem para obter a curva característica de demodulação utilizando um osciloscópio.
DIDATEC Lição 917: Demodulação em Frequência 99 Formas de onda do sinal demodulado Ajuste os circuitos como apresentado na FIG. 917.9; Figura 917.9 Montagem para obter as formas de onda do sinal demodulado. Conecte o osciloscópio no ponto de teste TP3 (sinal modulante) e no TP24 (sinal detectado); Se a frequência central do discriminador coincide com a frequência portadora do sinal de FM, obtém-se dois sinais senoidais. Observe que o sinal demodulado tem uma componente DC nula. Varie a amplitude do sinal de FM e verifique que a amplitude do sinal detectado também varia; Aumente a frequência da portadora. Q4 De que maneira o sinal detectado varia? 1 4 Ele contém uma tensão DC negativa. 2 3 Ele contém uma tensão DC positiva. 3 2 Ele contém o dobro da frequência. 4 1 Não existe variações. Lentamente, aumente a frequência.
DIDATEC Lição 917: Demodulação em Frequência 100 Q5 O sinal detectado 1 3 Tem uma distorção similar àquela apresentada na FIG. 917.10c (existe um desvio de frequência excessivo no sinal modulado). 2 1 Tem uma distorção similar àquela apresentada na FIG. 917.10b (o discriminador opera em uma região não linear). 3 4 Não tem distorção. 4 2 Tem uma distorção similar àquela apresentada na FIG. 917.10a (o discriminador opera em uma região não linear). Diminua a frequência portadora e observe o comportamento simétrico para o último caso; Retorne a frequência portadora para seu valor correto (450 khz). Aumente a amplitude do sinal modulante a fim de gerar um sinal de FM com um desvio de frequência superior à região linear do discriminador. Q6 O sinal detectado é: 1 4 Uma onda senoidal. 2 3 Uma onda similar àquela da FIG. 917.10b. 3 2 Uma onda similar àquela da FIG. 917.10c. 4 5 Uma tensão DC. 5 1 Uma onda quadrada.
DIDATEC Lição 917: Demodulação em Frequência 101 Figura 917.10 Formas de onda do sinal detectado. FIP Pressione a tecla INS. Q7 Qual componente apresenta um comportamento anormal? 1 5 Os diodos varicap DV1 DV2. 2 1 A indutância L5. 3 4 O amplificador do IC1. 4 2 Os diodos D3 D4. 5 3 O transistor T2.
DIDATEC Lição 917: Demodulação em Frequência 102 Demodulador de Relação Q8 Qual dos seguintes ajustes cria um circuito do discriminador de relação? 1 3 Jumper FS; entrada TP22; saída TP24. 2 1 Jumper R; entrada TP22; saída TP24. 3 5 Jumper R; entrada TP24; saída TP22. 4 2 Jumper R; entrada TP22; saída TP25. 5 4 Jumper R; entrada TP22; saída TP26. Monte o circuito segundo a resposta da última questão; Faça as seguintes medidas: o o o Calibração do discriminador em 450 khz; Curva característica da demodulação para o detector; Observar as formas de onda do sinal detectado. Quando as formas de onda do sinal detectado são analisadas, é possível verificar a função do capacitor eletrolítico C26 da seguinte forma: o Desconecte o capacitor do circuito (remova o jumper relativo). Varie a amplitude do sinal de FM e observe que a amplitude do sinal detectado varia; o Conecte o capacitor e verifique que agora as variações de amplitude do sinal detectado são amplamente reduzidas.
DIDATEC Lição 917: Demodulação em Frequência 103 917.3 Questões Q9 A saída fornecida por demodulador em frequência deve ser: 1 5 Uma tensão proporcional ao espectro de entrada. 2 1 Uma frequência proporcional à tensão de entrada. 3 4 Uma tensão proporcional à frequência de entrada. 4 2 Uma tensão proporcional ao desvio de frequência da entrada. 5 3 Uma tensão função da amplitude de entrada. Q10 Um demodulador em frequência tem uma sensibilidade de demodulação igual a 70 mv/khz. Um sinal de FM, obtido a partir de uma portadora com uma onda senoidal, tem um desvio de frequência igual a 15 khz. Se esse sinal é aplicado ao demodulador, qual é a amplitude de pico-a-pico do sinal detectado? 1 3 15 Vpp. 2 1 70 Vpp. 3 4 2,1 Vpp. 4 5 2,1 mvpp. 5 2 1,05 Vpp.
DIDATEC Lição 917: Demodulação em Frequência 104 Q11 Qual dos seguintes circuitos não é um demodulador em frequência? 1 5 Discriminador de Relação. 2 4 Discriminador Foster-Seely. 3 1 Detector de Quadratura. 4 3 Detector de Envoltória. 5 6 Detector a PLL. 6 5 Discriminador Travis. Q12 Qual das seguintes afirmativas é falsa? 1 4 O Detector de Quadratura é empregado em circuitos integrados. 2 3 O Discriminador de Relação é mais sensível às variações de amplitude do sinal modulado. 3 1 No Discriminador de Relação a saída depende da relação entre as duas tensões detectadas pelos diodos. 4 2 O Discriminador Foster-Seely é sensível às variações de amplitude do sinal modulado.
DIDATEC Lição 918: Conversão de Frequência 105 Lição 918: Conversão de Frequência Objetivos: Examinar a operação de conversão de frequência utilizando um Mosfet Dual Gate - Dupla Porta; Examinar as relações de frequência e o produto da conversão; Extrair a frequência intermediária por meio de circuito LC com sintonia Dupla; Equipamento Necessário: Unidade base para o sistema MSU (mod. EP4 fonte de energia, cartão proprietário, mod. FIP Unidade de controle e de inserção de defeitos); UTT2 Cartão de prática; Osciloscópio duplo traço Frequencímetro. 918.1 Noções Teóricas 918.1.1 Aspectos Principais Em muitas aplicações é conveniente realizar uma translação em frequência de um sinal: em rádio eletrônica essa técnica é amplamente utilizada em receptores superheterodino, cujo diagrama de blocos é apresentado na FIG. 918.1. O sinal de radiofreqüência (RF) detectado pela antena é amplificado por um amplificador de RF e transferido, por meio de um misturador de frequência e um oscilador local (LO), para uma frequência fixa e mais baixa (Intermediate Frequency, IF Frequência Intermediária, FI). A translação para uma frequência fixa e menor do que àquela recebido possibilita: Utilizar um amplificador de faixa fixa para a amplificação de todo os sinais recebidos, independentemente de qual frequência seja sintonizada;
DIDATEC Lição 918: Conversão de Frequência 106 Trabalhar com sinais de baixa frequência. Figura 918.1 Diagrama de blocos de um rádio receptor. A translação em frequência algumas vezes é utilizada também em sistemas de comunicações, onde, por exemplo, a modulação é realizada em uma frequência intermediária cujo valor é menor do que a frequência de transmissão. Como já mencionado, para realizar a translação em frequência um sinal gerado localmente é necessário, denominado de oscilador local, que interage com o sinal de radiofrequência para produzir uma nova frequência. Se a oscilação é produzida pelo mesmo dispositivo que realiza a translação de frequência esse circuito é denominado de conversor (Converter); caso contrário, nos de denominamos, respectivamente, de Oscilador Local (Local Oscilator) e Misturador (Mixer). A translação de frequência é indicada por diferentes denominações tais como: conversão de frequência (frequency conversion), Mixagem (Mixing), batimento de frequência (beating), processo de heterodinagem (heterody process). As técnicas utilizadas são várias e dependem do dispositivo empregado e das freqüências envolvidas. Durante esta atividade nos utilizaremos a mixagem ou mistura de frequência realizada com um Mosfet dupla porta.
DIDATEC Lição 918: Conversão de Frequência 107 918.1.2 Misturador de Frequência com Dual Gate Mosfet O diagrama de blocos de um circuito misturador está representado na FIG. 918.2. Os sinais de RF e LO são aplicados separadamente às duas Gates do transistor Mosfet. O comportamento do Mosfet pode ser analisado presumindo que, quando o sinal LO tiver uma amplitude maior do que o sinal de RF, a transcondutância g m do dispositivo é determinada apenas pela amplitude do sinal LO e é independente do sinal de RF. Considere as curvas características de um Mosfet (FIG. 918.3): a transcondutância g m será definida em função da tensão Gate 2 - Source (V G2 ), para V G1 dentro de uma faixa estreita de valores pela expressão: I g m V D G1 sendo I D a corrente de Dreno. Se, por exemplo, V G1 (sinal de RF) for limitado a um pequeno valor, em torno de -0.75V (± 100mV) e V G2 (sinal LO) assuma valores variando entre 1 e 3 V, a transcondutância, praticamente, depende apenas de V G2. É possível traçar para g m a curva representada na FIG. 918.4. Figura 918.2 Diagrama em blocos de um misturador utilizando um Mosfet Dupla porta.
DIDATEC Lição 918: Conversão de Frequência 108 Figura 918.3 Curvas características. Figura 918.4 Transcondutância g m. A ação de heterodinagem do Mosfet depende de sua polarização: se V G2 atua em uma região onde g m é linear, por exemplo entre os pontos A e B da FIG. 918.4, pode-se expressá-la como: g m a b. V G2
DIDATEC Lição 918: Conversão de Frequência 109 Considere: V G1 A RF.cos( W RF. t) V G2 A LO.cos( W LO. t) A corrente de saída i D será: i D g m. VG1 a. A RF.cos( W RF. t) b. A RF. A LO.cos( W LO. t).cos( W RF. t) a. A RF.cos( W RF b. ARF. A. t) 2 LO [cos( W LO W RF ). t cos( W Utilizando um circuito sintonizado no Dreno pode-se extrair a componente frequência intermediária com frequência igual a: LO W RF ). t] W IF W FI W LO W RF Se V G2 não atua em um segmento linear da transcondutância g m, então o valor de g m não será expresso, de modo algum, como uma relação linear e freqüências harmônicas de LO também devem ser consideradas. Uma frequência intermediária FI poderá ser obtida, por exemplo, igual a: W IF W 3. W W. FI LO RF Define-se como Transcondutância de Conversão (Conversion Transconductance) g c sendo a relação entre a corrente de saída na frequência W if ou W FI e a tensão de entrada na frequência W RF : g c i v IF RF i v FI RF 918.1.3 Diagrama elétrico de um misturador Refere-se à FIG. 918.5. O misturador é composto por três seções: um Mosfet, fazendo a interação entre o sinal LO (Local Oscilator Oscilador Local) e o sinal de RF; um filtro passa-faixa central na frequência de 455 khz, consistindo de
DIDATEC Lição 918: Conversão de Frequência 110 dois circuitos sintonizados acoplados entre si por um capacitor variável; e um estágio amplificador. As bobinas dos circuitos sintonizados também permitem calibrar o filtro em freqüências diferentes de 455 khz (entre 400 e 500 khz, aproximadamente). O capacitor de acoplamento possibilita alargar ou restringir a faixa passante desse mesmo filtro. Figura 918.5 Circuito conversor de frequência. 918.2 Exercícios UTT2 Desconecte todos os jumpers. FIP Entre com o código da lição: 918. Relação de frequência no misturador Através da entrada RF IN (Entrada de RF) do misturador (TP19) aplique um sinal senoidal com frequência em torno de 500 khz e amplitude de 100 mvpp, aproximadamente (retire este sinal da saída de VCO 1, TP6). Através da entrada LO IN (Entrada do Oscilador Local) TP20 aplique um sinal
DIDATEC Lição 918: Conversão de Frequência 111 senoidal com frequência de 1000 khz e amplitude de 1 Vpp, aproximadamente (retire este sinal da saída do VCO 2, TP18). Conecte o osciloscópio à saída do misturador (TP21) e, vagarosamente, varie a frequência LO até obter um sinal senoidal. Q1 Qual é a frequência medida na saída do misturador? 1 5 1550 khz, aproximadamente. 2 1 2000 khz, aproximadamente. 3 4 650 khz, aproximadamente. 4 2 450 khz, aproximadamente. 5 3 900 khz, aproximadamente. Figura 918.6 Diagrama em blocos da montagem do misturador. Frequência Imagem Ajuste a frequência da entrada RF IN (VCO 1) em torno de 1450 khz e, vagarosamente, ajuste-a até que exista, novamente, uma forma de onda senoidal nos terminais de saída (TP21).
DIDATEC Lição 918: Conversão de Frequência 112 Q2 Qual é a frequência medida nos terminais de saída do misturador? 1 5 1550 khz, aproximadamente. 2 1 2450 khz, aproximadamente. 3 4 650 khz, aproximadamente. 4 2 1450 khz, aproximadamente. 5 3 450 khz, aproximadamente. Q3 As últimas medidas indicam que: 1 2 Dois sinais de RF em freqüências diferentes nunca são convertidos na mesma frequência intermediária, FI. 2 3 Dois sinais de RF em freqüências diferentes são convertidos na mesma frequência intermediária, F.I. Se eles estão, simultaneamente, presentes não haverá interferência entre eles e, isso torna possível a recepção a- dequada da informação. A frequência maior é denominada Image Frequency Frequência Imagem Fsi. 3 1 Dois sinais de RF em freqüências diferentes são convertidos na mesma frequência intermediária, FI. Se eles estão, simultaneamente, presentes haverá interferência entre eles e, isso torna impossível a recepção adequada da informação. A frequência indesejável é denominada Image Frequency Freqüência Imagem Fsi. Para eliminar esse problema, é necessário prevenir que o sinal imagem não chegue à entrada do misturador e, isso é feito interpondo filtros seletivos entre a entrada do sinal de RF e o misturador.
DIDATEC Lição 918: Conversão de Frequência 113 Conversão para cima (Up) O conversor de frequência, também, pode ser utilizado para converter um sinal para freqüências superiores a dele; Conecte a saída do misturador à entrada do filtro cerâmico de 455 khz (veja FIG. 918.6), para restringir a faixa do filtro de FI; Através da entrada RF IN (Entrada de RF), aplique um sinal senoidal com frequência de 20 khz, aproximadamente, e amplitude em torno de 1 Vpp, por meio de um gerador de funções externo. Vagarosamente varia a frequência da entrada LO (VCO 2) até obter um sinal senoidal na saída do filtro cerâmico (TP11). Q4 Qual é a frequência do oscilador local (LO) exigida para obter 455 khz nos terminais de saída do misturador? 1 4 555 khz, aproximadamente. 2 3 475 khz, aproximadamente. 3 2 650 khz, aproximadamente. 4 1 40 khz, aproximadamente. 5 3 900 khz, aproximadamente. FIP Pressione a tecla INS.
DIDATEC Lição 918: Conversão de Frequência 114 Q5 Que componente apresenta uma operação anormal? 1 5 O VCO 2. 2 1 O Mosfet T5. 3 4 O transformador L3. 4 2 O transformador L4. 5 3 O transistor T6. Resposta de frequência do filtro de FI Curva de Resposta detectada utilizando um gerador vobulador Ajuste os circuitos e as conexões como apresentadas na FIG. 918.7; Ajuste o osciloscópio na função X Y (eixo X em 0,5 V/div; eixo Y em 0,5 V/div); Conecte a entrada X do osciloscópio ao ponto de teste TP1 e o eixo Y ao ponto de teste TP21; Ajuste a frequência central do VCO 1 e amplitude do SWEEP (DEPTH - Profundidade) para obter uma curva similar àquela apresentada na FIG. 918.8 no osciloscópio; Varia o acoplamento capacitivo entre o circuito ressonante e o filtro e verifique as mudanças na curva de resposta do mesmo filtro.
DIDATEC Lição 918: Conversão de Frequência 115 Figura 918.8 Diagrama em blocos da montagem para obter a curva de resposta do filtro. Figura 918.9 Curva de reposta do filtro de FI. 918.3 Questões Q6 Em um rádio receptor, o sinal de RF é convertido para uma frequência intermediária porque: 1 3 É mais fácil amplificar e demodular em freqüências mais altas; amplificadores com frequência de operação fixa podem ser empregados. 2 1 É mais fácil amplificar em freqüências menores; amplificadores com frequência de operação fixa podem ser empregados. 3 2 É mais fácil amplificar e demodular em freqüências mais baixas; amplificadores com potência fixa podem ser empregados.
DIDATEC Lição 918: Conversão de Frequência 116 Q7 Para fazer a conversão de frequência é necessário ter: 1 3 Um amplificador de frequência intermediária. 2 4 Um detector de envoltória. 3 2 Uma oscilação gerada localmente. 4 1 Um oscilador local. Q8 Para obter uma frequência intermediária é necessário ter: 1 2 Um amplificador de potência. 2 3 Um amplificador com banda larga. 3 4 Um filtro passa-faixa centrado na frequência de RF. 4 1 Um filtro passa-faixa centrado na frequência intermediária. 5 1
DIDATEC Lição 918: Conversão de Frequência 117 Q9 Em um misturador empregando um Mosfet com dupla porta, os sinais de RF e LO são: 1 5 Adicionados. 2 4 Divididos. 3 1 Multiplicados. 4 3 Atenuados. 5 2 Duplicados.
DIDATEC Lição 919: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) I 118 Lição 919: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) I Objetivos: Descrever os aspectos característicos dos amplificadores seletivos para pequenos sinais; Examinar os conceitos de estabilidade, alinhamento e neutralização; Medir o ganho e a resposta de frequência de um amplificador. Equipamento Necessário: Unidade base para o sistema MSU (mod. EP4 fonte de energia, cartão proprietário, mod. FIP Unidade de controle e de inserção de defeitos); UTT2 Cartão de prática; Osciloscópio duplo traço Frequencímetro. 919.1 Noções Teóricas 919.1.1 Amplificadores Sintonizados para pequenos sinais O amplificador seletivo é utilizado em muitas aplicações na qual seja necessário amplificar sinais geralmente para uma faixa de frequência estreita. Os parâmetros principais que definem as propriedades de um amplificador seletivo são: Frequência central de operação, fo; Largura de faixa em torno de fo; Ganho no centro da faixa. O diagrama elétrico de um amplificador seletivo genérico utilizando transistores está apresentado na FIG. 919.1. A carga dinâmica dos elementos ativos consiste em um circuito ressonante RLC. A frequência central de operação fo é determi-
DIDATEC Lição 919: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) I 119 nada pela frequência de ressonância do circuito RLC, que, obviamente, é fixada coincidente com a faixa de frequência do sinal que será amplificado. Gb é a condutância (paralela) da bobina e Gl é a carga. Variando L e C é possível escolher a frequência central e a largura de faixa. O ganho no centro da faixa do amplificador é obtido utilizando o circuito equivalente de Giacoletto para um transistor, que é: Ao Vo / Vi g m Req onde: g m = transcondutância do transistor r o = resistência de saída do transistor Req = Rp // r o 1/Rp=Gb + Gl = Gp Figura 919.1 Amplificador Seletivo utilizando transistor: a) diagrama elétrico e b) circuito equivalente. 919.1.2 Curva de Resposta em Frequência A curva de resposta de um amplificador tem o mesmo comportamento da curva de ressonância de um circuito sintonizado GLC.
DIDATEC Lição 919: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) I 120 O ganho A do amplificador em função da frequência, da frequência de ressonância e da faixa passante será igual a: A [1 (( R eq g. R. W. C).( W / W o m eq o W / W )) o 2 W o 1/ ( L. C) fo Wo / 2. B 1/(2.. R. C) eq Como pode-se observar das últimas expressões, uma vez que a faixa passante e a resistência de carga são determinadas, o valor de C será determinada unicamente pela terceira expressão e, consequentemente, o valor de L também será determinado pela segunda expressão. Se considerarmos um amplificador em cascata mais seletivo, com freqüência central e a largura de faixa iguais, a largura de faixa total desse amplificador será obviamente reduzida em relação a um amplificador de um único estágio. Se B é a largura de faixa de faixa de um estágio único e n é o número de estágios, a largura de faixa resultante B tot será (FIG. 919.2): B tot B. (2 1/ n ) 919.1.3 Transformador de Impedância Na faixa de frequência de operação, é possível acontecer maior dificuldade na escolha da capacitância ou na obtenção de uma bobina com fator de mérito, Q, adequados. Suponha, por exemplo, o projeto de um amplificador de freqüência intermediária, Fo = 455 khz, com uma faixa passante de 10 khz e uma impedância de carga Rl = 1 kω. Negligenciando os valores de RO e Rb, o valor de C será igual a: C 1 (2.. R1. B) 16 nf A indutância L será igual a: 2 L 1 ((2.. f ). C) 8 H.
DIDATEC Lição 919: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) I 121 Figura 919.2 Largura de faixa de um amplificador seletivo com dois estágios.
DIDATEC Lição 919: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) I 122 O valor da indutância é muito pequeno para a freqüência de operação escolhida, isto é, torna-se muito difícil construir uma bobina com esse valor com um fator de mérito, Q, elevado. É melhor elaborar um casamento de impedância para a carga do que escolher os valores de L e C com uma margem tão ampla. A solução adotada emprega um transformador e um autotransformador. 919.1.4 Casamento de impedância com transformador Refere-se à FIG. 919.3. Como o núcleo do transformador é de ferrite, o coeficiente de acoplamento será considerado, praticamente, unitário e o transformador será considerado como ideal. Desta forma, tem-se que a resistência equivalente, vista no primário, na frequência é igual a: R ( n1/ n2). 2 eq R L Retornando ao último exemplo, escolhemos o valor mais conveniente para L (por exemplo, 300 µh) e, em seguida, determinamos o valor de C: 2 C 1/((2.. fo ). L) 400 pf O valor de R, que será visto em primário, será: R eq 1/(2.. B. C) 400 k Figura 919.3 Casamento com transformador.
DIDATEC Lição 919: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) I 123 Negligenciando a resistência paralela da bobina e a resistência de saída do transistor, pode-se considerar R eq como apenas a resistência vista pelo transistor e a partir daí determinar a relação n1/n2 necessária para transformar R L em R eq : n 1/ n2 ( R eq / R ) 6,5 L 919.1.5 Casamento de Impedância com Autotransformador Refere-se à FIG. 919.4. Os enrolamentos n1 n2 operam como um autotransformador, com n1 espiras de primário e n1 + n2 espiras de secundário. O capacitor C é transformado desse modo, em um capacitor equivalente (visto pelo transistor) igual a: 2 C eq (( n1 n2) / n1). C. Figura 919.4 Casamento com autotransformador. A indutância L (soma dos enrolamentos n1 e n2) é transformado em: 2 L eq ( n1/( n1 n2)). L A resistência de carga R L é transformada, considerando n1 como enrolamento primário e n3 como enrolamento secundário:
DIDATEC Lição 919: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) I 124 R ( n1/ n3).. 2 eq R L Considerando, também, a resistência de saída r o do transistor e a condutância paralela da bobina G b, a condutância total, vista pelo coletor do transistor, será: G tot 2 2 1/ ro Gb ( n1 n2/ n1) 1/ RL.( n3/ n1). A frequência de ressonância ainda será determinada através de L e C, como: f o 2.. 1 ( L eq. C eq ) 1 2.. L. C A largura de faixa B por sua vez será: Gtot B 2.. C eq Concluindo, pode-se dizer que: uma vez que a condutância total G tot, vista pelo coletor (para assegurar a estabilidade) é fixa, a transformação de C é empregada para obter a largura de faixa desejada, a transformação de R para obter G tot desejado. 919.1.6 Estabilidade e Alinhamento Algumas vezes os amplificadores seletivos operam em determinadas faixas de freqüências nas quais não é possível desprezar os efeitos reativos do transistor e, em particular, a realimentação interna entre coletor e base, devido à capacitância Cµ. Essa capacitância cria dois problemas: A frequência de ressonância do circuito sintonizado não depende apenas dos componentes passivos L e C, mas também é uma função de Cµ, isto é, do parâmetro do transistor (cujo valor é raramente confiável); Quando um segundo circuito sintonizado é adicionado à entrada do transistor, Cµ fornece um acoplamento entre a entrada e a saída dos circuitos sintonizados. Devido a este acoplamento torna-se difícil o alinhamento do amplificador, isto é, sintonizar dois circuitos ressonantes para obter uma
DIDATEC Lição 919: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) I 125 resposta de frequência simétrica e regular, centrada em f o. Em alguns casos o circuito torna-se instável e começa a oscilar. A FIG. 919.5 apresenta um amplificador seletivo com circuito sintonizado na entrada bem como na saída. A condição de estabilidade deste amplificador é: G. 1. G2 2.. fo. C g m sendo: G 1 a condutância paralela total do circuito de entrada e G 2 a condutância paralela total do circuito de saída. Para assegurar o alinhamento do amplificador é necessário que: G. 1. G2 2.. fo. C g m Na prática é suficiente que G1.G2 seja de 4 a 5 vezes maior do que 2.. f o. C. g. m Figura 919.5 Amplificador seletivo com entrada sintonizada. Neutralização Tipo 1 Para assegurar a estabilidade do amplificador, muitas vezes deve-se adicionar uma realimentação externa adequada que cancela a realimentação interna devido a Cµ. Essa técnica é conhecida como neutralização do estágio amplificador. A
DIDATEC Lição 919: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) I 126 neutralização é realizada de duas formas principais. Quando estágios diferentes são acoplados por meio de transformador o diagrama da FIG. 919.6 será utilizado. A base do transistor é alimentada por uma corrente proporcional a v c (devido a realimentação interna) e uma corrente proporcional a v L (devido a realimentação externa). Como v L está em oposição de fase em relação a v c, a soma das correntes será anulada a partir de uma escolha adequada de C n, como se segue: n1 C n. n2 C Figura 919.6 Neutralização Tipo 1. Neutralização Tipo 2 Outra técnica de neutralização é apresentada na FIG. 919.7. A tensão v 2 está em oposição de fase com relação à v 1 ; por meio de uma escolha adequada de n1/n2 e de C n é possível anular na base do transistor as correntes devido às realimentações interna (C µ ) e externa (C n ).
DIDATEC Lição 919: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) I 127 Figura 919.7 Neutralização Tipo 2. 919.1.7 Amplificador de F.I. de duplo estágio com Detector de AM e CAG. Refere-se à FIG. 919.8 que apresenta o diagrama elétrico de Amplificador de Frequência Intermediária de duplo estágio, com um detector de AM a diodo e CAG (Automatic Gain Control Controle Automático de Ganho). Esse circuito é usado frequentemente em receptores superhetodino de AM. O sinal de F.I. é aplicado ao primeiro transformador de FI (TR1) e através dele ao primeiro estágio amplificador (transistor T7). A polarização de T7 depende da tensão de CAG que vem da saída do detector e, desse modo, a amplificação do primeiro estágio é assim variada. Por meio do transformador TR o sinal é levado ao segundo estágio de F.I. (transistor T8) e assim ao transformador TR2 e ao detector a diodo. O diodo está conectado de forma que a envolvente negativa do sinal modulado seja demodulada. O sinal detectado resultante é composto pelo sinal modulante de baixa frequência e por uma componente contínua negativa proporcional à amplitude do sinal de F.I. A componente DC é separada do sinal (por meio de um circuito passa-baixa RC) e constituirá a tensão de CAG utilizada para variar a amplificação do primeiro estágio de F.I.
DIDATEC Lição 919: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) I 128 Figura 919.8 Amplificador de F.I. de duplo estágio com detector e CAG. 919.2 Exercícios UTF1 Desconecte todos os jumpers. FIP Entre com o código da lição: 919. Frequência Central Ajuste o segundo estágio de F.I. como apresentado na FIG. 919.9 (insira apenas os seguintes jumper: J3, J4, J6). Ajuste o VCO2 par a máxima frequência e a mínima amplitude; Através do ponto de teste de entrada (TP38) aplique um sinal senoidal com amplitude aproximada de 10 20 mv e frequência variando na faixa de 400 a 500 khz (esse sinal será obtido na saída do VCO1 TP16); Conecte o osciloscópio e o frequencímetro (ponta de prova 10:1) na saída do amplificador (ponto de teste TP40). Varie a frequência de entrada até obter a máxima amplitude na saída do amplificador: esta frequência é a frequência central frequência de sintonia do amplificador.
DIDATEC Lição 919: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) I 129 Figura 919.9 Amplificador com carga ressonante. Q1 Em quais componentes é possível variar para calibrar a frequência central em 455 khz? 1 3 Apenas CV3. 2 1 Apenas L10. 3 4 RV7 ou L11. 4 2 CV3 ou L11. De acordo com a resposta da questão anterior, ajuste o circuito para uma frequência central ou de sintonia em 455 khz.
DIDATEC Lição 919: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) I 130 Ganho na Faixa Central Considere V o e V i as tensões de pico a pico de saída e de entrada do amplificador. O ganho G do amplificador será: G V o / V e, em decibel: i G db 20 log( Vo / Vi ). Q2 Qual é o ganho do amplificador na frequência de 455 khz? 1 4 Entre -50 e -60 db. 2 3 Entre 50 e 60 db. 3 2 Entre 70 e 80 db. 4 1 Entre 10 e 20 db. Largura de Faixa Varie a frequência de entrada de 430 a 480 khz com degraus de 5 khz; calcule o ganho em decibel, G db, correspondente a cada frequência e preencha com os resultados uma tabela semelhante àquela apresentada na FIG. 919.10; Com os dados da tabela, organize um gráfico com os valores do ganho em db no eixo Y (vertical) e a frequência no eixo X (horizontal); Desta forma, obtem-se a curva de resposta em frequência do circuito amplificador, similar àquela apresentada na FIG. 919.11; Considere que a largura de faixa ou a faixa passante do amplificador será B1 = f2 f1, onde f2 e f1 são as freqüências na qual o ganho em db, Gdb, cai em 3 db em relação a seu valor máximo.
DIDATEC Lição 919: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) I 131 Frequência [khz] 430 435 440 445 450 455 Tensão de Entrada [mvpp] 20 20 20 20 20 20 Tensão de Saída [mvpp] Ganho [db] Frequência [khz] Tensão de Entrada [mvpp] 460 465 470 475 480 485 490 20 20 20 20 20 20 20 Tensão de Saída [mvpp] Ganho [db] Figura 919.10 Ganho do Amplificador.
DIDATEC Lição 919: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) I 132 Figura 919.11 Curva de Resposta de Frequência do Amplificador. Q3 Qual é a largura de faixa ou a faixa passante a -3 db? 1 5 Aproximadamente, 50 MHz. 2 1 Aproximadamente, 10 khz. 3 2 Aproximadamente, 50 khz. 4 2 Aproximadamente, 5 khz. 5 4 Aproximadamente, 90 khz.
DIDATEC Lição 919: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) I 133 971.2.3 Questões Q4 Em um rádio receptor, o sinal de RF é convertido para uma frequência intermediária como uma forma mais fácil de: 1 3 Amplificar e demodular sinais em alta frequência. 2 1 Amplificar baixa frequência e de utilizar amplificadores trabalhando em uma freqüência fixa. 3 2 Amplificar e demodular baixa freqüência e de utilizar amplificadores trabalhando com potência fixa. Q5 O amplificador seletivo: 1 3 Amplifica freqüências inferiores a 500 khz, aproximadamente. 2 1 Amplifica freqüências superiores a 500 khz, aproximadamente. 3 4 Amplifica freqüências dentro de uma faixa limitada. 4 2 Atenua freqüências dentro de uma faixa limitada.
DIDATEC Lição 919: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) I 134 Q6 O principal objetivo da utilização de transformadores ou autotransformadores nos amplificadores seletivos é para: 1 2 Isolar galvanicamente a carga. 2 1 Casar a tensão de saída. 3 4 Casar a impedância de carga. 4 3 Atenuar a frequência intermediária. Q7 A curva de resposta de um amplificador seletivo depende: 1 2 Do número de estágios; do fator de mérito dos circuitos ressonantes; do controle automático de frequência. 2 1 Do ganho do amplificador; do fator de mérito dos circuitos ressonantes; do controle automático de frequência. 3 4 Do número de estágios; do fator de mérito dos circuitos ressonantes; do ganho do amplificador. 4 3 Do número de estágios; do controle automático de ganho; do controle automático de frequência.
DIDATEC Lição 920: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) II 135 Lição 920: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) II Verificar o casamento de impedância utilizando transformador e autotransformador; Verificar os conceitos de estabilidade e alinhamento de amplificadores Sintonizados ou seletivos Equipamento Necessário: Unidade base para o sistema MSU (mod. EP4 fonte de energia, cartão proprietário, mod. FIP Unidade de controle e de inserção de defeitos); UTT2 Cartão de prática; Osciloscópio duplo traço; Frequencímetro. 920.1 Introdução Teórica Refere-se ao conteúdo da última lição, 919. 971.2 Exercícios UTT2 Desconecte todos os jumpers. FIP Entre com o código da lição: 920. Casamento de Impedância com transformador Ajuste o segundo estágio do amplificador de F.I. como na FIG. 920.1 (insira apenas os seguintes jumpers: J3, J4, J7, J13). Ajuste RV7 para a posição de mínimo (à esquerda, sentido anti-horário), deixe apenas R63 inserido como carga (1 kω);
DIDATEC Lição 920: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) II 136 Ajuste VCO 2 para a máxima frequência e a mínima amplitude; Através da entrada, ponto de teste TP38, aplique um sinal com amplitude aproximada de 20 mvpp e frequência igual a 455 khz (este sinal será obtido na saída do VCO 1 TP6). Conecte o osciloscópio e o frequencímetro (ponta de prova 10:1) à saída do amplificador (TP43). Calibre o amplificador para a frequência de 455 khz, ajustando o capacitor CV3; Varie a frequência do sinal de entrada e avalie a nova largura de faixa ou faixa passante B2, a -3 db, do amplificador. Q1 Qual é a largura de faixa ou faixa passante a -3 db? 1 4 Aproximadamente, 1 MHz. 2 3 Aproximadamente, 5 khz. 3 1 Aproximadamente, 10 khz. 4 5 Aproximadamente, 30 khz. 5 2 Aproximadamente, 90 khz. Embora a carga seja uma resistência inferior aquela do último exercício (1 kω em vez de 22 kω), a largura de faixa B2 é inferior a B1, medida anteriormente. Isso se deve ao casamento de impedância realizado pelo transformador L11. A relação de espiras de L11 é, aproximadamente, 12: (n1+n2)/n3 12 O valor da resistência equivalente vista pelo coletor do transistor é: 2 n 1 n2 R eq. R63 144 k. n3
DIDATEC Lição 920: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) II 137 Figura 920.1 Casamento de Impedância com transformador. Casamento de Impedância com autotransformador Ajuste o segundo estágio amplificador de F.I. como na FIG. 920.2 (insira apenas os seguintes jumpers: J3, J5, J7, J13). Ajuste RV7 para a posição mínima (à esquerda, sentido anti-horário), deixando apenas R63 inserido como carga (1 kω); Ajuste o VCO2 para a máxima frequência e a mínima amplitude; Através de entrada, do ponto de teste TP38, aplique um sinal com amplitude aproximada de 20 mvpp e frequência de 455 khz (este sinal será obtido na saída de VCO 1 TP6); Conecte o osciloscópio e o frequencímetro (ponto de prova 10:1) na saída do amplificador (TP43). Calibre o amplificador para a frequência de 455 khz, ajustando o capacitor CV3; Varie a frequência do sinal de entrada e avalie a nova largura de faixa ou faixa passante B3, a -3 db, do amplificador.
DIDATEC Lição 920: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) II 138 Q2 A largura de faixa ou a faixa passante medida é: 1 3 Menor que a anterior obtida apenas com o transformador. 2 1 Superior que a anterior obtida apenas com o transformador. 3 4 Igual a anterior obtida apenas com o transformador. 4 2 Muito menor (1/10) daquela obtida apenas com o transformador. Q3 Como se explica o último resultado? 1 3 O autotransformador transforma o capacitor de sintonia em uma capacitância equivalente de baixo valor. Diminuindo a capacitância equivalente, obtém uma redução na largura de faixa do amplificador. 2 1 O autotransformador transforma o capacitor de sintonia em uma capacitância equivalente de grande valor. Aumentando a capacitância equivalente, obtém um aumento na largura de faixa do amplificador. 3 4 O autotransformador transforma o capacitor de sintonia em uma capacitância equivalente de baixo valor. Diminuindo a capacitância equivalente, obtém um aumento na largura de faixa do amplificador. 4 2 O autotransformador transforma o capacitor de sintonia em uma capacitância equivalente de grande valor. Aumentando a capacitância equivalente, obtém uma redução na largura de faixa do amplificador.
DIDATEC Lição 920: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) II 139 Figura 920.2 Casamento de impedância com autotransformador. Estabilidade e alinhamento Ajuste o segundo estágio amplificador de F.I. como apresentado na FIG. 920.3 (insira apenas os seguintes jumpers: J1, J2, J4, J13). Conecte TP38 ao terminal de terra. Sintonize RV6 e RV7 para a posição de máximo (no sentido horário). Ajuste VCO 2 para a máxima frequência e a mínima amplitude; Sem sinal na entrada, conecte o osciloscópio (ponta de prova 10:1) à carga (TP43) e observe que o circuito entra em oscilação (nesse caso ajuste CV2 e CV3 para torná-lo auto-oscilante). Varie RV6 e RV7 e observe que as oscilações desaparecem; Através do ponto de teste (TP38), entrada do circuito, aplique um sinal com amplitude em torno de 20 mvpp e frequência igual a 455 khz (o sinal será obtido no terminal de saída do VCO 1 TP6). Ajuste CV2 e CV3 para obter a máxima saída na frequência de 455 khz. Observe que esse ajuste é mais difícil. Diminua RV6 e RV7 e verifique que o alinhamento torna-se mais fácil.
DIDATEC Lição 920: Amplificadores Seletivos (Sintonizados) II 140 Figura 920.3 Estabilidade e alinhamento.
DIDATEC Lição 921: Amplificador de F.I. de Duplo Estágio 141 Lição 921: Amplificador de F.I. de Duplo Estágio Objetivos: Examinar a operação de um amplificador de frequência intermediária de duplo estágio com detector de envoltória a diodo e controle automático de ganho; Equipamento Necessário: Unidade base para o sistema MSU (mod. EP4 fonte de energia, cartão proprietário, mod. FIP Unidade de controle e de inserção de defeitos); UTT2 Cartão de prática; Osciloscópio de duplo traço; Frequencímetro. 921.1 Noções Teórica Refere-se à Lição 919. 921.2 Exercícios UTF1 Desconecte todos os jumpers. FIP Entre com o código da lição: 921. Calibração Ganho Largura de faixa Utilizando o cartão de prática UTT2, faça a montagem do circuito apresentado na FIG. 921.1 para obter um amplificador de F.I. de duplo estágio com detector de amplitude e controle automático de ganho (insira os jumpers: J5, J9, J10 e J12, conecte TP32 ao TP37, TP33 ao TP39, conecte
DIDATEC Lição 921: Amplificador de F.I. de Duplo Estágio 142 TP30, TP34 e TP38 ao terra do circuito). Observe que TP34 conectado ao terminal de terra determina um ganho fixo para o primeiro estágio; Através da entrada, ponto de teste TP29, aplique um sinal senoidal com amplitude de 20 mvpp e frequência de 455 khz; Conecte o osciloscópio (ponta de prova 10:1) à saída do amplificador (TP41). Ajuste o capacitor variável CV3 e, nesse caso, as bobinas L9 e L11, até obter a máxima amplitude na forma de onda senoidal detectada; Considere V o e V i as tensões de pico a pico dos sinais de saída e da entrada. O ganho do amplificador será calculado pela expressão G = V o / V i e, em decibéis: G 20 logv V db. o i Figura 921.1 Amplificador de F.I. Detector de AM - CAG.
DIDATEC Lição 921: Amplificador de F.I. de Duplo Estágio 143 Q1 Qual é o valor de ganho do amplificador na frequência de 455 khz? 1 3 Entre 50 e 60 db. 2 4 Entre -50 e -60 db. 3 2 Entre 70 e 80 db. 4 1 Entre 10 e 20 db. Varie a frequência do sinal de entrada e avalie a largura de faixa ou banda passante a -3 db para esse amplificador. Q2 Qual é a largura de faixa ou faixa passante a -3 db? 1 4 Aproximadamente, 1 MHz. 2 3 Aproximadamente, 1 khz. 3 1 Aproximadamente, 10 khz. 4 5 Aproximadamente, 30 khz. 5 2 Aproximadamente, 90 khz. Determine a resposta de frequência do primeiro estágio do amplificador medindo os três pontos mínimos (varie a frequência do sinal de entrada e meça a tensão de saída e determine o ganho correspondente). Repita as medidas usando o sinal vobulado;
DIDATEC Lição 921: Amplificador de F.I. de Duplo Estágio 144 Conecte TP34 ao TP42, inserindo a tensão de CAG. Através do ponto de teste TP29 aplique o sinal na frequência central de 455 khz. Varie a amplitude do sinal de entrada e meça a variação da tensão DC de CAG no ponto de teste TP31. Q3 Quando o sinal de entrada aumenta: 1 5 O valor positivo da tensão de CAG aumenta e o ganho do primeiro estágio amplificador diminui. 2 4 O valor negativo da tensão de CAG e o ganho do primeiro estágio amplificador também diminuem. 3 2 O valor negativo da tensão de CAG e o ganho do primeiro estágio amplificador também aumentam. 4 3 O valor positivo da tensão de CAG e o ganho do primeiro estágio amplificador também aumentam. 5 1 O valor negativo da tensão de CAG e o ganho do primeiro estágio amplificador também diminuem. Detector de AM Mantenha o CAG conectado (conecte TP34 ao TP42). Através do ponto de teste TP29, aplique um sinal de AM com amplitude de 20 mvpp e frequência portadora de 455 khz. O sinal de AM será gerado utilizando um dos moduladores balanceados montados no cartão de prática; Observe a forma de onda em diferentes pontos do circuito e, em particular, a saída do detector de envoltória (TP43).
DIDATEC Lição 922: Receptor Superheterodino de AM 145 Lição 922: Receptor Superheterodino de AM Objetivos: Montar um receptor superheterodino de AM com CAG Controle Automático de Ganho. Equipamento Necessário: Unidade base para o sistema MSU (mod. EP4 fonte de energia, cartão proprietário, mod. FIP Unidade de controle e de inserção de defeitos); UTT2 Cartão de prática; Osciloscópio de duplo traço Frequencímetro. 922.1 Noções Teórica O diagrama de blocos de um simples receptor superheterodino de AM está representado na FIG. 922.1. O sinal de RF modulado em amplitude, que chega através da antena, é aplicado ao estágio misturador, que também recebe um sinal gerado por um oscilador local. O sinal é convertido para uma frequência menor (frequência intermediária, F.I.) sendo amplificado por amplificador seletivo de duplo estágio. O próximo bloco, o detector, demodula o sinal de AM, fornecendo a informação de áudio associado a ele. O sinal detectado é composto do sinal modulante de baixa frequência e uma componente contínua proporcional à amplitude do sinal de F.I. Apenas a componente de baixa frequência é enviada ao próximo estágio, o amplificador de áudio. A componente contínua, obtida pela filtragem do sinal detectado, constitui a tensão de CAG (Controle Automático de Ganho) e será utilizada para variar a amplificação do primeiro estágio de F.I. Se o sinal de F.I. tem uma
DIDATEC Lição 922: Receptor Superheterodino de AM 146 amplitude muito grande, a amplificação (ganho) será reduzida; se o sinal de F.I. é muito pequeno a amplificação (ganho) será aumentada. Figura 922.1 Diagrama de blocos de receptor superheterodino. 922.2 Exercícios UTF1 Desconecte todos os jumpers. FIP Entre com o código da lição: 922. Montagem de um receptor superheterodino de AM Faça as conexões como indicada na FIG. 922.2 (TP6 TP7; TP9 TP19; TP18 TP20; TP21 TP29; TP30 GND (terra); TP32 TP37; TP33 TP39; TP38 GND (terra); TP42 TP34). O modulador balanceado 1 BALANCED MODULATOR 1 funcionará como um modulador de AM e VCO2 como o oscilador local; Conecte os jumpers J5, J9, J10 e J12 (para obter o amplificador de F.I. e o detector de AM circuito da FIG. 922.3). A conexão entre o TP42 e o TP34 conecta o CAG Controle Automático de Ganho; Ajuste os circuitos como a seguir:
DIDATEC Lição 922: Receptor Superheterodino de AM 147 o VCO1: amplitude aproximada de 0,5 Vpp e frequência igual a 950 khz; o BALANCED MODULATOR 1 Modulador Balanceado 1: CARRIER NULL Nulo de portadora completamente girado no sentido horário ou anti-horário tal que o modulador encontre-se desbalanceado e forneça em sua saída um sinal de AM com amplitude aproximada de 50 mvpp; o VCO2: amplitude aproximada de 0,5 Vpp e frequência igual a 1405 khz; Através do ponto de teste TP8 aplique um sinal modulante senoidal com amplitude aproximada de 1 Vpp e frequência em torno de 1 khz. Figura 922.2 Montagem do receptor de AM conexão entre os circuitos. Figura 922.3 Amplificador de F.I. e detector.
DIDATEC Lição 922: Receptor Superheterodino de AM 148 Calibração do estágio de Frequência Intermediária Ajuste a amplitude do sinal modulante para zero. Conecte o osciloscópio na saída do misturador (TP21). Eventualmente ajuste o capacitor variável e as bobinas L3 L4 do misturador para obter a máxima amplitude na forma de onda do sinal detectado. Q1 Qual é a frequência do sinal de saída do misturador? 1 3 950 khz. 2 4 1405 khz. 3 2 455 khz. 4 1 2355 khz. Conecte o osciloscópio na saída do amplificador de F.I. (TP41). Neste caso, ajuste CV3 L9 L11 para obter a máxima amplitude na forma de onda senoidal detectada. Controle Automático de Ganho Conecte o osciloscópio nos pontos de teste TP19 e TP41; Varie a amplitude do sinal da entrada de RF do receptor de 20 para cerca de 100 mvpp.
DIDATEC Lição 922: Receptor Superheterodino de AM 149 Q2 Como varia o sinal no ponto de teste TP41? 1 5 A amplitude diminui em 50%. 2 3 A frequência aumenta em 50%. 3 1 A amplitude aumenta em 50%. 4 2 A frequência dobra seu valor. 5 4 A amplitude se mantém quase constante. Observe que quando o sinal de RF aumenta a tensão de CAG no ponto de teste TP31 diminui. Consequentemente o ganho do primeiro estágio amplificador de F.I. diminui e a amplitude de saída do sinal de F.I. mantém-se quase constante; Desconecte o CAG (jumper 42-34) e conecte o ponto 34 para o terminal de terra; Varie agora a amplitude do sinal de RF. Q3 Como o sinal no ponto de teste TP41 varia? 1 3 A amplitude segue as variações do sinal de RF. 2 4 A frequência aumenta em 50%. 3 2 A amplitude aumenta em 50%. 4 1 A amplitude mantém-se quase constante.
DIDATEC Lição 922: Receptor Superheterodino de AM 150 Observação de formas de ondas Introduza uma modulação na portadora de RF (aumente a amplitude do sinal modulante); Observe o sinal de AM antes e depois do misturador (TP19 e TP21). Verifique que a frequência das portadoras são diferentes; Conecte o osciloscópio antes e depois do detector a diodo (TP41 e TP43) observando o sinal modulado em amplitude (AM) e o sinal demodulado (sinal recuperado). FIP Pressione a tecla INS. Q4 Qual das seções apresenta um funcionamento anormal? 1 5 O segundo estágio amplificador de F.I. 2 1 O misturador de frequência. 3 4 O oscilador local (VCO2). 4 2 O circuito do CAG. 5 3 O detector a diodo.
DIDATEC Lição 922: Receptor Superheterodino de FM 151 Lição 923: Receptor Superheterodino de FM Objetivos: Montar um receptor superheterodino de FM com um AFC - Controle Automático de Frequência. Equipamento Necessário: Unidade base para o sistema MSU (mod. EP4 fonte de energia, cartão proprietário, mod. FIP Unidade de controle e de inserção de defeitos); UTT2 Cartão de prática; Osciloscópio de duplo traço; Frequencímetro. 971.1 Noções Teóricas A FIG. 923.1 apresenta o diagrama de blocos de um receptor superheterodino de FM bem simples. O sinal de RF modulado em frequência chega por meio da antena e é aplicado a um estágio misturador que também é alimentado por outro sinal gerado pelo oscilador local. O sinal é convertido em uma frequência mais baixa (frequência intermediária F.I., 455 khz nesse caso) sendo, em seguida, amplificado. A seguir, um estágio limitador em amplitude é utilizado, que elimina as variações em amplitude contidas no sinal de FM. O próximo estágio, um circuito discriminador, demodula o sinal de FM, fornecendo um sinal de áudio a ele associado. O sinal do detector é composto por uma baixa frequência, relativa ao sinal modulante, e por uma componente contínua proporcional ao deslocamento entre a frequência portadora do sinal de FM (após a conversão na frequência intermediária) e a frequência na qual o discriminador foi calibrado. Apenas a componente de baixa frequência é enviada para o próximo bloco, um amplificador de áudio. A
DIDATEC Lição 922: Receptor Superheterodino de FM 152 componente contínua é integrada e empregada para o controle de frequência do oscilador local a fim de obter uma frequência intermediária igual a frequência central do circuito discriminador. Figura 923.1 Diagrama de blocos do receptor superheterodino de FM. 971.2 Exercícios UTF1 Desconecte todos os jumpers. FIP Entre com o código da lição: 971. Montagem do receptor superheterodino de FM Faça as conexões como indicado na FIG. 923.2 (TP6 TP19; TP18 TP20; TP21 TP22). O VCO 2 funciona como um modulador de FM e o VCO1 como o oscilador local; Ajuste o discriminador de frequência no modo R (Ratio Relação) deixando o capacitor C26 desconectado; Ajuste os circuitos da seguinte forma: o o VCO 1: amplitude em torno de 1 Vpp; frequência igual a 1355 khz; VCO 2: amplitude em torno de 0,1 Vpp; frequência igual a 900 khz;
DIDATEC Lição 922: Receptor Superheterodino de FM 153 Figura 923.2 Montagem do circuito receptor de FM. Calibração do estágio de frequência intermediária Conecte o osciloscópio (ponta de prova 10:1) à saída do misturador (TP210. Ajuste a capacitância variável e L3 L4 para a frequência central do filtro de 455 khz; Conecte o osciloscópio na função DC na saída do discriminador (entre o ponto de teste TP25 e o terminal de terra). Q1 Na ausência de sinal modulante, como será ajustado o capacitor CV1? 1 3 Para obter a máxima amplitude. 2 4 Para restaurar a portadora. 3 2 Para obter uma tensão negativa. 4 1 Para obter uma tensão nula. Faça o ajuste de CV1 de acordo com a resposta da última questão.
DIDATEC Lição 922: Receptor Superheterodino de FM 154 Observação das formas de onda do receptor Através do ponto de teste TP17, aplique um sinal modulante senoidal com amplitude em torno de 100 mvpp e frequência a cerca de 1 khz; Observe o sinal de FM antes e após o misturador (TP20 e TP21). Verifique que as freqüências portadoras são diferentes; Conecte o osciloscópio à saída do discriminador (TP25) e observe o sinal detectado (demodulado); Note que o sinal detectado está distorcido se a frequência do sinal de RF é variada em poucos khz com relação ao valor nominal. Tal distorção é devido ao fato de que o sinal de FI também e variado em relação à frequência central do discriminador. Controle Automático de Frequência Introduza o controle automático de frequência (CAF), faça as conexões conforme a FIG. 923.3. A operação do CAF pode ser explicada como a seguir: o o o o O discriminador fornece uma tensão DC proporcional à diferença entre o valor nominal da frequência intermediária do discriminador (455 khz) e o valor da F.I. efetiva na qual foi ajustada; Se o receptor está sintonizado a uma frequência ligeiramente superior aquela proposta (a frequência do oscilador local será maior do que o valor nominal) a F.I. também será maior do que 455 khz; A tensão DC fornecida pelo discriminador aumenta e a saída do integrador diminui; A saída do integrador e a tensão de sintonia do VCO 1 são adicionadas e a tensão resultante constitui a polarização efetiva do diodo Varicap do mesmo VCO;
DIDATEC Lição 922: Receptor Superheterodino de FM 155 o o Se a tensão de polarização tende a diminuir, consequentemente a frequência do VCO diminui, realizando, desse modo, a regulação automática da sintonia; Uma operação similar ocorre se o receptor está sintonizado em um frequência ligeiramente inferior em relação ao valor correto: o CAF atuará automaticamente aumentando a frequência do oscilador local de forma que a F.I. assuma o valor nominal; Note que o sinal detectado agora está sem distorção embora a frequência do sinal de RF (VCO 2) seja variado em torno de ± 100 khz em relação ao valor nominal. Isso significa que o CAF move a frequência do oscilador local VCO1 automaticamente, a fim de manter a diferença de frequência entre o sinal de RF e o valor agora constante do oscilador local (F.I. de 455 khz). Figura 223.3 Montagem do CAF - Controle automático de frequência. Q2 Conecte o frequencímetro na saída do oscilador local (TP6). Como ocorre a variação de frequência?
DIDATEC Lição 922: Receptor Superheterodino de FM 156 1 2 Aumenta se a frequência do sinal de RF diminui. 2 3 Mantem-se perfeitamente constante quando a frequência do sinal de RF varia. 3 4 Diminui quando a frequência do sinal de RF aumenta. 4 1 Aumenta quando a frequência do sinal de RF aumenta. FIP Pressione a tecla INS. Q3 Qual dos circuitos apresenta um funcionamento anormal? 1 4 O diodo varicap DV1 DV2. 2 1 O conversor de frequência. 3 4 O CI1 amplificador. 4 2 O VCO 2. 5 3 O transistor T2.
DIDATEC Apêndice: Data Sheets 157 Apêndice Data Sheet LM 1496 LM 324 LM 741 MVAM 115 TL 082
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