Medición del indice de modulación

U.T.N. - F.R.M.
MEDIDAS ELECTRÓNICAS II
TRABAJO PRACTICO No 4
MEDICION DEL INDICE DE MODULACION DE AM
Operación de Generadores de Radio Frecuencia
INTRODUCCION TEORICA:
Cuando una señal de baja frecuencia se bate (multiplica) con una señal de alta frecuencia, se obtiene
una señal de alta frecuencia cuya amplitud es modulada por la señal de baja frecuencia. La relación
entre las amplitudes de ambas frecuencias da una idea de la modulación. Este valor llamado índice
de modulación m, puede variar entre 0 y 1.
Dada una señal portadora de Alta frecuencia regida por la expresión:
V c = A c sen ω c t
Una señal modulante de baja frecuencia esta regida por la expresión:
V m = A m sen ω m t
Una señal modulada en amplitud por esta modulante, tendrá la expresión:
V cm = A c (1 + m × sen ω m t )sen ω c t
Cuando sen ωct =1 y sen ωmt =1 se tiene el valor máximo de amplitud de la señal modulada:
Vcm max = Ac (1+m )
Cuando sen ωct =1 y sen ωmt = -1 se tiene el valor mínimo de amplitud de la señal modulada:
Vcm min = Ac (1−m)
Haciendo el cociente de estas dos expresiones, se obtiene:
V cm max (1+ m )
=
V cm min (1− m )
Despejando el valor del índice de modulación m, se tiene que:
m(%) =
Vcm max − Vcm min
x100
Vcm max + Vcm min
En consecuencia este índice es función de parámetros que se pueden medir fácilmente.
Vcmáx
Vcmín.
Si Vcmin=0, el índice m será 1 como máximo, produciendo una modulación sin distorsión, lo cual
implica que la señal modulante es de igual amplitud que la portadora.
Si Vcmin = Vcmax, el índice m será cero no habiendo modulación.
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En consecuencia, para una modulación sin distorsión, m deberá cumplir con la expresión:
1⟩ m ⟩ 0
En la determinación de los valores de amplitud por medio de la visualización de la señal en el
osciloscopio, a mayor desplazamiento vertical de la señal, mayor será la precisión del valor leído;
por esa razón, para determinación de los cálculos de m, se usa el valor pico a pico de la señal
portadora en los valles y crestas de la señal modulante.
Existen tres métodos gráficos que permiten medir el índice de modulación por observación en el
osciloscopio. Estos son el Método Directo, el Método del Trapecio y el Método de Barrido
Circular.
Método del Trapecio
Con el método del Trapecio se pueden ver problemas de asimetría y distorsión de la señal
modulada, y da la relación entre el índice m y el desfasaje.
Esto permite calcular con mayor precisión el índice m que con el método directo de visualización de
la señal modulada, ya que si hay asimetría o distorsión, el índice no será lineal y constante.
Si hay simetría en la modulación, se genera un trapecio que varía del valle de la señal modulante a
la cresta de la misma en forma lineal, siendo el trapecio perfecto. En estas condiciones se aplica la
fórmula
A− B
m=
×100[%]
A+ B
Este método, es un método gráfico que usa la capacidad XY del osciloscopio. En esas condiciones,
al inyectar la señal modulada en el canal Y y la modulante en el X, se forma un trapecio que no es la
tradicional elipse de las figuras de Lissajous, porque las señales no son de igual frecuencia. La
figura formada indica cuantos lóbulos o cuantas veces es una frecuencia mayor que otra. Si la
diferencia entre ellas es grande, los lóbulos se tocarían dando la sensación de que es una única
figura continua en la pantalla. La modulación del barrido horizontal desde el centro de la pantalla
por la señal modulante de baja frecuencia, moverá el haz hacia la derecha hasta alcanzar la máxima
amplitud de la modulante (límite derecho de la pantalla), que también corresponderá con la cresta de
la señal modulada. A partir de allí el haz se moverá a la izquierda hasta alcanzar el límite izquierdo
de la pantalla, que corresponde con la máxima amplitud negativa de la modulante y con el valle de
la modulada.
Las deflecciones Vertical y Horizontal estarán controladas por:
DV = Y [div] = Kv.Ac.(1 + m.sen(ωm.t ))
DH = X [div ] = Kh. Am.sen(ω m.t )
Donde Kv y Kh son las sensibilidades de deflexión vertical y horizontal del osciloscopio, las cuales
se pueden cambiar controlando la ganancia o el atenuador.
Siendo esta la ecuación de la recta de deflexión vertical en función del barrido horizontal.
Y = A c.Kv + K v.m . A c X
A m.K h
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La composición entre la envolvente superior de la modulada y la modulante (barrido X) da una recta
de pendiente (+) que es lado superior del trapecio. La envolvente inferior de la modulada y la
modulante da la recta inferior de pendiente (-) del trapecio. Estas dos rectas limitan la escursión de
la frecuencia portadora. El borde izquierdo del trapecio está dado por el valor del valle inferior de la
modulante, y el borde derecho por el valor de la cresta superior de la envolvente.
Casos posibles de modulación
Si las señales no son perfectamente senoidales, el trapecio no es lineal indicando una distorsión.
Si existe un desfasaje entre la señales de RF y AF, el trapecio se
deforma y la medición se dificulta debiendo usarse algún dispositivo
desfasador para corregir ese desfasaje. El dispositivo desfasador se
coloca en serie con la entrada X del osciloscopio, donde está la
modulante (o sea, se trata de compensar el desfasaje original de la
modulante).
El desfasador tiene que tener una reactancia capacitiva a la frecuencia
de la modulante que produzca una caída de potencial similar a la
producida por la resistencia, debiendo ser esta última
aproximadamente igual resistencia a la de entrada del ORC.
Para ajustar la fase, es conveniente variar el capacitor
usando un capacitor fijo en serie con uno variable. Si se
varía la resistencia, el ajuste de fase necesario podría hacer
que el valor resistivo sea muy pequeño, con lo cual la
fracción de señal ingresada al canal horizontal será pequeña
y por lo tanto achicaría al trapecio.
El ajuste del capacitor o la resistencia, se hace hasta lograr
que el trapecio presente una forma plana, y en esas
condiciones se determinan los valores de los bordes A y B.
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Método del Barrido Circular
Para la medición del índice m por medio de este método, se requiere de una red desfasadora para
desfasar la señal modulada. En este método sólo se requiere la señal modulada. Se inyecta la señal
modulada en el canal vertical y la señal modulada desfasada en el canal horizontal. Configurando el
osciloscopio en modo XY se puede calcular el índice m.
Una consideración a tener en cuenta es que el valor del capacitor no debe ser muy grande. Si lo
fuese, puede comportarse como un corto a la frecuencia de trabajo, y se vería una recta en la
pantalla.
Al variar la amplitud de la señales de
entrada, variará el tamaño de la elipse; en consecuencia, al modular la señal, tendremos un número
grande de elipses que generan una figura elipsoidal de borde ancho.
En ausencia de modulación, la figura se reduce a una simple elipse. Al aumentar el índice de
modulación, el ancho de esta elipse irá aumentando. Al tener modulación m=1 se tendrá un área
circular cerrada. Al sobremodular, el área seguirá aumentando y aparecerá un punto central cuyo
brillo aumentará al aumentar la sobremodulación.
Para evitar problemas de captación de campos externos, conviene hacer la red RC con conexiones
cortas, utilizando cable coaxial. También se recomienda construir la red desfasadora R-C con baja Z
por los mismos motivos. De ser posible, tómese el valor de R igual al de la Z de salida del
generador(o menor) y hágase el valor de C tal que su reactancia a la frecuencia de trabajo sea del
mismo orden de la R.
- Práctica de Laboratorio
En la práctica de laboratorio se procederá a medir el índice de modulación (m) de AM por los tres
métodos: Método Directo, Método del Trapecio y Método de Barrido Circular.
Elementos a utilizar:
- OSCILOSCOPIO Normal
Marca:
Número de serie:
- Puntas de Prueba Simples y Atenuadoras.
Marca:
Número de serie:
- Generador de AF:
Marca:
Número de serie:
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Max. Frecuencia de trabajo:
- Generador de RF: National y/o Wavetek
Características:
Características:.
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CONTROLES DEL GENERADOR DE RF WAVETEK 2505.
Precaución de uso: Después de apagar el generador, esperar 5 segundos antes de encender de
nuevo. Si el generador es apagado y prendido en corto tiempo, el transitorio de encendido puede
hacer que el circuito de protección no entregue potencia al ventilador y esto producir daño del
circuito electrónico.
Este dispositivo tiene tres display. Uno de ello es un medidor de bobina móvil de aguja para
indicación del porcentaje de modulación. Da indicación del índice de modulación de AM en %, y de
desviación de FM.
Los otros dos display, son digitales, y dan la frecuencia de la portadora y el nivel de salida en dBm,
mV o µV.
Teclas individuales permiten seleccionar el tipo de modulación a inyectar a la portadora (AM
interna o externa, FM interna o externa) y rango de frecuencia de la portadora. Un vernier permite
seleccionar el valor de frecuencia de la portadora en forma continua dentro del rango de frecuencia
seleccionado por las teclas (MHz, KHz).
Descripción de teclas:
INT AM: inyecta a la portadora una señal interna para modulación de AM. Trabaja en combinación
con la tecla 400/1000 para seleccionar la frecuencia de la modulante.
EXT AM: Inyecta a la portadora una señal modulante externa, la cual se debe inyectar en el
conector MOD IN en el frente del generador.
400/1000: selecciona la frecuencia de 400Hz o 1000Hz de la modulante interna.
INT FM: Inyecta a la portadora una señal modulante interna para modulación de FM. Trabaja en
combinación con la tecla 400/1000.
EXT FM: Inyecta a la portadora una señal modulante externa para modulación de FM.
MOD OFF: desactiva toda modulación de la portadora.
STR: Almacena en una RAM la configuración de una operación particular del generador.
RCL: llama de memoria la configuración grabada con STR para reproducir una configuración
particular.
LCL: Habilita la operación remota a través de un puerto GPIB por medio de una computadora, o
habilita la operación manual en modo Local.
FREQ: Inicializa el procedimiento para habilitar la salida de la portadora de RF.
LVL: Inicializa el procedimiento para establecer el nivel de salida de RF.
INIT: Inicializa los controles de frecuencia.
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Teclado Numérico:
El teclado numérico selecciona el valor de frecuencia de la portadora, el nivel de salida, el índice de
modulación en AM y la desviación de frecuencia en FM. Trabaja en conjunto con el vernier para
variar en forma fina los valores seleccionados por el teclado para fijar la salida deseada.
Vernier SPIN KNOB: girando la perilla, se varia la frecuencia de salida partiendo del valor
seleccionado por el teclado numérico.
MOD IN: Conector de entrada de señal modulante externa.
RF OUT: Conector de salida de señal modulada. Impedancia interna de salida de 50 Ohms. A fin de
evitar reflexiones de potencia, la impedancia caracteristica de la línea de transmision debe ser de 50
ohms y conectada a una carga de 50 ohm. Si la impedancia que carga al generador no es de 50 ohm,
el valor indicado por el medir de salida no es correcto, ya que el mismo esta calibrado para una
carga de 50 ohm.
Operación:
Verificar que la tecla OPERATE/AutoCal este en OPERATE. Esto permite el control manual del
generador desde el frente del mismo.
Seleccione Ext/Int según desee. Encienda el generador.
Seleccione la Frecuencia de la portadora, su nivel de salida, el tipo de modulación y su índice
utilizando el teclado y el vernier en conjunto con las teclas correspondientes para esto.
La tecla FREQ selecciona la frecuencia, la tecla LVL selecciona el nivel, y las teclas INT AM, INT
FM, EXT AM, EXT FM seleccionan el tipo de modulación y el índice m.
Precaución: Cuando el vernier es usado para fijar el nivel de salida de la señal RF, tener cuidado de
no sobrecargar el dispositivo conectado a la salida del generador.
2- PROCEDIMIENTO:
PRE-OPERACION
1- Seleccionar el tipo de punta de prueba de acuerdo al rango de frecuencias seleccionadas para
trabajar.
2- Colocar la perilla de intensidad a un mínimo.
3- Verificar que tipo de alimentación necesitan los instrumentos a usar (220 o 110 V).
4- Colocar el circuito de base de tiempo en barrido de Línea.
5- Seleccionar la entrada de los canales en posición de Tierra.
6- Seleccionar observación de canal A.
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7- Encender el osciloscopio y verificar la posición del eje horizontal en el centro de la pantalla.
Si no se ve el haz, use el botón Find para ver donde se encuentra el haz. Use el control Posición para
centralizar el haz en la pantalla.
8- Ajustar el foco y la intensidad a fin de tener un haz limpio y no demasiado intenso para evitar
envejecimiento del fósforo o su quemado por exceso de intensidad.
9- Verificar la horizontalidad del haz y ajustar si es necesario el tornillo.
10- Colocar las puntas de prueba y leer la frecuencia de referencia del osciloscopio. Verificar la
calibración de voltaje de los canales de acuerdo al valor pico a pico de la frecuencia de referencia.
11- Ajustar las puntas Atenuadoras para compensación de frecuencia.
12- Observar los controles, informarse del funcionamiento y tomar las precauciones necesarias de
acuerdo al manual de los nuevos instrumentos a usar, en este caso de los generadores de RF. Tener
mucho cuidado de evitar cortos circuitos debido a los valores de energía puestos en juego.
Revisar muy bien las conexiones y usar cables coaxiales en buenas condiciones para evitar
automodulación por 50Hz, o ruido en las señales ingresadas al osciloscopio.
Hacer conexiones de tierra en un punto en común, para reducir efecto de interferencia y de modo
común.
OPERACION:
1- Método DIRECTO
1a- Estudio de las posibilidades del Generador de Radio Frecuencia y operación.
1b- Se selecciona la señal de portadora (RF)
elegida para trabajar entre 1 a 10 Mhz. Se inyecta
una señal de AF desde el generador de Audio a la
entrada de la señal modulante del generador de RF
1c- Se inyecta la salida del generador de RF al
canal A del osciloscopio para visualizar la señal
modulada en Amplitud. Se toma la señal de AF
como entrada externa para el sincronismo del
barrido horizontal y se sincroniza con externo este barrido. También puede inyectarse la señal de
AF al segundo canal y sincronizar el osciloscopio con este canal. Esto se hace para visualizar una
señal estable con la señal de AF.
Se varia la amplitud de la señal modulante (AF) para ver los efecto de modulación y sobremodulación.
Se ajusta la amplitud de AF para unos 38 a 40 % de modulación según lo indicado por el medidor
del generador de RF.
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1d- Se mide la amplitud pico a pico de la señal de RF en los picos y valles de la envolvente de la
portadora (Modulante de AF).
Se calcula el índice de modulación m usando la expresión:
m=
A−B
× 100 [% ]
A+ B
Hacer informe con datos de los instrumentos, condiciones de trabajo, valores usados y obtenidos, y
diagramas de señales obtenidas en escala.
2.- Método del TRAPECIO
2a- Manteniendo el sistema usado en el
método Directo, se inyecta la señal
modulante al canal vertical B/X, (para
barrido externo), y se configura el
osciloscopio como XY. Se ajusta la
ganancia/atenuación de los canales a fin de
obtener la mayor forma trapezoidal para
mejor determinación de los valores de A y B.
2b- Se leen los valores de A y B y se calcula el índice de modulación si no hay distorsión del
trapecio. Variar el índice desde 0 a 1 para ver los resultados. Sobremodular la señal y observar
resultados.
2c- Si el trapecio presenta deformación en
los lados superior e inferior, conectar una red
desfasadora y desfasar la modulante.
Observar la forma trapezoidal. Leer los
valores de A y B.
Calcular el índice m usando la formula:
m=
A− B
x100[%]
A+ B
Hacer informe con datos de los instrumentos, condiciones de trabajo, valores usados y obtenidos, y
diagramas de señales obtenidas en escala.
3- Método del BARRIDO CIRCULAR
3a- Configurar el osciloscopio para graficación XY, y la base de tiempo en Ext.
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3b- Armar el circuito de prueba para Barrido Circular.
3c- Con los valores de frecuencia y amplitud usado para las mediciones de los anteriores métodos,
calcular el índice m leyendo los valores de A y B.
m =
A− B
× 100 [% ]
A+ B
Variar el índice de modulación observando las formas de la elipse y describirla para el caso de m=1,
m=0, y sobremodulación.
Hacer un informe con datos de los instrumentos, condiciones
obtenidos, y diagramas de señales obtenidas en escala.
de trabajo, valores usados y
Preguntas:
1- Qué inconvenientes tiene el método Directo. (Asimetría y Distorsión)?
2- Porqué se coloca la señal de RF en el Canal vertical y la AF en el horizontal? Que características
debe tener el Capacitor de la red desfasadora a la frecuencia de interés?
3- De qué depende que el eje de la elipse en el método del Barrido Circular sea más grande o más
chico?
4- Cómo sería la forma de la elipse del método de Barrido Circular para el caso de índice m=0 y
m=1?
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