Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE-0408 Laboratorio Eléctrico II
Reporte Final:
Transmisión de una señal de audio mediante infrarrojo.
Profesor:
Ing. Jaime Cascante Vindas
Por:
Cabezas Castillo Carlos Julio A61029
Corrales Contreras Jorge Andrés A61757
Campos Brenes Jensen Alejandro A91263
Grupo # 1, Subgrupo #3
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
10 de Julio del 2013
ii
Tabla de contenido Resumen ........................................................................................................................................ 1
Objetivos ....................................................................................................................................... 2
Objetivos generales: .................................................................................................................. 2
Objetivos específicos: ................................................................................................................ 2
Marco de referencia. ..................................................................................................................... 3
Emisor infrarrojo: ...................................................................................................................... 3
Receptor infrarrojo:................................................................................................................... 5
Detalles Importantes en la frecuencia modulada: .................................................................... 6
Lista de equipo ............................................................................................................................ 10
Diseño .......................................................................................................................................... 11
Procedimiento. ............................................................................................................................ 21
Modificaciones al diseño inicial. ................................................................................................. 22
Resultados y análisis de resultados. ............................................................................................ 26
Conclusiones y recomendaciones ............................................................................................... 34
Bibliografía .................................................................................................................................. 35
Anexos ......................................................................................................................................... 36
Datos importantes del LM386: Amplificador de sonido ......................................................... 36
Datos importantes del NTE30047: Emisor infrarrojo .............................................................. 37
Tabla de figuras Figura 1: Espectro electromagnético ............................................................................................ 3
Figura 2 Diagrama de bloques completo [2] ................................................................................. 3
Figura 3 Circuito emisor infrarrojo ................................................................................................ 4
Figura 4 Circuito receptor infrarrojo ............................................................................................. 5
Figura 5 Cadena de transmisión en radio difusión [2] .................................................................. 7
Figura 6 Modulación en frecuencia [2] ......................................................................................... 8
Figura 7 Circuito tanque LC [5] ...................................................................................................... 9
Figura 8 Esquemático del micrófono Electret [2] ........................................................................ 10
Figura 9 Diagrama del sistema de transmisión de audio. [3] ...................................................... 11
Figura 10 Etapa transductora con valores teóricos..................................................................... 12
Figura 11 Señal de salida y entrada del circuito transductor ...................................................... 12
Figura 12 Circuito amplificador con valores teóricos. ................................................................. 13
Figura 13 Señales de entrada y salida del circuito amplificador ................................................. 14
Figura 14 Salida del oscilador LM555 operación astable(30kHz) ................................................ 14
Figura 15 Circuito modulador de la señal de audio. ................................................................... 15
Figura 16 Modulación de una señal sinusoidal. .......................................................................... 15
iii
Figura 17 Circuito emisor de señal moduladora de audio. ......................................................... 16
Figura 18 Señal del diodo emisor respecto señal externa. ......................................................... 17
Figura 19 Señal del diodo emisor respecto señal externa amplificada. ...................................... 17
Figura 20 etapa receptora de la señal modulada........................................................................ 18
Figura 21 Señal captada por el receptor ..................................................................................... 18
Figura 22 Circuito regenerador ................................................................................................... 19
Figura 23 Salida de la etapa regeneradora y receptora .............................................................. 20
Figura 24 Circuito pre amplificación del micrófono .................................................................... 22
Figura 25 Esquema completo del receptor ................................................................................. 23
Figura 26 Circuito receptor ......................................................................................................... 24
Figura 27 Circuito limitador ......................................................................................................... 25
Figura 28 Circuito del parlante [Hoja de fabricante] ................................................................... 25
Figura 29 Señal de entrada.......................................................................................................... 26
Figura 30 Señal del oscilador sin entrada .................................................................................... 27
Figura 31 Señal del oscilador con entrada .................................................................................. 27
Figura 32 Señal modulada sin entrada ........................................................................................ 28
Figura 33 Señal modulada con entrada ...................................................................................... 28
Figura 34 Salida del receptor....................................................................................................... 29
Figura 35 Salida del filtro pasa altos sin entrada ........................................................................ 29
Figura 36 Salida del filtro pasa altos con entrada ....................................................................... 30
Figura 37 Señal del circuito limitador sin entrada ...................................................................... 30
Figura 38 Señal del circuito limitador con entrada ..................................................................... 31
Figura 39 Salida de la etapa demoduladora sin los auriculares. ................................................. 31
Figura 40 Salida de la etapa demoduladora con los auriculares ................................................. 32
Figura 41 Salida del parlante sin los auriculares ......................................................................... 32
Figura 42 Salida del parlante con los auriculares ........................................................................ 33
Resumen
Este documento presenta el desarrollo correspondiente al sistema de transmisión
de audio mediante la implementación de la tecnología infrarrojo. Donde se documenta
la información necesaria para analizar los resultados obtenidos que dan fe del trabajo
realizado.
La señal es recibida mediante un micrófono y por medio de la implementación de
una etapa pre amplificadora se obtiene una señal con una amplitud adecuada para
recibir el tratamiento necesario para ser transmitida.
La señal amplificada es modulada y transmitida mediante un transmisor infrarrojo,
luego esta señal es recibida por el receptor infrarrojo y se somete a varias etapas de
reconstrucción de la señal y así extraer el sonido a partir de la onda cuadrada; en
primera instancia las señal pasa por un filtro pasa altos para atenuar interferencias de
baja frecuencia, y recibe una amplificación que ayuda a mantener la información que
contiene la señal.
Seguidamente se hace pasar la señal por un limitador e inmediatamente después
del circuito detector de umbral se presenta la etapa demoduladora, para la cual se
utiliza un filtro pasa bajos para eliminar el tren de alta frecuencia y poder reconstruir la
señal emitida inicialmente, este circuito permite valga la redundancia demodular la
señal además se coloca un bloque DC que permite eliminar el nivel en corriente
continua asociado a la señal de interés.
Finalmente la señal de interés está lista para ser reproducida por un parlante y con
esto se da la finalización de todas las etapas.
2
Objetivos
Objetivos generales:
Transmitir una señal de audio mediante un sistema infrarrojo.
Objetivos específicos:
Aplicar e implementar los conocimientos adquiridos respecto a osciladores
Construir un circuito controlador para un el LED emisor.
Construir un circuito receptor para la señal infrarroja emitida.
Implementar una etapa regeneradora para la señal recibida.
Demodular y amplificar la señal recibida.
3
Marco de referencia.
Emisor infrarrojo:
El emisor infrarrojo es un circuito que puede enviar una señal por medio de
ondas del ámbito infrarrojo. En este caso se le envía una señal de frecuencia y este
debe transmitirla a un receptor infrarrojo cercano. Las ondas infrarrojas son parte del
espectro electromagnético y van desde los 700 nm hasta los 1000 nm, como se
muestra en la Figura 1: Espectro electromagnético
Figura 1: Espectro electromagnético
El circuito a realizar se describe por el diagrama de bloques que se muestra en la
Figura 2 Diagrama de bloques completo.
Figura 2 Diagrama de bloques completo [2]
Por otro lado la topología del emisor infrarrojo que se utilizará se muestra en la Figura 3
Circuito emisor infrarrojo, el cual se generará la señal de frecuencia por medio de un
4
multivibrador, un amplificador en modo seguidor de tensión y un emisor infrarrojo. El
transistor trabaja en corte y saturación para conectar el circuito del diodo a tierra y
desconectarlo, según la frecuencia de la señal aplicada a su base.
Figura 3 Circuito emisor infrarrojo
Los multivibradores se pueden dividir en dos clases:
De funcionamiento continuo: También se les conoce como \textitastables ya
que no mantienen un estado estable, sino que dos semiestables. Generan las
ondas a partir de su misma alimentación, por lo tanto no necesitan de ningún
pulso de activación.
De funcionamiento impulsado: Estos sí necesitan de un impulso de entrada o
disparo para activarse. Hay dos tipos, los biestables y los monoestables.
1. Biestables: Posee dos estados estables.
2. Monoestables: Posee solo un estado estable.
La siguiente etapa sería el amplificador operacional en modo seguidor de tensión, esta
sirve para realizar un acople de impedancias, de modo que la etapa siguiente pueda
abastecerse de corriente mientras obtiene los mismos niveles de tensión que provee el
oscilador. En este caso se usará el amplificador unipolar LM358, el cual presenta
ventajas por encima de los otros amplificadores comerciales ya que, como lo dice su
nombre, solo se debe alimentar con una tensión positiva; además de que tiene una
alta corriente de salida de típicamente 30 mA para abastecer la siguiente etapa del
transistor con el emisor infrarrojo.
THRES
CONT
TRIG
RESET OUT
DISC
VC
CG
ND
U1 LM555R1 100kOhm
C3 47nF
R3 500Ohm
V1 5V
R2 250Ohm
C1 40nF
VF1
+
VG1
-
++
LM358
V2 9V
Rb 1kOhmT1 2N2222
LE
DR
c 8
2O
hm
V3 9V
Vd
Vb
5
Como se dijo antes, el transistor funciona en corte y saturación, por lo tanto se utiliza
un transistor simple 2N2222.
Finalmente el elemento final de transmisión de la señal es el diodo IRED que se
encarga de transmitir por luz infrarroja. Este se comporta eléctricamente como
cualquier LED, ya que se debe polarizar con cierto nivel de tensión y tiene límites de
corriente que lo pueden atravesar, por lo tanto se debe tener cuidado a la hora de
diseñar la resistencia que lo proteja. Se utilizará el IRED radio shack 276-143 como en
el caso del experimento tres.
De la hoja de fabricante se obtiene que la tensión típica para polarizarlo es de 1.3 V
mientras lo atraviesa una corriente máxima de 150 mA. El diodo emite una señal
infrarroja de una longitud aproximada de 950 nm.
Receptor infrarrojo:
El circuito receptor infrarrojo que se va a utilizar en el diseño es el mostrado en la
siguiente figura:
Figura 4 Circuito receptor infrarrojo
Esta etapa está constituida por un fototransistor y un amplificador de la señal, Un
fototransistor es un transistor sencillo cuya polarización depende de la detección de
luz. En este caso se va a utilizar un fototransistor infrarrojo. Los fotones de la luz
infrarroja inducen un movimiento de electrones, lo que resulta en un flujo de
corriente, es decir, se da conducción. El más común, y el que se va a implementar en
este experimento es el Radio Shack 276-142.
6
La corriente máxima en el colector es de 50 mA, y representa el mismo concepto y
cuidado descrito por la máxima corriente forward del diodo. Su disipación de potencia
es de 13 a 15 mW al detectar una longitud de onda de 950 nm.
Es importante notar que la sensitividad máxima de longitud de onda del foto receptor
infrarrojo es de 850 nm y para el emisor 950 nm. Esta diferencia se debe a que los
materiales de construcción del emisor y del receptor son distintos, sin embargo el
detector tiene una banda espectral desde los 620 a los 980 nm, por lo cual se dan
resultados acertados a los 850 nm.
Aunque este componente es un transistor, el encapsulado cuenta con solamente dos
patillas, dado que la base constituye el sensor de infrarrojo.
De la topología para la recepción de infrarrojo
De la figura del receptor infrarrojo y conociendo el funcionamiento del
fotoreceptor Radio Shack 276-142, se sabe que:
Cuando se presenta una onda infrarroja, el fototransistor se polariza y genera
una conexión a tierra, es decir, pone 0 V antes del capacitor.
Cuando no se detecta luz infrarroja, el fotoreceptor no se polariza, no conduce
y pone una tensión de $V_cc$ antes del capacitor.
El capacitor a la entrada de la siguiente "sub-etapa", se coloca para eliminar las
componentes DC, las cuales representan ruido proveniente del fototransistor.
Detalles Importantes en la frecuencia modulada:
Para poder llevar a cabo un transmisor en FM se deben de tener claros algunos conceptos, los
cuales se definirán a continuación.
Radio difusión
Conjunto de dispositivos utilizados para transmitir a distancia la voz y música haciéndolas así
asequibles para muchas personas a la vez. Es necesario llevar a cabo transformaciones de las
ondas de sonido en otro tipo de oscilaciones, luego estas señales eléctricas que son utilizadas
como medio de transporte se amplifican para así convertirlas en ondas con frecuencias
audibles. En la figura 1 se puede ver un bosquejo del proceso
7
Figura 5 Cadena de transmisión en radio difusión [2]
Las ondas sonoras se convierten en corriente alterna por medio de un transconductor
electroacústico (micrófono) luego se modula para trasportar la información por medio de una
onda portadora que sale de la antena emisora como ondas electromagnéticas. Por último las
ondas electromagnéticas se convierten de nuevo en corriente alterna y se convierten en ondas
audibles por medio del altavoz.
Modulación
Las señales de banda base (banda de original de frecuencia) que generan las diferentes fuentes
de información no se prestan para la transmisión de información directa debido a que con
frecuencias bajas el tamaño de las antenas son desproporcionales. Según la teoría
electromagnética la radiación eficiente se consigue cuando la antena radiadora tiene la
longitud de cuando menos 1/10 de la longitud de onda de la señal que se desee radiar. Bajo
estas condiciones para transmitir una señal directamente de 1000Hz se necesita una antena de
alrededor de 30 km.
Por esta razón a menudo se deben de modificar para facilitar su trasmisión. A esta
modificación de la onda se conoce como modulación y consiste en hacer variar un parámetro
de la señal portadora de alta frecuencia en función de la señal de banda base.
La modulación puede ser analógica o digital. Para este experimento se pretende hacer una
modulación analógica ya que se emplea como portadora una señal continua.
El proceso de modulación es un proceso reversible, esto es, la información de la banda base se
puede recuperar en un receptor mediante el proceso inverso, demodulación.
Para efectos del transmisor en FM propuesto no se diseñara la parte de demodulación debido
a su complejidad por lo que se utilizara un receptor de radio comercial (radiograbadora, celular
entre otros).
8
Frecuencia modulada
La modulación se lleva a cabo a partir de la variación de la frecuencia de la onda portadora de
manera proporcional a la amplitud de la señal modulante. Una característica importante es
que la amplitud de la portadora no varía por lo cual la relación señal-ruido se mejora (se
reducen los problemas relacionados a la amplificación del ruido).
Figura 6 Modulación en frecuencia [2]
Oscilador LC
Es un circuito utilizado para establecer frecuencia, también conocidos como circuitos tanque
LC. El funcionamiento de un circuito tanque LC implica intercambio de energía cinética y
potencial. Una vez insertado una corriente al circuito de la figura 3, lo que se produce es un
intercambio de de energía entre el inductor y el capacitor. Produciendo un voltaje de salida
alterno con una frecuencia determinada. Esa frecuencia no es más que la frecuencia de
resonancia de la red LC en paralelo y se calcula con la siguiente formula.
𝑓𝑜 =1
2𝜋√𝐿𝐶 (1)
La frecuencia que se calcula con la fórmula 1 es la frecuencia en la cual el circuito va a
transmitir la información, es decir, esta es la frecuencia de la onda portadora.
Lo difícil es conseguir los valores tan pequeños de los capacitores e inductores ya que las
frecuencias que demodulan los radios comerciales andan en el orden de 88 MHz y 107 MHz
Para el transmisor se establece un valor de inductancia y luego se varía un capacitor hasta
establecer una frecuencia deseada.
9
Figura 7 Circuito tanque LC [5]
Microfono electret
Es un micrófono de condensador que utiliza un electrodo laminar. Este electrodo es un
dieléctrico permanentemente polarizado (análogo a un iman).
Este tipo de micrófono consta de dos partes esenciales: un electrodo fijo y otro móvil, el fijo
consta de una placa metálica con perforaciones y el móvil consta de una membrana de
material plástico.
La principal ventaja que presente un micrófono electret sobre los micrófonos de condensador
consiste en la ausencia de una fuente de polarización.
La respuesta en frecuencia de estos micrófonos abarca desde 50 Hz hasta 15 KHz dentro de
±3dB. Su impedancia es relativamente baja, alrededor de 1.5kΩ a 1kHz lo cual permite
conectar de manera directa a la entrada del amplificador.
Su funcionamiento se basa en la variación de la capacidad entre dos placas. La placa móvil
varia con el sonido que percibe; al vibrar varia su distancia en relacion con la placa fija y por
consiguiente la capacidad existente entre las dos placas. Estas variaciones se aplican a un
transistor de efecto de campo modificando la corriente de este componente y así se obtiene
una variable eléctrica que depende del sonido.
10
Figura 8 Esquemático del micrófono Electret [2]
Lista de equipo
Equipo Sesión 1 Sesión 2 Sesión 3
Fuente DC 1 127351 236076 127351
Fuente DC 2 236077 236077 236076
Osciloscopio 193641 193642 193641
Multimetro 179221 179221 179225
11
Diseño
Diseñar las etapas del siguiente diagrama de bloques que representa el sistema de
transmisión de audio vía infrarrojo:
Figura 9 Diagrama del sistema de transmisión de audio. [3]
1) Emisor infrarrojo de señal modulada.
Esta etapa de transmisión de la señal de audio comienza por la etapa de detección del
mismo, para esto se utilizara el micrófono electrek acoplado a una etapa amplificadora
a la salida del dispositivo para aplicarla al LM555 como señal moduladora.
El circuito de la etapa transductora cuenta usualmente con un transistor tipo FET de
canal N. Las características de uno de estos transistores pueden encontrarse en los
anexos. De la hoja del fabricante se extrae que la corriente máxima de conducción
entre las terminales drenaje y fuente es de 1 mA, por lo tanto, para proteger la
integridad del componente, se decide utilizar la mitad de éste valor (0,5 mA). El valor
de la resistencia limitadora se obtiene analizando la figura 1 para obtener la siguiente
ecuación:
𝑅1 =𝑉𝑅1
𝐼𝐷𝑆=
𝑉𝑐𝑐−𝑉𝐷𝑆
𝐼𝐷𝑆 (2)
Donde 𝐼𝐷𝑆 es la corriente que circula entre las terminales drenaje y fuente, y 𝑉𝐷𝑆 es la
tensión en terminales del transistor. Si se escoge una tensión entre terminales del
transistor de 4 V para una fuente de alimentación de 9 V, sustituyendo los valores en la
ecuación [10] se obtiene el valor de la resistencia limitadora.
𝑅1 =𝑉𝑅1
𝐼𝐷𝑆=
9−4
0,5𝑥10−3 = 10𝑘Ω (3)
12
Con 4 V como tensión drenaje-fuente y con una corriente de 0,5 mA se obtiene que la
potencia que debe disipar el transistor es de solo 2 mW, un valor muy por debajo de la
disipación máxima de 100 mW.
Las siguientes figuras muestran el diagrama de un circuito análogo al micrófono y
algunas señales de prueba obtenidas con los valores encontrados.
Figura 10 Etapa transductora con valores teóricos
Figura 11 Señal de salida y entrada del circuito transductor
T1 2N3369
-+
VG1
R1 1
0k
+U1
VF1V
F2R 100
T
Time (s)
0.00 100.00u 200.00u 300.00u
VF1
-5.00m
5.00m
VF2
-10.00m
10.00m
13
Teniendo en cuenta la señal de salida del micrófono, se debe tomar esta señal de
salida y amplificarla, para esto se utilizara un generador para simular la salida del
micrófono con un capacitor de 100nF para eliminar el nivel DC de la señal de salida del
transductor; la configuración es la siguiente:
Figura 12 Circuito amplificador con valores teóricos.
La impedancia de entrada de la etapa amplificadora debe ser lo suficientemente alta
para no cargar la etapa anterior, lo que justifica los altos valores de las resistencias R2
y R3. La ganancia del amplificador viene dada por la siguiente ecuación, y debe ser lo
bastante grande como para obtener niveles de tensión apreciables a partir de voltajes
en el orden de los mV obtenidos del micrófono. Aplicando la formula con los valores
de R4 y R5 se obtiene lo siguiente:
𝐺1 =𝑉𝑜1
𝑉𝑜2= 1 +
𝑅5
𝑅4= 1 +
220𝑘Ω
470Ω= 469
La siguiente figura muestra la salida del circuito amplificador de la salida del
micrófono:
R2
150k
R3
220k
R5 220k
R4
470
Vo2
+Vcc
C3
10u
C1 100n-
+
VG1-
++
OP1 LF353V1
9V
2 9
14
Figura 13 Señales de entrada y salida del circuito amplificador
Para realizar la modulación de la señal de audio es necesario diseñar un multivibrador
utilizando un LM555, la frecuencia debe ser alrededor de 30 kHz, para que la señal
portadora sea mucho mayor en frecuencia que las señales de audio transmitidas por el
micrófono. La frecuencia de salida de un LM555 en operación astable viene dada por la
fórmula:
𝑓 =1,44
(𝑅𝑎+2𝑅𝑏)∗𝐶 (4)
𝑓 =1,44
(500 + 2 ∗ 250) ∗ 47𝑛𝐹
𝑓 = 30638𝐻𝑧.
La salida de este oscilador simulada en TINA es de la forma:
Figura 14 Salida del oscilador LM555 operación astable(30kHz)
T
Time (s)
0.00 100.00u 200.00u 300.00u
Vo1
-10.00m
10.00m
Vo2
-2.00
2.00
15
Donde efectivamente, f=1/32.8us = 30487Hz, cercano al valor deseado de 30kHz que
se deseaba.
El circuito implementado con este LM555 y con la entrada de audio moduladora se
representa en la siguiente figura:
Figura 15 Circuito modulador de la señal de audio.
Si se aplica una señal en el generador igual a la salida del amplificador del micrófono la
salida del oscilador tendría su forma característica en modulación por frecuencia:
Figura 16 Modulación de una señal sinusoidal.
Se corrobora la modulación a la salida del multivibrador, siendo VF1 modificada en
frecuencia dependiendo del valor de la señal moduladora (audio) que se está
aplicando externamente.
THRES
CONT
TRIG
RESET OUT
DISC
VC
CG
ND
U1 LM555R1 100kOhm
C3 47nF
R3 500Ohm
V1 5V
VF
1
R2 250Ohm
C1 40nF
+ VG1
16
Para la etapa emisora, una vez que se tiene el modulador, se procede a conectar la etapa del
seguidor de tensión usando un LM358 y el sistema transistor-LED.
Para calcular las resistencias de la base del transistor (Rb) y la limitadora de corriente del LED
(Rc), se procede de la siguiente manera. Analizando el circuito propuesto para el emisor
infrarrojo, aplicando mallas y con los datos de las hojas del fabricante, se tiene que:
Para el transistor:
* 0Vo Ib Rb Vbe (5)
0,87,6 * 0,6 0
100Rb
875Rb
Para el LED:
9 * 1,2 0Ic Rc Vce (6)
De las especificaciones del fabricante, el diodo LED Radio Shack 276-143 trabaja a 1,28 V a 100
mA. Y cuando el transistor está saturado, la tensión Vce es de 0,23 V. Se obtiene:
74,9Rc
Ajustando a valores comerciales: Rb= 1 kΩ y Rc= 82 Ω.
Para el caso de Rc, esta disipará aproximadamente 1 W.
El circuito implementado en TINA es:
Figura 17 Circuito emisor de señal moduladora de audio.
THRES
CONT
TRIG
RESET OUT
DISC
VC
CG
ND
U1 LM555R1 100kOhm
C3 47nF
R3 500Ohm
V1 5V
R2 250Ohm
C1 40nF
VF1
+
VG1
-
++
LM358
V2 9V
Rb 1kOhmT1 2N2222
LE
DR
c 8
2O
hm
V3 9V
Vd
Vb
17
Se usa un diodo emisor de luz para la simulación, no obstante para la práctica de
laboratorio se usara un diodo emisor infrarrojo para transmitir la señal modulada a la
etapa correspondiente, esta señal modulada emitida por el diodo IR se aprecia en la
siguiente simulación:
Figura 18 Señal del diodo emisor respecto señal externa.
La señal VF1 representa el comportamiento del diodo emisor ante la entrada externa
moduladora VG1. Esta señal emitida es la que se desea recibir satisfactoriamente en la
siguiente etapa, con el fin de amplificarla para poder trabajar en su demodulación para
ser finalmente reproducida por un altavoz si fuese posible.
Para apreciar mejor la modulación en frecuencia se hace un acercamiento a la gráfica
anterior:
Figura 19 Señal del diodo emisor respecto señal externa amplificada.
18
2) Receptor infrarrojo de la señal modulada.
Para la recepción de la señal se hará por medio de un foto receptor, similar al emisor
de la etapa anterior, pero para la simulación se sustituirá por el transistor Q1, para
hacerlo más representativo se supone que la señal emitida debe ser igual en la etapa
de recepción, por esto se simula el circuito uniendo ambas etapas por alambrada. El
circuito tiene la siguiente configuración:
Figura 20 etapa receptora de la señal modulada.
Este receptor se compone básicamente de dos etapas: Un fotodetector ajustado y un
amplificador de señales. El fotodetector puede ser un fototransistor o un fotodiodo, el
amplificador de señales se encarga de amplificar la señal percibida por el fotodetector.
Comparando la señal emitida con la recibida en la parte receptora se obtiene la siguiente
simulación:
Figura 21 Señal captada por el receptor
THRES
CONT
TRIG
RESET OUT
DISC
VC
CG
ND
U1 LM555R1 100kOhm
C3 47nF
R3 500Ohm
V1 5V
R2 250Ohm
C1 40nF
+
VG1
-
++
LM358
V2 9V
Rb 1kOhmT1 2N2222
LE
DR
c 8
2O
hm
V3 9V
VF1
Q1 2N2222
Ro 4
70O
hm
V 9V
Vce
P1 5kOhm
T
Time (s)
0.00 250.00u 500.00u 750.00u 1.00m
VF1
0.00
2.00
VG1
-2.00
2.00
Vce
0.00
200.00m
19
La señal Vce corresponde a la señal recibida por medio del emisor, es necesario
amplificar esta señal para lograr seguir trabajando en las etapas posteriores.
Para ello se debe armar un circuito que reconstruya la onda cuadrada FM generada
por el 555. Esto se logra mediante un comparador (LM311 / LM111) que conmuta
entre –15 V y +15 V siendo estos valores los únicos posibles a la salida debido a la
configuración de la etapa.
Mediante un divisor de tensión se logra fijar un valor apropiado a la terminal no
inversora del comparador, precisamente para controlar el umbral y situarlo a un nivel
dentro del margen de tensiones obtenido en el detector.
A esta etapa le llamamos circuito regenerador.
Figura 22 Circuito regenerador
Para verificar que el circuito regenerador funcione adecuadamente se conecta en
cascada con las etapas anteriores y se compara su señal de salida (VF3) con la salida
del 555 (VF2). También es útil incluir la señal de la fuente (VG1).
J1
R4 4,7k 5%
V5 15
V4 15
-
++
U2 LM111
R5 10k 5%R7 47 5%
R6 1
0k 5
%
VF3
20
Figura 23 Salida de la etapa regeneradora y receptora
Solo resta una última etapa demoduladora, la cual consiste en extraer la señal de
sonido a partir de la onda cuadrada reconstruida.
Para ello se utiliza un circuito conversor frecuencia-tensión, que básicamente
transforma las variaciones de frecuencia en variaciones de amplitud, en otras
palabras, convierte la modulación en frecuencia a modulación en amplitud.
Una manera sencilla de lograrlo es mediante un circuito resonante LC. La respuesta en
frecuencia de este circuito tiene como máximo la frecuencia de resonancia 𝑓𝑜 = 1
2𝜋√𝐿𝐶
Se trata de acomodar esta frecuencia lo más próxima a la frecuencia de la onda
portadora fijada en 30 kHz, para que las variaciones de frecuencia de la portadora se
traduzcan en variaciones significativas de amplitud al pasar por el filtro LC.
De los valores del siguiente diseño 𝑓𝑜 resulta 28 kHz.
T
Time (s)
0.00 500.00u 1.00m 1.50m 2.00m
VF2
0.00
4.00
VF3
-20.00
20.00
VG1
-1.00
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Procedimiento.
1) Identificar el micrófono, dispositivo que se va a utilizar para la detección del
sonido. Implementar su correcta conexión y su circuito para la amplificación;
una vez conectado verificar su salida con ayuda del osciloscopio, ya que esta
señal será la utilizada como moduladora.
2) Configurar el LM555 en operación astable, verificar su frecuencia de salida si es
la esperada de acuerdo al diseño previo. Una vez que se tiene oscilando el
multivibrador, se le aplica la señal moduladora en la terminal “control voltaje”
A través del capacitor de 40nF; a la salida se debería tener una señal modulada
en frecuencia, verificar esto con el osciloscopio. Luego de tener esta señal, se
implementa la etapa seguidora-transistor-emisor IR, la cual es la encargada de
transmitir la señal vía infrarrojo. Se compara la señal modulada a la salida del
LM555 con la señal en el diodo emisor, con el fin de corroborar su similitud.
3) En una protoboard diferente armar la configuración del diodo receptor. Luego
de tener el circuito verificar la señal recibida y compararla con la señal
modulada de la etapa emisora.
4) Construya el circuito regenerador y compare tanto su salida como la del
receptor con la señal modulada en frecuencia del LM555.
5) Arme la etapa demoduladora y verifique si se obtuvo una señal modulada en
amplitud.
6) Pruebe la transmisión de sonido a través del circuito mediante el uso de los
altavoces. Además varíe distancias y ángulos entre los circuitos emisor y
receptor.
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Modificaciones al diseño inicial.
Inicialmente para captar la señal con el micrófono fue necesario implementar un
circuito pre amplificador que permitiera captar de manera adecuada la señal
correspondiente dicho circuito se muestra en la figura 24, donde por medio de
transistores se logró una adecuada amplificación de la señal que permitiera el
tratamiento correspondiente.
Figura 24 Circuito pre amplificación del micrófono
Para la parte receptora se realizaron ciertas modificaciones que contribuyeron al éxito
del proyecto, dentro de las más importantes se presenta el cambio del circuito
receptor y demodulador.
El esquemático del circuito receptor se muestra en la Figura 25 Esquema completo del
receptor.
El cual cuenta con cuatro etapas posteriormente cada una de las etapas se explica con
más detalle; básicamente se cuenta con un receptor con su etapa de amplificación, un,
filtro pasa altos para rechazar las interferencias de baja frecuencia, un limitador de
umbral u un demodulador.
Para la parte del receptor que se muestra en la Figura 26 Circuito receptor se tiene que la
señal que se recibe es sumamente pequeña por lo que se aplica una etapa de
amplificación para poder tratar la señal posteriormente y finalmente reproducir el
audio que se envía desde el receptor.
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Figura 25 Esquema completo del receptor
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Figura 26 Circuito receptor
En esta configuración seguida de la etapa amplificadora se presenta un filtro pasa altos
con el fin de atenuar las señales de baja frecuencia que provocan interferencia en las
señales deseadas, sin embargo se debe advertir que la transmisión de audio por IR
propiamente introducirá cierta interferencia al sistema.
Por otro lado es de suma importancia limitar el umbral de la señal dado que en este
punto la señal en teoría ya fue amplificada y no presenta mucho ruido y sin
interferencia por lo que el circuito detector de umbral viene a solucionar el problema
de que la amplitud de la señal sea desplazada; dicho circuito se muestra en la Figura 27
Circuito limitador.
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Figura 27 Circuito limitador
Inmediatamente después del circuito detector de umbral se presenta la etapa
demoduladora, para la cual se utiliza un filtro pasa bajos para eliminar el tren de alta
frecuencia y poder reconstruir la señal emitida inicialmente, este circuito permite valga
la redundancia demodular la señal además se coloca un bloque DC que permite
eliminar el nivel en corriente continua asociado a la señal de interés.
Finalmente para la implementación del parlante se debió crear un circuito que
permitiese su adecuado funcionamiento el cual corresponde a un acople de
impedancia con una etapa de amplificación el cual se muestra en la Figura 28 Circuito
del parlante.
Figura 28 Circuito del parlante [Hoja de fabricante]
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Resultados y análisis de resultados.
Durante el transcurso del experimento se presentaron diversas modificaciones que
concluyeron con la exitosa finalización del proyecto propuesto. Con el fin de
documentar la información obtenida se presentan y analizan las capturas de mayor
relevancia, que describen el buen funcionamiento del proyecto en cuestión.
Para ejemplificar de manera adecuada varias de las etapas se presenta la señal
obtenida cuando se introduce el sonido a través de los auriculares y también cuando el
sistema se encuentra sin ninguna señal de entrada
En primera instancia se presenta la señal obtenida a la salida de la etapa de
amplificación del micrófono, se señal que se presenta en la Figura 29 Señal de entrada
corresponde a una perturbación incluida por la propia señal de audio proveniente
desde los auriculares que corresponden a la fuente de sonido para este experimento.
Figura 29 Señal de entrada
La señal lista para ser modulada se presenta a continuación en las figuras Figura 30 y
Figura 31 donde en la primera captura se aprecia el comportamiento de la señal sin la
señal de entrada y en la segunda se muestran las variaciones que introduce el auricular
al suministrar la señal de audio en la entrada del sistema.
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Figura 30 Señal del oscilador sin entrada
Figura 31 Señal del oscilador con entrada
Posteriormente se encuentra la etapa moduladora que será enviada a la etapa
emisora; un detalle de la señal modulada lista para transmitirse se observa en la
figuras Figura 32 y Figura 33, donde en la primera se tiene el sistema sin ninguna señal
de audio a la entrada por lo que la frecuencia es de 30kHz y en la segunda imagen se
presenta la señal obtenida al introducir la señal de audio por lo que la frecuencia varía
como se muestra en la captura.
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Figura 32 Señal modulada sin entrada
Figura 33 Señal modulada con entrada
Al inicio de la etapa receptora la señal presenta una muy baja amplitud por lo que su
tratamiento resulta muy difícil si no se amplifica además la seña que se observa en las
puntas del receptor tiene ruido de baja frecuencia que distorsiona la señal lo que se
puede ilustrar en la Figura 34 Salida del receptor.
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Figura 34 Salida del receptor
Luego se hace pasar la señal por una etapa de amplificación y por el filtro pasa altos lo
que atenúa en gran manera el ruido de baja frecuencia y aumenta la amplitud de la
señal a valores adecuados para su tratamiento; se presentan dos capturas que
ejemplifican la señal que se obtiene a la salida del filtro pasa altos en la primera
captura mostrada en la Figura 35 Salida del filtro pasa altos sin entrada se puede ver la
señal en dicha ubicación sin la entrada del auricular y en contraste se presenta la figura
Figura 36 donde se observa la captura correspondiente a la señal en el caso de que se
presente la entrada de audio.
Figura 35 Salida del filtro pasa altos sin entrada
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Figura 36 Salida del filtro pasa altos con entrada
Posteriormente en su tratamiento la señal se hace pasar por el limitador donde de
igual manera se observa la diferencia entre las señales con y sin entrada de
auriculares. En la Figura 38 se tiene señal de audio en la entrada y en la Figura 39 no.
Figura 37 Señal del circuito limitador sin entrada
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Figura 38 Señal del circuito limitador con entrada
Después del limitador viene la etapa demoduladora de la cual se puede observar cómo
se presenta la modificación de la señal para obtener la salida necesaria de donde se
evidencia la similitud entre la salida del sistema después de la recepción del infrarrojo
y el tratamiento de la señal y la entrada presente en la etapa de pre amplificación del
micrófono. Dichas figuras se muestran a continuación donde se advierte que la Figura
39 corresponde a la salida de la etapa demoduladora sin los auriculares y la Figura 40
corresponde a la salida de la etapa demoduladora con la entrada activa.
Es importante mencionar que las variaciones presentes a la figura Figura 39
corresponden al ruido propio de la transmisión infrarrojo.
Figura 39 Salida de la etapa demoduladora sin los auriculares.
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Figura 40 Salida de la etapa demoduladora con los auriculares
Finalmente Se muestra la señal obtenida a la salida del parlante que es muy similar a
las señales de la parte demoduladora con la diferencia fundamental en su amplitud
ocasionada por la etapa de amplificación que se encuentra antes del parlante. Dichas
imágenes se muestran a continuación en las figuras: Figura 41 y Figura 42 donde la
primera corresponde a la señal de salida sin entrada de audio y la segunda
corresponde a la señal de salida con la entrada de audio activa.
Figura 41 Salida del parlante sin los auriculares
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Figura 42 Salida del parlante con los auriculares
Es de suma importancia advertir que el ancho de banda permitido por la tecnología IR
no la hace una tecnología muy adecuada para la transmisión de audio debido a esto se
presentan recortes en la señal así como la incorporación de ruido e interferencia en la
salida, sin embargo se logró transmitir audio exitosamente a través de dicha
tecnología.
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Conclusiones y recomendaciones
Se logró de manera satisfactoria la transmisión de audio mediante la tecnología
infrarrojo aplicando diversas etapas de amplificación y los conocimientos
obtenidos en prácticas anteriores.
Se aplicaron de manera adecuada los conocimientos correspondientes a los
osciladores para la implementación del circuito correspondiente a la señal
portadora.
Se construyó eficazmente el circuito correspondiente al emisor controlado por
en LED tal y como fue establecido.
Se construyó eficazmente el circuito correspondiente al receptor controlado
por en LED tal y como fue establecido.
Se implementó de manera adecuada la etapa correspondiente a la
regeneración de la señal para la cual se aplicaron varis etapas reconstructivas y
de filtrado.
La etapa correspondiente a la modulación de la señal se realizó de manera
adecuada y satisfactoria la cuál fue de vital importancia para obtener la señal
de salida necesaria.
Se sugiere la utilización de las terminales de una salida de audio directamente
para introducir la señal al sistema con menos interferencia y ruido en vez de
obtener dicha señal a través del micrófono.
Es de suma importancia tener en cuenta antes de implementar este sistema las
limitaciones propias de la tecnología utilizada como por ejemplo la limitación
del ancho de banda.
La utilización de transistores de audio mejora la calidad de las señales en la
etapa de pre amplificación correspondiente al micrófono.
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Bibliografía
[1] Limman, O. (1989). Fundamentos de Radio. España: Marcombo
[2] Herrera. (2004). Comunicaciones I. Señales, modulación y transmisión. México:
LIMUSA
[3] Tomassi, W. (2003). Sistemas de comunicaciones electrónicas. México: Prentice
Hall
[4] Resnick, R., D. Halliday. and Krane, K (2005) Física. México:Editorial Mc Graw
Hill.
[5] Boylestad,R Electronica: Teoria de Circuitos, 4ta Edición.. Prentice hall. 1997
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Anexos
Datos importantes del LM386: Amplificador de sonido
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Datos importantes del NTE30047: Emisor infrarrojo
