ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι 3 Η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ:

ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι Η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ: ΙΑΜΟΡΦΩΣΗ - ΑΠΟ ΙΑΜΟΡΦΩΣΗ FM ιαµόρφωση FM. Η υλοποίηση του διαµορφωτή FM της παρούσας Εργαστηριακής Άσκησης γίνεται µε την χρήση ενός ταλαντωτή ελεγχόµενου από τάση (Voltage Controlled Oscillator, VCO). Ως VCO χρησιµοποιείται το ολοκληρωµένο κύκλωµα MAX08, το οποίο αν και περισσότερο σύνθετο από έναν VCO προτιµήθηκε λόγω της δυνατότητάς του να παράγει απευθείας ηµιτονοειδή κυµατοµορφή στην περιοχή συχνοτήτων που υλοποιείται η παρούσα Άσκηση. Το ο.κ. MAX08 είναι στην πραγµατικότητα µια γεννήτρια ακριβείας, µε την ικανότητα να παράγει σχετικά υψηλής συχνότητας ηµιτονοειδή, τριγωνική ή τετραγωνική κυµατοµορφή, µε µικρό απαιτούµενο αριθµό εξωτερικών εξαρτηµάτων. Το είδος της κυµατοµορφής εξόδου καθορίζεται από την κατάσταση δύο ψηφιακών εισόδων ελέγχου του ολοκληρωµένου κυκλώµατος και συγκεκριµένα από τις εισόδους Α0 και Α. Στο κύκλωµα της Άσκησης οι είσοδοι αυτές είναι µονίµως συνδεδεµένες στα +5V, καθορίζοντας ηµιτονοειδή κυµατοµορφή εξόδου. Η περιοχή συχνοτήτων της κυµατοµορφής εξόδου του MAX08 είναι 0.Hz έως 0 MHz. Το κύκλωµα του διαµορφωτή FM της άσκησης φαίνεται στο παρακάτω Σχήµα. Το ο.κ.. ΜΑΧ08 συµβολίζεται ως U4 και είναι το κεντρικό εξάρτηµα του τµήµατος διαµόρφωσης (modulation circuit). Η βασική συχνότητα της κυµατοµορφής εξόδου στο MAX08 ρυθµίζεται από µια αντίσταση και έναν πυκνωτή. Στο κύκλωµα της Άσκησης ο πυκνωτής είναι ο C4 (pf) και η αντίσταση είναι η R σε σειρά µε τη µεταβλητή αντίσταση P. Μεταβάλλοντας την Ρ µεταβάλλεται και η κεντρική συχνότητα της κυµατοµορφής εξόδου. Εισάγοντας µια τάση ελέγχου στην ακίδα (pin) FADJ (Frequency Adjust) η κεντρική συχνότητα µεταβάλλεται από.7 µέχρι 0. φορές. Η τάση ελέγχου έχει εύρος τιµών ±.4V, όπου αρνητική τάση αυξάνει την συχνότητα της εξόδου, ενώ θετική τάση την µειώνει, µε µέγιστη απόκλιση στα.4v και στα +.4V. Όπως αναφέρθηκε πριν στην παρούσα υλοποίηση το ο.κ. MAX08 ουσιαστικά λειτουργεί σαν ένας VCO ο οποίος παράγει ηµιτονοειδή έξοδο. Η διαµορφώνουσα κυµατοµορφή εισάγεται στους ακροδέκτες J4 και J5, και αφού µειωθεί το πλάτος της από το ποτενσιόµετρο Ρ, αποµονώνεται µέσω του τελεστικού ενισχυτή U και εισάγεται στην είσοδο FADJ (frequency adjustment, ρύθµιση συχνότητας εξόδου) του ΜΑΧ08. Το ποτενσιόµετρο Ρ, ρυθµίζει εποµένως τον λόγο f d /f c δηλαδή τον δείκτη διαµόρφωσης β. Ως f d ορίζεται η µέγιστη απόκλιση της συχνότητας εξόδου και ως f c ορίζεται η κεντρική συχνότητα φέροντος. Το διαµορφωµένο σήµα (φέρον) το οποίο εµφανίζεται στην έξοδο OUT του ΜΑΧ08 έχει πλάτος V p-p. Το σήµα αυτό αποµονώνεται και ενισχύεται από τον τελεστικό ενισχυτή AD8 (U5), πριν εξαχθεί µε κέρδος στους ακροδέκτες J και J7. Στα Σχήµατα χρησιµοποιείται Αγγλική ορολογία λόγω αδυναµίας εισαγωγής Ελληνικού κειµένου στο λογισµικό σχεδίασης των κυκλωµάτων (τουλάχιστον κατά το διάστηµα ανάπτυξης της Άσκησης). -

4 5 COSC 5 D C D N447 U 78XX D J B +5V Vout A Vin N400 + C + +V C 0uF 00uF J + C4 + C 0uF 00uF D J -5V Vout Vin U 79XX N400 -V D4 POWER INPUT N447 POWER SUPPLY Rf +5V 50R +5V C7 00n + C5 J4 C5 uf 4u7 + -5V IN + C 00n +5V C8 R 00k J5 C 00n C IN - 7 4u7 4 7 0 + 00n 7 U5 J U4 U LF4 R Rg A A0 V+ V- P MOD INPUT 47R OUT + 70R 9 OUT 5 AD8 00k J7 4 C4 pf C9 C 00n 4 4 SYNC FADJ 8 OUT - 00n DADJ 7-5V C uf PDO MODULATED OUTPUT IIN 0 + PDI DV+ D REF R 4k7 P Modulation Input Amplifier Stage -5V MAX08 C0 00n 4k7 Output Amplifier Stage 5 9 8 Voltage Gain = Rf/Rg = DUTH - TELECOM LAB Frequency Modulation Test Circuit (0.7 MHz) Title Number Revision Size B Date: 8-Oct-005 Sheet of File: E:\My Documents\My P99 Designs\FM.ddb Drawn By: Fanis Mavromatis 4 5 D C B MODULATION CIRCUIT V. Σχήµα. Κυκλωµατικό διάγραµµα ιαµορφωτή FM. A -

Η τροφοδοσία ±V συνδέεται στους ακροδέκτες J, J και J. Η τροφοδοσία σταθεροποιείται στα ±5V επί της πλακέτας από τα ο.κ. U και U και στη συνέχεια τροφοδοτεί όλες τις βαθµίδες. Ο τρόπος αυτός, της επιτόπου σταθεροποίησης, εφαρµόζεται επειδή το ΜΑΧ08 απαιτεί τροφοδοσία ±5V (η µέγιστη τάση τροφοδοσίας του εξαρτήµατος χωρίς να καταστραφεί είναι ±V). Επιπλέον, οι σταθεροποιητές µειώνουν τον θόρυβο που δηµιουργούν τα Ο.Κ της πλακέτας στην τροφοδοσία ±V εξαιτίας της πολύ υψηλής συχνότητας λειτουργίας. Με αυτόν τον τρόπο µειώνεται κατά κάτι η µεταφορά του θορύβου που δηµιουργείται από την πλακέτα του διαµορφωτή, σε άλλες πλακέτες που ενδεχοµένως συνδεθούν στο ίδιο τροφοδοτικό ±V. Σηµειώνεται όµως ότι αυξάνεται σηµαντικά η συνολική κατανάλωση ισχύος λόγω της σηµαντικής πτώσης τάσης στο σταθεροποιητή τάσης. Αποδιαµόρφωση FM. Μέθοδος ιευκρινιστή Μέσης Τιµής Παλµών Το απλοποιηµένο χονδρικό διάγραµµα ενός διευκρινιστή Μέσης Τιµής παλµών φαίνεται στο παρακάτω Σχήµα : Είσοδος FM Ανιχνευτής διελεύσεων από το µηδέν One-shot πολυδονητής Χαµηλοπερατό φίλτρο R C + - Φορτίο Αποδιαµορφωµένη έξοδος Σχήµα. Αποδιαµορφωτής FM µε τη χρήση µονοσταθούς (One-shot) πολυδονητή. Εναλλακτικά αυτή η µέθοδος αποδιαµόρφωσης µπορεί να ονοµαστεί και ως αποδιαµόρφωση FM µε µονοσταθή πολυδονητή. Το σήµα FM εφαρµόζεται αρχικά σε έναν ανιχνευτή διελεύσεων από το µηδέν (zero-cross detector) ή εναλλακτικά σε έναν περιοριστή (limiter) ή ψαλιδιστή, παράγοντας µια παλµοσειρά µε δύο στάθµες τάσεων, µία για κάθε ηµιπερίοδο του διαµορφωµένου σήµατος (φέροντος FM). Το αποτέλεσµα είναι µία παλµοσειρά που περιέχει τις µεταβολές συχνότητας του αρχικού σήµατος αλλά χωρίς διακυµάνσεις στο πλάτος. Η διαδικασία αυτή καθιστά το σήµα κατάλληλο για την επόµενη βαθµίδα από άποψη ηλεκτρικής συµβατότητας. Σε άλλες περιπτώσεις (π.χ. αποδιαµόρφωση FM µε φίλτρο και ανιχνευτή διόδου) χρησιµοποιείται ανάλογη µέθοδος µε σκοπό όµως να αφαιρεθεί οποιαδήποτε παρασιτική πληροφορία που βρίσκεται στο πλάτος της κυµατοµορφής διότι αυτή θα είχε επίδραση στο αποδιαµορφωµένο σήµα. Το «τετραγωνισµένο» σήµα FM εφαρµόζεται κατόπιν σε ένα µονοσταθή πολυδονητή (one-shot multivibrator), ο οποίος παράγει ένα παλµό σταθερού πλάτους και συγκεκριµένης (σταθερής) διάρκειας κάθε φορά που δέχεται ένα ανερχόµενο µέτωπο. Τελικά αντιστοιχεί ένας παλµός (σταθερού πλάτους και διάρκειας) για κάθε ένα κύκλο (περίοδο) του διαµορφωµένου φέροντος FM. Η διάρκεια του παλµού είναι παράµετρος του µονοσταθούς πολυδονητή και ρυθµίζεται έτσι ώστε να είναι µικρότερη από την ελάχιστη περίοδο του σήµατος FM η οποία συµβαίνει κατά την µέγιστη θετική απόκλιση συχνότητας. Οι παλµοί από τον µονοσταθή, οδηγούνται κατόπιν σε ένα χαµηλοπερατό φίλτρο (LPF), του οποίου η συχνότητα αποκοπής βρίσκεται πολύ πιο κάτω από τη συχνότητα του φέροντος αλλά ταυτόχρονα είναι -

µεγαλύτερη από τη µέγιστη συχνότητα του διαµορφώνοντος σήµατος το οποίο µας ενδιαφέρει να αναπαράγουµε στην έξοδο του αποδιαµορφωτή. Κατά τα γνωστά από το Κεφάλαιο του βιβλίου Taub&Schilling, το φίλτρο δεν επιτρέπει µεν τη διέλευση συχνοτήτων της τάξης του φέροντος λόγω της σχετικά χαµηλής συχνότητας αποκοπής, αλλά είναι σε θέση να εξάγει τη µέση τιµή της παλµοσειράς. Παρόλο που τα αναφερόµενα στο Κεφάλαιο του βιβλίου Taub&Schilling αφορούν περιοδοκές κυµατοµορφές, πράγµα που δεν ισχύει αυστηρά για µια «τετραγωνική» διαµορφωµένη κατά FM φέρουσα, µπορεί να θεωρηθεί ότι ισχύει κάτι τέτοιο θεωρώντας ότι η µέση τιµή, αν και δεν είναι σταθερή (που ισχύει µόνο για τις περιοδικές κυµατοµορφές), είναι αργά µεταβαλλόµενη σε σύγκριση µε τη συχνότητα του φέροντος. Ακριβώς αυτή η σχετικά αργά µεταβαλλόµενη τιµή (µε συχνότητα µικρότερη των 0 khz, π.χ. 5kHz) είναι, όπως θα δειχθεί παρακάτω, το αποδιαµορφωµένο σήµα. Οι κυµατοµορφές που αφορούν τον διευκρινιστή Μέσης Τιµής παλµών φαίνονται στο παρακάτω σχήµα. Σήµα FM Έξοδος ανιχνευτή διελεύσεων από το µηδέν Έξοδος µονοσταθούς Τελική έξοδος αποδιαµορφωτή Σχήµα. Κυµατοµορφές του διευκρινιστή Μέσης Τιµής παλµών. Η τελική έξοδος στο ανωτέρω σχήµα φαίνεται σαν ράµπα λόγω της χαµηλής συχνότητάς της συγκριτικά µε τη συχνότητα του φέροντος. Στο Σχήµα παρατηρείστε ότι στις χαµηλές συχνότητες του διαµορφωµένου φέροντος οι παλµοί one-shot απέχουν µεταξύ τους περισσότερο διάστηµα, ενώ στις υψηλές είναι πολύ κοντά µεταξύ τους. Η µέση τιµή ενός σήµατος προκύπτει από τον τύπο: T x( t) = x( τ ) dτ T 0 Το σήµα που προκύπτει όµως από τον µονοσταθή πολυδονητή είναι: x(t)= A, για 0 < t < t one-shot x(t)= 0, για t one-shot < t < T όπου: t one-shot είναι η διάρκεια παλµού του µονοσταθούς πολυδονητή Α το πλάτος του παλµού Τ η περίοδος επανάληψης του παλµού Οπότε: -4

= T tone shot = + = T x( t) x( τ) dτ A dτ 0 dτ T 0 T 0 tone shot = A tone shot = A tone shot f = k f T Επειδή όµως Α t one-shot =k είναι µια σταθερή τιµή, βλέπουµε ότι η µέση τιµή του x(t) είναι ανάλογη της εκάστοτε συχνότητας του x(t), άρα το τελικό σήµα εξόδου αποτελεί το αποδιαµορφωµένο σήµα FM και εποµένως είναι όµοιο µε το διαµορφώνον σήµα. Η βαθµίδα του ανιχνευτή διελεύσεων από το µηδέν ή περιοριστή φαίνεται στο Σχήµα 4: Σχήµα 4. Βαθµίδα ανιχνευτή διελεύσεων από το µηδέν. IF LIMITED_IF Σχήµα 5. Είσοδος και έξοδος της βαθµίδας του ανιχνευτή διελεύσεων από το µηδέν. Το διαµορφωµένο φέρον (ηµιτονοειδές) εισάγεται στο κύκλωµα και σαν έξοδο παίρνουµε το «τετραγωνισµένο» σήµα που προκύπτει από το αρχικό διαµορφωµένο, και το οποίο έχει την ίδια συχνότητα µε το αρχικό σήµα. Στη βαθµίδα αυτή ο πυκνωτής C είναι ένα στοιχείο σύζευξης και αποκόπτει τυχόν DC στάθµη που υπάρχει στο σήµα εισόδου. Η κάτω δίοδος εξασφαλίζει ότι στην είσοδο της επόµενης πύλης δεν θα εµφανιστούν αρνητικές τιµές (περισσότερο από 0.7V) ενώ η επάνω δίοδος εξασφαλίζει ότι η στάθµη του σήµατος δεν θα είναι θετικότερη από +V cc Volts. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται η προστασία της εισόδου της πύλης NOT, η οποία µπορεί να δεχθεί τάσεις εισόδου από -0.7 V µέχρι V cc + 0.7 V, χωρίς να καταστραφεί. Η αντίσταση R περιορίζει τη ροή του ρεύµατος µέσω των διόδων. Η αντίσταση ανάδρασης R, χρησιµοποιείται εδώ σε µια ιδιόµορφη συνδεσµολογία και στην ουσία πολώνει την είσοδο της πύλης σε µία τιµή τάσης περίπου στο κατώφλι, ώστε το σήµα εισόδου, έστω και πολύ µικρής στάθµης να είναι σε θέση να -5

µεταβάλλει τη λογική κατάσταση της πύλης. Η επόµενη πύλη λειτουργεί ως αποµονωτής. Ένας αποδιαµορφωτής FM ο οποίος βασίζεται σε µονοσταθή πολυδονητή θα µπορούσε να υλοποιηθεί όπως παρουσιάζεται στο Σχήµα. Είσοδος IF 4 9 8 5 0 UD MC74HC00A Φίλτρο Αποδιαµορφωµένη διέλευσης έξοδος ζώνης ( BPF) Μονοσταθής Πολυδονητής (one-shot) Σχήµα. Αποδιαµορφωτής FM βασιζόµενος σε µονοσταθή πολυδονητή. Η διάρκεια του παλµού είναι σταθερή και καθορίζεται από τις καθυστερήσεις των πυλών. Οι τρεις πρώτες πύλες NAND εισάγουν µια καθυστέρηση στο αρχικό σήµα IF που προφανώς είναι ίση µε το τριπλάσιο της καθυστέρησης της µίας πύλης. Το αρχικό σήµα και το καθυστερηµένο σήµα, εισάγονται στην τέταρτη πύλη NAND. Η έξοδος είναι ένας παλµός µε διάρκεια όση η καθυστέρηση που εισάγουν οι τρεις πύλες NAND. Οι κυµατοµορφές φαίνονται στο παρακάτω σχήµα, όπου LIMITED_IF_INPUT είναι το σήµα που έρχεται από το ανιχνευτή διελεύσεων από το µηδέν, NAND_OUTPUT είναι η έξοδος της πρώτης πύλης, NAND_OUTPUT είναι η έξοδος της δεύτερης, NAND_OUTPUT είναι η έξοδος της τρίτης, NAND4_OUTPUT είναι η έξοδος της τέταρτης, που είναι και η έξοδος του µονοσταθούς πολυδονητή. Παρατηρούµε ότι η έξοδος του µονοσταθούς είναι ανεστραµµένη (inverted). Ο λόγος που χρησιµοποιούνται πύλες NAND είναι, επειδή ως όµοιες που είναι µεταξύ τους, µπορούν να υπάρχουν όλες στο ίδιο ολοκληρωµένο κύκλωµα (π.χ. 74HC00). LIMITED_IF_INPUT NAND_OUTPUT NAND_OUTPUT NAND_OUTPUT NAND4_OUTPUT D0 D D D D=D0+D+D Σχήµα 7. Κυµατοµορφές του αποδιαµορφωτή FM µε µονοσταθή πολυδονητή σταθερής διάρκειας παλµών. Στο κύκλωµα της άσκησης ο µονοσταθής πολυδονητής υλοποιείται µε διαφορετικό τρόπο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η ταχύτητα των πυλών που χρησιµοποιήθηκαν είναι σχετικά µεγάλη, οπότε η καθυστέρησή τους είναι σχετικά µικρή και δεν κρίνεται ικανοποιητική για τη συχνότητα λειτουργίας της Άσκησης η οποία είναι 0.7 MHz. Για το λόγο αυτό και προκειµένου να µην χρησιµοποιηθούν πολλές πύλες χρησιµοποιείται ένα δικτύωµα RC το οποίο εισάγει πρόσθετη καθυστέρηση. -

Σε σύγκριση λοιπόν µε την προηγούµενη υλοποίηση υπάρχει πλέον δυνατότητα ρύθµισης της χρονικής διάρκειας του παλµού. Το κύκλωµα δίδεται στο Σχήµα 8 και ακολουθεί η περιγραφή της λειτουργίας του. Είσοδος IF R C UD MC74HC00A Φίλτρο Αποδιαµορφωµένη διέλευσης έξοδος ζώνης (BPF) Μονοσταθής Πολυδονητής (one-shot) Σχήµα 8. Αποδιαµορφωτής FM βασιζόµενος σε µονοσταθή πολυδονητή. Η καθυστέρηση και αναστροφή του αρχικού σήµατος γίνεται µε µία πύλη NAND και ένα δικτύωµα RC. Το δικτύωµα RC δηµιουργεί µια καθυστέρηση στην άνοδο και στην κάθοδο της κυµατοµορφής τάσης NAND_OUTPUT, ανάλογες του γινοµένου των τιµών της αντίστασης και του πυκνωτή. Οι κυµατοµορφές φαίνονται στο παρακάτω Σχήµα 9. Σχήµα 9. Κυµατοµορφές του αποδιαµορφωτή FM µε µονοσταθή πολυδονητή. Αν µια τετραγωνική κυµατοµορφή µε θεωρητικό χρόνο ανόδου µηδέν (από λογικό 0 σε λογικό ), εισαχθεί σε ένα δικτύωµα RC, τότε ο χρόνος ανόδου (συγκεκριµένα ο χρόνος για να φθάσει η τάση από το 0% στο 90%) δίνεται από τον τύπο: Τ 0-90 =. R C Στο κύκλωµά του Σχήµατος 8 είναι R = 470Ω και C = pf, οπότε Τ 0-90 = 4. nsec. Η έξοδος του µονοσταθούς πολυδονητή εισάγεται σε ένα χαµηλοπερατό φίλτρο, στην έξοδο του οποίου παράγεται το αποδιαµορφωµένο σήµα. Στο κύκλωµα της Άσκησης το χαµηλοπερατό φίλτρο είναι ένα φίλτρο Butterworth δεύτερης τάξης, µε συχνότητα αποκοπής 5kHz και υλοποιείται από τον τελεστικό ενισχυτή UΑ. Επιπλέον, επειδή η έξοδος του χαµηλοπερατού φίλτρου έχει πολύ µικρό πλάτος και περιέχει και µια DC τάση, την εισάγουµε σε ένα υψιπερατό φίλτρο (πρώτης τάξης µε συχνότητα αποκοπής 0Hz) και ταυτόχρονα την ενισχύουµε περίπου 50 φορές, µε τον τελεστικό ενισχυτή UB. Ο συνδυασµός των δύο φίλτρων µπορεί να θεωρηθεί και ως ένα φίλτρο διέλευσης ζώνης (Band-pass) Το συνολικό κύκλωµα του αποδιαµορφωτή FM της άσκησης φαίνεται στο παρακάτω Σχήµα 0. -7

4 5 +5V_A + C9 C4 J CON J CON C 0nF R 47R D N448 R 00R D N448 R M UA MC74HC04 UC 5 MC74HC04 UE UB 4 MC74HC04 UD 9 8 MC74HC04 UF C 00nF + C C uf 00nF DECOUPLING U DECOUPLING U J CON R7 R8 + C7 uf 00nF uf k 47k + C0 uf C5 00nF -5V_A DECOUPLING U UA MC74HC00A R4 470R C pf 0 4 5 UB MC74HC00A J4 CON J5 CON UD D5 N400 J CON D N400 + C 00uF U4 78XX Vin Vout + C8 0uF +5V_A J7 CON J8 CON D4 N400 + C7 00uF + C9 0uF -5V_A Title Number Revision 4 5 Size B Date: 8-Oct-005 Sheet of File: E:\My Documents\My P99 Designs\FM.ddb Drawn By: Fanis Mavromatis D C B A L FERRITE BEAD D7 U5 78XX Vin Vout N400 + C0 Vin U 79XX Vout 4 8 UA LF4A 5 UB 7 LF4A 4 8 MC74HC04 MC74HC04 R5 k8 R 9k C nf +5V_A -5V_A C C4 uf R0 5k +5V_A -5V_A AMPLIFIER n9 LOW PASS FILTER (nd ORDER BUTTERWORTH) HIGH PASS FILTER (st ORDER) CUT-OFF FREQUENCY : 5 khz CUT-OFF FREQUENCY : 0 Hz UC 9 8 0 MC74HC00A MC74HC00A 00uF D8 N400 + C 0uF DUTH - TELECOM LAB Frequency Demodulation Test Circuit (0.7 MHz) D C B A DIGITAL PART OF CIRCUIT ANALOG PART OF CIRCUIT D N400 V. Σχήµα 0. Κυκλωµατικό διάγραµµα Αποδιαµορφωτή FM. -8

ιαδικασία του πειράµατος! Για να προχωρήσετε στη διαδικασία του πειράµατος και να αποκοµίσετε τις απαιτούµενες γνώσεις από την Άσκηση προϋποτίθεται ότι έχετε µελετήσει τα προηγούµενα. Πλακέτα διαµορφωτή FM Η διάταξη των εξαρτηµάτων στην πλακέτα του διαµορφωτή φαίνεται στο παρακάτω Σχήµα. Στο τµήµα POWER IN συνδέουµε την τροφοδοσία του κυκλώµατος, και συγκεκριµένα +V, -V και γείωση (COM). Στο τµήµα SIGNAL IN συνδέουµε το προς διαµόρφωση σήµα, στα σηµεία + και -. Με το ποτενσιόµετρο FREQ ADJ ρυθµίζουµε την κεντρική συχνότητα του φέροντος. Με το ποτενσιόµετρο Df ADJ ρυθµίζουµε την µέγιστη απόκλιση συχνότητας. Τέλος, από το τµήµα MOD OUT, παίρνουµε το διαµορφωµένο κατά συχνότητα σήµα (φέρον). Η διαδικασία του πειράµατος όπως αυτή περιγράφεται στη συνέχεια βασίζεται στη χρήση ψηφιακού παλµογράφου της σειράς HP5400 της εταιρίας Hewlett Packard (Agilent). Σε περίπτωση που χρησιµοποιηθεί άλλος παλµογράφος η περιγραφή του πειράµατος θα διαφέρει. Όλες οι µετρήσεις θα γίνονται µε την εξής διαδικασία: πρώτα θα γίνονται οι συνδέσεις των σηµατοληπτών (probes) στο κύκλωµα, µετά µε το κουµπί του παλµογράφου RUN θα γίνεται η εκκίνηση της µέτρησης και όταν γίνει η µέτρηση, η απεικόνιση θα παγώνει µε το κουµπί STOP. Σχήµα. Πλακέτα διαµορφωτή FM, όπου φαίνονται οι θέσεις των κυριότερων εξαρτηµάτων. -9

Οδηγίες για την εκτέλεση της Εργαστηριακής Άσκησης ( ιαµορφωτής FM).. Συνδέστε την τροφοδοσία στην πλακέτα στους ακροδέκτες J, J, J. Ως τροφοδοσία απαιτούνται συµµετρικές τάσεις ±V. ΠΡΟΣΟΧΗ στην ορθή σύνδεση των τάσεων τροφοδοσίας.. Ρυθµίστε τον παλµογράφο έτσι ώστε να σκανδαλίζεται (trigger) στην άνοδο του καναλιού (EDGE, Trigger Source A) και τοποθετείστε το Trigger Mode στο Normal.. Τοποθετήστε το κανάλι του παλµογράφου στα σηµεία + και (ακροδέκτες J, J7) στην έξοδο MOD OUT της πλακέτας. Η έξοδος όπως αυτή εµφανίζεται στον παλµογράφο θα πρέπει να είναι ηµιτονοειδής. Με το ποτενσιόµετρο FREQ ADJ της πλακέτας ρυθµίστε την κεντρική συχνότητα του φέροντος στα 0.7MHz. Η κυµατοµορφή πρέπει να έχει πλάτος από κορυφή σε κορυφή 4 V p-p (Βλέπε παρακάτω Σχήµα ). Σχήµα. Ρύθµιση Κεντρικής Συχνότητας φέροντος. 4. Κρατώντας τη γείωση του σηµατολήπτη (probe) του παλµογράφου στο -, µετρήστε την τάση στην ακίδα (pin) 9 του ολοκληρωµένου ΜΑΧ08. Το πλάτος από κορυφή σε κορυφή είναι V p-p. Τα 4V p-p στην έξοδο προκύπτουν από την ενίσχυση του σήµατος της ακίδας (pin) 9 του ΜΑΧ08 από τον ενισχυτή AD8 (U5). 5. Συνδέστε το σηµατολήπτη (κανάλι ) του παλµογράφου στην γεννήτρια συχνοτήτων και ανοίξτε την τροφοδοσία της. Κατόπιν ρυθµίστε την γεννήτρια έτσι ώστε να δίνει ηµιτονοειδές σήµα συχνότητας khz και πλάτους V p-p. -0

Σχήµα. Ρύθµιση συχνότητας διαµορφώνοντος σήµατος. Η συχνότητα αυτή είναι σηµαντικά µικρότερη (παρόλο που φαίνεται διαφορετικά) από τη συχνότητα του προηγούµενου Σχήµατος. Παρατηρείστε τις διαφορές στις ενδείξεις του οργάνου (ένδειξη χρόνου ανά υποδιαίρεση και ένδειξη συχνότητας) στα δύο Σχήµατα.. Συνδέστε την έξοδο της γεννήτριας στο τµήµα SIGNAL IN (ακροδέκτες J4, J5) της πλακέτας. Κατόπιν συνδέστε το κανάλι στην έξοδο του διαµορφωτή (MOD OUT) και το κανάλι στην είσοδο του διαµορφωτή (SIGNAL IN). Η ρύθµιση του παλµογράφου θα πρέπει να είναι τέτοια ώστε να φαίνονται 4-5 περίοδοι της κυµατοµορφής εξόδου (κανάλι ). Μετακινήστε τις κυµατοµορφές στην οθόνη του παλµογράφου έτσι ώστε να φαίνονται και οι δύο. 7. Θέσετε την γεννήτρια στην περιοχή Hz!, και παρατηρήστε την είσοδο και την έξοδο του διαµορφωτή. Επιλέγεται τόσο χαµηλή συχνότητα ώστε να είναι ορατές οι µεταβολές της συχνότητας του διαµορφωµένου φέροντος µε το µάτι. Μεταβάλλετε τη συχνότητα της γεννήτριας γύρω από την περιοχή του Hz και παρατηρήστε τις µεταβολές στην έξοδο MOD OUT. Αλλάξτε την θέση του ποτενσιόµετρου Df ADJ και παρατηρήστε την µεταβολή της µέγιστης απόκλισης συχνότητας. Μεταβάλλοντας το ποτενσιόµετρο αυτό, ουσιαστικά µεταβάλλουµε το εύρος της τάσης εισόδου (διαµορφώνουσας) που οδηγεί την ακίδα (pin) Fadj του ΜΑΧ08, και άρα ρυθµίζουµε την (µέγιστη) απόκλιση συχνότητας. Επαναφέρετε την ρύθµιση της γεννήτριας όπως ήταν αρχικά (khz, V p-p ). -

Πλακέτα αποδιαµορφωτή FM. Η διάταξη των εξαρτηµάτων στην πλακέτα του αποδιαµορφωτή φαίνεται στο παρακάτω Σχήµα 4. Η τροφοδοσία του κυκλώµατος είναι +V, -V και γείωση (COM). Στο τµήµα MOD INP συνδέουµε το διαµορφωµένο κατά συχνότητα σήµα (διαµορφωµένο φέρον) στα σηµεία + και -, το οποίο παράγεται από την πλακέτα του διαµορφωτή. Τέλος, από το τµήµα OUTPUT, παίρνουµε το αποδιαµορφωµένο σήµα. Σχήµα 4. Πλακέτα αποδιαµορφωτή FM, όπου φαίνονται οι θέσεις των κυριότερων εξαρτηµάτων. Οδηγίες για την εκτέλεση της Εργαστηριακής Άσκησης (Αποδιαµορφωτής FM).. Αποσυνδέστε την γεννήτρια από την είσοδο του διαµορφωτή FM.. Συνδέστε την έξοδο του διαµορφωτή µε την είσοδο του αποδιαµορφωτή (ακροδέκτες J, J).. Συνδέστε την τροφοδοσία ±V στην πλακέτα του αποδιαµορφωτή. 4. Συνδέστε το κανάλι του παλµογράφου στην είσοδο του αποδιαµορφωτή και το κανάλι στην ακίδα (pin) 4 του ο.κ. 74HC04 (U). Ρυθµίστε τον παλµογράφο κατάλληλα, έτσι ώστε να δείτε στην οθόνη του κάτι παρόµοιο µε το Σχήµα 5. Εδώ φαίνεται το αρχικό ηµιτονοειδές σήµα στο κανάλι και το σήµα που προκύπτει µετά τον ανιχνευτή διελεύσεων από το µηδέν (zero cross detector) στο κανάλι. Ρυθµίσετε τον παλµογράφο έτσι ώστε να µετρήσει την καθυστέρηση µεταξύ των δύο καναλιών (Measure -> Time -> Delay A>A). Παρατηρήστε ότι η έξοδος του ανιχνευτή διελεύσεων από το µηδέν καθυστερεί σε σχέση µε το αρχικό σήµα περίπου κατά ns. Αυτό οφείλεται στο δικτύωµα R, C, καθώς και στην καθυστέρηση που εισάγουν οι δύο πύλες NOT. -

Σχήµα 5. Είσοδος και έξοδος της βαθµίδας του ανιχνευτή διελεύσεων από το µηδέν. 5. Συνδέστε το κανάλι στην ακίδα (pin) του 74HC00 (U), που είναι η είσοδος της πύλης NAND και το κανάλι στην ακίδα (pin) του 74HC00 (U), που είναι η έξοδος της πύλης NAND. Εδώ θα γίνει µέτρηση της καθυστέρησης που εισάγει µία πύλη NAND. Επειδή στην ακίδα (pin) έχουµε το αρχικό σήµα ανεστραµµένο, για να βοηθήσουµε την µέτρηση, θέτουµε στον παλµογράφο την εξής ρύθµιση του καναλιού : Invert = ON. Κατόπιν από το µενού Measure του παλµογράφου και το κουµπί Time, επιλέγουµε Delay (Α>Α). Η απεικόνιση του παλµογράφου θα πρέπει να είναι όπως στο Σχήµα. Η καθυστέρηση που εισάγει η πύλη είναι t = 5. ns. Απενεργοποιούµε την ρύθµιση του καναλιού : Invert = OFF. Σχήµα. Καθυστέρηση λόγω πύλης.. Συνδέουµε το κανάλι στην ακίδα (pin) του 74HC00 (U) και το κανάλι στην ακίδα (pin) 4 του 74HC00 (U). Εναλλακτικά µπορούν να συνδεθούν οι σηµατολήπτες (probe) του παλµογράφου πάνω στην αντίσταση R4, η οποία συνδέεται απευθείας µε τις ακίδες (pin) που µας ενδιαφέρουν. Με αυτό τον τρόπο θα µετρήσουµε την καθυστέρηση που εισάγει το δικτύωµα R4, C. Η εικόνα του παλµογράφου που θα προκύψει φαίνεται παρακάτω. -

Σχήµα 7. Είσοδος (Α) και έξοδος (Α) στο δικτύωµα R4, C το οποίο δηµιουργεί ένα χρόνο ανόδου και καθόδου Τ 0-90% =. R C, ο οποίος στην περίπτωσή µας υπολογίζεται στα 4. nsec. Η µέτρηση δείχνει τιµή περίπου 8nsec. Η απόκλιση δικαιολογείται από τις ανοχές των υλικών. 7. Συνδέουµε το κανάλι στην ακίδα (pin) 5 του 74HC00 (U) και το κανάλι στην ακίδα (pin) 4 του 74HC00 (U). Θα δούµε τώρα τα σήµατα που εισέρχονται στην πύλη NAND. Το Σχήµα 8 δείχνει την µέτρηση. Υπενθυµίζεται ότι η πύλη NAND δίνει έξοδο Low, µόνο όταν και οι δύο είσοδοι είναι High ταυτόχρονα. Στο Σχήµα οι κατακόρυφες διακεκοµµένες γραµµές (δείκτες, cursors) δείχνουν για ποιο χρονικό διάστηµα είναι ταυτόχρονα high και οι δύο οι είσοδοι (ένα σήµα θεωρείται για τα CMOS high όταν έχει τιµή µεγαλύτερη από.5v). Τοποθετήστε τους δείκτες (cursors) όπως στο Σχήµα. Σχήµα 8. Είσοδοι στην πύλη NAND (UB). Οι δείκτες σηµειώνουν το χρονικό διάστηµα κατά το οποίο οι είσοδοι είναι ταυτόχρονα σε λογικό. 7. Συνδέστε το κανάλι στην ακίδα (pin) 5 του 74HC00 (U) και το κανάλι στην ακίδα (pin) του 74HC00 (U). Θα παρατηρήσετε τώρα την έξοδο της πύλης NAND και µία είσοδό της. Στη θέση που τοποθετήσαµε τους δείκτες (cursors) στο προηγούµενο βήµα, αναµένουµε και την εµφάνιση του παλµού one-shot. -4

Σχήµα 9. «Τετραγωνισµένο» διαµορφωµένο σήµα (Α) και έξοδος µονοσταθή πολυδονητή (Α). Φαίνεται καθαρά από τους δείκτες η διάρκεια του παλµού του µονοσταθή πολυδονητή που είναι nsec. 8. Στο κύκλωµα του διαµορφωτή αλλάξτε την κεντρική συχνότητα διαµόρφωσης από το ποτενσιόµετρο FREQ ADJ. Παρατηρήστε την αλλαγή συχνότητας του σήµατος που προκύπτει από τον µονοσταθή (one-shot), καθώς και την σταθερή διάρκεια του παλµού του. Επαναφέρετε την ρύθµιση της κεντρικής συχνότητας διαµόρφωσης στα 0.7 MHz. 9. Συνδέστε την γεννήτρια στην είσοδο του διαµορφωτή FM. 0. Συνδέστε το κανάλι στην έξοδο της γεννήτριας και το κανάλι στην έξοδο του αποδιαµορφωτή (OUTPUT). Παρατηρήστε τις κυµατοµορφές των δύο καναλιών. Το κανάλι είναι η διαµορφώνουσα κυµατοµορφή δηλαδή η προς µεταφορά πληροφορία, ενώ τα κανάλι είναι η κυµατοµορφή που προκύπτει µετά από την διαδικασία διαµόρφωσης και αποδιαµόρφωσης Μεταβάλλετε την συχνότητα της γεννήτριας και παρατηρήστε. Μεταβάλλετε την µορφή της διαµορφώνουσας κυµατοµορφής από τη γεννήτρια (ηµίτονο, τρίγωνο, τετράγωνο). Επιπλέον, ρυθµίστε τη γεννήτρια ώστε να παράγει ηµιτονοειδή κυµατοµορφή µεταβαλλόµενης συχνότητας (chirp). Τι παρατηρήσεις µπορούν να γίνουν σε σχέση µε την συχνότητα και την µορφή των σηµάτων εισόδου και εξόδου; Ποια τα όρια συχνότητας της κυµατοµορφής εισόδου, έτσι ώστε να γίνεται η διαδικασία διαµόρφωσης- αποδιαµόρφωσης σωστά; Σηµειώστε παρακάτω τα αποτελέσµατα ώστε να µπορείτε να αναφερθείτε σε αυτά κατά τη µελέτη της άσκησης. Στη συνέχεια καλέστε έναν από τους επιβλέποντες ώστε να του παρουσιάσετε τα αποτελέσµατά σας. -5