COMUNICACIONES

1. Universidad Autonoma de Baja California
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OSCILADOR CONTROLADO POR VOLTAJE (VCO)
Marcos Marcos Fernando
e-mail: fmarcos@uabc.edu.mx
a) Importancia de un VCO en un
sistema de comunicación
La frecuencia de salida de muchos osciladores
depende del valor de una constante de tiempo RC. A
veces se requiere que la frecuencia varíe con una
tensión de entrada. Ejemplos de estos casos son los
moduladores en frecuencia (FM), lo generadores de
tono, los convertidores A/D y los voltímetros digitales.
Los osciladores de este tipo se denominan osciladores
controlados por tensión (VCO, voltaje-controlled
oscillators).
El oscilador controlado por voltaje es un elemento
fundamental en la electrónica moderna y tiene un sinfín
de aplicaciones, entre los más importantes están los
sintetizadores PLL,que incluyen uno o varios VCO en su
conjunto.En radiocomunicaciones el sintetizador PLL es
un circuito imprescindible, pues todos los equipos
modernos emplean este sistema para el control de
frecuencia.
El VCO es parte fundamental de vobuladores,
analizadores de espectro y generadores de
radiofrecuencia; también se usa como elemento de
control de frecuencia de equipos de radio.
El VCO tiene varias ventajas sobre el oscilador de
condensador variables: menor tamaño, ausencia de
elementos mecánicos, menor influencia de vibraciones,
puede colocarse en cualquier parte de chasis del equipo
y controlar su frecuencia con un simple potenciómetro
colocado en el frontal. Es cierto que un VCO requiere
algo más de esfuerzo en su diseño, pero supone un
notable ahorro en mecanización.
b) Mecánica de diseño de un VCO
El oscilador 555 Consiste en una mezcla de
circuitos analógicos y digitales. En la figura 1 siguiente,
se presenta un diagrama de bloques del 555.
Figura 1.Diagrama de bloques del 555
El circuito contiene comparadores,amplificadores y
un biestable.
El biestable SR es como un como un conmutador
operado eléctricamente. Activando el conmutador se
hace que la salida, Q, sea alta (aproximadamente el
valor de la fuente de alimentación), y desactivándolo se
hace que la salida sea baja (casi cero). Los tres
resistores,R,se utilizan como divisores de tensión para
proporcionar niveles de 2/3 de la fuente y 1/3 de la
fuente a los comparadores.
Los terminales 2 (disparo) y 6 (umbral) controlan la
salida del circuito 555.Cuando la tensión en la terminal 6
se encuentra por encima de 2/3 de la fuete de
alimentación, la salida del comparador activa el
biestable, provocando que la salida sea alta. La salida
del biestable polariza en directo al transistor de
descarga,haciendo que su salida (terminal 7) sea baja.
Una tensión inferior a 1/3 de la fuente de alimentación
en la terminal 2 desactiva el biestable, haciendo que la
salida sea baja y apague el transistor de descarga, lo
cual deja flotante su salida. La terminal 4 se utiliza para
desactivar el biestable. Al conectar la terminal 4 a tierra
el biestable se coloca en bajo.Cuando no se utiliza, esta
terminal se conecta a la fuente positiva.
El 555 se puede utilizar como generador de pulsos
en modo astable si se configura como se muestra en la
figura 2. En operación,el capacitor comienza a cargarse
a través de R1 y R2. El biestable se halla desactivado
(apagado) ya que la terminal 2 comienza con un nivel
bajo. Cuando el biestable se desactiva, la entrada al
inversor es baja y la salida del circuito es alta. Cuando la
tensión en el capacitor alcanza un nivel tal que la tensión
en la terminal 6 alcanza 2/3 de la fuente, el biestable se
activa y la terminal 7 se coloca en bajo. Entonces el
capacitor comienza a descargarse a través de R2.
Cuando se descarga hasta un valor de 1/3 de la fuente,
el segundo comparador, la terminal 2, hace que el
biestable se desactive, y el ciclo se repite.
Por tanto, la tensión en el capacitor cambia en
forma exponencial entre 1/3 y 2/3 de la fuente de
alimentación. Durante la carga, la constante de tiempo
está dada por
𝜏 𝐶 = ( 𝑅1 + 𝑅2) 𝐶
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Figura 2. El 555 como generador de pulsos
Relación de actividad
𝑣 𝑜1 =
𝑅1 + 𝑅2
𝑅2
𝑣 𝑜2 =
𝑅2
𝑅1 + 𝑅2
Durante la descarga, la constante de tiempo es
𝜏 𝑑 = 𝑅2 𝐶
La conmutación se produce cuando la exponencial
atraviesa un medio del camino entre los valores inicial y
final. Por ejemplo, durante la carga, la tensión en el
capacitor comienza en 1/3 de la fuente de alimentación y
se carga en forma exponencial hacia la tensión de la
fuente. La conmutación sucede cuando la tensión
alcanza 2/3 de la fuente. Durante la descarga sucede lo
contrario. Una exponencial alcanza ½ de su valor total
luego de 0.693 de la constante de tiempo. Esto es,
cuando
𝑡 = 0.692𝜏
En la ecuación 𝑒−𝑡/𝜏
, se tiene
𝑒−0.692
= 0.5
Por tanto, el tiempo de carga esta dado por
𝑇𝑐 = 0.693( 𝑅1 + 𝑅2) 𝐶
El tiempo de descarga es
𝑇𝑑 = 0.693𝑅2 𝐶
La salida es alta durante la carga y baja durante la
descarga.El periodo total de la onda cuadrada de salida
está dado por la suma de los dos tiempos.
𝑇 = 0.693( 𝑅1 + 𝑅2) 𝐶
La frecuencia es el recíproco de esto.
𝑓 =
1
𝑇
=
1.44
( 𝑅1 + 2𝑅2) 𝐶
c) Diseño de un VCO
Diséñese un generador astable de onda cuadrada
con un 555 para proporcionar una señal de salida de 10
kHz.
Solución
Algunas consideraciones a tomar en cuenta a la
hora de diseñar un oscilador con un 555.
- La capacitancia se debe de mantener superior
a 500 pF para ocultar capacitancias parasitas.
- Los resistores R1 y R2 deben ser mayores que
1 kOhm para limitar la corriente.
- La suma R1 y R2 no deben de ser mayor a 3.3
MOhm.
 Estas limitaciones son el resultado de un análisis
detallado de la operación de este circuito.
 Nótese que con estas restricciones no se puede
obtener una frecuencia mayor a los 1 MHz
utilizando el circuito de la Figura.
Selecciónese C=0.001 uF. El problema no
especifica si la onda cuadrada debe o no ser simétrica.
Esto es. Aunque se especifica que el periodo debe ser
de 1 ms, no se proporciona información acerca de la
relación de actividad.
𝑅𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 =
𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑒𝑛 𝑎𝑙𝑡𝑜
𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑒𝑛 𝑏𝑎𝑗𝑜
=
𝑅1 + 𝑅2
𝑅2
(1)
Supóngase que se desea que la señal este
aproximadamente el mismo tiempo en un valor positivo y
en cero. Entonces el tiempo de descarga debe de ser
igual que el tiempo de carga. En la ecuación (1) se
indica que estos tiempos no pueden ser exactamente
iguales. Si se elige que R2 sea mucho mayor que R1,
entonces los tiempos están cercanos como para
considerarse iguales. Supóngase que este es el caso.
Así, la frecuencia está dada de manera aproximada por
𝑓 = 10 𝑘𝐻𝑧 ≈
1.44
2𝑅2 𝐶
Utilizando el valor supuesto para C, se obtiene
𝑅2 = 72 𝑘𝑂ℎ𝑚𝑠
Se puede elegir que R1 esté cerca de 1kOhm y
continúe dentro de la líneas de diseña dadas antes. Por
tanto, el diseño está completo.
Como relación de actividad, dada por la ecuación
(1), tiene R1 + R2 en el numerador y R2 en el
denominador,se está limitado a valores mayores que 1
para dicha relación de actividad. Si se desea un ciclo
efectivo menor que la unidad, se puede utilizar un
inversor
d) Simulación y Comprobación
Los componentes a utilizar son los siguientes:
R1 = 1 kOhm
R2 = 72 kOhm
C1 = 0.001 Uf
C2 (Capacitor de corte opcional) = 0.1 uF

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Figura 3.
La señal de salida es la siguiente
Figura 4.
La frecuencia de la señal obtenida es
aproximadamente de 10 kHz como se esperaba.
e)BIBLIOGRAFIA
Paul B. Zbar, Albert Paul Malvino, Michael A. Miller.
Prácticas de electrónica. Marcombo, 2001. ISBN
8426713173, 9788426713179.
C. J. Savant, Jr. Roden Martin S, Carpenter
Gordon. Diseño electrónico.México DF. Mc Graw-Hill.
Inc, 1998.
VCC
5V
R1
1kΩ
U1
LM555CN
GND
1
DIS7
OUT 3RST4
VCC
8
THR6
CON5
TRI2
R2
72kΩ
C1
.001µF
C2
.1µF
XSC1
Tektronix
1 2 3 4 T
G
P