DISEÑO PRÁCTICO DE UN EMISOR Y RECEPTOR DE SEÑALES ECG VÍA RADIO

1. DISEÑO PRÁCTICO
DE UN EMISOR Y
RECEPTOR DE
SEÑALES ECG
VÍA RADIO
SUBSISTEMAS ELECTRÓNICOS DE
COMUNICACIÓN
MARC TENA GIL
JAVIER CAMBRA ENGUIX

2. Diseño práctico de un emisor y receptor de señales ECG vía radio
1.- OBJETIVOS
Los objetivos generales de esta práctica son:
a) Familiarizarse con el funcionamiento e implementación de los moduladores
y demoduladores de frecuencia basados en VCOs y PLLs.
b) Aprender a manejar módulos ya diseñados para llevar a cabo la transmisión
y recepción de señales en la banda de audio.
2.- DESCRIPCIÓN
En esta práctica se abordará el diseño de un sistema de comunicaciones que incluya un
emisor y un receptor para llevar a cabo la transmisión de una señal de
electrocardiografía (ECG) vía radio y modulada en FM. Esta señal se obtendrá del
generador de funciones que hay disponible en el laboratorio, siendo sus características
las siguientes:
Ancho de banda de 0.2Hz a 120Hz
Nivel de amplitud 1 Vpp
Su frecuencia debe ser la correspondiente a un ritmo cardíaco de 60 ppm
El circuito emisor estará constituido por un circuito oscilador controlado por tensión
para modular en FM una señal portadora de 5kHz utilizando como señal en banda base
la señal de ECG. La desviación de frecuencia debe ser ±1kHz. Una vez obtenida la
señal modulada, ésta se volverá a modular de nuevo en FM mediante el módulo de
emisión integrado TX FM AUDIO de Aurel (ver microweb) que realiza una modulación
de FM a 433.8 MHz y con una desviación de frecuencia de 75kHz.
La señal de salida de dicho módulo será transmitida vía radio mediante una antena.
En recepción se recogerá la señal transmitida con el módulo receptor correspondiente de
Aurel (RX FM AUDIO), el cual realizará una primera demodulación de la señal
transmitida. De este modo, la señal de salida del módulo receptor será una señal
modulada en FM con una portadora de 5kHz y una desviación de frecuencia de ±1kHz,
por lo que deberá ser demodulada de nuevo para obtener de la señal de ECG original.
Esta demodulación se llevará a cabo mediante un PLL.
Para llevar a cabo la modulación de FM con portadora de 5kHz y la posterior
demodulación se utilizarán dos circuitos integrados HEF4046B de Philips, el cual
integra el detector de fase y VCO del PLL y ofrece también la posibilidad de operar
exclusivamente con el VCO.
Para el acondicionamiento de las diferentes etapas se utilizarán amplificadores
operacionales y componentes discretos (resistencias y condensadores).

3. 3.-DIAGRAMA DE BLOQUES DEL CIRCUITO EMISOR
a) Acondicionador de señal.
Para adaptar la señal de ECG que entrega el generador de funciones puede ser necesario
sumar un nivel de continua a dicha señal, si fuera necesario utilizar dicho elevador de
nivel (Generador DC) es imprescindible colocar un condensador de elevado nivel (para
que no filtre las bajas frecuencias de la señal de ECG) en la entrada del sumador
correspondiente al generador de funciones. De este modo se evita que la continua que
está inyectando el elevador de nivel se derive hacia el generador, en cuyo caso se
estropearía.
El acondicionador de señal también debe incluir un FPB que deje pasar sólo la banda de
frecuencias correspondiente a la señal de ECG, eliminando de este modo cualquier
ruido o interferencia que acompañe a la señal en banda base. Se puede aprovechar este
filtro para dotar a la señal de ECG de la amplitud necesaria para conseguir la desviación
de frecuencia de 1kHz.
b) Modulador
El bloque que realiza la primera modulación de FM se implementará mediante el CI
HEF4046B en su configuración como VCO.
c) Emisor FM audio
Este módulo realiza una segunda modulación de FM para elevar más la frecuencia de la
señal de modo pueda ser emitida por la antena. Puesto que este módulo requiere unos
niveles de entrada concretos, es necesario colocar antes del módulo un adaptador de
nivel que podría implementarse de forma muy sencilla mediante un divisor de tensión.

4. 4.-DIAGRAMA DE BLOQUES DEL CIRCUITO RECEPTOR
a) Receptor FM Audio
Este bloque se encarga de realizar la demodulación de frecuencia realizada por su
homólogo en el emisor, la señal de salida de este módulo será una señal modulada en
FM con una portadora de 5kHz y una desviación de frecuencia de ±1kHz.
b) Demodulador
Puesto que señal entregada por el módulo anterior sigue estando modulada en FM, es
necesario volver a demodularla. Para ello se utilizará de nuevo el CI HEF4046B en su
versión PLL.
c) Acondicionamiento de la señal de salida
Finalmente sólo resta realizar un acondicionamiento de la señal de salida añadiendo un
FPB y un PFA que elimine componentes de HF y la continua que aparece superpuesta
con la señal de ECG a la salida.
5.- MATERIALES EMPLEADOS
 HEF4046B (PLL VCO)
 Amplificadores operacionales 747, 741
 Surtido de resistencias, bobinas y condensadores
 TX FM AUDIOI y RX FM AUDIO de Aurel
6.- RESULTADOS DE LA PREPARACIÓN DE LA PRÁCTICA
Los resultados del trabajo previo a la preparación de la práctica serán los siguientes:
a) Dibujo del esquema de conexiones del CI HEF4046B en su versión de
modulador y demodulador de frecuencia, indicando los valores de todos los
componentes que se le deben añadir para realizar dicha función.

5. ESQUEMA EL MODULADOR
Figura 1.-Esquema modulador
Figura 2.-Fórmulas de diseño del fabricante
Con fmax=5.5Khz y fmin=4.5khz obtenemos:
C1=1nF
R1=100kΩ
R2=240Ω

6. ESQUEMA DEL DEMODULADOR
Figura 3.-Esquema Demodulador
Figura 4.-Filtro paso bajo
R3 = 18 kΩ R1 = 484 kΩ  470kΩ
R4 = 15 kΩ R2 = 242 kΩ  270kΩ
C2 = 47 nF C1 = 1 nF
Figura 5.-Esquema eléctrico del filtro

7. Figura 6.-Simulación del filtro

8. b) Dibujo del esquema de conexiones de los módulos de Aurel RX FM AUDIO
TX FM AUDIO

9. c) Dibujo de los esquemas de todos los subsistemas de filtrado y de adaptación
de niveles de tensión que sean necesarios, indicando los valores de todos los
componentes empleados. También se deberán incluir todas las simulaciones
que se hagan para comprobar el buen funcionamiento del diseño.
Figura 7.-Acondicionador de señal

10. Hemos diseñado nuestro sistema para que trabaje con una tensión de 2.5 ± 0,5V, por lo
tanto ha sido necesario diseñar un acondicionador de señal de forma que nos
proporcionase un nivel de continua de 2,5V a la señal procedente del receptor de FM.
Este diseño consiste en un sumador ponderado seguido de un amplificador de ganancia
G = 10. A continuación mostramos los resultados de la simulación a la que hemos
introducido una señal senoidal de 100mV de amplitud con el fin de simular las
condiciones de tensión que nos proporciona el receptor de FM.
Obtenemos de esta forma una señal de 2,5 V de continua con variaciones de 1Vpp.
Figura 8.-Simulación del circuito acondicionador de señal
7. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
El objetivo de la práctica era la transmisión y recepción de una señal de
electrocardiografía que obteníamos a partir del generador de señales que disponemos en
el laboratorio.
En nuestro grupo nos hemos encargado de montar el receptor.
El primer paso fue montar el demodulador utilizando el circuito integrado 4046. La
señal a demodular era una señal de electrocardiografía con un ancho de banda de 0.2Hz
a 120Hz.
Seguidamente se tuvo que diseñar el filtro Lead-Lag. Diseñamos el filtro para que
tuviera una frecuencia de corte algo superior a los 120Hz, ya que así conseguíamos una
respuesta en frecuencia bastante plana en todo el ancho de banda.
Simulando con el Orcad obtuvimos una frecuencia de corte de 133Hz, como se puede
observar en la figura 6.

11. En el laboratorio montamos el filtro por separado e introduciendo a la entrada una señal
senoidal y variando su frecuencia, comprobamos en el osciloscopio que el filtro actuaba
como esperábamos.
Acto seguido montamos ya todo el demodulador utilizando el valor de resistencias y
condensadores que habíamos calculado teóricamente mediante las ecuaciones que nos
proporcionaba el fabricante en el catálogo.
Esta ha sido la parte de la práctica que más problemas no ha dado, ya que nos costó
bastante que el PLL trabajara en el rango especificado, entre 4000Hz y 6000Hz, tal
como se pedía en la práctica.
Comprobamos el correcto funcionamiento del PLL introduciendo una señal senoidal
con una frecuencia que variábamos entre los márgenes de enganche que queríamos
obtener. Con el osciloscopio comprobábamos cuando el PLL se desenganchaba.
Finalmente y tras probar con distintos valores de resistencias y condensadores
conseguimos ajustar el PLL para que funcionara hasta una frecuencia que variaba entre
los 4100 Hz y los 5900Hz.
Una vez comprobado el correcto funcionamiento de nuestro sistema, probamos el
diseño con otro compañero que había montado el bloque del transmisor. Tras unos
ajustes y transmitiendo mediante conexión directa con un cable, comprobamos como
efectivamente el sistema funcionaba como cabía esperar.
El siguiente paso fue configurar el generador de funciones para obtener una señal
cardíaca con las características que se indicaban en la práctica, es decir, de 60Hz y
1Vpp. Comprobamos que el diseño funcionó correctamente.
La parte final de la práctica consistía en montar el modulo de alta frecuencia. La señal
que entrega dicho modulo presenta 100mVpp. Por tanto tuvimos que montar un
acondicionador de señal de forma que atacara a nuestro PLL con un voltaje de 2,5V de
continua y 1Vpp. Esto lo realizamos con un sumador ponderado de ganancia 10.
Esta última parte del diseño no pudimos llegar a comprobarla.
8. CONCLUSIONES
En la práctica hemos aprendido como diseñar e implementar un sistema de
radiofrecuencia para transmitir señales, en nuestro caso de electrocardiograma. Para
ellos hemos tenido que diseñar los bloques correspondientes a modulador y
demodulador y nos hemos visto como un diseño a priori sencillo puede dar muchos
problemas de ajuste a la hora del montaje. En la última parte de la práctica hemos
aprendido a utilizar un modulo de recepción y transmisión comercial de la marca Aurel,
este tipo de dispositivos nos facilitan mucho el trabajo y aumentan las prestaciones de
nuestro diseño.

12. Figura 9.-Montaje final en placa de pruebas