Roteiros de laboratório (volume único)

Universidade Federal de Uberlândia
Campus Patos de Minas
Práticas de laboratório para Eletrônica
de RF e Comunicações
Prof. Alan Petrônio Pinheiro
Faculdade de Engenharia Elétrica
Curso de Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações
[email protected]
Versão 1.1 - junho de 2016
Direitos autorais reservados. Permitida reprodução desde que: (i) citada integralmente a fonte de autoria deste material e (ii) não haja fins lucrativos.
2
Laboratório de Eletrônica de RF e Comunicações (v. 1.0)
Prof. Alan Petrônio Pinheiro - www.alan.eng.br
Sumário
Prefácio................................................................................................................................ 5
Pré-laboratório..................................................................................................................... 6
Prática 1: circuitos ressonantes ............................................................................................ 7
Consideração preliminar .......................................................................................................................... 7
1 - Objetivos da prática .......................................................................................................................... 7
2 - Procedimento para execução da prática............................................................................................. 7
2.1 – Simulando um circuito sintonizador com o MultiSim ................................................................. 7
2.2 – Montando um circuito sintonizador ............................................................................................ 8
3 - Reflexões a serem feitas sobre o experimento .................................................................................... 9
Prática 2: filtros passivos ................................................................................................... 10
1 - Objetivos da prática ........................................................................................................................ 10
2 - Procedimento para execução da prática........................................................................................... 10
2.1 – Simulando filtros com o MultiSim ............................................................................................ 10
2.2 – Projeto de filtro passa-baixa ..................................................................................................... 11
2.3 – Projeto de filtro passa-alta........................................................................................................ 11
2.4 – Projeto de filtro passa-banda .................................................................................................... 11
2.5 – Montando filtros na bancada .................................................................................................... 12
3 - Reflexões a serem feitas sobre o experimento .................................................................................. 12
Prática 3: osciladores ......................................................................................................... 13
1 - Objetivos da prática ........................................................................................................................ 13
2 - Procedimento para execução da prática........................................................................................... 13
2.1 – Simulando osciladores com o MultiSim: o oscilador de deslocamento de fase. .......................... 13
2.2 – O oscilador de Hartley .............................................................................................................. 14
2.3 – Montagem de um oscilador ....................................................................................................... 14
Prática 4: misturadores ...................................................................................................... 15
1 - Objetivos da prática ........................................................................................................................ 15
2 - Procedimento para execução da prática........................................................................................... 15
2.1 – Simulando o mixer e avaliando o conteúdo espectral produzido ............................................... 15
3 - Reflexões a serem feitas sobre o experimento .................................................................................. 17
Prática 5: casamento de impedância e reflexão .................................................................. 18
1 - Objetivos da prática ........................................................................................................................ 18
2 - Procedimento para execução da prática........................................................................................... 18
2.1 – Entendendo por simulação como funciona a máxima transferência de potência ....................... 18
Prof. Alan Petrônio Pinheiro - www.alan.eng.br
Laboratório de Eletrônica de RF e Comunicações (v. 1.0)
2.2 – Simulando o casamento de impedância em cargas complexas................................................... 19
3 - Reflexões a serem feitas sobre o experimento .................................................................................. 21
Prática 6: Amplificação RF com casamento de impedância ............................................... 22
1 - Objetivos da prática ........................................................................................................................ 22
2 - Procedimento para execução da prática........................................................................................... 22
2.1 – Polarização de transistores bipolares de junção ........................................................................ 22
2.2 – Polarização de transistores de efeito ode campo ....................................................................... 23
2.3 – Simulando uma amplificação em RF ........................................................................................ 24
2.4 – Casamento de impedância e aspectos gerais ............................................................................. 25
Prática 7: Amplificador sintonizado ................................................................................... 26
1 - Objetivos da prática ........................................................................................................................ 26
2 - Procedimento para execução da prática........................................................................................... 26
2.1 – Simulando um amplificador sintonizado ................................................................................... 26
Prática 8: transmissores e receptores AM .......................................................................... 27
1 - Objetivos da prática ........................................................................................................................ 27
2 - Procedimento para execução da prática........................................................................................... 27
2.1 – Funcionamento de um transmissor AM clássico ....................................................................... 27
2.2 – Funcionamento de um receptor AM clássico ............................................................................ 28
2.3 – Análise de eficiência, seletividade e sensibilidade...................................................................... 29
Prática 9: transmissores e receptores FM .......................................................................... 30
1 - Objetivos da prática ........................................................................................................................ 30
2 - Procedimento para execução da prática........................................................................................... 30
2.1 – Funcionamento de um transmissor FM básico ......................................................................... 30
2.2 – Funcionamento de receptor FM básico ..................................................................................... 31
2.3 – FM estéreo ................................................................................................................................ 32
Prática 10: circuitos diversos usados em comunicações ...................................................... 33
1 - Objetivos da prática ........................................................................................................................ 33
2 - Procedimento para execução da prática........................................................................................... 33
2.1 – Amplificador classe C ............................................................................................................... 33
2.1 – Vco: Osciladores controlados por tensão ................................................................................... 33
2.1 – PLL: síntese de frequências....................................................................................................... 33
2.1 – PLL: ‘amarrar um frequência’ e detectar uma portadora ......................................................... 33
Extra 1: aprendendo a trabalhar com alguns instrumentos do Multisim .......................... 34
Consideração preliminar ........................................................................................................................ 34
1 - Objetivos da prática ........................................................................................................................ 34
2 - Procedimento para execução da prática........................................................................................... 34
3
4
Laboratório de Eletrônica de RF e Comunicações (v. 1.0)
2.1
2.2
2.3
2.4
–
–
–
–
Prof. Alan Petrônio Pinheiro - www.alan.eng.br
Spectrum analyzer .................................................................................................................... 34
Bode ploter ............................................................................................................................... 34
Gerador de sinais FM e AM ..................................................................................................... 35
Network analyzer ...................................................................................................................... 35
Extra 2: Projeto e simulação de transmissor e receptor FM básico ................................... 36
1 - Objetivos da prática ........................................................................................................................ 36
2 - Procedimento para execução da prática........................................................................................... 36
2.1 – Visão de projeto e arquitetura .................................................................................................. 36
2.2 – Etapas do transmissor e parâmetros ......................................................................................... 37
2.3 – Projetos e cálculos dos estágios do transmissor ........................................................................ 38
2.4 – Circuito e simulação do transmissor ......................................................................................... 39
2.5 – Etapas do transmissor e parâmetros ......................................................................................... 40
2.6 – Projetos e cálculos dos estágios do transmissor ........................................................................ 41
2.7 – Circuito e simulação do transmissor ......................................................................................... 42
2.8 – Montando um sistema de comunicação FM full duplex ............................................................ 43
Extra 3: Projeto e simulação de transceiver básico ............................................................ 44
1 - Objetivos da prática ........................................................................................................................ 44
2 - Procedimento para execução da prática........................................................................................... 44
2.1 – Esboçando o diagrama de bloco do transceiver e suas etapas ................................................... 44
2.2 – Projeto dos estágios do analog front end .................................................................................. 45
2.3 – Projeto do modulador e do demodulador .................................................................................. 46
2.4 – Circuito final e simulação para análise de desempenho ............................................................ 47
Referências......................................................................................................................... 48
Direitos autorais reservados. Permitida reprodução desde que: (i) citada integralmente a fonte de autoria deste material e (ii) não haja
fins lucrativos
Prof. Alan Petrônio Pinheiro - www.alan.eng.br
Laboratório de Eletrônica de RF e Comunicações (v. 1.0)
Prefácio
Este material assim como suas instruções é destinado à disciplina prática de Circuitos de
Eletrônica Aplicada onde, basicamente, cobre-se vasta parte dos principais circuitos empregados em
telecomunicações operando em faixas de frequência de rádio (9kHz a 300GHz). Desta maneira, esta
disciplina é um espaço prático para que o estudante possa (i) projetar, (ii) prototipar, (iii) analisar,
(iv) depurar e (v) testar circuitos eletrônicos voltadas a esta finalidade.
Até a presente disciplina, o estudante já dever ter cursado ou está cursando as disciplinas básicas
de Eletrônica Analógica e Circuitos Elétricos. Boa parte dos conteúdos destas disciplinas são
novamente estudados aqui porém, com o enfoque do trabalho em frequências maiores e sob uma
ótica mais ‘detalhada’ e ‘minunciosa’. Por isto é indispensável um bom conhecimento nestas áreas
que serão frequentemente resgatadas.
A ideia dos experimentos aqui propostos começa com o uso de simuladores. Por ser uma disciplina
de conteúdo amplo e envolvendo circuitos complexos que exigem um setup de laboratório
relativamente sofisticado (equipamentos e componentes de melhor qualidade) e cuidados adicionais
(pois o trabalho com frequências altas exige muita minúcia, atenção aos detalhes e bastante
empenho), é importante usar recursos computacionais para aprimorar as ideias de circuitos discutidas
em sala de aula e também os valores encontrados em exercícios. O teste de comportamento de
circuitos é também vastamente abordado nestes roteiros. Com isto, a ideia é passar pelas principais
fases de projeto: (i) definição do circuito, dos estágios e cálculos iniciais feitos à mão; (ii) refinamento
do circuito e avaliação de grandezas (corrente, tensão, potência, espectro, etc) por meio de simulares;
(iii) prototipação por protoboard (wire up ou equivalente) e (iv) montagem do protótipo em placa
de circuito impresso. Todas estas etapas são abordadas neste material nesta ordem. O software EDA
(electronic design automation) usado neste material é o MultiSim (como simulador) e o UltiBoard
(para confecção de placas de circuito impresso) que formam uma suíte de aplicativos produzida pela
National Instruments. Estes softwares podem ser baixados gratuitamente (versão estudante) e a
versão usada para produzir este roteiro é a 13.
A ideia das práticas envolvem o aprendizado prático, a consolidação dos conhecimentos teóricos e
o estímulo a prática pela eletrônica, pela experimentação e o pensamentos focado na inovação. Mesmo
embora boa parte dos experimentos sejam de natureza elementar, eles podem ser o início de uma
educação voltada à projetos.
Os principais propósitos dos experimentos que fazem conjunto com este manual e integram as aulas
experimentais de Circuitos de Eletrônica são
(i) dar ao estudante alguma familiaridade com os principais circuitos usados em projetos de
telecomunicações;
(ii) dar subsídios ao projeto e prototipação de circuitos em radio-frequência;
(iii) empregar instrumentos elétricos e procedimentos laboratoriais comuns à prática da
eletrônica em circuitâncias não-triviais.
5
6
Laboratório de Eletrônica de RF e Comunicações (v. 1.0)
Prof. Alan Petrônio Pinheiro - www.alan.eng.br
Pré-laboratório
Espera-se que ao ingressar nesta disciplina o estudante tenha um bom conhecimento de como
operar os principais equipamentos de um laboratório de eletrônica (fonte, osciloscópio, multímetro,
gerador de sinais e afins). Porém, por melhor que seja este conhecimento, sempre há margem para
novos aprendizados de operação destes importantes instrumentos já que: (i) eles oferecem vários
recursos mais ‘sofisticados’ que geralmente não são abordados em disciplinas básicas e (ii) até o
presente momento, o efeito de grandes frequências era desprezado e por isto muitas simplificações
eram até então feitas mas agora não podem mais. Neste último caso é importante começar a entender
alguns detalhes de operação destes instrumentos que podem interferir nas medidas e nas condições
de trabalho. Por isto, antes de dar início às práticas laboratoriais, o estudante é obrigado1 a estudar
os seguintes matérias de acordo com as instruções abaixo:
•
Documento: XYZs of Oscilloscopes
o Autoria: Tektronix O que deve ser lido: pág. 4 a 8 e 11 a 46.
o Fonte: www.alan.eng.br/arquivos/apostila_basico_osciloscopio.pdf
Depois de ler cautelosamente os documentos citados, espera-se que o estudante esteja mais
familiarizado com as ideias abordadas por estes (importantes) manuais. Em caso de dúvidas, o
estudante deve procurar o docente durante seu horário semanal de atendimento para sanar suas
dúvidas ou até mesmo proceder com testes nestes instrumentos. Ainda, as aulas práticas devem
consolidar os conhecimentos adquiridos pela leitura proposta.
Caso o docente perceba que o estudante não tenha os conhecimentos mínimos, ele irá solicitar
ao estudante a leitura deste material que deve ser feita. Em caso de descumprimento, o estudante
estará desautorizado a usar o laboratório (para as atividades desta disciplina) até que demonstre
conhecimento mínimo sobre os temas abordados. Aproveite as oportunidades para crescer!
Sim, a palavra obrigado(a) foi corretamente posta aqui! Mesmo embora nossa carta magna não tenha nenhum artigo que
defina esta obrigação, o estudante deve entender que é uma obrigação moral empenhar-se ao máximo naquilo que lhe é
pedido pois (i) irá trabalhar com equipamentos caros que - se incorretamente manipulados por falta de instrução - podem
causar prejuízo à Instituição e (ii) muito esforço (dos professores, técnicos, do povo que paga esta Universidade, etc) tem
sido dispendido para que possam usufruir da melhor qualidade possível de ensino.
1
Prof. Alan Petrônio Pinheiro - www.alan.eng.br
Laboratório de Eletrônica de RF e Comunicações (v. 1.0)
Universidade Federal de Uberlândia
Prática 1: circuitos ressonantes
Prof. Alan Petrônio Pinheiro
Faculdade de Engenharia Elétrica
Curso de Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações (campus Patos de Minas)
Consideração preliminar
Antes que se mencione o(s) principal(is) objetivo(s) desta prática, faz-se importante destacar desde
seu início que não é intenção deste material (e disciplina!) ensinar MultiSim2, mas sim apenas aplicá-lo
como ferramenta para o aprendizado dos circuitos de telecomunicações e RF. Naturalmente que algumas
ferramentas (mais avançadas ou adequadas ao uso em RF) serão abordadas.
1 - Objetivos da prática
O objetivo desta prática é entender o comportamento de circuitos ressonantes utilizados para
sintonizar determinada faixa de frequência. Para isto usamos o MultiSim para exibir os diferentes
comportamentos de diferentes circuitos com diferentes parâmetros de modo a entender como estes circuitos
e estes parâmetros influenciam na sintonização.
2 - Procedimento para execução da prática
Esta prática tem em sua primeira parte a simulação de um circuito sintonizador e, na segunda
parte, a montagem prática de um circuito sintonizador em bancada.
2.1 – Simulando um circuito sintonizador com o MultiSim
Usando o MultiSim, monte o circuito da Figura 1a. Observe os valores empregados de componentes.
Além dos componentes, ligue os 2 instrumentos observados na figura: o osciloscópio e o ‘Network Analyzer’.
Vale dizer que em um ambiente real, para que um Network Analyzer possa ser ligado ao circuito, a fonte
deve ser removida pois este instrumento gera na saída P1 uma fonte de frequência variável para testar o
circuito. O canal P2 avalia a saída do circuito. Além destas ligações, é necessário abrir a interface do
Network Analyzer (que pode ser vista na Figura 1b) e fazer as seguintes configurações:
1. Clique no botão "RF characterizer"
2. No ComboBox "Param.", selecione a opção "Gains"
3. No botão "RF param. set ...", determine os valores de impedância de entrada e saída do
circuito
4. Por fim, use o botão "Auto scale" para visualizar melhor o gráfico (abuse deste recurso)
Espera-se que o estudante já deve ter aprendido o MultiSim (ou outro programa equivalente) em outras disciplinas. Se
isto não aconteceu, aproveite para testar seu poder de autodidata para aprender a usar o referido programa. O professor
disponibiliza em sua página uma apostila básica para aprendizagem do MultiSim.
2
7
8
Laboratório de Eletrônica de RF e Comunicações (v. 1.0)
Prof. Alan Petrônio Pinheiro - www.alan.eng.br
(a)
(b)
Figura 1 – (a) Circuito ressonante para ser simulado. (b) Imagem produzida pelo instrumento “Network analyzer”.
A partir do circuito da Figura 1a, faça alguns testes:
1) Explore ao máximo os recursos do Network Analyzer. Aproveite para alterar alguns valores do
circuito e veja o efeito no Network Analyzer.
2) Use o osciloscópio (observe as cores do fios) para comparar a entrada e a saída. Para isto, não deixe
de alterar a frequência da fonte de alimentação AC do circuito para confirmar quais frequências
chegam a carga e quais frequências são bloqueadas. Observe também a amplitude (e fase) das
frequências que passam.
2.2 – Montando um circuito sintonizador
Este é um teste de bancada. Para isto, seu professor colocará a sua os elementos do circuito da
Figura 2. Proceda com os passos:
1) Monte o circuito. A fonte será um gerador de sinal e Rs deve ser lido como a “impedância
de saída do gerador de sinal”.
2) Ajuste a amplitude do gerador de sinais para pelo menos 5v. Estime, por cálculos os valor
de ressonância. Ajuste este valor encontrado no gerador de sinais e observe a saída do
osciloscópio.
3) Provavelmente, o valor ajustado não coincidirá com a prática. Por isto, varie o valor de
frequência do gerador de sinal e tente encontrar (olhando o osciloscópio) a máxima
amplitude que o osciloscópio consegue registrar. É nesta frequência que acontece na prática
a ressonância no circuito montado. Mude também a forma de onda de entrada para uma
onda quadrada (com frequência fundamental semelhante à frequência de ressonância)
Prof. Alan Petrônio Pinheiro - www.alan.eng.br
Laboratório de Eletrônica de RF e Comunicações (v. 1.0)
Figura 2 – Circuito ressonante para montagem.
3 - Reflexões a serem feitas sobre o experimento
a) No circuito da Figura 1a, a troca de Rs e RL influenciam a frequência de ressonância? O que a
mudança destes parâmetros influencia na curva deste circuito?
b) No circuito montado em bancada, compare os valores estimados por cálculos (ver os valores
nominais de R, L e C) com os valores medidos. Quais fatores proporcionaram esta diferença?
c) Por que que ao injetar uma onda quadrada com frequência semelhante a frequência de ressonância
do circuito, temos na saída uma onda que não é quadrada?
d) Na ressonância, o valor de XL//XC (impedância equivalente dos dois elementos em paralelo) é
máxima, mínima ou assuma algum valor intermediário?
9
10
Laboratório de Eletrônica de RF e Comunicações (v. 1.0)
Prof. Alan Petrônio Pinheiro - www.alan.eng.br
Universidade Federal de Uberlândia
Prática 2: filtros passivos
Prof. Alan Petrônio Pinheiro
Faculdade de Engenharia Elétrica
Curso de Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações (campus Patos de Minas)
1 - Objetivos da prática
O objetivo desta prática é trabalhar, por simulação e montagem, com filtros passa-baixa, passaalta e passa-bandas usando componentes RLC (passivos).
2 - Procedimento para execução da prática
Esta prática tem em sua primeira parte a simulação dos três diferentes tipos de filtros mais comuns.
Na segunda parte estes filtros são montados em bancada e é avaliada o efeito das frequências no circuito
montado.
2.1 – Simulando filtros com o MultiSim
Usando o MultiSim, monte o circuito da Figura 1. Observe os valores empregados de componentes.
Este é um filtro Chebyshev passa-baixa de cinco elementos reativos, ripple de -0,1dB e frequência de corte
de 50Mhz.
Figura 1 – Filtro a ser montado
A partir do circuito da Figura 1, faça: utilizando o Network Analyzer, esboce a curva de frequência do
filtro. Esta parte 1 tem apenas o propósito de lhe dar alguma familiaridade com o uso do MiltiSim para
análise de filtros. As demais partes focam no projeto e estimativa dos valores.
Prof. Alan Petrônio Pinheiro - www.alan.eng.br
Laboratório de Eletrônica de RF e Comunicações (v. 1.0)
2.2 – Projeto de filtro passa-baixa
Para este exemplo, projete: um filtro Butterworth passa-baixas com fc=35MHz, atenuação de pelo
menos 60dB a partir de 105MHz em um circuito onde Rs=50R e RL=500R. Provavelmente o
resultado de seu projeto deve ser similar ao circuito que se vê na Figura 2. Para isto empregue o
Network Analyzer para ver a resposta em frequência do filtro e o osciloscópio para conferir como ele
irá tratar algumas das frequências escolhidas por você.
Figura 2 – Filtro passa-baixa
2.3 – Projeto de filtro passa-alta
Para este exemplo, projete: um filtro Chebyshev passa-altas com fc=60MHz, atenuação de pelo
menos 40dB a partir de 30MHz em um circuito onde Rs=300R e RL=300R. Considera um ripple de
-0,5dB. Provavelmente o resultado de seu projeto deve ser similar ao circuito que se vê na Figura 3.
Para isto empregue o Network Analyzer para ver a resposta em frequência do filtro e o osciloscópio
para conferir como ele irá tratar algumas das frequências escolhidas por você.
Figura 3 – Filtro passa-altas
2.4 – Projeto de filtro passa-banda
Para este exemplo, projete: um filtro passa-bandas com central em 75MHz e largura de banda
passante de 7MHz. Esta banda passante pode ter um ripple de até 1dB. Considere ainda que a
atenuação nas frequências abaixo de 58MHz e acima de 92MHz tem que ser superiores a 45dB.
Ainda, Rs =50 ohms e RL =100 ohms. Provavelmente o resultado de seu projeto deve ser similar ao
circuito que se vê na Figura 4. Utilize o MultiSim para testar o projeto. Para isto empregue o
Network Analyzer para ver a resposta em frequência do filtro e o osciloscópio para conferir como ele
irá tratar algumas das frequências escolhidas por você.
11
12
Laboratório de Eletrônica de RF e Comunicações (v. 1.0)
Prof. Alan Petrônio Pinheiro - www.alan.eng.br
Figura 4 – Filtro passa-bandas
2.5 – Montando filtros na bancada
Nesta parte você deve montar o circuito da Figura 4. Observe que a resistência da fonte Rs é de
50 ohms e já está “dentro do gerador de sinal” (observe que este valor é geralmente estampado no painel
frontal do gerador de sinais). Os valores do circuito são: C11=C12=58nF; L8=220uF e RL=50 ohms.
Figura 4 – Filtro para montar
Depois que montar o circuito, tente descobrir a frequência de corte utilizando o gerador de sinais e o
osciloscópio (que deverá mostrar a relação entre sinal de entrada x sinal de saída).
3 - Reflexões a serem feitas sobre o experimento
a) Observe que os valores de capacitores e indutores encontrados nos projetos geralmente não
obedecem a valores comerciais. Como resolver este problema? Tente, usando um simulador,
projetar um circuito para ter determinada frequência de corte (você escolhe) usando somente
componentes disponíveis comercialmente.
b) É possível conseguir um filtro passa-banda através da associação de um filtro passa-baixa e outro
passa-alta (a ordem não interessa) em série. Como fazer isto?
c) Era esperado que nos filtros estudados, a banda de passagem não fosse atenuada (ou no máximo,
atenuada até 3dB). Porém, a pratica algumas vezes mostra que as frequências de passagem sofrem
alguma atenuação mesmo pertencendo à banda de passagem. Por que acontece esta atenuação e
de quanto ela é em média? No que isto prejudica a filtragem?
Prof. Alan Petrônio Pinheiro - www.alan.eng.br
Laboratório de Eletrônica de RF e Comunicações (v. 1.0)
Universidade Federal de Uberlândia
Prática 3: osciladores
Prof. Alan Petrônio Pinheiro
Faculdade de Engenharia Elétrica
Curso de Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações (campus Patos de Minas)
1 - Objetivos da prática
O objetivo desta prática é simular (e montar) um oscilador usando componentes discretos.
2 - Procedimento para execução da prática
Esta prática contém (incialmente) simulações para entender o processo de geração de formas de
onda. Ao final, é sugerido a montagem de um circuito em bancada.
2.1 – Simulando osciladores com o MultiSim: o oscilador de deslocamento de fase.
Conforme discutido em sala de aula, são duas as fórmulas básicas que determinam o comportamento
de um oscilador de deslocamento de fase. São elas:
1
=
2√6
ℎ = . = 1
Se tem uma atenuação de 1/29, teremos que o ganho dado pelo amplificador deve ser de 29x. O
ganho do amplificador é dado pela razão (RF/R)=29. A partir destas considerações, monte o circuito da
Figura 1a.
(a)
(b)
Figura 1 – (a) Oscilador de deslocamento de fase. (b) Instrumentos que devem ser conectados ao circuito
13
14
Laboratório de Eletrônica de RF e Comunicações (v. 1.0)
Prof. Alan Petrônio Pinheiro - www.alan.eng.br
A partir do circuito da Figura 1, faça:
a) Simule o circuito e varie o potenciômetro para ver os efeitos na saída.
b) Verifique a frequência de saída. Ligue ao circuito um osciloscópio de 4 canais (conforme Figura 1b)
e um analisador de espectro. Configure o analisador de espetro para: pressione o botão “set span”
e determine os valores Start=0kHz; End=10kHz; Span=10kHz; Amplitude=LIN e
Range=2V/DIV. Em seguida pressione o botão “Enter”.
2.2 – O oscilador de Hartley
O oscilador de Hartley é caracterizado por um divisor de tensão indutivo logo na saída da
realimentação. A tensão realimentada é usada para sustentar as oscilações. O circuito Hartley é
mostrado na Figura 2. A fórmula de frequência é a mesma descrita na seção anterior. A condição de
oscilação é que L1/L2 < A, sendo ‘A’ o ganho dado pelo estágio transistorizado.
Figura 2 – Oscilador de Hartley
2.3 – Montagem de um oscilador
Utilizando os componentes descritos na Figura 1, monte o circuito e verifique na prática as
condições de oscilação do “oscilador de deslocamento de fase”.
Prof. Alan Petrônio Pinheiro - www.alan.eng.br
Laboratório de Eletrônica de RF e Comunicações (v. 1.0)
Universidade Federal de Uberlândia
Prática 4: misturadores
Prof. Alan Petrônio Pinheiro
Faculdade de Engenharia Elétrica
Curso de Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações (campus Patos de Minas)
1 - Objetivos da prática
O objetivo desta prática é simular o processo de mixagem (ou mistura) para ilustrar como o
fenômeno de não linearidade pode ajudar no deslocamento de espectro.
2 - Procedimento para execução da prática
A ideia básica do mixer (ver Figura 1) é receber um sinal RF e um sinal LO (local oscilator) gerado
por um oscilador local e a partir destas duas entradas produzir um sinal RF deslocado, na frequência, de
LO.
Figura 1 – Sinais de entrada e saída do Mixer.
São vários os circuitos que podem implementar a ideia de mixagem. A Figura 2 ilustra algum deles.
Observa-se que o princípio básico é “somar” dois sinais (LO e RF) e depois passa-los por um dispositivo
não-linear que deverá produzir várias frequências deslocadas em seu espectro. As simulações abaixo
ilustram este processo.
(a)
(b)
(c)
Figura 2 – Diferentes modelos de misturadores/mixers. Observe que nos dois primeiros casos, foram usados transformadores para
fazer o isolamento e para ‘unir’ os dois sinais LO e RF. Já no circuito (c) este processo é feito por um AO.
2.1 – Simulando o mixer e avaliando o conteúdo espectral produzido
A Figura 3 ilustra a montagem do circuito da Figura 2b no Multisim. Observa-se que o circuito
LC tanque não foi ligado para evitar filtragens e assim mostrar as frequências produzidas quando os sinais
15
16
Laboratório de Eletrônica de RF e Comunicações (v. 1.0)
Prof. Alan Petrônio Pinheiro - www.alan.eng.br
produzidor pelas fontes V1 (ou RF) e V3 (ou LO) são ‘somados’ e passam por um dispositivo não-linear:
o diodo D1.
Figura 3 – Ilustração do processo de translado de espectros usando mixers. Observe o espectro produzido logo na carga de 1kΩ.
Ao ligar o circuito tanque ao circuito (conforme mostra a Figura 4), observa-se que ele assume a
função de filtrar algumas das frequências produzidas pelo diodo e deixar passar outras. Naturalmente que
poderia ser usado outro tipo de filtro (como os filtros passivos explicados anteriormente). Contudo, o uso
de um tanque com um capacitor variável pode mostrar este processo de seleção da frequência desejada em
tempo real com simulação conforme será tratado mais a frente neste roteiro.
Figura 4 – Ligação de um circuito tanque para filtrar parte das frequências espúrias produzidas pelo processo de mixagem.
Com base nos circuitos anteriores, faça:
a) Monte o circuito da Figura 3 sem o diodo. Usando o analisador de espectro, mostre as frequências
que chegam à carga de 1kΩ sem o diodo.
b) Agora, ligue o diodo (exatamente como na Figura 3) e mostre o espectro na carga. Observe as
diferenças no espectro tentando identificar cada um dos picos de frequência e vendo que tipo de
relação eles tem com a frequência de 10kHz e 2kHz.
c) As várias frequências produzidas pelo processo de mixagem devem ser filtradas e passadas apenas
as que se desejam que passem e sofreram o deslocamento espectral desejado. Neste caso, vamos
usar um circuito tanque (que, a grosso modo é um filtro passa-faixas) pois nele podemos mudar o
valor de um capacitor para alterar a faixa de filtragem (se usássemos um filtro convencional,
deveríamos mudar vários componentes do filtro para alcançar outra faixa de frequência). Ainda
simulando em tempo real e com o gráfico do espectro aberto, altere com o mouse o valor de C2 e
veja o que acontece no gráfico do espectro.
Prof. Alan Petrônio Pinheiro - www.alan.eng.br
Laboratório de Eletrônica de RF e Comunicações (v. 1.0)
3 - Reflexões a serem feitas sobre o experimento
a) Por que, ao variar o capacitor, o pico do espectro com mais alta potência varia?
b) Se variarmos o valor de L1 para 1uH (ver Figura 4), indique o que acontece e justifique o
porquê do resultado visto.
c) O capacitor C3 é necessário? O que acontece com a retirada dele? Justifique sua resposta. Dica:
para testar o efeito de C3, retire o diodo e os componentes do filtro tanque.
17
18
Laboratório de Eletrônica de RF e Comunicações (v. 1.0)
Prof. Alan Petrônio Pinheiro - www.alan.eng.br
Universidade Federal de Uberlândia
Prática 5: casamento de impedância e reflexão
Prof. Alan Petrônio Pinheiro
Faculdade de Engenharia Elétrica
Curso de Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações (campus Patos de Minas)
1 - Objetivos da prática
O objetivo desta prática é mostrar, através de simulação, a importância do casamento de
impedância para a máxima transferência de potência de um sinal.
2 - Procedimento para execução da prática
Casar impedância é importante para: (i) garantir a máxima transferência de potência e (ii) evitar
a reflexão de sinais. Ambos são conceitos essenciais para telecomunicações. No caso da indesejada reflexão
de sinais, sua simulação geralmente é feita por software específicos e por isto não será ilustrada aqui nesta
prática devendo o leitor apenas ater-se a entender como funciona este processo. Para isto, observe a Figura
1. Note que parte do sinal refletido volta e distorce a forma de onda. Observe bem o formato da onda
distorcida e veja que ela não se comporta como um ‘ruído’ aleatório pois ataca mais a transição do sinal
no tempo (e não todo o sinal). As seções abaixo ilustram a importância do processo de casamento de
impedância e um método para fazer isto usando carta de Smith.
Figura 1 – Sinal elétrico em condutor que não sofreu reflexão (esquerda) e sinal em condutor que recebe reflexão de sinal (direita).
2.1 – Entendendo por simulação como funciona a máxima transferência de potência
Para entender a máxima transferência de potência, considere um caso hipotético onde uma
resistência de fonte (designada por Rs) 50Ω e uma indutância de 8mH. Como a reatância da indutância
depende da frequência, é preciso entender que a reatância (e a transferência de potência) depende da
frequência. Considere o caso de uma frequência específica de 1kHz (ou seja, todos os cálculos aqui só valem
para esta frequência específica). Considerando f=1kHz, podemos calcular que Rs = 50Ω+50jΩ. Considere
ainda que esta fonte tem que alimentar uma carga RL. Para que a máxima potência possa ser retirada
desta fonte, esta carga deve ser RL= 50Ω - 50jΩ. Observe que a parte reativa deve ter sinal diferente da
Prof. Alan Petrônio Pinheiro - www.alan.eng.br
Laboratório de Eletrônica de RF e Comunicações (v. 1.0)
fonte (valor positivo indica uma reatância indutiva e valor negativo indica uma reatância capacitiva). Uma
reatância de -50jΩ para a frequência de 1kHz equivale a uma capacitância de 3,18uF. Para entender este
processo, faça:
1) Monte o circuito da Figura 2. Observe que a carga foi simulada por um resistor e capacitor
variáveis. No caso da Figura 2, os valores designados produzem uma potência de
aproximadamente 418mW.
2) Segundo a teoria, para haver casamento de impedância (e garantir a máxima transferência
de potência), Rs=*RL (o asterisco indica complexo conjugado). Para isto, ajuste os valores
de resistência para 50% (ou seja, 50Ω) e o capacitor para 31 ou 32% (para valer 3,18uF que
é o valor de capacitância que corresponde a -50j que anula a impedância de +50j do indutor
de 8mH). Quando você fizer isto, observe que será conseguida a potência de 497.022mW.
3) Agora, varie a vontade os valores de capacitância e resistência da carga e veja se nestas
variações você conseguirá algum valor maior do que 497.022mW. Se a teoria estiver correta,
em nenhuma outra configuração você poderá ultrapassar o valor de 498.022mW por mais
que você tente.
Figura 2 – Circuito com wattímetro usado para ilustrar o casamento de impedância e a máxima transferência de potência. Observe
que foi escolhido uma carga RL com capacitor e resistor variável para demostrar quando se consegue a máxima transferência de
potência para a carga.
2.2 – Simulando o casamento de impedância em cargas complexas
Para simular o casamento de impedância envolvendo cargas complexas (que possuem parte resistiva
e parte reativa), considere um exemplo hipotético de um módulo de recepção de sinais como o ilustrado
na Figura 3a. Observe que este módulo tem uma antena que recebe um sinal sem fio e conduz o sinal até
um circuito integrado que processa este sinal. A antena, que utiliza é uma trilha3 de dimensões específicas
fixada na própria superfície da placa tem uma resistência ohmica de 25Ω e uma capacitância de 0.17nF.
Já o circuito (chip) que deve receber o sinal tem uma resistência de entrada equivalente de 100Ω e uma
capacitância de 0.1nF. Observe o circuito equivalente na Figura 3b. Considera-se que a trilha tem
impedância nula. Se considerarmos que a portadora do sinal de comunicação é de 60MHz, a impedância
da fonte (ou da antena) é de Rs= 25-15jΩ e a impedância de entrada (RL) do chip é de RL=100-25jΩ.
Com a ajuda de um wattímetro, observa-se que neste caso a potência que chega ao chip é de 5,78mW (isto,
considerando uma fonte com 1V rms de amplitude). Ou seja, este é o sinal que será processado. Todo o
Este método de usar a própria trilha como antena será visto em outras disciplinas e é conhecida como “micro fitas” ou
micro strips. Por possuírem resistências e impedâncias específicas (que dependem das dimensões das trilhas), elas também
podem ser usadas como filtros passivos também.
3
19
20
Laboratório de Eletrônica de RF e Comunicações (v. 1.0)
Prof. Alan Petrônio Pinheiro - www.alan.eng.br
resto do sinal é dissipado na própria antena é, portanto, desperdiçado depreciando a sensibilidade4 do
receptor.
(a)
(b)
Figura 3 – (a) Figura ilustrativa de um módulo de recepção de dados wireless. (b) Circuito equivalente da antena até a entrada
do chip que processa os sinais (sem casamento de impedância).
No exemplo do parágrafo anterior o desafio é melhorar o desempenho da recepção de dados evitando
a perca de potência do sinal (sem mudar a fonte, a antena e o chip). Para isto, a teoria diz que se pode
otimizar a potência recebida se casarmos a impedância entre a entrada do chip e a antena. Para isto,
vamos usar um casamento de impedância no modelo “L” que usa um capacitor e um indutor. Neste caso,
vamos inserir entre a antena e o chip receptor um capacitor C8 e um indutor L4. Nesta configuração, além
de casar impedância, estes dois elementos comportam-se como um filtro passa-baixas (mas este não é o
foco e a principal aplicação que aqui deseja-se mostrar). Neste sentido, deseja-se descobrir quais valores de
C8 e L4 devemos ter para que estes dois elementos, em associação com C6 e R6, produzam, no total, uma
impedância de 25+15jΩ.
Figura 4 – Casamento de impedância do exemplo ilustrado na Figura 3a.
Uma análise do exemplo 4.7 (pagina 90) do livro (Bowick, 2007) revela a solução proposta a partir
da carta de Smith. Nota-se que deseja transformar a impedância de RL=100-25jΩ em 25+15jΩ e, para isto,
a carta mostra o que deve ser adicionado em termos de indutor e capacitor para que a resistência vista
passe de 100-25jΩ para 25+15jΩ e assim se concretize o casamento de impedância. O resultado mostra que
este casamento é conseguido quando se usa um indutor L4 de 159nH e um capacitor C8 de 38.7pF. A
partir disto, faça:
Neste sentido, entende-se por sensibilidade a menor potência de sinal possível que chega ao receptor e este
ainda é capaz de processar.
4
Prof. Alan Petrônio Pinheiro - www.alan.eng.br
Laboratório de Eletrônica de RF e Comunicações (v. 1.0)
1) Monte o circuito da Figura 4 com wattímetro. Tente configurar a variável “incremente”
para 1% (clique com o botão direito em cima do componente, vá na aba “value” e em
seguida no campo “increment”) para L4 e C8.
2) Quando ajustamos os valores de L4 e C8 para 80% e 39%, estamos ajustando os valores de
L4 e C8 para 160nH e 39pF, respectivamente. Observe que neste caso, a potência recebida
pelo chip passa a ser de 9.93mW! Ou seja, a mera inserção de um capacitor e um indutor
quase dobrou a potência recebida pelo chip. Em termos práticos, é como se aumentássemos
o alcance da transmissão sem alterar o transmissor e sem alterar antena de recepção e chip
de decodificação.
3) Agora, varie os valores de L4 e C8 e observe que por mais que tente variar estes valores,
você nunca conseguirá fazer com que a potência no receptor ultrapasse os 9.93mW
conseguidos pelo casamento de impedância.
3 - Reflexões a serem feitas sobre o experimento
a) Por que, ao amentar a eficiência da potência recebida, podemos dizer que o efeito prático é
permitir que o receptor possa afastar-se cada vez mais do transmissor propiciando um maior
alcance na transmissão.
b) Ao inserir os capacitores e indutores de casamento de impedância, mudamos a potência total
recebida pelo circuito? Ainda, ao casar a impedância, aumentamos em 4,21 mW (9.93 - 5.72)
a potência recebida. Antes de casarmos a impedância, onde estes 4,21 mW eram gastos?
c) Repita o exemplo anterior (ou seja, encontre L4 e C8) para casar impedância considerando
agora uma portadora de 100MHz. Mostre seus resultados e o circuito (simulado) sem o
casamento de impedância e com o casamento de impedância.
21