Analizador de Espectro NeoTeo (Parte III)

Ya vimos suficientes demostraciones de funcionamiento y videos muy explícitos sobre las virtudes del instrumento que estamos construyendo. Llegó el momento de comenzar a construir el hardware que nos permitirá darle vida a nuestro Analizador de Espectro. En esta entrega vamos a armar, y a poner en marcha, la placa que incorpora el selector de canales, el selector de banda a analizar dentro de los 50-900Mhz y el resto de los circuitos necesarios para lograr el funcionamiento adecuado del sintonizador de canales de TV, es decir, del primer eslabón de nuestro receptor superheterodino de triple conversión. Además, construiremos una pequeña fuente de alimentación para darle amplitud a la rampa de barrido y estudiaremos las estrategias a seguir en nuestro desarrollo. ¡Todo muy interesante! ¡Manos al hardware!

Comenzaremos con la etapa más sencilla de esta entrega: la fuente de alimentación. Las partes que, todas sumadas, forman el Analizador de Espectro pueden ser replanteadas o elaboradas de distinta manera por cada uno de nosotros. Es decir, la construcción del instrumento está pensada de manera flexible para que puedas cambiar el diseño de cualquiera de las etapas con el propósito de mejorar el desempeño final del equipo. Por supuesto, será muy interesante que compartas con los demás seguidores de NeoTeo tus reformas, mejoras y todo lo que puedas aportar a este desarrollo que, como dijimos desde el principio, es el “desarrollo del año”. Una de estas partes es la fuente de alimentación para el selector de canales, el amplificador de rampa y la placa del receptor superheterodino que ya construímos en artículos anteriores. Comencemos con el circuito de la fuente de alimentación:

Como ya te explicamos antes, puedes utilizar ese receptor o puedes rediseñar un nuevo PCB con las partes exclusivas que se necesitan en este desarrollo. Es decir, puedes armar si deseas, un nuevo PCB sin incorporar el amplificador de audio y con los cambios de hardware que se mencionaron en la entrega anterior construyendo así “un receptor a medida” y de uso exclusivo para este instrumento. En el diagrama superior puedes observar que la fuente de alimentación no requiere de elementos extraños o difíciles de obtener, excepto el regulador serie 7824. Luego de este componente sólo tenemos elementos que utilizamos a menudo. Incluso hemos tenido la precaución de utilizar bajas corrientes para encender los LEDs indicadores de funcionamiento con el objeto de evitar altas temperaturas en los reguladores. No te asombres por ver tantos capacitores, de valores y tipos de construcción tan diversos. No debes dejar de tener presente que estamos trabajando con radiofrecuencia y debemos “proteger” a nuestros circuitos de las “sorpresas” que puede brindarnos esta energía. Además, como veremos más adelante, este instrumento será muy útil para ajustar transmisores de radio y esas emisiones pueden provocar funcionamientos erráticos que sólo te traerán confusión y desconfianza.

El circuito impreso de la fuente de alimentación no requiere de mayores comentarios. Solo debemos poner énfasis en que debemos colocar,  donde la RF abunda,  los “planos de tierra” generosos, masivos  y que todos tengan conexión entre sí dentro de la placa. Es decir, la placa no se rellena con GND o tierra en su interior por el hecho de que quede bonito o para que el percloruro de hierro dure más tiempo. Este tipo de diseño se debe realizar para tener la plena seguridad de que nuestros circuitos trabajarán de manera correcta en cualquier ámbito y que tendrán las protecciones necesarias contra cualquier ruido eléctrico inesperado que pueda aparecer. Por lo tanto, todas las vías o grandes superficies de cobre deben conducir a algún lugar. No podemos dejar sin conectar a algún lugar útil ni el más pequeño de los trozos de cobre de un PCB. Cualquier vía libre dentro de una placa puede transformarse en un circuito resonante capaz de inyectar ruido y de este modo crearnos un dolor de cabeza innecesario. Tengan mucha precaución al diseñar y hacer un PCB. La RF está siempre esperándonos para transformar un circuito estable y correcto en un juego de luces navideñas con sólo activar un relé en sus cercanías. Recuerden: capacitores y mucha GND por todo el PCB.

Volviendo al concepto del circuito utilizado en la fuente de alimentación observamos varias cosas llamativas. Un transformador de 12V+12V entrando a un puente rectificador de onda completa y un 7824 para un circuito que necesita trabajar con 30Volts. ¿De qué se trata todo esto? Muy sencillo. Un transformador de 12V+12V o de 15V + 15V es más sencillo de encontrar que un transformador de 24V o de 30 Volts. Por otro lado, ¿recuerdan el gráfico del artículo anterior, donde mostramos las coberturas de las bandas que poseía un selector de canales? Había partes de las bandas que se superponían unas a otras, en especial en sus partes altas. Esto significa entonces que, con una excursión de tensión de 0V a 24Volts ya será suficiente para alcanzar el máximo de tensión de rampa “útil”. El resto de la tensión que alcanzará a las frecuencias más altas de cada banda (hacia arriba, hacia los 30V) estará cubierta con la parte baja de la banda siguiente. De este modo, pasando a una banda superior y comenzando con 0V podemos llegar a frecuencias que en una banda inferior nos podrían haber demandado 27V o 28Volts. Con esta técnica, aprovechamos una característica del selector de canales que nos favorece para trabajar con elementos sencillos y económicos.

A partir de aquí, en la siguiente parte del desarrollo, entran a tener protagonismo otros factores que determinarán el rumbo del proyecto. El primero de ellos es saber ¿para qué deseo construir un Analizador de Espectro? Por supuesto que puedes responder hasta lo más increíble, pero la primera razón que debes tener en mente es: para aprender. Luego vienen, “para entender algunos secretos de la RF”, “para ajustar la etapa de potencia y quitar los armónicos de mi emisora  de FM” y miles de razones más, pero la primera es inobjetable y es la misma por la que lo construimos nosotros: para aprender, para adquirir conocimientos. Por lo tanto intentemos aplicar, por sobre algunos conocimientos, un poco de lógica en el diagrama general del equipo. El diagrama esquemático puede parecer complejo a simple vista pero separando las partes fundamentales, podremos “ver” pequeños detalles que en el futuro pueden ser de mucha utilidad. Observemos:

Con tranquilidad y calma, tómate unos minutos para observar el esquema general del Analizador de Espectro. ¿Puedes identificar todo lo que hemos visto hasta aquí? El generador de rampa con el NE555, el sintonizador de TV y el receptor de doble conversión. La fuente de alimentación principal (la que vimos recién), el osciloscopio y hasta los potenciómetros digitales. Nos queda por allí una llave selectora hacia un amplificador de rampa, un PIC, un display y una fuente de 3,3V. Lo útil ahora es “agrupar” por un lado todas aquellas cosas que no podamos (o tengamos deseos de) cambiar en el futuro y por el otro lado, todas las que sean posibles de modificar o cambiar.

¿Cómo sería esto?
Muy sencillo: la fuente es un bloque que puede (o no) ser reemplazada en sus tensiones de 24V y 12Volts. Podríamos utilizar allí una pequeña fuente conmutada de las que se venden para los reproductores de DVD. Sin embargo, para el PIC 18F25K20 utilizaremos un regulador de 3,3Volts que NO podremos sustituir. Ese “bloque” además, estaría compuesto por el display, la botonera para variar las características de la rampa y los potenciómetros digitales. Eso es el corazón, es la médula del funcionamiento del Analizador de Espectro. El generador de rampa puede ser reemplazado por otro de mayor linealidad, el receptor superheterodino también podría ser reemplazado por otro de mejores características y así ocurriría con muchas partes del desarrollo. De nosotros depende analizar y pensar muy bien que elementos agruparemos en cada sector. Como ya has visto, en nuestro caso la fuente de 24V y 12Volts forma un grupo. El siguiente grupo estará formado por el receptor superheterodino, por el amplificador de rampa y por los selectores de banda del sintonizador. Veamos en una imagen donde está cada una de estas cosas:

Observemos con detenimiento los elementos destacados que encontramos en la imagen. Al centro el selector de canales que oficiará de primera etapa del receptor superheterodino. Apenas a la derecha, un IC que es un LM358 (la serigrafía del fabricante deja mucho que desear) y que tendrá un doble trabajo. Primero será un buffer (seguidor de tensión) de la rampa en una de sus mitades, apenas la rampa salga del NE555. La otra mitad de este IC, será un amplificador para esta rampa ya procesada en tamaño (amplitud) y nivel de continua. Y aquí se abre un doble camino muy interesante. Más a la derecha de la imagen (entre las borneras de alimentación de 12V y 24V encontrarán una serie de pines y un jumper junto a una leyenda que dice “Selector 12V-24V” ¿Qué es esto? Esta será una entrada que puede ser manejada mediante jumpers o puede ser operada desde el PIC. Con esa selección lo que estaremos haciendo en realidad es alimentar al LM358 con 12V o con 24V. ¿Para qué? Para lograr mayor resolución en la imagen presentada. Esto se entiende de la siguiente manera: si los potenciómetros digitales poseen 256 pasos de selección, una alimentación de 24V significará 24V/256 = 93,75mV por cada paso de variación  de cada potenciómetro digital. Si en cambio alimentamos con 12V al LM358, los pasos serán de 12V/256 = 46,875mV. Esto significa que podremos movernos en determinados sectores del espectro con mayor posibilidad de resolución. ¿A qué le llamamos resolución? Pocos kilohertz entre un punto y el siguiente al cambiar el ajuste en un potenciómetro digital.

El circuito del amplificador de rampa es muy sencillo, utiliza un circuito integrado que no requiere de fuente de alimentación partida o dual (positivo y negativo) y que mediante la relación entre R1 y R2 obtenemos la ganancia del circuito. Por supuesto, esto es ajustable de acuerdo a P1 que en la fotografía anterior es el preset (o resistor ajustable) que no está indicado con ninguna función y se halla en la proximidad del LM358. El otro preset que encontramos a la izquierda del selector de canales es el control de ganancia de la entrada de RF. Es decir, en el selector de canales es el AGC y su conexión es muy sencilla entre 12V y GND con, por supuesto, los correspondientes capacitores de desacoplo de ruido. Por último, también a la izquierda del selector de canales encontramos los transistores que se encargarán de hacer la conmutación de bandas cuando sean operadas mediante el PIC. Por ahora, como puedes ver las manejamos sin problemas con un jumper que podemos cambiar de posición para seleccionar la banda deseada a analizar. El circuito es muy conocido por todos nosotros y es la clásica configuración de conmutación que utilizamos a la salida de un microcontrolador para activar cargas o, como en este caso, alimentar secciones determinadas del selector de canales.

Resumen de lo que tenemos y lo que nos falta aún.
Tenemos el receptor superheterodino completo, un selector de bandas que podemos operar de manera manual hasta que terminemos la programación del PIC y un selector de nivel de amplificación de rampa que utilizaremos en muchas oportunidades como un magnificador de resolución del instrumento. También contamos con un punto de prueba para ajustar directo en la entrada del selector de canales la calidad final de la rampa de barrido. Es decir, nos resta construir un último módulo donde podremos poner a prueba toda nuestra creatividad de diseño y desarrollo, el módulo donde irá el PIC y sus periféricos (pulsadores, LCD, potenciómetros digitales y generador de rampa). Es decir, todo lo que podemos “liberar” a nuestra imaginación. Por supuesto que nosotros desarrollaremos un sistema básico que tú puedes realizar, pero es muy probable que a ti te pueda interesar “mejorar” de a poco pequeñas etapas del sistema. Desde el microcontrolador, pasando por los potenciómetros digitales y hasta en el generador de rampa. Todo lo que puedas mejorar será muy apreciado por la comunidad amateur que formamos NeoTeo.

En la próxima entrega comenzaremos a entregar los circuitos finales que utilizamos nosotros para que puedan ser de tu ayuda si aún no has comenzado a armar ninguno. Ya con los dibujos de los PCB  puedes iniciar los trabajos para construirlos e introducirles cambios y/o mejoras si lo deseas. Sólo nos resta terminar el trabajo en el PIC, diseñar un gabinete atractivo y funcional y estaremos listos para comenzar las prácticas de trabajo. Estamos en el medio del viaje, ¿te vas a bajar ahora?