Fatih Üniversitesi Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölüü EEM 36 Haberleşe I ENEY 5 FM MOÜLASYONU 5. Aaçlar. Varaktor diyotun çalışası ve karakteristiğinin inelenesi. 2. Frekans Modülasyonunda, gerili kontrollü osilatörün çalışa prensibinin anlaşılası. 3. Varaktor diyot ve gerili kontrollü osilatör (MC 648) ile Frekans odülatör uygulaası. 5.2 Ön Çalışa Kitaptan 5. Üniteyi okuyunuz. 5.3 Cihazlar ve Malzeeler eney için gerekli alzeeler Tablo 5. de listeleniştir. eneye başlaadan öne, deneyde kullanılaak olan ihazların odel nuarasını, seri nuarasını ve ofis stok nuarasını yazınız. Ayrıa, hasarlı ihazları not ediniz. Tablo 5. eneyde kullanılaak alzee listesi No: Malzeeler Model Seri No: Ofis Stok No: ijital Osiloskop 2 Sinyal Jeneratörü () 3 Sinyal Jeneratörü (2) 4 C Güç Kaynağı 5 Osiloskop Probları ve Kablolar 6 MC648 FM Modülatör Ünitesi Hasar ve diğer yorular: 5.4 Teel bilgiler Frekans Modülasyonunda (FM), taşıyıı dalganın frekansı, odülasyon sinyalinin genliği tarafından değiştirilir. FM sinyali aşağıdaki eşitlikle ifade edilebilir; Burada; x FM [ ] ( t) A t + K x( t) = os dt (5.) EEM 36 Haberleşe I eney 5 Sayfa /8
x ( t) A os t = (5.2) x ( t ) ; odüle edileiş taşıyıı, ( t) x ise odülasyon sinyalidir. FM sinyalinin anlık frekansı (5.) deki eşitlikteki os fonksiyonunun açısının türevini alarak aşağıdaki denkledeki görüldüğü gibi edilebilir: [ dt] = + Kx( t) d ( t) = t + K x( t) dt. (5.3) Buradan, FM sinyalinin anlık frekansı, odülasyon sinyali ( t) orantı sabitidir. x ile orantılı hale gelir. K ise Modülasyon sinyali, tepe değeri örneğin; A ve frekansı da olan sinüzoidal bir dalga olduğunda, x ( t) A os t, = (5.4) FM sinyali ve anlık frekans (5.), (5.3), ve (5.4) denklelerini kullanarak; x FM şeklinde ifade edilir. KA (5.5) = + KA os (5.6) ( t) = A os t + sin t, ( t) t Frekans sapası, (5.6) dan aşağıdaki gibi elde edilir. = KA (5.7) Buradan anlık frekans; arasında değişir. os nin [-, +] arasındaki değerleri için [, + ] t FM sinyalin sapa oranı β ; B β = (5.8) Burada sinyalin frekans sapası ve ise sinyalin en yüksek frekans bileşenidir. enkle (5.7) ve (5.8) de gösterilen eşitlikleri kullanarak Modülasyon Sabiti K ve Sapa Oranı β arasındaki ilişki aşağıdaki şekilde bulunur: KA β β or K = A =, (5.9) EEM 36 Haberleşe I eney 5 Sayfa 2/8
5.4. Varaktor iyot Varaktor diyot (ayarlanabilir diyot), p-n kesişilerine (juntion) uygulanan ters yöndeki geriliin iktarına bağlı olarak kapasite değeri orantılı olarak değişen devre eleanıdır. Uygulanan ters gerili değeri büyüdükçe kapasite değerleri düşer. Tersi olarak, uygulanan ters gerili değeri düştükçe kapasite değerleri artar. iyota AC gerili uygulandığında, diyotun kapasite değeri AC geriliin değerinin değiştirilesi ile değişir. Şekil 5. Varaktor ve paralel plakalı kapasitör arasındaki ilişki Bir varaktor ve bir kondansatör arasındaki ilişki Şekil 5. de gösteriliştir. Gerçekten de, ters gerili uygulandırılış varaktor diyot bir kapasitör ile aynıdır. p ve n yarı iletkenleri birleştirildiğinde azınlık taşıyııların yayınıı sebebi ile küçük bir azala (depletion) bölgesi oluşur. Pozitif ve negatif yükler anılan sıraya göre kesişilerine (juntion) p ve n taraflarını doldururlar. Bu, kapasitörle aynıdır. iyotun iç kapasitesinin iktarı kapasite değer forülü ile hesaplanabilir. εa C =, (5.) d Burada; ε =.8ε = yalıtkanlık sabiti, 2 ε = 8.85 x F/, A = Kapasitör plakalarının alanı, d = plakalar arası genişlik Yukarıdaki forüle göre eğer plakaların alanı A sabit bir sayı ise varaktör kapasitansı, plakalar arası genişlikle ters orantılıdır. Bu nedenle, düşük voltajlı ters gerili, küçük azala (depletion) ve büyük kapasite değerine neden olur. Tersi olarak, uygulanan ters geriliin artan değeri büyük azala (depletion) bölgesi ve küçük kapasite değerine neden olur. EEM 36 Haberleşe I eney 5 Sayfa 3/8
Şekil 5.2 Varaktor diyot eşdeğer devresi Bir varaktor diyot şekilde görüldüğü gibi seri bağlanış bir kapasitör ve direnç olarak düşünülebilir. C, p ve n kesişiler (juntion) arasındaki kesişi (juntion) kapasitansı dır. R ise yaklaşık birkaç ohluk kütle direni ve kontak direnin toplaıdır ve varaktor diyotun kalitesine karar verede öneli bir unsurdur. Ayar oranı (Tuning Ratio) (TR); V 2 olarak ters gerilileniş varator diyotun kapasitansının, başka ters öngerililee V değerine oranı olarak tanılanabilir ve C, V 2 TR = (5.) C, V Burada, TR = Ayar oranı, = C,V V deki varaktor diyot kapasitansı, = V deki C,V 2 2 varaktor diyot kapasitansıdır. TR genellikle den büyük bir raka olarak ifade edilir. Bu nedenle, C, V 2 > C, V olası V 2 < V anlaına gelir. eneyiizde SV55 varaktor diyotu kullanılaak ve bu diyotun en öneli karakteristikleri C, 3 V = 42 pf (3V için Varaktor diyotun kapasitansı), TR = 2.65 ( 3V~3V için). 5.4.2 MC648 VCO ile Frekans Modülatörü Bu deneyde Şekil 5.3 de görülen MC648 VCO tü devre ile bir frekans odülasyonu tasarlandı. Teel olarak bu devre bir osilatördür ve girişin sonrasındaki ayar devresi salını (osilasyon) frekansını belirler. Bu devredeki C 2 ve C 3 kapasitörleri gürültüyü filtreleek için konulus atlaa kapasitörleridir. Yüksek bir frekansta çalışırken (örneğin 2.4 MHz), bu iki kapasitörün kapasitif reaktansı ok düşüktür ve pratik olarak C 2, C 3, L, şeklinde oluşturuluş LC çevriinde ihal edilebilir. Bu da nin L ile paralel varsayılasını ükün kılar. Bu nedenle, ayarlaa tank devresi ve bir paralel LC rezonans devresi Şekil 5.4 de gösteriliştir. C, SV55 C in kapasitansı ve MC648 C in in giriş kapasitanslarının paralel bağlanış şekilde düşünebiliriz. Yani C = C + C in değeri yaklaşık olarak 6pF dir. Gürültü kapasitörü ihal edilirse osilasyon frekansı aşağıdaki forülle hesaplanabilir; f = 2π LC = 2π 2 ( + 6x ) L C (Hz) (5.2) EEM 36 Haberleşe I eney 5 Sayfa 4/8
Şekil 5.3 MC648 FM odülatör devresi aha öne de bahsedildiği gibi, varaktor diyot nin kapasitansı C, kendisine uygulanan ters ön gerililenenin iktarı kadardır. C nin değişii osilasyon frekansının da değişesine sebep olduğu bilinekteydi. Şekil 5.3 deki devrede küçük bir C gerililene, büyük bir C ve düşük bir frekans çıkışına neden olur. Öte yandan uygulanan C gerili büyüdükçe, daha küçük C ve daha yüksek çıkış frekansı elde edilir. Bu nedenle, C kutuplaa sabit iken ses (bilgi) sinyali, ses girişine verildiğinde kutuplaa voltaj değeri sabitlenen değer etrafında değişir. VCO çıkış sinyali, ses girişinin frekans odülasyonlu sinyali olur. Şekil 5.4 Ayarlaa tank devresinin eşdeğer odeli 5.5 ENEY UYGULAMASI Not: O (dijital osiloskop) kullandığınızda; O dan verileri kaydederken, kritik tü bilgileri kaydedin. Örneğin; C seviyesi, tepe değeri, periyot ve frekenas değerleri. Sonrasında çıkış dalga şeklini düzgün olarak O çıkışı olarak dereeli grafiğe çiziniz. O çıkışı sabitleek için hold ve storage özelliklerini kullanınız. EEM 36 Haberleşe I eney 5 Sayfa 5/8
5.5. MC648 deki Karakteristik Ölçüleri. MC648 FM Modülasyon Ünitesi ni asanıza alın ve giriş gerilii olarak +5 V uygulayın. L bobinini µ H ye ayarlaak için SW anahtarını kullanın. 2. 2 V C öngerili girişini bağlayın ve osiloskop kullanarak çıkış dalga forunu gözleleyin. Çıkışta sinüs dalgası görünene kadar R v yi ayarlayın. Frekansı Tablo 5.2 ye kaydedin. 3. Tablo 5.2 deki farklı giriş gerililerini kullanarak yukarıdaki adıları tekrar edin. Tablo 5.2 Öngerili voltajı ile MC648 VCO nun serbest osilasyon frekansının değişii C Kutuplaa Girişi (V) Çıkış Frekansı f MHz (deneysel) 2 3 4 5 6 7 8 9 5.5.2 MC648 FM Modülatör ile Frekans Modülasyonu. Bölü 5.5. deki ilk adıı tekrar edin. 2. Girişe 5 V öngerili bağlayın ve çıkış dalga forunu O nun ikini kanalından gözleleyin. Çıkışta sinüs dalgası görünene kadar R v yi ayarlayın. Tablo 5.3 ün açıklaalar kısına odüle edileiş taşıyıı frekansı f o ve tepeden tepeye değerlerini kaydedin. 3. Ses girişine 3 khz lik sinüs dalga bağlayın ve O nun birini kanalını kullanarak (CH I), dalganın genliğini 2 Vpp olarak ayarlayın. Giriş dalga şeklini Tablo 5.3 de ilgili yere çizin. Net bir şekilde frekansı ve tepe değerlerini gösterin. 4. Yukarıdaki bağlantı ile FM çıkış sinyalini O nun ikini kanalını kullanarak (CH II) gözleleyin Tablo 5.3 de ilgili yere çizin. FM çıkış sinyalinin tepeden tepeye değerini, aksiu ve iniu değerlerini ölçün ve tabloya kaydedin. O nun HOL ve MEMORY CONTROL fonksiyonlarını kullanın. 5. Spektru çözüleyiisini kullanarak FM çıkış sinyalinin spektruunu gözleleyin. Tablo 5.3 deki her bir bileşen için frekans ve genlik değerlerini kaydedin. 6. 5 khz ve 8 khz ses frekansları için 3 ten 5 e olan adıları tekrar edin. EEM 36 Haberleşe I eney 5 Sayfa 6/8
Tablo 5.3 MC648 FM Modülatörünün ses sinyali ve FM çıkış sinyalleri Ses Girişi:.5 V pp ; odüle edileiş taşıyıı:.v pp, f =...khz Ses Giriş Frekansı f (khz.) Ses Giriş Sinyali FM çıkış sinyal FM sinyal Spektruu Frekans Genlik 3 Tepe değeri: f =, f = in o ax Frekans Genlik 5 Tepe değeri: f =, f = in o ax Frekans Genlik 8 Tepe değeri: f =, f = in o ax EEM 36 Haberleşe I eney 5 Sayfa 7/8
5.6 SONUÇLAR. Tablo 5.2 deki deneysel sonuçları kullanarak, frekans-gerili eğrisini şekil 5.6 ya çizin. f C Kutup Gerilii (V) Şekil 5.6 Şekil 5.3 deki VCO MC648 in C öngerililee ile osilasyon frekansının değişii; L = µ H. 2. Tablo 5.3 de görülen her bir giriş sinyali için f = 3, 5, 8 khz aşağıdaki forülle yaklaşık frekans sapasını hesaplayın. f f ax f in = (5.3) 2 enkle 5.8 deki eşitliği kullanarak sapa oranını bulun. Sonuçları Tablo 5.4 e yazın. Sonuçları yorulayın. Tablo 5.4 FM da sapa oranının MC648 tarafından değişii Ses Giriş Frekansı f (khz.) 3 5 8 Frekans sapası f (khz.) Sapa oranı β = f / f EEM 36 Haberleşe I eney 5 Sayfa 8/8