ANALIZADOR DE ESPECTRO.

1.- INTRODUCCIÓN.

El Analizador de Espectro es un elemento valioso en el laboratorio del Radioaficionado. El Analizador presenta en la pantalla de un osciloscopio de forma continua, el espectro de frecuencias, dentro de las bandas de funcionamiento. Con este equipo se puede medir la intensidad del campo generado por un ordenador o cualquier otro dispositivo eléctrico o electrónico y evaluar el resultado de las acciones de blindaje, de forma instantánea.

La comprobación de armónicos de un transmisor, la presencia de estaciones dentro de una determinada banda de frecuencias, la medida de intensidad de campo, sintonización de filtros, comprobación de ganancia o pérdida en amplificadores y atenuadores, etc, son algunas de las muchas aplicaciones de un Analizador de Espectro.

El precio de un Analizador de Espectro comercial es ciertamente elevado, incluso el de un modelo usado, pero el lector puede abordar la construcción propia de un equipo, que sin tener las prestaciones de un modelo comercial, pueda tener las suficientes características para el trabajo en el laboratorio del Radioaficionado.

En el presente artículo se propone la construcción de un Analizador de Espectro que utiliza como pasos de entrada un sintonizador de TV, con lo que se simplifica el montaje en gran medida, aunque las bandas de frecuencia cubiertas y sensibilidad vienen limitadas por las propias características del sintonizador de TV. El Analizador se conecta a las entradas X e Y de un osciloscopio de doble canal, aunque también se puede usar un osciloscopio monocanal, utilizando la salida de disparo (TRIGGER) dispuesta a este efecto. También es posible conectarlo a un ordenador utilizando una tarjeta o módulo exterior de osciloscopio, o bien la tarjeta de sonido y un programa adecuado.

2.- DESCRIPCIÓN.

El esquema de bloques del Analizador se presenta en la figura número uno.

Las señales a medir se aplican a la entrada del sintonizador de TV, que las convierte en una frecuencia intermedia de 37 MHz. Esta frecuencia intermedia de 37 MHz se envía a un filtro sintonizado a esta frecuencia y seguidamente pasa a un conversor, cuyo oscilador local genera una señal de 27 MHz, con lo que a la salida del conversor tenemos una segunda frecuencia intermedia de 10 MHz. La señal pasa a continuación por un filtro de cuarzo de 10 MHz y se aplica al amplificador de frecuencia intermedia que eleva su nivel, para atacar el detector logarítmico, en cuya salida tenemos la señal de video para conectar a la entrada vertical del osciloscopio.

Un generador de barrido proporciona una señal en diente de sierra para variar la frecuencia del VCO del sintonizador de TV y al mismo tiempo mover el haz del osciloscopio en sentido horizontal, de izquierda a derecha. Hay disponible una señal de TRIGGER para disparar el barrido interno en el caso de utilizar un osciloscopio monocanal. La fuente de alimentación proporciona tres tensiones, +12 voltios, -12 voltios y + 30 voltios para la alimentación de los diversos circuitos. Para un mejor estudio del analizador, el circuito se ha dividido en tres partes, generador de barrido, etapas de frecuencia intermedia y fuente de alimentación.

2.1.- GENERADOR DE BARRIDO.

El generador de barrido produce tres formas de onda. Por un lado necesitamos una señal en diente de sierra para el desplazamiento del haz del osciloscopio en sentido horizontal, señal que llamaremos SWEEP. Esta señal tiene una amplitud de 10 voltios, con valores comprendidos entre -5 voltios y +5 voltios, aproximadamente.

El VCO del sintonizador de TV necesita otra señal en diente de sierra, con una amplitud y nivel de continua ajustables. La amplitud de esta señal determinará los límites de frecuencia mínimo y máximo (SPAN) que observaremos en la pantalla del osciloscopio. La frecuencia central del barrido vendrá determinada por el nivel de continua de esta señal, que ajustaremos con dos potenciómetros, COARSE y FINE.

En el conector marcado TRIGGER tenemos un impulso positivo con una amplitud de unos 12 voltios, que coincide con el retorno del diente de sierra y que puede ser útil para el disparo del barrido de un osciloscopio monocanal.

En la figura número dos tenemos el esquema del generador de barrido.

El diente de sierra lo genera el integrado IC01, LM555, conectado como multivibrador astable. La carga del condensador C02 se realiza mediante un generador de corriente constante formado por el transistor Q01, por lo que el diente de sierra es muy lineal. El potenciómetro P01 varía el nivel de continua del operacional IC02A, con lo que se varía la frecuencia de repetición del diente de sierra, entre 1Hz y 10Hz, aproximadamente.

El operacional IC02D funciona como separador para no cargar el generador de diente de sierra. La señal presente en la patilla número 14 de IC02D se envía por un lado al operacional IC02C, montado como seguidor de tensión, en cuya salida tenemos la señal SWEEP para producir la desviación del haz del osciloscopio. Esta misma señal pasa por un fijador de nivel formado por el condensador C07 y el diodo D01, para de esta manera tener un nivel de referencia de cero voltios.

En el operacional IC02B se suman el diente de sierra, cuya amplitud viene determinada por el potenciómetro P02 y una tensión continua procedente de los potenciómetros P03 y P04, COARSE y FINE. En la patilla número siete tenemos la suma de estas dos tensiones, diente de sierra y nivel de continua, con una variación entre cero y doce voltios. El siguiente paso, IC03 traslada estas tensiones a unos niveles entre cero y treinta voltios que son los necesarios para que el sintonizador de TV barra todo el ancho de frecuencias en cada banda.

2.2.- SINTONIZADOR DE TV.

Como paso de entrada se utiliza un sintonizador de TV, que contiene en su interior los pasos de RF, oscilador y mezclador, de tal manera que, en su salida obtendremos una señal de frecuencia fija cuando en su entrada apliquemos una frecuencia dentro de las bandas que cubren estos sintonizadores. Las bandas cubiertas son las asignadas a las emisiones de televisión y son las siguientes.

BANDA I 47MHz - 63MHz
BANDA III 175MHz - 217MHZ
BANDA UHF 470MHz - 850MHz

Normalmente los sintonizadores cubren unas bandas de frecuencia más anchas, por lo que probablemente se puedan cubrir las bandas de radioaficionados de 2 metros y 70 centímetros.

El sintonizador utilizado en este montaje es el modelo UV4407. Otros modelos equivalentes son los siguientes, según la información obtenida de diversos fabricantes.

UV616 UV617 UV913 UV914 UV915 UV917 UV4407 RF032

El patillaje de estos sintonizadores se puede ver en la figura número tres. Empezando por la parte más cercana al conector de entrada, la función de cada patilla es la siguiente.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
CAG +12 BI BIII N.C. UHF TS N.C. N.C. N.C. N.C. GND F.I.

La tensión en la patilla número uno controla la ganancia del sintonizador, aproximadamente 3 voltios para ganancia mínima y 9 voltios para máxima ganancia. Aplicando una tensión de 12 voltios a una de las patillas número tres, cuatro o seis, se selecciona la banda de funcionamiento. En la patilla número siete se aplica una tensión comprendida entre cero y treinta voltios para variar la frecuencia de entrada. La salida de frecuencia intermedia se realiza entre masa, patilla número doce y activo, patilla número trece. Las figuras número cuatro a siete nos muestran el aspecto externo del sintonizador.

2.3.- ETAPAS DE FI.

La figura número ocho nos muestra las etapas de frecuencia intermedia y detector logarítmico.

El ancho de banda del circuito de salida del sintonizador debe ser suficiente para acomodar el canal completo de TV, es decir, 8MHz, pero para nuestra aplicación, este ancho de banda es excesivo, por lo que en la salida del sintonizador tenemos un filtro pasabanda formado por dos circuitos sintonizados a 37 MHz, con acoplamiento débil, para obtener buena selectividad. Esta señal de 37 MHz se envía a un circuito mezclador formado por el integrado IC51, NE602, cuyo oscilador local genera una señal de 27 MHz. Este oscilador local está formado por los componentes R56, X55, C62, C63, C64 y L53.

En la salida del mezclador, patilla número cuatro, tenemos una segunda frecuencia intermedia de 10 MHz que se aplica a un filtro formado por cuatro cristales de cuarzo de 10 MHz y los condensadores C58, C59 y C60, y la resistencia de terminación R57. Esta señal de 10 MHz se aplica a la entrada del amplificador de FI, IC53, MC1350, donde se produce una primera amplificación. La salida de este amplificador está sintonizada mediante el circuito resonante formado por L54 y C 71. el secundario de este transformador está conectado a la entrada del integrado IC54, CA3089, que contiene en su interior un amplificador de FI y otros circuitos, demodulador de FM, amplificador logarítmico, etc. En este caso la señal se amplifica y en la patilla numero 13 tenemos una tensión continua proporcional al logaritmo de la señal de entrada, lo que permite grandes variaciones en el nivel de entrada al sintonizador. La señal de la patilla número trece pasa por un filtro pasabajos formado por la resistencia R70 y el condensador C77 y se envía al conector VIDEO para su conexión a la entrada vertical del osciloscopio.

La tensión en la patilla número uno del sintonizador controla su ganancia, siendo mínima con 3 voltios y máxima con 9 voltios, aproximadamente. La tensión en la patilla número cinco del amplificador de FI, IC53, controla su ganancia, siendo mínima con 9 voltios y máxima con 3 voltios, aproximadamente. Para generar estas tensiones opuestas con un solo mando, P51, se utiliza el operacional IC52, LM741, montado como inversor. En la patilla número 2, entrada inversora, se aplica la tensión destinada al sintonizador entre 3 y 9 voltios y en la salida, patilla número 6 tenemos la tensión de control para el amplificador de FI, entre 9 y 3 voltios, aproximadamente.

La alimentación de estos pasos se realiza mediante los 12 voltios generales, aunque la alimentación de cada circuito está desacoplado por una red formada por una resistencia y dos condensadores.

2.4.- FUENTE DE ALIMENTACIÓN.

El esquema de la fuente de alimentación se puede ver en la figura número nueve.

Se trata de un circuito clásico donde se encuentra un transformador con un secundario con toma media, un circuito rectificador con cuatro diodos, para obtener dos tensiones iguales de signo opuesto y sendos reguladores de tensión, todo ello complementado por los correspondientes condensadores de filtro y desacoplo.

En una de las ramas del secundario está conectado un circuito triplicador de tensión seguido de un estabilizador, para obtener la tensión de 30 voltios necesaria para la tensión de los VCO del sintonizador. Unos diodos LED conectados en las salidas de +12 voltios y -12 voltios nos informan del funcionamiento de la fuente.

3.- CONSTRUCCIÓN.

Para la construcción del Analizador utilizaremos una placa de circuito impreso, cuyo diseño se puede ver en la figura número diez. La disposición de los componentes se puede ver en la figura número once.

Aunque no es imprescindible, para el conexionado de los potenciómetros del panel frontal se ha utilizado otra placa de circuito impreso cuyo diseño se ve en la figura número doce, mientras que la figura número trece nos muestra la disposición de estos potenciómetros y el conmutador de bandas.

Si no se utiliza la segunda placa de circuito impreso, se pueden utilizar cortos trozos de hilo para efectuar el conexionado entre los potenciómetros y la placa base.

Las medidas de las placas de circuito impreso son 221mm x 137mm y 157mm x 48mm respectivamente.

Los componentes necesarios para la construcción del Analizador son los siguientes.

C01 10µF
C02 1µF
C03 10nF
C04 100nF
C05 10µF
C06 10µF
C07 10µF
C08 22µF
C09 10µF
C10 10µF
C11 100pF
C31 1000µF
C32 100nF
C33 10µF
C34 100nF
C35 1000µF
C36 100nF
C37 10µF
C38 100nF
C39 470µF/25
C40 470µF/25
C41 470µF/50
C42 100nF
C43 47µF/50
C44 10µF
C45 100nF
C51 100nF
C52 100nF
C53 22pF
C54 1pF
C55 22pF
C56 10nF
C57 10µF
C58 10pF
C59 10pF
C60 10pF
C61 56pF
C62 1nF
C63 60pF
C64 100pF
C65 100nF
C66 10nF
C67 100nF
C68 100nF
C69 100nF
C70 100nF
C71 100pF
C72 10nF
C73 10nF
C74 100nF
C75 100nF
C76 10nF
C77 10nF
C78 1pF
D01 1N4148
D02 5V
D03 5V
D31 1N4001
D32 1N4001
D33 1N4001
D34 1N4001
D35 1N4001
D36 1N4001
D37 1N4001
D38 30V
D51 6V
F31 0,1A
IC01 NE555
IC02 LM324
IC03 LM741
IC31 7812
IC32 7912
IC51 NE602
IC52 LM741
IC53 MC1350
IC54 CA3089
J01 BNC
J02 BNC
L51 37MHz
L52 37MHz
L53 1,8µH
L54 10MHz
LED31 LED
LED32 LED
P01 1K
P02 1K
P03 100K
P04 100K
P51 20K
PL01 230 VAC
Q01 BC559
Q02 BC559
Q41 BC549
R01 22K
R02 180
R03 6K8
R04 1K8
R05 10K
R06 1K
R07 10K
R08 5K6
R09 12K
R10 2K7
R11 22K
R12 6K8
R13 10K
R14 10K
R15 18K
R16 100K
R17 6K8
R18 6K8
R19 68K
R20 18K
R21 18K
R22 68K
23 22K
R24 47K
R25 18K
R26 1K
R31 1K
R32 1K
R33 820
R51 6K8
R52 6K8
R53 10
R54 180
R55 820
R56 22K
R57 1K
R58 18K
R59 56K
R60 56K
R61 18K
R62 1K
R63 18K
R64 100
R65 100K
R66 100
R67 47K
R68 10
R69 1K
R70 47K
R71 47K
SW01 BAND
SW31 RED
TR31 2 x 12
X51 10MHz
X52 10MHz
X53 10MHz
X54 10MHz
X55 27MHz

Los datos para la construcción de las bobinas son los siguientes.

L51, L52, primera frecuencia intermedia, filtro pasabanda.
Primario. 10 espiras hilo de 0,5 mm.
Secundario. 2 espiras hilo de 0,5 mm.
Forma de 6,5 mm con núcleo y blindaje.

L53, oscilador local.
Choque de 1,8 microhenrio.

L54, segunda frecuencia intermedia.
Primario. 22 espiras hilo de 0,3 mm.
Secundario. 2 espiras hilo de 0,3 mm.
Forma de 6 mm con núcleo y blindaje.

Una vez realizadas las placas de circuito impreso y en posesión de todos los materiales, procederemos al montaje de los componentes. Las figuras número catorce y quince nos muestran la placa base y la placa frontal dispuestas para comenzar el montaje. Como paso previo realizaremos los puentes que se indican en la figura número once. Estos puentes se pueden hacer con hilo de cobre desnudo, excepto el situado entre los componentes C61 y R62, que deberá estar aislado, por su proximidad a estos y otros componentes. La figura número dieciséis nos muestra la placa base con los puentes colocados. Se puede apreciar, de color rojo, el puente que es conveniente aislar.

En las siguientes figuras se pueden ver diversos aspectos del montaje. La figura número diecisiete nos muestra el filtro pasabanda de la primera frecuencia intermedia de 37 MHz. Se pueden ver las dos bobinas con los condensadores de sintonía y el condensador de acoplamiento.

En la figura número dieciocho tenemos el circuito mezclador con el circuito integrado IC51, NE602, el cristal de 27 MHz, el condensador ajustable y la bobina L53 del circuito resonante. Esta bobina es un choque realizado sobre una pequeña barra de ferrita, pero se puede usar un choque comercial de este valor. Debe resonar en la frecuencia de 27 MHz en paralelo con los condensadores C63 y C64. Se puede ver el diodo Zener de 6 voltios para la estabilización de la tensión de alimentación del circuito mezclador.

En la figura número diecinueve podemos ver el filtro a cristal, formado por cuatro cristales de cuarzo de 10 MHz. Se puede observar que los cristales tienen soldado un trozo de hilo en un lateral para conectar a masa sus carcasas metálicas.

La figura número veinte nos muestra el amplificador de la segunda frecuencia intermedia, IC53, y el circuito sintonizado de salida, L54. En la figura número veintiuno tenemos el detector logarítmico, IC54, que convierte las variaciones de la señal de radiofrecuencia en una tensión para aplicar a la entrada vertical del osciloscopio.

En la figura número veintidós podemos ver el generador de barrido formado por los circuitos integrados IC01, IC02, IC03 y los componentes asociados. La figura número veintitrés nos muestra la fuente de alimentación, mientras que en la figura número veinticuatro tenemos un detalle del transformador utilizado en este montaje. Finalmente, en la figura número veinticinco tenemos la placa de circuito impreso con todos los componentes montados.

El analizador se monta sobre una caja Retex modelo RE3, cuyas medidas son 231 mm de ancho, 77 mm de alto y 181 mm de fondo. Prepararemos una carátula como la que se puede ver en la figura número veintiséis. Realizaremos los taladros correspondientes en el panel frontal y pegaremos la carátula sobre el mismo. Soldaremos los potenciómetros y el conmutador de bandas sobre el circuito impreso y fijaremos el conjunto sobre el panel frontal. La placa base se sujeta a las dos pletinas laterales, con separadores metálicos de 10 mm. Esta separación es necesaria debido a la altura del sintonizador. Finalmente uniremos el circuito impreso frontal y la placa base con unos trozos de hilo desnudo. La figura número veintisiete nos muestra el circuito impreso frontal con sus componentes fijado al panel frontal de la caja. En las figuras número veintiocho y veintinueve podemos ver dos aspectos del montaje.

Entre los conectores INPUT y MARKER soldaremos el condensador C78 de 1 pF, tal como se puede ver en la figura número treinta. Con unos trozos de cable blindado uniremos los tres conectores BNC del panel frontal con los correspondientes puntos de la placa base, tal como se aprecia en la figura número treinta y uno. Finalmente, en la figura número treinta y dos tenemos el analizador terminado.

4.- AJUSTE Y FUNCIONAMIENTO.

Una vez completado el montaje procederemos a la puesta en marcha, ajuste y comprobación del funcionamiento. Con las tapas quitadas, conectamos la red y accionamos el interruptor de encendido. Los dos diodos LED deben lucir normalmente, indicando el funcionamiento de la fuente. Con un polímetro comprobamos las tensiones de salida de los reguladores y del circuito triplicador, +12, -12 y +30 voltios.

Para el ajuste necesitamos un generador de RF que genere las dos frecuencias de 37 MHz y 10 MHz correspondientes a los valores de las dos frecuencias intermedias, y un osciloscopio, preferiblemente de doble canal que pueda funcionar en modo XY. Conectamos el osciloscopio en la salida VIDEO y observamos la presencia de ruido. Accionamos el mando GAIN y comprobamos el aumento y disminución del ruido de fondo.

Ajustamos el generador a la frecuencia de 10 MHz y aplicamos su salida a la entrada de la segunda FI, lo que se puede hacer con una sonda formada por dos o tres espiras y acercándola sobre el integrado mezclador, IC51. Al acercar la sonda podemos observar que el nivel de ruido disminuye y el nivel de continua aumenta. Ajustaremos el núcleo de la bobina L54 para el menor nivel de ruido y el máximo nivel de continua.

Una vez ajustada la segunda frecuencia intermedia, comprobamos el funcionamiento del oscilador local, para lo que conectamos la sonda a la entrada del osciloscopio y la acercamos a la bobina L53. Retocamos el condensador C53 para la mayor amplitud posible.

Sobre el punto TP1 soldaremos unos cortos trozos de hilo con el fin de inyectar la señal de 37 MHz, controlando como antes el nivel de ruido y el nivel de continua en la salida VIDEO. Será preciso variar ligeramente la frecuencia del generador para que la frecuencia de la señal coincida exactamente con el paso de banda de frecuencia intermedia.

Una vez realizados los ajustes podemos aplicar una señal de frecuencia conocida en la entrada INPUT y ajustar los mandos SPAN, COARSE y FINE para una presentación correcta. En el caso de que no se conozca la frecuencia de la señal a examinar, será preciso conectar un generador exterior en la entrada MARKER y determinar la frecuencia de la señal por comparación con la del generador.

En la figura número treinta y tres se puede ver una señal de 435 MHz generada por un transmisor en la banda de 70 cm, la figura número treinta y cuatro nos muestra las portadoras presentes en la banda de UHF de televisión y en la figura número treinta y cinco tenemos las emisoras dentro de la banda de FM comercial.

5.- RESUMEN.

En el presente artículo se describe la construcción y funcionamiento de un Analizador de Espectro basado en un sintonizador de TV, por lo que los márgenes de frecuencias de funcionamiento vienen determinados por las características eléctricas del sintonizador.

Se trata de un montaje experimental para estudiar este tipo de instrumentos de medida y a pesar de sus limitaciones puede ser de utilidad en el laboratorio del Radioaficionado. Puede servir para acumular experiencia a la hora de planear la construcción de un Analizador con mejores prestaciones.

El montaje descrito en el presente artículo no ha sido probado en grandes series y, por tanto, no se tiene certeza de que su funcionamiento sea 100% correcto. Solamente se describe la construcción y el funcionamiento del prototipo.

El autor no se hace responsable de posibles derechos de copia. La información para la realización de este montaje procede de diversas publicaciones, libros, revistas, etc., así cómo de los propios conocimientos del autor.

El autor no se hace responsable de posibles daños y/o perjuicios causados por la construcción y/o uso de este dispositivo, daños personales o muerte, daños a la propiedad, daños al medio ambiente, lucro cesante, perdida total o parcial de datos informáticos o cualquier tipo de daño que se pudiera derivar del montaje y/o uso de este dispositivo.

No se aconseja el uso de este dispositivo en aplicaciones críticas, cómo son control de maquinaria peligrosa, control de navegación o tráfico, maquinaria de mantenimiento de vida o sistemas cuyo mal funcionamiento pueda provocar causas o efectos anteriormente mencionados. Este dispositivo no es tolerante a fallos.

El autor declina cualquier responsabilidad, ni se hace responsable de no mencionar a los dueños de las posibles patentes que aquí se pudieran reflejar.

El dispositivo descrito en el presente artículo es un montaje experimental, cuyo propósito es el estudio de los diferentes aspectos de la Electrónica, por tanto, no está destinado a su utilización industrial ni para su explotación comercial en cualquiera de sus facetas.

El autor no efectúa ninguna actividad comercial relacionada con este u otros montajes publicados en esta u otras revistas o publicaciones de cualquier tipo.

El presente artículo y todos los publicados hasta el momento en la revista "RADIOAFICIONADOS", están recopilados en un DVD a disposición de quien lo solicite. Se incluyen todos los textos, así como las fotografías, dibujos, gráficos, plantillas de circuitos impresos, etc.

Aunque se ha intentado proporcionar todos los detalles necesarios para la realización del proyecto, es posible que algún aspecto no haya quedado suficientemente desarrollado. Como es natural, con mucho gusto el autor dará cumplida información sobre cualquier detalle no especificado, o cualquier punto en particular que no haya quedado completamente explicado. Buena suerte a todos.

Luis Sánchez Pérez. EA4-NH

Apartado 421, 45080 - TOLEDO

E-mail : ea4nh@ure.es

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