lunes, 4 de noviembre de 2013

Medidas de potencia en audio

Decir simplemente que un amplificador entrega, por ejemplo, 50 vatios a su salida es dar un dato muy poco preciso y muy incompleto. Falta por decir a que frecuencia se ha realizado la medida y qué nivel de distorsión tiene la señal de salida en esas condiciones. También sería muy interesante comprobar si el amplificador puede entregar esa potencia, manteniendo el nivel de distorsión cuando se varía la frecuencia de la señal desde 20 Hz hasta 20 KHz. Para realizar estas medidas hay equipos especializados y también otros auxiliares que nos permite medir con exactitud la distorsión de una señal de audio. 

Sin embargo, utilizando instrumentos de uso corriente, tales como un generador de señal sinusoidal y un osciloscopio, se puede determinar con bastante precisión la potencia de salida máxima que es capaz de entregar un amplificador de audio. 

Vamos a ver cómo se mide la potencia de salida de un amplificador utilizando la menor cantidad de instrumentación posible. Pero, antes, repasaremos algunos conceptos.

La potencia eléctrica 

Empleando la Ley de Joule y la Ley de Ohm llegamos a la conclusión de que la potencia eléctrica entregada a una carga (R) es igual al cuadrado de la tensión aplicada a la misma dividida por su resistencia (R). 


Esta expresión es válida para corriente continua, pero un amplificador de audio trabaja en la banda de audio, es decir, en frecuencias comprendidas entre 20 Hz y 20 KHz; por tanto, en señales alternas.

Si utilizamos valores eficaces podemos emplear esta expresión también para señales alternas sinusoidales.

Hay que medir la tensión eficaz y, como la resistencia es conocida, obtendremos la potencia eficaz, que es lo que realmente deseamos medir.

El amplificador

Disponemos de un equipo amplificador con una o varias entradas a las que hay que aplicar una señal de audio, y una o varias salidas por la que el equipo entrega una señal eléctrica a un altavoz, o conjunto de altavoces. Esta señal eléctrica de salida depende de las características de la señal aplicada a la entrada elegida, de las características del amplificador y del tipo de altavoz. 

Para poder medir la potencia de salida necesitamos: 

  1. Aplicar a la entrada una señal conocida. 
  2. Conocer la impedancia de carga. 
  3. Medir la señal de salida.

A la entrada le aplicamos un tono puro, es decir una onda sinusoidal, normalmente de 1 KHz. 

En la salida tenemos varios problemas. Cada modelo de altavoz presenta una impedancia diferente y, además, como es una carga inductiva, varía con la frecuencia; y también podríamos dañar el altavoz, o nuestros oídos, si se trata de un equipo de mucha potencia. 

La solución es utilizar una carga resistiva de valor conocido. 

Las medidas que hemos realizado están pensadas para medir la potencia máxima que es capaz de entregar un amplificador de audio sin distorsión aparente, es decir, sin observar distorsión de la señal en la pantalla del osciloscopio. Sin embargo, cuando la sinusoide es perfecta a simple vista la distorsión es menor del 1%, cifra baja y aceptable por el oído.

La medida de la potencia

La potencia de salida puede calcularse si se conoce la tensión de salida y la carga aplicada. Con el osciloscopio se observará que no se produce distorsión. 

La medida de la potencia se realiza midiendo la tensión eficaz en bornes de la resistencia conectada a su salida, 4 u 8 ohmios según sea el modelo de amplificador; en algunos casos, como en amplificadores para automóvil, esta carga será de 2Ω. Si el amplificador admite ambas, primero probaremos con una y luego con la otra, como es lógico, obtendremos valores de potencia diferentes. 

Si se trata de un equipo estereofónico deben cargarse ambos canales, aunque la medida se realizará en cada canal porque son dos amplificadores totalmente independientes. 

En segundo lugar, alimentaremos el equipo; si tiene su propia fuente de alimentación lo conectaremos a la red, comprobando si la tensión de red coincide con la indicada en el selector de tensión de alimentación, si dispone de él. Si se trata de medir un módulo, hay que alimentarlo con una fuente de alimentación, o con una batería, asegurándose bien de la polaridad de la alimentación y del nivel de tensión. Si es un módulo tiene que tener colocado un disipador, pues se va a someter al amplificador a una dura prueba. Mantendremos el equipo apagado, o la fuente de alimentación si se trata de un módulo. 

Tomaremos el generador de señal y seleccionaremos la frecuencia de salida en 1 KHz, conectaremos a su salida el osciloscopio y comprobaremos que la onda es sinusoidal y que tiene una amplitud de aproximadamente 400 mVpp. La salida del generador se lleva a la entrada del amplificador, en algún caso será necesario construir un cable de conexión desde la salida del generador hasta la entrada del amplificador, este cable tiene que ser apantallado. La entrada puede ser cualquiera, solo una, y si el equipo es estereofónico solo un canal (si se quiere medir desde las entradas de micrófono o giradiscos magnético es necesario bajar el nivel de tensión de salida del generador hasta unos 10 mVpp); se aconseja utilizar una de las entradas para cinta, radio o aux. La pinza de medida del osciloscopio se conectará en paralelo con la salida para medir la tensión eficaz aplicada a la resistencia de carga. Si el equipo dispone de controles de tonos se colocarán en su punto medio, posición en la que no actúan; algunos equipos disponen de un conmutador para anular los controles de tonos, si es así se utilizará, para anularlos, el mando de volumen, el cual se pondrá al máximo. 

Observaremos que si el equipo es estéreo sólo se calentará una de las resistencias de carga, sobre ésta habrá que medir. En el osciloscopio observaremos una onda sinusoidal de mucha mayor amplitud que la de entrada, aumentaremos poco a poco la señal de entrada hasta que la sinusoide comienza a recortarse, retrocederemos un poco hasta que recuperemos la sinusoide y, en este momento, efectuaremos la lectura de tensiones, la del osciloscopio debe coincidir con la del polímetro, este último debe estar en la escala de alterna. Hay que tener en cuenta que en el osciloscopio se leen Vpp por división y en el polímetro valores eficaces. 

El valor eficaz se calcula dividiendo el valor pico a pico por 2 y por 2.


La potencia se calcula multiplicando la tensión eficaz por sí misma y dividiéndola por el valor de la resistencia de carga.

La medida de la potencia puede efectuarse a cualquier frecuencia dentro de la banda de audio y suele variar ligeramente a lo largo de la misma.

Montaje que ha de realizarse para medir la potencia de salida con un polímero. Con el polímetro se mide la tensión eficaz en bornes de una resistencia conocida. Este método tiene el inconveniente de que no permite conocer la forma de onda. Y la cifra obtenida puede ser errónea.


Este montaje es similar al anterior, pero tiene la ventaja de poder visualizar la forma de onda, con lo cual podremos calcular el verdadero valor eficaz y además comprobar que no hay distorsión aparente, pues con distorsiones superiores al 2% se aprecia fácilmente la deformación de la sinusoide. Este método es el más sencillo y la cifra obtenida es bastante precisa.


El método más preciso es utilizar un analizador de distorsión para poder cuantificar exactamente el nivel de distorsión en el momento en que se mide la potencia. También hay que indicar claramente la frecuencia o las frecuencias a las que se realiza la medida.


Señal sinusoidal de 1 KHz con tan solo el 2% de distorsión, donde la deformación de las crestas se aprecia fácilmente. La medida exacta de la distorsión se realiza mediante un analizador de distorsión, el osciloscopio normal no permite este tipo de medida, tan solo observa la deformación de la señal.


La medida se realiza conectando una carga resistiva en lugar del altavoz del amplificador. Esta carga debe disipar fácilmente la potencia que éste entrega pues, si se produce un fuerte calentamiento de la resistencia, el valor de ésta puede alterarse y, por tanto, falsear la medida.


Conectando simultáneamente el osciloscopio y el polímetro podremos contrastar ambas lecturas. Hay que comprobar que el polímetro mide correctamente a la frecuencia que se está utilizando. Algunos polímetros no pueden utilizarse a frecuencias elevadas de la banda de audio.


sábado, 2 de noviembre de 2013

Medidas con el Osciloscopio

Las tensiones que es posible medir en cualquier punto de un circuito electrónico pueden encuadrarse dentro de dos grandes grupos: continuas y alternas. 

Una tensión continua conserva siempre el mismo signo o polaridad, aunque no tiene por qué ser de valor constante. Una alterna es en unas ocasiones de una polaridad y en otras de la opuesta, aunque el tiempo en que permanecen en una y en otra no tiene por qué ser el mismo. 


La forma de onda general siempre puede suponerse compuesta por otras dos: una continua y otra alterna. 

Cuando la señal continua es mucho mayor que la alterna, si se quieren visualizar en el osciloscopio hay que poner la escala vertical a un valor que permita observar la señal de mayor amplitud de las dos, si no hacemos al nivel menor nos saldremos de la pantalla. 

Supongamos que queremos medir una señal continua de 200 V con una señal alterna superpuesta de tan solo 10 mV. Si ponemos el control en 50V/DIV implica el desplazamiento de 4 divisiones, y la señal alterna sería invisible en la pantalla. 

Los osciloscopios tienen un control que permite desacoplar la corriente continua e intercalar un condensador en el camino de la señal y, siguiendo con el ejemplo anterior, si cambiamos el control a AC, y actuamos sobre el atenuador hasta la posición 5 mV/DIV, podremos observar fácilmente la forma de onda de la señal alterna superpuesta. 

Hay que recordar que, cuando el conmutador se encuentra en la posición AC, sólo se visualiza el componente de alterna de la señal de entrada. En cambio, en la posición DC se puede ver la onda real, es decir, el componente de continua junto con el de alterna. 

Medida de tiempos y frecuencias 

Todos los osciloscopios incluyen un generador interno que proporciona una señal de desviación adecuada para el canal horizontal, y cuyo conjunto de circuitos se conoce bajo el nombre de base de tiempos. El barrido del haz del osciloscopio se hace a una cierta velocidad que viene determinada por la duración del diente de sierra proporcionado por la base de tiempos. Así, tal disposición se convierte en un excelente instrumento para medir tiempos y frecuencias de señal. 

Las velocidades de barrido indicadas por el control de la base de tiempos solo son válidas cuando el control de variación lineal de la frecuencia del diente de sierra se encuentra en la posición de calibrado, por lo que, antes de realizar cualquier medida, debe tenerse la precaución de comprobar este punto. 

La indicación de la velocidad de barrido suele venir en forma de una unidad de tiempo, como son los segundos, milisegundos, etc., por cada unidad de división de la retícula de la pantalla. Por tanto, para medir la duración de impulso o cualquier otro fenómeno visualizado en la pantalla bastará con observar qué longitud ocupa y realizar la conversión a tiempos. 

Cuando una onda se repite con iguales características cada cierto tiempo, a éste se le denomina periodo de la onda. La frecuencia de la señal es la magnitud inversa al periodo. Tomando como ejemplo un periodo de 20 milisegundos, obtendremos una frecuencia de 50 Hz. 

La exactitud de la medida de tiempos y frecuencias depende básicamente de dos factores: La precisión de la base de tiempos del osciloscopio y la precisión con que hagamos las lecturas sobre la retícula de la pantalla. 

La determinación de frecuencias por este método no es fiable para obtener más allá de las dos o tres primeras cifras significativas de la lectura. 

En equipos y medidas digitales es muchas veces factor de primera importancia el tiempo de transición entre los niveles lógicos 0 y 1, es decir, los tiempos de subida y bajada. 

Como norma general, y salvo que se especifique otra cosa distinta, se considera como tiempo de transición el transcurrido entre los instantes en que la señal pasa por el 10% y el 90% del valor total del salto. 

Llegados a este punto, conviene considerar que el osciloscopio introduce su propio retardo en tales transiciones y, para medidas de precisión, es necesario tenerlo en cuenta. Este parámetro suele venir indicado en las especificaciones técnicas del aparato. Si esto no fuera así, pero tuviéramos el ancho de banda del canal vertical, el tiempo de subida propio del osciloscopio se calcularía, aproximadamente, como la inversa del doble del ancho de banda. Si consideramos un ancho de banda de unos 10 MHz, el tiempo de subida es del orden de 50 milisegundos. 

Onda sinusoidal 

Una onda sinusoidal corresponde a un tono puro y se caracteriza por su frecuencia y por su amplitud. Sin embargo, en el osciloscopio puede medirse fácilmente la amplitud que corresponde al valor de pico, el valor pico a pico y el periodo. El valor eficaz se calcula a partir del valor de pico. 



Valor eficaz 

El valor eficaz de una onda sinusoidal es igual a 0,707 veces el valor de pico, o bien 0,354 veces el valor de pico a pico. El valor pico a pico se calcula multiplicando el número de divisiones verticales que hay entre las crestas positivas y negativas de la onda, en este caso 6, por el multiplicador V/DIV que señale el control de atenuación del amplificador horizontal. 


Pulsos 

Cuando la onda no es sinusoidal, su amplitud suele expresarse en valores de pico, normalmente la parte más baja de la onda está próxima a los cero voltios, esto puede comprobarse cambiando la entrada DC a AC y observando si la señal se desplaza hacia arriba o hacia abajo. 



El calibrado 

El amplificador vertical de los osciloscopios tiene calibradas las amplitudes de señal a medir. El generador de la base de tiempos también está calibrado. Los valores de calibración vertical y horizontal se consiguen con ayuda de conmutadores de pasos discretos. No obstante, suele encontrarse un control, tipo potenciómetro, que permite variar de forma continua dichos elementos. Es muy importante que estos controles estén en la posición que indica el calibrado para que las lecturas sean correctas. 


Medida de tensión continua 

Antes de conectar la entrada de señal aparece una línea horizontal, posición GND, que se situará a la altura del centro de la pantalla y, a continuación, introducimos la señal a medir. La línea horizontal se desplazará hacia arriba, tensión positiva, o hacia abajo, tensión negativa. Supongamos que hemos elegido el rango de 5 voltios/división, y parece en la pantalla que la señal se encuentra sobre la segunda división, entonces esta señal continua tiene un valor de 10 voltios. 


Medida de frecuencia 

En el osciloscopio puede medirse el periodo de la señal, que es la distancia calculada en divisiones horizontales multiplicada por la escala del conmutador de la base de tiempos.

viernes, 1 de noviembre de 2013

Medidas de tensión y corriente

Métodos y técnicas de medida de la tensión y corriente eléctrica partiendo de la manera en que funcionan los instrumentos empleados para llevarlas a cabo.


Al realizar la verificación y puesta a punto de un circuito electrónico para su reparación, o simplemente para experimentar con él, es necesario efectuar una serie de medidas de la tensión y/o corriente en alguno de sus puntos. Una tensión diferente a la debida en un punto determinado de un circuito puede significar un mal funcionamiento o un deterioro del mismo. La realización de este tipo de medidas no es compleja, pero resulta muy conveniente tener un cierto conocimiento de los instrumentos utilizados y de la manera de realizarlas correctamente. 

Como es de suponer, los instrumentos de medida de tensión y corriente eléctrica están basados en la regla fundamental de la electricidad, la Ley de Ohm. Está ley establece la relación existente entre la tensión en los extremos de un circuito y el producto de la corriente que circula por la resistencia que éste presenta a su paso (V = I x R). 

Las técnicas que se emplean por estos instrumentos, al igual que el resto de la electrónica actual, pueden ser análogas, basadas en fenómenos electromagnéticos, o digitales, fundamentadas en la conversión de una magnitud física en un valor codificado en código binario.

Existe en el mercado una gran variedad de este tipo de instrumentos, tanto análogos como digitales. Algunos de ellos están diseñados para una aplicación específica, como voltímetros y amperímetros del tipo empleado en fuentes de alimentación, pero el instrumento más difundido es el llamado multímetro, capaz de medir corriente y tensión eléctrica, tanto continuas como alternas, en distintas escalas. Algunos también son capaces de medir resistencias y otros componentes activos. 

Instrumentos analógicos 

Se basan en el Galvanómetro, que consta de una bobina móvil fijada a un resorte en espiral, el cual se encuentra en el interior del campo magnético producido por un imán permanente. Cuando circula comente por la bobina aparece un campo magnético que se opone al creado por el imán. Este fenómeno produce un par de fuerzas sobre la bobina móvil que la hace girar. Cuando la fuerza producida sobre la bobina se iguala a la que ejerce el resorte, ésta se detiene. Cuanto mayor sea la corriente, el ángulo recorrido por la bobina será mayor. Cuando deja de circular la corriente, la bobina vuelve a su posición inicial por la acción del resorte de espiral

Instrumentos digitales 

Estos instrumentos constan de dos bloques básicos. El primero de ellos es el conversor analógico/digital, que transforma un valor de tensión aplicado en su entrada al mismo valor codificado en binario, empleando unas técnicas más o menos complejas. El segundo bloque es el de visualización, que convierte el código binario procedente del conversor en una serie de dígitos sobre una pantalla.

Medida de corriente

Como hemos visto al describir el funcionamiento de los instrumentos, la lectura que presentan es proporcional a la corriente que circula a través de ellos. Por lo cual, para realizar la medida de la corriente que circula por un determinado circuito eléctrico, debemos intercalar el instrumento de medida entre el positivo de la alimentación y el circuito. Así, la corriente que alimenta al circuito circula a través del instrumento, con lo que podremos leer el valor de la misma. Para poder medir valores de intensidad mayor que la máxima calculada por el instrumento, se recurre a situar una resistencia de protección calibrada en paralelo con el instrumento, de forma que la corriente que circula se divide en dos caminos, pasando una pequeña parte por el microamperímetro. Esta resistencia recibe el nombre de "shunt".

Para realizar la medida empleando un multímetro procederemos del modo siguiente: con la fuente de alimentación desconectada, deberemos seleccionar la escala adecuada, conectando después la punta de prueba positiva en el polo positivo de la fuente y la punta negativa en la entrada de tensión positiva del circuito. Una vez conectado, aplicaremos la tensión de alimentación. Si la escala seleccionada fuera demasiado grande para el valor medido, seleccionaremos otra de mayor sensibilidad, siempre sin llegar al valor máximo, o valor de fondo de escala, de la misma.

Medida de tensión

Los instrumentos de medida de tensión emplean también un microamperímetro, o un miliamperímetro, para presentar el valor de la tensión aplicada en su entrada. Para poder realizar la medida, se incorpora una resistencia calibrada en serie con el instrumento. Así, al aplicar una tensión al circuito, la corriente que circula por el mismo es igual a la tensión aplicada dividida por la resistencia de protección. Por tanto, el instrumento mide la comente que circula a su través, pero la escala de lectura indicara el valor de la tensión, siendo el factor de conversión el valor de la resistencia calibrada.

La medida se realiza en paralelo, es decir, para medir la tensión entre dos puntos situaremos una punta de prueba en cada uno de ellos, y el valor leído corresponderá con la diferencia de potencial entre ambos puntos.

Para realizar la medida con un multimetro, seleccionaremos la escala capaz de medir un mayor valor de tensión y situaremos las puntas de prueba en los puntos que vamos a medir. Al igual que en el caso anterior, si la escala resultara inadecuada seleccionaríamos otra de mayor sensibilidad.


Partiendo de un galvanómetro podemos realizar medidas de corriente o tensión eléctrica. La corriente se mide en serie, es decir, intercalando el instrumento en el cable de alimentación positiva, por lo que la desviación de la aguja del instrumento será proporcional a la corriente que circula a su través. La resistencia de protección determinará la sensibilidad del instrumento.

La medida de tensión se realiza en paralelo, por lo que la corriente que circula por el instrumento es proporcional al valor de la resistencia de protección y al de la tensión aplicada.


Para poder variar la máxima corriente que se puede medir con un miliamperímetro se conectan resistencias en paralelo con el instrumento, de manera que solo parte de la corriente pase por el mismo. Si, por ejemplo, la máxima corriente que es capaz de medir un instrumento es de 100µA, y su resistencia interna es de 100 Ohmios, para poder medir una corriente de diez veces superior, 1mA, deberemos conectar en paralelo una resistencia, de manera que, al circular por el circuito una corriente de 1mA, por el instrumento pasen 100µA. Aplicando la ley de Ohm, se obtiene un valor de resistencia de 11,1 Ohmios, es decir, la resistencia que ha de conectarse será 9 veces inferior a la del instrumento.


Partiendo de un miliamperímetro podemos obtener un voltímetro de varias escalas. Tomando como ejemplo el instrumento anterior, ya que la corriente máxima es de 100µA y la resistencia es de 100 Ohmios, la máxima tensión que se podría medir seria 10mV (V= I x R). Para poder calcular distintas escalas hemos de insertar en serie con el instrumento resistencias de mayor valor. Si deseamos un voltímetro capaz de medir tensiones mayores, deberemos de insertar una resistencia, de forma que, al aplicar la tensión máxima que vamos a medir, por el instrumento circulen 100µA. En nuestro caso, y dado que la resistencia del instrumento es pequeña, para  1V utilizaríamos una resistencia de 10k, para 10V serían de 100k y para 100V necesitaríamos de 1M.


Empleando las mismas técnicas podemos medir también la resistencia eléctrica. Si conectamos una pila a un miliamperímetro, a través de una resistencia variable, podemos ajustar el valor de ésta hasta que el instrumento llegue a fondo de escala, es decir, mida su máximo de corriente. Si tomáramos ahora una resistencia de valor conocido, y las intercaláramos entre la pila y el potenciómetro, el valor de intensidad que indique el instrumento es proporcional al de la resistencia, por lo que, repitiendo el proceso varias veces, podríamos marcar una escala para el instrumento donde aparecieran valores de resistencia en lugar de valores de corriente. Con ello, al conectar una resistencia de valor desconocido podremos leer su valor en la escala.


Para medir el consumo de un aparato o circuito eléctrico intercalaremos un amperímetro en su toma de alimentación positiva, seleccionando la escala del mismo que permita medir más corriente. Una vez conectado, se alimentará el circuito, pudiendo leer en la escala del instrumento la corriente suministrada al circuito. Si la medida fuera demasiado pequeña para la escala elegida, seleccionaremos otra de mayor sensibilidad, observando siempre la precaución de no superar el valor de fondo de escala del instrumento.


En las medidas de tensión, situaremos el instrumento en paralelo con los puntos donde deseamos medir, siguiendo el mismo proceso de selección de escala que en el caso anterior.

La mayoría de los multímetros incorpora la medida de resistencias en distintas escalas. Suelen disponer de un mando de ajuste de cero, que servirá para calibrar el instrumento en cada escala de medida de resistencia. Para llevar a cabo la medida, seleccionaremos la escala y, haciendo un cortocircuito en las puntas de prueba, ajustaremos el valor de cero ohmios, tras lo que situaremos las puntas sobre los terminales de la resistencia, leyendo en la escala el valor correspondiente. 

lunes, 18 de febrero de 2013

El Generador de Funciones

Uno de los instrumentos de medida, más comunes en los laboratorios de electrónica está el generador de funciones, un equipo muy útil para el análisis del comportamiento de los circuitos.

Está pensado para trabajar desde los 0 Hz hasta algunas decenas de MHz.


Todos los instrumentos de medida están diseñados para permitirnos realizar el análisis del comportamiento del equipo que deseamos verificar. Es decir, tanto en el proceso de desarrollo, como en el de ajuste y pruebas o como en el de mantenimiento de un equipo, tenemos la necesidad de una serie de instrumentos que nos permitan determinar el comportamiento del mismo en su modo de funcionamiento normal. 

Cualquier sistema de pruebas está basado en un conjunto de instrumentos que nos proporciona todas las señales de entrada y alimentación que necesita el equipo bajo prueba para su correcto funcionamiento, además de todos aquellos encargados de recibir las señales que se generan dentro del mismo, y de analizar sus distintos parámetros. Del mismo modo, en el interior del equipo se realiza un procesamiento de dichas señales de entrada, para obtener unas señales de salida determinadas. 

Para la medida de estas señales de salida, o de aquellas que se generan en el interior del equipo, dispondremos de osciloscopios, analizadores de espectros, polimetros, vatimetros, etcétera. Equipos que, por lo general, reciben señales. analizan sus parámetros y nos entregan los resultados obtenidos. 

Pero, como hemos dicho anteriormente, también se necesitan instrumentos que nos proporcionen señales de entrada al equipo bajo prueba, que deben ser lo más parecidas posibles a aquellas con las que trabajará en modo real. Entre estos equipos se encuentran todo tipo de fuentes de alimentación y de generadores de señal. De estos últimos tenemos una gran variedad, dependiendo de las frecuencias de trabajo y del tipo de señal que se necesite. 

Uno de estos generadores, muy útil y versátil, es el generador de funciones, capaz de proporcionarnos una gran variedad de señales, con una amplia gama de frecuencias, distintos tipos de señales y con distintas amplitudes. 

El generador de funciones 

El mas tradicional y más conocido de estos instrumentos es aquel que produce formas de onda sinusoidales, cuadradas y triangulares. Después, a medida que el equipo se hace más complejo y profesional, se le van añadiendo una serie de funciones y posibilidades de uso que determinan la calidad y uso del mismo. 

Así pues, en un generador de funciones deberemos tener en cuenta, como parámetros importantes los siguientes: 

Los distintos tipos de señales que es capaz de proporcionarnos, es decir, señales sinusoidales, cuadradas, triangulares, en rampa, una señal de barrido, o de disparo, generación de impulsos, modulación AM y FM para algunas de estas señales, etcétera. 

El rango de frecuencias de trabajo, con una fácil programación y selección de la frecuencia de salida. Los modernos generadores trabajan desde algunas centésimas de Hz hasta varias decenas de MHz. 

El rango de los niveles de las diferentes señales de salida, desde algunos milivoltios, hasta algunas decenas de voltios (20 V), para los equipos profesionales. 

La precisión y estabilidad de la frecuencia de la señal de salida nos determina la calidad del equipo.

La distorsión de la onda sinusoidal. Si la señal generada tiene una distorsión elevada no estaremos seguros de que la distorsión de salida del equipo bajo prueba es propia o del generador.

A medida que la electrónica ha hecho posible integrar circuitos en componentes o en placas de reducido tamaño, ha quedado espacio libre en el interior para ser utilizado en añadir una seri de funciones que anteriormente eran realizadas por otros instrumentos específicos. 

Así, tenemos equipos que incorporan módulos para la generación de todo tipo de impulsos, en donde la onda cuadrada incorporada permite generar formas de onda complejas. Disponen de un disparo interno muy útil para crear formas de onda en puerta, por ráfagas y sincronizadas en fase, de modo que esta señal puede utilizarse para la sincronización del generador con otros instrumentos. 

En las señales sinusoidales existe la posibilidad de obtener diferentes tipos de modulaciones muy útiles para la prueba de equipos de radio y de baja frecuencia. 

También pueden incorporar módulos que sean generadores de ondas arbitrarias para aplicaciones especiales en baja frecuencia. En este modo de funcionamiento permiten crear ondas especiales en forma de series de rampas de voltaje o vectores. 

Por otro lado, los paneles de control suelen ser bastante ergonómicos, a fin de que podamos identificar de una manera rápida las distintas funciones y opciones de que dispone el equipo, así como poderle sacar el máximo provecho a las diferentes prestaciones que nos ofrece. 


Para los métodos de prueba actuales es conveniente que el equipo pueda ser integrado en todo un sistema de pruebas automático. A tal efecto debe incorporar un módulo de control remoto a través del cual podamos controlar el equipo por programa, sin necesidad de tocar ningún control. 

Por lo general, la mayoría de los equipos disponen de este módulo como opción, aunque muchos vienen ya con él incorporado.


El generador de funciones nos permite obtener señales de una variada gama, dependiendo de los parámetros que variemos.

Así, podemos variar la simetría la de la señal, tanto en lo referente a su nivel, en cuyo caso añade un cierto componente de continúa a la señal (c)), como en la frecuencia, donde, sobre todo en la señal cuadrada podemos modificar su ciclo de trabajo (b) entre el 80% y el 20% de la señal original.


La mayor parte de los generadores de funciones profesionales tiene la posibilidad de suministrar señales moduladas en amplitud, frecuencia y fase.

En estos casos, deberemos analizar las distintas posibilidades de modificación de sus parámetros, ya que ello nos da una idea de las prestaciones que nos proporciona el equipo. Así, deberemos tener en cuenta el indice de modulación para las señales de AM, la desviación de frecuencia para las de FM, etcétera.


Un generador de funciones tradicional incorpora dos generadores diferentes: el de señales simples y el de señales moduladas. El primero tiene un alcance de 13 MHz como frecuencia más alta. El segundo nos permite modulación en amplitud y frecuencia tanto interna como externa (es decir, a través de un generador externo), para los tres tipos de señal.

En otro tipo de generadores, bastante más modernos y potentes, disponen, además de las funciones normales, de un contador de ráfagas, un barrido lineal/logarítmico, sincronización de fase, etcétera, y, sobre todo, de un generador de ondas arbitrarias, cuyos valores podemos escribir fácilmente a través del panel frontal y usar el osciloscopio para ver las señales.

El generador de funciones puede ir integrado en otros equipos o viceversa. En este caso, el instrumento se complementa con un generador de pulsos aumentando la potencia de trabajo del mismo. Así, podemos disponer de dos entradas externas, una para modular la señal que queremos obtener y otra como señal de disparo, todo simultáneamente.

Los generadores de señales son otros instrumentos utilizados en las pruebas de equipos análogos. Ellos son los encargados de proporcionar a dichos equipos las señales de entrada necesarias para poder analizar su correcto funcionamiento y determinar así su comportamiento final.

viernes, 8 de febrero de 2013

El Frecuencímetro

Uno de los parámetros más importantes de una señal periódica es su frecuencia y, en el dominio del tiempo, su periodo. También es importante la medida de determinados intervalos de tiempo (en señales periódicas y no periódicas).
Una gran cantidad de estas medidas se pueden realizar con un solo instrumento: el frecuencímetro.


Una señal eléctrica se representa como un determinado nivel que fluctúa a lo largo del tiempo. Esta fluctuación puede ser, bien aleatoria, con lo que la señal representada se denomina aperiódica o aleatoria, o bien repetitiva, con lo que ciertos valores de la señal se repiten cada cierto tiempo bien determinado.

Las veces que una determinada señal repite sus valores de amplitud en la unidad de tiempo, define la frecuencia de dicha señal. La medida de dicho parámetro se puede realizar, de una manera indirecta, con un osciloscopio, pero es una tarea pesada y tediosa.

Por lo tanto, se necesita un instrumento específico para el análisis de este parámetro. Así  los antiguos frecuencímetros análogos empleaban un circuito LC resonante que ajustaba su frecuencia de resonancia, según la frecuencia de la señal de entrada.

En la actualidad, los frecuencímetros son todos digitales, usando la técnica de los contadores de décadas colocados en cascada. Todo esto se ha conseguido gracias al gran avance de la electrónica digital y su fácil equipamiento en pequeños circuitos integrados.

Esto ha provocado que el frecuencímetro como tal vaya insertado dentro de otro instrumento de medida, formando parte del mismo como un accesorio para o una función más a realizar, generando una información adicional de la señal  que se está analizando. Así  podemos ver frecuencímetros en los analizadores de espectros, en los osciloscopios, en los generales de señales, etc.

Técnicas de contadores en cascada
Es la técnica más utilizada actualmente, y la más fácil de entender, ya que, al mismo tiempo, nos permite en análisis de otros parámetros de diferentes señales en el dominio del tiempo.

Queda bien claro que los frecuencímetros profesionales son una compilación bastante mayor, ya que, si bien mantienen la filosofía de medida, el poder de conseguir instrumentos con unas mayores precisiones y presentaciones, supone un aumento de la complejidad del diseño.

Por lo tanto, para poder llegar a comprender mas fácilmente la filosofía de trabajo de un frecuencímetro  nos fijaremos tan solo en el diagrama de bloques; aunque, los detalles para las distintas posibilidades de estos equipos, solo se mencionarán, ya que, en el presente texto, no esta previsto tratar con detalle estos circuitos.

La idea fundamental es bien sencilla y se deriva de la propia definición de frecuencia, es decir, del número de veces que una señal se repite en la unidad de tiempo. Con lo cual, si disponemos de un contador que está activado durante un segundo, podremos saber la cantidad de veces que una señal se repite en dicho periodo de tiempo o, lo que es igual, su frecuencia.

Esto es posible cuando la frecuencia de la señal que ha de medirse no es muy elevada. Pero, en cuanto deseamos medir frecuencias más allá de los MHz, para poder contar el número de impulsos sin ningún problema, deberemos llenar el interior del frecuencímetro de circuitos contadores decimales.

Figura 1 - Diagrama de bloques de un frecuencímetro
de contadores en cascada
Para evitar esto, se divide la señal de referencia, en el lugar de multiplicar. Es decir, en vez de contar el número de  impulsos que obtenemos en un segundo, lo haremos en 0,1 segundos, 10 segundos, y así sucesivamente. Podría objetarse que, si suprimimos contadores para añadir divisores, no hemos resuelto nada; sin embargo, la solución está en que, para conseguir una frecuencia estable y fija, debemos partir de un oscilador de referencia (O.R. en el diagrama de bloques - figura 1), de gran estabilidad y precisión (cuanto más estable y preciso sea el cristal, mejor será nuestro frecuencímetro, al que aplicamos sucesivas divisiones (D), para obtener las distintas escalas de que dispondrá el frecuencímetro.

Son estos divisores, que nos dan las distintas escalas seleccionables (S), los que debemos aprovechar y añadir para no tener que colocar contadores.

Por otro lado, queda un problema por resolver: en una señal digital es más o menos fácil aislar, de los ruidos no deseados, la señal que va a medirse. Pero, por lo general, en una señal análoga es mucho más probable encontrar señales parásitas de un cierto nivel que pueden distorsionar la medida y a las que, a veces será difícil eliminar.

Para solucionar esto se utiliza un segundo oscilador, llamado oscilador de disparo (O.D. en el diagrama - figura 1), el cual toma una muestra de la señal de entrada y, dependiendo del nivel de dichas señales parásitas  lo ajustaremos para que el frecuencímetro haga la medida tan solo durante el periodo de tiempo en que la señal de entrada es mayor que las posibles señales parásitas (R). A este tiempo, durante el cual podemos hacer la medida, se le denomina ventana de disparo, y es el momento durante el cual el contador C cuenta los impulsos de la señal de entrada en la unidad de tiempo seleccionada en S.

Asimismo, el ajuste que nos permite separar las señales que han de medirse de las señales parásitas se denomina ajuste de nivel, y la posibilidad de medir la frecuencia de señales de bajo nivel nos determina la sensibilidad de dicho equipo.

A la entrada del equipo será necesito colocar un adaptador de señal (A.D), de manera que podamos conectar una gran variedad de señales de entrada con muy diferentes niveles y, al mismo tiempo, que la impedancia de entrada del equipo no perturbe dichas señales de entrada.

Para presentar los resultados de la medida se utiliza, por lo general, un visualizador o display de cristal líquido o de diodos, negus el caso (D).

Esta presentación junto con las distintas señales de control y el procesamiento de la señal de entrada para obtener las variadas funciones del frecuencímetro está supervisada por la lógica de control (L.C.) gobernada, a su vez por lo general, por un microprocesador.

Anotaciones Finales

Podemos observar este sencillo frecuencímetro de laboratorio en el que podemos observar sus dos canales de entrada y el reducido numero de teclas de control para simplificar su uso. Tiene una capacidad de medir la frecuencia de señales en un rango que va desde 10 Hz hasta 100 MHz. Está pensado para su utilización en talleres y laboratorios de uso normal.


Disponer de más de una entrada en un frecuencímetro permite el desarrollo de una serie de funciones que son de gran utilidad a la hora de trabajar y comparar varios equipos. Así, podemos programar que la puerta de disparo del instrumento se active con el flanco de subida o de bajada de una de las dos entradas, y que se detenga con cualquiera de los dos flancos de la señal del otro canal, permitiéndonos medir espacios de tiempo entre dos señales.



El frecuencímetro como tal nos facilita la medida de frecuencias, periodos, etc.

En este caso las teclas de función que observamos nos permiten la medida de los parámetros mencionados, ademas del tiempo intermedio entre la señal A y la B, un autochequeo, etc.

Al mismo tiempo, en la pantalla tenemos impresionado del valor de medida obtenida, con las unidades que correspondan en cada caso.
Los frecuencímetros profesionales están diseñador para añadir una serie de presentaciones a las que podemos obtener de un frecuencímetro normal A las presentaciones de autoescala, un tamaño mas reducido, mayor número de funciones, etc., debemos añadir la posibilidad de ser controlados remotamente a través del bus GPIB, lo que facilita y rentabiliza su uso en producciones elevadas.

Los actuales osciloscopios digitales son una muestra de como se puede implementar un frecuencímetro dentro de otro instrumento. Con las distintas funciones de que disponen, pueden presentar información de la frecuencia de una señal, periodo, tiempo de subida, tiempo de bajada, etc., y todos aquellos parámetros que tengan que ver con el análisis de señal en el dominio del tiempo.

Aunque, en la actualidad, se fabrican circuitos integrados que realizan la mayor parte de dichas funciones. Es decir, con una fuente de alimentación  un visualizador o display y algunos componentes asociados a estos circuitos integrados, podemos construir un frecuencímetro que, bien calibrado, puede ser de gran utilidad en el laboratorio.

lunes, 4 de febrero de 2013

El Analizador de Espectro

Es un instrumento en que podemos realizar y visualizar medidas de los parámetros mas importantes de las señales análogas  como son las frecuencias, armónicos  modulaciones, ruidos, ancho de banda, distorsiones, etc.


El analizador de espectro es un equipo de medida necesario en cualquier laboratorio profesional que trabaje en el campo de las bajas frecuencias (audio y señales por debajo de los 2MHz), o bien en el campo de la radiofrecuencia; llegando incluso al campo de las microondas, donde existen analizadores que trabajan con mas de 20GHz.

El gran desarrollo de la electrónica  y sobre todo la implementación de la electrónica digital en los equipos análogos  nos permite hoy en día disponer de equipos cada vez mas avanzados, a la vez mas que precisos, y con unas posibilidades de aplicaciones y manejo impensables hasta hace poco tiempo.

Todo esto se puede apreciar cada vez mas en las prestaciones que nos proporcionan los equipos de laboratorio mas o menos profesionales, y en general los analizadores de espectros modernos, donde el numero de funciones y menús de manejo se incrementan en cada nuevo equipo.

Pero, veamos con mas profundad la filosofía de trabajo de un analizador de espectros básico  ya que el fundamento del funcionamiento de estos equipos es el mismo para todos. Posteriormente se le añaden las distintas prestaciones con que nos podemos encontrar, y que serán especificas de cada marca y modelo.

El analizador de espectros y el Osciloscopio

Aunque pueda sorprendernos que comparemos el analizador de espectros y el osciloscopio, la verdad es que la filosofía de trabajo es comparable entre ellos.
Así, el osciloscopio nos muestra la señal a analizar en pantalla y siempre en el dominio del tiempo, de donde obtenemos ciertos parámetros, como frecuencia, distorsión, nivel, etc.

El analizador de espectros, por el contrario, nos muestra la señal con la que estamos trabajando en el dominio de la frecuencia. Es decir, hay una interpolación de los parámetros que antes medíamos en el dominio del tiempo al de la frecuencia. Esto se analiza porque hay una serie de parámetros cuya medida se complica (o son necesarios otros instrumentos adicionales), si intentamos trabajar con el tiempo. En cambio, al no depender de dichos parámetros del tiempo, sino de la frecuencia, se simplifican ciertas medidas. Por lo tanto, podemos decir que con un buen osciloscopio y un buen analizador de espectros en nuestro laborario disponemos de la mayor parte de la instrumentación necesaria para el análisis de señales análogas.

El análisis de señales en el dominio de la frecuencia se puede realizar de varias formas diferentes.Cada una de ellas tiene sus ventajas y sus inconvenientes, por lo que iremos viendo cada una por separado.

Técnica de medida en tiempo real

Esta técnica se caracteriza por el uso de filtros colocados a lo largo de la banda en que trabaja el analizador. Son un conjunto de filtros paso-banda fijos, colocados directamente a la entrada del analizador, de esta manera que cualquier señal de entrada puede ser analizada y separada de las demás señales del resto de la banda por dichos filtros. Solo debemos sintonizar correctamente los filtros de entrada con la frecuencia de la señal que nos llega.

Este método resulta muy eficaz para el análisis de señales de baja frecuencia comprendidas desde la señal continua hasta poco mas allá de las señales de audio.Del mismo modo, su principal inconveniente es un pequeño ancho de banda de trabajo.

Técnica del analizador por Transformadas de Fourier

Los analizadores de espectros que utilizan esta técnica realizan un tratamiento digital de la señal de entrada durante un determinado periodo de tiempo. De esta transformación se obtiene como resultado una información de frecuencia, fase y amplitud.

El tratamiento digital de la señal nos permite el análisis de señales tanto de tipo periódicas o aleatorias. Por el contrario, al igual que los analizadores en tiempo real, presentan inconveniente del pequeño ancho de banda con que trabajan, limitado por la propia digitalización que sufre la señal. El margen de frecuencias hasta donde suelen llegar a trabajar este tipo de analizadores de espectros es de unos pocos cientos de kilohertz (KHz).

Técnica del analizador por barrido sintonizado

Este tipo de análisis de la señal se divide a su vez en dos: la técnica por filtros sintonizados, donde la señal a analizar ataca a unos filtros de entrada cuya frecuencia de paso se adapta perfectamente a la frecuencia de dicha señal a medir. Este tipo de analizadores son baratos en cuanto a su diseño pero quedan mas bien pobres en cuanto a los resultados de los parámetros analizados.

Es por ello por lo que el tipo de analizador más utilizado es el receptor heterodino, donde la señal recibida es captada por un receptor heterodino. Esto trae consigo una mayor precisión de los parámetros a medir de la señales de entrada, al mismo tiempo que se amplia considerablemente el margen de frecuencias sobre las que se puede trabajar.

El diagrama de bloques de este tipo de analizadores se muestra en la figura 1. En  ella podemos  observar que la señal de entrada es cambiada a una frecuencia inferior (después de haber sido correctamente filtrada), a través de un mezclador, al que llega la frecuencia de un oscilador local controlado por un generador de barrido.

Esta señal, bajada de frecuencia, es trata y detectada de manera que se puedan hacer las medidas oportunas, al mismo tiempo que tenemos una presentación en pantalla de la misma.

Los analizadores de espectro actuales se caracterizan por su tendencia a facilitar al usuario su manejo, al mismo tiempo que se aumentan sus prestaciones. Este tipo de analizadores llevan internamente todo un sistema de control y análisis que permite una presentación en pantalla de la mayor parte de los parámetros a medir.

El resto de las utilidades se seleccionan a través de diferentes menús; también permiten un control automático de los mismos a través de puertos de comunicaciones RS-232 o bus GPIB.

Figura 1
Los diferentes parámetros de ancho de banda de FI (A), tipo y forma del filtro de FI (B), la estabilidad del oscilador local (C) y la presencia de ruido interno del propio equipo (D), determinan las características generales de un analizador de espectros. Es decir, un filtro con gran estabilidad y banda de corte ajustable y precisa, un oscilador local suficientemente preciso y un buen rechazo de ruido generado por el propio equipo, serán los que nos permitan asegurarnos la precisión de nuestras medidas.

La presentación en pantalla de la mayor parte de las medidas realizadas por el analizador supone un fácil acceso a la información  Si a esto le añadimos una serie de menús que nos permitan acceder a las funciones que no tenemos en pantalla en un momento dado, obtenemos un equipo de un manejo practico y fácil de aprender.

El ruido interno (Noise) del analizador de espectros viene determinado en su mayor parte por las características del filtro de frecuencia intermedia. Por lo tanto, el diseño del mismo debe hacerse para que en ausencia de señal de entrada, no detectemos ninguna señal en las medidas que realicemos hasta que no descendamos por debajo de un cierto nivel que determina la sensibilidad del equipo.

A la hora de realizar las medidas, otra de las características que hay que tener en cuenta en un analizador de espectros es su resolución de la frecuencia a medir. Si el equipo fuese ideal, la representación de un tono puro (sin armónicos), debería verse en pantalla como una linea vertical.

Debido a que el equipo y mas concretamente, su filtro de FI, no es ideal, dicho tono se vera con algo de abertura en su base. Este detalle es importante para poder discernir entre dos frecuencias diferentes muy próximas.

La resolución de amplitud nos determina la mas pequeña variación del nivel de señal de entrada que puede detectar el analizador de espectros. Esta característica viene determinada por la resolución de los convertidores y voltímetros internos del analizador que nos fijaran la precisión con que medimos la amplitud de una determinada señal de entrada y el error que estamos cometiendo al realizarla.

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